平成 20 年度 PTFE 膜 MBR による下水の再生処理技術の開発

報告書

2009 年 3 月

財団法人 造水促進センター

PTFE 膜 MBR による下水の再生処理技術の開発 目 次 1.緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

1.1 目的 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1.2 内容 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

1.3 スケジュール ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1.4 期待される成果 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1.5 委員会 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2. 下水の MBR 処理の概要 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2.1 MBR の概要 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2.2 MBR のモジュール構造と膜・・・・・・・・・・・・・・・・ 2.3 ファウリングの現状と課題・・・・・・・・・・・・・・・・ 3. 実験結果 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3.1 平膜によるファウリングの挙動解析実験・・・・・・・・・・・

3.1.1 実験に用いた膜・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3.1.2 分析手法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3.1.3 実験結果と考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3.1.4 まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

3.2 PTFE 膜モジュールによる下水処理実験・・・・・・・・・・・・ 3.2.1 創成川下水再生プラザの概要・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3.2.2 MBR 実験場と装置の改造・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3.2.3 実験結果と考察 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3.2.4 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 4. まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 4.1 本年度の結果 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 4.2 来年度の計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5. 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6. 参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7.添付資料(1) 委員会資料・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

頁 1 1 1 2 2 2 4 4 5 11 15 15 15 20 23 45 46 46 50 64 70 71 71 71 72 73 75

1

1.緒言 1.1 目的 生活廃水や有機系産業廃水の処理には、これまで活性汚泥法が主に採用されてきた。し

かしこの処理法は広い敷地面積を必要とし、余剰汚泥発生量が多いことによりコストが高

いことや運転管理が難しいことなどの問題があった。本事業ではこれらの課題を一挙に解

決できる技術として、新しい膜素材の PTFE 膜を使用した MBR(メンブレンバイオリアク

ター)を実際の下水に適用する実証試験を行い、新しいシステムの実用化を促進することを

目的とする。

1.2 内容 生物処理と膜分離を組み合わせた MBR は、廃水の再生利用に非常に有効であり、最近

世界的にも非常に注目されているシステムである。MBR は生物処理槽の中に膜を浸漬し、

間欠的に吸引して処理水を得る排水処理方法である。したがって、生物反応に由来する膜

の汚染(ファウリング)が必ず発生する。 MBR における膜ファウリングに影響する因子として、膜透過水量、膜材質などの運転、

設計条件や微生物などが放出する溶解性代謝物（Soluble Microbial Product, SMP）など

がある。そこで、MBR における膜ファウリングの機構の解明を行い、ファウリングの制

御を効率的かつ合理的に行うことにより MBR の適用可能性は拡大されると考えられる。 本事業では、新しい膜素材である PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）膜による MBRのファウリング特性の解析を行い、さらに親水性膜、疎水性膜、膜孔径などを変化させて

フォウリングの挙動解析を行う。これらのデータをもとに MBR に最適な空気量、洗浄条

件、運転条件に関する検討を行い、下水の再生利用技術を開発する。 平成 20 年度は、既存の装置を本実験用に一部改造し、次のテーマに基づき実証実験を

実施する。 ①浸漬膜のファウリングのメカニズムの解析 新規な PTFE 膜に関して、SMP のファウリング物質特性の変化の挙動を測定し、膜に

付着する。SMP を定量的に把握して、可逆的、不可逆的な膜ファウリングの寄与に関し

て解析を行う。 ②親水性膜の孔径を変化させた場合のファウリングの挙動比較 膜表面が親水性により膜ファウリングの挙動がどのように変化するか、また汚泥濃度を

通常より高くして、そのときの不可逆的ファリングの挙動、特性について検討を行う。 ③上記実証研究の成果をもとにして MBR に最適な運転条件及び洗浄条件の検討

2

1.3 スケジュール 本研究は、平成 20 年度と 21 年度の 2 力年間で実施する予定であるが、予算の確定が単

年度ごとであるため、各年度で研究結果の結論を得る必要がある。 スケジュールおよび実施状況は以下に示すとおりである。

PTFE 膜 MBR による下水の再生利用技術開発

期・月 項目

上 半 期 下 半 期 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3

・委員会審議 ・装置改造 ・運転実験・デ

ータ解析 ・報告書作成 ・委員会

1.4 期待される効果

本技術開発により以下のような成果が期待される。 1)MBR 膜の汚れが挙動が明らかになれば、これに対応する新規な膜構造の開発が可能とな

る。 2)ファウリングの挙動が解明されれば、この汚染防止に関する対策として洗浄方法（例え

ば、透過水による洗浄方法など）が開発され、ランニングコストダウンにつながる。 3)膜ファウリング防止に関する挙動が明確になれば、MBR の最適な運転条件（生物反応槽

の曝気量、洗浄条件など）が明確にできる可能性がある。これにより膜寿命が長くなる

可能性がある。 4)汚れ物質に関するファウリングの挙動が明らかになれば、MBR の運転条件がさらに明ら

かにすることができ省エネルギー型の MBR 開発のめどがつく可能性が得られる。 1.5 委員会

本研究の実施に当たっては・学識経験者・水処理メーカ―などからなる委員会を(財)造水促進センター内に設置し、委員各位のご指導をいただきながら進めた。委員会の構成は

以下のとおりである。

3

「PTFE 膜 MBR による下水の再生処理技術開発」委員会 委員名簿 構成員 氏 名 所 属 委員長 長岡 裕 武蔵工業大学工学部都市基盤工学科教授 委 員 渡辺 義公 北海道大学環境ナノ・バイオ工学研究センター長 委 員 木村 克輝 北海道大学大学院工学研究科環境創生工学専攻准教授 委 員 澤田 繁樹 栗田工業㈱ 開発本部先進技術第 1Gr.研究主幹

委 員 池辺 弘昭 東洋エンジニアリング㈱エンジニアリングセンター 施設エンジニアリング部シニアプロセスエンジニア

オブザー

バー 森田 徹

住友電工ファインポリマー㈱ モジュールプロジェクト統轄

事務局：(財)造水促進センター

委員会は以下に示す 2 回開催した。 第 1 回委員会 平成 20 年 9 月 4 日 第 2 回委員会 平成 21 年 3 月 24 日、3 月 25 日

各委員会の議事録は、添付資料(1)「委員会議事録」参照のこと。

4

2. 下水の MBR 処理の概要 2.1 MBR の概要 (1)排水再利用に用いられる MBR 各種の排水を処理する方法としては、大きく分けて物理的方法(膜処理技術を含む)、化学的方

法、生物的方法、MBR(生物処理+膜法)があり、これらを要求される目的水質に応じて単独もしく

は組み合わせて用いる。 これを行うには膜処理法単独では負荷がかかり過ぎるのでなんらかの前処理（例：砂ろ過など）を

する。これを簡単に満足するシステムとしては MBR が最も確実であり汎用的である。 MBR は微生物を応用した生物処理と膜処理技術とが合体した複合処理システムである。したが

って、この両者のプロセスが同時に行われるのでそれぞれの技術の特徴を活かした相乗効果が得

られる。また、MBR は多くの排水処理分野に適用できる広い処理方法であるといえる。 (2)MBR の普及状況 膜協会では、世界の大型膜処理プラント・排水再利用（下水再利用）に用いられている MBR の

供給国及び設置国についての調査を行った 1)。このデータは、造水量が 1 万 m3/日以上の MBRプラント（2006 年、60 カ所）を対象としている。 図 2.1.1 に世界の大型 MBR を用いた排水再利用の造水量を示す。この結果、世界の大型プ

ラント設置数 60 カ所のうち日本の膜メーカーの設置は 37%を占めている。また世界の MBR 造水

量は 1,419,376m3/日であり、日本の膜メーカーが占める造水量は 452,376m3/d(24%）である。 (3)MBR の原理と特徴 2)

生物反応槽の中に MF/UF 膜を浸漬する膜分離活性汚泥法(MBR：Membrane Bio Rector)は、一般の活性汚泥法と違って次のような特徴を有している。 a)完全な固液分離が可能であり、処理水質が汚泥の沈降性に左右されない。 b)微生物の高濃度保持と分散状態の高活性維持により高度な有機物分解性が期待できる。

24%

76%

日本

海外

図 2.1.1 世界の大型 MBR を用いた排水再利用の造水量 (造水量 1 万 m3/日以上は 60 カ所、2006 年）

5

c)消化細菌の高濃度・高活性保持,高濃度活性汚泥による内生脱窒で窒素除去が容易である。 d)汚泥滞留時間を極めて大きく取ることが可能で、余剰汚泥発生量を非常に少なくできる。

一般の活性汚泥法と MBR の標準フローを図 2.1.2 に示す。MBR に用いられる膜には中空糸

膜と平膜がある。 2.2 MBR のモジュール構造と膜 3) (1)MBR のモジュール構造

図 2.1.5 に現在市販されている MBR モジュール構造の分類を示す。MBR モジュールには、大

きくわけて活性汚泥槽の中に膜を浸漬する浸漬型 MBR（図 2.1.4 参照）と活性汚泥、沈殿槽から

の排水を膜に通水する槽外設置型 MBR（図 2.1.5 参照）がある。

図 2.1.2 標準活性汚泥法と MBR

MBR

槽外設置

浸漬型

その他(回転平膜,セラミック)

中空糸膜

平膜

円筒状

すだれ状

管状膜

平膜

図 2.1.3 MBR モジュール構造の分類

6

1)浸漬型 MBR 表 2.1.1 には、浸漬型 MBR に用いられている膜形状と会社名を示す。表 2.1.3 に MBR に用い

られている膜材質、会社名と膜孔径の種類を示す。これによると PVDF 膜の MBR が最も多く販売

されている。

表 2.1.1 浸漬型 MBR に用いられている膜形状と会社名

膜形状 日本 海外 A.平膜 クボタ、東レ、ユアサ Segheres、Keppel

日立プラントテクノロジー その他 B.中空糸膜 Bl.円筒状 旭化成ケミカルズ 旧USフィルター

B2.すだれ状 三菱レイヨン.エンジニアリング 旧ゼノン、KMS

C.その他(回転平膜,セラミック) クボタ、日立プラントテクノロジー HUBER

図 2.1.5 浸漬型 MBR のフロー図

図 2.1.4 槽外設置型 MBR のフロー図

7

図 2.1.6 から図 2.1.12 にそれぞれの MBR 構造の写真を示す。なお、これらの膜モジュールの写

真は各社のカタログから引用した。

表 2.1.2 MBR に用いられている膜材質、会社名と膜孔径の種類

図 2.1.6 平膜型 Type A（クボタ、東レ）

図 2.1.7 中空糸膜すだれ型 Type B1（三菱レイヨン・エンジニアリング）

住友電工ﾌｧｲﾝﾎﾟﾘﾏｰ

8

図 2.1.9 中空糸膜円筒状型 Type B2（左側は旭化成ケミカルズ、右側はメムコア）

図 2.1.8 中空糸膜すだれ型 Type B1（ゼノン、Korea Membrane Separation）

図 2.1.10 中空糸膜型その 3（左側はﾕﾆｯﾄ構造、右側はﾓｼﾞｭｰﾙ構造図、膜は親水性 PTFE

、孔径=0.3μm、住友電工ﾌｧｲﾝﾎﾟﾘﾏｰ㈱製 4））

9

2)槽外設置型 MBR

表 2.1.3 には槽外設置型 MBR の形状と会社名を示す。

表 2.1.3 槽外設置型 MBR の形状と会社名

平膜 Dorr Oliver,ローンプーラン 管状膜 ダイセン・メンブレンシステムズ(1/2in)、Norit(小口径膜)

メタ・ウオーター（旧日本ガイシ）他

図 2.1.11 その他 Type C(左側はセラミック膜、右側は回転平膜）

図 2.1.12 HUBER Vacuum Rotation Membrane(VRM Bioreactor)

10

表 2.1.4 に浸漬型 MBR と内圧型セラミック膜の槽外設置型 MBR との比較例を示す 5)。 表 2.1.4 浸漬型 MBR と槽外設置型 MBR(内圧型セラミック膜)との比較

図 2.1.13 に Norit の槽外型 MBR の実用例を示す。 (2)膜表面の構造 MBR 用の膜を製造する方法には延伸法と相分離法がある。図 2.1.14 に延伸法の膜表面の写

真を、図 2.1.15 に相分離法の膜表面の写真をそれぞれ示す。

浸漬型 MBR 槽外設置型 MBR 膜 外圧型高分子膜(平膜、中空糸膜） 内圧型セラミック膜

膜設置箇所 生物反応槽内（好気槽内）に浸漬

生物反応槽外に設置(ｹｰｼﾝｸﾞ

に収納設置）

膜洗浄 膜ろ過時

曝気による洗浄 ｸﾛｽﾌﾛｰ流（気液混相流）によ

り洗浄 逆洗 一部可 可能 薬洗 槽内または薬液浸漬槽にて実施 ケーシング内で実施

維持管理 膜面保護に留意要(スクリーン設置等）、場

合によっては、反応槽からの膜引き上げ要

ﾊﾞﾙﾌﾞ操作による膜と生物反応

槽の隔離が可能であり、膜の

薬液洗浄が容易

生 物 反応槽

処理ﾌﾛｰ 硝化液循環の際、持込み DO に留意要 不問

形状・容量 ユニットを考慮要 不問 曝気量 生物反応用＋膜面洗浄用 生物反応用のみ

膜ろ過流束 ≒0．8～1．2m／日 ≒3m／日

図 2.1.13 Norit の槽外型 MBR の実用例(AL Palm Jumeria、17,000m3/day)

11

2.3 ファウリングの現状と課題 (1)ファウリングの概要 9)10)11)

MBR における膜ファウリングはこれまでにも大きな関心を集めており、非常に多くの

研究論文を容易に見つけることができる。 MBR における膜ファウリングに影響を及ぼす

因子として膜透過水フラックス、材質などの運転・設計条件や、微生物が放出する溶解性

代謝産物(Soluble Microbial Product, SMP) 、MBR 内に保持する汚泥の特性などさまざ

まなものが指摘されている（図 2.1.18 参照）。 非常に多くの研究例があるにも関わらず、 MBR における膜ファウリング機構の解明が

急速に進行しているとはいい難い状況にある。逆のいい方をすれば、MBR のファウリン

グの制御は現時点では効率的かつ合理的に行われてはおらず、MBR の運転コスト削減に

三菱レイヨン・エンジニアリング(PVDF膜、0.4μm) 7)

東レ（PVDF平膜、0.08μm）6)

旭化成ケミカルズ（中空糸膜、PVDF、0.1μm、MUNC-620A) 8)

図2.1.14 延伸法の膜表面の写真（左側：三菱レイヨン・エンジニアリング、親水化PE膜、0.4μm、 右側：クボタ（塩素化ポリエチレン、0.4μm、MBR平膜、各社のカタログ引用 ）

図2.1.15 相分離法のMF膜表面の写真

12

は大きな余地が残されている、ということでもある。効率的かつ合理的な膜ファウリング

制御方法を確立することで、MBR の適用可能性はまだまだ大きく拡大する可能性がある。 既存の研究で MBR の膜ファウリングに関する理解が進まなかった理由の一つは、ファ

ウリング形態を分類せずに検討・考察を行っている研究例が大半であったことにある。膜

ファウリングは以下に示すような直列抵抗モデルで考察することができる。 J＝ΔP/μRt＝ΔP/｛μ(Rm＋Rr＋Rirr)｝

ここで, J：膜透過水フラックス(m3m2/d), ΔP：膜間差圧(Pa)、μ：粘性係数(Pa・s)Rt：:全膜過抵抗(m-1)、 Rm：膜自体のろ過抵抗(m-1)、R：:物理的な洗浄により解消可能な可

逆的膜ろ過抵抗(m-1)、 Rirr：物理的洗浄によって解消できない不可逆的膜ろ過抵抗(m-1)である。

既往の研究の大半で、膜ファウリングを可逆的なものと不可逆的なものに分けて検討を

していない。実際の MBR はエアレーションや逆洗などの物理的な洗浄を定期的に実行し

ながら運転を行っており、これらの物理洗浄が十分な効率で行われることを前提にすれば、

可逆的な膜ファウリングについて考える必要性は小さいはずである（図 2.1.17 参照）。

現在、多くの研究者間で微生物の放出する SMP が MBR の膜ファウリングに大きな影

響を及ぼしている点に関しては概ねコンセンサスが得られている。

膜特性

孔径、細孔径分布

膜材質

膜構造・形状

多孔性

親水性 / 疎水性

汚泥性状

MLSS

粘度

DO

粒径分布

疎水性 / 表面電荷

EPS / SMP

運転条件flux

ばっ気流量

SRT、HRT

図 2.1.16 膜ファウリング影響因子の関係図

MLSS（汚泥混合液浮遊物質濃度）、DO（溶存酸素） EPS/SMP（細胞外代謝物）、flux（透過水量） SRT（汚泥滞留時間）、HRT（水理的滞留時間）

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(2)ファウリングの課題 10)

MBR の汚泥ろ過性を適正かつ迅速に評価できる方法を確立できるならば、MBR の運転

管理の効率化に資するところは大であると考えられる。汚泥ろ過性の評価手法確立は、EUの MBR 標準化プロジェクトの中でも重要な検討課題のひとつなっている。

MBR の運転において有機物負荷が異なる場合、ファウリング物質の特性が変化するこ

と、汚泥質の変化に伴う汚泥ろ過性の変化を把捉する試みについて上述したが、現実の

MBR 運転においては有機物負荷および汚泥質の変動は不可避であり、ある程度は許容し

てゆかねばならない。 一方、MBR の設計・運転においては明確な方針のもとに設定可能な事項が数多く存在

する。ここではこのような事項の例として、膜材質・膜透過水フラックスを変化させた場

合に不可逆的ファウリングを引き起こす物質の特性がどのように変化するのかについて紹

介したい。 ファウリング原因物質の主な構成成分である多糖類やタンパク質中の構成モノマー比が

膜材質の違いに伴って変化していたことが分かる。このことは、両膜（PE 膜、PVDF 膜）

モジュール間で異なるタイプの多糖類、タンパク質がそれぞれの膜ファウリングに寄与し

ていたことを示唆するものである。多糖類およびタンパク質が MBR の膜ファウリングに

関与しているという情報にとどまっていては、ファウリング機構の理解に大きな進展は見

込めない。今後、「どのような」多糖類およびタンパク質が MBR の膜ファウリンダに関与

しているのか、という点に関する情報・知見の集積が重要であると思われる。 MBR 膜への不可逆的ファウリングを引き起こす成分についての確度の高い情報を蓄積

し、このようなプァウリング成分の由来および MBR 運転中における挙動を把握すること

で、MBR における膜ファウウリングを効率的かつ合理的に制御できる技術の開発、ファ

ウリングが起こりにくい新規膜の設計・製作が視野に入ってくるのではないかと考えられ

る。

処理水質敷地面積余剰汚泥発生量

処理水質敷地面積余剰汚泥発生量

　　

高少

少

膜ファウリング物理洗浄

薬品洗浄

利点 欠点

膜洗浄

(膜の閉塞)

可逆的ファウリング（物理洗浄によって回復可能）

不可逆的ファウリング（物理洗浄によって回復不可能）

図 2.1.17 膜分離活性汚泥法（MBR）と膜ファウリングの関係図

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今回の実下水での PTFE 膜による MBR 実験の課題としては、具体的に下記項目が挙げ

られる。 1)膜特性と MBR における膜ファウリングの関連性の検討 2)膜特性が可逆的な膜ファウリングの進行に及ぼす影響 3)膜特性の中でラフネスが可逆的な膜ファウリングの進行に影響 4)膜特性が不可逆的な膜ファウリングの進行に及ぼす影響

15

3. 実験結果と考察 3.1 平膜によるファウリングの挙動解析実験 3.1.1 実験に用いた膜 (1)PTFE の MF 膜 4) Polytetrafluoroethylene（4 フッ化エチレン、ポリエチレンの水素原子が全てフッ素原

子になっている構造である）を素材とした中空糸型 MF 膜を用いた（これは住友電工ファ

インポリマー（株）製作）。この膜の原材料樹脂の一般的特性は、耐アルカリ性においては、

PTFE>PVDF、耐酸化物性においては、PTFE>PVDF>PP,PE であり非常に優れている。 図 3.1.1 に PTFE 膜の断面構造を示す。表 3.1.1 に PTFE 膜の汚染物質と洗浄条件の例

を示す。 この膜は以下の特徴を有している。

・高気孔率(70~85%)であるので膜は高流量である。 ・高強度であり膜は切れにくい。 ・耐薬品性がありほぼ全ての薬品に安定である。 ・耐熱性を有しており連続 260℃も可能である。 ・親水処理をしているので水処理用膜としても使用可能である。 表 3.1.1 PTFE 膜の汚染物質と洗浄条件の例

膜面の汚染物質 洗浄条件 金属、無機物等 酸(H2SO4,2-4%) バイオファウリング 酸化剤(NaClO,500-5,000mg/L) 有機物・油分 強アルカリ(NaOH;2~4%(pH14)) シリカ、珪素ポリマー フッ化アンモニウム

水処理用の PTFE 膜モジュールには、加圧型と内圧型があり孔径はそれぞれ 0.1 から 1.0μm の製品がある。図 3.1.1 に PTFE の膜表面の電子顕微鏡写真を示す。

(a)膜断面写真

16

(2)実験に用いた膜 実験に用いた膜は 6 種類であり平膜タイプである。表 3.1.2 に実験に用いた膜と膜特性

を示す。ここで、PTFE 膜について詳しく説明する。

表 3.1.2 実験に用いた膜の種類と膜特性

図 3.1.1 PTFE 膜の断面構造及び膜表面写真

図 3.1.2 PTFE 膜の親水化処理の概念図

膜タイプ A B C D E FUF

PVDF PVDF PVDF PP PTFE PES

接触角（°） 106 83 71 98 85 69

ラフネス（nm) 30 155 209 98 66 22

52純水透過性能

（lm-2h-1kPa-1)24 47 54 37 11

0.4

材質MF

公称孔径（μm) 0.1 0.1 0.22 0.0820kDa（95%)

(b)膜表面写真

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ここで、PVDF=ポリフッ化ビニリデン、PP＝ポリプロピレン、PTFE= ポリテトラフルオ

ロエチレン、PES＝ポリエーテルスルホン、膜タイプ F の 20KDa(95%)は、分画分子量が

2 万であり(阻止率が 90%の時の値である)を示す。

表 3.1.3 PTFE 疎水性平膜の流量特性

＜＊IPA-BP：IPA によるバブルポイントを示す＞

表 3.1.4 PTFE 親水高分子架橋固定膜の流量特性

項目 単位 数値 公称孔径 μm 0.3 0.1 0.08(仮称) 0.03 IPA-BP＊ kPa 126 257 430 ―

IPA 流量 ml/cm2 min at100kPa

13 2.4

1.4 ―

純水流量 ml/cm2 min at30kPa 9.3 2.1 1.3 ― 膜厚 μm 15 15 9 ― ＜＊IPA-BP：IPA によるバブルポイントを示す＞

項目 単位 数値 公称孔径 μm 0.3 0.1 0.08(仮称) 0.03 IPA-BP＊ kPa 118 240 355 540 IPA 流量 ml/cm2 min at100kPa 18 3.4 3.0 0.40 純水流量 ml/cm2 min at30kPa － － － － 膜厚 μm 17 18 9 85

図 3.1.3 PTFE 疎水性平膜の流量特性

18

図 3.1.4 PTFE 親水高分子架橋固定膜の流量特性

図 3.1.6 PTFE 親の表面 SEM 写真（倍率：1 万倍）

図 3.1.5 PTFE 親の表面 SEM 写真（倍率：5,000 倍）

19

図 3.1.7 PTFE 親の表面 SEM 写真（倍率：5 万倍）

20

3.1.2 分析手法 本章では、この後の 3.1.3 の実験結果と考察において行った実験に関する測定・分析手

法について記述する。 測定試料は、平膜のファウリングにおけるモデル下水、膜透過水（処理水）などであり、

それらの試料について全成分、溶解性成分（遠心分離上澄み液をフィルターでろ過したろ

液）などの測定を行った。遠心分離の条件は、3000rpm、5 分である。遠心分離の上澄み

のサンプルについては、槽内水の状態によっては沈降しにくい泡や懸濁物質などが混入し

てしまうことがあるため、遠心分離した後に孔径 100μm のネットフィルタに通したもの

を測定に供した。 本研究では溶解性成分を、3000 rpm・5 分で遠心分離した後孔径 0.5 μm の PTFE 製メ

ンブレンフィルタ（ADVANTEC、H050A047A）でろ過し通過する成分として定義した。

一般的な分析項目については、以下に示す手順で測定を行った。 (1) MLSS

MBR 反応槽内の MLSS（Mixed Liquor Suspended Solid; 活性汚泥浮遊物質）濃度は

下水試験方法 1)に従って測定した。具体的な手順としては、活性汚泥試料 40 mL を遠心

分離機（日立工機、高速冷却遠心機 himac CR 21E）にて 5000 rpm・10 分で遠心分離し、

上澄み液を捨て、超純水を元の体積となるように添加しよく混合した後、再び同条件で遠

心分離し上澄みを捨てる。得られた汚泥ペレットをあらかじめ重量を測定しておいた磁皿

に取り出し、110℃で 6 時間以上乾燥させ乾燥後の重量を測定した。乾燥後の重量から磁

皿の重量を引き、濃度換算を行うことで MLSS 濃度を算出した 12)。 (2) pH 及び水温

pH 計（東亜電波工業、pH METER HM-12P、電極：GST-2419C）を用いて測定した。 (3) 全有機炭素（TOC）濃度・溶解性有機炭素（DOC）濃度

TOC 計（島津製作所、TOC-V）を用いて測定した。測定はサンプルに酸を添加し、ス

パージすることで無機炭素を除去し有機炭素のみの測定を行う NPOC として行った。SSを含む試料の TOC に関しては、試料を希釈して濃度調製した後、超音波破砕機（日本精

機製作所、MODEL US-300T）にて 3 分間破砕処理を行った試料について測定を行った。 DOC に関しては前述のとおり、試料を 0.5 μm、PTFE 製のメンブレンフィルタでろ過

してから測定した。 (4) 糖

グルコースを標準物質としたフェノール硫酸法 2)により測定した。具体的な測定手順を

以下に示す。 1)試料 1 mL を試験管に取り、超純水を 2 mL 加える（同一試料について、試験管を 3 本

ずつ用意する）。

21

2)5%フェノールを 1 mL 加える。 3)硫酸（95%濃硫酸）をオートビュレットで 5 mL 加え、すぐに強撹拌する。 4)全ての試験管に硫酸を加えたら、100℃の熱湯に試験管ごと浸し、5 分間加熱する。 5)熱湯から取り出して約 30 分経過した後、吸光度（490 nm）を測定する。 6)同一試料の試験管 3 本の測定結果のうち、異常値があれば除外して平均値を求め、検量

線から糖濃度を算出する。 ＊検量線

グルコースを用いた標準溶液を段階的に作成し、その標準液について上記の手順で測定

を行う。標準液についても試験管を 3 本ずつ用意する。 (5) タンパク質

アルブミン（ウシ血清製）を標準物質とした Lowry 法 3)により測定した。具体的な測

定手順を以下に示す。 1)試料 0.6 mL を試験管に取り、試薬 C を 3 mL 加えた後、10 分間以上放置する（同一試

料について、試験管を 3 本ずつ用意する）。 2)フェノール試薬（フォーリン-チオカルト試薬）を超純水で 2 倍に希釈したものを 0.3 mL

加えすぐに強攪拌する。 3)2 時間以上静置し、吸光度（750nm）を測定する。 4)同一試料の試験管 3 本の測定結果のうち、異常値があれば除外して平均値を求め、検量

線からタンパク質濃度を算出する。 ＊検量線

アルブミンを用いた標準溶液を段階的に作成し、その標準液について上記の手順で測定

を行う。標準液についても試験管を 3 本ずつ用意する。 ＊試薬の調製 ・ A 試薬：水酸化ナトリウム 2.0 g を 500 mL メスフラスコに入れ、超純水を 400 mL 程

度加え溶解させる。溶解後、炭酸ナトリウム 10 g を加え溶解させた後、500 mL まで

メスアップする。 ・ B 試薬：酒石酸ナトリウム 0.250 g を 25 mL メスフラスコに入れ、超純水を約 20 mL

加え溶解させる。溶解後、硫酸銅 5 水和物 0.125 g を加え溶解させた後、25 mL まで

メスアップする。 ・ C 試薬：A 試薬と B 試薬を体積比で 50：1 となるように混合する。 (6) 単糖構成

試料中の有機物を硫酸によって加水分解した後、HPLC（Dionex、DX-500、カラム：

CarboPacPA1）を用いて各単糖の濃度を測定し 4)構成比を算出した。溶離液として 0.018 M の水酸化ナトリウム水溶液を用い、流速 1.0 mL/min でカラムに通液した。カラム温度

は 30℃とした。試料の前処理手順（加水分解処理）を以下に示す。 1)試料 5 mL をキャップ付き試験管に取る。

22

2)2 M H2SO4 溶液を 1.5(or 1.0) mL 加え、キャップを閉め混合する。 ※試料の TOC 濃度が 5～15 mg/L 程度であれば 1.5 mL 添加する。TOC 濃度が 15 mg/L

以上であれば、5～15 mg/L 程度になるように希釈する。また TOC 濃度が 5 mg/L 以下

であれば、2 M H2SO4 を 1.0 mL 添加する。 3)アルミヒータに試験管を乗せ、100℃で 5 時間加熱する。 4)加熱後、アルミヒータから試験管を取り出し室温まで放冷し、炭酸バリウムを 1.0 g ず

つ加え硫酸を中和させる。 5)試験管撹拌器を用いて撹拌しながら、2 時間以上反応させる。炭酸バリウムを添加した

後約 2 時間経過したら、15～30 分静置して沈殿を沈める。 6)試験管内の上澄み液をシリンジに取り、 0.45 μm PTFE 製メンブレンフィルタ

（ADVANTEC、13HP045AN）でろ過する。初めの 2 mL 程度は捨て、その後のろ液を HPLC バイアルに取る。

単糖の標準物質として、フコース・ラムノース・アラビノース・ガラクトース・グルコー

ス・マンノースの 6 単糖を使用し、各単糖の濃度が 1.0 mg/L になるような混合液を調製

し標準溶液とした。この 6 種類の単糖について、加水分解を行った試料中の濃度を測定し、

試料の単糖構成比を算出した。 (7) フーリエ変換赤外吸光度（Fourier transform infrared; FTIR）スペクトル 液体試料に対してイオン交換膜（AGC エンジニアリング製）による電気透析脱塩を施し

た後、凍結乾燥機（東京理化器械、FDU-2100）を用いて粉末化した。 粉末試料を 0.25%含む KBr ペレットを用意し、フーリエ変換赤外分光光度計（日本分光、

島津製作所を用いて、解像度 4 cm-1、積算回数 360 回測定した。 (8) 13C 核磁気共鳴（nuclear magnetic resonance; NMR）スペクトル 液体試料に対してイオン交換膜（AGC エンジニアリング製）による電気透析脱塩を施し

た後、凍結乾燥機（東京理化器械、FDU-2100）を用いて粉末化した。 粉末化した試料について、Brucker MSL300 分光計を用いて、周波数 75.47 MHz、スピ

ン速度 8 kHz において測定した。90°パルスのパルス幅は 4.5 μs に設定し、接触時間は 1 ms とした。補足時間及び反復間隔はそれぞれ 30 ms、4 s とした。 (9) 膜面の FTIR スペクトル 凍結乾燥機（東京理化器械、FDU-2100）で十分に乾燥させた膜試料について、赤外顕微

鏡（日本分光、IRT-3000）を付属したフーリエ変換赤外分光光度計（日本分光、FT/IR-6100）による顕微赤外測定を行い、膜面の FTIR スペクトルを得た。対物レンズは×16 カセグレ

インを使用し、バックグラウンド測定には金メッキ板を使用した。測定条件は解像度：4 cm-1、積算回数：360 回、測定範囲（アパーチャ）：500 μm×500 μm とした。

23

3.1.3 実験結果と考察 (1)実験装置と実験条件

1)テスト装置のフロー 人工下水を用いた平膜によるファウリング実験装置の概略を図 3.1.8 に示す。このなか

の散気装置は市販の金魚鉢の送気ポンプの大きさである。実験に用いた平膜は 6 枚セット

されており、1 枚の平膜の膜面積は 0.02m2 である。これを 6 枚セットして（総膜面積は

0.12m2 になる）、反応槽に入れてある。MBR の有効容積は 6.2L である。吸引ポンプは 6台セットされている。図 3.1.9(a)、(b)に実験装置の水槽の寸法（数字の単位は mm）を示

す。

図 3.1.8 実験装置のフロー

MBR の有効容

積は 6.2L

平膜が 6 枚セットさ

れている。膜の総面積

は 0.12m2

440

310

5

135147

300

395

最高水位

図 3.1.9(a) 実験装置の水槽の寸法（数字の単位は mm）

24

0.1

0.13

0.17

0.17

0.1

0.240.31

0.44

P

P P PP

P P透過水

原水

希釈水

ばっ気

P

水位計

引抜管0.7

0.7

0.1

現リアクター

平膜 (6 枚セットされてい

る。

図 3.1.9(b) 実験装置の各部寸法と水槽の寸法（数字の単位は m）

25

装置の概要を写真 3.1.1 に示す。生物反応槽にセットする平膜は写真 3.1.3 に示すように

長方形である。人工下水は、CH3COONa が 80mg-C/L、Peptone が 15mg-C/L、5mg-N/L、 (NH4)2SO4 が 15mg-N/L、KH2PO4 が 4mg-P/L から構成されている。

写真 3.1.1 人工下水を用いた平膜によるファウリング実験装置

写真 3.1.2 生物反応槽

圧力計 (NAGANO KEIKI GC61)

吸引ﾎﾟﾝﾌﾟ (ﾁｭｰﾌﾞﾎﾟﾝﾌﾟ MP1000)

生物反応槽

人口下水

写真 3.1.3 平膜テストセル（写真の白い

部分が平膜であり、膜面積は 0.02m2/1 枚

である）

26

2)運転条件 運転条件は表 3.1.5 に示すように透過水量を 0.4 と 0.5(m3/m2・d)に変えて膜差圧の変化

を観察した。運転は 12 分ろ過して、1 分停止する間欠運転であり定流量ろ過方式を採用し

た。なお、HRT は 3.1 時間、SRT は 36 日と Run1、Run2 とも同じである。

表 3.1.5 運転条件 Run 透過水量(m3/m2・d) HRT（hr.） SRT（day） Run 1 0.4 3.1

36

Run 2 0.5 HRT（Hydraulic Residence Time）水理学的滞留時間 SRT（Sludge Retention Time）汚泥滞留時間

膜ファウリングの進行は膜間差圧の経時変化から評価した。Run1 では膜間差圧が

35kPa に達した時点で運転を終了し、可逆的・不可逆的膜ファウリングの進行度は、運転

終了後、スポンジの拭き取りによる物理洗浄の前後での純水による膜透過水 Flux を測定

し、それぞれのろ過抵抗を算出後、物理洗浄による膜透過性能の回復率で評価した。 Run2 では不可逆的膜ファウリングの進行をみるため、運転期間を 500 時間に設定して、

運転期間内に膜間差圧が 35kPa に達した膜を膜モジュールから引き上げ、スポンジの拭き

取りによる膜の物理洗浄を繰り返す運転を行った。物理洗浄後の膜間差圧が 20kPa に達し

た膜は不可逆的膜ファウリングが進行したと考え、運転を終了した。Run2 では不可逆的

膜ファウリングの程度を SEM 観察によって行い、また、膜閉塞物質の差異について検討

するため、閉塞膜をアルカリ（pH=12)に 24 時間浸漬させて、抽出した成分を膜閉塞物質

として以後の分析を行った。 図 3.1.10 に PTFE 膜の表面ラフネスの写真を示す。 平膜のラフネスの計算は、原子間力顕微鏡（AFM)を用いて表面積を平均高さで割った

ものとして計算した（図 3.1.10 参照）。平膜の接触角は接触角測定装置を用いて、純水水

滴を膜表面に滴下し、水滴の接触角を目視により測定する。平膜の純水透過水量はクロス

フローろ過装置を用い、段階的に操作圧を上昇させて純水透過水量を測定した。

27

写真 2.4 膜の表面ラフネスの写真

442.04 [nm]

0.005.00 µm 10.00 x 10.00 µm

住友親水008

[nm]442.04

0.005.00 µm 10.00 x 10.00 µm

住友親水008

全体

長さX 10.000[µm]

長さY 10.000[µm]

面積 100.000[µm²]

Ra 61.535[nm]

Rz 651.463[nm]

Rzjis 294.047[nm]

Rq 78.472[nm]

Rp 210.874[nm]

Rv 440.589[nm]

A

長さX

長さY

面積

Ra

Rz

Rzjis

Rq

Rp

Rv

B

長さX

長さY

面積

Ra

Rz

Rzjis

Rq

Rp

Rv

図 3.1.10 PTFE 膜の表面ラフネスの写真

28

(2)平膜のファウリング実験(Run1：Flux=0.4m/day)) 1)Run1 の膜間差圧変化 図 3.1.12 に Run1 の 4 つの膜による TMP の経時変化を示す。その結果、膜によって明

らかな膜ファウリングの進行の違いを確認した。膜差圧が 35kPa になった時点でスポンジ

による物理洗浄を行った。各膜のファウリングの進行度から膜 A,E,F は高い膜透過性能を

示した。一方で膜 B,C は急激な膜間差圧の上昇が発生した。UF 膜の F に関しては高い膜

透過性能を示した MF 膜（A,E）と変わらない性能を示した。

参考データ例として、図 3.1.12 に Run1 での 4 種類の膜（F のみ UF 膜である）TMP経日変化を示す。膜 F 以外の UF 膜では膜間差圧が急激に上昇する。

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300運転時間（h）

膜間

差圧

（kP

a）

35kPaABC D E F

図 3.1.11 Run1 TMP の経時変化（Flux=0.4m3/d、膜は A、B、C、D、E）

98% 85% 99% 92% 98% 97%

膜透過性能

回復率

0

10

20

30

40

0 50 100 150 200 250 300

運転時間（h）

膜間

差圧

(kP

a) F G H I J

図 3.1.12 Run1 TMP 経日変化（ Flux＝0.4m/d）

29

2)Run 1：各種の膜による処理水質（TOC）の違い 図 3.1.13 に Run1 における 9 種類（MF.UF）による処理水質（TOC)の違いを示す。そ

の結果、MF 膜（A,B,D,D,E）よりも UF 膜（F,G,H,I）処理水のほうが TOC は低い。 図 3.1.14 に Run1 における 6 種類の膜による処理水質（TOC）の違いを示す。

3)可逆ファウリングの進行度（物理洗浄の効果） 図 3.1.15 に可逆的膜ファウリング進行度（物理洗浄の効果）を示す。その結果、全ての

膜ともファウリングによりろ過抵抗が大きくなったが、スポンジによる物理洗浄により汚

れが除去されて透過性能が 90%回復した。

0

1

2

3

4

5

濃度(m

g/L)

図 3.1.13 Run1 膜による処理水質（TOC)の違い(9 種類の膜)

A B C D E F G H I

MF 膜 UF 膜

0

1

2

3

4

5

濃度

(mg/

L)

A B C D E F

図 3.1.14 Run1 膜による処理水質（TOC)の違い（A から F 膜、6 種類）

MF 膜 UF 膜

30

4)Run1：6 種類の膜の ATR-FTIR のスペクトル解析

ATR：Attenuated Total Reflection（全反射）、FTIR：Fourier Transform Infrared Spectroscopy（フーリエ変換赤外分光法）の測定装置は、島津の IR-7500S を使用した。

横軸は波数（波長の逆数）、縦軸は吸光度ですが、標準化している（それぞれの試料におけ

る最高値を１としています）。 図 3.1.16 から図 3.1.21 に Run1 における膜 A、B,C,D,E,F 膜の新膜と物理洗浄後の

ATR-FTIR スペクトルをそれぞれ示す。

0

1

2

3

4

5

6

7

ろ過

抵抗

（101

3m

-1）

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

回復

率

運転後 物理洗浄後

図 3.1.15 可逆的膜ファウリング進行度（6 種類の膜）

A B C D E F

MF 膜 UF 膜

500100015002000

図 3.1.16 Run1：膜 A の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

物 理 洗 浄

新膜 A

波数(cm-1)

C

31

50070090011001300150017001900

図 3.1.17 Run1：膜 B の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

新膜 B

物 理 洗 浄

500100015002000

図 3.1.18 Run1：膜 C の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

新膜 C

物 理 洗 浄

波数(cm-1)

波数(cm-1)

32

500100015002000

500100015002000

図 3.1.19 Run1：膜 D の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

図 3.1.20 Run1：膜 E の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

新膜 E

物 理 洗 浄

物 理 洗 浄

新膜 D

波数(cm-1)

波数(cm-1)

33

図 3.1.22 に膜特性がファウリングに及ぼす影響を示す。

(a)膜の膜表面粗さ(ラフネス)と膜フ

ァウリング速度の関係

R2 = 0.9761

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 100 200 300

ラフネス（nm)

dTM

P/dt（

kPa/h)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

50 60 70 80 90 100 110 120

接触角（°）

dTM

P/dt（

kPa/h)

(b)膜の接触角と膜ファウリング速度

の関係

500100015002000

図 3.1.21 Run1：膜 F の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

新膜 F

物 理 洗 浄

波数(cm-1)

34

Run1 における膜ファウリングは運転終了後、物理洗浄前後で膜透過性能の回復率が

90％以上得られたことから可逆的膜ファウリングの進行によるものであることが明らか

となった。図 3.1.11 に示した膜間差圧の経時変化における膜ファウリング速度（dTMP/dt）と膜表面粗さ(ラフネス)の関係を図 3.1.12 の(b)に示す。膜ファウリング速度とラフネスの

間には相関があり、可逆的膜ファウリングにはラフネスのような膜表面の構造に関わる膜

特性が影響することが示された。 しかし、膜の接触角や純水透過性能と膜ファウリング速度（dTMP/dt）には、相関関係

が見られなかった。 (3)平膜のファウリング実験(Run2：Flux=0.5m/day)) 1)ファウリングによる膜間差圧実験

図 3.1.23 から図 3.1.26 には、Run 2 の条件での各種膜（A,D,E,F）の膜間差圧の経時

変化を示す。

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 20 40 60

純水透過性能（lm-2h-1kPa-1)

dTM

P/dt（

kPa/h)

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

膜間

差圧

（kP

a）

図 3.1.22 膜特性がファウリングに及ぼす影響

(c)膜の純水透過性能と膜ファウリン

グ速度の関係

膜 A

運転時間（hr.）

図 3.1.23 Run 2 (Flux=0.5m3/d）における膜 A の膜間差圧の経時変化

35

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400 500

膜間

差圧

（kP

a）

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

膜間

差圧

（kP

a）

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

膜間

差圧

（kP

a）

図 3.1.26 Run 2(Flux=0.5m3/d）における膜 F の膜間差圧の経時変化

膜 D

膜 E

膜 F

運転時間（hr.）

運転時間（hr.）

20kPa

運転時間（hr.）

図 3.1.24 Run 2(Flux=0.5m3/d）における膜 D の膜間差圧の経時変化

図 3.1.25 Run 2(Flux=0.5m3/d）における膜 E の膜間差圧の経時変化

36

Run2 では、Run1 で膜ファウリングの進行が軽微であった 4 種類の膜(A,D,E,F)を使用

して各膜の不可逆的膜ファウリングの進行影響について検討を行った。各膜の不可逆的膜

ファウリングの進行度（膜間差圧）は、物理洗浄後に残存するろ過抵抗の値から D>F>E>Aとなった。すなわち、膜 D が膜間差圧の上昇が早い結果となった。 2)Run 2：不可逆的ファウリングの進行度 図 3.1.27 に膜 A,D,E,F における不可逆的ファウリング進行度を示す。その結果、不可

逆的な膜ファウリングの進行度の順番は、D＞F＞E＞A であった。すなわち、D の膜が膜

間差圧の上昇が一番早い結果となった。 図 3.1.28 に Run2 における膜 A,D,E,F による処理水質（TOC)の違いを示す。その結果、

Run1 に比べて Run2 の方が水質がよい結果となった。

図 3.1.27 膜 A,D,E,F における不可逆的ファウリング進行度

0

10

20

30

40

ろ過

抵抗

（10

11m

-1）

A D E F

0

1

2

3

4

5

濃度

(mg/L)

Run1 flux=0.4m/d

Run2 flux=0.5m/d

A D E F

図 3.1.28 Run2 膜 A,D,E,F による処理水質（TOC)の違い

MF 膜 UF 膜

37

4)Run2：4 種類の膜の ATR-FTIR スペクトル解析 図 3.1.29 から図 3.1.32 に、Run2 における膜 A,D,E,F の新膜と物理的洗浄後の

ATR-FTIR スペクトル解析を示す。

C

500100015002000

500 500100015002000

500100015002000

図 3.1.29 Run2：膜 A の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

図 3.1.30 Run2：膜 D の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

図 3.1.31 Run2：膜 E の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル

波数(cm-1)

波数(cm-1)

物 理 洗 浄

物 理 洗 浄

物 理 洗 浄

新膜 A

新膜 D

新膜 E

波数(cm-1)

38

図 3.1.33 に Run2 における膜特性と不可逆的ろ過抵抗の関係を示す。

0

10

20

30

40

50

50 60 70 80 90 100 110 120

接触角（°）

ろ過

抵抗

（10

１１m

-1）

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300

ラフネス（nm)

ろ過

抵抗

（10

11m

-1）

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60

純水透過性能（lm-2h-1kPa-1)

ろ過

抵抗

（10

11m

-1）

図 3.1.33 Run2:膜特性と不可逆的ろ過抵抗の関係

(b)膜の接触角と膜ファウリング速度 の関係

(a)膜のラフネスとファウリング速度 の関係

(c)膜の純水透過性能と膜ファウリング 速度の関係

500100015002000

図 3.1.32 Run2：膜 F の新膜と物理的洗浄後の ATR-FTIR スペクトル 波数(cm-1)

物 理 洗 浄

新膜 F

39

Run1 においては膜表面の粗さを示すラフネスと可逆的膜ファウリングとの間で相関が

見られた。しかし、Run2 において進行する不可逆的膜ファウリングはラフネスなどの膜

特性と明確な関連性は得られなかった。また、Run2 において、各膜から抽出した物質の

単糖構成に違いがみられたことから、膜によって不可逆的膜ファウリングを引き起こして

いた物質が異なっていたことが明らかとなった。 膜表面の粗さ（ラフネス）と膜ファウリング膜表面が粗い(ラフネスが大きい）と優先的

にコロイド状物質が表面の粗い部分に堆積、または吸着（NF、RO において）（Elimelech et al.,1997）するといわれている。

MBR の場合、エアレーションによる物理洗浄効果によって一度堆積、吸着したものが

剥離される可能性も考えられるが、膜表面が滑らか、すなわち平滑な膜表面(ラフネスが小

さい）では上記よりもエアレーションによる物理洗浄効果が大きいと考えられる。 このため一度堆積、吸着しても膜表面が平滑な分、粗い膜表面よりも膜表面での閉塞（膜

ファウリング）が起こりにくい。このことからラフネスが可逆的な膜ファウリングに影響

すると考えられる。

6)生物反応槽内で発生する SMP 量 図 3.1.34 に反応槽内で発生する SMP 量を示す。SMP とは、微生物が放出する溶解性代

謝産物(Soluble Microbial Product, SMP)を表す。この結果、DOC、糖、タンパクの順で

あった。 槽内の汚泥性状は安定状態である。

7)膜閉塞物質の物性＜有機物濃度＞

図 3.1.35 に膜閉塞物質の特性＜有機物濃度＞の構成比を示す。

0

20

40

60

80

100

120

140

DOC 糖 タンパク

濃度

(mg/

L)

図 3.1.34 反応槽内で発生する SMP 量

40

8)膜閉塞物質の特性

図 3.1.36 に膜（D,F,E,A）の閉塞物質の特性を調べた結果を示す。膜閉塞物質の抽出を

行った結果、各膜（D,F,E,A）の単糖構成比が異なることから、膜によって不可逆的膜フ

ァウリングを引き起こした物質が異なっていたことが明らかとなった。 特に、住友電工ファインポリマーの PTFE 膜は、マンノース、グルコース、ラムノース

成分が多い。

0%

20%

40%

60%

80%

100%

構成

比（％

）

キシロース

マンノース

グルコース

ガラクトース

グルコサミン

アラビノース

ガラクトサミン

ラムノース

フコース

図 3.1.35 膜閉塞物質の特性ー有機物濃度

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

TOC 糖 タンパク

抽出

量(p

pm/cm

2)

A D E F

図 3.1.36 膜（D,F,E,A）の閉塞物質の構成比特性

1

2

4

3

1 キシロース

2 マンノース

4 ガラクトース

3 グルコース

5 グルコサミン

6 アラビノース

7 ガラクトサミ

8 ラムノース

9 フコース

6

8

9

1 1

1

2

2 2

3 3

3

4

4 4

5 5

6

8

9

7

9

6 8

8

6

9

7

D F E A

41

9)物理洗浄後の膜表面観察 また、物理洗浄後の膜表面を SEM (Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡)

で観察をした。写真 3.1.37 に示すように D は新膜と比較してわずかしか膜細孔径を確認

できなかったことからも不可逆的膜ファウリングの進行が顕著であったことがわかる。一

方、F,E,A の膜は物理洗浄後の膜は新膜とほとんど変わらない。 しかし、不可逆的膜ファウリングの進行とラフネスなどの膜特性との間で明確な関連性

は得られなかった。 写

真3.

1.37

Ru

n2

平膜

の表

面の

SEM（

上は

新膜

、下

はス

ポン

ジ洗

浄を

行っ

た写

真）

42

10)物理洗浄後の膜表面観察 図 3.1.38 に Run2 のファウリング進行度を示す。図 3.1.39 に Run2 のファウリング進行

度を示す。

0

5

10

15

20

25

30

ろ過

抵抗

（101

2m

-1）

運転後 物理洗浄後 新膜 酸洗浄後 アルカリ洗浄後

0

1

2

3

4

5

6

7

ろ過

抵抗

（10

13m

-1）

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

回復

率

運転後 物理洗浄後

図 3.1.38 Run2 のファウリング進行度

A D E F

A B C D E F G H I

図 3.1.39 Run2 のファウリング進行度

43

(4)孔径の異なる PTFE 膜のファウリング（中間経過報告） 三つの孔径の異なる PTFE 膜を MBR で運転し、可逆ファウリング進行速度の比較を行

った。実験はまだ途中経過であるが以下に報告する。 1)実験方法 表 3.1.6に平膜によるファウリング実験装置の概要を示す。また、この実験に用いたPTFE平膜の種類を表 3.1.7 に示す。この表で不織布ありとは、膜の透過水側に数 mm の孔を有

する不織布を支持体としていることを意味する。

表 3.1.6 平膜によるファウリング実験の概要（孔径 0.08 µm, 0.1 µm, 0.3 µm） 項目 数値

有効容積 6.2 L HRT 3 時間 SRT 30 日 膜透過水フラックス 0.4 m3/m2/d(=0.4m/day) 膜面積 0.02 m2×6 枚 流入水 酢酸ナトリウムを炭素源とする人工下水

表 3.1.7 ファウリング実験に用いた PTFE 平膜の種類

No 孔径 膜の支持体に不織布 1 0.08 µm あり 2 0.3 µm あり 3 0.1 µm なし 4 0.08μm なし

フウリング実験は、ぺリスタポンプによる吸引ろ過(12 分運転、1 分停止) を行い、デー

タロガーにより 30 分毎の膜間差圧(kPa)を測定、差圧が -35kPa 程度に達したら運転を修

了する。そして、3 回程度運転を繰り返し、再現性を確認する。

図 3.1.40 に 4 種類の PTFE 膜による膜間差圧の経時変化(Flux=0.4m/day)を示す。

44

図 3.1.40 4 種類の PTFE 膜による膜間差圧の経時変化(Flux=0.4m/day)

運転時間(hr.)

膜間差圧(kPa)

45

2)実験結果と考察 実験はまだ途中であるが（10 日間経過）、現在のデータより以下のことが明らかになった。 1)現在、膜間差圧は 10kPa であるが（ファウリングの実験は差圧が 35kPa になるまで行う）、 4 種類の膜の中で、0.08μm の膜が膜間差圧の上昇が一番は早い傾向にある。 2)一方、膜の支持体として不織布をセットしているが、これに関しては膜間差圧に不織布の有り、

なしは関係ない。 3)膜孔径が 0.1μm の不織布ありの実験が、膜間差圧の上昇は小さい傾向を示している。

今後は、現在の実験を継続して行く予定である。膜の孔径の違いがファウリングにどのように

影響を及ぼすのか、粒子の粒径なども絡めて検討していく予定である。 3.1.4 まとめ 本研究では人工下水を使用し、ベンチスケール MBR 装置の連続運転を行い、膜特性の差異が

MBR における膜ファウリングの進行に及ぼす影響について検討した。モデル下水による各種（6種類、膜材質、孔径がことなる）の平膜（親水性 PTFE 膜（ポリテトラフルオロエチレン）を含

む）による実験から以下のことが明らかになった。 (1)Run1（膜透過水量＝0.4m/day）における膜ファウリングは運転終了後、物理洗浄前後で膜透

過性能の回復率が 90％以上得られたことから膜の汚れは、可逆的膜ファウリングの進行による ものであることが明らかとなった。

(2)6 種類の膜で膜差圧が最もゆるやかな膜は、UF 膜（分画分子量 2 万）であった。一方、膜材

質的には、PP の膜が一番汚泥が詰まりやすいという結果である。 (3)PTFE 膜の膜間差圧の上昇変化は他の膜に比べて比較的ゆるやかな上昇であった。また、膜を

物理洗浄した結果、膜汚染物がよく落ちることが観察された。これは PTFE 膜が汚染に対して

強いためと考えられる。 (4)膜間差圧の経時変化における膜ファウリング速度（dTMP/dt）と膜表面粗さ(ラフネス)の間に

は相関があり、可逆的膜ファウリングにはラフネスのような膜表面の構造に関わる膜特性が影

響することが明らかになった。 (5)しかし、膜の接触角や純水透過性能と膜ファウリング速度には、相関関係が見られなかった。 (6)Run2（膜透過水量＝0.4m/day）の膜間差圧の経時変化は、Run1 で膜ファウリングの進行が

軽微であった 4 種類の膜(A,D,E(PTFE 膜),F)を使用して各膜の不可逆的膜ファウリングの進行

影響について検討を行った。各膜の不可逆的膜ファウリングの進行度は、物理洗浄後に残存す

るろ過抵抗の値から D>F>E>A となった。 (7)人工下水の実験では、汚れ物質中にタンパク成分はあるが糖類はない。しかし、膜への付着物

質の分析には検出されている。これは、生物反応により発生する代謝物ではないかと考えられ

る。

46

3.2 PTFE 膜モジュールによる下水処理実験 3.2.1 創生川下水再生プラザの概要 創成川（そうせいがわ）は、北海道札幌市の中心を流れる石狩川水系伏籠川支流の一級河川で

ある。札幌市を東西に画する起点となっている。江戸時代に「大友堀」として作られ、明治時代

に「創成川」と改名された。長さ 14.2km、流域面積は 19.0km²ある。 創生川の下水処理区域は、都心部の一部、南北は JR 札幌駅から北 46 条付近まで、東西は東

16 丁目から JR 学園都市線（北大は除く）までを受け持っており、ビル排水等の流入が多い区域

である。 創成川水再生プラザは札幌で初めての大規模水再生プラザとして昭和 42 年 4 月に運転を始め、

寒冷地対策として処理施設のすべてに上屋がかけられた。流入量の増加に伴い、昭和 56 年 4 月

から運転を開始した第 2 処理施設は麻生球場の地下に池槽を設け土地の有効利用を図っている。

平成 2 年には雨水ポンプ施設、平成 3 年秋には高度処理施設が運転を開始している。この高度処

理水は安春川などに導水し、せせらぎの回復に利用している。図 3.2.1 に創成川近辺の河川及び

高度処理水の送水図を示す。創生川下水再生プラザの住所は北海道札幌市北区麻生町８丁目１−１５である。 また、平成 9 年には合流式下水道の雨水汚濁負荷の軽減と融雪を兼ねた貯留管施設の運転を開

始している。札幌市下水道事業の概要（H17 年度末）は 処理場数が 10 箇所であり、下水道普及

率 99.5 % （処理人口/総人口）、下水処理量は約 100 万ｍ3/日、１日半で札幌ドームが満杯の規模

である。

図 3.2.1 創成川近辺の河川及び高度処理水の

送水

47

図 3.2.2 に創成川水再生プラザの平面図を示す。図 3.2.3 に創成川水再生プラザの上空写真（点

線部分が創成川の下水処理場であり下水処理場の全体が地下に埋設されている）を示す。

図 3.2.2 創成川水再生プラザの平面図

図 3.2.3 創成川水再生プラザの上空写真（点線部分が創成川の下水処理場であり下水処

理場の全体が地下に埋設されている）

創成川水再生プラザ

48

表 3.2.1 に創成川下水処理施設の概要を示す。図 3.2.4 に創生川下水処理場のフローを示す。本実

験は、図 3.2.4 の左側の下水道管からのバイパスを取水して実験を行った。

図 3.2.4 創生川下水処理場のフロー

表 3.2.1 創成川下水処理施設の概要

49

図 3.2.5 に創生川下水再生プラザにおける下水再利用の実験の概略フローを示す。

初沈槽

自動除塵機

計量装置

MBR

下水再利用の MBR 実験フロー

図 3.2.5 創生川下水再生プラザにおける下水再利用の実験フロー

下水

共用設備

専用設備

50

3.2.2 MBR 実験場と装置の改造

写真 3.2.1 から写真 3.2.4 に、創生川下水再生プラサの MBR 実験場設備を示す。

写真 3.2.1 創生川の下水再生プラザの一部（この建屋の 2 階に MBR の実験場がある）

写真 3.2.2 下水の取水部分の一部（スクリーン）

51

図 3.2.6 に MBR の水槽図面を示す。この MBR 水槽は 4 つから構成されており、それぞれの

水槽に膜を入れて各種の条件（空気量、運転時間の停止・連続、吸引圧力など）にて実験ができ

るようになっている。写真 3.2.5 から写真 3.2.8 にそれぞれ水槽、制御盤、MBR 処理水出口の写

真を示す。

写真 3.2.3 下水処理の取水部分（この写真の正面から下水を取水して配管にて MBR 装置に送

る）

写真 3.2.4 下水取水部の拡大写真（この下水を MBR に入れる）

下水 このポンプにて下水を MBR装置に送水している。

52

図3.

2.6

MBR

の水槽図面

53

写真 3.2.6 MBR 実験装置を上部からみた写真

写真 3.2.5 MBR 装置の全体写真（MBR 装置は４つの水槽から構成されている）

電気制御盤

水槽のこの中に膜がある

54

今回の MBR 装置の改造に関して、以下の表にまとめを示す。

表 3.2.2 今回の MBR 装置の改造に関するまとめ表 図番号 タイトル

表 3.2.2 MBR 改造に関する仕様書 図 3.2.7 創成川下水処理場全体レイアウト図 図 3.2.8 創成川下水処理場における MBR レイアウト図 図 3.2.9 創成川下水処理場における電気負荷リスト 表 3.2.3 使用機器一覧表 図 3.2.10 創成川下水処理場における MBR 試験機制御盤 外形図 図 3.2.11 創成川下水処理場における MBR 試験機制御盤 単線結線図 図 3.2.12 創成川下水処理場における MBR 試験機制御盤 展開接続図

写真 3.2.7 MBR 実験装置を横から見た写真

写真 3.2.8 MBR 装置の測定機器と電気制御盤

55

写真 3.2.9 から写真 3.2.11 に、創成川の MBR 実験場にある北大環境ナノ・バイオ工学センタ

ーの分析室を示す。ここでは、簡単な水質（COD, pH など）が測定できるようになっている。

写真 3.2.9 下水処理場の中にある水質分析機器（その 1）

写真 3.2.10 下水処理場の中にある水質分析機器（その 2）

写真 3.2.11 下水処理場の中にある水質分析機器（その 3）

56

表 3.2.3 MBR 改造に関する仕様書

57

図 3.2.7 創成川下水処理場全体レイアウト図

58

図 3.2.8 創成川下水処理場における MBR レイアウト図

59

図 3.2.9 創成川下水処理場における電気負荷リスト

60

表 3.2.4 MBR 装置改造使用機器一覧表

No. 器具名称 型式 定格.仕様 メー力ー 全数量

１ 漏電遮断器 EG32AC 2P30/20AT 富士電機 1 2 配線用遮断器 EA32AC 2P30/5AT 富士電機 3 3 電磁開閉器 SW-03 AC100V0.64-0.96A 富士電機 4 4 電磁開閉器 SW-03 ACl00Vl.7~2.6A 富士電機 1 5 パワーサプライ S8VM-05024CD AC100/DC24V50W OMRON 4 6 液面指示計 61F-GP-N AC100V OMRON 4 7 同上ソケット PF113A OMRON 4 8 補助継電器 HH54P-L AC100V 富士電機 4 9 タイマ MS4SA-AP AC100V 富士電機 8 10 同上ソケット TP48X 富士電機 8 11 圧力指示計 DB530-010 AC100V 4-20mA 入力 チノー 4 12 圧力センサー KH15-C33-67010-0 長野計器 4 13 コマンドスイッチ AR22PR-210B 2 ノッチ(1a) 富士電機 4 14 コマンドスイッチ AR22PR-312B 3 ノッチ(1a2b) 富士電機 4 15 表示灯 DR22D0L-H9R AC110V 赤 富士電機 13 16 表示灯 DR22D0L-H9A AC110V 橙 富士電機 1

61

図 3.2.10 創成川下水処理場における MBR 試験機制御盤 外形図

62

図 3.2.11 創成川下水処理場における MBR 試験機制御盤 単線結線図

63

図 3.2.12 創成川下水処理場における MBR 試験機制御盤 展開接続図

64

3.2.3 実験結果と考察 (1)MBR 用 PTFE 膜ミニモジュール

図 3.2.13 にミニモジュールの構造を示す。ミニモジュールは、高さ 25cm、直径 2.5cmの円筒状であり、中空糸膜 30cm、7 本から構成されている。膜面積は 0/015m2 であ

る。PTFE 膜はそれぞれ親水性、疎水性である。 表 3.2.5 にミニモジュールの膜仕様と運転条件を示す。

表 3.2.5 ミニモジュールの膜仕様と運転条件 項目 詳細

膜の種類 親水性膜、疎水性膜 (*) 膜の内径、外径 1mm、2.3mm 孔径 公称孔径 0.3μm 吸引・停止時間 9 分吸引・1 分停止 膜面積 /(1 ﾓｼﾞｭｰﾙ当たり ) 0.015m2 設計 FLUX 0.8m/day 空気量 通常活性汚泥の 13 倍（現在の実験に合わせる） MLSS 推奨値 10,000mg/l

＜*：現場にて親水化処理をして実験すること＞

写真 3.2.12 ミニモジュールの写真

付属ｷｬｯﾌﾟ

中空糸膜

支持棒

吸引口

図 3.2.13 PTFE 膜ミニモジュールの構造

65

(2)ミニモジュールの実験 図 3.2.14 に示すようにミニモジュール 2 本を MBR 装置に設置して、実下水による

実験を行った。

実験結果のデータ表を表 3.2.5 に示す。図 3.2.15 にはミニモジュールの下水処理に

おける膜差圧の経時変化を示す。 その結果、疎水性膜では、現場での親水化処理に問題がありデータが取れなかった。

一方、親水性膜は初期には、Flux を 4～4.5mL/min.で安定運転していた。そこで、

Flux を 8.5ml/min.と高くして実験したところ膜差圧が 10 から 40kPa に上昇した。

そこで、再び Flux をもとの条件にて実験を行った。 表 3.2.6 に MBR 処理水の水質データを示す。住友電工ファインポリマーの膜は

PVDF 膜に比べて TOC,T-N ともほぼ同じ数値であった。TOC データは、PVDF 膜に

比べて約 1/6 と低い数値であった。

図 3.2.14 MBR にミニモジュールを設置している写真

ミニモジュール (実験ではこのモジュ

ールを水槽の中に浸漬

する）

生物反応槽

66

運転日数

(d) 膜差圧 ろ過流

量

膜差圧

(調節後)

ろ過流量

(調節後) 水温 Flux 補正差圧 補正 Flux 全ろ過抵抗 槽内水 pH

kPa mL/min kPa mL/min ℃ m/d kPa @25℃ m/d @25℃,50kPa 1011m-1 -

0 15 5.5 15 5.5 14 0.79 11.42 0.03 1.40 5.34

1 8 5 8 5.5 14 0.79 6.09 0.05 0.75 4.96

2 8 4 11 5 12.7 0.72 8.08 0.03 1.09 5.01

3 0.00

4 10 5.5 10 5.5 13.6 0.79 7.53 0.04 0.92 5.17

5 10 4 10 4 13 0.58 7.41 0.03 1.25 5.44

6 - - - - - - - - - -

7 10 4 10 4 13.3 0.58 7.47 0.03 1.26 5.09

8 48 8.5 23 5.6 13.3 0.81 17.18 0.02 2.07 4.91

9 27 6 27 6 13.9 0.86 20.50 0.02 2.30 4.81

10 22 5.5 22 5.5 13.3 0.79 16.44 0.02 2.01 4.86

11 7 3 8 5 11.9 0.72 5.75 0.05 0.78 4.78

12 9 4 11.9 0.58 6.47 0.03 1.09

平均 16.5 #REF! 13.17273 #REF! #REF! #REF! #REF! #REF!

最大 48 #REF! 14 #REF! #REF! #REF! #REF! #REF!

最小 7 #REF! 11.9 #REF! #REF! #REF! #REF! #REF!

中央値 10 #REF! 13.3 #REF! #REF! #REF! #REF! #REF!

標準偏差 12.89487 #REF! 0.749788 #REF! #REF! #REF! #REF! #REF!

測定数 10 0 11 0 0 0 0 0

表 3.2.6 ミニモジュール PTFE 膜の運転データ

67

表 3.2.7 PTFE 膜（住友電工ファインポリマーと PVDF 膜の水質比較 処理水 抽出有機物量(膜面積あたり) TOC（mg/m2） TOC(mg/L) TN(mg/L) 住友電工 3.9 18.5 4.3 PVDF 4.4 20.2 25.0（約 70 日間運転後） (2)モジュールによる下水処理実験 1)モジュールの仕様と実験条件 表3.2.8にモジュールの仕様と実験条件を示す。このモジュールの構造図面を図3.2.16に示す。

表 3.2.8 モジュールの仕様と実験条件 品番 No 3 No 4

膜 親水性 PTFE 親水性 PTFE 孔径 0.3μm 0.1μm 設計 Flux(m/day) 0.8 0.8 膜面積(m2） 1.5 膜寸法(mm) 縦 150×横 170×523 ケース材質 ABS 樹脂 ポッティング樹脂 ポリウレタン/エポキシ樹脂 空気量 通常活性汚泥の 13 倍(現在の実験に合わせる) 吸引・停止時間 9 分吸引・1 分停止

図 3.2.15 ミニモジュールの下水処理における膜差圧の経時変化

68

ａ

300c d 150

ｂ

170

blower

図 3.2.17 実用モジュールを設置する曝気水槽構造図（水槽容積=175L）

523

170 150

図 3.2.16 モジュール構造図（膜面積=1.5m2）

空気流入口

膜部分

15

100 52

15

(2)水槽を横から見た図

69

MBR の水槽の状況は以下のとおりである。No1,2 の水槽は当面空にしておく。 No1 2 3 4

実験はスタートしたばかりであるが、図 3.2.19 に PTFE 膜（膜 No3、孔径:0.3μm）による MBR運転の経時変化を示す。図 3.2.20 に PTFE 膜による MBR 運転の経時変化（膜 No4、孔径：0.1μm）を示す。

表 3.2.9 に MBR 水質分析(膜：No3、膜孔径 0.1μm)を示す。 表 3.2.10 に MBR 水質分析(膜：

No4、膜孔径 0.1μm)をそれぞれ示す。両方の膜いずれも良好な水質である。

膜 膜

図 3.2.18 MBR 水槽の配置図（2 モジュールをセットしている）

図 3.2.19 PTFE 膜による MBR 運転の経時変化（膜 No3、孔径：0.3μm）

時間（日）

時間（日）

図 3.2.20 PTFE 膜による MBR 運転の経時変化（膜 No4、孔径：0.1μm）

水温(

℃)

・膜間差圧(kPa)

水温(

℃)

・膜間差圧(kPa)

70

表 3.2.9 MBR 水質分析(膜：No3、膜孔径 0.3μm)

分析項目 単位 原水 処理水 定量限界値 除去率(％) pH (-) 7.4 6.0 - - MLSS（ろ過法） (mg/l) 15.8 - - - SS (mg/l) - 1 未満 1 - CODMn (mg/l) 90.0 7.0 0.5 92.2 TOC (mg/l) 65.3 5.3 0.2 92.0 T-N (mg/l) 32.1 19.2 0.05 40.2 T-P (mg/l) 3.50 1.10 0.003 68.6 NH4-N (mg/l) 22.4 0.62 0.05 97.2 BOD (mg/l) 194 0.6 0.5 99.7

表 3.2.10 MBR 水質分析(膜：No4、膜孔径 0.1μm)

分析項目 単位 原水 処理水 定量限界値 除去率(％) pH (-) 7.4 6.0 - - MLSS（ろ過法） (mg/l) 15.8 - - - SS (mg/l) - 1 未満 1 - CODMn (mg/l) 90.0 7.6 0.5 91.6 TOC (mg/l) 65.3 5.7 0.2 91.3 T-N (mg/l) 32.1 23.9 0.05 25.5 T-P (mg/l) 3.50 1.14 0.003 67.4 NH4-N (mg/l) 22.4 0.54 0.05 97.6 BOD (mg/l) 194 1.0 0.5 99.5

3.2.4 まとめ

実際の下水を用いて、新しい膜素材である PTFE による MBR のファウリング特性の基礎実験

として、親水性膜の孔径（0.1μm、0.3μm）によるモジュール実験を行っている。透過水量が

0.5m/day の条件では、膜間差圧にあまり差が見られなかった。今後、さらに空気量を変化した

り、運転時間（膜の吸引、停止時間）などを変化させて連続実験を行っていく。

71

4. まとめ 4.1 本年度の結果 本年度研究においては、モデル下水を用いて平膜によるファウリングの試験と、実際の下水に

よる PTFE 膜モジュールによる MBR 実験と 2 種類の実験を行った。 平膜に関しては、人工下水を使用し、ベンチスケール MBR 装置の連続運転を行い、膜特性の

差異が MBR における膜ファウリングの進行に及ぼす影響について検討した。モデル下水による

各種（6 種類、膜材質、孔径がことなる）の平膜（親水性 PTFE 膜（ポリテトラフルオロエチレ

ン）を含む）による実験から以下のことが明らかになった。 (1)Run1（膜透過水量＝0.4m/day）における膜ファウリングは運転終了後、物理洗浄前後で膜透

過性能の回復率が 90％以上得られたことから膜の汚れは、可逆的膜ファウリングの進行によ

るものであることが明らかとなった。 (2)6 種類の膜で膜差圧が最もゆるやかな膜は、UF 膜（分画分子量 2 万）であった。一方、膜材

質的には、PP の膜が一番汚泥が詰まりやすいという結果である。 (3)PTFE 膜の膜間差圧の上昇変化は他の膜に比べて比較的ゆるやかな上昇であった。また、膜

を物理洗浄した結果、膜汚染物がよく落ちることが観察された。これは PTFE 膜が汚染に対

して強いためと考えられる。 (4)膜間差圧の経時変化における膜ファウリング速度（dTMP/dt）と膜表面粗さ(ラフネス)の間に

は相関があり、可逆的膜ファウリングにはラフネスのような膜表面の構造に関わる膜特性が影

響することが明らかになった。 (5)しかし、膜の接触角や純水透過性能と膜ファウリング速度には、相関関係が見られなかった。 (6)Run2（膜透過水量＝0.4m/day）の膜間差圧の経時変化は、Run1 で膜ファウリングの進行が

軽微であった 4 種類の膜(A,D,E(PTFE 膜),F)を使用して各膜の不可逆的膜ファウリングの進

行影響について検討を行った。各膜の不可逆的膜ファウリングの進行度は、物理洗浄後に残存

するろ過抵抗の値から D>F>E>A となった。 (7)人工下水の実験では、汚れ物質中にタンパク成分はあるが糖類はない。しかし、膜への付着

物質の分析には検出されている。これは、生物反応により発生する代謝物ではないかと考え

られる。

実際の下水を用いて、新しい膜素材である PTFE による MBR のファウリング特性の基礎実験

として、親水性膜の孔径（0.1μm、0.3μm）によるモジュール実験を行っている。透過水量が

0.5m/day の条件では、膜間差圧にあまり差が見られなかった。今後、さらに空気量を変化した

り、運転時間（膜の吸引、停止時間）などを変化させて連続実験を行っていく。 4.2 来年度の計画 来年度の計画としては、平膜によるファウリング実験では以下の項目について研究することを

予定している。 1)PTFE 膜の孔径を変えてファウリングの挙動・解析を行う。特に、不可逆的ファウリングにお

72

ける溶解性代謝産物を定量的に解析していく。 2)そして、ファウリングのメカニズムの解析をできるだけ明らかにしていく。 3)疎水性、親水性膜によるファウリング挙動の違いを明らかにする。 一方、実際の下水による PTFE 膜の MBR 実験では、以下の研究を行う計画である。 1)現在の膜孔径の異なる（0.1μm、0.3μm）PTFE 膜による連続実験を行い両者の膜間差圧、

水質などの違いを明らかにしていく。 2)そして、実験終了後の膜面汚れを観察し付着状況を明らかにする。 3)MBR の空気量を変化させて、膜間差圧の変化を調べる。 5. 結言 モデル下水及び実下水による PTFE 膜による MBR のファウリングの挙動を明らかにして、

MBR に最適な運転条件の探索を目的として実験を行った。 本年度は初年度ということもあり、平膜によるファウリング挙動の解析基礎実験、実下水を用

いた MBR 実験ともに半年間は実験計画の作成、実験設備の改造などに時間をとられ、十分な実

験期間が得られなかった。しかしながら、そうしたなかでも平膜によるファウリング実験では、

PTFE 膜の汚れ状況、汚れ成分の把握、実下水による PTFE モジュールによる試験ともに一定

程度の研究成果が得られ、来年度の研究への足がかりは得られたものと思われる。 来年度は、早めに研究に取り掛かり、硫化物法の実用化に向けて十分なデータが得られるよう

に進めていく予定である。

73

6. 参考文献 1)膜分離技術振興協会の資料、2008 年 3 月 2)長岡裕、月間下水道、Vol.29、No12、18(2008) 3)川﨑睦男、膜協会ジャーナル 32 号、Vol.15、No3、（2008 年 3 月） 4)森田徹、日本能率協会、日本膜学会「水処理用 PTFE 膜モジュールの紹介」ニューメンブレン

テクノロジーシンポジウム 2006、S-7（2006 年） 5)甘道公一郎、月間下水道、Vol.29、No12、44(2008) 6)北中敦、ニューメンブレンテクノロジーシンポジウム 2006、S5-2-1（2006） 7)藤井渉、ニューメンブレンテクノロジーシンポジウム 2004、S5-1-1（2004） 8)橋本知孝、ニューメンブレンテクノロジーシンポジウム 2004、S5-2-1（2004） 9)松本幹冶、日本能率協会、日本膜学会「膜ファウリングの評価とモニタリング」ニューメンブ

レンテクノロジーシンポジウム 2005、S4-3-1（2005 年） 10)木村克輝、「都市下水処理を行う MBR における膜ファウリング」、分離技術、2、第 37 巻 4号(2007)

11)木村克輝、日本能率協会、日本膜学会「NOM に起因する MF・UF の不可逆的ファウリング」

ニューメンブレンテクノロジーシンポジウム 2005、S4-1-1（2005 年） 12)建設省都市局下水道部・厚生省生活衛生局水道環境部監修、下水道試験方法（上巻）、(1997)、社団法人日本下水道協会、東京

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7. 添付資料（１）委員会議事録

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「PTFE膜MBRによる下水の再生処理技術開発」第１回委員会 議事録 日 時： 平成２０年９月４日（木）9：30～11：20 場 所： (財)造水促進センター会議室 ●出席委員：委員長 長岡裕 武蔵工業大学工学部都市基盤工学科教授

委員 渡辺 義公 北海道大学環境ナノ・バイオ工学研究センター長 委員 池辺 弘昭 東洋エンジニアリング㈱エンジニアリングセンター

施設エンジニアリング部シニアプロセスエンジニア オブザーバー 森田徹 住友電工ファインポリマー㈱ モジュールプロジェクト統

轄

オブザーバー 具志堅拓実 経済産業省 経済産業政策課 地域経済産業グループ

産業施設課 造水班 事務局 秋谷鷹二 （財）造水促進センター 常務理事 藤岡哲雄 （財）造水促進センター 水処理技術部 部長 小笠原尚夫 （財）造水促進センター 水処理技術部 担当部長

川崎睦男 （財）造水促進センター 国際協力部首席研究員 ●議題 1)技術開発の概要 2)住友電工ファインポリマーの PTFE 膜の特徴 3)実験テーマ内容と実験計画の概要 4)その他 ●議事録（詳細は第 1 回委員会資料参照のこと） 0)自己紹介 各自紹介した（略） 1)技術開発の概要 PTFE 膜を用いた MBR の下水再利用実験において最適な膜の孔径、空気量の変化、運転

条件（間欠運転の条件）などを探索するために、モデル下水による平膜のファウリングメカ

ニズムの挙動解析を行うこと。及び実際の下水を（札幌市創成川下水処理場の下水）を用い

て、孔径の異なるモジュールを用いて連続運転を行い、ファウリングによる運転圧力変化を

解明することを目的としている。 事業は平成 20 年度、平成 21 年度の 2 年間である。 ・事務局が資料技術開発の概要に基づいて説明した。 2)住友電工ファインポリマーの PTFE 膜の特徴 現在は実験場で MRE の膜による実験が行われているが、改造工事の後に本実験がスター

トする。 ・PTFE 膜は、PVDF に比べて物理的強度、耐アルカリ性（シリカ等による汚染の洗浄時）

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に優れている。 ・親水性ポリマーは、ポリビニルアルコール系であり、洗浄薬品への耐性がある。今回の実

験のポイントの一つがここにあり、代替品も検討できる。 ・ふっ素系膜への多糖類の付き方を、親水性膜・疎水性膜で比較する。 ・疎水性膜を親水化しても、非常に薄い表面処理なので、電顕で見ても違いはわからない。 ・ふっ素系膜の欠点をなくし、特長を生かした膜である。 ・将来、この PTFE 膜は表面の化学処理のあらゆる方法を適用できる。平膜は表面修飾が容

易なので、いろいろな開発が可能である。 ・また、表面修飾の点で構造を設計できる膜である。 ・スキン層の構造はナノサイズであるので、ナノテクノロジーといえる。（孔径は MF サイ

ズであるが） ・元来は電線の被覆材料としてテフロン系材料を開発し、それが発展したものである。 ・支持層とスキン層を接着剤でなく、熱溶融で付けて製作してある。 ・石油系の工場は、油汚染などの課題があり、この膜の応用範囲は広い。 ・膜材質は、少し前までは PAN が一般的であり、最近は PVDF が流行している。今後は PTFE

が普及すると期待される。 ・MBR の課題は運転動力費なので、膜透過とファウリング対策の研究としたい。 ・省エネは、デマンド側（例えば小規模分散型廃水処理）とサプライ側（太陽光発電による

電力供給など）を組み合わせることが重要であり、そこにこの技術が使える。 ・有機膜なので後始末を考えておく必要がある。ふっ素系なので燃やすことはできない。 ・PTFE 膜は高濃度オゾンで真っ白になり、回復・再生するので、リサイクルできる。再び

親水性ポリマーを付けることができる。 ・浸漬型で槽外型にすることで、化学プラントへの適用が広がる可能性がある。 ・セラミック膜との違いは、コンパクト性、耐衝撃性、経済性、耐薬品性で優れていること

である。後始末はセラミックが簡単である。 3)実験テーマ内容と実験計画の概要 ・PTFE 膜種は、孔径を 0.08、0.1、0.3μｍの 3 種類にて実験する。 ・A４版サイズの平膜は、ラボテストでデッドエンド式に使用するものである。 ・疎水性膜で実験する意義は、ポリエチには汚れが付かないが、ふっ素系には付きやすいな

どの問題がある。このため親水性が良いといわれているが、長期になると付着するので、

疎水性と比較研究する。 ・MBR の運転は定流量運転方式なので、吸引圧力測定は、9 分吸引、1 分停止のパターンな

ので、ろ過操作の内の変化パターンを把握しておくことも必要である。 4)技術開発と予算等 ・実験は、札幌市創生川下水再生プラザ内の北海道大学環境ナノ・バイオ工学研究センター

実験場を借用して行われるので、MBR 実験装置の運転管理等は北海道大学に委託して実

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施することを提案し、了承された。 ・実験成果は、積極的に公表したい。 ・シンガポールやドバイ（IDA 来年開催）で宣伝すれば効果的である。 5)その他 ・次回の委員会は、実験場の見学を兼ねて札幌で開催する予定である。 以上 「PTFE 膜 MBR による下水の再生処理技術開発」第１回委員会 議事録 日 時： 平成２１年３月２４日（水）13：30～17：00 場 所： 北海道大学工学部 A102 会議室 ●出席委員： 委員長 長岡裕 武蔵工業大学工学部都市基盤工学科教授

委員 池辺 弘昭 東洋エンジニアリング㈱エンジニアリングセンター 施設エンジニアリング部シニアプロセスエンジニア

委員 澤田繁樹 （株）ウエルシィ 中央研究所副所長 オブザーバー 森田徹 住友電工ファインポリマー㈱ モジュールプロジェクト

統轄 オブザーバー 今井浩司 経済産業省 経済産業政策課 地域経済産業グループ

産業施設課 造水班 具志堅拓実 経済産業省 経済産業政策課 地域経済産業グループ 産

業施設課 造水対策係 オブザーバー 山村寛、 北海道大学環境ナノ・バイオ工学研究センター博士課

程 露見知央 北海道大学環境ナノ・バイオ工学研究センター修士課程

事務局 秋谷鷹二 （財）造水促進センター 常務理事 川崎睦男 （財）造水促進センター 国際協力部首席研究員 ●議題 1)前回議事録の確認を行った。 2)膜特性の差異が MBR における膜ファウリングの進行に及ぼす影響について（資料 3 参照） 3)その他 ●議事録（詳細は第 2 回委員会資料参照のこと）

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1)平膜のファウリング実験 ・木村先生が欠席のため露見知央が発表した。

・膜材質と孔径が異なる平膜を 6 枚セット（膜面積は 1 枚が 10cm2）して実験しているが、

それを水槽に配置するが位置により少しずつ挙動が変わるので適時位置を変えて実験して

いる。 ・膜の可逆的ファウリングは膜表面のラフネスに大きく関係する。ラフネスが小さい膜は差圧

の上昇が比較的ゆるやかである。 ・人工下水のなかにはタンパク成分はあるが糖類はない。しかし、膜への付着物の分析には検

出される。これは生物反応により発生する代謝物ではないかと考えられる。 ・ファウリング物質の物質収支の測定は非常に難しい。将来的には膜への汚れ物質をダイレク

トに SEM で観察して測定するのができればいいと思われる。 ・膜材質的には PP がつまりやすくて PVDF 膜が一番よいという結果である。 ・今後、PTFE 膜に限定して膜特性の違いを明確にする。具体的には、孔径の違い、親水性、

疎水性の違いを明確にすること。 2)PTFE 膜の MBR による下水処理実験について ・実験は札幌市創生川下水再生プラザ内の北海道大学環境ナノ・バイオ工学研究センター実験

場を借用して行われている。 ・MBR の水槽は現在、2 モジュールがセットされている。No1,2 の水槽は当面モジュールを

セットしなくて空にしておく。実験の目的は孔径の違いによる MBR の処理特性に関するデ

ータをとる。 ・今後の実験計画は、親水性膜（孔径 0.3μm、0.1μm）、疎水性膜（孔径 0.3μm）の 3 種類の

膜による実験を行う。 3)委員会終了後、全員で木村准教授研究室の見学及び調査を行った。北大の露見さんに研究室で

のファウリングに関する実験及び装置一式の説明を受けた。その後、いろいろ委員の方それぞ

れが活発な Q&A を行った。 また、札幌市創生川下水再生プラザ内の北海道大学環境ナノ・バイオ工学研究センター実験

場の MBR 実験装置などの状況調査も行った。 以上