生物接触ろ過が MF 膜ファウリングに及ぼす影響の評価
Effect of Pretreatment by Biological Contact Filter（BCF®）on Membrane
Fouling in Microfiltration（MF）for Drinking Water Production

小野田草介＊
Sosuke Onoda

塩田憲明＊＊
Noriaki Shiota

博士（工学）

農学博士

三浦雅彦＊＊
Masahiko Miura
農学博士

長谷川進＊＊＊
Susumu Hasegawa

工学博士・技術士（水道部門）

松山秀人＊＊＊
Hideto Matsuyama
工学博士

臭気やアンモニア性窒素の除去機能を有する生物接触ろ過（BCF）と膜ろ過を組合せた浄水シス
テムにおいて，生物接触ろ過が後段の膜ろ過における膜ファウリングに及ぼす影響に関する検討を行った。水質と膜ファウリングの関連性を評価した結果，バイオポリマーが膜ファウリングの主要因子と考えられた。また，バイオポリマーは BCF で除去可能であった。これらのことから，BCFが浄水工程における膜分離の前処理として有効であることが示された。
A biological contact filter（BCF）is used to remove odors and ammonium nitrogen at drinking water
treatment plants. In this study, we investigated the effect of a BCF as pretreatment prior to microﬁltration
on membrane fouling. After assessing the correlation between water quality and membrane fouling,
biopolymers were found to be one of the major factors of membrane fouling. In addition, biopolymers
could be removed by the BCF. These results suggest that a BCF is effective for pretreatment prior tomicroﬁltration in drinking water production.

Key Words：
浄水Water puriﬁcation

生 物 接 触 ろ 過

Biological contact ﬁlter

精Microﬁltration

密ろ過

膜ファウリング

Membrane fouling【セールスポイント】
・前処理に生物接触ろ過を採用することで後段の MF 膜における膜ファウリングが軽減されることが明らかとなった。

まえがき過（Microﬁltration：以下，MF）膜をはじめとする浄水方式としての膜ろ過法は，従来の急速ろ過法多孔膜を用いるのが一般的である。浄水工程で MFに比べ，設置面積が小さい，処理水質が良好である膜が担う役割はあくまで除濁であり，原水中の溶解といった特長を有し，近年浄水場への採用件数が増成分を除去する必要がある場合においては，溶解成

１）加しており ，今後のさらなる普及にも期待が寄せ分除去機能を有する前処理と組合せた浄水システムられている。浄水分野における膜ろ過では，精密ろが 提 案 さ れ る。 当 社 は 生 物 接 触 ろ 過（Biological

神鋼環境ソリューション技報

2＊

水環境技術本部 開発室＊＊

技術開発センター 水・汚泥技術開発部＊＊＊

神戸大学大学院 先端膜工学センター

Vol. 14 No. 1（2017 ／ 9）

原水

原水

分解

処理水

分解

図１

分解

空気圧力渠

処理水

下向流式

分解

渠
出流

生物活性炭

空気濁質

分解

流動境界面
充填材

ろ材

分解

渠
出流

渠
出流

渠
出流

微生物 水の流れ

生物浄化機能●2-MIB 分解菌●硝化菌●その他有効菌⎧臭気物質（溶解性）
原水⎨藻類（懸濁性）⎩アンモニア性窒素 など

上向流式

BCF 概略図（左：下降流式，中：上向流式，右：原理）

次亜逆洗水

逆洗水
取水（住吉川）原水調整池

生物接触ろ過膜ろ過原水槽

膜ろ過装置

次亜浄水地

送水

薬品洗浄設備放流（逆洗排水）放流（中和後）図２

本山浄水場の処理フロー
表１

Contact Filter：以下，BCF）と膜ろ過を組合せた浄水システムをこれまでに納入してきた。

項

BCF 装置の概略図を図１に示す。BCF は，充填材に微生物を付着，繁殖させた生物膜に水道原水を接触させることにより，原水中のアンモニア性窒素などを生物化学的に酸化，除去する技術で，薬品の添加が不要なため安全，維持管理が容易であるとい

目

本山浄水場 BCF 諸元仕様

下向流式
通 水 方 式
セラミックビーズ（平均粒径2 mm）
担体
1.6 m
担体充填厚さ120 m/d
通水速度（LV）
逆洗 週に１度，気水洗浄（膜ろ過原水を使用）った特長を有する。通水方向により，下向流式，上向流式の２種類があり，いずれも定流速ろ過を標準としている。また，週１回程度の頻度で水洗浄およ

BCF を膜ろ過の前処理に用いた場合，水質改善効び空気洗浄を実施し，充填材にて捕捉された濁質を果による膜ファウリング低減と，微生物のバイオポ排出しながら運転する。

リマー生成による膜ファウリング助長のどちらが優膜ろ過設備の運転における最大の課題は，運転に勢となるかについて，明確な報告はこれまでになさ

２）伴い発生する膜ファウリング（目詰まり）であり ，れていない。そこで，水質分析と膜ろ過試験のデー

これへの対応としては，逆圧洗浄（以下，逆洗）やタ蓄積により BCF が後段の MF 膜における膜ファエアバブリングに代表される物理洗浄を定期的に実ウリングに及ぼす影響を評価し，また，BCF の設施するのが一般的である。物理洗浄で解消すること計の妥当性を評価したので報告する。

ができない膜ファウリング（以下，不可逆ファウリ

1.

ング）については，酸・アルカリ等を用いた薬品洗

1. 1

実験方法
対象設備浄で対応するが，運転費を増加させる要因となるた本検討で対象とした神戸市本山浄水場（処理量：め，膜材質，前処理，および運転条件等の最適化に2 000 m3/d，水源：住吉川表流水）の処理フローをより膜ファウリングを極力発生させないための技術

図２に示す。取水された原水は調整池を経由し，開発が求められている。膜ファウリングを引起こす

BCF 処理，MF 膜ろ過が行われる。BCF および MF

要 因 に つ い て， 近 年， バ イ オ ポ リ マ ー *（ 以 下，膜の諸元を表１および表２に示す。BCF の充填材

BP）と呼ばれる画分の溶解性高分子有機物が注目には平均粒径２ mm のセラミックビーズが使用されを集めている

３），４）。一方で，生物学的処理である

Vol. 14 No. 1（2017 ／ 9）ており，通水方式は重力式の下向流である。

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3

表２項

目材形
孔ろ 過 形質状径式

本山浄水場 MF 膜諸元㈱堀場製作所），全鉄（以下，T-Fe）および全マン

仕ガン（以下，T-Mn）は誘導結合プラズマ発光分光

様ポリフッ化ビニリデン（PVDF）
中空糸
0.1 μm
外圧式分析装置（SPS3100，㈱日立ハイテクサイエンス）
により測定した。SMP とは，微生物の活動に伴い生産される溶解性有機物の総称であり，膜ファウリ

物 理 洗 浄30分ごとに１回逆洗（次亜 3 mg/L）＋エアバブリング

ングに影響を与える因子であると指摘されている５）。

簡易薬品洗浄２週間ごとに１回
クエン酸0.3 ％×13時間浸漬

回は蛍光分析による定量であるため，糖類を含まなBP と一部重複する指標であると考えられるが，今い点が BP と明確に異なっている。
使用済み膜を用いたファウラントの解析

1. 3
1. 2

原水水質と膜ファウリングの関連性評価

本山浄水場で実際に約３年間使用された膜モジュ

本山浄水場の BCF 流入水および流出水を採水し，ールから単糸状の膜（長さ５ cm，膜面積12 cm2）水質分析およびラボスケールの膜ろ過試験に供した。

を切出し，純水での単糸膜ろ過試験（図４）に供し膜ろ過試験には，図３に示す膜ろ過試験装置を用た。ろ過流束は1.5 m/d に調整し，その際の膜間差いた。実設備と同じポリフッ化ビニリデン製中空糸圧から使用済み膜の膜ろ過抵抗を算出した。そのMF 膜を８本束ねて作製したミニモジュールを用い後，物理的に可逆な膜ファウリングの度合いを評価た。ミニモジュールの膜面積は70 cm2 で，中空糸内するためにスポンジによる物理洗浄を，また，物理部を片端から吸引することでろ過水を得，ろ過流束的に不可逆かつ薬品により可逆な膜ファウリングのは1.5 m/d に調整した。実際の膜ろ過設備において度合いを測定するために薬品洗浄を実施し，それぞ主に問題となる膜ファウリングは，不可逆ファウリれの後に純水で膜ろ過抵抗を測定することで各洗浄ングであるため，本検討でも不可逆ファウリングをの効果を評価した。薬品洗浄の条件を表３に示す。

対象とした。不可逆ファウリングを評価するために，本検討では，①新品膜での純水膜ろ過抵抗測
ポンジでの膜表面拭取り（物理洗浄を意味する），PPIR

膜浸漬槽

定，②サンプル水を用いた約２週間の膜ろ過，③ス

中空糸MF膜

④ファウリング膜での純水膜ろ過抵抗測定を行った。膜ろ過抵抗値は以下の式により算出した。

処理水槽

∆P
R=μ･JPP
逆洗水槽

原水槽

こ こ で，R： 膜 ろ 過 抵 抗［m ］，∆P： 膜 間 差 圧

図３-1

電子天秤

データロガー

膜ろ過試験装置［kPa］，J：ろ過流束［m/s］，μ：粘度［10 Pa･s］で-3ある。①と④の膜ろ過抵抗の差を②の膜ろ過時間でPIR1P除して算出した膜ろ過抵抗上昇速度［m-1/d］をサ

中空糸 MF 膜（単糸）

PIR
2

ンプル水の不可逆ファウリング性の指標とした。また，②においては，実設備を模擬して，30分間のろ過と１分間の逆洗（逆洗水：膜ろ過水＋５ mg/L 次
亜 塩 素 酸 ナ ト リ ウ ム（ 以 下， 次 亜 ）， 逆 洗 流 束：P

逆洗排水
原水槽（純水 or サンプル水）

逆洗水槽

処理水槽
電子天秤 データロガー（※逆洗は原水がサンプル水の場合のみ実施）

2.25 m/d）を繰返す運転を行った。

図４

単糸膜ろ過試験装置

水 質 分 析 に つ い て， 濁 度 は ポ ー タ ブ ル 濁 度 計（TN100IR，ニッコー・ハンセン㈱），全有機炭素（TOC） は TOC 計（TOC-VCSH， ㈱ 島 津 製 作 所 ），BP およびフミン質は液体クロマトグラフィー―有機 炭 素 検 出 器（LC-OCD Model 8，DOC-Labor Dr.
Huber），SMP**（Soluble microbial by-product；微生物由来の溶解成分）は三次元蛍光測定装置（Aqualog，4

表３分類

薬

薬品洗浄条件品（濃度）仕様酸クエン酸（3 000 mg/L）
塩酸（pH=2）

13 h
24 h

アルカリ次亜塩素酸ソーダ（500 mg/L）
苛性ソーダ（pH=12）

13 h
24 h

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0 min

多孔盤（充填材支持）15 min水温調節器

22.5 min

FIP

図５

水質分析

3.75 min
7.5 min単糸膜ろ過試験

セラミック
ビーズ
（充填材）

排水

BCF カラム試験装置

不可逆ファウリングによる膜ろ過抵抗上昇速度11-1（10 ｍ /d）

接触時間

2.5

2.0

BCF

流入水

BCF

流出水

1.5

相関係数
0.68

1.0

0.5

0.00

1020304050

バイオポリマー濃度（µg-C/L）

また，膜から抽出されたファウラントを調査するた

図６

バイオポリマー濃度と膜ろ過抵抗上昇速度の関係

めに，洗浄に使用した薬液に含まれる有機物の代表として TOC，無機物の代表として T-Fe，T-Mn を分

表４各水質の不可逆ファウリングとの相関係数析した。
1. 4

水質項目

BCF における接触時間が膜ファウリングに与える影響の評価

濁BCF における流入水と充填材の接触時間が流出水水質および膜ファウリングに与える影響を評価するために，室内での BCF カラム試験および単糸膜ろ過試験を実施した。BCF カラム試験装置（図５）は，直径32 mm の透明アクリル円筒管に平均粒径 2度

不可逆ファウリングとの相関係数
0.40

有機物

TOC
バイオポリマー
フミン質
SMP

相関なし
0.68
0.390.48

無機物

鉄マンガン

0.29
相関なし

mm のセラミックビーズを1.6 m の厚さに充填し作製した。カラム上部より供給される原水と充填材の接触時間が，3.75，7.5，15（現設計基準），22.5分

BCF 流入水のプロットに対して左下側へシフトしとなる位置に採水用ノズルを設けた。ていることがわかる。このことから，BCF 処理は，それぞれのノズルから得た流出水について BP 濃度を測定した後，①流出水による単糸膜ろ過試験，流入水中の BP を除去し，膜ファウリングを低減する機能を有していることが明らかとなった。

②膜表面のスポンジ洗浄，③純水による単糸膜ろ過

また，図６と同様の方法で求めた各水質項目と不試験に供し，不可逆ファウリングによる膜ろ過抵抗

可逆ファウリングとの相関係数の一覧を表４に示を測定した。①は，30分間のろ過と１分間の逆洗す。BP の相関係数がもっとも高いことから，BP が（逆洗水：膜ろ過水，逆洗流束：2.25 m/d）を繰返

不可逆ファウリングの主要因子であると推察されし，20時間の運転を行った。また，水温による影響た。また，BP はタンパク質および多糖類を含む溶を評価するために，試験は夏季と冬季に実施し，夏解性高分子有機物の総称であるのに対し，蛍光分析

季のサンプルでは20 ℃，冬季のサンプルでは５ ℃で測定した SMP は多糖類を含まない。従って，BPに水温を調整し，２週間馴致した後に試験に供しの不可逆ファウリングとの相関係数が，SMP の不た。

可逆ファウリングとの相関係数より大きいというこ

2.

2. 1

実験結果および考察とは，BP 中のとくに多糖類が不可逆ファウリング

原水水質と膜ファウリングの関連性評価と強い相関を持っていると推察できる。

図６に2015年１月～2016年７月にかけて取得した

2. 2

BCF 流入水および BCF 流出水の BP 濃度と不可逆

2. 2. 1

使用済み膜を用いたファウラントの解析
物理洗浄および薬品洗浄の効果

ファウリングによる膜ろ過抵抗上昇速度との関係と図７にファウリング膜，物理洗浄後の膜，およびそ の 相 関 係 数 を 示 す。BCF 流 出 水 の プ ロ ッ ト が各種薬品洗浄後の膜，および新品膜で測定した膜ろVol. 14 No. 1（2017 ／ 9）神鋼環境ソリューション技報

5過抵抗を示す。物理洗浄の前後で膜ろ過抵抗にほと出された有機物には，2.1. 項で膜ファウリングの主んど差が無かったことから，今回用いた使用済み膜な原因であると述べた BP も含まれると考えられる。

モジュールでは，運転中の物理洗浄（すなわち，逆一方，クエン酸洗浄での有機物抽出量が塩酸洗浄洗およびエアバブリング）で十分な洗浄効果が得らと同程度であったと仮定すると，抽出された有機物れていることが分かった。一方，薬品洗浄前後での量は少ないにもかかわらず，膜ろ過抵抗の低減量は膜ろ過抵抗の差が意味する薬品洗浄効果の大きさ次亜洗浄と同程度である。すなわち，無機物は少量は，次亜，クエン酸，苛性，塩酸の順列となった。の付着でも膜ファウリングに大きな影響を与えると一般的に，アルカリ（次亜，苛性）は有機物，酸考えることができる。これらのことから，本施設で（クエン酸，塩酸）は無機物による膜ファウリングの定期的な簡易薬品洗浄では酸と次亜を併用し，無を対象とした洗浄に用いられるが，今回はアルカ機物と有機物の両方による膜ファウリングに対応しリ・酸のいずれでも一定の洗浄効果が得られた。こてゆくことが膜設備の運転安定化に好ましいことがれは，本山浄水場の膜ろ過設備では，有機物と無機分かった。

物が複合的に膜ファウリングを引起こしていたこと

2. 3

BCF における接触時間が膜ファウリングに与を示している。

える影響の評価

2. 2. 2

図８に BCF における接触時間と BP 濃度の関係

ファウラントの解析

各種薬品による洗浄の洗浄廃液の分析を基に算出を示す。BP 濃度は，季節に関わらず接触時間の設した単位膜面積あたりから抽出された無機物および計値である15分までは接触時間とともに低下した有機物の量を表５に示す。クエン酸による無機物抽が，冬季においては15分以上の接触時間では逆に上出量と次亜による有機物抽出量を比較から，膜モジ昇した。これは，接触時間が長くなることにより微ュールには無機物より有機物の方が多く付着してい生物が BP を分泌したためであると考えられる。まると推察された。これは実運転で定常的に実施された，膜ろ過抵抗についても BP 濃度と同様の傾向がているクエン酸洗浄では除去されにくい有機物が多く付着していた結果であると考えられる。また，抽35
設計値

バイオポリマー濃度［µg-C/L］

30
ファウリング膜（物理洗浄前）物理洗浄（薬品洗浄前）
クエン酸

洗浄効果

塩酸次亜苛性201510夏季
冬季

5新品膜
（参考）
025123456070

図７

表５6152025

ファウラント抽出量
抽出量 mg/m2

クエン酸塩酸
次亜10

図８ BCF における接触時間とバイオポリマー濃度の関係

各種薬品洗浄の効果薬

5

接触時間［分］膜ろ過抵抗 R［1011m-1］

品
3 000 mg/L
pH=2500 mg/L

無機物（T-Fe+T-Mn）

有機物（TOC）

129.70.9

測定不可
31138

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膜ろ過抵抗低減量
1011 m-1
2.01.42.3
Vol. 14 No. 1（2017 ／ 9）

確認されている。このことからも，BP 濃度と膜フ社の BCF の設計が妥当性であることが示された。

ァウリングとの強い関連性が示される結果となっ水道水源の水質悪化が問題となっている昨今，た。また，接触時間15分を境に BP 濃度および膜ろ浄水処理において前処理の担う役割はますます重過抵抗が上昇することから，膜ファウリング低減を要度を増してゆくと思われる。薬品の添加が不要目的とした前処理装置としても，当社の BCF の設な BCF は，維持管理性および安全性で特長を有計が妥当であることが示された。

しているが，今回の検討で膜ファウリングを低減むするという新たな魅力を見出すことができた。今

すび

BCF が後段の MF 膜における膜ファウリングに後は，ファウラントの詳細，薬品洗浄の方法など与える影響を評価することを目的とし，実サンプルを追究し，BCF と膜処理を組合わせた浄水シスによる水質分析および膜ろ過試験，実設備で使用さテムのさらなる安定運転に資する知見を蓄積してれた膜モジュールのファウラント解析，カラム試験ゆく所存である。

による BCF の設計の妥当性評価を実施し，以下の最後に，本検討は，神戸市水道局よりご提供い結果が得られた。

ただいたサンプル水を用いて実施いたしました。

１）BP が膜ファウリングともっとも強い関連性を関係各位に深く感謝いたします。

示し，BP を除去可能である BCF は膜ファウリングを低減する機能を有することがわかった。
２）浄水場で使用された膜には多くの有機物が付着していたが，少量の無機物の付着でも膜ファウリングに与える影響は大きいことがわかり，有機物／無機物いずれによる膜ファウリングにも対応するために，薬品洗浄では酸とアルカリを併用することが好ましいと考えられた。
３）BCF において15分の接触時間が BP 濃度および膜ろ過抵抗をもっとも低減することがわかり，当Vol. 14 No. 1（2017 ／ 9）

［参考文献］
１）水 道 技 術 研 究 セ ン タ ー，http://www.jwrc-net.or.jp/
jigyou/gijyutsu-shien.html
２）中尾真一，日本海水学会，62（2008）234-237
３）Huber ほか，Water Res., 45（2）（2011）879–885.
４）木村 克輝ほか，Water Res., 49（2014）434-443
５）Jarusutthirak ほか，Environ. Sci. Technol., 40（3）（2006）
969-974*）LC-OCD 分析で検出される分子量約10 kDa 以上の溶解性高分子有機物の総称。
**）微生物が活動に伴い分泌する溶解性有機物の総称。

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