島村 和彰* Kazuaki SHIMAMURA
秦 良介* Ryosuke HATA
林 益啓* Masuhiro HAYASHI
角田 一郎** Ichiro TSUNODA
Claudius E. Wendianto**
Paul Somadjaja**
*
水ing(株)
**
PT. Beta Pramesti Asia
逆浸透（RO）膜を用いた海水淡水化施設では，RO膜の性能を維持するために砂ろ過やUF膜などの前処理装置を設置する。これらの固液分離装置の安定化処理のために，前段に泡沫分離装置を設置するプロセスを考案した。ここでは，泡沫分離装置で除去可能な濁度成分の他，RO膜のファウリングの原因物質となるTEP（Transparent Exopolymer Particles）やバイオポリマーの除去効果について報告する。ラボ試験では泡沫分離装置の性能を確認するとともに，TEPがRO膜の処理性能に与える影響について調査した。パイロット試験では，東京湾の海水，及びインドネシアの海水を対象に海水淡水化連続試験を行い，泡沫分離の設置効果について検証した。
Seawater desalination facilities based on reverse osmosis (RO) membranes use pretreatment equipment, such as sand filters and UF membranes to maintain the performance of RO membranes. To ensure that these solid-liquid separators provide stable pretreatment, we have designed a process in which a foam fractionator is located before the pretreatment equipment. This paper describes how a foam fractionator can remove tubidity as well as TEPs (transparent exopolymer particles) and biopolymers, which cause RO membranes to become fouled. In laboratory testing, we have verified the performance of the foam fractionator and studied the effect of TEPs on the treatment performance of RO membranes. We also conducted pilot tests to continuously desalinate seawater from Tokyo Bay and from the sea around Indonesia to verify the effectiveness of the foam fractionator.
Keywords: Foam Fractionator, Pretreatment, Transparent Exopolymer Particles (TEP), Biopolymers, Sea water desalination, Fouling, Reverse osmosis, Sand filter, Ultrafiltration, Turbidity
水が不足している地域において，海水淡水化は有望な選択肢とされている。しかしながら，比較的汚染が進行した海域における逆浸透（RO）膜を用いた海水淡水化処理では，RO膜のファウリングが進行し，透水量の低下や操作圧の上昇が課題となっている。そのため，近年，RO膜の前処理として，従来行われている凝集砂ろ過の他に，UF（Ultra-Filtration）膜を用いたり，加圧浮上（Dissolved Air Flotation: DAF）を併用したりと，より高度な処理を行うケースも増加している。それら前処理プロセスにおいて，海水由来の汚濁負荷が高い場合には，ろ過抵抗の上昇や，汚泥の発生量の増加，一部処理水へのリークが確認される。汚濁負荷となる物質としては，粒子状物質として，砂，泥，微生物（藻類，死骸，排泄物），前処理で使用される凝集剤などが挙げられ，溶存有機物としては，海水由来のたんぱく質，フミン質，多糖類（代謝物）が挙げられる。とりわけ，植物プランクトンやバクテリアから排出される透明細胞外重合物質粒子（Transparent Exopolymer Particles：以下TEP）や，溶存有機物の内，有機炭素検出型高速液体クロマトグラフィー（Liquid chromatography-organic carbon detection：以下LC-OCD）で測定されるバイオポリマー区分の有機物は，それらの濃度が高い場合にUF膜の膜間差圧（Trans-Membrane Pressure：TMP）増加速度を速めたり，砂ろ過やDAFでは除去しきれず，RO膜のファウリングが進行することが報告されている 1）～3）。そこで，今回それら有機物がRO膜の処理性能に与える影響をラボ試験において定量的に把握した。また，従来の前処理プロセスの粗処理として泡沫分離装置（Foam Fractionator）を組み込んだ海水淡水化前処理プロセスを開発し，それら膜汚染の原因となっている有機物の除去について検討した。ここでは，泡沫分離装置の基礎試験による検証結果，海水浄化を目的とした実証試験（ジャカルタ市内）の結果，泡沫分離装置を砂ろ過装置に組み込んだパイロットプラントによる実証試験（東京湾）の結果を紹介し，新しい海水淡水化前処理プロセスを提案する。
ラボ試験において，RO膜汚染有機物がRO膜の処理性能に与える影響を調査した。試験は，TEP源としてキサンタンガム（以下XG）を添加した海水を対象として，RO膜の水透過係数を定量的に把握した。ラボ試験装置を図1に示す。原水は海水をUF膜ろ過した透過水20 Lに，XG 0～1200 mgを添加した液を用いた。試験では，原水を5.5 L/minで通水するとともに，操作圧を5.0 MPaにして透過水を得た。濃縮水及び透過水は常時原水槽に返送する循環運転を行い，XGを添加してから24時間後の透過水量を測定した。その後，更に所定量のXGを添加して，上記同様に24時間後の透過水量を測定した。以後，上記を繰り返した。
図1 ラボ試験装置
泡沫分離装置のイメージ図を図2に示す。装置構造はシンプルで，原水の供給管と，処理水の流出管，エアの供給管，及び発生した泡沫の排出管からなる。基本的な原理は，図3に示すように，気泡の表面に疎水性部分を有する物質を付着，濃縮させて，装置上部から泡沫を分離，排出する。泡沫分離装置の特長として，接触時間は1.5～3分程度と短いことから，装置容積が小さく設置面積が少なくて済むこと，また装置コストが安いことが挙げられる。泡沫分離装置の処理水は，後段に設置される固液分離装置（砂ろ過や膜ろ過）で処理した後，RO膜に供給する。
図2 泡沫分離装置イメージ図
図3 汚濁物質の除去原理
泡沫分離装置の各種除去性能を調べるために，まずラボ試験（図4）で各種除去率を把握した。評価は，濁度の除去率の他，膜のファウリングに寄与する有機物を測定する指標とされているTEPやバイオポリマーとした。供試原水は東京湾の海水を用いた。試験手順は以下のとおりである。
①泡沫分離装置に，海水1.9 Lを供給する。
②装置をセットする（泡沫分離部，エアストーン等）
③所定の空気量で，所定時間（1～4分）通気する。
④泡沫分離水が泡沫分離装置上部から流出するので，サンプル瓶で捕集する。
⑤所定時間後，試験終了。
⑥泡沫分離装置内の残留液を処理水としてサンプリング。容積を測定。
⑦各分析。
図4 泡沫分離装置
有機物の測定方法として，全有機炭素（Total Organic Carbon：TOC）が一般的に用いられるが，膜のファウリングの原因となる有機物は，TOCの中でも限定的な有機物である。ここでは，RO膜のファウリングに影響を与える有機物の定量方法として，先に述べたTEPやバイオポリマー等を測定した。なお，TEPは，Passowら4）によって測定方法が提唱され，アルシアンブルー染色液で染色されたムコ多糖類の濃度と定義づけされる。測定方法の手順を簡単に示すと以下となる（Passowらの方法を一部アレンジ）。
①サンプル水を，孔径0.4μmのポリカーボネート紙（以下PC紙という）を用いて吸引ろ過する（20 kPa以下）。
②PC紙に残留した物質を純水でリンスし，吸引ろ過する。
③アルシアンブルー染色液をろ過に添加し，残留物の一部を染色する。
④再び純水でリンスし，吸引ろ過する。
⑤PC紙をろ過セットから取り外し，80 wt%の硫酸（10 mL）に浸漬させる。
⑥約2時間浸漬させた後，上澄み液の波長787 nmの吸光度を測定する。
⑦あらかじめキサンタンガムを標準液とした検量線から定量する。濃度はキサンタンガム換算となる（mg-XG/L）。
バイオポリマーは，LC-OCDを用いて測定される。LC-OCDは，液中の各有機物成分をサイズ排除クロマトグラフィーで分画し，有機炭素検出器（OCD），紫外部吸光度検出器（UVD），有機態窒素検出器（OND）によって，それぞれの有機物成分の相対比を求める分析装置である。本分析によって，バイオポリマー，building blocks，humic-like substance，LMW acids，LMW neutralsに分画し，各々の画分の有機炭素濃度を定量的に評価するとともに，UVD及びONDの測定結果も活用することで各有機物の特性に関する情報も部分的に取得することが可能である。上記の内，バイオポリマーに区分される有機物が膜のファウリングに強く影響を及ぼす可能性が指摘されている 5）。
海水水質の変動が大きいインドネシアのアンチョール海水淡水化施設に，泡沫分離パイロット試験装置を設置し，除去性能の確認試験を実施した。さらに，泡沫分離装置を従来法である凝集砂ろ過の前段に併設し，従来法との性能比較試験を，パイロット試験装置を用いて実施した。それぞれの試験方法の詳細を以下に示す。
インドネシアのアンチョール海水淡水化プラント内において，泡沫分離装置を用いた海水浄化の粗処理の検証試験を実施した。アンチョール海水淡水化プラントの概要は以下のとおりである。
アンチョール海水淡水化プラントの概要
ロケーション：ジャカルタ市内
プラント構成：取水，DAF，UF膜，RO膜
造 水 量 ：4500 m3/d
試験処理フローを図5に示す。実プラントの海水貯槽から海水を取水し，海水を泡沫分離装置に導入し，各種除去率を調査した。処理条件を表1に示す。処理量は1.2～2.2 m3/h，接触時間は2.1～3.8分とした。なお，泡沫分離装置に導入する海水量は，実プラントの0.5 ％であり，実プラントに与える影響はほぼない。
図5 アンチョール海水淡水化プラントにおける試験フロー
| 条件 | |||
| 泡沫分離装置 | 処理量 | m3/h | 1.2～2.2 |
| 接触時間 | min | 2.1～3.8 | |
2系列の海水淡水化ミニプラントを(株)荏原製作所袖ヶ浦事業所内に設置し，東京湾の海水を対象に，泡沫分離装置の連続処理実証試験を実施した（図6）。1系列目は従来法である凝集ろ過を前処理とした比較系，2系列目は，砂ろ過の前段に泡沫分離装置を設置した試験系である。それぞれの処理条件を表2に示す。試験系の泡沫分離装置の処理量は2.3 m3/h，液接触時間は2.0分とした。なお，後段の砂ろ過は，比較のため比較系と同じ条件で通水し，泡沫分離処理水を砂ろ過装置に供給した。
図6 連続処理フロー
| 比較系 | 試験系 | |||
| 泡沫分離装置 | 処理量 | m3/h | 設置無 | 2.3 |
| 接触時間 | min | 2.0 | ||
| 砂ろ過 | ろ過方式 | − | 重力式DMF | 重力式DMF |
| ろ過速度 | m/d | 177 | 177 | |
| RO膜 | 仕様 | − | ポリアミド系 | ポリアミド系 |
| スパイラルRO膜 | スパイラルRO膜 | |||
| 運転方法 | − | 透過水量一定制御 | 透過水量一定制御 | |
ラボ試験で得られたXG添加量とRO膜の水透過係数の関係を図7に示す。XG添加量が多いほど水透過係数が低下する傾向は明らかであり，XG無添加の場合に比べて，XG添加量750 mgの場合の水透過係数は5.1×10−9 m/（s・kPa）であり初期の水透過係数に比べ約87 ％であった。また，添加量1200 mgの場合の水透過係数は4.8×10−9 m/（s・kPa）であり，初期値に比べ約77 ％であった。この結果から，TEPとしてカウントされる有機物が，RO膜表面に付着することで透過水量が低下することが明らかとなった。このような透過水量の低下は，XGのRO膜表面での付着によって濃度分極が促進されるためと考えられる。濃度分極の増加は，透過水を得る実質的な推進力となる有効圧（操作圧からRO膜近傍の浸透圧や圧力損失を引いた値）の減少となり，その結果透水性が低下したと考えられる。XGの付着量が増加すると，更に濃度分極が増加し，有効圧の減少によって透水性が更に低下したと考えられる。筆者らは，実海水を用いた連続処理試験において，RO膜供給水のTEP濃度とRO膜ファウリング進行速度の関係を調査したところ正の相関があることを報告しており 1），本試験結果はそれを裏付ける結果であった。
図7 XG添加量と水透過係数の関係
ラボ回分試験で実施した泡沫分離の各除去性能を確認した。図8は，各除去率を示したグラフである。濁度は，原水3.3度に対して，濁度除去率は80 %であった。TEPは，原水1.52 mg-XG/Lに対して，除去率は56 %であった。TOCの除去率は16 %，孔径1μmのガラスフィルターを通したS-TEP除去率は34 %，バイオポリマーは14 %の除去率であった。TOC，TEP，バイオポリマーはそれぞれ有機物量を測定しているが，除去率に相違が出るのは測定方法が異なるためであり，TEPとバイオポリマーは，TOCとしてカウントされる有機物の内，特に膜に付着しやすい有機物を測定している。ラボ回分試験ではわずか3分程度の処理（泡沫分離水の流出しない時間があるので実質的には2分程度）で，原水の汚濁負荷（濁度やTEP）を50 ％以上低減することができることから，汚濁物質の粗処理としての役割は十分に果たし，また，原水の汚濁負荷が変動した場合においても，負荷の平準化に貢献すると考えられる。
図8 各有機物の除去率
アンチョール海水淡水化プラント内に設置した泡沫分離装置の処理の様子を図9に示す。装置の直径は350 mm，高さは約2 mであり，原水の滞留時間2分で通水した場合には，この装置で約55 m3/dの処理が可能である。塔中央部が原水と気泡が向流で接触する気液接触部であり，エジェクターによって吸引された空気は，塩類が高い海水では微細化し，塔全体が白濁した様子となっている。塔上部は泡沫分離部であり，泡沫に付着した濁度や溶解性の有機物が濃縮され，海水由来の発泡成分や一部の処理水とともに越流し系外に排出されている。目視でも，泡沫に付着した汚濁物は原水よりも高濃度になっており，濃縮されているのが観察される。滞留した泡沫は3分に一度に噴射されるシャワー水によって消泡され速やかに濃縮槽に排出される。
取水した海水の濁度変動を図10（上図）に示す。また，併せて泡沫分離処理した処理水の濁度，及び濁度除去率を示す。海水の濁度は大きく変動し，調査を開始した10月から12月上旬までは，おおむね10 NTU以上であり，最大75 NTUとなった。インドネシアでは11月～4月が雨季シーズンであり，この時期は雨季シーズンの始まりの時期と重なる。12月中旬から2月末までは，穏やかな濁度が継続し，おおむね6 NTU以下であり，最も低いときで1.1 NTUであった。しかしながら，3月以降再び濁度が変動し，高いときで40～50 NTUとなった。
泡沫分離の濁度除去率を図10に示す。除去率は高いときで80 ％，低いときで20 ％，平均すると約50 ％であった。濁度除去率のばらつきは，海水の水質の変化によってもたらされると考えられ，気泡に付着しやすい濁度が多い場合は濁度除去率が上昇し，逆に濁度が付着しにくい場合には低下すると考えられる。図10から，原水の濁度が1.1～75 NTUの変動の中で，泡沫分離処理水の濁度はおおむね30 NTU以下に抑制できており，泡沫分離装置は粗処理として海水濁度の平準化，及び50 %の負荷低減に貢献できた。
膜汚染の原因となる有機物の除去性能を図11に示す。色度の除去率は30 %，TOC除去率は43 %，TEPの除去率は47 %，バイオポリマー除去率は32 ％であった。膜汚染の原因となる有機物の粗処理という観点でも，後段の前処理プロセスの負荷を低減することが可能であると言える。
図9 泡沫分離装置
図10 濁度の変化（上図は濁度の変化，下図は除去率の変化）
図11 各有機物の除去率
図12は，試験系（泡沫分離＋砂ろ過）と比較系（砂ろ過）において，砂ろ過の逆洗直後からの代表的なろ過抵抗の変化をそれぞれ示す。ろ過抵抗が10 kPaに達する時間は，従来法である比較系が約5.5時間に対して，試験系は約13.5時間であり，ろ過時間は明らかに試験系の方が伸びた。また，ろ過抵抗の上昇速度を比較すると，比較系が1.35 kPa/h，試験系が0.49 kPa/hであり，上昇速度は約1/3に抑えられた。上昇速度が抑制できた理由として，泡沫分離装置では，海水由来の濁度や凝集剤由来の濁度等が，泡沫分離水として排出され，濁度負荷が低減した処理水が砂ろ過装置に流入したためと考えられる。
泡沫分離装置は，汚濁を含む泡沫を連続排出することが可能であり，特に逆洗工程を必要としない。そのため，処理水を連続的に砂ろ過装置に供給することが可能である。また，砂ろ過装置では，泡沫分離装置の設置によってろ過継続時間が長くなることから逆洗頻度を低下させることができ，またろ過抵抗上昇速度を抑えられることから，処理水質が悪化しない限りLV（Liner Velocity；線速度）を上昇させることもできるので，ろ過装置の小型化にも貢献すると考えられる。
図13は，原水及び砂ろ過処理水のTEP濃度を比較したグラフである。原水のTEP 1.2 mg-XG/Lに対して，処理水のTEPは，比較系が0.25 mg-XG/L，試験系が0.19 mg-XG/Lであり，試験系が約20 ％低下した。砂ろ過処理水のTEP濃度が低下することは，RO膜へのTEP負荷が低下することになり，RO膜のファウリング進行の抑制に貢献すると考えられる。
図12 ろ過抵抗の変化
図13 TEP濃度の変化
海水由来の有機物がRO膜の性能低下に与える影響の基礎試験と，海水淡水化の前処理プロセスの粗処理として泡沫分離装置を設置した新たなプロセスの検証試験結果について述べた。基礎試験では，TEPがRO膜に付着すればするほどRO膜の水透過係数が低下し，透水性能に影響していることを明らかにした。前処理プロセスの粗処理や海水浄化として設置した泡沫分離装置は，それらTEP等の膜汚染物質の粗除去も可能であることや，濁度負荷の平準化が可能であることを今回明らかにし，従来の前処理プロセスの改善に貢献できることを示した。本技術が，水の不足する地域の安定的な水供給に寄与することを期待している。
1） Taro Miyoshi, Masuhiro Hayashi, Kazuaki Shimamura, Hideto Matsuyama , Important fractions of organic matter causing fouling of seawater reverse osmosis (SWRO) membrans, Desalination 390, p.72-80 (2016).
2） ファウリングの原因と対策・抑制技術,S&T出版 P.69（2016）．
3） 島村 和彰，RO前処理におけるUF膜の運転と洗浄，環境浄化技術，Vol.14，No.4，P.52-55（2015）．
4） U. Passow and A. L.. Alledredge, “A dye-binding assay for the spectrophotometric measurement of transparent exopolymer particles (TEP)” Limnology and Oceanograghy, 40 (7), 1326-1335 (1995).
5） Loreen O. Villacorte, S. Assiyeh Alizadeh Tabatabai, Donald M. Anderson, Gary L. Amy, Jan C. Schippers, Maria D. Kennedy, Seawater reverse osmosis desalination and (harmful) algal blooms, Desalination 360, p.61-80 (2015).
「環境浄化技術vol.15 No.6 2016」に掲載した内容を一部加筆・修正して転載した。
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