神鋼パンテツク技報
2003年度･Vol.47･No.1

150
SHINKOPANT[C[NGIN[[RING

日

R[PORTS次

CONTENTS

1<巻頭言>
畜産環境問題にどう取組む

2

畜産廃棄物処理システム｢PANBIC‑ビガダン方式+

LivestockWasteTreatmentSystem(PANBIC‑BIGADAN

9活性汚泥へのフェノール添加による汚泥沈降性の改善と細菌群集の解析

lmp｢○Vement

System)Activated

OF

Phen01Addition

Sludge

and

the

High

EfficientOf

Bacte｢ialCommunlty

14

4kWh/Nm3高効率水電解システム

Development
System20

27

上水用大容量UF膜の実証実験

̀̀FMモジュール''の膜分離活性汚泥法への適用

ofWate｢Elect｢olysIS

PowerCo=S=mPt■0=

with4kWh/Nm30f

Test
Demonst｢ation
fo｢D｢inking
ModuleWate｢ApplicationoF■■FM

Module■■toOf S一丁E
Plant

PROCESS㊦toofUF

La｢ge‑SCale

Memb｢ane

Memb｢aneBio｢eacto｢System35

エステプロセス/農業集落排水への適用

Applicatio=
Treatment

R=ralSewerage

41

片持ち型コニカルドライヤ(C‑CDB)の開発と標準型コニカルドライヤ(CDB)の改善

Developme=t
Ca=tileveトtyPe
Co=icalD｢ye｢(C‑OF
CDB)a=dlmp｢0Veme=tOfCo=Ve=tio=alCo=icalD｢ye｢
(CDB)

47

双曲面形撹梓機PAB10Mixの紹介

Hype｢boloid

51

TECHNICAL

NOTE

気液二相流の水撃現象の概要

Mixe｢.PAB10Mix

bySettability

AnalysIS

<巻頭言>

畜産環境問題にどう取組む

車1+‑

独立行政法人農業技術研究機栴
畜産草地研究所
畜産環境部
農学博士

菅

福
Taiichiro

川

部長

胎一郎

Fllkllkawa

わが国の畜産は,いまやわずかではあるがお米を抜いて農業産出額のトップになっている｡戦後の体格の改善と長寿は畜産食品の摂取の増大によるおかげであると聞く｡畜産がこのように生産が伸びた背景には,家畜の飼料の輸入量の増大がある｡自給飼料の自給率は現在では約25%となり,自給率向上は畜産にとって大きな命題である｡畜産経営の規模拡大と自給率低下は,必然的に家畜ふん尿の処理問題をもたらしている｡また,家畜ふん尿の縛発生量は9300万トンであり,国内の産業廃棄物の約23%を占めている｡余談であるが,畜産の国内生産を止めて製品輸入すべきとの意見もあるが,畜産物を消費する限り海外の農地への依存度は変らないことを忘れてはならない｡
消費者の安全･安心を確保するためには,身近で生産することが重要と考えている｡
本来,家畜ふん尿は耕地に還元できる有機性資娘であるが,規模拡大により陣営内利用が果たせない畜産農家が多く,地域の耕地に還元するためには相当の努力が必要である｡この努力を義務付けたのが平成11年11ノロに施行された｢家畜排せつ物の管理の適正化及び利用の促進に関する法律+であり,平成16年11ノロまでに適正な管理の完全実施が求められているため,現在急ピッチで,施設の車備が推進されている｡
家畜のふん尿処理には,大きく二つの方向があり,ひとつは本来の資娘循環利用を目指す堆肥化,
寺夜肥化であり,わが国では流通性や保存性から固形物として処理する堆肥化が主流である｡堆肥化
は処理量が多くなるにつれて,堆肥化過程で産生するアンモニア挿散による悪臭問題として近隣住民からの苦情となる｡アンモニア挿散はヨーロッパで酸性雨の原因として問題となっている｡
もう一つの方向は堆肥化が困難な部分,とくに養豚の尿や畜舎汚水は,下水処理と同じ浄化処理に依らざるをえない｡家畜ふん尿は窒素やリンが多いことから浄化処理にも苦労が多いが,浄化処理によって水質基準をクリアしてもふん尿に起因する色が放流のネックとなる場合が多く,低コストで有効な脱色技術が課題である｡
第3の方向として,メタン発酵技術,炭化技術などエネルギー利用への関心が高まっている｡すでに一部の地域で導入されているが,わが国に合った残泣物の利用条件の解明,先進ヨーロッパでも諸制度との関係で国によって状況が異なることなど,定着に向けての立地条件の評価や車備が課題である｡
現在,以上の課題に向けて畜産草地研究所を中心としたプロジェクトで,堆肥の流通化にはペレット化技術,堆肥のアンモニア挿散には吸引通気式による回収･肥料化技術,浄化処理にはUASB
法メタン発酵技術,炭化･燃焼には常圧過熱水蒸気を利用した多段式コジェネレーションシステム,
メタン発酵には乾式メタン発酵技術など,すでに実用化にいたったもの,農家実証試験を実施中のものなど精力的に取組んでいる｡もちろん,これらの技術開発には多くの民間企業の研究者にも参画して煩いている｡

ふん尿処理技術には,大きな施設や設備を必要とするものが多いことから民間企業との連携はますます重要であり,そのための情報交流の機会を増やす努力をしたいものである｡
tわ上47∧b.J(2仇I且/助神鋼パンテツク技報

畜産廃棄物処理システム｢PANBIC-ビガダン方式｣
Livestock Waste Treatment System(PANBIC-BIGADAN System)

,２
Akihiko Sumi

RST5の78が2004



11Cより@ABけられることとなりJのUつとしてメタンVWOXにYZが[まっている\]は^_な`abがcdでefgのhいデンマークの
メタンVWOX&ビガダンJi-をjkしlmnoおよびpでのqrqsをHIしたqrq
sはtスラリーをuvとしておりは５t/dw9xyは100 m3である2002{|20}で$~VWqsをおこないメタン

はz6065 100 Nm /d のw9ガスを/し3てえることができた
qrqsは20022003の/で JFE エンジニアリング } とでq$A livestock waste treatment system applying a proven Danish methane fermentation process
BIGADAN has been marketed to meet the enforcement of the regulation regarding proper
management and utilization of livestock excreta as of November 2004. A demonstration test having adigestion tank of 100 m3 was conducted at 5 ton/day of cattle excreta. With 20 retention days formesophilic fermentation, the first phase test in 2002 achieved methane production of 100 m3 /d withconcentration of 60-65  on a constant level.

Key Words   メ タ ン V W
ビ ガ ダ ン J ie     9  
 5  Livestock excreta
Methane fermentation
BIGADAN system
Heat exchanger
Pasteurization
Biological desulfurization

まえがき

ともにいわゆる&012-が34いでt./されたこの$の&せつ5の6の78

とであり そのがとなっ

9:び;<の=>にする?-によって

わがにおけるは
2000

9 049

１

ている

の786が@ABけられ2004

11CよりDEを!が"#され$%

ともなう,FG<がHIされることになっているとなる&'())*+,-が./されるとせつ5の78な);<JがKLされ20にの

2MNパンテツクOP

Vol. 47 No. 1

2003Q8

ているなかエネルギーをできるだけでなくもできるメタンがされている

>?ではの@AおよびBCとともに18の)DとこれまでにえられたEFについてGHはのをつデンマークのビガダするンのをしPANBIC-ビガダンと    

して!を"#したはJFE エンジニア

リング$%&
よりサブライセンスを'けるでおこなっている のIJKLはMNのとおりOP9 000Qt RSとTUしておりVWXYZ[\のうち22.3 ]を^に

また()でのプラント*+,-./0と
1データの23を4とし567

５t のデモプ

ラントを*+し18をおこなっているプラン
トの*+と8はJFE エンジニアリング$%&とめている$2000O_&１にVWXYZの)`をaす
IJKLはそのbcもさることながらdef

ghiとしてjのBCがある

と9じくサブライセンスを'けている5:;<

kBODSS l_がmい$%&との３=9でおこなっている

nopq$rsリン&l_がmいtuいvwがある
これらによりKLを6xするyにはz{な67

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が|Aとなる１に}および~のKLのをaすBCknについてはをせばの ,
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な67をおこなってにつなげるのがとわ  1 5>()におけるVWXYZの U と»¼
 Breakdown of industrial wastes in Japan

れる
 

および

の２にJVXYZの67をaす
>4にはないしらかの67をおこなってするかあるいは67をおこなって 1 JVXYZの  Contents of livestock excreta
BOD
mg/L
Pig

するがとられてきた

SS
mg/L

CODMn
mg/L

N
mg/L

P
mg/L

Feces
Urine

60 000 220 000
5 000
4 500

27 000
3 300

10 000
5 000

7 000
400

Total

24 00080 000

12 000

6 800

2 700

24 000 120 000
4 000
5 000

12 000
3 000

4 300
8 000

1 700
150

16 000

8 400

5 800

1 100

Feces
Cattle Urine
Total

74 000のの¡¢£は

jのとおりであるk¤¥
vw¦§¨©ªZ«n¬$­w®い&スペース¯x°±²

t³$´µによる¶w&vw´µスペース·¸wによる­wもある 2 JVXYZの67  Utilization or treatment of livestock excreta
Composting
Process

Direct Manuring

Aerobic Fermentation

Anaerobic Fermentation$No Gas Recovery&

CompostLiquid Manure

Water Treatment

Methane Fermentation

CompostClean Water

Biogas,Liquid Manure

Product½

Energy Recovery

¾

¾

¾

¾

¿

Running Cost¿

À$Mixing&¿$Storage Only&¾$Aeration&¿$Energy Recovery&

Space

¿

À

À

À

À

Actual Achievements

¿

¿

¿

¿

¿

Odor, Pathogen,Seed, Insect

Large Space,
Water Content Control

Odor

Notes

Vol. 47 No. 1$20038&¹ºパンテツク?

Low Solid Residue,
High Running Cost
Power Generation$For Aeration&& Heat Recovery
3SS 

キをqtやutとしてvwにxyできるようにする+ランニングコスト




z{には



!に"し

#$



-に./を0をとしないため1

3456を78できが2さく

{する+いて２では70 bのa

メタン%&'(が)*されている+メタン%&は,するものでありなおかつメタンガの<により

qはされる+３ではメタン%&にまたはボイラーによりえる+１にデンマークでFGのHプ

ローシート

KLコンセプトはメタン%&をGMとしたエネル





メタン%&によりえられたガスによる%;<1<8は%

ガスのエネルギーのDのみの

yでであり%;<だけでもな<8ができる+げeをいてからの<Tはない+いったん70 bに{するもののラントのDIをJす+
NOのPQRからなる+

ギー9:?@でありaにな70 bまで{する+{syの< ビガダンのと
３にDE-なブロックフaな{とな{sとの<によりは２に?@のABCqhをさらに{する+このe

スを9:して%;や<=>をおこなうことができる+@

もちいる+１ではpqの<によりhをがとなるもこれら|}のダブルスクリュー~<をえた<はびhの{にxyされるため

トータ

ルとしてのない<xyがおこなわれている+ 

STUVQR

WXYスラリーをSTれZDするとともに

メタン%&QR
のきにより./を0し[\および%&を]^にするためインライン_`/をす+hはスラリーのにより_`をおこなう+

ながらG{%&させる+  a

 

QR

%

70 bでcd１ef<をおこなうことによりghiやjのklmをnoし pqやrsケー
 

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メタンガス

¡でTし

¢£し

ガスxyQR
したガスから¤sをしくはボイラーにより%;/もし;や<を9:する+

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2 PANBIC-ビガダン©~のコンセプト Concept of PANBIC-BIGADAN system

１


HプラントのIデンマーク 150 t/d
150 t/d actual plantDenmark

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

DE-なブロックフローシート
Block flow diagram¥¦パンテツク'§Vol. 47 No. 12003¨8にはを

している

ガスに

のをすることでせる のをさQ1"はヨーロッパにおけるRAかつS?のTU

をイオンないしのとす

VWXYS18Z[に\]けられた^い_`aをbっまたげおよびバックアップのためたシステムである

またVWのRくはデンマークを!"#を$%している

はじめとするcdefにありgheでのTU_` &'(

aもBCされている$%)の*+に,じ-.の/01"をもちいる
2

3を34として5する6

メタンijそのものはklmなn"ij1"でありijopはqrの0sに,じてtoないし^3の78$9を$ける

oを:46;の*+を<=し5>?にせた7

uvmにはwのxSをOする

する

2uyz{"|8@AをBCする}~でのをおこなうとともにスカム

D34がEえずFGがHIな6

のを

する

.２|のプロペラz{でJ3KLをおこない3についてはM

をありシンプルで_`aが^い

JKはN4

する

２に

おこなう

してOP5

}のをすDのによる^PスラリーoKなGをbつスクリュー"のによりスラリースラリーでの^PのoをVする３にのを

４にvをすらせんGによるGPで^いPをOしのもない'(の¡¢みによる^い£¤aとガス¥¦の§3を34ないしN4として5する6

ヨーロッパでは¨が©ª]けられている  ２ uyz{"
 Reactor

}

４に



タンクのをす

Q1"では¨をメタンijの«|でおこなうことによって£¤aをBCしておりさらに¬wmPとしてK­aおよびガス¥¦の§を®る¯¤qrによる«の°±²³のメタンijではあらかじめJ3K

  ３


Heat exchanger 4 のv Construction of heat exchanger
Vol. 47 No. 1X2003´8[

  ４
 タンク
 Pasteurization tankµ¶パンテツク·¸56パンテツクVol. 47 No. 120038

 5 デモプラントのフロー Flow diagram of demonstration plantをしてのみさせるとさせるがありをはのさがネッ

>4は40>#である までの
６７に

クとなる
では

のの

!"を#することにより$%することが&'であり

なく

６は

インラインおよび()*の 

とT

リーでしたが

¡#ITSKTが¢£4.5
§は¨を{|して

と

５m /d
89なく5:に;ª,は20>では

Tは37 «の¬である$%Tアップ­®

できる<=

ガス

であるしかし>?@での<=ABにCっては

Nm3/d と¯Vしてしており?@での5プラントDE56がFGされることもH´µできた

5である

は 100R120°±な²³を

７は ガス¬のメタンT ¶1·T
JFE エンジニアリングIJK >LMN

IJKおよびCOの３OはラントをPQし>¸¹¶の¶1·Tの1である

５t/d のデモプ

2002R2003STのUVで?@WX]

による5YDEをおこなっているQZ[\は^_`abcdefghであるその

iを

ガス



メタンTは60R65 ¤¥Tていた
ガス¬の¶1·は1 000R4 000 ppm の¿Àであり

５にデモプラントのフローとk0lmをjす¯Vでº»しており ほぼf な¼½¾どおり３Kとなっ

５

にjす
 

の

スラリーTを©めて$%したスラリー$%

これまで2べてきたようにビガダンはすでに

このため

ガス

1をjしたものであるCTの!"スラ3

34の56を7し$%スラリー¤¥Tと¦めであったため+,を-.に/01することができる の5のDEデータをjす¨$%による TS T©くな

るÁÂがみられたこれは7¸の#ÃがÄんだ

ものを$%したことにより$%7¸にpする¶

noおよびpqはrのとおりである
sQtnou

５t/d

v1wx

100 m3ypquz!"{|スラリーI}~の[よりK
Qtのは
ローにじているがに2の３にjしたfフ

テストプラントのため

v1

のは0している
Qtnoがさいため ガスQtはQZせず
ガスはボイラーのXとし

WXのにする
v1はいったんし

 ５


デモプラントDemonstration plantVol. 47 No. 1I2003Å8K

として



6 スラリー$%TS T ガス の1 Slurry input and gas production

7 メタンおよび¶1·Tの1
 Concentration of CH4 and H2SするÆÇパンテツク<È7がにがったためとえられる
のむはげやメ

すび

tuvwのメタン78はエネルギーHIへのx

ンテナンスあるいはデータのためしい

yもありMさらにz{が;|される}~である

にした!"を#きおおむね10 ppm $jがくの`aが%であった&'の pH (%のほかに)*

はわがFでのメタン78}~z{のをう+がみられび)*の#,はの-イオンおよへの-./により0こっていることがにるTであると1する

なビガダンT

Mよりの}~にめz{をっていきたい
Boおよび7にってはBLBoのBf

12された


 のおよび
34の5678で9したガス7である JFE エンジニアリング<>およびD
が12できた<>Bo!とを いているq¡¢!ことと:;<マイナス13 =>を?む@AのをBCができたことによりDEFGでもHIなく!の¨©ªVに«¬なご­®をJKできることがLされた

くお°±しげる

いている£¤¢!q¥¢!¦§¢
いた

ここに¯

MはさらなるNOPとQRのSKTUに/じた)VプロセスのWXがYIとなる <Zとして[\]^の!"の_eにBfした_にhiき_

`abcd>`ag5678のデータ`aのjkのlmnoそしてQpqrのためのN6QBoなどをs
る

してい


１>'²bホームページ 2000.１.24³´µ7¶２>·¸­¹ºu»'²¼¬½¾(1995)p.18·¿ÀÁ¸­Â
３>Ã>u»'²ÄÅÆÇºtuÈせつ を5Éとしたメ
タン78`afに¨するÊhき<2001>p.56

Î Ï Ð


8

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ÒÓÑ
Ô２ÒÓÕ
}~Ö<µÑ×>ØÙÚ 03Û3459Û5803
ÜÝÞ 03Û3431Û0904
E-mail a.sumißpantec.co.jp

ËÌパンテツク}´Vol. 47 No. 1<2003Í8>

活性汚泥へのフェノール添加による汚泥沈降性の改善と細菌群集の解析
Improvement

SludgeofActivated

AdditiontheandAnalysISby

Settability

PhenoI+Of BacterialCommunlty(技)研究圃発部第5研究室
司
赤
Akira

昭

Akashi

活性汚泥にフェノールを添加することによる汚泥沈降性の改善と細菌群集の変化を解析した｡曝気槽へ低濃度のフェノール(50mg/L)を添加することにより,汚泥の沈降性が改善されるとともに,処理水の水質も向上した｡汚泥の沈降性は,フェノールの添加を停止した後約2週間維持された｡活性汚泥の沈降性の向上に関与するとされるZo(瞥わe∂用皿唐打∂はフェノール等の芳香族化合物で増殖が促進されることが知られているが,フェノール添加後の活性汚泥からPCR(Polymerase Ch弧1Reactio□)によって本細菌を検出することはできなかった｡変性剤濃度勾配電気泳動(DGGE)解析および制限酵素断片多型(RFLP)解析の結果,フェノール添加前後で活性汚泥の細菌群集が大きく変化していることが明らかになった｡したがって,フェノール添加による汚泥沈降性の改善は,Zr∂皿吻汀∂の増殖(優先化)によるものではなく,これら細菌群が関与していると推察された｡

The

ef托ct

ofphe□01011theta□ktoprovide
Ofactivatedbega皿tOfromactivatedwassludge

has

Week

the

abilitytoaRerbulki□g

the

With

the

Sludge.But

thereachedtwo

WaS□Ot

to

the

of

weeks

help

of∬Oma土ic

bacteria

werellOt

phe□01‑treatedactivatedsludge.Thisresultilldicatesthatthei皿prOVe皿elltOfactivatedsludge
duemillimu皿tWO

qualityforsatisfactorily

prOpagate
settlealld

aera土ioll

qualityofefnue血SVI

settability,the皿ailltai□edadditio□･ゐ̀瞥わe∂r∂皿耶is血ow□tO
phe□01a□dolle

theimproveme山Ofsludge

additio□OfphellOl.Withofdecrease

addedtoa□alysed.Phe□01was

al=□itialcollCe山r血iollOf50〃g/mlfor皿0山toril唱SVI弧dthe
sludgeSettability

wassettabilityofactivatedsludge

Weeksefnuellt
aRer

aRer

alsoi皿prOVed.
stoppil唱

co皿pOu□ds
detectedphellOl
such

by

as

PCRillsettabilityof Zr∂皿塔er∂･growth申)′仲brdゞ:
活

性

汚

汚

泥

沈

細

tわ上47∧b.J(2仇I且/助

菌

泥

法

降 性
群

集

Activated
Sludgesludgeprocesssettability

Bacterialco皿mu血ty

ポリメラーセ連鎖反応

Polymerase

変性剤濃度勾配電気泳動

De□aturil唱gradle山gelelectrophoresis(DGGE)

制限酵素断片多型

Restrictio血圧ag皿e□tlell釘hpoly皿OrpblS皿(RFLP)

神鋼パンテツク技報

chaillreCtioll

まえがき

マーセットをもちいて検出した｡
1.4

活性汚泥法は,設備や運転費用が安価で,かつ,良好な処理水がえられることから,有機性廃水の処

細菌群集の解析

フェノール添加前後の細菌群集の変化は,PCR‑

理方法として広く採用されている｡しかし,汚泥管

DGGE法4)ならびに,RFLP5)により解析した｡

理,とくに,沈殿槽での同夜分離を常に良好に保持

1.4.1PCR‑DGGE法

することはしばしば困難をともなう｡汚泥の沈降性

フェノール添加前後の活性汚泥を定期的にサンプが悪化すると,SSが処理水中に流出し,処理水質

リングし,Zhuらの方法6)によりDNAを精製した｡

が悪化して放流基準を満足できなくなるばかりでな

このDNAを鋳型として,真性細β引こ特異的なプラ

く,曝気槽のMLSS濃度の維持が困難になり活性

イマーセット(PRBA338fとPRUN519r)7)をもち汚泥の運転そのものが維持できなくなることにもな

いたPCRにより,16SrRNA遺伝子のV3領域を増りかねない｡つまり,活性汚泥法の運転管理者にとっ幅した｡PCR産物は,35〜50%の変性剤濃度勾配て,汚泥管理は活性汚泥運転上もっとも重要な管理の8.0%ポリアクリルアミドゲル電気泳動により分項目であり,簡単かつ安価に汚泥の沈降性を改善す画した｡

る方法が提供できれば,この間題の解決に大きく貢1.4.2

献できるものと考える｡

RFLP

l.4.1のDNAを鋳型として,真性細菌に特異的なプライマーセット(27fと1492r)8)をもちいた

活性汚泥が良好な沈降性を発揮するためには安定なフロックを形成することが重要であり,その役割
は,Zo(瞥Jα∂属細削こ代表される凝集性細乱

PCRにより,16SrRNA遺伝子のほぼ全領域を増幅すした｡PCR産物をMillnute

PCR

PuriBcatiollKit

なわち,フロック形成細菌が果たしているといわれ(Qiage□,Tokyo)をもちいて精製後,Zeroている｡1)われわれは,活性汚泥に少量のフェノー

TOPO

PCR

Clollug

Kit(Ⅰ□Vitroge□Corp.,Carlsbad,

ルを添加することにより,汚泥の沈降性が著しく改

CA,USA)をもちいてクローニングし,大腸菌を善されることを見いだした｡本稿では,フェノール

形質転換した｡任意に選出した形質転換体64ケからが汚泥の沈降性におよぼす影響とフェノール添加前

QIAprep

後の細菌群集の解析結果について報告する｡

ちいてプラスミドを精製した後,このプラスミドを

1.材料･方法

鋳型として上記プライマーセットをもちいて1.1活性汚泥の運転

16SrRNA遺伝子を増幅した｡PCR産物は上記精製

下水処理場から採取した活性汚泥を種汚泥とした｡

Spi□Mimprep

Kit(Qiage□,Tokyo)をもキットをもちいて精製した｡このPCR産物を制限

また,合成廃水(グルコース1.6g/L,ペプトン1g/L,

酵素Hae札

酵付エキス0.5g/L)を原水として表1に示す条件でた後,その一部をポリアクリルアミドゲル電気泳動

HhaI,および,HpaIIで別々に切断し運転した｡

し,制限酵素切断パターンを比較した｡

1.2

1.4.3

フェノールの添加と汚泥沈降性の評価

Blu山BLAST相同性検索

上記条件で約2年間運転された活性汚泥に最終濃RFLP解析で,フェノール添加前後で個体数に変度50皿g/Lとなるようにフェノールを断続的に供給化が見られたクローンについては,16SrRNA遺伝した｡汚泥沈降性はSVIにより,2)また,処理水質

子の塩基配列を決定し,データベース上でBLAST

はSSおよびTOCにより評価した｡

ホモロジー検索(址p://www.□Cbi.□1m血h.gov/)をお

1.3

こない,既知の細菌との相同性を比較した｡

PCRによる叫〃ea∫笥皿如raの検出

フェノール添加2週間前とフェノール添加開始後2週間目(汚泥沈降性が最良であった)の活性汚泥

2.結果と考察
2.1フェノール添加による活性汚泥の沈降性と処理水質の改善から精製したDNAを鋳型にしてLuら3)のプライ

曝気槽に50皿g/Lになるようにフェノールを添加し,フェノール添加による活性汚泥の沈降性,およ
表1活仕汚泥の運転条件
TablelOperationalcondition

MLSS(mg/L)
TOC‑SS
Loading(kg/kgSS･d)
HRT(d)
Temperature(℃)
J〝

び,処理水質におよぼす影響を調べた｡園1にフェofactivatedsludge5

process000

25±1

ノール添加前後のSVIと処理水のSS濃度,および,0.1

TOC濃度の経時変化を示す｡フェノール添加前の

2

活性汚泥のSVIは150〜180の範囲で推移したが,フェノール添加開始7日目からSVI値の有意な減神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

1

2

4

3

5

00000チ｡
恥00000晋〓岳亀○●†●○●●

●

濫伽

20

40

の

古0

(軸)

認
諾

30

●

宮古08:㌔●｡:○(暑盟び○←｡｡も妙0｡00汐

く〉く〉

ⅧSS

●

●:

外

;呈:;琶琶｡::｡｡
80

100

300

200

12一

100

柳皿Tlm￠(血y)

図1

活仕汚泥のSVIと処理水質の経時変化

Fig.1

Changesof

SVIofactivatedsludgeandqualityof2

図PCRによるZo噂Jα∂柑皿唐e佗の横山
Detectionof Zo如フe∂r∂皿留erヨby

Fig.2

effluent

Lanel:100bp

laddersize

PCR

marker

2:DNA‑

activated

少が認められ,2週間後に最小の110まで低下した｡

no1
3:DNA‑

activatedsludgeafteradditionofphenol

その後も130前後で推移し,良好な汚泥沈降性が維

4:DNA‑

addition

ofphe

treatment

municlpalwastewater

5:Negative

持された｡また,汚泥沈降性の改善に伴い処理水質

beforesludgeplant

control.

(SS,TOC)も改善された｡とくに,フェノール添
弛nol(‑)

加による処理水SS改善効果は著しく,フェノール
添加前は沈殿槽からの汚泥の流出がしばしば観察さ

血y･21‑14‑7

p血01(＋)0p血1(‑)

3l

れたが,フェノール添加後は汚泥の流出は認められ.u̲..̲.+ず,低濃度で安定に維持された｡
次に,フェノール添加を停止し,SVIと処理水質の変化を観察した｡フェノール添加停止後約2週間
SVIは約130で沈降性は良好に保持されたが,その後徐々に増加し,1ケ刀後にはフェノール添加前の150〜180の範囲に戻った｡
以上のように,活性汚泥に低濃度のフェノールを添加することで簡単に汚泥沈降性と処理水質を改善することができた｡また,フェノール添加停止後も【=‑‑･一一一‑一一一一■一■+‑少なくとも2週間は良好な汚泥沈降性と処理水質がフェノール添力‖前後の活仕汚泥のPCR‑DGGE解析

維持できることが確認された｡
2.2

Z〃喝血eara皿如raの検出

図二二■∴岩淵拙

Fig.3

活性汚泥の沈降性が良好であるためには,活性汚PCR‑DGGE
beforeanalysIS

and

after

Of

eubacterialcommunities

phenoladdition

泥がフロックを形成する必要がある｡フロック形成には,ゐ(窄Jα∂属細菌等のフロック形成細菌が関与していることが知られている｡1)また,ゐ(瞥わe∂後(レーン3)の活性汚泥からは,本β酌ま検出され属細菌はフェノールによりその増殖が促進されるこなかった｡したがって,フェノール添加による汚泥とが知られている｡3)そこで,活性汚泥にフェノー

沈降性の向上は,Z

ルを添加することによる活性汚泥の沈降性の改善が,r∂皿吻汀∂の増殖によるものではなく,別の要因によると推察された｡

ゐ(瞥わe∂属細菌の増殖(優先化)によるものか否

2.3かを解析するため,フェノール添加前後の活性汚泥

2.2の実験により,フェノール添加による汚泥沈降性の向上は,フロック形成細菌であるZ

中のZ用皿唐打∂をPCRにより検出した(園2)｡
下水処理場活性汚泥(レーン4)とフェノール添
加2週前(レーン2)の活性汚泥には,Z用皿唐e柑の16SrRNA遺伝子に相当する約600bpの明確なバンドが検出されたが,フェノール添加2週
tわ上47∧b.J(2仇I且/助フェノール添加前後の細菌群集の解析

用皿唐e用の増殖(優先化)によるものではなく,別の要因によることが推定された｡そこで,フェノー
ル添加前後の細菌群集を解析することによりその要因を考察した｡

神鋼パンテツク技報

JJ

全体の12.5%を占め,フェノール添加前の活性汚泥

2.3.1PCR‑DGGE法による解析
園3にフェノール添加前,添加軋

および,添加ではこれらのクローンに相当する細菌が優先してい停止後の細菌群集の経時変化を解析した結果を示す｡

ることが示唆された｡一方,フェノール添加開始2フェノール添加前(レーン1〜4)は,各サンプル

週間後の汚泥からは16グループ(ribotype)の細菌

共約25本の主要なバンド(細菌種)が見られた｡まが検出され,フェノール添加前にくらべ,ribotype

た,そのパターンはほとんど変化せず,細菌群集は数(細菌の種類数)が減少していた｡これは,フェほぼ一定に保持されていた｡レーン5〜13にフェノー

ノール(50mg/L)によりそれらの増殖が抑制され

ル添加中の群集変化を示す｡フェノール添加開始後たためと推察される｡フェノール添加後の汚泥の細

7日間は細菌群集に明確な変化は観察されなかった菌群集は,添加前のそれにくらべ大きく変化していが,10日目以降大きな変化が認められ,細菌種によった｡フェノール添加前に優占種であったribotypelて消失(個体数の減少)するもの,あるいは,増加に属する細菌は減少し,代わってribotype2に属すする種が認められた｡また,フェノールの添加を停る細菌が優占種になり全体の42.2%を占めた｡同様

止した後少なくとも1週間はフェノール添加中の汚に,ribotype札

泥と同じパターンを示し,細菌群集に変化は認めら

添加前にくらべ増加した｡一九れなかった｡

8,9,11〜13,および,15〜25に属する細菌はフェ2.3.2

RFLPによる解析

26〜33に属する細菌がフェノール
ribotype3,4,7,

ノール添加前にくらべ減少した｡
2.3.316SrRNA遺伝子の相同性解析と細菌の同

DGGE解析により,フェノール添加前の活性汚

定泥とフェノール添加により汚泥の沈降性が改善された活性汚泥では細菌群集が大きく異なることがわかっ

RFLP解析の結果フェノール添加前後で個体数にた｡そこで,各細菌の菌数の比較をより定量的にお差異が認められたribotypeに属する細菌が活性汚泥

こなうため,RFLP解析を実施した｡RFLP解析は,の沈降性に関与している可能性がある｡そこで,こフェノール添加2週間前の活性汚泥ともっとも沈降

れらの細菌の16SrRNA遺伝子の配列を決定し,デー性が良好であったフェノール添加開始2週間後の汚タベース上で既存の細菌の16SrRNA遺伝子との相泥で比較した｡

同性解析(BLAST検索)を実施し,細菌の同定をおこなった｡表2に相同性解析結果を示す｡

制限酵素HaeIII,HhaI,および,HpaIIの切断パ
ターンにより分類した結果を園4に示す｡フェノー

フェノール添加前の活性汚泥で優占種であったが,ル添加前の汚泥中の細削ま25グループ(ribotype)

フェノール添加後に減少したribotypelに属する細に分類された｡それらの中で,ribotypelに属するクβ酌ま,皿Culturedγ‑prOteObacteriumと96%の相同性ローンは,解析した64クローン中18クローン(全体を示した｡同様に,フェノール添加により劣勢になっの28.1%),また,ribotype2に属するクローンは,たribotype3,7,8および9に属する細β酌ま,それ

匝童]

血吻e

図
Fig.4

4

フェノール添力‖前後の活仕汚泥中の真仕細菌群集のRFLPの比較
Comparison

of

RFLP

of

eubacterialcommunities

beforeandafter

phenoladdition

J2

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫2

表Table2フェノール添力‖前後の活仕汚泥の主要細菌のBLAST検索
BLAST

homology

Vatednbotypesludgeanalysisbefore

and

after

of

といわれている｡相同性検索では,フェノール添加
血1aCti‑eubacteriaにどのような役割を果たしているかまでは推定でき

phenoladdition

MostCloselyRelatedBacterialSeq･前後で個体数に変化が見られた細菌がフロック形成%Identity

なかった｡

む

す

び

1

Uncultured

Gamma

Proteobacterium962

Uncultured

Gamma

Proteobacterium94

3

Uncultured

Bacteria

Clone

97

より短期間で効率よく汚泥の沈降性を向上させ,か7

UnculturedBacteriumCloneKD5‑58

93

つ,処理水質を改善させることに成功した｡前述の

8

Uncultured

9

九鬼埠y血りちとびSp･KS7

10

UnculturedBacteriumClone27
32

Bacteria

Clone

F2‑30

F2‑38

少量のフェノールを曝気槽に直接投入することに96

ように,活性汚泥法にとって沈殿槽での同夜分離を

98
97

良好に維持することはきわめて重要な運転管理項目

少0ム∂Cねr血可〝}】(習e〃e595である｡本法はきわめて簡単な方法で実施可能であUncultured

94

るため,汚泥沈降性の悪化した活性汚泥処理設備のRB13ClO

EubacteriumWD243

改善に貢献しうるものと確信する｡
ぞれ皿Cultured
bacteria

clollebacteria

F2‑30,皿Cultured

clolleKD5‑58,u皿Cultured

38およびMetbylocystis

bacteria

clolle93,汎sp.KS7と汎[参考文献]
F2‑98%の相同性を示した｡一方,フェノール添加により最優占種になったribotype2に属する細則ま,皿Cul‑
turedγ‑prOteObacteriu皿と94%の相同性を示した｡
同様に,第2優占種であるribotypelOに属する細菌
は,u皿Cultured

bacteriu皿

ClolleRB13ClOと97%の相同性を示した｡

1)Bitton,G∴In
Wiley‑Liss,New

2)下水道試験方法
道協会

Wastewater

Microbiology(1994)p.192,

York

上巻1997年版,p.272,日本下水3)Lu,F.,etal∴Wat.Res.,35,p.4011
4)Muyzer,G.,etal:Appl.Environ.Microbiol.,59(1993)
p.695

5)Moyer,C.L∴Appl.Environ.Microbiol.,60(1994)
p･871

前述のように活性汚泥の沈降性は,汚泥のフロッ

6)Zhu,H.,etal∴NucleicAcidsRes.,21(1993)p.5279

ク形成能と密接に関連している｡汚泥のフロックは,

7)￠vreas,L.,et(1997)p.367

フロックを形成する細菌とフロック形成細菌のフロッ8)有馬

ク形成を阻害する細菌の相互作用により形成される

al∴Appl.Environ.Microbiol.,64

啓,田村学造(鮎):生物による環境浄化(1980)p.21,東京大学山版会

連絡先
赤

司

昭

技術開発本部
付｢究開発部買‡5付｢究重主任仙こ先見(医学博士)TE

L

FAX

O78‑992‑6525
O78‑992‑6504

E‑maila.akashi@pantec.coJp

tわ上47∧b.J(2仇I且/助神鋼パンテツク技報

J3

4kWh/Nm3高効率水電解システム
Developmentof High

Water

E什icient

Electrolysis

Systemヽ､=/

With4kWh/Nm30fPowerConsumpt■On(技)研究圃発部第1研究室
三
宅
明
Akiko

Miyake泰

永Yorihisa子
久順Yasllnaga

同体高分子電解質膜を使用した高純度水素酸素発生装置HHOGにおいて,実用的なコストで電解効率90%以上,消費電力量4kWIJN皿3を実現できる高効率水電解システムを開発した｡高効率化のため,Ir系電極触媒をもちいた薄膜電極膜接合体を使用した｡プレス成形電極板と突起付き平ガスケットを組合せた新型電解モジュールを開発し,酸素側大気圧で水素側のみ加圧する差圧電解を可能にした｡この新型電解モジュールを使用して5Nm3/h実証システムを製作し,補助加熱装置なしで80℃以上に昇温できること,および電解性能を確認した｡

AhighlyefBcie山Water

withpolymer

hy血oge□a血oxyge□ge□eratOr,HHOG.This

pure
at

electrolyzer

power

co□Su皿ptio□Of4kWb爪皿3at

membra□eelectrode

COmbi血1g

preSSedasse皿bly

platescatalysts
flat

with

betwee□the

H2Sidea□di□COrpOra山1g

the□eW

electrolysis皿Odule

Without

additiolld

heatillg

ally

Oz

has

syste皿aCbleVeS

electrolysis

was

WaS

gaskets,electrolysISside(ambie□t preSSure).Testil唱the
tO

ul山S

tha土electrolysis

aChievetherealized

forblghly

efBcie□Cyblghdevelopil唱alleW

used.Byco□f止皿edbeelldeveloped

obtai□thepracticali山tialcosts.To

withIrelectrodeelectrolyte皿e皿bra□ethi□electrolysis

modulepressuredif托rellCeu皿derdemo□Stratio□unt
te皿perature

OVer90%efBcie□Cy,a

COuld

Of5N皿3/hexceed80℃

performa皿Ce.

申)′仲brdゞ:
水
水

電

素

Hy血oge□

解Water

同体高分子電解質膜
電

極 膜

高

接合

効

体

Membralle

率

High

費

電

力

量

membra皿eelectrode

鮎Sembly

efBciellCy

Powermoduleco□Su皿ptioll

ギ産業技術縛合開発機構)では,WE‑NET(World

まえがき
水素製造技術の中で,PEM(Polymer

electrolyte

Electrolysis

電解モジュール
消electrolysis

Polymer

ElectrolyteE□ergyNetwork,水素利用国際クリーンエネルギシ

Me皿bra皿e,同体高分子電解質膜)をもちいたPEM

ステム技術)プロジェクトにおいて,PEM型水電

型水電解は,通常のアルカリ水電解よりも高電流密解による大規模な水素製造技術の開発がおこなわれ度条件で高効率化が可能である｡NEDO(新エネルており,エネルギ効率90%以上の高効率化が達成

J4

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫された｡また,近年,水素利用技術のひとつである

Nm3/hの装置を国内外を含めこれまでに50基近く納

燃料電池自動車の開発が急速に進んでいるのに対応入してきた｡その間,装置をコンパクト化し,よりし,実用規模の1/10に相当する30N皿3/hの水素供給

手軽な新シリーズのパッケージ型HHOG｢水素サーステーションの実証テストがおこなわれた｡

バ+を発売している(写真1)｡1)

PEM型水電解による水素製造の実用面での特長
は,操作が簡単で,メンテナンスが容易であること,

一方,水電解では水素発生に要する消費電力量を如何に下げるかが重要であり,ランニングコストを

水素ボンベを貯蔵するよりもオンサイトで安全に高低減するため,電解モジュールの高効率化にも取組

純度水素がえられることである｡当社では,早くかんできた｡これまでに,電解効率90%の1Nm3/h

らこのような点に着目し,PEM型水電解による水電解モジュールを開発し某自動車メーカに納入した

素酸素発生装置HHOG(High‑purity

実績をもつ｡この電解モジュールを使用して,米国

0Ⅹyge□

Hy血oge□Ge□era土Or)を独自に商品化し,1〜100

カリフォルニア州の同メーカの研究所において,太陽光発電と組み合わせた水電解一燃料電池システムの実証テストが実施されている｡
当社では,その後,さらに実用的なコストで高効率電解を可能にする新型電解モジュールの開発を進軸めている｡また,周辺機器類の動力低減を含め,水T

電解システム全体の高効率化の検討もおこなってき■た｡その結果,低コストで電解効率90%以上,消h■l■･

費電力量4kWbノNm3の水電解システムを開発したので報告する｡

1.電極膜接合体と電解効率
L

PEM型水電解では,園1に示すように陽極側に接合した電極触媒の作用で純水が分解されて酸素が発生し,同時に生成した水素イオンが膜中を陰極側

CL‑5

写真1
PI10tOl

水素サーバー

へ移動し,陰極側に接合された触媒の作用で水素がHydrogen

発生する｡

server

B肋ofElec廿01y血1わ血ge･加ord血1E18血1y由Ⅴ○血g6･An∝kO▼mlb酢･C8血odeO▼m血g亡･0血b8S
Re血血nceorMemb甘ne
Rβ血血60rO血8r地18
CoⅡ也Ct且朗i触q＋E20(NotEl地1yzd)､

Ⅱユ＋H20

伊此た)
E＋

堅田t摩

Ⅰも0

(＋)(

mCⅦmlS叩pu肝/El血∝kPl由

2取0→q＋4Ⅰ叶＋4e一

)

土

＼

心￣

4E＋＋由一一2地図1【古】体高分子型水電解の原理
Fig.1Princlple

ofwatertわ上47∧b.J(2仇I且/助elec山101ysisusingpolymer

electrolyte

membrane

神鋼パンテツク技報

J∫

PEMは,スルホン酸基(‑SO3￣H＋)を有するフッものが市販されており,乾燥状態での膜厚が50〜

素樹脂膜であり,電極板を通して通電するとスルホ

200〃mのものが水電解で使用される｡従来から使ン酸基の水素イオン(H＋)が陽極から陰極へ移動用されているのはDuPo山社製Nafio山17(膜厚:する｡このため,通常の水の電気分解と異なり電解183〃m)が多い｡これに対し,50〃mの薄膜は効率質を添加する必要がなく,純水を電気分解することは高いが長期電解中にPEMが破損しやすく,実用ができる｡

的には100〃皿前後の薄膜が検討されている｡

電解電圧は,次式で表される｡2)

このように一系電極触媒と薄膜を組合せ,電解温度を80℃以上に上げることにより,90〜95%の(1)

且=且0＋乃｡＋乃｡＋盲点

電解効率が達成される｡このため,Ir系電極触媒の薄膜への接合方法が,各社･各研究機関で開発され

ここで,

ている｡

且:電解電圧(セル電圧)

薄膜化すると電解電圧は下がるが,膜のガス透過

且0:理論分解電圧量が増加する｡このため,電解時に発生した水素あ乃｡:陽極過電圧

るいは酸素が対極へ透過し,水素中酸素濃度および乃｡:陰極過電圧
盲点:オーム損

酸素中水素濃度が高くなり,ガス純度が低下する｡
HHOGは高純度水素のオンサイト供給装置である
ため,電解効率だけでなくガス純度も重要な因子で理論分解電圧は,電解温度と圧力に依存し熱力学的ある｡当社では,薄膜でも厚膜と同等のガス純度がに決定される｡陽極および陰極過電圧,オーム損失

えられる高性能MEAの製造方法を開発した｡

は,電極触媒の種類,膜厚,電極触媒の膜への接合

園2に,膜厚の異なる高性能MEAの電解効率を方法によって変わる｡

従来のPt電極触媒のMEAと比較して示した｡ま

電解効率乃(エネルギ効率)は,次のように電圧

た,園3に,80℃,1A/cm2におけるそれぞれの過効率乃且と電流効率乃′から求められ,一般に80℃,

電圧,オーム損失を示した｡両図において,Nl17

1.OA/cm2の条件で定義される｡

は前述のNafio山17を示しており,Nl15(NaBo□115)は127〃恥(2)

乃且=理論稼働電圧[V]/電解電圧[V]Nl135(NaBolll135)は89〃皿,

Nl12(NaBo□112)は51〃皿の膜厚である｡それぞれのガス純度は,精製器を設置せずにMEAのみで
水素中酸素濃度が10pp皿以下,酸素中水素濃度が乃′=実際の水素発生量[N皿3/h]/(3)理論水素発生量[Nm3/h]

1000ppm以下であった｡

3.新型電解モジュール(4)

乃=乃且×乃′今回開発した新型電解モジュールは,高効率を達成するだけでなく低コスト化を図っている｡

PEM型水電解では,電流効率は100%近い値であり,3.1ガスケットと電極板

電圧効率の向上,すなわち電極膜接合体(Membra皿e
Electrode

電解モジュールは単位セルを積層し,両端を端板

Asse皿bly,MEA)の性能向上により電解電圧を低減することが重要である｡

州州甜州
1717島12≡〓2.高性能薄膜電極膜接合体
電極触媒は,陽極,陰極ともに化学的に安定なPt[)巴む星叩○増田畳戸召u貞一が使用されているが,電圧を低減するためには一系触媒が良いことが知られている｡PtよりもIrのほうが陽極の水の分解反応の活性が高く,陽極過電圧を下げることができるためである｡また,電解温度を上げると触媒活性が増し,電解電圧はさらに下ヱ0がる｡

PEMの膜厚を薄くすることによりオーム損失を下げることもできる｡PEMは,いろいろな膜厚の
Jβ

40

60

80

T切1p血【℃】

図

2

Fig.2

神鋼パンテツク技報

薄膜高仕能電極股接合体の電解効率
ElectrolysisefBciencyofhigh‑performancethinMEA

W.47∧b.J(2仇I且/劫で挟みボルト締結するのが一般的である｡電解モジュー

めMEAが破損しやすくなる｡
新型電解モジュールでは,平ガスケットと0リルの締め付け状態が悪いと,MEA/多孔質給電体/電極板の接触抵抗が高くなり,電解電圧が上昇

ングの長所を活かし,平ガスケットに突起をつけたするため,適正面圧で均一に接触するようにする必形状を考案した｡電極板は,突起付き平ガスケット要がある｡一方,純水を各セルの陽極室へ供給し,の形状に合わせてプレス成形により凹凸を形成した｡

発生する酸素と水素が混合しないよう陽極室と陰極電極板の外周部は,電極板を積層したときにハニカ

重から取出す必要がある｡このため,陽極側と陰極ム形状になるようにした｡

側とが異なるポートを通る構造となっており,これ園4に新型電解モジュールの概略構成図を示した｡

らの純水やガスが混合しないよう,また,外部へ漏この構造により,薄膜でもガスケットのシール部でれないようシールすることが必須である｡シール方

過度の面圧がかかり破損することなく,シール性を法として,平ガスケットや0リングが使用される｡

上げることができた｡その結果,数MPaの耐圧性

平ガスケットは,面シールであるためMEAとの接を有する電解モジュールがえられた｡

触がソフトであるが,シール性は0リングにくら

3.2

差圧電解
電解で発生する水素と酸素の圧力はMEAの両面べると弱くなる｡0リングは,線シールであるためシール性は良いが,局所的に大きな面圧がかかるたにかかるため,水素と酸素の差圧が大きいとMEAは破損しやすい｡したがって,従来から,水素側と酸素側の差圧が大きくならないよう差圧制御をおこ
2.5

乙O[コObni￠b紺

ないながら電解する方式を採用している｡今回の新□0▼mlb且￠□仙k山El血l田由Wl吻型電解モジュールは,耐圧性だけでなくこの耐差圧性も向上させることを目的に開発されたものである｡

80℃,1.OA血が酸素側を大気圧として,水素側の圧力を0.85

El.5
亀MPagまで上げたときの電流一電圧特性を園5に示男した｡平均セル電圧は水素側圧力が増加するとわず>
1.0

かに増加するが,20皿V程度であった｡大気圧と0.5

0.85MPagの差圧電解を繰返す加速テストをおこなっ

0.0

解では,酸素側への水素ガスの透過量が増加するが,た後も,電圧上昇は見られなかった｡また,差圧電

3

図
Fig.3

薄膜高仕能電極股接合体の電圧低減
Reduction也inofovervoltageoverhigh‑performance

MEA‑‑‥LOMP喝
十0･4MP喝＋0.さ5M軸
十D.85MP喝A血αT鶴ナ

Inl改OfDdon止血W血【ゝL払貞○>一一むUO嘗

L〔〔{l[の瓦itorH2＼址torO2†
Ele血○申/PoronsCⅧmI

pl血

血血t/

/

SⅦ血

ロ

㌔

址A

1.40+
0.0

///こ̲⊥す∴∠/

Cmt叫[A/cm2】

図

/逆

5

Fig.5

累壁二
図
Fig.4

4

ofunittわ上47∧b.J(2仇I且/助densitypressureelectrolysIS
test was*The
multiple

新型電解モジュールの単位セルの構成
Structure

差圧電解における電流一電圧特仕
Cellvoltage‑Current

cellofnew

electrolysis

trolysIS
module

神鋼パンテツク技報

underpressure

relationdefferential
range丘10m

indefferential

pressureelec‑
O to O.85MPagof H2.

J7

CL

馳

￣l

｢

■

6

■■

佃仲川巾卜
｢‥劃
宕

図

■

■

Ⅶ由汀SⅦpply

Fig.6

巾

｢

¶..1L車朋山.■=■･ノ√

.卜.

02

ll￣･l

実証装置のフロー囲
Flow

diagramofdemonstration

WT:Deionizedwater

PD:Non‑regenerative

unit

tank
polisher

FF:F血1alfilter
EM:ElectrolysIS
HS:H2/water

mOduleseparator

CL:H2COOler

写真2

5Nm3/h実証テスト装置

PI10tO

2

Demonstration

unitof5Nm3/h

酸素中水素濃度は若干増加する程度で2000ppm以下であった｡
このように,新型電解モジュールを使用すること素化し,装置をコンパクト化できる｡

4.実証装置によるテスト
前述した高性能MEAと新型電解モジュールを使用して,水素発生量5Nm3/hの装置を製作し,高効【巳巴言萱Vn訂芦により差圧制御が不要となり,水電解システムを簡●M￠粥Wd,50%●･Simubtd,50%●OM￠粥Wd,70%●･Simubtd,70%●

20■M￠粥Wd,1(氾%●･Simubtd,100%●率水電解システムの実証テストをおこなった｡
10

4.1実証装置の構成

20

純水は,非再生型イオン交換樹脂筒を通して水質を維持しながら循環使用する｡循環水の温度は,電4860T血e[皿1皿】
7

図
Fig.7

解により発生するジュール熱のため上昇する｡高性
能MEAを使用した場合は,電解電圧が低いため

循環水温度の昇温挙動とシミュレーション
Temperature

behavior

deionizedwater*current

Load

and

simulationofcirculating

ジュール熱の発生量が少なく,電解温度を上げるには補助加熱装置が必要になる｡しかし,これでは電水の温度上昇を測定した｡その結果をシミュレーショ

解モジュールの電解効率を上げても装置全体の消費

ン結果と合わせて園7に示した｡

電力量はかえって増加する｡このため,システム全昇温挙動のシミュレーションは,電解モジュール,

体の見直しをおこない,補助加熱装置なしで80℃

循環水ライン,水素分離器,純水タンクについて,

以上に昇温できるようにした｡

それぞれの物質収支および熱収支をとり,微小時間

園6に,実証装置のフロー図を示す｡酸素側の循△tの純水温度の微小変化△Tを求める式を導出し,環水ラインは大気圧で,水素側のみ加圧するシステ

測定値と比較しながらカーブフィッティングし,そムになっている｡なお,この実証装置では除湿器はれぞれの縛括伝熱係数を決定して求めた｡

設置しておらず,水素ガスは水素ガスターラで35

園7より,電流負荷が高いほど昇温速度が大きく,℃以下に冷却後,放出している｡写真2に実証テス

電流負荷50%で65℃,70%で75℃,100%で80℃

ト装置を示した｡

以上に昇温できることがわかった｡80℃への昇温

4.2

は装置を起動後1時間以内であった｡図中で,昇温昇温特性

電流負荷が50%,70%,100%の場合で,循環Jβ

途中に温度減少が見られるのは,水電解で純水が消神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

費され純水タンク水位が下がった際に,室温純水がTablelSpecification

補給されたためである｡
測定値とシミュレーション結果はばぼ一致しており,今後の設計指針とすることができる｡

Flow

Rate

PressureSize

表1に,装置の什様と性能をまとめて示した｡消費電力量は次式で定義される｡

SIzeElectrolysis

消費電力量[kWIJN皿3]=モジュールの電解電圧[V]×2.393[kAIJN皿3]/乃′＋補機電力量[kWIJNm3](5)results

ofdemonstration

unit

5Nm3/hMax.0.85MPag

Max.90℃
650WX800DX1200H
ControIUnlt

Efficiency

700WX900DX1200H>90%

Consumption

Including
Purity

test

of H2

ofElectrolyzer
of Rectifier and

Power

and

of H2
Temperature

0peration

電解性能

4.3

表1実証テスト装置の什様とテスト結果

4.OkWh/Nm3

PeripheralEquipmentofH2>99.999%

はじめ,将来は太陽,風力などの自然エネルギ利用
において重要な役割を果たすと思われる｡高効率の補機電力量は,循環水ポンプと計装機器を含めた電PEM型水電解を安価に実現するための開発は不可力量である｡温度が80℃に昇温した時点で装置全欠であり,今後さらに大きなブレークスルーが期待

体の消費電力量を測定した結果,4.OkWb/Nm3であされる｡

ることを確認した｡また,水素ガス純度は,99.999[参考文献]%以上であった｡

むす1)上村全弘ほか:び

神鋼パンテツク技報,Vol.46,No.2(2003)p.61

PEM型水電解による水素製造技術は,燃料電池との組合せによる夜間の余剰商用電力の有効利用を

2)電気化学協会鮎,発行,p.273

電気化学便覧(第4版),丸善(株)

連絡先
三

宅

明

子

技術開発本部
付｢究開発部
買‡1付｢究重主任付｢先見

(学術博士)

T

E

F

AX

L

078‑992‑6525
078‑992‑6504

E‑maila.miyake@pantec.coJp

tわ上47∧b.J(2仇I且/助神鋼パンテツク技報

Jβ上水用大容量UF膜の実証実験
Test

Demonstration

ModuleUFof Large‑SCale
Water
br Drinking

巾りMembrane､Jl.}ノ
技術本部技術部第2技術室

長谷Jrl

雅

Masahiro宏

Hasegawa

町

中

民

美

環境本部計画部第2計画墓
西
尾
弘

仲

MamiNakamachi

HironobllNishio

現在,国内ではUF膜ろ過装置は小･中規模浄水場へ適用されているが,中･大規模浄水場への導入を検討するため大容量UF膜モジュールをもちいて実証実験をおこなった｡このモジュールは
原水濁度に応じて全量ろ過とクロスフローろ過を自動的に切替え,消費電力を低減できる特長を有す｡琵琶湖の表流水をもちい,従来の約2.5倍の膜面積を有するこの膜モジュールにて,流束を1.3から3.0皿3/皿2/dまで上昇させ,7カ月運転した｡高濁度実験では原水中の鉄,マンガン,アルミニ
ウムは100%除去でき,一般細嵐

大腸菌は検出されなかった｡また,流束の上昇とともに増加した膜差圧は次亜塩素酸ナトリウムとクエン酸を使った薬品洗浄により回復できた｡

This皿Oduleis

filtratiollat

CrOSS一口OW
tosmalla皿d

pla□tS,aOf

efBcie山illreducillgLakeellergy

au土Omatic

Biwa

was

WaS

BlteredatCO□ducted

with

皿OduleBltratio□弧dofdead‑elld

Bltratiollis

membra皿e

applicatiolltO皿ediu皿a□dlarge

preSe血For

UF皿e皿bra□e

withlarge‑SCalethecapability

depelldil唱011turbidity.UF

chal唱eOVer

mediu皿puriBca土iollpla山S

de皿0□StratiollteSt

COllSumptio□,Withits

havil唱afilterarea

appliedpuriBcatioll

mOdules.The

surface2.5

aslarge

about

times

wa土er
as

co□Ve□tio□alo□eS,出口皿丘0皿1.3to3.Om3/皿Z/dforseve□皿011也s.ThehighturbiditytestprovedlOO%removalofiro□,mal唱弧eSedumi□umi□raW

a皿ddetected.Tra□S皿e皿bra皿e

preSSureillCreaSedWith

al山citric

sodiu皿hypochlorite

Water.Ge□erala血colifor皿bacteria

withi□CreaSillg

nuX

WaS

by

reCOVeredwere□Ot
che皿1Calclea山口g

acid.

申)′仲brdゞ:
大容量UF膜モジュール

Large‑SCale

中･大規模膜ろ過施設

Mediu皿弧dlarge‑SCale

全

Dead‑elld

量

ろ

過

UF

me皿bra□e

mOd山e
pla山S

Bltratioll

でに数多く稼動している｡1)本実証実験と同じ大容

まえがき
膜ろ過施設は,水道原水中の病原性原虫(クリプ

量UF膜ろ過施設は海外で,建設中のものをふくめ

トスポリジウム)や濁質を完全に除去できること,て,5カ所で採用されている｡｢膜利用型新浄水シ

加えて設置面積が少なく,維持管理が容易であるこステム開発研究+(MAC21)などで膜ろ過技術が高とから現在日本国内では,10皿3/d程度から10000

められたこと,浄水場に導入された膜ろ過施設の実

皿3/d程度の小･中規模の浄水場へ導入が進んでいる｡海外においては,中･大規模膜ろ過施設で,す績より,膜ろ過施設の安全性･安定性が確認された2〝ことから,最近,中･大規模浄水場への導入が期待

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫③

されるようになった｡しかし,中･大規模浄水場に

本UF膜ろ過装置は,地下水のように清澄で濁現在使用されている膜モジュールを適用すると,膜度変動の少ない原水に対しては,消費電力の低いモジュールの数が多大となり,コストが高く,設置

全量ろ過方式を標準とする｡なお,濁度変動の大面積が大きく,取扱が煩雑となるため,膜ろ過法のきい原水の場合は,濁度に応じて自動的に全量ろ本来の長所が生かされない｡そこで,中･大規模浄過方式とクロスフローろ過方式を切替えることが可能である｡

水場に適した膜ろ過施設を考える必要がある｡その④ひとつとして膜ろ過施設の設置面積あたりの膜ろ過

膜破断の検知方法は,膜ろ過水の濁度を常時監

水量を増加させることが重要であり,このためには視することに加え,一定期間ごとに,自動で膜モ

膜モジュールの高流束化,大容量化,高充填率化がジュール内に圧縮空気を送り一定圧とし,所定時要求される｡高流束化は,従来の膜モジュールの透間の圧力変化を監視する膜破断検知テスト機能を

水性を高め,より高い流束でろ過することで,1本有している｡

あたりの膜モジュールからの膜ろ過水量を増加させ

2.実証実験

ることができる｡大容量化は,膜モジュールを大型2.1実験装置
実験フローを園1に,実験装置の什様および実験

化し,膜モジュール内の膜面積を大きくすることで,1本あたりの膜モジュールの膜ろ過水量を増加させ条件を表1に示す｡また,実験装置の外観を写真1ることができる｡高充填率化は,槽内にモジュールに,膜モジュールの模式図3)を園2に示す｡

を高密度に集積させた浸漬型やモジュールを高さ方

本実験装置は原水槽,膜モジュール,自動洗浄式

向に積重ねることにより,一定の敷地面積からの膜

ストレーナ,膜ろ過ポンプ,逆洗ポンプ,循環ボン

ろ過水量を増加させることができる｡2)本報では,膜モジュールの大容量化に着目し,中空糸型の大容
量UF膜をもちいた実証実験をおこない,中･大規
模膜ろ過施設に向けての運転性能や処理性能などの知見をえたので報告する｡

Ch血Cl叫
B血血丁血

1.大容量口F膜装置の特長

口血盟

大容量UF膜ろ過装置は,次のような特長を有す

PIF∝一九mp
アユC血d皿PtImp

る｡①

p3恥h血加皿p

R瓜■W8加Tl止聖

p4D88Ⅱ喝n=甲膜モジュール1本あたりの有効膜面積が125皿2

吐=』と従来型の2.5倍であり,省スペース化が図れる｡(塾 UF膜の材質は,セルロース系高分子化合物で幽些̲

あり,親水性を有するため,膜ファウリングが起図1実験フロー囲Fig.1Schematic

こりにくく安定した運転が可能である｡

flow

diagram

表1実験装置の什様および運転条件
TablelSpecification

andTypeofMembrane

operatingUF

conditionoftestunit

Membrane

MolecularWeightCutoff

100000Da(0.01〃m)

Material

HydrophilicPolymer

TypeofModule

InternalPressureTypeHollowFiberUltrafiltrationMembrane
Size:Length1320mm,Diameter450mm
Ef托ctiveMembraneSurfaceArea:125m2/module

ModuleModuleNumber:2

TotalEf托ctユVeMembraneSurfaceArea:250m2
TypeofFiltration

Dead

Fll+Ⅹ

1.3‑3.Om3/m2/d

BackwashFrequency

Once/45‑64min.

Recovery

84‑93%

tわ上47∧b.J(2仇I且/助EndFiltratユOn and

Cross一口owFiltlation

神鋼パンテツク技報

2J

訂｢琴

肝

degreedegree∃一川叩.･+一LLi.LF

■‥首一
Value

+

mg/L

TotalManganese

mg/L
N/mL

卜+
表

股ろ過水水質分析結果

3

Table3

Analysis

実験装置の外観view

mg/L

TotalIron

Water

0.9(0.4〜1.5)
7.5(6.9〜8.3)
2.1(1.8〜2.5)
0.02(<0.01〜0.05)<0.005(<0.005〜0.006)
85(2〜480)
Positive(＋)

ColifomlBacteria

転‑ブ市+.
Outsidequality
Raw

Turbidity

GeneralBacteria

l

water

ofraw

Color

pH
Permanganate

巨
PI10tO

原水水質分析結果
AnalysisParameter

ヽ

写真1

2

表

.包｢∵ Table2

ぷTl

Ofpilot

offilteredwater

qualityParameter
plant

Color

degree<1

Turbidity

degree<0.1

pHPermanganate

Permeate叫FilteredValue

7.5(6.9〜8.4)
1.7(1.5〜1.9)

mg/L

TotalIron

mg/L

<0.01

TotalManganese

mg/L
N/mL

<0.005GeneralBacteria

Water

0

ColifomlBacteria

Negative(‑)

8E0110WFibe巧
BⅦ1dles

地ICollecbr

たため,全実験期間の227日中,数時間を除き全量ろ過方式による運転であった｡
Conc印血8k叫d▲/3.実証実験結果
3.1原水性状
原水の水質分析結果を表2,4に示す｡原水濁度

2

図
Fig.2

股モジュールの模式図
Schematic

diagramofmembrane

は0.4から1.5度を示し,一般細菌が最大で480個/mL
moduleであり,大腸菌群が検出されたものの,鉄,マンガ
ン,過マンガン酸カリウム消費量は水質基準を満足
プ,逆洗用次亜塩素酸ナトリウム注入設備,洗浄水した｡

また,実験期間内に3回実施した水質基準46項目

槽,排水槽,空気圧精機で構成されている｡
膜モジュールはケーシング収納方式であり,中空試験においては,大腸菌群が検出され,臭気は藻臭

糸はケーシング内で8分割されて配置され,モジューを呈したが,そのほかの項目については水質基準を

ルの中央部に集水装置を有する構造である｡

満足した｡

2.2

3.2

実験方法

運転状況

実験にもちいた原水は,琵琶湖表流水である｡原

流束の終日変化を園3に示す｡2002年1ノロ12日に水を原水槽に受け,膜ろ過ポンプにより原水中の爽

流束1.3m3/皿2/dで開始し,最大3.Om3/皿Z/dまで流束

雑物を自動洗浄式ストレーナ(目開200〃皿)で除を上昇させたが,約7カ月間薬品洗浄をすることな去した後,膜モジュールに供給し,膜ろ過する｡物

く運転が可能であった｡本実験期間中の原水の水温

理洗浄は45から64分の一定時間ごとに逆圧水洗浄をは最小5.8℃,最大27.7℃,平均11.9℃であった｡

実施する｡逆圧水洗浄は,膜ろ過水に洗浄排水中の補正膜差圧の終日変化を園4に示す｡補正膜差圧

残留塩素濃度が2から5mg/Lとなるように次亜塩

は当初の30kPaから流束の上昇とともに上昇した｡

素酸ナトリウムを注入しておこなった｡

約7カ月後の流束3.Om3/皿2/dにおいて,補正膜差圧

本実験では原水濁度10度で全量ろ過方式からクロは90から110kPa程度を示した｡流束3.0皿3/m2/dに

スフローろ過方式へ自動切替となるが,実験期間中

おいても補正膜差圧の急激な上昇は認められず安定

では原水濁度は平均0.6度と濁質が低い原水であっした運転が可能であった｡

2Z

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫4

表Table4

水質基i準46項目の水質分析結果
Analysis

ofwaterqualityParameter

2002/5/9

Water(〕ualityStandardsof
WaterworksLaw

RawWater

Filtered

Water

1

GeneralBacteria

2

ColiformBacteria

3

Cadmium

0.01mg/LorLess<0.001<0.001

4

Mercury

0.0005mg/LorLess<0.00005<0.00005

5

Selenium0.01mg/LorLess<0.001<0.001

6

Lead

0.05mg/LorLess<0.001<0.0010.01mg/LorLess<0.001<0.001

7

Arsenic

8

Hexavalent

9

1000rLess(countノmL)

Chromium

Not

Detectable

480

Positive(＋)

Negative(‑)

0.05mg/LorLess<0.005<0.005

Cyanide0.01mg/LorLess<0.001<0.001

10

NitrateN肘ogenandNitriteNitrogen

10mg/LorLess

0.17

0.16

11

Fluorine

0.8mg/LorLess

0.08

0.08

12

Carbon0.002mg/LorLess<0.0002<0.000213

1,2‑dichloroethane

0.004mg/LorLess<0.0004<0.000414

1,1‑dichloroethylene

0.02mg/LorLess<0.001<0.001

Tetrachloride

15

Dichloromethane

0.02mg/LorLess<0.001<0.001

16

Cis‑1,2‑dichloroethylene

0.04mg/LorLess<0.001<0.001<0.0005<0.0005

17

Tetrachloroethylene

0.01mg/LorLess

18

1,1,2‑trichloroethane

0.006mg/LorLess<0.0006<0.000619

Trichloroethylene

0.03mg/LorLess<0.001<0.001<0.001<0.00120

Benzene0.01mg/LorLess

21

Chloroform

0.06mg/LorLess<0.001<0.00122

Dibromochloromethane

0.1mg/LorLess<0.001<0.001

23

Bromodichloromethane

0.03mg/LorLess<0.001<0.001

24

Bromoform

0.09mg/LorLess<0.001<0.001<0.001<0.00125

TotalTrihalomethane

0.1mg/LorLess

26

1,3‑dichloropropene

0.002mg/LorLess<0.0002<0.0002

27

Simazine

0.003mg/LorLess<0.0003<0.0003

28

Thiuram

0.006mg/LorLess<0.0006<0.000629

Tiobencarb

0.02mg/LorLess<0.001<0.00130

Zinc

1.Omg/LorLess<0.005<0.00531

Iron

0.3mg/LorLess

0.01

<0.01

32

Copper

1.Omg/LorLess

33

Sodium34

Manganese

35

ChlorideIon

200mg/LorLess

9.6

9.6

36

Calcium,MagnesiumHardness

300mg/LorLess

38.9

38.8

37

EvaporatedResidue

500mg/LorLess

38

AnionicSurfaceActiveAgent

0.2mg/LorLess

39

1,1,1‑trichloroethane

0.3mg/LorLess40

PhenolicCompounds

41

PermanganateValue

200mg/LorLess
0.05mg/LorLess

<0.01

<0.01

7.8

7.8

<0.005<0.005

64

62

<0.02

<0.02

<0.0005<0.0005

AsPhenolO.005mg几orLess<0.005<0.00510mg/LorLess

2.2

1.6

5.80rMore42

pHValue

43

Taste

44

Odor

NotAbnormal

45

Color

5degreeorLess

1

<1

46

Turbidity

2degreeorLess

1.3

<0.1

tわ上47∧b.J(2仇I且/助8.60rLess

7.7

NotAbnormal

神鋼パンテツク技報

7/7
NotAbnormal

Algous

None

23

監

つ鼻○】戸詔○占○召日印∃声(‖こ賀召岳鼻‑○召芦(空札月｢M白)肖一‑hノノノノノノ//ノ〟〟

1/12

2/11

3/13

4/12

5/1ヱ

6/11

さ/15̀:00

8/159:(泊さ/1512:00

2(X)2

3

図
Fig.3

5

流束の終日変化図

ChangeFig.5

offll皿股差圧の経時変化
ChangeE萱竺∃(空札月M白)臼一E(pON召J皇巴戸盟巴h

l

4/12

pressure(○巴臥首)音声

1/12
】/1:1

oftransmembrane

圏O白巴貞一B喜巴戸一再ち○呈U

2/11

8/1515:(泊

2∝氾

ユ/11

3/13

4/12

5/12

6/11

7/11

8/10

9/9

5/12

2(拍2
20【辺

4

図
Fig.4

ofcorrected6

図

補正股差圧の終日変化
Changetransmembrane

濁度の終日変化

Fig.6

Changepressure

ofturbidity

ろ過開始から逆圧水洗浄までの期間ごとの膜差圧の経時変化を園5に示す｡膜差圧はろ過の継続にと00(一旦巴口盟p占○ヨト宍召R爪岩岳司巴戸もない上昇し100kPa程度を示したが,逆圧水洗浄〆′叶メイ♂J〆

00

により80kPa程度に回復した｡本実験では次亜塩素の酸ナトリウムを注入して逆圧水洗浄をおこなってい仰るが,木原水は琵琶湖表流水であり,藻類などの生祁物に由来する濁質が多いため,ろ過性の回復には次亜塩素酸ナトリウムが有効であることが考えられる｡
3.3

耳/1911:ユ0

2002

処理性能
7

図

膜ろ過水の水質分析結果を表3,4に示す｡原水

股差圧の経時変化

Fig.7の濁度はおおむね1度程度を示し,膜ろ過水の濁度

Changeoftransmembranepressure

は0.1度以下と100%の除去がえられた｡膜ろ過水の銑

マンガンはそれぞれ0.01皿g/L以下,0.005mg/L

3.4

以下であり,常に100%の除去がえられた｡
原水に検出された一般細嵐において良好な処理性能が継続してえられた｡

大腸菌群は膜ろ過に

高濁度実験
実験期間中の原水濁度は1度程度と低い値を示し

より完全に除去された｡また,水質基準46項目試験たため,降雨などにより原水の濁度が急激に上昇しにおいてもすべての項目で水質基準以下と良好な処た際の運転性能,処理性能の調査･確認をおこなう

理状況を示した｡

高濁度実験を実施した｡浄水場内の土を原水に所定

原水および膜ろ過水の濁度をオンラインで監視した結果を園6に示す｡これより原水の濁度は通常はて実験をおこなった｡

運転は流束1.5m3/皿2他

1度程度であり,10度を超えたのは2回であった｡
膜ろ過水の濁度は0.001度以下を示し,全実験期間
朗

量添加し,100度程度の高濁度水を人工的に調草しクロスフローろ過方式にて4時間程度おこなった｡膜差圧の経時変化を園7

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫5

表

原水および股ろ過水の分析結果

Table5

Analysis

ofwaterquality

2002/8/19

Parameter

RawWater
Turbidity

degreeColor

degree2002/8/19

RawWater

FilteredWater

120

7(130)

RawWater<0.1

DissoIvedManganese

mg/L<0.005<1

DissoIvedIron

mg/L

0.07

pH

7.1

7.0

PermanganateValuemg/L

TotalManganese

mg/L

0.25

<0.005GeneralBacteria

N/mL

TotalIron

mg/L

7.2

<0.01

Coliform

mg/L

6.1

<0.01

Color:(ApparentColor)

Aluminum

6

表Table6Bacteria

24
45000

Fil【eredWater

1.9
0

Positive(＋) Negative(‑)

股差ノ工の回復状況
Recoveryoftransmembranepressure

TransmembranePressure(kPa,at25℃)
Fll+Ⅹ
StartofOperation

RecoveryRate

BeforeChemical

AfterChemical

Cleanlng

Cleanlng(%)

1.5m3/m2/d

29.4

36.4

29.4

100

3.Om3/m2/d

63.5

84.0

63.8

100

に示したように,急激な膜差圧の上昇は認められなルカリ洗浄としては次亜塩素酸ナトリウム,酸洗浄

かった｡ろ過開始時の膜差圧は80kPaを示し,ろ過としてはクエン酸をもちいて薬品洗浄を実施する｡
薬品洗浄後の膜差圧の回復状況を表6に示す｡流

の継続とともに上昇し,逆圧水洗浄の直前では100kPa程度を示したが,逆圧水洗浄によりろ過開始時

束1.3皿3/皿Z/dおよび3.0皿3/皿Z/dにおいても膜差圧のの80kPaまで回復した｡

回復率は100%と良好で,運転初期とほぼ同等の回原水および膜ろ過水の水質分析結果を表5に示す｡
原水の濁度は120度であったが,膜ろ過水は0.1度以復がえられた｡
実証実験まとめ

3.6

下であり100%の除去率がえられた｡原水の色度は

大容量UF膜をもちいた膜ろ過装置において,流7度(見かけ色度130度)であったが,膜ろ過水は

束1.3皿3/皿Z/dから3.0皿3/m2/dで約7カ月間薬品洗浄

1度以下であり100%の除去率がえられた｡原水のすることなく安定した運転が可能で,膜ろ過水は常過マンガン酸カリウム消費量は24mg/Lであったが,に水質基準を満足した｡また,原水の濁度が100度

膜ろ過水は1.9mg/Lであり92%の除去率がえられを超えるような一時的で急激な濁度上昇に対してもた｡原水のマンガンは0.25皿g/Lであったが,膜ろクロスフローろ過方式により安定した運転を継続し,過水は0.005mg/L以下であり100%の除去率がえら

膜ろ過水は水質基準を満足した｡

れた｡原水の鉄は7.2皿g/Lであったが,膜ろ過水は薬品洗浄では,アルカリ洗浄で次亜塩素酸ナトリ

0.01mg/L以下であり100%の除去率がえられた｡

ウム,酸洗浄でクエン酸をもちいることで,運転初原水のアルミニウムは6.1mg/Lであったが,膜ろ過期と同程度の回復がえられた｡

水は0.01皿g/L以下であり100%の除去がえられた｡

4.海外での導入実績

大腸菌群は原水で検出されたが,膜ろ過

一般細嵐
水では検出されず,完全に除去された｡

海外で稼動している実施設の導入実績を表7に示す｡その一例としてルーアン浄水場の実施設写真を

このように高濁度時においても本UF膜ろ過装置

写真2に,膜ろ過施設ユニット図を園8に示す｡本

の運転性能および処理性能とも安定しており,良好

浄水場はフランス首都パリの北西部セーヌ川のはとな結果がえられた｡

りに位置し,2000年より運転を開始した計画浄水量

3.524000m3/dの膜ろ過施設である｡原水は地下水で薬品洗浄

長期間運転すると,濁質成分などの膜への蓄積により,膜差圧が上昇し,逆圧水洗浄でも回復しなくなる｡この場合薬品による洗浄をおこない,膜ろ過性能を回復させる｡薬品洗浄に使用する薬品は,アtわ上47∧b.J(2仇I且/助あり,膜ろ過後,塩素消毒により浄水としている｡

む

す

び

当社では,1991年より始まった水道分野の官･苧･民の共同プロジェクトMAC21,ACT21に参画し,

神鋼パンテツク技報

2∫

7

表

海外における大容量UF股モジュールを採用している浄水場例

Table7

Purification

CountryplantsprovidedStartofOperation

USA

FRANCE

membrane

Capacity(m3/d)

Raw

30000

Surface

2002

USA

UF

withlarge‑SCale

2002

15000

2003

30000

2002

120000modules

Water

Combined

Water

Treatments

Clarification

Pre‑treatment

Groundwater
Surface

Water

Pre‑03,Set山一g,SandF山廿ation,Cristal(※〉Remineralization,Pre‑03,PowderedActivated

FRANCE

2001

20400

Surface

FRANCE

2000

24000

Groundwater

FinalChlorination

bymembrane

and(※)Cristal:Combined

reactorsintegraOng

aseparation

=･･.I

Water

Carbon,FinalChlorination

a山1eatmentOfan+

adsorpOoninliquid

亡･■■l

ど･ヽ

‑･････:̲....￣..コ←+
戸■■で一lL一‑丁.1■Th⊥
1i

写真

2

Pboto

2

8

ルーアン浄水場

図

Rouen

Fig.8

purification

plant

.̲し

股ろ過装置ユニット囲Membranepurification

膜ろ過技術の開発,研究を進めてきた｡その知見に[参考文献]

基づき本実験を実施し,大容量UF膜の実用化を可

1)永井康敏:水道技術ジャーナル
結果報告),No.23,(2002),p.4‑9unit能とした｡さらに,大容量膜ろ過技術や浄水処理トー(股ろ過装置の調査

タルシステムの開発を進めるべく,2002年から始まっ

2)西尾弘仙:神鋼パンテツク技報,Vol.46,No.2,(2003),p.32‑40

た｢環境影響低減化浄水技術開発研究+(e‑Water)3)Frederic

Colasほか:Huge

Scale

Plant

に参画しており,今後も浄水膜ろ過の研究開発に積Unit,第52回全国水道研究発表会講演集,(2001),

極的に取組んでいく所存である｡

p･690‑691

Ultrafiltration

連絡先
長谷川

雅

宏

TE
FAX

技術本部
技術部
買‡2技術室L

O78‑232‑8119

O78‑232‑8058

E‑mailm.hasegawa@pantec.coJp

2β

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫"FMモジュールの膜分離活性汚泥法への適用

AppllCationof t■FM

Membrane

Bioreactor

ウ申Modulet■toSystem㌔弓三三ウJ(技)研究圃発部第5研究室
野中信
ShinichiNonaka(フ〕カスタマーサービス部
松田勉

Ts11tOmllMatsllda

膜分離活性汚泥法において,膜分離装置で高Fluxをえるためには膜透過性に優れた汚泥性状を維持することが重要と考えられる｡そこで高Flu又を維持するための曝気槽運転方法を検討した｡
曝気槽に蓄積する生物代謝産物(SMP:Soluble

MicrobialProducts)に着目してベンチ試験で調査した結果,SMPが高いほどFluxは低くなることが示唆された｡さらにFMモジュールをもちいたパ
イロット実験において曝気槽のSRTを適正に管理することによりSMPを一定の範囲に維持することができ,その結果より高いFluxにおいて安定した膜間差圧を維持して運転できることが確認できた｡またFMモジュールは浸漬方式にくらべて2.5倍程度の高Fluxがえられることがわかった｡

Mailltai血唱比gh

per皿eabilityofactiv血ed

sludgeisi皿pOrta山tobioreactoroperatio□.Colltributillgねctorsto
be□Ch

scale

The

equip皿e山be□Chobtai血唱
test

excellellt

suggested

microbialproducts(SMP)accu皿ulatedi□bioreactor.
that

SMP

that

thelow

activated
as

high

could

be

mailltailledi□the

tra皿Smembra皿esludgeflux

aspreSSure

ra皿ge

WaS

also

SMP.Further皿Ore,it

oflow
the

fixed

by

tha土

The

pilot

with

out

the

a

SRT

of

by

uslllgSOlubleFMprovedmodulebioreactor,弧dflux

FM皿Odule

membra□etheillCreaSlllg
uSi□gmallltailledillhigher
that

flu又With

wereillVeStigatedexperi皿ellt

COl山011il唱theturlledsub皿erged皿e皿bra皿e

per皿eability

nuxlowered

stably

high

get

co山d

veriBedcollditiollWith

theobtail12.5

ti皿eS

SyStem.

申)′仲brdゞ:膜分

離膜分離活性汚泥法
膜

平
S

逆

M

圧

P

洗

Membra□e

Separa土ioll

Membra□ebioreactor

Flatmembrallesheet

systemSoluble皿1CrObialproducts

浄

Back

pressureclea山口g

規模下水道分野での採用が決まるなど,適用拡大がまえがき
膜分離活性汚泥法は従来の活性汚泥法における同期待される技術である｡当社はROCHEM‑UF寺夜分離などの運転管理上の煩わしさの解消,設置面

System社と独占販売契約を締結し,クロスフロー積の低減,処理水質の向上を目的として開発されて型の膜分離装置"FMモジュール'フの販売を開始しきた｡膜分離活性汚泥法は工場排水処理や浄化槽のた｡1)FMモジュールは平膜でありながら逆圧洗浄分野で着実に実績を伸ばしており,また近年では小が可能,また自動薬品洗浄ができるなどの優れた特tわ上47∧b.J(2仇I且/助神鋼パンテツク技報27

長を有している｡しかし従来法とくらべるとコスト

モジュールに加圧供給することでろ過処理水がえら

面でやや高く,処理能力アップ,建設費削減など縛れる｡FMモジュールの構造特長およびFMモジュー

合的なコスト低減を目指した改良･改善が必要であルをもちいた膜分離活性汚泥法の処理性能2)などをる｡

園1にまとめた｡

前報2)では,膜分離活性汚泥法でもちいられる膜

1.2モジュールの方式や設置方法などを概説するととも

F柑モジュールの課題

膜分離活性汚泥法でもちいられる膜分離装置にはにFMモジュールをもちいた膜分離活性汚泥法の実

クロスフロー方式のほかに浸漬方式があるが,現在

証実験結果を紹介した｡本報では膜分離性能を高め主流となっているのは浸漬方式である｡浸漬方式がることを目的として実施した,汚泥の性状面に着目採用されている理由の一つは動力コストが安いことした曝気槽運転管理手法に関する調査検討結果を中である｡浸漬方式では曝気空気を利用してファウリ

心に,浸漬膜方式との性能比較結果もあわせて報告

ングを防止するが,クロスフロー方式ではポンプでする｡

一定の寺夜流速を与えて防止する｡両者を比較するとポンプ動力のほうが大きくなる｡FMモジュールは1.

FMモジュールをもちいた膜分離活性汚泥法

従来のクロスフロー方式より小さい流速で処理できるよう開発されたものであるが,さらに動力コスト

1.1FMモジュール概要
FMモジュールは膜モジュールを曝気槽外に設置を削減するための工夫が必要である｡一方で,浸漬するクロスフロー方式に分類される｡FMモジュー

方式は難ろ過性汚泥への適用が困難で,また,薬品

ルをもちいた膜分離活性汚泥法では,排水と汚泥を洗浄をおこなう際に膜モジュールを槽外に取り出さ含んだ活性汚泥混合液を循環ポンプで曝気槽から膜なければならないといった問題がある｡この槽外薬

Basis

Type

Flat

Licenser

ROCHEM‑UF

Membrane

SYSTEMINC.(Germany)n山一C血1加bEp､.

ComposiOon

血
n血細
S砂地

㌔
Mambrane

type

Theintervalof
Characteristics

be

can

selected

turbidityof theinfluent･
BackpressurecleanmglS
Chemicalcleanlng
AerationCantoaccordingcanmembranes

be

use･

a〔Uusted according

pOSSible･beperformed

automatically･

Tank

FM

ModuleInf.BOD

5300mg/L

MLSS

10‑15000mg/L

Experimental

Inf.SS

lO70mg/L

Viscosity

150‑400mPa･S

PerfomlanCe

BODLoadingRate

O.2kg/(kg･d)

Fll+Ⅹ

BOD

to

O.6m/dTransmembrane

Removal>99%

O･1‑0･2Mpa
Pressure

図1FMモジュール技術概要
Fig.1Summary

aダ

ofFM

module

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫品洗浄には多大な手間と労力を要する｡FMモジュー

来代謝成分の3種類に分類される｡

ルは薬品洗浄をワンボタンもしくは全自動でおこな(塾 SMP濃度は曝気槽運転時閉経過とともに増うことができ,浸漬方式が不得意としていた難ろ過

加し,成分(a〜C)構成比も時間とともに変性汚泥など,新規分野の開拓が期待できる｡システ化する｡

ム全体のコスト縮減を図り,より競争力を持った商③

SMPはゲル屑,ケーキ屑形成に大きく関与

品に育てるために様々な課題解決に取組んでいるとし,SMP増加にともない膜Fluxは減少する｡

ころである｡

膜分離活性汚泥法で高Fluxをえるには膜透過性に優れた汚泥を安定的に維持することが重要であり,

2.膜分離に対する汚泥性状の影響
処理設備の膜面積は運転費および建設費に大きくそのためにはSMPの挙動,SMP蓄積に対する影響影響し,コストを縮減するにはFlu又を高めて膜面因子を把握し,SMPを制御する曝気槽運転方法の積を削減しなければならない｡Fluxは汚泥の性状,確立が必要と考えられる｡

すなわち粘度や粒径などのろ過性に関する性状に影

3.ベンチ試験によるSMPに関する基礎調査響される｡このことは膜分離のろ過抵抗式からも推察できる｡

SMPの挙動,SMP蓄積に対する影響因子を把握♪=△P//勺(月∽＋月♪＋軸＋月c)･することを目的としてベンチ試験をおこなった｡･(1)3.1試験装置
試験装置は下記に示すように,曝気槽には有効容♪甜〟肋Flu又(膜透過流束)[血d]
操

作

液

の

膜

圧

力[Pa]

粘

度[Pa･S]工(株)製のClO‑T型薄屑流式平膜テストセルを使

抗[1/m]用した｡

抵

月♪:目詰まり抵抗[1/m]ル

軸:ゲ

積5LのH筒形槽を使用し,膜分離装置には日東電屑抵墜̲̲̲量̲̲̲̲堕寸

抗[1/m]

法

範囲3〜5L(常用4L)

反応容積

如:ケーキ屑抵抗[1/m](1)式における各々の因子は,△Pと月∽が膜装

内径150mmX高さ360皿m

埋全墜装置
形

置に,〃と月♪が汚泥性状に関わり,月♂と如が両式

膜種類方に関わるものである｡汚泥性状は排水の成分と曝気槽運転条件に左右される｡曝気槽の運転条件を最3.2

適化することにより仏

1)試験原水月♪および軸を小さくし,薄屑流式平膜テストセルClO‑T型
UF膜,分画分子量50000

試験方法

かつFMモジュールの洗浄方法を工夫することによ

試験にはグルコースと酢酸ナトリウムをBOD娘

り月♪,軸および如を小さくすることが高Fluxをとする合成排水を使用した｡合成排水のBOD濃度えることに結びつくと考えられる｡

は試験条件によって1200〜7200皿g/Lの範囲で変化させた｡また合成排水には,BOD:N:P=200:

汚泥性状を表す指標には粘度,粒子径などがある
が,生物代謝産物SMP(SolubleMicrobialproducts)

5:1の割合で窒素とリンを添加した｡

もその一つである｡桃井らはSMPの蓄積特性およ2)曝気槽運転条件

び膜透過に対する影響について研究し,次のように試験条件を表1に示す｡試験は膜透過水量が制限されるため,原水供給量を同定し,BOD負荷,原

報告している｡3)

水BOD濃度およびMLSS濃度を変化させ4条件に(丑 SMPはa)中間代謝成分,b)最終代謝成分

設定しておこなった｡(aの分解生成物),C)微生物の内生呼吸由

表1ベンチ試験条件
TablelConditionof bench

test

Runl
Flow

Rate

Influent

BOD

BOD‑SS

Loa山一g

Rate

MLSSinAeration

Tank

FrequencyofSludgeDischarge

tわ上47∧b.J(2仇I且/助[L/d】[mg/L】[kg/(kg･d)】[mg/L】[times/d】

Run2
2.0

1200

2.0
2800

0.1
6000

Run3
2.0
5600
0.2

7000

Run4
2.0
7200
0.4

7000

神鋼パンテツク技報

0.4
9000

2β

畑

圏

肌

口凰

紬

㌔□

【音‑]hヨ￠の[盲】一‑】丘∽
の

□+]

胡

V､

X

仙

‥八

▲

〉戸

1

▲

▲

㌔1▲
▼0

ロ｡｡亀̀止

30

の

0.0

0.1

0.2

址【d】
2

図
Fig.2

SMPの推移図Change

Fig.4

ofSMP

4

0.1

0.5

0.古

BOD‑SS負荷とSMPの関係
Relationship
rate

㈲凰

80

0.さ

mDSl山野bdi喝R血【垣/吐g･d]BOD

betweensludgeloading

SMP

and

1(〉0

圏

80

【盲‑]h】̀功

□□

00

叫

[盲】白虎

占x

▲

▲
□

▲池口

×

▲
▲

.▲

▲▲

1

｡斗♂▲
0

2∝氾

4(氾0

占㈹

1三

名(I∝〉

MIぷS【m〆L]
3

図
Fig.3

20

40

MLSSとSMPの関係
RelationshipbetweeǹO

SRT[d]
MLSS

and

SMP

5

図

SRTとSMPの関係

Fig.5

Relationshipbetween

SRT

and

SMP

3)装置運転方法

圏

試験にもちいた膜分離装置は流量,圧力を制御し0ていないため,時間とともに透過水量が変動し,曝

▲

0

加

車や膜透過水を曝気槽に返送することでMLSS濃

▲▲

卓

▲iロ

【(ヂ皇日月』

気槽水位が変化する｡このため,原水供給時間の調

▲

▲

▲
▲X

1

度,BOD負荷およびSRTを一定に維持した｡膜の洗浄は1日に1回,装置を解体しておこなった｡
3.3

X

試験繹果

試験期間のSMPの推移を園2に示す｡ここで

▼0

20

40

̀0

80

1(沿

SMp【皿〆L]

SMPは下記方法で求めた｡
6

図

SMP=(TOCM｡‑TOCし｡)･･･(2)

TOCMF:曝気槽混合寺夜の遠心分離上澄液のFig.6

SMPとFll皿の関係
Effect

of

SMP

on

Flux

of membrane

められた｡連続運転における目平均Flu又値をもち0.45〃mフィルターろ液のいて,SMPとFluxの相関を求めたところ,園6にTOC[mg/L]

示すようにSMPが小さいほどFluxは大きくなる傾TOCし｡:膜透過水のTOC[mg/L]
SMPはRu□2の途中から上昇しRu皿3で最大値に達した｡しかし,その後上昇することはなかった｡
曝気槽運転操作因子のMLSS濃度,BOD負荷お向があった｡

4.パイロット実証実験
ベンチ試験にてSMPが膜透過性に影響をおよぼすことが確認され,SRTを適正に管理することによびSRTとSMPの関係を園3〜5に示す｡SMP

よりSMP濃度を一定範囲に制御できる可能性が示

は3因子の中ではSRTとの間により高い相関が認

唆された｡

3〝

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫高Fluxをえるための曝気槽運転管理方法確立を

50000のUF膜を使用した｡実験フローを園7に示目的として,実排水によるパイロット実証実験をおす｡曝気槽とFMモジュールの間に中間槽を設け,こなった｡実証実験ではゲル屑抵抗,ケーキ屑抵抗

中間槽の水位検知により曝気槽への原水供給をを増大させることなく,安定したFluxをえるため

ON‑OFF制御した｡原水流量を透過水量より大きくの膜洗浄方法の検討を併せておこなった｡

設定することで,FMモジュールの24時間連続的運4.1実験装置転を図った｡

実験装置の什様を表2に示す｡曝気槽は有効容積が2m3のH筒形槽である｡FMモジュールは膜縛面

4.2

実験方法

1)実験原水,種汚泥積が17.4皿Zで,モジュール3本を直列に配して使A工場のリンス系排水を実験原水とした｡原水の主成分は製品洗浄用の有機溶剤であり,固形物はば用した｡膜にはベンチ試験と同様の分画分子量

とんど含まれておらずSS濃度は10mg/L以下であ2

表
Table2

実験装置什様Specification

る｡曝気槽への原水供給量は膜透過水量が制限要因
test

ofpilot

equipment

Item

Aeration

Tank

Membrane

Moduleとなるため,所定のTOC負荷を与えるために排水SpecificationSize￠800mmX4000mm可D

Capacity

2m3

MembraneType

UF

Material

Polyacrylonitrile

MWCO*

50000

QuantityofModule3

Arrangement

SeriesTotalMembraneArea

17.4m2

Weight*MWCO:MolecularCutの主成分となる薬品を添加して実験に供した｡曝気槽の種汚泥には工場内の浄化槽の返送汚泥を使用した｡

2)実験条件
実験はリンス排水の主成分に対する汚泥の馴養,
曝気槽の適正TOC負荷の確認およびFMモジュー

Modules

ルの洗浄方法の確認などを終えた後におこなった｡
実験条件を表3に示す｡実験は曝気槽SRTを44〜

off

67日としたRulllおよびSRTを30日としたRul12の3

表
Table3

パイロット実験条件
Condition

ofpilot

test

Item

Runl

[kg/(kg･d)】[mg/L】[d】[times/d】

TOC‑SSLoadingRate
Aeration

Tank

MLSS
SRT
FrequencyofSludgeDischarge[m/d】[m/sec】[times/d】[times/month】

Flux
FMModule

CrossFlowVelocity
FrequencyoFBackPressureCleanl咽FrequencyofChemicalCleanlng

Run2

0.05

0.05

8000〜10000

6500

44〜67

30

4

6

0.35〜0.5

0.35〜0.4

0.8

0.8

12〜24

24

1

1

B曲r'bI止A血Ⅶ舶触

血￠亡̀娼;

S血如J

A血伽血

S叫丁七止

触tPl皿1土S噛Stor喝O
Tmk

図
Fig.7

7

パイロット実験フローシート
Flowdiagramofpilottわ上47∧b.J(2仇I且/助test

神鋼パンテツク技報

3J

500

◎･･ゆ･･や･･や････ふや･･々･･･････や･････････d･････冶････噂････材[垂]1‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑=‑‑‑‑‑‑‑‑‑.〇6旬と)点じ凸F[d巴む8ち田内(?甘口盲占8d東

署曇じ凸戸

400

加

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加

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0.00
30

45

畑

加【d】

8

図

TOC負荷,TOC除去率の推移

Fig.8

ChangeTOCofsludge20

10ading

rate

10

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TOC

and

removalefBciency

500

画司
400
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一●‑ⅥMゆ1030

45

Tme[d]

of

MLSS,SMP,Viscocity

byfilter paper

晶□

喜加

□

□

♂□

100

[コ

MLSS【m〆L]

図10曝気槽操作凶子とSMPの関係

粘度およびろ紙ろ過仕の推移

MLSS,SMP,
Change50【㌘d包R]さ【写○∽でr■針■即■バ即■小■針■肘Ⅶ且｡日月凸芦8内貞訂‑｢H日】)訳声量貞』

萱300

山◆̲̲̲̲̲些些̲̲̲̲̲◆Fig.10Dependence

andofoperating

filtrate
tank

test

on

factors

ofaeration

SMP

給してポンプ循環と静置浸漬を繰返す方法とし,12条件でおこない,SRTによるSMP制御の検討お回/1〜1.5カ月の頻度でおこなった｡

よびSMPのFMモジュールFlu又への影響を調査し4.3た｡曝気槽のTOC‑SS負荷は0.05kg/(kg･d)に同定

1)曝気槽処理水質

した｡

実験繹果

TOC‑SS負荷およびTOC除去率の推移を園8に示す｡TOC‑SS負荷約0.05kg/(kg･d)においておおむ

3)FMモジュール運転方法
FMモジュールの運転は定流量ろ過方式を採用し,クロスフロー流速を約0.8m/secとした｡ろ過時間

ね95%以上のTOC除去率がえられた｡
2)汚泥性状の経過にともない膜間差圧が上昇するが,定期的な曝気槽汚泥のMLSS濃度,SMP,ろ紙ろ過性お逆圧洗浄と薬品洗浄により膜面付着物を排除して差よび粘度の推移を園9に示す｡MLSS濃度はSRT

圧回復を図った｡逆圧洗浄は膜の処理水側から水もによって変化し,Ru山で8300〜9800mg/L,Ru□2

しくは空気を送り,ファウリング物質を除去する方で6100〜7200皿〆Lであった｡SMPはRu山では時法である｡今回は膜処理水をもちいて1〜2hに1間経過とともに上昇する傾向にあったが,Ru□2で回の頻度で逆圧洗浄をおこなった｡薬品洗浄は曝気

SRTを下げるとSMPは約1/2に低下した｡

槽混合寺夜の代わりに次亜塩素酸ナトリウムを500

ろ紙ろ過性は一定条件の下,汚泥を5分間ろ過し皿g/L濃度に調車した膜処理水を膜モジュールに供てえられるろ寺夜量を表し,浸漬方式膜分離装置の適ヱ2

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

用可否判断にもちいられる指標である｡通常,ろ紙

理性能に影響することが伺える｡なおFMモジュー

ろ過性は10mL以上が望ましいとされている｡実験

ルではクロスフロー流速を高めればさらに高い

汚泥のろ紙ろ過性はおおむね2皿L以下であり,膜Fluxをえることができる｡短時間の運転データで

分離活性汚泥法の適用は困難と判断される汚泥であっはあるが流速11山secにてFluxO.61山dがえられてた｡粘度については45日目までは60から10皿Pa･S｢‑且ぷ芦岳身h】81岩倉0∃月空r〇一月一叫h[J且一月H】中‑di臼ヨ』h一り目月(芦8声月叩h[づ且一也0戸日計h】8∃hh一〇8日̀(芦り盲月日h

へと時間経過とともに低下した｡この期間の粘度低下は原水成分に呼応した南柏およびフロック状態の変化によると推定される｡一般に粘度はMLSS濃度に比例するが,実験汚泥はその相関がみられず,
特典な汚泥ということができる｡
3)SMP影響因子およびSMPの制御
曝気槽運転操作因子とSMPの相関関係を求めた｡
その結果を園10に示す｡SMPはベンチ試験の結果と同様にSRTとの間により高い相関関係が認められた｡ろ紙ろ過性についても調べたが,園11に示す
ようにSRTとの間に相関関係が認められた｡
4)SMPの膜透過性に対する影響
SMPと膜透過性能の関係を調べるため,SMPの異なる汚泥について回分ろ過試験をおこなった｡回分ろ過試験は回転子でモ賢拝しながら窒素ガスで一定の圧力を加える方法とし,パイロット実験で使用した膜と同じUF膜をもちいて操作圧力を0.2Mpaとしておこなった｡膜透過性能は,ろ過時間15分後の膜透過流束Flu又15をもちいて評価した｡
SMPとFlux15の関係を園12に示す｡SMP70〜180
皿g/Lの範囲ではSMPが小さいほど,Flu又15は大きくなった｡以上の結果より,SRTを適切に制御しSMPを一定の範囲に維持することで,高い膜透過性能がえられることが確認できた｡

5)FMモジュールの膜透過性能
クロスフロー流速をおおむね0.81山secとして運転したときの膜間差圧およびFlu又の推移を園13に[垂亘車重垂垂]

2(I

40

SET【q

圏

mC5;崎山喝Ibte匹g/￠g･d)】[垂車重車重垂垂]

◆

◆

◆

◆

MlぷS【皿〆L]

図11曝気槽操作凶子とろ紙ろ過仕の関係示す｡実験開始から500hまでは膜間差圧は0.2Mpa

Fig.11Dependence

以下で安定した(区間A)が,500〜1100hの間はtank

ofoperating

factors

ofaerationof FM

modulefilterabilityon

膜間差圧が短時間で上昇し,かつ変動が大きかった(区間B)｡1100h以降は膜間差圧が安定する傾向にあった｡
1500h経過時点で薬品洗浄を実施した｡洗浄効
果により膜間差圧は0.1Mpaに低下した｡この軋Flu又を高めて運転したが,膜間差圧が一時的に上昇したものの1850hまで安定して推移した(区間C)｡区間A〜CにおけるSMPの推移をみると,区間AはSMPが150皿g/L以下の期間,区間Bは
SMPが180mg/Lから270皿g/Lに上昇する期F乱して区間CはSMPが200皿g/Lから100皿g/Lに低下する期間である｡このことからも,SMPが膜処
tわ上47∧b.J(2仇I且/助そSMア[m〆L]

図12Fluxに対するSMPの影欒
Fig.12Effect

神鋼パンテツク技報

of

SMP

on

Flux

33

A抑

B
邦

【勺＼百]×ゴーh【東巴まひ巨霊ひ占ひ当月一臣日払弓】ト

馳Ⅳ1帥一事27()‑‑‑‑◆与十‑一ニーーーーー◆
TiIⅧ

巨至至至至至至璽亘]P]

図13FMモジュール運転結果
Fig.13Timecourse

oftransmembranepressure

flux

and

いる｡本実験によりFMモジュールは,浸漬方式をいて,膜透過性に優れた汚泥をえるための曝気槽運適用できないような非常にろ過性の悪い汚泥でも安転方法を検討した｡曝気槽に蓄積するSMPに着目

定運転が可能であることが確認できた｡

してベンチ試験をおこなった結果,SMPが高いほ5.浸漬方式の膜透過性能

どFlu又は低くなることが示唆された｡FMモジュー

縛膜面積2m2の平膜をもちいた小型の浸漬方式

ルをもちいたパイロット実験では,曝気槽SRT管

膜分離活性汚泥処理試験装置によりFMモジュール

理によりSMPを高濃度に蓄積させることなく一定との膜分離性能比較をおこなった｡試験は同一汚泥の範囲に維持できることがわかった｡またSRT管をもちいておこない,パイロットテスト機の曝気槽理が高Flux化および膜間差圧安定化に効果があるから汚泥を連続的に導入･返送する方法とした｡まことを確認できた｡さらに,FMモジュールは難ろた,ろ過方法は間欠吸引方式とし,13分吸引,2分

過性の汚泥に適用が可能なこと,浸漬方式にくらべ停止とした｡FluxO.25血dで運転した場合,膜間差て2.5倍程度のFlu又がえられることがわかった｡

圧は時間経過とともに上昇し30kPaに達した｡実験
終了時点のFluxO.11山dにおける膜間差圧は30kPa[参考文献]であったが,さらに上昇する傾向にあった｡以上の1)島田光虫ほか(2001),p.46:神鋼パンテツク技報,Vol.45No.2

2)松田勉ほか:(2002),p.18

神鋼パンテツク技報,Vol.46

結果より浸漬方式の標準的な基準とされる30kPa以下の膜間差圧で運転できるFlu又は0.151山d以下であると推察された｡

すむ

用水と廃水(限外ろ過股の股透過流
3)桃井古宇ほか
束に及ぼす生物代謝産物の影欒),Vol.41No.4(1999),

びFMモジュールをもちいた膜分離活性汚泥法にお

p.23‑26

連絡先
野

中

信

技術開発本部
付｢究開発部買‡5付｢究重主任付｢先見

一

TE
FAX

L

O78‑992‑6525
O78‑992‑6504

E‑mails.nonaka@pantec.coJp

34

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

No.1

エステプロセス/農業集落排水への適用
Appl■Cation

Treatment

RuralSewerage

申PROCESS㊥toofS一丁E

Plant′l(技)研究圃発部第5研究室
Ilr
下
皆

生

Tets110Yamashita

農業集落排水処理施設から排出される余剰汚泥は堆肥化などへの再利用が進められているが,処理施設が普及するにつれて,堆肥の過剰供給が予測される｡このため余剰汚泥消滅型活性汚泥プロセスであるエステプロセスを農業集落排水処理施設へ適用することを目的として,2002年11ノロより実規模テスト機をもちいた汚泥減量化実証試験を約半年間おこなった｡4カ月間の定格運転をおこない80%以上の余剰汚泥を減量できることを実証した｡処理水質についてもBOD,COD,T‑N,T‑P
およびSSに関して,全て放流水の計画処理水質を卜分に下回る排水処理が可能であった｡処理コ
ストの試算から,従来の処分方法と比較して本プロセスが優れていることが証明された｡

The

excess

指rt山zerco血1Ctedsludgeover

willbeabout

efnue□tas

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Rlll‑SCaleactualtrea土me山pla山brapplicatio□

process).Excess

BOD,COD,T‑N,T‑P

Esti皿atiollOfsludge

treatme山pla山S

a皿dtreat皿e山COSt

prOVedsludgeSSdecreased

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decomposedwasprocessis

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S‑TE

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PROCESS⑧

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below

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申)′仲brdゞ:
農業集落排水余可剰Ruralsewerage

汚
溶

好 熱 性

細

泥

Excess化

Solubilizatioll

菌

Ther皿Ophilicsludgebacteria

集中して偏りが生じるため,年間を通して,安定しまえがき
農村地域において発生する汚水は,集落ごとの農た需要を確保することは難しく,排水処理施設から業集落排水処理施設において処理されている｡これ発生する全ての余剰汚泥を堆肥として利用することらの排水処理施設から発生する余剰汚泥は,｢農地は現状では困難である｡また,農村地域における排還元+の基本思想から堆肥などへの再利用化が進め

水処理施設の普及率は25%程度であるが,今後,られている｡しかしながら,堆肥の需要は農作期に急速な上昇が予想されることから余剰汚泥の発生量tわ上47∧b.J(2仇I且/助神鋼パンテツク技報3∫

も大幅に増加すると考えられ,余剰汚泥の有効利用と沈殿槽はそれぞれ2系列の構成となっており流入を堆肥化のみでまかなうことは困難と考えられる｡

汚水は汚水計量槽にて各系に等分配されて処理がおさらには,農業集落排水処理は地域分散型の処理設

こなわれる｡

備のため,余剰汚泥の回収には汚泥収集車による巡1.3

実証試験設備の概要

実証試験設備の全景を写真1に,フローシートを回作業が必要で,輸送コストも割高となる｡これらの考えから,農業集落排水処理ではそれぞれの処理

園1に示す｡写真1の建家の内に既設の排水処理設

施設において汚泥の発生量そのものを削減した運転備があり,屋外に設置したタンクなどの機器類が汚が今後一屑必要となってくる｡

泥減量化設備である｡本設備は試験機として設計し当社が独自に開発した汚泥減量化プロセスS‑TE

たため,タンク類が必要容量よりも大きなものとなっPROCESSR⑧は,汚泥を高温好気条件において好熱ているが,実用機としては容積的には1/2程度ま性細菌が分泌する細胞外酵素により可溶化し,既設で小型化が可能である｡
汚泥減量化設備は余剰汚泥発生量を調草する目的のばっ気槽で無機化し減量化するプロセスである｡
本プロセスはオキシデーションデイツチ(OD)にとして組込まれているため,既設の排水処理設備のよる公共下水処理1)および民間化学工場廃水処理2)

返送汚泥ラインから汚泥を引抜き,可溶化処理をおにおいて実設備として稼働中である｡

こなって再び返送汚泥中に返流するフローとなって

本稿では,エステプロセスの農業集落排水処理施設への適用を検討し,実供用中の処理設備にておこなった実規模スケールの汚泥減量化実証試験結果について報告する｡

F

1.実証試験の概要
汚泥減量化実証試験は関西地域Y地区の農業集+虚軒パ叫

落排水処理施設(以下,Y処理場と称する)におい

【一‑‑■

̲]
1.+
̲7

て2002年11ノロより2003年4ノロまでの約6カ月間実施
した｡

1.1開発目標(丑 余剰汚泥発生量を80%削減するための,運転条件の把握,および長期安定運転データの収集②③

実証試験設備の全景

PbotoI

Test

equipment

既設排水処理に及ぼす影響の調査
維持管理の容易な汚泥減量化
プロセスの開発

1.2

写真1

.仙T

[垂垂車重垂二][二重車重二]

排水処理施設の概略

実証試験を実施したY処理場は

0

0

0(も

D

D

o㌔

o

周辺地区のし尿および生活雑排水の処理をおこなっている｡処理施設のR血Shdg￠

概略を以下に示す｡
計画

人

一也tdⅦ由一

血G郎SSl軸口:470人(2002年度
供用人口:368人)

計

画

水

処

理

方 式:長時間ばっ気方式

r￣Coa即1皿t

量:126.9m3/目

贋盛[車重]

ばっ気槽容積:163m3
当処理施設は長時間ばっ気方式を翌m採用して間欠ばっ気運転をおこなう

So山b丑由8donTlmk

ことにより,余剰汚泥の発生量を抑え,かつ窒素除去も可能な排水処理

Stor乱酢℃mk(Ⅲ拐tEx血g叫(S‑TERe叫
図1実証試験設備のフローをおこなっている｡また,ばっ気槽

Fig.1Flow

3β

神鋼パンテツク技報

diagramoftestplant

W.47∧b.J(2仇I且/劫いる｡よって,返送汚泥ラインからの汚泥の引抜き

溶出した有機物はばっ気槽にて炭酸ガスなどにおよび返流以外は,既設の排水処理設備に改造の必無機化される｡

要はない｡汚泥の処理フローは以下のとおりである｡①

S‑TE槽の加温は熱娘コストを抑えることと農村地区でのメンテナンス性を考慮して,灯油炊きボイ

返送汚泥の一部を1系および2系の沈殿槽上ラによる蒸気吹込方式とした｡

部の返送汚泥計量槽より引抜く｡(塾 引抜いた汚泥に高分子凝集剤を添加し,ドラ本実証試験においては,排水処理設備から発生す

ムスクリーン式濃縮機で余分な水分を分離してる余剰汚泥全てを汚泥減量化処理の対象としている

濃縮する｡
③

ため,実証試験期間中の真の汚泥発生量(以下,推

濃縮した汚泥を汚泥熱交槽で可溶化汚泥の熱定汚泥発生量と称する)を正確に把握することがでを利用して予熱する｡
④

事前調査

1.4

きない｡そこで,実証試験開始前の2カ月間(2002

予熱された濃縮汚泥は汚泥可溶化槽(S‑TE槽)へ連続投入され,約1.5日の滞留時間で可

年8ノロ末〜2002年10ノロ末),当排水処理設備におけ溶化処理をおこなう｡

る水質と汚泥発生状況を調査して,実証試験との比
較データを収集した｡事前調査結果に基づき算出し(参 可溶化汚泥は汚泥熱交槽で投入汚泥に一部熱を回収された後に既設の返送汚泥ラインに戻さ

た,Y処理場における積算除去BODと積算汚泥発れる｡

生量の関係を園2に示す｡なお,汚泥発生量は引抜⑥

その後,可溶化汚泥を返送汚泥とともにばっいた余剰汚泥量,処理水として流出したSS量およ
びばっ気槽内でのMLSS濃度の増減の和より算出

気槽に返流することによって,可溶化汚泥からした(実証試験も同様の方法で算出)｡園2よりY処理場においては除去BOD[kg‑BOD]あたりの汚泥発生量[kg‑DS](以下,汚泥転換率と称する)
は0.94であることを確認した｡実証試験期間中もこ[血(7叫且暑也召‑eO畠0
価の汚泥転換率に基づき除去BODから推定汚泥発生量を算出した｡

朋[亘三重至巨]◆2.試験結果

◆2002年12ノロ末より実施した,80%の汚泥減量化

祁を目的とした4カ月間の長期安定運転の試験結果を中心に報告する｡

図
Fig.2(1)汚泥発生量

除去BODと汚泥発生量の関係

2

Relationshipgenerated

betweenamount果

2.1繹

Rm▼dBOD【kg‑BOD]

ofremoved

BOD

表1に汚泥減量化試験の運転結果の一覧をまとめ

andsludgeる｡また,園3に試験期間中の余剰汚泥発生量,および除去BODより算出した推定汚泥発生量の推移

表1汚泥減量化試験の結果
TablelResult

decomposion

ofsludge

test

Pre‑

Demonstration

Unit

Date
OperatingPeriod
CirculatingRaOo
HRT

at

S‑TE

ReactorEstimatedAmountofSludgeGenerated
ExcessSludgeGenerated
AmountofRemoved

BOD

[d]
[Qs/Qw][d][kg‑DS/d][kg‑DS/d][kg‑BOD/d]RaOoofSludgeConversion
SludgeDecomposion
VSS

Removaltわ上47∧b.J(2仇I且/助Investigation

Test

8/27〜10/25

12/25〜4/30

60

126
2.0
1.5
10.9

8.7

2.0

9.4

11.7

0.93

0.17

[%]
[%]

82
39

神鋼パンテツク技報

37

圏

[車重垂司

[垂]㌔

[互三重車]●●●■[盲且白○内←●･●･..｢.･･●･●.･･●●[屯(7叫且○昔一∽召岳貞uエロ

●

00

●

00

●

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圏
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00

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∽1

10/1

11/1

000000000
1ガ1

1/1

0DO

2ノ1

3β

4乃

5〟

D血

6

図

T‑BODの推移

Fig.6

ChangesofT‑BOD

Dぬ

3

図
Fig.3

汚泥発生量の推移
Excesssludgegeneration

[垂]

[車重垂∃

【竜一‑‑]jHOU←
00●･･･････●･･ト･･●.･･●･･･････●
′
N

仰皿

N

畑地

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O△

[(∽甲ぎろ月U･叩日)ご百召9U月)

矧

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圏
ロ
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8/1

毎白色包

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ロ○ロロ00ロ000ロロぜ

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11/1

12/1

白色包

1/1

ガ1

)/)

4β

5/4

D地

7

図

T‑CODI血の推移

Fig.7

ChangesofT‑CODI血

D8b

4

図

Fig.4

Cu含有率の推移
Changes

content

ofCu

[垂]至

【(申甲8え百N･叫且]召層冒U口和[垂]喜[垂]匡重要重要
担

●

●

●●●●●

盲40 ●●●●●†●●●●●
巨20

P△巴凸 合資邑呈凸邑

邑邑△

[車重垂司
●

30

●

●

●●

●

●;

匡撃王rl{{｡も｡D｡｡｡｡
ロ｡｡て○｡｡｡｡｡000｡D｡○｡｡｡恥

8/1

8/∋1

10/1

11/1

12ノ1

1/1

2/1

Dale
毛/1

∽1

1n/1

11/1

1ヱ/1

1/1

5

図

Fig.5

8

図

D血e

Fig.8

T‑Nの推移ChangesofT‑N

Zn含有率の推移
ChangesofZncontent

スは余剰汚泥の系外への引抜き量が減少するため,を示す｡園3より汚泥減量化をおこなわない場合は汚泥中への無機物の蓄積が懸念される｡園4および1日当たり10.9kg‑DSの余剰汚泥が発生しているの園5に事前調査から実証試験期間中にかけての,ばっに対し,この約2倍量を本プロセスに循環した実証

気槽活性汚泥中のCuおよびZllの含有率の推移を

試験では2.Okg‑DSまで減少しており,82%の余剰示す｡試験期間を通してCuおよびZ□の含有率は汚泥減量化を達成した｡また,表1に示すとおり,

はぼ横ばいで推移しており,本プロセスにより汚泥実証試験期間中のS‑TE槽内の汚泥可溶化率(VSSの減量化をおこなった場合でも,ばっ気槽汚泥中に可溶化率)が39%と比較的高かったため,2倍量

金属などの無機物が蓄積し続ける傾向は認められな程度の循環率で80%以上の汚泥減量化を達成できかった｡

たものと推察する｡(3)処理水質に及ぼす影響
園6,7,8および9に事前調査から試験期間中(2)活性汚泥に及ぼす影響
エステプロセスをはじめとする汚泥減量化プロセ
見好

●●

●●●

にかけての原水および処理水の水質変化を示す｡

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

[垂];

2

表

[車重垂∃

エステプロセスのランニングコスト

Table20peratingcostofS‑TEPROCESS①

●

音

Item

●
●●●●●●●●.･●･●●.:h仁･∴‥･･.:08｡｡鴨
○:

○ロロ○ロ

ロ｡

匪]00ヰ○ロ｡ODoロ｡｡｡00
名/1

ぷ/31

10/1

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12/1

1/1

2/1

】/)

4月

9

Changes

Electricity¥445/dFuel

ち訂75/dChemicals¥340/dDisposalexpense!品540/d¥1200/dTotal!品540/d¥2760/dUnitoperatingcost

T‑Pの推移Fig.9のA‑SRTは園10に示すとおり,約9日間で運転されていたが,ばっ気時間を約10%程度延△NbユA血町屯nk

長してA‑SRTを10日以上に保つことにより,

出ヱZヱこZとZ2竺1:

処理水中のT‑Nは減少傾向に転じた｡以上の由G凸ことから水温低下時に硝化が進みにくくなった

罷私感班萱戚

一く

8/1

さ乃1

10/1

11/1

12/1

1/1

2/1

3月

場合でも,従来の維持管理方法と同様にA‑
4乃

SRTに基づいてばっ気時間を延長するなどの

5ノ4

軽微な運転調車により,処理水の水質を維持す

Dめることが可能であった｡

図10A‑SRTの推移
Fig.10Changes¥253/kg‑DS

ONb.1▲血丁址巨ヱZZE空:ごゝ払岳笥00/kg‑DSofT‑P[垂];[車重垂]倉S̲TEPROCESS①

5ノ4

D且b

図

Conventional

ofA‑SRT④

リン(園9)
Y処理には,リン除去を目的とした鉄鋼板がばっ気槽内に沈められている｡通常,汚泥の減量化では余剰汚泥として系外に排出していたリ(丑 T‑BOD(園6)T‑BODに関しては,実証試験開始後も10ンが処理水に流出する｡本試験においては,汚mg/L以下の良好な水質を維持できており,汚泥減量化によるT‑BOD処理に対する影響はほ泥減量運転中も事前調査期間と同程度までリン

とんど認められなかった｡

溶化により溶出したリンが曝気槽内の鉄鋼板に除去をおこなうことができていた｡これは,可より吸着除去されたものと推察する｡(塾 T‑CODM｡(園7)
従来余剰汚泥の一部として系外に排出していその他,処理水のSSに関しては計画値であた難分解性のT‑COD址に関しては,汚泥減量

る50皿g/Lを大きく下回り,水温が最も低くな化により余剰汚泥の引抜量が低下することから,る2ノロにおいても10皿〆L程度での運転が可能

その一部は処理水中に流出してくることが予測であった｡また,透視度,pHに関しても,事される｡園7より,処理水中のT‑COD址は1

前調査期間とほぼ同等で推移していた｡

月上旬より15皿g/L程度まで若干上昇する傾向

3.経性

実証試験結果に基づき,Y処理場における汚泥処にあったが計画値の20mg/Lを越えることはな③

済かった｡また,ばっ気槽水温が上昇する3ノ口中

理コストの比較をおこなった｡

旬より処理水T‑COD址は10皿g/L程度まで低下

3.1算出基準

してきたため,冬期のT‑COD址上昇について･推定汚泥発生量10.9kg‑DS/目は水温の影響が大きいものと考えられる｡･余剰汚泥発生量2.Okg‑DS/目･汚泥処分費用(搬出汚泥濃度

15000H/皿3

窒素(園8)
実証試験期間中においても,処理水中のT‑N
は10mg/L以下で推移しており,良好な窒素除去をおこなうことができた｡1ノ口上旬に水温低3.2

2.5wt%)

処理コストの比較
表2にY処理場にてエステプロセスを導入した

下による硝化不良のため処理水中のT‑Nが若場合の汚泥処理コストの比較を示す｡推定汚泥発生

干上昇する傾向にあった｡このときのばっ気槽

量10.9kg‑DS/目を全てバキューム車により搬出しtわ上47∧b.J(2仇I且/助神鋼パンテツク技報

3β

た場合6540H/目のコストが必要になるが,82%た｡また,処理水質に及ぼす影響もほとんど認めらの汚泥減量化をおこなった場合のコストは2740H

れず当処理場の計画処理水質を卜分にクリアした｡/目であり,約60%の汚泥処理コストを削減でき

冬期に水温の影響を受けやすい硝化反応についても,る｡また,本プロセス導入時のコストの約半分は発ばっ気時間変更などの従来どおりの軽微な維持管理

生した18%の汚泥処分費用であり,本プロセスがで対応することが可能であった｡汚泥の処理コスト

経済的に優れた減量化方法であることを表している｡

む

す

び

に関しても,従来の半分以下に削減することができ,
本プロセスが経済的にも優れた汚泥減量化方法であエステプロセスの農業集落排水処理設備おける汚泥減量化実証試験を,実規模スケールで実施した｡
4カ月間にわたる連続運転の結果82%の余剰汚泥削減効果があることを実証した｡金属類に代表される無機物の汚泥中への蓄積もほとんど認められなかっることを実証した｡[参考文献]
1)塩田窟明ほか,神鋼パンテツク技報Vol.43,No.1(1999),p.10
2)塩田窟明ほか,神鋼パンテツク技報Vol.46,No.1(2002),p.8

連絡先
山

下

哲

生

TE
FAX

技術開発本部
付｢究開発部買‡5付｢究重LO78‑992‑6525
O78‑992‑6504

E‑mailt.yamashita@pantec.coJp

4〝

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

片持ち型コニカルドライヤ(C‑CDB)の開発と巾

標準型コニカルドライヤ(CDB)の改善

二..′ふ

壇/一さ.ヰ

DevelopmentofCantilever‑tyPe

ConicalDryer(C‑CDB)and
lmprovementofConventionalConicalDryer(CDB)

プロセス機番事業部技術部
半
田
裕

利

HirotoshiHaIlda

田永
S11mihiro

純

洋Nagata

当社の標準型コニカルドライヤの加熱媒体流通部と真空吸引部を片側にまとめた新しい構造のコを開発した｡C‑CDBは装置をコンパクト化できるだけでなく,駆動部

ニカルドライヤ"C‑CDB'フをクリーンルーム外に設置することが可能なため,クリーンな作業環境を実現し,よりGMPに対応した機器である｡また,従来のコニカルドライヤを改善した当社の減速機直結ドライブ,吸引管
チェー

共回構造,ドレン排出機構は優れた特長を有している｡減速機直結ドライブは従来のベルトンによる駆動方式にくらべてクリーンでメンテナンス性に優れており,吸引管共回型は従来の吸引管固定型にくらべてコンタミが少なく,ドレン排出機構は乾燥性能の向上に寄与している｡

Improveme山WaS

made

to

tube

assemblytothehea山1gCOmpaCt

StruCture

a皿d

Sta皿d訂dCDBsuperiorhas

血ai□ta皿k,eaCh
to

the

the

our

sta皿d∬dasse皿bly.The

血ivil唱thatu血tcharacteristics;direct

ofthe皿reSpeCtively

ble血er(CDB)by

co山Cal血yer

co山ributes

belt一犯d‑Chal□皿eCha山S皿),10Wer

□eW

ca□

O□e,Calledbeseparately

placedcoupled皿OtOr,reVOlvillg

vacuu皿tube

GMP‑CO皿pa土ible,brits
outsideaclea□

SuCtiolltube

clea皿e□Viro□皿e□t

CO山ami□atio□弧d血yi□gmovil唱the

C‑CDB,is

a皿d

easy

rOO皿.Ourassembly,弧dmai山e□a□Ce(compared

performa□Ce.

申)′仲brdゞ:
乾

燥

機

Dryer
Collical血yer

コニカルドライヤ
G

M

GMP

P

を中心として多くの実績を持つ当社の標準型コニカ

まえがき

ルドライヤでの改善改良の実施例を紹介する｡

コニカルドライヤ(以下CDBという)は容器回転型の混合乾燥機で,主として医薬品,化学薬品,

1.C‑CDBの紹介

食品のバルク製造工程に多数使用されている｡特に1.1標準型CDBの構造
図1に標準型のCDBの構造図を示す｡

GMP対応機器として,医薬品分野などで良好な洗浄性,コンタミレスを特長とした乾燥機が望まれ,

CDBは,外套付本体,加熱媒体流通部,真空吸CDBの導入は年々増加傾向にある｡これらの客先

引部,駆動装置および架台より構成されている｡ダ

ニーズに応えて新たに片持ち構造のCDB(商品名:ブルコーン型の容器を回転させることで内容物を流

C‑CDB)を考案し新製品として販売を開始した｡

動させ,外套からの加熱と缶内を減圧することによ

本稿では,C‑CDBの紹介とグラスライニング製
tわ上47∧b.J(2仇I且/助り内容物に含まれる蒸発成分を低温で効率よく乾燥
神鋼パンテツク技報

4J

血01e
T虻Ik

ⅥmmTl山e

Dl柑dC叩1dDn▼6

Jacbt
DdveCo▼er

Dn▼8Co▼6r
R8叫Joi血DヮS亡山[二重壷麺蚕二二二][二重二二二二]些堅̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲

D血1』nk

図1標準型CDB構造図
Fig.1Schematic

type

ofstandard

一睡垂堅‑‑
Ⅱm払01e､′･

CDB

幽

､

′!二′‑‑‑‑､幽Ⅶ血m且e血止er
H8atMedlⅥIn̲血kL
Ⅵ皿nTdkThemS81SOr

Tb皿Omet亡r
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址｢匹
竹山辿

̲麹邑̲̲

Ⅵ皿仙d

He江tMdim
0Ⅶd改､･.MobrAヰl耶血∝止ノ/一̲E皿dk̲

ン:
図
Fig.2

2

C‑CDB構造図(4,6型)
Schematic

ofC‑CDB(Type4&Type6)

させることができる｡缶体は耐食性,耐付着性に優1.2

C‑CDBの構造(特許出願中)れたグラスライニングで製作が可能で,医薬,食品園2にC‑CDBの構造図を示す｡

分野で数多くの実績がある｡加熱媒体流通部は,外前述のように標準型のCDBは両側を軸受(プラ套の熱媒出入口,軸受部およびロータリージョイン

ンマブロック)で支持し,一方を缶内減圧のためのト部より構成されており,ロータリージョイントよ真空吸引側とし,もう一方を加熱媒体の供給のためり入った熱媒体は,ロータリージョイント内管を通の加熱側としているが,C‑CDBは,真空吸引側,

り外套に供給され,外套内を循環した熱媒体は,外加熱側を片方にまとめ,缶体を片側で支持する構造

管を通りロータリージョイントの出口側へ排出されとしている｡片持ち構造とする利点として以下の点る｡真空吸引部は,フィルター部,真空シール部よが挙げられる｡

り構成され,真空シールはシール液を必要としない(1)装置全体のコンパクト化

ドライシールが主流となっている｡駆動装置は中装置全体がコンパクトになる｡また,左右にそれ空軸型のモータ付減速機を加熱軸に直結し,インバーぞれ必要であったメンテナンススペースが片側だけ

タにて変速する構造としている｡

で済むため,メンテナンススペースを考慮した設置

4g

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫lc18皿Roomll姐c血8R00m
Eandbk̲唾攣+＼､､.｢思賢些Ⅶ血鮎血e肝′ノ迦恩｢′√‑‑
l

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Ⅵ皿nT血

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Ⅵ梅山

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＼̲地L

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MotαAdi血止//ノ
Emdlo̲̲̲J二/̲+桝※祥デ/〃/彬3

図舛ク//′ノー/

∴∵′ナノ
ンr/

C‑CDB構造図(10,12型)

Fig.3

Schematic

ofC‑CDB(TypelO&Type12)

表1C‑CDB標準型式
TablelStandard切〕e

OfC‑CDB

Type

0

6

Effective

〔J

60 O

9 〔J

〜

3

1

l

1

6

2

F

10

[Lt】
20
Capacity[Lt】
400
IntemalDiameter[mm】
HeatingArea
0.6[m2】
Revolution
Speed[rpm】 9.5〜32

16 00｡｡4｡｡2｡｡5H50

減23｡0｡｡3瑚

TotalCapacity1

J由く三:n0r

面積も少なくて済む｡

AbrasiollTras血pollutiollby

orV‑belt

LubrlCatillgOil(2)本体へのアクセスが容易
従来の構造では両端に軸受があるため,回転する

4

図
Fig.4

本体の前面･後面の二面からしかアクセスできなかっperiodicalA句ust皿ent
isNecessa∫y･

従来型CDBの駆動方式
Drivingmechanism

ofconventionalCDB

たが,C‑CDBでは本体が回転しない方向を含め三面からのアクセスが可能となる｡これにより作業性

生産の医薬向けが多く小型の型式が多い｡そこで標および安全性が向上する｡

準型式としては,4,6,10,12型の4つの型式とし(3)駆動部を外部へ配置可能た｡表1に片持CDBの標準型式を示す｡4,6型

CDBは医薬関連のクリーンルームで使用されるについては園1に示すようにウオーム減速機の軸受事が多く,コンタミの発生娘となる伝動装置部や軸部に全ての荷重を受けさせることで非常にシンプル

受部などの駆動部にカバーなど設置して対応していな構造となっている｡10,12型については,同様のる｡また,設置面積が広いため,クリーンルームも構造を検討すると軸径が極端に太くなりウオーム減

それを見越して広く設計しなければならない｡

速機での対応が困難であるため,園3に示すように

C‑CDBは駆動部が片側に集中しているため,伝動片側に軸受(プランマブロック)を2つ設置して荷装置部や軸受部などのコンタミの発生娘を容易にク重を支持する構造とする｡この構造でも標準型構造

リーンルーム外へ出す事が可能であり,クリーンルーのCDBと比較してぃ分コンパクトとなる｡

ムの縮小およびコンタミ発生娘の減少がはかれる｡
熱媒体出入口,排気口などが片側にまとまってい
C‑CDBの標準型式

従来,CDBの伝動形式としては園4に示すようクリーンルーム内に設置するようなCDBは少量
tわ上47∧b.J(2仇I且/助2.減速機直結ドライブ
2.1従来構造の問題点

るため,配管の取り回しが容易である｡
1.3

以下の項では標準型CDBの改善事例について紹介する｡(4)配管が容易に,モータの動力をVベルトで減速機に伝達し,

神鋼パンテツク技報

43

さらにチェーンまたはギヤで缶体を駆動する形式がで変速がおこなえることにくわえ,起動時の衝撃が多くもちいられてきた｡この方式の場合,Vベルト

少なく,停止時は低速運転をおこない近接センサーの摩耗粉の発生や,チェーンの潤滑油の飛散があり,で所定の位置に容易に停止することができる｡

定期的なVベルトやチェーンの弛みの調車が必要

3.吸引管シール部であった｡当社のCDBはこのような問題点を解決

3.1吸引管シール形式するためモータ付の減速機を加熱軸に直結する構造

吸引管シール形式として,吸引管が同定で缶体がとしている｡クリーンルームに設置されるCDBの

回転する吸引管固定型と吸引管が缶体とともに回転

多くは,駆動部をカバーで覆い発塵を防止しているする吸引管共回型がある｡(特許:第3151157号)

が,減速機直結ドライブとすることでよりクリーン

園6にシール形式を示す｡構造上,同定方式は缶内に摺動部を設ける必要があるが,吸引管共回り形な環境とすることができる｡
減速機直繹ドライブの構造

2.2

式はドライシールを缶内から離れた吸引管外端に設

図5,写真1に減速機直結ドライブの構造を示す｡

けており,コンタミの発生がきわめて少ない構造と減速機は缶体停止時逆転防止のためセルフロックなっている｡

性を有するウオーム減速機をもちいている｡モータ

ここ数年,共回型を採用されるユーザが増えておはインバータにて変速する｡インバータは遠隔操作

り,また固定型から共回型への改造も増加している｡

Vessel址

B･｡C

仙㌦

Rota∫yJoint

∃T

④害

■

【

叩

n

瑞

■

七こ■i

.】.■

■.コ

■+
図

5

Fig.5

pro又1皿itySwitc血

清二結型ドライブ
Directcoupled

drive

irJ

■･■f■

unit

J

写真1

清二結型ドライブ

PbotoI

Directcoupled

̲上

drive

unit

O‑rillg
0一血g

DrySealUllit
DrySealUl≠t
Lip‑Sealf

土二￣￣』二丁≒=ナi旨.1.

｢･j▲一二十■:■L
迦旦
図

シール形式
Type
A:吸引管【古】定型 Type

Fig.6

B:吸引管共回型

Sealtype
Type

44

̲丑堅旦

6

A=Stationary

vacuumtube

assembly

Type

B=RevoIvlng

VaCuum

神鋼パンテツク技報

tube

assembly

W.47∧b.J(2仇I且/劫園7に固定型から共回型への改造例を示す｡
H筒軸内部の部品を交換することで缶体を分解することなく改造することが可能である｡
また,園8は固定型と共回型を兼用した例を示す｡
缶内の吸引管の付け替えと缶外の回り止めを取り外しをおこなうことで容易に変更することができる｡
3.2

J+

共回型の温度測定
処理物の什込量は排気フィルターの目詰まりを防止するため,フィルターが没しない位置にする必要があり,固定型が全容積の60〜70%の什込量に対′■}し共回型は30〜40%となる｡このため共回型の場

合,直接製品温度を測定することが困難で,標準的刀工山̲.剋1主にはベーパ温度を測定している｡しかし,特に許容温度の低い医薬品等は,乾燥終点を知る上で,製品温度を直接測定することは重要である｡今回,共回

図

型で製品温度を直接測定する方法として園9に示す

7【古】定型から共回型への改造

Fig.7

Conversion
丘om

tube

of vacuum
Ainto
Type

Type

構造を考案した｡

assembly

B

温度計鞘管(同定)の先端を内容物に接触するよ
坦
〆〆

T加‑B
DヮS組1D甲Sd

/

目

て￣￣ノ‖

l

ll

l■

盛
■

/

†㌧

0山y血rl加‑A
図8【古】定型/共回型兼用構造

Fig.8

Structure

tube

ofvacuum

assembly(Dualtype)pTFEBea∫illg
Lip‑Seal

G∃
9
Fig.9

㌔図

共回型での温度測定方法
Temperature

measuringtわ上47∧b.J(2仇I且/助methodofTypeB

神鋼パンテツク技報

4∫

Stea皿draill,lm山ngnoe又1t,

StaySilljacket･凸Tel‑甲eratl汀edi飽relltiala皿d血eat
はa皿SfercoeI五cielltbeco皿eS皿aller;
dryillgtakeslollgtl皿e･

曹長垂垂司
+:コr
Stealndraill且owsinto

drallltaJlkw血ell

血etal止co皿eSa∫Ouldtot血ebotto皿;
血elちdraillisdisclmged山一oug血returll
plpeaSt血eta止tot血etop･凸Te皿peraturedif良一entialald血eat＼

tra皿SfercoeI五cientbeco皿ela∫ger;
dryillgt止ess血ortti皿e･DralllTaJlk

図10ドレンタンク
Fig.10Drain

tank

うに下方に曲げ内容物の温度を測定する｡構造上,されることが可能となった｡タンクが下部に来たと

鞘管直線部に摺動部ができるがこの部位のシールはきに外套に溜まっているドレンがタンク内に流入し,気密性を要求されず,粉体浸入防止のためのリップ

容器が上部に来たときにドレンが排出される構造とシールとしている｡リップシールは,摺動面圧が小なっている｡単に当社のドレンタンクと同じ外観のさいことと,周速がきわめて小さいためほとんど摩ものを取り付けてもドレンタンクへ流入したドレン

耗粉の発生も無い｡

を完全に排出することはできない｡当社のドレンタ

ドレンタンク

4.

ンク機構はタンク内の工夫と流出分岐方式に特長がドレンタンクの概略図を園10に示す｡

ある｡それ故に1回転するごとにドレンを完全に排CDBは外套をスチームで加熱する場合,凝縮し出するため良好な乾燥がおこなえる｡

たドレンが卜分排出されず外套内に温水が溜まった

む

す

び

状態となる｡とくに内容物が接している外套の下半ユーザ製品の高純度化が進むなかで,新製品分に温度の低いドレンが溜まるため外套から与えら

C‑CDBはよりクリーンな作業環境を提供できる装れる熱量の低下と伝熱係数の低下により乾燥性能の置であると確信している｡今後もユーザニーズに応悪化を招くことがある｡

えた製品へと改善改良をくわえ,より良い製品を提ドレンタンクを設けることでドレンが確実に排出供できるよう尽力していく｡

連絡先
半

田

裕

利

プロセス機器少業部
技術部

TE
FAX

L

O794‑36‑Z517
O794‑36‑Z578

E‑mailh.handa@pantec.coJp

4β

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

双曲面形撹拝機PAB10Mixの紹介
Hyperboloid

Mixer.PAB10Mix

技術本部技術部第3技術室

水

謹

口

MamonlMiz11gllChi

ドイツINVENT社から技術導入したPABIO

Mixは双曲面状の撹拝装置である｡槽内撹拝,有機

成分除去や硝化脱窒はもちろん,1台で撹拝･曝気を切り替えることが可能であることから間欠運
転や回分式活性汚泥法(好気/嫌気)など様々な分野に適用することができる｡構造がシンプルで動力効率が優れているため,設置/メンテナンス費や運転費の削減が可能である｡国内導入実績は
導入以来13基となった｡

The皿ixer,illtrOduced

from

a

Ger皿弧CO皿pa皿y,INVENT,hasapplica土iollillCludesilltermittellt
toits

re皿0Valofa皿dorga山C

matterselectablemixi□goperatiollfora□dopera山1g

activated

are

COStS

greatlysimplesludgetreat皿ellt
mixil唱br

collStruCtioll弧dreduced.The

wideshape.The

a血aeratio□山口Ctio□Si□additio□tO

出仕ificatio□/de出仕ificatio□.With

efBcie□Cy,illStalla土ioll/mal山e□a□Cereached13u山ts

batch

Opera土iollal山(aerobic/弧aerObic)ta皿kdue

hyperboloid

u血que

domestic

ellergy‑
sales

have

witbl□2years.

申)′仲brdゞ:
曲形

Hyperboloid撹拝Mixil唱曝気Aeratioll

双面

Submerged

水中撹拝エアレーター

まえがき
PABIO

l.概
Mixは,2000年10ノロにドイツINVENT社

から技術導入した双曲面状の特徴的な形状の撹拝賀

shape

aerator

要

1.1製品の種規.用途
PABIO

Mixには,ミキサータイプ(写真1)とを有している撹拝装置であり,上市後,国内導入実エアレータータイブの2種類があり,

様々な分野に績が13基となった｡

適用することができる｡槽内の撹拝･

有機成分除去や硝化脱窒はもちろん,1台で撹拝･曝気を切り替

本装置は混合に最適な双曲面形状の回転体を使用することにより,従来装置にくらべ効率の良いタンえることが可能であることから,間欠運転や回分式

ク内の撹拝と酸素供給が可能となった｡

活性汚泥法にももちいることができる｡各々のタイ

本報では,PABIO

Mixについて,その構造,特プの代表的な用途としては下記があげられる｡

長などを紹介する｡
tわ上47∧b.J(2仇I且/助神鋼パンテツク技報

47

Dn▼￠

蘭

.一

酎

一てfji;･

Rl血berF血上■.

尿

Ghd姐1山
凸皿血on

b叫

.J

Trm甲山剋b8

+

ノ

2

図

写真1
PI10tO

I

PABIO

Mix

PABIO

Mix

Fig.2

ャ

･シ

フ

構造図
Stmctureト拝賀･撹の4つで構成されている｡

特

1.3

長

(丑 高い撹拝能力
双曲面形の撹拝賀を槽底部付近で回転させるため,

÷㌧

卜分な底部流速がえられ撹拝動力が小さい｡′･･･1⊥

撹拝動力密度:2〜5W/皿3②

シンプルな構造でかつ軽量l

ミキサータイプは駆動部･シャフト･撹拝賀のみ

図1PABIOで構成されており,構造は非常にシンプルである｡

Mix(水中タイプ)
Mix(Submersible

Fig.1PABIO

Type)

撹拝賀はFRP製で,縛重量は,最大￠2500皿m(モーター1.5kW)で200kg程度③･ミキサータイプ(均一撹拝･沈殿防止)
調車槽

ミキサータイプは下部振止めが不要であり,槽内

貯留槽(汚水,汚泥)の水抜きをおこなうことなく設置･取り外しが可

嫌気槽

能である｡

無酸素槽

水中に摺動する部分がないため爽雑物等のからみエアレータータイブ(曝気･撹拝)つきもなく,水中部分のメンテナンス不要である｡

活性汚泥のエアレーション

オーバーホールは駆動部のみであり,維持費が安切替槽(嫌気･好気)価である｡

タンク形状については正方形,長方形また丸形で④も設置可能である｡

く臭気の発生が少ない｡

あり,槽の条件にあわせて設置することができる｡
構

造

･駆

Mixの全体構造を示す｡

高い酸素移動動力効率(エアレータータイブの曝気時にはリングスパージャー(撹拝翠下部にあMixは主にる散気管)から供給される気泡を撹拝賀底面の突動起で微細化するため,効率よく酸素を溶解する｡

部･ベアリング部
4β⑤

場合)

図2にPABIO
PABIO

飛沫がなく臭気発生が少ない
槽底部で撹拝をおこなうため,飛沫が飛ぶことな

また,水中モーターを使用するタイプ(園1)も1.2

設置およびメンテナンスが容易で維持費が安価

酸素移動動力効率:2.2kgOz/kWh
神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫2.撹拝の原理

これによって沈殿物が撹幹部の下に沈盲殿するのを防2.1槽内状態

止する｡

図3はPABIO

撹幹部から発生する水流は槽底面の近くで小さい

Mixがタンク内でどのように機能しているかを示している｡

渦巻を発生させる｡これらの連続して発生する小さ撹拝機の特殊な形によって,タンク内で双曲面部

い渦巻が槽底面上を速い速度で押し流している｡この表面近くに水流が形成され,また撹拝機本体に施の主流に対して逆方向に曲がる外向きの小さい渦巻

してあるリブが媒体を放射状かつ接線方向に放出し,流の発生がPABIO

槽内をくまなく循環させる｡

小渦巻を形成し続ける主流とタンク底面の密着状態

水流と授拝効果から,小渦巻が反転しているものと予測でき,この

2.2

Mixの一つの特徴である｡この槽の中に形成される水流を,写真2,園4に示す｡

ことから,小渦巻がエネルギを蓄えていると結論づ

園4は,写真2で見える微細洞の構造図を示していけることができる｡つまり,ここは乱流が増え,エる｡速度に関係なく,タンク底面の撹幹部から放射ネルギが散逸する場所であり,その領域は理論上,状に伸びる水流が形成され,壁面に沿って上側に方粒子を渦巻流で浮上させるのに適している｡小さい

向を変えていることがわかる｡

渦巻は槽の隅でも発生し,それが主流と共に旋回し水面で水流は内側に戻り,そこで再び下に吸い込まれる｡遅い速度では,水面直下に小さい外向きの叩mカウンター渦巻が形成される｡次に水流は双曲面を描き,再び放射状に外側へ向きを変える｡この流れが巨大な渦巻流を動かす｡調査した全ての事例では,

Q

タンク全体を占める巨大な渦巻が一つだけ形成されることがわかっている｡

撹拝機周辺部では,撹幹部の縁から放射軸状の水流が発生し,静止渦巻流が撹幹部の下で形成される｡

D血o

S加8mline

Sb丑

Å

＼＼ヽ

幣=＼J
図
Fig.3

3

(((￠

岩甥
RlngSp叩r

MicmVo血e8

143叩m

A∬Pi押

S血R血s

T旺n印0止R並s

税排と曝気工程
Mixingandaerationsystemwithdrymountedmotor

357rpm

(拙
蛸
写真

2

税排工程

図

Pboto

2

Mixing

Fig.4

Process

tわ上47∧b.J(2仇I且/助4

神鋼パンテツク技報

渦巻きの発生と各速度における渦の大きさ
Eddyformationanddimensionsatvariousvelocities

4β表1所用税排動力密度の比較*1
TablelComparison

ofpower

4.1機器仕様density*1

槽PowerDensity

Mix

2〜5*2

ConventionalSubmergedAerator

fromactualresults

1台

撹拝機翠径

￠2.5m

転

25rpm

回

5〜7

数

4.OkWX200VX60HzX4P

モーター*1Mixingwastewaterwithoutaeration*2values

様10mX16mX6.5mWH:1000皿3

撹拝機台数(W/m3)
PABIO

什

4.2

ofdelivery

質

pH

4〜8

温度

18〜38℃

SS<250mg/Lて,槽の隅に粒子が沈盲殿するのを防いでいる｡
また,水の表面近くで水の動きが激しくならない

水

4.3

運転結果

ことにより,脱窒やリン除去にもちいられるときに測定時槽内水量800m3(5.OmWH)

も,余計な酸素の移動を起こさない｡同じ理由で,消費電力平均値

1.859kW

好ましくない噴霧の発生はさけられる｡そのため臭減 速 機

気問題が起こりにくくなっている｡

モーター効率3.従来製品との比較

軸表1に従来の水中撹拝エアレーターと所要撹拝動
力密度を比較した結果を示す｡所要撹拝動力密度とは活性汚泥の浮遊混合状態を維持するために必要な,

動

効 率

0.93

力

所要撹拝動力密度

む

す

O.9

1.56kW
l.95W/m3

び排水処理の分野において撹拝･曝気は非常に重要な要素であり,かつ,要するエネルギは大きな割合

槽1皿3当たりの動力である｡なお,表1はエアレー
ションをおこなわない汚水の場合での比較結果であを占めている｡今回紹介したPABIO

る｡従来品は5〜7W/皿3程度必要であるが,撹拝･曝気方法とくらべ効率的な装置であり,各種

PABIO

排水処理におけるエネルギ削減に寄与できるものとMixでは2〜5W/皿3程度と少ない動力で効

率的に撹拝できる｡

Mixは従来の確信している｡
当社では,従来の排水処理方式にPABIO

4.納入事例

適用したプロセスを提案し,ユーザ各位のエネルギ

この度,食品工場の調車槽撹拝用としてPABIO

削減に貢献できるよう取り組んでいく所存である｡

Mixを納入した｡

処理対象廃水は食品加工廃水であり,PABIO
Mixは既設廃水処理設備増強の一環である｡調車槽の後段には,弊社の流動床式高負荷嫌気処理装置
PANBIC‑Hを導入している｡[参考文献]
W.A.Hと此enet al∴Wat.Sci.Tech.Vol.34,
1)Marcus
No.3‑4(1996),p.329
2)松田年博ほか:神鋼パンテツク技報,Vol.44,No.2(2000),p.50

連絡先
水

口

護

TE
FAX

技術本部技術部
買‡3技術室L

O78‑232‑8117

O78‑232‑8058

E‑mailm.miz11gllChi@pantec.coJp

∫〝

Mixを

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

TFC〃〃/C月1〃07f

気液二相流の水撃現象の概要
■‑

▲l

■I

l

二単一
や

技

工 学

000

まえがき

0
0

｡㌔

気体と液体とが同時に流れる系を気液二相流と呼独で流れる場合に対して多くの異なった現象が見られる｡当社は水処理以外にも有機性固体廃棄物のメ

種の気液二相流を扱う事例が今後,増えてくると思

撃現象について示すことにする｡

1.気液二相流の概要

捌
8

0

0

〇

◆

〇

る

0

一

○

｡…｡g｡範○

g

◆

0

0

0

1

流動様JC(垂直管の場合)

1

Flowpattern(vel､ticalflow)

き〇一』‑∽‑言(勺)配管系に破損を与える可能性がある気液二相流の水

○

0

0

き〇【』叫n【∽(已

概要を示した後,プラントでしばしば見られ,かつ

き〇一h上蓋プロ(ヱ図Fi

われる｡ここでは,配管系の気二液二相流についての00きヱ』‑の一∑岳ち己∈可(○)

タン発酵にともなう電気･熱山収プラントなど,各

0

○｡｡｡

ころで配管中で気液二相流になった場合には,手夜単00

気装置等で日常的に気液二相流を取扱っている｡と

試㌔幣‰哲￠叫驚○ぶ｡当社の製品の中でも曝気槽内に平気を吹込む散

長士

木画室博

裕

部室

藤

術開

伊

発企
開山矩

雷

液が単相で流れる場合,その流動様式は1種類しかないが,気液二相流になれば,図1に示すように加えてさらに層状流,波状流,プラグ流(水平管),

多様な流動様式が生じる｡一般に気液二相流では気フロス流,環状噴霧流(垂直管)を追加する場合も体流量が増加するにしたがって,次の流動様式とな

ある｡

る｡

(a)気

図2にWelsmanによる気液二相流の流動様式線
泡

流:連続した液体中に気泡の分散し図を示す｡ここで気体,液体の見かけの流速カとた流れで,比較的均一な手夜体とノgは気体,液体の次式のように定義され,これらのして扱える｡

値を図2に適用することで,気液二相流の流動様式が大まかに予測できると言われている｡(b)スラグ流:流路断面を大きな気泡塊と,小さな小気泡を含む液体とが交互

Qg/』=お=㍑ク｡(血s)に流れるもの｡

Qg/』=ブg=㍑〜｡(m/s)(c)環状噴霧流:連続相は気体で,分散相は手夜体

れで,気体流中に微少液滴を含む
流れ｡

(d)噴

霧

2.水撃現象の基本
流体が流れている配管系において弁を急閉鎖すれ

流:液滴が気相に飛散している流れ｡

なお配管が水平,垂直のいずれかによって,上記に
仙.47∧わ.J(2〃〃且///虜

(1)￠2は補正係数(1)ば水撃現象が発生し,急激な圧力上昇とそれに続く

流体振動が発生する｡この水撃現象は弁の急閉鎖以

神鋼パンテツク技報

タJ外にも,ポンプトリップで流体が急激に停止した場に転じて再び管路下流に向かって伝播し,図3中の合にも発生するので,プラントの設計に注意を要す

線(b)のように圧力はいったん元の圧力に下がる｡

る問題である｡ここでは単相流における水撃現象を

この後退波が下流端に達すれば,固定端に相当する示した上で,気手夜二相流で生じる水撃現象を示す｡

弁で負の圧力波のままで反射され,上流に向かって

1)過渡圧力の基本的特性

再度伝播するので,結果的に各管路の軸方向の圧力

単相水撃現象を図3左図のような下流端に急閉鎖

はさらに低下していく(図3中の(c))｡またこの負弁と管路上流端に大容量で圧力一定の貯圧タンクかの圧力波が上流端に達すれば,圧力波の振幅の向き

ら構成されている管路で考察する｡

が変わり,正の圧縮波となって下流端に戻る(園3

弁を急閉鎖すれば水撃現象によって圧縮波が発生中の(d))｡このように振幅の向きをそれぞれ変化さ

し,図3中の線(a)のように管路上流に向かって伝せながら圧力波が管路を往復するので,結果的に実播する｡上流端に進行波が到達すれば,負の膨張波

験結果の図4のように各軸方向の位置の圧力は正弦

波的な周期波動を生じることになる｡
2)液単相水撃現象の音速とポテンシャルサージ

水撃現象が生じて圧力波が管路中を往復する際,
Botl11danyZ()nじ

その圧力波の伝播速度は液中の音速であり,その値●

A

B11bblァfloⅥ7

は式(2)で与えられる｡

Annt11arFloて∇ぎ

S】ugF】()Wg加g
1十(g/E)(刀/e)

αs

･去

(2)

水撃現象による圧力上昇値はポテンシャルサージ

ろ‥上昇後の△ろs=ろ‑ろ(ろ:上昇前の圧九圧力)と呼ばれ,単相水撃現象時には次式で示され
1.0

10

10三

る｡

七/￠.
2

図

管流動様式緑園(垂直管の場合)

Fig･Z

Flow

(3)

△ろs=ろ‑ろ=βgXαsX㍑z√,

pattel､n diagram

上式はJoukowskyの式と呼ばれ,単相水撃現象での圧力上昇値を与えるものである｡
q)

>

P2

ぎ
○
〔/〕

△ろ,.弓

＼p､1
ア1=(),5MPa

j

ハリ

5
Z

(c)＼(d)ノ′

叫

J
∈:
d

巨一
qJ
ヒ心
l‑

l■

Fig･3

3

O

n

(e

＼｢

O 5

0

0.5

1

0

‑‑‑‑トTime

水撃現象の圧力波伝播モデル
ScheI‑1atic
hammer

よZ

J

J■

[コ
∽

図

二

0

(わ＼(b)/

d一寸占①当一∽の巴叫†〟ゎ=0,37m/s

dl､awingofpl､eSSure0

WaVein

water

図

4

Fig･4

神鋼パンテツク技報

0.05

0.1

0.15

ノ水単相流における水撃現象
Water
hammerphenomenain

slngle

0.2

phase

flow

tわ上47∧わ.J(2〝♂且///戚

VoidFractionAlongFloⅥ′

Singlef〉hase

Constant
Bubb】yFloⅥ7
WaterIiamlner
Changeable

TwoPllaSe

SlugFloⅥ｢Ann11tar,MjstFloⅥr

5

図′水撃現象の生じる流動様式

Fig･5

Water

hammervariousphenomenaln

flow

pattern

100
Ⅹ10

㍑山

叫.‑￣1･6m′■■s

Il心■S】.【=.4.2.()

Osl□g

l.0

0sl口g
①slug

2.0

まJ♂r)￣0･076皿/s●B口bb】el.4

6仁←∠

6.18】Ⅵ
●
●

(al

仁

(b)

一竺
⊆

(d)

tc)

仁1

50

じ

鎧馳惑喜

の
柑.50m

()

0.5
Time

6

図

Water

hammerphenomena

○

sec

Eq(4)

気泡流における水撃現象

Fig･6

濾盛

in

two

Phase

flow
〉0

(bubbly flow)

0.1

0.2

0,〕

0.4

0.5

α1

7

図
Fig･7

3.気液二相流の水撃現象

圧力波伝播速度
Velocity

orpl､eSSul､ewave

3.1気液二相流の流動と水撃現象の特長
二相流においては単相流の場合と異なり,図5ののに対して,第2波以降はなだらかな形状となるこように流動状況によってそれぞれ水撃現象の特性がとが特徴である｡ここでは気液二相流の水撃現象で異なる｡スラグ流,環状流でも水撃現象は生じるが,最初に生じた衝撃波的な圧縮波の伝播速度をCゆと圧力上昇が顕著であるのは気泡流であるため,ここし,膨脹波および第2波以降の圧縮波のなだらかなでは主に気泡流についての水撃現象について述べる｡

圧力波の伝播速度をβゆとして両者を区別する｡

図5でポイド率分布一定の気泡流とは,管路全長

3)衝撃波的圧縮波の伝播速度にわたって管路断面積の雫隙率(ポイド率)が一定

均質気泡流中の衝撃波の伝播速度CゆはCampbellの場合を言い,またポイド率変化する系とは,液単らの静止衝撃波の等温モデルを対象に,次式のよう相の流路の途中に気相注入部があって,その地点よに表されている｡

り下流側が二相流になっている管路をいう｡
3.2

ポイド率分布一定の気泡流
Cゆ

軸方向ポイド率分布が一様であり,上流側の大容ろ(4)α1(1‑α1)βz

量サージタンクと下流端の急閉鎖弁で構成される図6の流路系を例にとって気手夜二相流の水撃現象を説

図7に衝撃波的圧縮波の伝播速度の実験値Cゆと,
ポイド率α1との関係が示されている｡この図のよ明する｡

管路下流端の弁急閉鎖によって図6の圧力応答波

うに気泡流における圧縮波の伝播速度C砂はポイド

形のような水撃現象が生じる｡弁急閉鎖によって閉率に対してほぼ1つの曲線上で表される｡

鎖点近傍で急激な圧力上昇が生じ

4)なだらかな圧力波の伝播速度

この圧力波は単相流の場合と同じように伝わって,全体として正弦

膨張波の伝播速度は,Henryらによる微小振幅圧

波的に近い圧力止こ答となる｡第1波目の圧縮波の波

力波の伝播速度は等温および断熱均質流モデルによっ

面はステップ状であり,衝撃波的形状を呈しているて次式で与えられる｡膨脹波などなだらかな圧力波

仙.47∧わ.J(2〃〃且///虜

神鋼パンテツク技報

よぎ

の伝播速度は式(5)の微小振幅圧力波の音速式で表ば,圧力はポテンシャルサージ△ろsの値までに至される｡

ることなく低下する｡管路長さをエとすれば,圧力波が往復するまでの時間は以下のように示される｡

ろ

刀ゆ

(5)

α1(1‑α1)β〜

(7)

T<吉＋去

5)ポテンシャルサージ

すなわち,式(7)で示される時間て以上に弁をゆっ

弁急閉鎖によって生じる圧力上昇,すなわちポテ
ンシャルサージの値は水撃現象での安全解析上,重くりと締切れば,圧力上昇はポテンシャルサージ

要な因子のひとつである｡気泡流のポテンシャルサー△ろsの値まで圧力上昇が生じることなく,また水ジについては単相水撃現象と同様に以下の式で求め撃現象を防止することができる｡

られる｡

3.3

不連続なポイド率変化のある場合

前節では軸方向のポイド率が一定の気泡流で発生△ろs=[液中の圧力波の伝播速度]

する水撃現象を解説したが,実際の配管系ではポイ

×[手夜密度]×[幸夜流速]

ド率が一定でない場合が多く,例えば配管中に気体を注入している場合などはポイド率分布が流れの途=Cゆ(1‑α1)βz㍑ゆ/(1‑α1)(6)=Cゆβg㍑z√)

中から急激に変化している｡ここでは｢上流側は単相流部,下流側は二相流+という不連続なポイド率で表される｡上式のポテンシャルサージと実験結果変化のある管路系を対象に水撃現象を述べる｡とを図8に示す｡このようにポイド率が大きい範囲

1)不連続ポイド率管路の圧力応答波形(スラグ流領域)では偏差が生じるが,気泡流領域

図9に対象とする管路モデルと実験結果(実線(a))

ではポテンシャルサージ△ろsは単相流と同形式でを示す｡また比較のため,前述のように管全長にわある式(6)で表される｡

たってポイド率が一定である気泡流での実験例を同

6)水撃現象の防止

図中(b)で示す｡上流側に単相流部がある管路(a)で弁をゆっくりと閉鎖すれば水撃現象は生じないこは第1波内の圧力波の形状は(b)と大きく異なってとは感覚的に理解できる｡これを以下の圧力波の伝いる｡弁急閉鎖により末端弁近傍の圧力は,ポテン

播で説明する｡弁閉鎖を開始すれば水撃作用によっシャルサージ△ろsの値まで上昇するが(この値をて系内圧力が上昇を始めるが,弁を閉鎖しきるまで

初期ポテンシャルサージと呼び,その後の圧力上昇に圧力波が管路を往復し,膨張波となって帰還すれと区別する),その後さらにステップ状の圧力上昇
椚が生じて最大圧力上昇値△Pmaxに達する｡ま10た管路の中間点近傍での圧力は♪'∽'乃のように叫‑J￣2.O111′■■■s

Ⅹ10￣L

●

(I
0.7

叫

q

L伯

㌔0
0

ハu

0

0｡

仇

J

ハリ

パが.∴㌔…㌔.㍗｡｡㌔O +巳コ霊P‑トVal17em3△Ⅰ)p̀m■￠リ仇云エーリー

Liqlユid

ハリ

C'手

00

○

O.5

l

一月ハリ

げ

.戦≡耀

缶り

｡0〜.d㍗㌔Eq(6)●リ∽8エー〇Lメ】L

●

△㌔f

00◆

d

言1

叫α

l
一

(｢ (a)

仇5

ー二

暮

5

川､

ハリ つJ

一一一∽

●8ubble

Oslug
①slug

:]::::勾

B
0.4

().6
Tj□1e

t).S
SeC

(A)
0.05

0.1
α1

図
Fig･8

54

8

ポテンシャルサージ

図

9

Fig･9

Potentialsurge

神鋼パンテツク技報

左ヨ(B､気泡を注入する管路での水撃現象
Water

hammerln

bubblesairphenomenail‑pipeline

whlch

pours

tわ上47∧わ.J(2〝♂且///戚().り

1=LTP/■■L=0.2()
叫‑J￣】.69111/s(b)α■￣0.02】().5∠=0.021Tl().1

鵠○㍍｡㌔M怠→￣71‑≠‑‑‑

0.3

/

△Pps
0.1
0.3

/

+)2.
‑Z=6.18nl‑‑‑･S

/

一′
D

S'

̲̲̲!吐

0.1

′′‖∫

0.5

βか△月,.ヾ

′′･/

0.1

､〕

ノ･′/

0.5
.′′･/

山
0.1
0

0.1

0ヱ

Ti皿e

BI

B2
Tjme

Seく､

図10複数段の斥力上昇のある水撃現象
Fig･10Water

hammerphenomena

wlth

two

or

more

steps

rlses

OfpressurelOに示す｡この図は圧力波の挙動を明確にするため′▼

F鎗 ′.p蝿に圧力波を矩形にして図式化したもので,実線は圧
あ人

縮波,破線は膨脹波を表す｡この図で説明できるよ上川胤≡...L"捷･寵､で†､うに複数圧力上昇は二相一単相界面での圧力の反射＼††｡∃一一心で生じているのである｡
B】

六/

ボ

CoI苛芸雷ion

爬..り

A2

系の設計に際し,最大圧力上昇値を求めるためには,圧力上昇段数を予測する必要がある｡
不連続なポイド率変化のある流路で生じる圧力上.心.

Al
Sしロ'eTank←

Tll71)phasc

3)圧力上昇,段数

昇の段数は下記の式で表される｡

SjnglcPhascFl口W

図11複数段の斥力上昇のモデル図
Fig･11ScheI‑1atic

dl､awlng

OrI‑1ultipl､eSSure

和一2<告吉<乃‑1

rises

複数段の圧力上昇が見られる｡(8)4)反射率と透過率
図11に示されるような気液二相流界面(Z=エゆ)2)複数圧力上昇が生じる理由に圧力波△月が到達すれば,この反射波△ろと通一般に弾性力学の問題として,密度の異なる材質の境界面に圧力波が到達した場合,その境界面で圧過波△ろとが生じる｡反射率と通過率をαγとβr

力波の反射と通過が生じることが知られている｡二とすれば,これらは次式で示される｡

相流と単相流の界面でも両者の密度が異なるために,その界面で反射,通過が生じる｡
αγ

①

②

二相流から単相流のように,疎から密な相に△ろ̲βエαs‑βr C△ろβエαs＋βゆC坤

圧力波が進行すると,圧力波は境界で一部反射

αゴー(1‑α1)C∠波となるが圧力波の振幅の向きは変わらない｡

αs＋(1‑α1)Cゆ単相流から二相流のように,密から疎な相に反射

圧力波が進行すると,境界で反射が生じ

βγ

旦昆̲

2βzαs

△召

βzαs＋βゆCゆ

(9)

(10)

された圧力波の振幅は逆転する｡

2αs

この概念をもとに圧力止こ答波形と,その圧力止こ答波

αs＋(1‑α1)Cゆ形が進行するダイヤグラムとを対応させたものを図
仙.47∧わ.J(2〃〃且///虜

神鋼パンテツク技報

よぎ5)最大圧力上昇値
O n=2
●】1=3

図11に複数段の圧力上昇のモデル図が示されてい加′.‑￣2.0111′■■■s□n=4る｡弁急閉鎖により生じた△ろsの大きさの圧縮波
は図中の点Al‑Dlに進み,点Dlで反射されて以傍の圧力上昇を順次増加させていく｡一方境界点

町q＼ギq

下Dl‑A2‑D2‑A3と反射を繰り返して末端弁近

｢

nU

n=4
11=3
11=2
ト0

Dlを通過した圧縮波はBlで反射されて負圧波とな
りBl‑Clに沿って末端弁に戻り,圧力上昇を低下

叫r)=1.7111′■■■s

させる｡その間,末端弁近傍の圧力はAl,A2,･･An

凪鮎□まで乃段の圧力上昇を生じているので,Anでの最大圧力上昇値をとることになる｡乃段上昇した場合

｢

n=4
0.5
n=3

貨=1‑(岩)ポ

n=2の最大圧力上昇値△月7は次式で表される｡(1＋￠)(11)q叫r)=1.4】Ⅵ/s

チ軸

鞄O

吋

￠=(1‑α1)Cゆ/αs

モ0･5
ギ

i｢

n=4
11=3

q

11=2

以上のようにポイド率,二相流長さ,流速の初期条件を与えてやれば,式(8)によって圧力上昇段数
和が求まり,さらにこの乃と式(11)をもちいて最大L

圧力上昇値△烏が求まる｡図12に末端での初期ポ

O

0.05

図12最大斥力上昇比
Fig.12Ratio

イド率とともに減少する傾向があり,同図中の式(11)による解析値で予測することができる｡
3.4

ofmaxlmum

1)藤井照重,赤川浩爾,伊藤裕:気液二相流の動的配管計画,(1999),日刊工業新聞社[使用記号]

なお流動様式がスラグ流の場合や,蒸気一水系のQg,Q′:気体,液体の体積流量

ように水撃の途中で気液相の間で凝縮･蒸発が生じ

加g,加′:気体,液体のみかけの流速

る場合はさらに別の現象が生じるが,基本的にここ』:管路断面積

で示した平気一水系の気泡流の場合よりも圧力上昇

g:液体の弾性係数値(ポテンシャルサージ)は低い方向となる｡系の且:管材質の弾性係数

安全設計という面では本報で示した気泡流を考慮し刀eておけばl一分と思われ,その他の流動様式の場合のエ

記述を割愛した｡気泡流以外の流動様式に対する水

:管の内径
:管肉厚
:管路長さ

βg,

β′:気体,液体の密度

撃現象および,気液二相流で生じる各種の動的な現α5:単相の流速象は参考文献の図書1)に示されている｡

α

:流速

恥αP字

び

気液二相流の水撃現象の典耳粕勺な特性を紹介した｡

当社は,(株)神戸製鋼所都市環境･エンジニアリン:手夜のみかけの流速
:ポイド率
:斥力

添

グカンパニーの一部と2003年10月1日付けで統合す♂:気体ることが予定されており,技術範囲も今後さらに拡J:液体大していくものと思われる｡とくに気二液二相流は水

1:初期状態
2:水撃後

撃現象のほかにも単相流と違った固有の流動特性が多くある｡本件がこれらの技術的一助になれば幸い
Jβ

rlses

[参考文献]

流を取り上げ,その特異な特性を示した｡

すpressureである｡

その他の流動様式
ここでは典型的な二相流の水撃現象として,気泡

む

0.】5

α1

イド率α1と最大圧力上昇値の比△ぞノ△畏の関係が示されている｡この図のように△烏/△ろの値はポ

0.10

妙:二相流
♪s:ポテンシャルサージ

神鋼パンテツク技報□ご<]＼tわ上47∧わ.J(2〝♂且///戚

PCB汚染物一貫処理技術
Integrated

Treatment

Technologyof PCBs‑COntaminatedMaterials

本技術は,PCBを使用した電気機器等の汚染部材からPCBを取り除き,取り除いたPCBの無害化処理を"SPプ
汚染機器の解体･分別,部材別

ロセス''と"SEDプロセス''の融合により一貫しておこなう技術です｡PCBの抜池の溶剤洗浄,低温真空加熱幸乞燥による除染,金属ナトリウム分散体との化学反応による無害化処理等,安全で確実な,数々の技術が結集されています｡

The

combinationoftechn0logyof｢emovalofPCBs

tempe｢atu｢errSP

p｢OCeSSlr

PCBs‑COntaminated
f｢om

rrSED

and

devices.dem01ition

elect｢icanddest｢uction

achieved
fulloftechn0logylS

mate｢ials.The

the｢mal｢emovalandvacuumhasp｢OCeSSrr

safe

of

by

and｢eliablewashg｢ouplng.S0lvent
PCBs

t｢eatment

aninteg｢atedchemical｢eaction

and

fo｢

methods
ext｢action.low
withsodiumdispe｢sion.

■■■■■ヨ
■
▲可d･

ト

碑削
7一.･1･￣■￣■■･■■■

聖･h‑.Ⅰ垂垂垂車重画
｢

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l!+l

■

￣写1

一溶剤再生ステーション一
任用後の溶剤を蒸留･再生する

Ill

匝垂司

匝司
幽

R
汀 F

ミl上.甘

1トニ̀■i..
,̲立コ≠

■叶.

一泊処理ステーションー
PCBを脱塩素化無害化処理する+

̲.̲

一解体ステーションー
汚染機器からPCBを抜き取り

軒

一洗浄ステーションー
汚染機器を溶剤洗浄する

洗浄に適した形状に解体する

神鋼パンテツク技報

2003年度《本社》 神鋼パンテツク株式会社《編集発行》《編集委員》

VDl.47No.1i亀巻150号〒651‑0072

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委員長/水上俊一委員/山田《発行》 2003年7月10日印刷

章･和田耕一･伊藤

2003年8月1日発行

裕･真鍋意･土居孝芳･知福博行･

年2回発行《禁無断転載》《発行人》西岡(神鋼パンテツク技報編集委員会)

安田圭子･浅康一彦･那須潔･山崎忠成･澤田雅光

泉《印刷所》中村印刷株式会社