王 昂
要 旨
1 はじめに
近年 ,水 道水源の汚染問題が生 じてお り ,浄 水処理分野では新たな対応が求め られている。 この 背景の もと ,国 家 プロジェク トとして「膜利用型新浄水 システム開発研究」および「膜利用型新高 度浄水技術 開発研究」が実施 された。 この中で ,ナ ノろ過 を用 いた高度浄水処理法 も開発 され ,原
水 中に含 まれ るフ ミン質 な どの消毒副生成物前駆物質 ,そ の他多 くの溶解サ 性有機物質 を除去で きる ことが確認 された。
しか し ,ナ ノろ過 を実用化す るためには ,膜 のファウ リング機構 の解明 ,長 期安定運転法の確立 な ど課題 が山積 している。そ こで ,以 下の 3テ ーマについて実験的・理論的な討論 を行 い ,浄 水処 理 におけるナノろ過特性 について詳細 な研究 を行 うこととした。
2 長期現場実験 によるナノろ過 の長期信頼性・安定性 に関す る研究
やや汚濁が進 んだ大規模河川水 を対象 に ,限 外 ろ過 (UF,前 処理 )と ナノろ過 (NF)を 組み合 わせた方式で約 2年 間の現場実験 を行 い ,運 転 に及ぼす低水温の影響 ,濁 度・ 色度・農薬等の処理 特性 を検討 し ,浄 水処理 における膜 の長期信頼
J性に関 して考察 を力日えた。得 られた結果 を要約する
と次のようになる。
(1)UFに よる前処理 については ,比 較的安定 した長期運転 を行 うことがで きた。濁度および細 菌 は完全 に除去 され ,色 度 ,E260(紫 外線吸光度 260 nm),TOC(全 有機炭素 )に ついて も比較 的 よ く除去 された。また ,季 節 ごとにフラックスを 10〜 1.5m/日 の間に調節す ることによ り ,前 処理 としての能力 を最大限に発揮 させ ,安 定かつ経済的な運転 を行い うることを示 した。
(2)NFの 運転で は ,回 収率 80〜 85%で は安定 した運転 を行 うことがで きた。しか し ,本 実験で は ,濃 縮水 を循環 させ る方式のため ,90%程 度の高回収率 にす る と明 らかにファウ リング傾向が 見 られた。
(3)NFろ 過水の水質 は良好 な結果 を示 し ,特 に色度が よ く除去 された。農薬 については ,一 部 の種類 を除 いてかな りよ く除去 された。
(4)使 用済 みの NF膜 を点検 した結果 ,膜 面 に付着 した物質 は有機物質が主体 であると推定 さ れた。
(5)高 速液体 クロマ トグラフィーや分子量分画膜法 による分子量分画の結果 ,お よび物質収支の 計算結果か ら ,NF膜 をファウ リングさせ るのは有機色度成分であることを明 らかにした。
3 有機色度成分 によるナノろ過膜 のファウ リング特性 に関す る研究
有機色度成分 による NF膜 のファウ リング特性 に焦点 にあて ,小 型で簡便 な膜性能試験機 ,お よ
学位記番号 と学位 :第 14号 ,博 士 (工 学
)授与年月 日 :平 成 14年 3月 20日
授与時 の所属 :大 学院工学研究科土木工学専攻博士後期課程
‑243‑
八戸工業大学紀要 第 22巻
び実装置 に近 い ミニ プラ ン トを用いて室 内実験 を行 った。さ らに ,分 子量 分画膜 法 を利 用 して ,NF
膜 の フ アウ リングの起 因物 質 を特定 した。得 られた結果 を要約 す る と次 の よ うにな る。
(1)膜 性 能試 験機 を用 いた場 合 ,濃 縮水 を循 環 す る と原水 が高濃度 とな って ,ゲ ル層 とケー キ層 が発生 しやす く ,UFで 前処 理 して も効 果 が見 られ なか った。一 方 ,濃 縮 水 の循 環 を行 わ な い場合 は ,比 較 的運転 が安定 にな り ,UFで 前処理 す る とさ らに安 定 した。
(2)水 質 につ いて は ,E260成 分 が よ く除去 され ,NFろ 過水 の それ はほ ぼ 0で あった。
(3)ミ ニ プラ ン トを用 いた場合 ,回 収率 90%,UF前 処 理 あ り ,膜 入 口濃度 の E260が 0.05ま た は 0,025の 条件 で あれ ば ,補 正流量が ほぼ一定 で フ ァウ リングが ほ とん どない。一方 ,UF前 処 理
な しの場合 ,膜 入 回濃 度 の E260が 005と 高 い条件 で は補 正 流 量 の減 少 が見 られ るが ,E260が
0.025と 低 い条件 で は減少 が ほ とん ど見 られ なか った。
(4)回 収率 を 50%,膜 入 口濃度 の E260が 005ま た は 0025の 場 合 ,補 正 流量が減少 した。回収 率 90%の 場合 と比較 すれ ば,わ ずか な減少 で はあ るが フ ァウ リングの傾 向 にな ってい る。しか し
,E260が 0.005程 度 のか な り低 い濃度 に変 える と補 正 流量 が ほば一定 にな った。
(5)合 成 原 水 や 実 河 川 水 の色 度 成 分 の分 子 量 分 布 を測 定 した 結 果 ,MW10,000〜 100,000と MW500以 下 の範 囲 に多 くの色 度成分 が存在 して い る。また ,MW3,000以 下 の成 分 の ほ とん ど親 水性有機色度成分 で あ り ,MW10,000〜
100ゥ000の 成 分 が疎水性 有機色 度成分 (フ ミン質 )で あ る
こ とがわか った。
(6)以 上 よ り ,MW10,000〜 100,000の 色度成分が ナ ノろ過 の フ ァウ リング原 因物質 で あ る こ と が推預 Jさ れ た。
4 ナ ノ ろ過 の透 水性能 に及 ばす影響 囚子 に関す る研究
色度成分 に よる NF膜 フ ァウ リングの発現特性 をよ り詳細 に検討 す るた め に ,分 子量 分布 が異 な る合成 原水 を数種類作成 して半 回分式や 回分式実験 を行 った。透過水量・ 水質・ 膜抵抗 の違 い を分 子量分布 に基 づ いて評価 し ,膜 透過性能・除去率 に及 ぼす影響 因子 につ いて検討 した。その上 で ,分
子量 分 画法 と物 質収 支 的 な考 察 を統合 して ,膜 面 に付 着す る有機色度成分 の量 を特定す る方法 を提 案 した。 また ,フ ァウ リングの発現機構 を考察 し ,膜 ろ過基礎理論 や閉塞 モデル に よ り検証 を行 っ た。最後 に ,ケ ー キ層 の付着物質量 に注 目して その ろ過抵抗 を求 め ,総 抵 抗 に 占め る割 合 を計 算 し た。得 られた結果 を要約 す る と ,次 の ようにな る。
(1)ナ ノ ろ過 で は原水 の TOCが 同値 で あ つて も ,そ の分子量分布 が異 なれ ば ,透 水 特性 も異 な る こ とが半」 明 した。
(2)透 過 水量 と除去 率 は ,有 機色度成分 の分子量分 布 と存在 害」 合 ,pH,イ オ ン強度 ,親 水 。 疎水
性 ,膜 面 流速 な どの影響 を受 ける こ とが確認 で きた。
(3)分 子量分 画法 と物 質収 支 的 な考察 をあわせ て,膜面 に付 着 す るフ ァウ リングの量 を特 定 す る 方法 を提 案 した。 また ,そ れ を利 用 して ,分 子量 分布 の異 な る原水 にお け るフ ァ リングの量 を算 出で きた。
(4)ナ ノ ろ過 の ファウ リングの発現機構 を提案 し ,そ の検証 を行 うこ とがで きた。
(5)Ruthの ケー キ ろ過 モデル を使 用 し ,ケ ー キ層 に よる抵抗 を求 めた。 その結果 ,ケ ー キ抵抗
は総抵抗 の 1割 程度 で あ った。膜 の透過水 量 の低下 は濃 度分 極抵抗 に大 き く関係 して い る こ とが 分 か つた。
5,お わ りに
本研 究 で は ,ナ ノ ろ過 プロセス を浄水処理 に本格 的 に導入す るため ,代 表 的 な NF膜 を用 いて ,長
期現場実験 ,合 成原水 を用いた室内実験 を行 った。安定かつ効率的なナノろ過運転 を行 うことを実 現す るために ,透 フ 」
(′l生能 に及 ぼす影響因子 ,お よび NF膜 ファウ リングの発現機構 も検討 した。そ の結果 ,ナ ノろ過の長期的な信頼性や安定性 を確認 した うえで ,透 過水量の低下 を防止す るための ファウ リングの抑制方法ついて検討 し
,「部分上質水道」やナノろ過浄水器 な どへの適用 を提案 した。
本研究 によって も ,実 用化 には数多 くの課題が残 っているが ,得 られた成果 はその可能性 を拡大す るもの と考 えている。
主指導教員 福士 憲一
‑245‑
八戸工業大学紀要 第 22巻
Study on the characteristics of nanofiltration for drinking water treatinent
Lei WANG
Abstract
1. Introduction
ln recent years, many problems caused by water source pollution have occurred, that requires the technological innovation in、 、 ア ater treatl■ ent. On the background, the national projects on membrane separation process,MAC21 and new MAC21,had been executed and rewarded with good results ln those projects,nanoFiltrtion(NF)process、 ユ 、 ア as developed as a advanced treatment for water purincation,、 vhich showed excellent removal of disinfection by―
products,pesticides,hunlic substances and so on,
For the application of NF process to water treatment,however,there exit some subjects, eg. mechanisms of membrane fouling, acceptable water quahty, optimum operational condi‐
tions,and rational design of NF process ln this thesis,1)apphcability of NF process to water treatment was demonstrated with long term neld experiments.2)In order tO illvestigate the characteristics of membrane fouhng, artincial experilnents with synthetic 、 vater containing humic substances were conducted using laboratory and■ lini plant system of NF,3)Batch and semi― batch system Ⅵ/ere also apphed to investigate the fouhng mechanisll and the illnuence of operating factors on NF,4)Furthermore,the fouling model was developed and verilied、 vith theoretical and experilnental studies.
2. Applicability of NF process to water treatment by long― term neld experirnents To survey the apphcability of NF to drinking water treatment, a combined system of ultranltration(UF,pretreatment)followed by NF was operated with actual surface water for
t、
、 ア o years The il■Д uence of lo、 】 、 アtemperature on the operation, removal efaciency Of Color, turbidity, pesticides, and fouhng profile 、 、 ア ere investigated. Those results M/ere totally esti mated with inspection of used membranes
The results are summarized as followsI
(1) UF revealed an excenent performance as a pretreatment for NF, with successful removal of turbidity,bacteria,rnanganese,iron,and、 、 ア ith 60,̀remOVal of color,TOC(total organic carbon)and E260(ultraviOlet absorbance) Adiusting UF flux from 1 0 to 1 5■ 1/
day, correspondilag to seasonal change of water temperature, showed more stable and emcient performance of UF
(2)NF fouling was rarely occurred within the water recovery of 80 to 85%.In the case
of 90 0/。 , hottrever, fouhng was apparently observed, because the NF pilot plant had a
recycle system of concentrate,
(3) NF prOcess had a high treatability of organic colored matter as wem as pesticides (4) The inspection of used NF membranes showed that there were a lot of organic matters on the surface of membrane
(5) Organic colored matter 、 、 ア ould play an ilnportant role on NF fouling, which was examined by HPLC,ultra11ltration fractionation(UFF)and inass balance analysis, 3 Characteristics of NF fouling by organic colored matter
Artificial experilnents with synthetic raw water were carried out using laboratory and rnini plant system of NF. Furthermore, the fouhng pronles were investigated by use of above mentioned UFF. The results are summarized as follows:
(1) In case Of laboratory experirnents, more nux decline 、 vas observed in concentrate recycle systeni than no recycle system. It、
,、ア as because that a cake on membrane surface
、 、 ア as more easily developed in the recycle systenl, where concentration increase of raw
、 vater occurred by the recycle.
(2)ヽ ん rith or without pretreatment,NF showed xcellent removal of E260
(3) Erectiveness of UF pretreatlnent was convinced during lnini plant study. Under the conditions of with UF pretreatment,90%in water recovery,0 05 or 0 025(E260)in raw water,no fouling was observed under the conditions of without UF pretreatment and 50%
in water recovery
(4) Apparent molecular weight distribution(Aヽ Vヽ 「 ヽ D)obtained by UFF showed that a signincant amount of low― molecular organic matter, about 50 0/。 in all Organic colored matter,existed in raw water. Organic colored matter less thanふ /1W3,000覇 〆 as found to possess allnost hydrophihc property
(5) The fouhng of NF membrane 、 、 ア ould be derived from colored organic matter of
]ヽ
