膜分離技術を浄水処理に利用すれば原水を沈砂,スクリーニング後膜分離,殺菌処理だけで飲用水を得ることができるので,浄水処理設備のコンパクト化,操作の容易性という点で,膜分離技術は従来法より優れている.しかし,懸濁物質,溶存有機物,イオン状態の無機物,菌体などの自然水中の各種の物質による膜の閉塞が実用化への大きな阻害要因になっている.従って,膜分離装置を浄水処理へ適用するためには膜の閉塞の問題を解決しなければならない.

　本研究では膜の閉塞を解決または抑制する方法として,

　1)原液の膜面での乱流現状による懸濁物質の付着抑制を目的として脈動流で原水を供給する方法.

　2)溶存有機物による膜面抵抗を,活性炭によって溶存有機物を吸着除去することから低減させるために原水に粉末活性炭を添加する方法.

　3)ろ過するあいだ,膜面に付着した有機物や菌体を酸化分解することからろ過抵抗を低減させる目的としてオゾン化空気で洗浄する方法.

　4)膜で増殖しながら分泌物によってろ過抵抗になっている菌体を不活化することによってろ過抵抗を低減させる目的として紫外線で原水を殺菌する方法.

　の四つ方法によるろ過抵抗の低減効果とその原因を調べることを目的とした.

　本研究では除濁を目的として精密ろ過(MF)膜を使用した.膜は公称孔径0.1m,公称膜面積0.42m²のポリエチレン製疎水膜に親水化処理(コーチィング)を施した外圧式中空糸膜を用いた.

　実験は全量ろ過方式でろ過→洗浄→排水→満水の順番で長期間連続実験を行った.また,水温を20℃に維持して溶媒の粘性を安定させ,透過フラックスを一定に維持しながら差圧の変化で膜の目詰まりによるろ過抵抗を調査した.

　原則的に,実験で用いた原水は本学科の地下水に濁度物質としてカオリンを添加して原水の濁度を70〜90NTU程度に維持しながら使用した.

表1 供給原水の水質

1.原水の脈動供給

　往復動ポンプによる脈動流で原液を乱流状態に維持することと空気泡揺動洗浄を行った場合の閉塞抑制効果を調べた.表2は実験条件である.

表2 実験条件

　この実験では,カオリンと粉末活性炭を共に除去対象にした場合には往復動ポンプによる脈動流原水供給では,膜の表面に積もるケーキ層によるろ過抵抗を減らすことができなかったことで,往復動ポンプによる膜面での原液を乱流状態に維持させる方法は膜の閉塞抑制に効果がないことが明かになった.この結果から,水中の懸濁物質により膜面に堆積されるろ過抵抗を抑制されるための物理的方法としては,処理中の原液を膜面で乱流状態に維持されることより周期的な空気泡揺動洗浄の方が効果があることが明かになった.

　浄水処理における新しい固液分離手段として、膜分離技術が採用されようとしており、在来の浄水処理システムに変革をもたらすものとして注目を集めている。前塩素や凝集剤の添加を要しないという膜分離浄水システムの特性が在来システムには無い利点であるとして嘱目されているからである。

　しかしながら、膜分離技術をこの新しい分野で実用化するためには、さまざまな間題を解決する必要がある。それらのなかでも最大のものは膜の寿命ないしは取替え時間の問題である。従来の浄水場では、小さな部品であっても補修の間隔は数年以上であり、そのような浄水システムに膜分離が受け入れられるか否かは、膜寿命をいかに長くできるかが鍵になる

　本研究は、膜分離浄水システムにおいて、この膜の取替え期間を延長する方法、すなわち膜閉塞の抑制方法を検討したものである。

　第1章は序論であり、研究の背景と目的および研究の概要が述べられている。

　第2章では膜分離に関する包括的な説明と既存の研究報告のレビューがされている。

　第3章では、この研究で用いた実験装置、膜モジュール、供試原水について説明している。全実験を通じて、公称分画径0.1m、膜糸内径270mのポリエチレン製中空糸外圧式精密濾過膜を定流量で使うことを述べ、同時に純水を用いて供試膜のフラックスを測定している。

　第4章では、膜への原水供給方法として、脈動流と連続流とを比較している。これは、脈動流によれば膜糸が振動するため、膜目詰まりが抑制されることを期待したためである。しかし、実験の結果は脈動流による原水供給は閉塞抑制効果が低く、膜面抑留物質を排除して差圧の上昇を抑制するには連続流-空気泡揺動洗浄法のほうが効果があることを明らかにしている。

　第5章では原水に粉末活性炭を添加して連続流実験を行っている。膜目詰まりの原因物質が水中のフミンのような有機物であるとすれば、フミンを粉末活性炭に吸看させたのち膜分離すれば、処理水質の改善が図られると同時に、差圧の上昇を抑制できる可能性があると考えたからである。しかしながら、実験の結果は粉末活性炭を添加しても差圧の上昇は活性炭無添加の場合と同じで、活性炭添加の効果は無かったとしている。

　第6章は膜洗浄方法に関するものである。前章までの膜洗浄方法はハウジングの膜糸外に空気を吹き込み、空気泡によって膜糸を揺動することにより膜に付着した懸濁物質を振るい落とす方法であった。本章では、これに加えて空気と同時にオゾンを吹き込んで洗浄した場合の洗浄効果を検討している。その結果、オゾン化空気による膜揺動洗浄は膜の閉塞抑制に著しい効果があることを見出している。しかし、高濃度のオゾン化空気では短時間で膜糸が切断し、また、洗浄間隔が短くても膜糸が劣化することも明らかになり、膜糸の劣化を最小にするには、オゾン化空気のオゾン濃度を0.04g/m³、洗浄間隔を2時間以上にすべきであることを提案している。ただし、この実験に供した膜材質を使う限り、オゾン洗浄では膜材質の劣化が避けられず、新たな膜材質の開発が必要だとしている。

　オゾン化空気による洗浄が膜の閉塞抑制に効果的であることが判明したので、次に、それがどういう機構によるものかを考察している。ここでは、閉塞抑制機構として、オゾンが(1)膜付着有機物質を分解した、(2)膜孔径を大きくした、(3)無機付着物質を溶出した、(4)膜面に付着した細菌を殺菌した、の4機構を考え、それぞれの仮説の当否を確認する実験を行っている。その結果、(1)〜(3)は閉塞抑制効果の原因としては考えられず、最終的に残ったのは(4)の殺菌作用であったとしている。

　第7章では、前章の結果から、膜洗浄に関するオゾン化空気の効果が膜面の殺菌作用であることが判明したので、それを確認するために、原水を紫外線で殺菌した場合について実験を行っている。すなわち、紫外線により殺菌した原水を用いて、オゾン化空気で洗浄したものと、空気のみで洗浄をしたものとを比較している。その結果、両者の間には差圧の上昇のしかたに差がなく、原水を殺菌するかあるいは洗浄によって膜面を殺菌すれば、同じように差圧の上昇を抑制できることが明らかになったとしている。

　第8章は結論である。

　以上要するに、本論文は浄水処理に中空糸精密濾過膜を適用する際の膜閉塞を抑制する各種の方法について検討し、膜分離浄水を実用化する際の操作方法を提案しているものであり、都市環境工学の分野の発展に貢献する成果である。よって、本論分は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。