技術論文
ガスケット締結体の応力緩和特性

しかしながら、実機にて使用される温度、圧力、流体などの条件は多種多様であり、すべてを網羅することは現実的ではない。また、大口径の実験は困難であるなど、実験手法にも制限がある。これらの問題については、有限要素解析（FEA）によるガスケット締結体の長期特性予測手法の開発が進んでおり 3）、これらと組合せることによってより確度の高い有益なデータを示すことができるものと考えられる。

ePTFE膜のMBR用途に対する可能性に向けた一考察

本稿は日本工業出版社「配管技術誌」 第 52 巻第 7 号

日本バルカー工業株式会社（通巻 696 号）に掲載された論文を転載したものである。
Fig.9

研究開発部 メンブレン開発グループ

延伸PTFE片締め時のボルト軸力変動

4. 今後の展開と課題

5. 参考文献
1）JIS B 2251（2008）フランジ継手締付方法

ガスケット締結体の諸条件における面圧挙動を、比較的簡便な実験手法において明らかにすることができた。さらに実機で想定されるさまざまな条件、現象を模擬し、実験していくことで、非石綿ガスケットを安全に使用、管理する手法を2）JIS B 2490（2008）管フランジ用ガスケットの密封特性試
験方法3）佐藤 広嗣 , 野々垣 肇 , 黒河真也 , 出口 聡美 , バルカー
技術誌 , No.17, 2-7,（2009）.

With the world water shortage and water quality deterioration, the worldwide need for a safe and securesupply of fresh water has been increasing. The membrane bioreactor (MBR) is a leading edge technology
currently being used in countries around the world for water reclamation. Due to advances in the technology
and declining costs, the application of MBR technology for water reclamation has increased sharply over the
past several years.
MBR technology offers several advantages to conventional wastewater treatment including reduced footprint,
consistent and superior effluent water quality, and ease of operation.
This report describes how the basic characteristics such as pore size of ePTFE (expanded polytetrafluoroethylene) membrane films affect their performance in activated sludge through the laboratory tests with flat membrane elements. It was studied in the laboratory test with artificial raw wastewater.

Winter 2011

Winter 2011

構築していくことができるものと考える。

本居 学
瀬戸口 善宏Keywords：
Water Shortage, water quality deterioration, membrane bioreactor, MBR, wastewater, footprint, ePTFE,
expanded polytetrafluoroethylene, pore size, flat membrane, activated sludge, artificial raw wastewaters

No.20

1. はじめになったり、広大な用地（沈降分離のための沈澱槽用の用地など）が必要になったりするなどの不都合が生じている。

従来、浄水処理、下水・廃水処理、あるいは産業廃水の処

これらの問題を解決する方法の一つとして、膜分離活性汚理など、濁度の高い被処理水の固液分離を行う方法の一つ

泥法（Membrane Biological Reactor 以下 MBR）
が検討さ

として、
活性汚泥法が採用されている。

れている。前述の標準活性汚泥法が、重力沈降などを利用

この活性汚泥法とは、廃水中に空気を吹込みながら様々なして活性汚泥と処理水の固液分離を行うのに対し、MBRで微生物（活性汚泥）を増殖させ、
その微生物により廃水中のは精密ろ過膜（Microfiltration膜：ＭＦ膜）
あるいは限外ろ生物化学的酸素要求量（Biochemical oxygen demand 以

過膜（Ultrafiltration膜：ＵＦ膜）を用いた膜分離を利用して下 BOD）の増加につながる成分などの汚れを浄化する方法

活性汚泥と処理水の固液分離を行うのが特徴である。

である。

7

No.20

すなわち、
MBRでは曝気槽に微細な穴を持つ膜を浸漬し、標準的な活性汚泥法（以下 標準活性汚泥法）
では、砂を微生物と処理水の直接ろ過を行って固液分離するため、安利用したろ過や重力を利用した沈殿などにより、活性汚泥と定して清澄な処理水が得られる上、沈澱槽が不要であり装処理水の固液分離が行われている。しかしながら、このよう置をコンパクトにできる特徴を有する（Fig.1参照）。このことな方法による固液分離では得られる処理水質が不充分とから、標準活性汚泥法に比べ、浮遊固形物（suspended
8

技術論文
ePTFE膜のMBR用途に対する可能性に向けた一考察

solids 以下 SS）や微生物群の除去能力に優れ、
また必ずし

次に、
多孔質PTFE（expanded PTFE：以下 ePTFE）の日間を Run 3 とした。使用した ePTFE 平膜の細孔径は、も大きな敷地面積を必要としない（標準活性汚泥法に比して特徴を説明する。ePTFEは、非粘着性・疎水性・耐熱性・0.3μm, 0.5μm, 1.0μm の 3 種 類で、1.0μm についてのみ 21）, 2）
敷地面積を小さくできる）などの利点がある。

耐薬品性・耐候性・低摩擦・撥水性・低誘電率などの優れ

枚用い、計 4 枚の平膜を浸漬させて同時にろ過試験を行った性質を有するポリテトラフルオロエチレン（以下 PTFE）をた。なお、処理水は全て処理槽に戻し、余剰汚泥の引き抜き

延伸して作られ、Fig.2のような3次元に多孔質化された構造は行わなかった。

返送汚泥

原水

返送汚泥用ポンプ
標準活性汚泥法Fig.1 MBRと標準活性汚泥法の処理フロー

がら様々な特性を持つ多孔質膜を作ることができる。
このePTFEの特性として、高空隙率・非粘着性（易剥離性）
・耐薬品性・耐熱性・防水透湿性などが挙げられる。
この応用分野としては分離・ろ過用途（液体フィルター・エアーフィ
ルター・バグフィルター）、通気・透湿・防水・防塵用途（電池用
撥水膜・ベントフィルター・燃料電池用透過膜・セパレーターなど）などがある。
本研究では、
ePTFEの特性である高空隙率（高透水性）、

これまで MBR は産業排水、
ビル中水道、
し尿処理、浄化槽など、小規模処理を中心に普及していたが、今後は大規模都市下水処理への展開が期待されている。しかし、MBRが抱える問題点の 1 つに膜の汚染（以下 ファウリング）があめ、膜には低ファウリング性が要求される。またファウリング進
行時には薬剤による膜の洗浄が行われるため、膜はその化
学的耐久性も必要となる。本研究では、ラボスケールの浸漬型 MBR に、耐薬品性に優れたポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene 以 下 PTFE）の多 孔 質 膜を適

率）
に着目し、
MBRとしての性能評価を検討した。

3. 浸漬型MBR装置と運転条件

透過流束1.2-1.6[m/d]

温度 [℃]

15-19

pH

6.5-7.5

MLSS [g/L]

6.5-8.5

曝気量 [L/min]2

基質

グルコース, リン酸二水素カリウム
ペプトン, 酢酸ナトリウム運転期間 [d]6（Run1）、7（Run ）、6（Run 3）

ろ過方法

間欠吸引ろ過（吸引9分，
休止1分）

運転日数 [day]槽にePTFE平膜モジュール（PP製プレートにePTFE/PPラミ

超純水のろ過抵抗を測定した。また取り出した膜モジュール

ネート膜を貼り付け、表裏両面からの吸引ろ過を可能にしたモに対し、表面をスポンジで拭き取る「物理洗浄」、5000 mg

ジュール）
4組を浸漬させ、グルコースを主な炭素源とする人工の NaClO 溶液に 5 時間以上浸漬させる「薬品洗浄」を施

廃水の処理を19日間連続して行った。

し、各洗浄後の超純水のろ過抵抗を測定した。各ろ過抵抗は、以下の式とFig.4 から算出した。3）
データロガー

エアーコンプレッサー

タイマー付ポンプ

傾き=1/μR⊿P：ろ過圧力[Pa]μ：透過液粘度[Pa・s]
R：ろ過抵抗

吸引

活性汚泥

-1

細孔径0.3μmの膜のTMPのみが80kPa程度まで急激に上昇し、他の3つの膜のTMPにおいては20kPa程度までほぼ同様に緩やかな増加を示した。そのためRun2からは細孔径0.3μmの膜を外し、他の3つの膜のTMPの変化を比較した。 Run 1終了後、膜洗浄を行って開始したRun2においては、細孔径1.0μm（A）膜のTMPが他の2つの膜のTMPに比後、膜洗浄を行って開始したRun3においては、
細孔径1.0μm（B）膜のTMPのみが30kPa程度まで緩やかに上昇し、他の2つの膜のTMPは70kPa程度まで急激に上昇するする傾向
を示した。

薬品洗浄後
物理洗浄後

膜取り出し直後散気管

9ファウリングの進行度を示す指標の一つであり、TMPが上昇4-2） 各膜のろ過抵抗 R 3）

曝気

Fig.3

（以下TMP）の経時変化をFig.5に示す。なお、TMPは膜

べ、若干緩やかに増加する傾向を示した。一方、Run2終了

J：透過流束[m/s]

J=ΔP/μR

圧力計（人工廃水）

各膜における膜間差圧
（TMP）
の経時変化

MBR処理槽に浸漬させた4枚のePTFE平膜の膜間差圧

Run1, Run 2 終了時に膜モジュールを処理槽から取り出し、基質

Fig.2 ePTFEの構造図（×5000）Fig.5

するほどファウリングが進行していることを示す。Run1では

流量計

2. ePTFEの特徴

0.3, 0.5, 1.0（A, B）

MBR装置の模式図をFig.3に示す。有効容積18Lの処理較した。また洗浄（物理・薬品洗浄）前後の膜ろ過抵抗を調べた。3）

膜細孔径 [μm]非粘着性（耐ファウリング性、易洗浄性）、耐薬品性（洗浄効用し、その細孔径の違いによるファウリングの進行の程度を比測定することで、ろ過抵抗と膜ファウリングの進行との関係を浸漬型MBR装置運転条件

浸漬型MBR装置模式図

その時の運転条件を Table.1 に示す。運転初日から 6 日

膜間差圧（ろ過圧力）

目までを Run 1、その後の 7 日間を Run 2、更にその後の 6

Fig.4 ろ過抵抗算出方法

Winter 2011

Winter 2011

る。このファウリングが進行すると膜の処理能力が下がるた

Table.1

TMP [kPa]

透過制御を行うことが可能であり、PTFEの特徴を活かしな

純水ろ過時の抵抗 [1/m]

標準活性
汚泥法
処理水

透過流束 J

沈殿槽

No.204-1） 膜間差圧の経時変化3）を示す。この延伸多孔化技術では、密度制御・孔径制御・

MBR
処理水

ブロア 生物反応槽
MBR

4. 結果と考察

Fig.6

各膜における洗浄前後の純水ろ過抵抗
10

No.20

技術論文
ePTFE膜のMBR用途に対する可能性に向けた一考察

solids 以下 SS）や微生物群の除去能力に優れ、
また必ずし

次に、
多孔質PTFE（expanded PTFE：以下 ePTFE）の日間を Run 3 とした。使用した ePTFE 平膜の細孔径は、も大きな敷地面積を必要としない（標準活性汚泥法に比して特徴を説明する。ePTFEは、非粘着性・疎水性・耐熱性・0.3μm, 0.5μm, 1.0μm の 3 種 類で、1.0μm についてのみ 21）, 2）
敷地面積を小さくできる）などの利点がある。

耐薬品性・耐候性・低摩擦・撥水性・低誘電率などの優れ

枚用い、計 4 枚の平膜を浸漬させて同時にろ過試験を行った性質を有するポリテトラフルオロエチレン（以下 PTFE）をた。なお、処理水は全て処理槽に戻し、余剰汚泥の引き抜き

延伸して作られ、Fig.2のような3次元に多孔質化された構造は行わなかった。

返送汚泥

原水

返送汚泥用ポンプ
標準活性汚泥法Fig.1 MBRと標準活性汚泥法の処理フロー

がら様々な特性を持つ多孔質膜を作ることができる。
このePTFEの特性として、高空隙率・非粘着性（易剥離性）
・耐薬品性・耐熱性・防水透湿性などが挙げられる。
この応用分野としては分離・ろ過用途（液体フィルター・エアーフィ
ルター・バグフィルター）、通気・透湿・防水・防塵用途（電池用
撥水膜・ベントフィルター・燃料電池用透過膜・セパレーターなど）などがある。
本研究では、
ePTFEの特性である高空隙率（高透水性）、

これまで MBR は産業排水、
ビル中水道、
し尿処理、浄化槽など、小規模処理を中心に普及していたが、今後は大規模都市下水処理への展開が期待されている。しかし、MBRが抱える問題点の 1 つに膜の汚染（以下 ファウリング）があめ、膜には低ファウリング性が要求される。またファウリング進
行時には薬剤による膜の洗浄が行われるため、膜はその化
学的耐久性も必要となる。本研究では、ラボスケールの浸漬型 MBR に、耐薬品性に優れたポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene 以 下 PTFE）の多 孔 質 膜を適

率）
に着目し、
MBRとしての性能評価を検討した。

3. 浸漬型MBR装置と運転条件

透過流束1.2-1.6[m/d]

温度 [℃]

15-19

pH

6.5-7.5

MLSS [g/L]

6.5-8.5

曝気量 [L/min]2

基質

グルコース, リン酸二水素カリウム
ペプトン, 酢酸ナトリウム運転期間 [d]6（Run1）、7（Run ）、6（Run 3）

ろ過方法

間欠吸引ろ過（吸引9分，
休止1分）

運転日数 [day]槽にePTFE平膜モジュール（PP製プレートにePTFE/PPラミ

超純水のろ過抵抗を測定した。また取り出した膜モジュール

ネート膜を貼り付け、表裏両面からの吸引ろ過を可能にしたモに対し、表面をスポンジで拭き取る「物理洗浄」、5000 mg

ジュール）
4組を浸漬させ、グルコースを主な炭素源とする人工の NaClO 溶液に 5 時間以上浸漬させる「薬品洗浄」を施

廃水の処理を19日間連続して行った。

し、各洗浄後の超純水のろ過抵抗を測定した。各ろ過抵抗は、以下の式とFig.4 から算出した。3）
データロガー

エアーコンプレッサー

タイマー付ポンプ

傾き=1/μR⊿P：ろ過圧力[Pa]μ：透過液粘度[Pa・s]
R：ろ過抵抗

吸引

活性汚泥

-1

細孔径0.3μmの膜のTMPのみが80kPa程度まで急激に上昇し、他の3つの膜のTMPにおいては20kPa程度までほぼ同様に緩やかな増加を示した。そのためRun2からは細孔径0.3μmの膜を外し、他の3つの膜のTMPの変化を比較した。 Run 1終了後、膜洗浄を行って開始したRun2においては、細孔径1.0μm（A）膜のTMPが他の2つの膜のTMPに比後、膜洗浄を行って開始したRun3においては、
細孔径1.0μm（B）膜のTMPのみが30kPa程度まで緩やかに上昇し、他の2つの膜のTMPは70kPa程度まで急激に上昇するする傾向
を示した。

薬品洗浄後
物理洗浄後

膜取り出し直後散気管

9ファウリングの進行度を示す指標の一つであり、TMPが上昇4-2） 各膜のろ過抵抗 R 3）

曝気

Fig.3

（以下TMP）の経時変化をFig.5に示す。なお、TMPは膜

べ、若干緩やかに増加する傾向を示した。一方、Run2終了

J：透過流束[m/s]

J=ΔP/μR

圧力計（人工廃水）

各膜における膜間差圧
（TMP）
の経時変化

MBR処理槽に浸漬させた4枚のePTFE平膜の膜間差圧

Run1, Run 2 終了時に膜モジュールを処理槽から取り出し、基質

Fig.2 ePTFEの構造図（×5000）Fig.5

するほどファウリングが進行していることを示す。Run1では

流量計

2. ePTFEの特徴

0.3, 0.5, 1.0（A, B）

MBR装置の模式図をFig.3に示す。有効容積18Lの処理較した。また洗浄（物理・薬品洗浄）前後の膜ろ過抵抗を調べた。3）

膜細孔径 [μm]非粘着性（耐ファウリング性、易洗浄性）、耐薬品性（洗浄効用し、その細孔径の違いによるファウリングの進行の程度を比測定することで、ろ過抵抗と膜ファウリングの進行との関係を浸漬型MBR装置運転条件

浸漬型MBR装置模式図

その時の運転条件を Table.1 に示す。運転初日から 6 日

膜間差圧（ろ過圧力）

目までを Run 1、その後の 7 日間を Run 2、更にその後の 6

Fig.4 ろ過抵抗算出方法

Winter 2011

Winter 2011

る。このファウリングが進行すると膜の処理能力が下がるた

Table.1

TMP [kPa]

透過制御を行うことが可能であり、PTFEの特徴を活かしな

純水ろ過時の抵抗 [1/m]

標準活性
汚泥法
処理水

透過流束 J

沈殿槽

No.204-1） 膜間差圧の経時変化3）を示す。この延伸多孔化技術では、密度制御・孔径制御・

MBR
処理水

ブロア 生物反応槽
MBR

4. 結果と考察

Fig.6

各膜における洗浄前後の純水ろ過抵抗
10

No.20

製品の紹介ePTFE膜のMBR用途に対する可能性に向けた一考察

次に、
Run 1, Run 2 終了時に測定した超純水の膜ろ過抵抗の値をFig.6に示す。Fig.5とFig.6の結果をみると、洗浄前後における超純水ろ過抵抗値は、TMPの経時変化と相関がとれないことがわかる。しかし薬品洗浄後のろ過抵抗とRun開始時のろ過抵抗との差（洗浄で回復しなかった抵抗
Ri）
を求めると、その大小はその後のRunにおけるTMPの経時変化に影響を与えていることが示唆された。Riが他の膜に比べて低かったRun 1 終了時の1.0μm（A）膜とRun 2 終了時の1.0μm（B）膜は、Run 2、Run 3 においてそれぞれ
TMPの増加が緩やかであった。
また、膜の物理洗浄により回復する抵抗が大きい場合、Riは小さくなる傾向がみられた。物理洗浄の効果が高い場合

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

水のリサイクル技術は、環境及び資源枯渇の面から様々な分野において、ますます重要になると考えられる。今後もMBR

は、細孔内部への汚染成分の侵入によるものが主であると考といった水処理分野でのePTFEの応用先を検討していく。
なお、本報は化学工学会 第42回秋季大会で「MBR用
PTFE膜の開発」
として、横浜国立大学大学院工学研究院
特別研究教員 新田見匡先生が発表した内容に基づいたもウリングの進行については、洗浄後の膜の状態により差が生

のである。

じ、
さらに膜の物理洗浄により回復する抵抗が大きい場合、Ri

謝辞

人見哲男様の御力のもと得られた成果であり、ここに心から深く謝意を表します。

原水および処理水の水質をTable. 2 に示す。
原水に対して、いずれの膜のおいてもBOD、
COD、
SS全て
低濃度であることがわかり、孔径の大きい1.0μmの膜でも処理水質に問題がないことが確認できた。
Table.2

Membrane Bioreactors in Water and Wastewater

孔径0.3μm膜

孔径1.0μm膜

BOD（mg/L） 150

1

1

COD
（mg/L） 62.4

2.4

2.6

0.5未満

0.5未満

SS
（mg/L）

原水

5

7. 参考文献小池 真二

Since it was introduced as a new concept sheet gasket into the market in 2004, Valqua BLACKHYPER™
#GF300 has been known for its long-term reliability, high temperature stability, and high compression strength,
all which are attributed to its excellent stress relaxation characteristics. On the other hand, many users are
calling for the unification of the products to one product which has broader utility, because it has been troublesome to use those products according to specifications after the use of asbestos products was prohibited.
Here we would like to introduce Valqua #MF300, a white color sheet gasket which was developed to havelong-term reliability as #GF300 and a wider range of chemical compatibility. BRIGHTHYPER™ #MF300 is a
general purpose sheet gasket and applicable to areas where asbestos sheet gaskets have been used.
Keywords：
long-term reliability, wider range of chemical compatibility, BRIGHTHYPER™, general purpose sheet gasket

No.201）The MBR Book : Principles and Applications of

処理水質測定結果

測定項目

本報で紹介した研究は横浜国立大学大学院工学研究院 教授 松本幹治先生、特別研究教員 新田見匡先生、

4-3） 水質処理研究開発部 シール開発グループ

Winter 2011

Winter 2011

ファウリングの進行が速いこと、
また0.5μmと1.0μmの膜のファは小さくなる傾向が確認できた。

日本バルカー工業株式会社

6. おわりにリングが主であると考えられ、物理洗浄の効果が低い場合

以上より、細孔径0.3μmの膜は0.5μm、1.0μmの膜に比べ広範囲の流体に適用できる
白色ふっ素樹脂系ガスケット
ブライトハイパー™ No.MＦ３００・膜の物理洗浄により回復する抵抗が大きい場合、Riは小は、膜表面に汚染成分が堆積してできたケーク層によるファウ

えられる。

No.20

5. まとめTreatment, Simon Judd with Claire Judd, ELSEVIER
2）MBR( 膜分離活性汚泥法 ) による水活用技術 山本和夫、
サイエンス＆テクノロジー株式会社（2010）3）化学工学会 第 42 回秋季大会「MBR 用 PTFE 膜の開発」

1. はじめに当社は2004年、
ジョイントシートに代わる新しいコンセプトの（以下
シートガスケットとして、
ブラックハイパー® No.ＧＦ３００
GF300）を上市した。このＧＦ３００は、
非石綿ジョイントシートの欠陥である耐熱性を改良し、かつ従来のふっ素樹脂ガスケッ

4 - 1）、4 - 3）の結果から、当社 ePTFE は孔径が 0.5μm

トのクリープ特性を改善し、優れた応力緩和特性によって長期以上であるほうが耐ファウリング性を有しており、また孔径がの信頼性と高温安定性を確保するとともに、増締めをも含めた

大きくても処理水質に問題がなく、さらにろ過流量を増やせる

安定した取扱性の高さから、多くのユーザーにご好評をいたという点で孔径 1.0μm の ePTFE が最も MBR に適していだいている。

ると考えられる。

しかし、急速な非石綿化の過程では、多くのノンアス製品はまいシートガスケットによって、使用ガスケットの統一を望む声が高まっている。
こうした各ユーザーの要望を受け、当社はＧＦ３００の長期信頼性をそのままに、白色でかつ耐薬品性を向上させて適用
流体範囲を広げた新ガスケットの開発に挑み、ブライトハイ
パー™ No.MＦ３００（以下MF300）の開発に成功した。
ここに紹介するMＦ３００は、石綿ジョイントシートの代替として、従来の石綿ジョイントシートのほとんどの用途に適用可能なシートガ
スケットである。

2. 構成および特徴

さらに、ePTFE は耐薬品性、耐熱性を有しているため、だ実績に乏しく、
従来は石綿ジョイントシートの使われていた領他の材質では困難であった高温でのアルカリ・酸などを利用域であっても、わずかな仕様の違いに対応して、各種のノンア

した洗浄方法が適用できることから、MBR 用途として有望ス製品を使い分けるに至った。
このことは、
ユーザー各位での耐薬品性に優れた充填材を配合する事によって、
ＧＦ３００

である。

管理を煩雑にし、管理コストの増大と設備保全の信頼性の低よりも広い流体適用範囲（特に耐アルカリ性）をもつ。また、下をも懸念された。

PTFE バインダーを使用し、耐熱性に優れ、フランジへの固今後は、4-2）の結果でもあるように、いかに効率よく表面ろ過を実現させるかが課題となる。
11

そのため、
ユーザー各位にあっては、より適用流体範囲の広2-1） 高い耐薬品性

着もない特徴はＧＦ３００と同等である。
12