第92巻第４号（第 1063 号） 水位差利用型膜沪過システムの導入による脱炭素化への貢献「特集：水道事業における脱炭素化への取組」

水位差利用型膜沪過システムの導入による脱炭素化への貢献
日本水道工業団体連合会会員
メタウォーター株式会社
1.

検討の経緯

装置の通水方法は原水をセラ膜の一次側から二次令和３年10月に閣議決定された「地球温暖化対側に圧力をかけて沪過するものである（図 -1、策計画」では、施策の一つとして上水道において表 -1）。主に原水の押込み圧（水位差やポンプには、省エネルギー・高効率機器の導入及び施設のよる圧送）や吸込み圧を活用し、膜沪過を実施す

広域化・統廃合・再配置による省エネルギー化のる。また、セラ膜は機械的強度が高く、薬品劣化、推進や、小水力発電、太陽光発電などの再生可能経年劣化が少なく膜破断の可能性が極めて低い、エネルギー発電設備の導入を実施することとして長期間継続的に使用可能な膜である。

いる。水道事業におけるエネルギー消費は、取水、2.2

導水、送配水といった水輸送系が大半を占めるこセラ膜の特長は、とから、この領域における CO2削減ポテンシャルが高いものの、その実現は容易ではない。このため、浄水処理工程においても着実に対策を進めていく必要がある。

水位差利用に適したセラ膜の特長a） 純水透水能力が約40m3/m2/ 日と高く、常時低い圧力での運転が可能。

b） 機械的強度と薬品耐性が非常に高く、高圧逆洗に加え、薬品強化逆洗や薬品洗浄により水道用水供給事業及び上水道事業の浄水処理方長期間低い圧力での運転が可能。

式を計画浄水量ベースで見ると、緩速沪過及び急速沪過が82％を占めるが、近年では、浄水施設の更新、新設にあたり、浄水水質が優れていることに加えて、省スペース性、維持管理の容易性が評⭷ἒ㐣Ỉ

価され、膜沪過の採用が広がっている。しかしながら、消費電力量が他の浄水方式よりも大きいことが採用の妨げとなっているケースもあることか⭷ἒ㐣䝉䝹

ら、脱炭素化への取組みとして消費電力量の削減を推し進めることが、膜沪過の更なる普及に繋がるものと考えられる。
本稿では、この課題への施策として膜沪過前後の水位差を最大限有効利用し、膜沪過浄水施設に図 -1おける大幅な省エネルギー化を実現した事例を紹介する。
2.

セラミック膜の概要と特徴

2.1

セラミック膜の概要

膜エレメントの構造

表 -１
膜沪過法の種類

内圧式ケーシング収納型セラミック膜沪過装置（以下、「セラ膜装置」という。
）は、ステンレスのケーシングの中にセラミック製の膜（以下、「セラ膜」という。）を収納したものである。セラ膜（ 25 ）

膜沪過の仕様精密膜沪過法（MF 膜）

膜沪過方式

全量沪過方式

モジュール形式

ケーシング収納 モノリス型

膜材質

セラミック

孔径0.1μm

第92巻第４号（第 1063 号）

水道協c） 高濁度に強くゲリラ豪雨などによる急激な会

雑誌

令和５．4

いずれの場合も膜沪過に必要な圧力（膜差圧）

原水悪化への対応性が高く安定した沪過運転と浄水量を流量調整弁等で調整して浄水処理を行が可能。

う。水位条件で最大圧力を確保できない場合は、このような特長を持つセラ膜は、日本全国で約不足分の圧力を追加できる増圧ポンプ（膜供給ポ170カ所稼働している。稼働中のセラ膜はそれぞンプ）を設け、流量調整弁と膜供給ポンプの運転

れの原水水質条件に合わせ1.0m/ 日から6.0m/ 日を組み合わせて膜差圧を確保する。と幅広い膜沪過流束にて運用されており、初期の水位差利用における膜沪過配置の最適なタイプ

膜沪過圧力としては、およそ３kPa から15kPa とは、取水位置や導水状況と浄水場の高さの関係、非常に低圧力で稼働している。また、高い流束で浄水場の地盤形状などにより異なる。最適なタイの運転も可能であり、この場合、セラ膜装置台数、プを選択することで、膜沪過方式でも建設費と運補器類およびそれを収納する建物をコンパクトに転費を削減した浄水施設にすることができる。
4.

することができ、敷地の省面積化に寄与する。省以下に、水位差を利用するための設計上の留意面積化した土地に太陽光などの創エネ設備を導入事項を示す。

することも可能となる。
3.

水位差沪過の設計上の留意事項

4.1

水位差利用のパターン

膜閉塞時の流量調整方法

既存の浄水処理である緩速沪過や急速沪過は、浄水場において設定している最大膜差圧以上の浄水場の着水井で原水を受水した後、着水井と浄押込圧を水位差のみで確保できている場合には、水池の水位差で浄水処理を行うことが一般的であ流量調整弁の開度調整により膜流入流量を制御する。膜沪過方式は、沪過のためのポンプ等の動力る。水位差のみで圧力が不足する場合にはポンプを要するため、運転費用がかかることが多い。しを使用して不足した圧力を増圧する。ポンプ動力

かし、原水の水位と浄水池の水位差を利用するこを抑えるため、ポンプは回転数制御などを行い、とで動力費の削減が可能となる。

また自動洗浄などで膜閉塞が解消された場合には水位差利用における膜沪過の配置の関係をポンプが自動で停止するなど、運転制御上の配慮が必要である（図 -3）。

表 -2に示す。

4.2

導水圧が着水井水位より高い場合は導水圧を利流量調整弁の検討用することが可能となる。特に取水位置が高く導流量調整を弁開度によって行う場合、膜の閉塞

水圧力に余裕が有る条件にセラ膜を適用する場合状況や運転流量の幅が広いため、いずれの組み合は、処理動力削減の効果が大きい。
（A タイプ）

わせにおいてもキャビテーションの発生が無いよ

着水井と浄水池の水位差を利用する場合は、膜うに、必要に応じてキャビテーション抑制型の弁沪過設備に対して押し込み圧として利用する場合などを選定する必要がある。１台の流量調整弁の（B-１ タ イ プ ） と 吸 引 圧 と し て 利 用 す る 場 合

みでキャビテーションの発生が抑制できない場合（B-２）の２種類がある。には、２台の弁を直列に配置し組み合わせて対応
表 -2タイプ

A タイプ

概要

・導水圧をそのまま利用

B-１タイプỈ఩ᕪ概要図ྲྀỈ

水位差利用の配置別タイプ

・着水井と浄水池の水位差を利用
・膜へは押し込み・着水井と浄水池の水位差を利用
・膜から吸引ᑟỈᑟỈỈ఩ᕪ╔Ỉ஭䠄ΰ࿴ụ䠅ίỈሙᑟỈ

B-２タイプ㻼㻼╔Ỉ஭䠄ΰ࿴ụ䠅⭷ἒ㐣Ỉ఩ᕪ

㻼⭷ἒ㐣ίỈụίỈሙ⭷ἒ㐣（ 26 ）

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第92巻第４号（第 1063 号） 水位差利用型膜沪過システムの導入による脱炭素化への貢献す。
⑵

処理フローと水位差利用の概要
川井浄水場では、道志川系統からの原水を上流部から本浄水場までの導水残圧を有効利用しながら膜沪過を行っている。処理フローを図 -4に示す。水位差利用のタイプは A タイプである。

利用可能な水位差としては、浄水場上部にある上大島接合井 HWL125.5m に対し、川井浄水場内５ 号 配 水 池 HWL90.5m で あ り、 水 位 差 と し て35m が利用可能となる。この内、導水管内での圧力損失等を考慮し、膜沪過運転に利用できる水位差は11.5m 程度となる。場内に引き入れた原水は、インラインにて薬品混和を実施、膜沪過されたのちに浄水として川井５号配水池に貯水され、各所へ配水される。
⑶
図 -3

2021年度の膜沪過の運転状況は、平均浄水量

流量調整方法165,835m3/ 日、膜差圧８〜60kPa、1.5回 / 年程度の薬品洗浄（計画２回 / 年）となっており、利用するなどの制御が必要となる。
4.3

処理動力

薬品混和方式の検討

できる水位差に対して十分低い膜差圧で運用され水位差膜沪過を行う場合、自由水面を持った水ている。

槽を設けると圧力が解放されてしまうため、極力2021年度実績である浄水量と消費電力から所要自由水面を持たせない配慮が必要となる。そのた動力を算出した結果を表 -4に示す。空調、照明

め pH 調整や凝集剤、塩素剤などについても極力配管注入とし、ラインミキサや曲管を用いて薬品混和を行う。これにより水位差のエネルギーを薬品混和にも有効活用できるので、撹拌機をなくし、動力の削減を図ることができる。
4.4

水位制御

膜沪過原水を自由水面のある水槽から供給する
場合、その水槽の水位が膜沪過に使用できる圧力となる。そのため、原水槽の水位を監視し水槽の表 -3

川井浄水場概要

計画浄水量172,800m3/ 日供用開始

2014年４月

原水

道志川水系河川表流水

膜沪過仕様その他

膜沪過構成：9,600m2/ 系列×６系列
膜沪過流束：3.6〜4.1m/ 日
太陽光発電：336kW

水位を極力高く保つことが消費エネルギーの削減と安定運転のために必要となる。
5.

事例紹介

膜沪過浄水施設において水位差を有効利用し、省エネルギー化を実現している事例を示す。
5.1
⑴

川井浄水場

浄水場概要
横浜市川井浄水場は、PFI 方式にて再整備、施設整備完了の2014年４月から運用を開始し、約９年の運転実績がある。浄水場の概要を表 -3に示
（ 27 ）

図 -4

川井浄水場処理フロー第92巻第４号（第 1063 号）

水道協会

雑誌

令和５．4等の電力量は電力量計が無いので正確に除外する

導水管は、直接設備配管に接続され、原水に各ことはできないが、所要動力は0.015kWh/m3レベ

種薬品（微粉炭、凝集剤他）をライン注入で混合ルであった。

させる。微粉炭の接触時間を確保するための圧力

5.2⑴

ありあけ浄水場

タンク式の微粉炭接触槽を経て、増圧ポンプを設置することなく、流量調整弁を通過した原水は膜

浄水場概要

ありあけ浄水場は、大牟田市と荒尾市の共同浄水場として DBO 事業で整備され、2012年４月から運用を開始し、約11年の運転実績がある。
浄水場の概要を表 -5に示す。
⑵

沪過装置を経由して浄水池に到達する。
浄水は、大牟田市の勝立配水池、延命配水池と荒尾市の中央水源地に送水される。
⑶

処理動力
2021年度の膜沪過の運転状況は、平均浄水量

処理フローと水位差利用の概要

ありあけ浄水場の処理フローを図 -5に示す。

23,560m3/ 日、膜差圧5.5〜22kPa、１回 / 年の薬水位差利用のタイプは A タイプである。

品洗浄となっており、利用できる水位差に対し十上の原浄水場で凝集沈澱処理された工業用水分低い膜差圧で運用されている。

は、金山分水場で福岡県と熊本県の工業用水配水

2021年度実績である浄水量と消費電力から所要管に分岐され、ありあけ浄水場まで導水される。

動力を算出した結果を表 -6に示す。空調、照明

金山分水場の LWL は50.93m に対し、ありあけ浄水場の浄水池 HWL は14.4m であり、水位差とし等の電力量は電力量計が無いので正確に除外することはできないが、所要動力は0.05kWh/m3レベて約37m を利用できる。導水管の圧力損失を考慮ルと考えられ、急速沪過の所要動力とほぼ同等としても、浄水場入口の導水圧は約25m 程度確保で考えられる。
5.3

きる。
表 -4⑴

川井浄水場浄水量当たり電力量
浄水量

2021年度滝沢浄水場

浄水場概要

滝沢浄水場は、福島県会津若松市の基幹浄水場（m3/ 月）電力量（kWh/ 月）所要動力
（kWh/m3）

5,044,161

74,5370.015

として DBO 事業で整備され、2017年３月から運用を開始し（竣工は2018年３月）、約５年の運転実績がある。浄水場の概要を表 -7に示す。

注）消費電力には、浄水処理設備電力に加え、空調や照明などの建築機械電気設備の電力も含まれる

表 -5

ありあけ浄水場概要
表 -6

計画浄水量 26,100m3/ 日供用開始

2012年４月

原水

菊池川表流水を上の原浄水場で沈澱処理した工水

膜沪過仕様
その他

膜沪過構成：2,880m / 系列×４系列
2膜沪過流束：2.31〜3.1m/ 日

ありあけ浄水場浄水量当たり電力量

2021年度

電力量（kWh/ 月）所要動力
（kWh/m3）

716,60949,9270.070

注）消費電力には、浄水処理設備電力に加え、空調や照明などの建築機械電気設備の電力も含まれる

太陽光発電：5kW

表 -7

27,000m3/ 日

供用開始

2017年４月（竣工2018年３月）

原水

猪苗代湖からの河川表流水

その他

ありあけ浄水場処理フロー（ 28 ）

滝沢浄水場概要

計画浄水量

膜沪過仕様

図 -5

浄水量
（m3/ 月）膜沪過構成：2,400m2/ 系列×４系列
膜沪過流束：3.1〜4.1m/ 日
太陽光発電：500kW

第92巻第４号（第 1063 号） 水位差利用型膜沪過システムの導入による脱炭素化への貢献

表 -8

省エネルギー施工事例

浄水場
膜沪過動力に

東京都水道局
ひむら浄水所
東京都水道局

図 -6⑵

小河内浄水所

滝沢浄水場処理フロー

秋田県東成瀬村
北部簡易水道浄水場

処理フローと水位差利用の概要
滝沢浄水場の処理フローを図 -6に示す。水位差利用のタイプは B-１タイプである。

浄水量（m3/ 日）2,720

省エネメニュー
水位差利用93m小水力発電あり

440

水位差利用

21m

568

水位差利用

40m、20mとほぼ同等と考えられる。
5.4

その他の採用事例

猪苗代湖の湖沼水は河川を通り、複数の水力発電

5.1〜5.3で紹介した事例の他、水位差利用を含所などを経由しながら滝沢浄水場まで導水される。

めた省エネルギー化施設の施工事例を表 -8に示す。

取水口の LWL 276.680m に対し、配水池の HWL は6.

今後の展開

264.774m であり、水位差として約9.9m を利用できこれまで紹介した省エネルギー施策に加え、当る。膜の前処理としてマンガン処理に水位3.3m を

社では膜沪過システムの更なる消費電力の削減と使用し、さらに配管圧損などを差し引くと、膜の動省スペース化の実現に取り組んでいる。具体的に力として使用できる水位差は5.5m 程度となる。
原水はマンガン処理や粉末活性炭接触、凝集混

は、従来の物理洗浄よりも洗浄力の高い酸 CEB

洗浄（膜性能回復を目的に薬品を添加して物理洗和などを経て膜沪過され、場内の配水池に貯水さ浄を行う化学的強化逆洗）の適用を進めている。

れる。浄水は、一部は送水ポンプにて八幡配水池

これにより、常に低い膜差圧で運転が可能となりへと送るものの、その他多くの水量は自然流下で消費電力が削減されることに加え、高流束化によ市内へと配水される。

る膜面積の縮小により、設備の設置面積の縮小も⑶可能となる。これによって空いた用地は太陽光発処理動力
2018年度の膜沪過の運転状況は、平均浄水量

電や植林などに有効活用することができる。

21,700m / 日、膜差圧８〜25kPa 程度、１回 / 年

当社は、水・環境事業に携わる企業として、自の薬品洗浄となっており、利用できる水位差に対社で培ってきた機械技術、電気技術、AI・ICT、し十分低い膜差圧で運用されている。

運転・維持管理ノウハウなどの様々な技術を保有

3

2018年度実績である浄水量と消費電力から所要動力を算出した結果を図 -7に示す。
空調、照明等の電力量を除外した所要動力は設している。その具体例を以下に示す。

⑴ RB 式フラッシュミキサ（機械技術）

攪拌翼とラジアルブレード（RB）の組み合わ

計 時、 実 運 用 と も に0.08kWh/m （ う ち 送 水 がせにより高効率な薬品混和を実現し、攪拌動力を0.04kWh/m3程度）であり、急速沪過の所要動力低減する。

3⑵凝集攪拌制御システム（AI/ICT）
フロキュレータの回転数を制御し、凝集剤注入率の最適化を図るシステムである。今後は AI 予測技術を用いた高精度のシミュレータを加えることにより、更なる薬品使用量の削減を目指していく。
今後も当社が保有する様々な技術を融合したソリューションにより、省エネルギー・創エネル
ギー、再生可能エネルギー等のエネルギーマネジメントを提供し、水道事業におけるカーボンニュー
図 -7

消費電力量の内訳

トラルの実現に向けて貢献していく所存である。
（ 29 ）