ePTFE膜のMBR用途に対する可能性に向けた一考察

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日本バルカー工業株式会社
研究開発部メンブレン開発グループ
本居 学
瀬戸口 善宏

1. はじめに

 従来、浄水処理、下水・廃水処理、あるいは産業廃水の処理など、濁度の高い被処理水の固液分離を行う方法の一つとして、活性汚泥法が採用されている。
 この活性汚泥法とは、廃水中に空気を吹込みながら様々な微生物(活性汚泥)を増殖させ、その微生物により廃水中の生物化学的酸素要求量(Biochemical oxygen demand 以下 BOD)の増加につながる成分などの汚れを浄化する方法である。
 標準的な活性汚泥法(以下標準活性汚泥法)では、砂を利用したろ過や重力を利用した沈殿などにより、活性汚泥と処理水の固液分離が行われている。しかしながら、このような方法による固液分離では得られる処理水質が不充分となったり、広大な用地(沈降分離のための沈澱槽用の用地など)が必要になったりするなどの不都合が生じている。
 これらの問題を解決する方法の一つとして、膜分離活性汚泥法(Membrane Biological Reactor 以下 MBR)が検討されている。前述の標準活性汚泥法が、重力沈降などを利用 して活性汚泥と処理水の固液分離を行うのに対し、MBRでは精密ろ過膜(Microfiltration膜:MF膜)あるいは限外ろ過膜(Ultrafiltration膜:UF膜)を用いた膜分離を利用して活性汚泥と処理水の固液分離を行うのが特徴である。
 すなわち、MBRでは曝気槽に微細な穴を持つ膜を浸漬し、微生物と処理水の直接ろ過を行って固液分離するため、安定して清澄な処理水が得られる上、沈澱槽が不要であり装置をコンパクトにできる特徴を有する(Fig.1参照)。このことから、標準活性汚泥法に比べ、浮遊固形物(suspended solids 以下 SS)や微生物群の除去能力に優れ、また必ずしも大きな敷地面積を必要としない(標準活性汚泥法に比して敷地面積を小さくできる)などの利点がある。1), 2)
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 これまでMBR は産業排水、ビル中水道、し尿処理、浄化槽など、小規模処理を中心に普及していたが、今後は大規模都市下水処理への展開が期待されている。しかし、MBRが抱える問題点の1 つに膜の汚染(以下 ファウリング)がある。このファウリングが進行すると膜の処理能力が下がるため、膜には低ファウリング性が要求される。またファウリング進行時には薬剤による膜の洗浄が行われるため、膜はその化学的耐久性も必要となる。本研究では、ラボスケールの浸漬型MBR に、耐薬品性に優れたポリテトラフルオロエチレン(Polytetrafluoroethylene 以下 PTFE)の多孔質膜を適用し、その細孔径の違いによるファウリングの進行の程度を比較した。また洗浄(物理・薬品洗浄)前後の膜ろ過抵抗を測定することで、ろ過抵抗と膜ファウリングの進行との関係を調べた。3)

2. ePTFEの特徴

 次に、多孔質PTFE(expanded PTFE:以下 ePTFE)の特徴を説明する。ePTFEは、非粘着性・疎水性・耐熱性・耐薬品性・耐候性・低摩擦・撥水性・低誘電率などの優れた性質を有するポリテトラフルオロエチレン(以下PTFE)を延伸して作られ、Fig.2のような3次元に多孔質化された構造を示す。この延伸多孔化技術では、密度制御・孔径制御・透過制御を行うことが可能であり、PTFEの特徴を活かしながら様々な特性を持つ多孔質膜を作ることができる。
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 このePTFEの特性として、高空隙率・非粘着性(易剥離性)・耐薬品性・耐熱性・防水透湿性などが挙げられる。この応用分野としては分離・ろ過用途(液体フィルター・エアーフィルター・バグフィルター)、通気・透湿・防水・防塵用途(電池用撥水膜・ベントフィルター・燃料電池用透過膜・セパレーターなど)などがある。
 本研究では、ePTFEの特性である高空隙率(高透水性)非粘着性(耐ファウリング性、易洗浄性)、耐薬品性(洗浄効率)に着目し、MBRとしての性能評価を検討した。

3. 浸漬型MBR装置と運転条件

 MBR装置の模式図をFig.3に示す。有効容積18Lの処理槽にePTFE平膜モジュール(PP製プレートにePTFE/PPラミネート膜を貼り付け、表裏両面からの吸引ろ過を可能にしたモ ジュール)4組を浸漬させ、グルコースを主な炭素源とする人工廃水の処理を19日間連続して行った。
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 その時の運転条件をTable.1に示す。運転初日から6日目までをRun1、その後の7日間をRun2、更にその後の6日間をRun 3とした。使用したePTFE 平膜の細孔径は、0.3μm, 0.5μm, 1.0μm の3種類で、1.0μm についてのみ2枚用い、計4枚の平膜を浸漬させて同時にろ過試験を行った。なお、処理水は全て処理槽に戻し、余剰汚泥の引き抜きは行わなかった。
 Run1, Run 2終了時に膜モジュールを処理槽から取り出し、超純水のろ過抵抗を測定した。また取り出した膜モジュールに対し、表面をスポンジで拭き取る「物理洗浄」、5000 mg L-1のNaClO溶液に5時間以上浸漬させる「薬品洗浄」を施し、各洗浄後の超純水のろ過抵抗を測定した。各ろ過抵抗は、以下の式とFig.4から算出した。3)
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4. 結果と考察

4-1) 膜間差圧の経時変化3)
 MBR処理槽に浸漬させた4枚のePTFE平膜の膜間差圧(以下TMP)の経時変化をFig.5に示す。なお、TMPは膜ファウリングの進行度を示す指標の一つであり、TMPが上昇するほどファウリングが進行していることを示す。Run1では細孔径0.3μmの膜のTMPのみが80kPa程度まで急激に上昇し、他の3つの膜のTMPにおいては20kPa程度までほぼ同様に緩やかな増加を示した。そのためRun2からは細孔径0.3μmの膜を外し、他の3つの膜のTMPの変化を比較した。Run1終了後、膜洗浄を行って開始したRun2においては、細孔径1.0μm(A)膜
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のTMPが他の2つの膜のTMPに比べ、若干緩やかに増加する傾向を示した。一方、Run2終了後、膜洗浄を行って開始したRun3においては、細孔径1.0μm(B)膜のTMPのみが30kPa程度まで緩やかに上昇し、他の2つの膜のTMPは70kPa程度まで急激に上昇するする傾向を示した。
4-2) 各膜のろ過抵抗 R3)
 次に、Run1, Run2終了時に測定した超純水の膜ろ過抵抗の値をFig.6に示す。Fig.5とFig.6の結果をみると、洗浄前後における超純水ろ過抵抗値は、TMPの経時変化と相関がとれないことがわかる。しかし薬品洗浄後のろ過抵抗とRun開始時のろ過抵抗との差(洗浄で回復しなかった抵抗Ri)を求めると、その大小はその後のRunにおけるTMPの経時変化に影響を与えていることが示唆された。Riが他の膜に比べて低かったRun1終了時の1.0μm(A)膜とRun2終了時の1.0μm(B)膜は、Run2、Run3においてそれぞれTMPの増加が緩やかであった。
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 また、膜の物理洗浄により回復する抵抗が大きい場合、Riは小さくなる傾向がみられた。物理洗浄の効果が高い場合は、膜表面に汚染成分が堆積してできたケーク層によるファウリングが主であると考えられ、物理洗浄の効果が低い場合は、細孔内部への汚染成分の侵入によるものが主であると考えられる。
 以上より、細孔径0.3μmの膜は0.5μm、1.0μmの膜に比べファウリングの進行が速いこと、また0.5μmと1.0μmの膜のファウリングの進行については、洗浄後の膜の状態により差が生じ、さらに膜の物理洗浄により回復する抵抗が大きい場合、Riは小さくなる傾向が確認できた。
4-3) 水質処理
 原水および処理水の水質をTable.2に示す。
 原水に対して、いずれの膜のおいてもBOD、COD、SS全て低濃度であることがわかり、孔径の大きい1.0μmの膜でも処理水質に問題がないことが確認できた。
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 4-1)、4-3)の結果から、当社ePTFE は孔径が0.5μm以上であるほうが耐ファウリング性を有しており、また孔径が大きくても処理水質に問題がなく、さらにろ過流量を増やせるという点で孔径1.0μmのePTFEが最もMBRに適していると考えられる。
 さらに、ePTFEは耐薬品性、耐熱性を有しているため、他の材質では困難であった高温でのアルカリ・酸などを利用した洗浄方法が適用できることから、MBR 用途として有望である。
 今後は、4-2)の結果でもあるように、いかに効率よく表面ろ過を実現させるかが課題となる。

5. まとめ

・細孔径0.3μmの膜は0.5μm, 1.0μmの膜に比べ、ファウリングの進行が速いことが明らかであった。
・0.5μmと1.0μmの膜は、洗浄後の膜の状態によりファウリングの進行に差が生じるようであった。洗浄により回復しない抵抗Riが大きい場合、膜間差圧TMPの上昇速度が速くなった。
・膜の物理洗浄により回復する抵抗が大きい場合、Riは小さくなる傾向がみられた。

6. おわりに

 水のリサイクル技術は、環境及び資源枯渇の面から様々な分野において、ますます重要になると考えられる。今後もMBRといった水処理分野でのePTFEの応用先を検討していく。
 なお、本報は化学工学会第42回秋季大会で「MBR用PTFE膜の開発」として、横浜国立大学大学院工学研究院特別研究教員新田見匡先生が発表した内容に基づいたものである。

謝 辞
本報で紹介した研究は横浜国立大学大学院工学研究院教授松本幹治先生、特別研究教員新田見匡先生、人見哲男様の御力のもと得られた成果であり、ここに心から深く謝意を表します。

7. 参考文献

1) The MBR Book : Principles and Applications of Membrane Bioreactors in Water and Wastewater Treatment, Simon Judd with Claire Judd, ELSEVIER
2) MBR( 膜分離活性汚泥法) による水活用技術 山本和夫、サイエンス&テクノロジー株式会社(2010)
3)化学工学会 第42 回秋季大会 「MBR 用PTFE 膜の開発」

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