2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of controlling method of combined fouling for the diversification of water source and establishment of sustainable membrane treatment system
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20K12228
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| Research Institution | Nigata University of Phermacy and Applied Life Sciences |
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Principal Investigator |
大野 正貴 新潟薬科大学, 応用生命科学部, 博士研究員 (40781216)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 逆浸透膜 / 膜ファウリング / 生物膜 / スケール / ナノバブル / 次亜塩素酸ナトリウム / ファウリング制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
逆浸透(RO)膜処理において微生物の生物膜や無機塩のスケールによる膜の目詰まり(ファウリング)は深刻な問題である。本研究課題では、RO膜における生物膜とスケールによる複合的なファウリングの制御において次亜塩素酸ナトリウム（以降、塩素）とナノバブルを併用した洗浄手法を開発すると同時に、生物膜除去におけるスケールの存在影響を評価し、制御メカニズムの解明を達成する。これに加えて、本洗浄手法を適用した長期間の膜ろ過運転の実証から安定性を評価することを目的としている。
これまでの成果として、生物膜とスケールによる複合ファウリングの洗浄条件として洗浄剤の種類および洗浄時の操作圧力の効果について検討し、ナノバブルを洗浄剤とした場合では、操作圧力が低いほど洗浄効果が向上することが示された。また、ナノバブルのみを用いた洗浄は塩素のみによる洗浄よりも効果が低かったが、塩素を併用することで洗浄効果が向上し、ナノバブルが塩素による薬品洗浄の効果を相加的に向上させることが明らかとなった。さらに、塩素とナノバブルを併用した本洗浄手法におけるファウリング制御の長期安定性を検討した。ここまでで見出した洗浄条件に基づいて、膜処理運転(ファウリングが発生)と洗浄の繰り返し試験による膜性能の安定性を評価した。ナノバブルのみの洗浄では不十分であったが、ナノバブルと塩素を併用して洗浄時の操作圧力を無加圧で洗浄したところ、5回の繰り返し洗浄後でも膜性能を初期値から90%以上維持でき、本洗浄手法を適用することで生物膜とスケールによる複合ファウリングを長期安定的に制御できることが明らかになった。
これらの成果は第55回日本水環境学会年会及び膜工学サロン（招待講演）において発表した。また、The Water and Environment Technology Conference 2022での発表を予定している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、生物膜とスケールによる複合ファウリングの制御において次亜塩素酸ナトリウム（以降、塩素）とナノバブルを併用した洗浄手法を開発すると同時に、生物膜除去におけるスケールの存在影響を評価し、制御メカニズムの解明を達成する。これに加えて、本洗浄手法を適用した長期間の膜ろ過運転の実証から安定性を評価することを目的とし、次世代に向けた持続可能なRO膜処理システムの確立を目指している。本研究の計画として、複合ファウリング制御における塩素とナノバブルの併用洗浄手法の開発、生物膜除去におけるスケールの役割の解明、塩素とナノバブルの併用洗浄を適用した膜処理システムの実証と安定性評価の3項目を設定し、実施している。
2020年度は、生物膜とスケールによる複合ファウリングの洗浄条件について検討し、ナノバブルと塩素の併用洗浄において操作圧力が低いほど洗浄効果が高いことと、ナノバブルが塩素による薬品洗浄効果を相加的に向上させることが明らかとなった。2021年度は、本併用洗浄手法における複合ファウリング制御の長期安定性の評価について、当初の研究計画を概ね達成した。ここでは、昨年度までの検討からナノバブルを用いたファウリング制御における洗浄条件を見出し、膜処理運転(ファウリングが発生)と洗浄の繰り返し試験による純水透過流束(Flux)の安定性を評価した。ナノバブルと塩素を併用し、洗浄時の操作圧力を無加圧で洗浄したところ、5回の繰り返し洗浄後のFluxは膜の初期Fluxに対して約90%に維持でき、本洗浄手法を適用することで生物膜とスケールによる複合ファウリングを長期安定的に制御できることが明らかになった。一方で、ナノバブルのみの洗浄では不十分であったが、塩素との併用によって加圧条件下においてもFluxを70%程度に維持でき、膜ろ過処理を中断することなく洗浄も行える可能性が示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度の計画として、引き続き塩素とナノバブルの併用洗浄手法の開発において、洗浄条件として洗浄時の流量、洗浄間隔および時間等の物理的な条件を検討する。これに加えて、生物膜除去におけるスケールの役割の解明について検討する。具体的には、ここまでの検討から見出した最適洗浄条件において、膜面上の生物膜量に対するスケール形成量を変化させた複合ファウリングに対して洗浄効果を評価する。生物膜量に対するスケール形成量を変化させる要因としては、原水中のスケール成分濃度および膜ろ過における純水回収率とする。複合ファウリングにおけるスケールの存在が生物膜除去に及ぼす影響を評価することで、塩素とナノバブルを併用した複合ファウリングの制御メカニズムの解釈・明確化する。これにより、本洗浄手法において制御でき得る限界の複合ファウリングの強度を明らかにし、ファウリング強度の決定要因である原水中の微生物密度および無機イオン濃度等としてのRO膜への導水許容レベルを明らかにする。また、本洗浄手法が多様化する水源に対しても複合ファウリングを制御可能か評価するため、繰り返し洗浄による運転安定性を評価する。ここでは、実際の高塩濃度排水として下水処理水が流入した沿岸域の汽水を原水として連続ろ過試験を行い、ファウリングと洗浄を１０回程度の繰り返し行うことで本洗浄手法の安定性を評価する。これにより、実証水源における塩素とナノバブルの併用洗浄を適用した複合ファウリング制御を確立することで、本膜処理システムの社会的効果を解釈、評価する。
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| Causes of Carryover |
3年間のリース料として計上していた分光蛍光光度計を2021年度内の一括購入に変更となったため、2021年度の予算を多めに計上していたため。また、2022年度に環境水を使用した長期間の実証試験を予定しているため。
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