최근 인구 증가와 산업의 급속한 발전은 환경 문제와 물 공급에 대한 수요를 크게 증가시키고 있다. 이러한 상황에서, 공공 및 산업 부문에서 물 순환 관리를 개선하기 위한 혁신적인 해결책의 채택이 필수적이다. 물의 진정한 가치를 인식하고 효과적인 재이용을 위해서는 지속 가능한 기술의 도입이 필수적이며, 이는 폐수 내 자원을 회수하는 접근 방식을 포함한다. 최근의 연구에 따르면, 폐수 처리를 위한 첨단 기술의 적용은 이러한 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 하고 있다[1]. 폐수 처리 기술 중 하나인 막 생물학적 반응기(Membrane bioreactor, MBR) 기술은 물리적 막여과와 생물학적 수처리 공정을 결합한 혁신적인 공정으로, 폐수 처리의 새로운 패러다임을 제시하고 있다[2]. MBR 공정에서는 생물반응조 내에서 바이오매스의 분해가 이루어지고, 동시에 분리막 모듈을 통해 처리된 폐수로부터 미생물을 물리적으로 분리한다[3]. 지난 20년 동안 MBR 기술은 높은 운영 부하 처리 능력, 효과적인 고형물 분리, 우수한 유출수 품질, 작은 설치 공간 및 낮은 슬러지 발생량 등으로 주목받아 왔으며, 현재는 폐수 처리를 위한 선도적인 기술로 자리잡고 있다[4]. 특히, MBR은 도시 및 산업 폐수에서 질소와 탄소를 효과적으로 제거하는 데 널리 활용되고 있다[5]. 최근 BCC (Business communication company) 보고서에 따르면, 전 세계 MBR 시장 규모는 2022년에 33억 5천만 달러로 평가되었으며, 연평균 복합 성장률(Compound annual growth rate, CAGR) 7%로 2024년에는 약 42억 달러에 이를 것으로 예상된다[6]. (Fig. 1) 이러한 시장 성장은 물 부족 문제 해결을 위한 정부의 다양한 계획과 폐수 처리장에 대한 대규모 투자의 증가로 더욱 촉진될 것이다[7]. Fig. 2는 VOS viewer 응용 프로그램에 의한 동시 발생 맵 분석을 통해 MBR 주제에 대한 연구 매핑을 평가하기 위하여 계량서지 분석을 수행하였다. 이러한 분석은 MBR에 대한 현재의 연구와 향후 응용 가능성을 시사하며, MBR의 조건, 작동, 프로세스, 시스템에 대한 다양한 매개변수에 관한 연구가 활발히 진행되고 있음을 나타낸다.

폐수 처리에 가장 널리 사용되는 기술은 기존의 활성 슬러지 공법(Conventional activated sludge, CAS)과 MBR 공정이다[8]. CAS 공정은 박테리아와 원생동물의 생물학적 성장, 플록 응집 및 침전조를 통한 고체/액체 분리를 통해 오염물질을 처리한다[9]. 반면, MBR 공정은 물리적 분리막을 이용하여 고체/액체 분리를 수행한다. CAS는 100년 이상의 역사를 가진 기술로 전 세계적으로 널리 채택되고 있지만, 높은 운영 및 유지 관리 비용, 후처리 필요성, 용량 제한 등 여러 한계를 가지고 있다[10,11]. (Table 1) 이러한 한계를 극복하기 위해 MBR은 CAS의 유효한 대안으로 인정받고 있다. 특히 MBR은 더 긴 슬러지 체류시간(SRT)을 통해 난분해성 오염물질까지 분해할 수 있으며, 낮은 세포 수율로 슬러지 생성을 줄인다. 또한, 물리적 분리막을 통해 높은 배출수 품질을 달성할 수 있다[12]. 더불어 MBR은 설치 공간을 대폭 절약할 수 있는 장점도 제공한다. 그러나 MBR 공정에는 몇 가지 단점도 존재한다. 기존 분리막의 오염 문제로 인해 투과도가 감소하거나 막 투과 압력이 증가할 수 있으며, 이러한 막 오염을 해결하기 위한 세정 전략은 에너지 소비를 증가시켜 운영 비용을 높일 수 있다[13]. (Table 2) CAS와 MBR을 비교한 연구에서는 MBR이 초기 투자 비용이 높지만, 우수한 폐수 처리 품질을 통해 장기적으로 그 비용을 상쇄할 수 있다는 결론을 도출하였다[5,7,4-20]. MBR의 기술적 발전은 공정 구성에 따라 다양하게 이루어지며, 대표적으로 침지형(Submerged), 측류형(Side-stream), 외부 침지형(External submerged)으로 구분된다[21]. (Fig. 3) 이 들 각각은 분리막의 위치와 관련된 차이점이 있으며, 침지형 MBR은 간단한 구성과 낮은 생산 및 유지 비용, 적은 에너지 소비로 인식되고 있으며, 측류형 MBR은 높은 물리적 견고성과 적응성을 제공하며, 외부 침지형은 소규모 처리에 적합하다[22]. Table 3은 다양한 MBR 구성 시스템에 대한 연구 결과를 요약하고 있으며, 각 시스템의 효율성과 특성을 평가하여 적합한 MBR 구성을 선택하는 데 유용한 정보를 제공하고 있다[23-32].

MBR 공정은 현재 기술적으로 성숙한 상태에 도달했으나, 막 오염은 여전히 주요 과제로 남아 있으며, 이로 인해 광범위한 상용화가 지연되고 있다. 막 오염은 MBR의 생산성을 저하시키고, 공기 세정으로 인한 에너지 수요를 증가시키며, 막의 투과성을 회복하기 위해 반복적인 세정을 필요로 한다. 이러한 반복적인 세정은 결국 막의 수명을 단축시키고, 이에 따라 막 교체 비용이 증가하게 된다. 따라서, 막 오염의 메커니즘을 이해하고 이를 완화하기 위한 전략을 개발하는 것이 매우 중요하며 이와 관련한 다양한 연구가 진행되어 왔다[33]. 막 오염의 메커니즘은 주로 네 가지로 분류된다. 첫째, 기공 크기보다 큰 입자가 막 기공을 막음으로써 발생하며, 오염입자가 막 기공을 완전히 막아 새로운 기공이 생성되지 못하게 한다(Complete blocking). 둘째, 기공보다 작은 오염물질 입자가 기공 내부에 흡착되거나 침투하여 발생한다(Standard blocking). 셋째, 완전 차단과 표준 차단의 혼합 형태로, 일부 입자는 기공을 완전히 막지만, 다른 입자는 기공 벽에 축적된다(Intermediate blocking), 마지막으로 막 표면에 큰 입자나 플록이 축적되어 케이크 층이 형성되며, 이로 인해 투과 압력 및 에너지 소비 증가로 이어진다(Cake formation) (Fig. 4). 주로 MBR 공정 내 오염물질에는 세포외 체외고분자물질(Extracellular polymeric substances, EPSs), 용해성 유기물, 미립자, 콜로이드, 용해된 무기 화합물로 구성된 생물막 등이 포함된다. MBR 공정에서 경제적이며 장기적인 운전을 보장하기 위해 막 오염을 억제하고 감소시키는 것이 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 이를 해결하기 위해 유입 폐수에 대한 적절한 전처리와 물리적 세정 (Backflushing/backwashing), 화학적 세정 그리고 버블 세정 등 많은 연구가 진행되어 왔다[34,35]. (Fig. 5) 또한, 오염 제거 메커니즘에 따라 분리막 세정은 일반적으로 물리적, 화학적, 물리화학적, 생물학적/생화학적 세척의 4가지 유형으로 분류될 수 있다.

MBR 공정에서 공기 주입 세척의 최적화는 분리막 오염을 효과적으로 제어하고 에너지 소비를 감소시키기 위해 중요한 전략적 요소로 간주된다. MBR 시스템에서 공기 주입은 미생물에 산소를 공급하고 슬러지를 부유 상태로 유지하며, 분리막 표면의 막오염을 완화하는데 필수적이다. 그러나 공기 주입은 총 에너지 소비의 약 절반을 차지하므로, 공기 주입의 효율적 관리가 매우 중요하다. 공기 주입의 최적화는 폭기 속도, 기포 크기, 그리고 폭기 모드를 조절함으로써 달성할 수 있다. 특히, 평판형 MBR에서의 공기 주입은 중공사형 MBR보다 훨씬 높은 에너지 소비를 요구한다. 이는 평판형 MBR의 구조적 특성으로 인해 비폭기수요(Specific aeration demand, SAD)가 상대적으로 높기 때문이다. 이전 연구에 따르면, MBR 시스템에서 SAD값은 상당히 다를 수 있으며, 이는 실제 운전에서 공기 주입 최적화의 잠재력을 나타낸다[53]. SAD값은 플랜트 용량에 비례하는 경향이 있지만, 이는 소규모 MBR에서의 발견이 전체 규모 MBR의 운전에 직접 적용되지 않을 수 있음을 시사한다. 따라서, 플랜트 용량 외에도 반응기 구성과 모듈 구조가 분리막 표면 근처의 유체 역학적 조건에 상당한 영향을 미친다는 점을 고려해야한다. 이러한 유체 역학적 조건을 최적화하기 위해, 계산 유체 역학(Computational fluid dynamics, CFD) 시뮬레이션은 매우 유용한 도구로 활용될 수 있다. CFD를 통해 모듈 구조와 공기 주입 모드의 최적화를 시뮬레이션할 수 있으며, 이를 통해 공기 주입의 효율성을 극대화하고 에너지 소비를 줄일 수 있다. MBR 공정에서의 규모에 따른 SAD값은 Table 6에 나타내었으며, 공기 주입 최적화 전략의 필요성과 효과를 실질적으로 평가할 수 있다[54-60].

MBR공정에서 막오염과 에너지 소비 문제를 해결하기 위한 여러가지 혁신적인 기술들이 개발되었으며, 폐수 처리의 경제성과 효율성을 향상시키고자 여러 연구가 진행되어왔다. 혐기성 분리막 생물반응기(Anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)은 혐기성 조건에서 미생물의 성장 속도가 느려 슬러지 생성이 적고 막오염이 감소하며, 산소가 필요 없기 때문에 에너지 소비가 낮다. 또한 메탄을 생성하여 에너지를 회수할 수 있어 전체 에너지 효율성이 높은 편이다[65]. 혐기성 유동상 생물반응기(Anaerobic fluidized membrane, AFMBR)는 유동화된 매체를 통해 막 표면의 오염을 물리적으로 제거하여 막 오염을 효과적으로 관리하며, 물리적 세정으로 인해 에너지 소비가 낮다. 막 광생물반응기(Membrane photobioreactor, MPBR)는 광합성 미생물(미세조류)를 사용하여 폐수를 처리하고 자가 정화 기능으로 막 오염을 최소화하며, 추가적인 에너지원이 필요 없어 에너지 소비가 매우 낮은 공정으로 관심받고 있다. 혐기성 전기화학 막 생물반응기(Anaerobic electrochemical membrane bioreactor, AnEMBR)은 전기화학적 반응을 통해 에너지를 회수하여 전체 에너지 소비를 줄이며, 혐기성 동적 막 생물반응기(Anaerobic dynamic membrane bioreactor, AnDMBR)는 동적 막 기술을 결합하여 자가 세정 기능으로 막 표면의 오염물질 축적을 방지하며, 에너지 소비가 낮고 메탄 생성으로 에너지 소비를 줄임으로써 폐수 처리 공정의 효율성과 경제성을 크게 향상시키며, 환경 보호와 자원 효율적 관리에 중요한 발전을 이루고 있다. 또한, 혐기성 진동막 생물반응기(Anaerobic vibrating membrane bioreactor, AnVMBR)은 MBR공정에서 가장 많은 에너지를 차지하고 있는 폭기를 없애고 막의 움직임으로 유체역학적 전단력을 발생하여 막 표면의 오염물질을 억제하고, 에너지 소비를 낮춤으로써 공정의 경제성을 크게 향상시킨다. 이와 같은 혁신적인 기술들의 도입은 막 오염문제를 해결하고 에너지 소비를 줄임으로써 폐수 처리 공정의 효율성과 경제성을 크게 향상시키며, 환경 보호와 자원 효율적 관리에 중요한 발전을 이루고 있다. 이에 대한 혁신 기술에 따른 공정 효율 비교는 Table 7

에너지 회수 외에도 AnMBR에서 발생하는 영양소가 풍부한 유출수는 농업에서 전통적인 무기 비료로 대체하고, 동시에 수생 환경에서 부영양화를 방지하는 잠재적인 친환경 비료로 사용할 수 있다. 이는 지속 가능한 자원 회수 및 폐수 재사용에 있어 중요한 가능성을 시사한다. 그러나 기존의 영양소 제거 기술들은 몇 가지 한계를 가지고 있어 지속 가능성이 부족한 것으로 평가되었다. 활성 슬러지 공정, 화학적 침전, 질산화-탈질소화 등과 같은 전통적인 기술들은 높은 에너지 소비, 화학 물질 사용, 그리고 슬러지의 과도한 생산 등으로 인해 한계에 부딪히고 있다. 최근 연구에서는 정삼투(Forward osmosis, FO), 막 증류(Membrane distillation, MD), 전기 분해(Electrodialysis, ED) 등의 분리막 기반 공정을 AnMBR과 통합함으로써, 폐수 내 영양소 또는 자원회수의 가능성을 제시하고 있다. 이러한 통합 공정은 높은 자원 회수율을 유지하면서도 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있다[82-89]. (Table 8) 또한, 기존의 에너지 집약적이고 비효율적인 영양소 제거 공정에 비해 더 지속 가능하고 경제적인 대안을 제공한다.

MBR공정은 폐수 처리를 위한 효율적인 기술로, 고품질의 유출수를 제공하는 장점이 있지만, 막오염 문제와 이에 따른 에너지 소비가 주요 과제로 남아있다. 따라서 MBR공정에서 막 오염을 저감하면서도 에너지 수요를 최적화하는 것은 매우 중요한 연구 분야이다. MBR공법의 전력소비량 중 68.0%(Flat sheet)과 53.0%(Hollow fiber)는 미생물 처리와 분리막 세정에 소요되는 공기 송풍에 의해 소모되며, 특히 분리막의 여과 성능을 유지하기 위해 부착된 오염물을 탈리하기 위해 공급되는 공기 송풍에 소요되는 전력은 57.0%(Flat sheet)과 36.0% (Hollow fiber)를 차지한다[98]. (Fig. 6) 에너지 수요 최적화 전략은 공기 폭기 제어, 간헐적 폭기 및 교반, 저압 운영, 정기적이고 효율적인 막 세정 등 공정 운영에 많은 비용을 차지하는 전략을 통합적으로 적용함으로써 에너지 소비를 최소화하고, 막의 수명 연장 및 운영 비용을 절감할 수 있을 것이라 판단된다. Table 9은 MBR 구성 과정에서 막 오염 제어와 관련된 에너지 수요 분석에 대한 비교 결과이다[6,99-102]. 특정 에너지 수요(Specific energy demand, SED)는 MBR의 특정 오염 제어 방법의 에너지 소비를 평가하는 중요한 지표로 작용하며, Yilmaz는 MBR공정에서 간헐적 폭기 전략으로 일정 유량 10 LMH에서 운전하였으며, COD 제거량 84-91%정도이며, 이에 사용된 SED가 0.53 kWh/m³으로 평가되었다[99]. Zuo는 MBR공정과 A2O공법과 통합된 일련의 공정으로, 거친 기포 폭기(Coarse bubble aeration)는 기능성 박테리아의 상대적 풍부함을 감소시켰으며, 이에 따라 질소 및 인 대사경로에 관여하는 효소의 활성도가 감소하였다. 또한, 이에 사용된 거친 기포 폭기의 SED는 0.45 ± 0.02 kWh/d과 총 탄소 배출량은 0.32 ± 0.01 kg/d은 미세 기포 폭기(Fine bubble aeration)의 SED는 0.35 ± 0.01 kWh/d과 총 탄소배출량은 0.25 ± 0.02 kg/d에 비해 현저히 높았다. 이 결과는 미세 기포 폭기가 에너지 효율성이 높고 탄소 배출량이 적어 환경적으로 더 유리함을 보여준다[100]. 막오염을 줄이기 위해 높은 통기 강도를 갖는 총 MBR 에너지 수요와 비교하여, 막 왕복 운동 및 정족수 감지억제(QQ)방법을 적용하는 것은 총 에너지의 81%이상을 절약하는 동시에 약 6배 더 긴 안정적인 MBR 작동을 가능하게 한다. 이에 상응하는 SED는 0.0113 kWh/m³로 평가되었으며, 이는 MBR공정에서 폭기가 가장 큰 에너지 비중을 차지함을 알 수 있다[103]. Wang은 VMBR을 통해 오염 제어에 탁월한 에너지 효율을 보였으며 유사한 전단조건에서 ASMBR(Air sparging MBR)의 51.7-78.5% 에너지 절약할 수 있다는 보고가 있으며, VMBR의 우수한 처리 성능, 오염 제어 및 에너지 효율성의 결합은 기존 ASMBR을 대체할 수 있는 잠재력을 갖춘 본격적인 적용에서 MBR 설계의 향후 개선을 위한 진보적인 전력을 만들 수 있다[102]. 최근, LENA-MBR (Less energy no aeration-MBR)공정은 기존 조대 공기 송풍 방식 대신 분리막에 왕복 이동력을 가하여 관성력을 이동시킴으로써 분리막의 오염물을 탈리하는 비폭기 세정 방식의 분리막을 설비하여 소요에너지를 대폭 절감시키는 새로운 개념을 적용하였다. 기존의 에너지 소비가 높은 조대 공기 송풍세정을 모터의 회전운동력으로 대체함으로써 에너지 소비가 높은 조대 공기송풍세정을 모터의 회전운동력으로 대체함으로써 전력소요량을 40% 이상 대폭 절감할 수 있으며(0.015 kWh/m³), 기존 송풍세정방식 대비 동등 이상의 처리 성능 및 분리막의 내구성을 확보할 수 있다[6].

MBR 기술은 폐수 처리에서 중요한 역할을 하지만, 막 오염은 여전히 큰 도전 과제로 남아 있다. 최근 연구는 막 오염 저감을 위한 다양한 접근을 모색함과 동시에 자원 회수를 통한 지속 가능한 운영 모델 개발에 집중하고 있다. 막 오염 저감 기술에 대한 최신 연구는 크게 세가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째, 막 오염 예방 및 감소를 위한 전처리 기술의 발전이다. 이 기술은 폐수 유입 전에 오염물질을 효과적으로 제거하여 막 오염을 줄이는 데 중점을 둔다. 예를 들어, 고정형 또는 이동형 물리적 여과 시스템과 첨가제를 활용한 화학적 전처리 기술이 개발되고 있다. 이러한 전처리 기술은 막 오염을 사전에 방지하여 공정의 효율성을 높이는 데 기여한다. 둘째, 세정 기술의 혁신이다. 기존의 물리적, 화학적 세정 방법에 더해 초음파, 기포, 진동 세정 등 첨단 세정 기술이 연구되고 있으며, 이는 막 표면의 오염물질을 보다 효과적으로 제거하는 방법으로 주목받고 있다. 이러한 세정 기술은 막의 투과성을 회복시키고 수명을 연장하는 데 중요한 역할을 한다. 셋째, 분리막 재료의 개질이다. 새로운 분리막 소재와 코팅 기술이 개발되어 막의 내구성과 오염 저항성을 크게 향상시키고 있다. 최근에는 나노소재를 활용한 고기능성 분리막이나 자가 세정 기능을 가진 막이 연구되고 있어 막 오염 저감에 효과적이다. 한편, 자원 회수와 관련된 연구는 MBR 공정의 효율성 및 경제성을 개선하는 데 중점을 두고 있다. MBR 시스템을 통해 질소와 인 같은 영양소를 회수하여 농업 비료로 재활용하거나, 바이오매스를 에너지원으로 전환하는 기술이 개발되고 있다. 또한, 에너지 효율성 개선을 위한 연구도 진행되어 폐수 처리 과정에서 에너지를 절감하고 자원의 재사용을 촉진하는 데 기여하고 있다. 향후 연구는 이러한 기술들을 통합하여 MBR 공정의 지속 가능성을 높이는 데 집중하고 있으며, 막 오염 저감과 자원 회수를 고려한 통합 솔루션 개발이 필요하다. 이를 통해 운영 비용 절감과 환경적 이익을 동시에 실현할 수 있는 혁신적인 접근이 요구된다. 이러한 통합적 접근은 MBR 공정의 전반적인 효율성과 지속 가능성을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 것이다.

MBR 기술의 성능 유지를 위해서는 효과적인 오염 방지 방법과 적절한 운전이 필수적이다. 본 리뷰에서는 MBR의 설계 전략, 막오염 현상 등 중요한 측면을 조사하였으며, MBR 공정의 구성, 막오염 메커니즘에 대한 기본 개념을 요약하고, 신기술, 및 제어 전략 개발을 논의했다. MBR 공정에서 막오염은 여전히 주요 과제로 남아있으며, 이를 해결하기 위한 다양한 접근이 필요하다. 막오염 저감 및 경제성 확보를 위해서는 폭기 제어 전략, 저압 운전 및 정기적인 세정 기법 확립과 같은 새로운 기술적 접근이 요구된다. 특히, 기존의 조대 공기 송풍 방식이 아닌, 분리막에 왕복 관성력을 이동시켜 막오염을 제거하는 비폭기 세정 방식의 LENA-MBR 공정이 주목받고 있다. LENA-MBR 공정은 기존 MBR 공정에 비해 전력 소요량과 특정 에너지 수요(0.015 kWh/m³)를 대폭 감소시키는 획기적인 기술로 평가받고 있다. 이러한 혁신적인 비폭기 방식은 MBR 기술의 경제성 및 효율성 향상에 중요한 기여를 할 수 있으며, 향후 연구는 새로운 기술의 적용 가능성과 실용성을 평가하며, 분리막 재질의 개질을 통한 막오염 저감, 자원 회수 등을 평가하는 데 중점을 두어야 한다. 다양한 운전 조건에서의 성능을 면밀히 검토하고, 이를 통해 MBR 기술의 경제적이고 환경적으로 지속 가능한 발전을 도모할 필요가 있다. 이와 같은 연구 노력을 통해 MBR 기술이 보다 효과적이고 효율적인 폐수 처리 솔루션으로 평가받을 수 있을 것이라 판단된다.