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精密フィルターと関連機器
膜濾過技術と活性汚泥法を組み合わせたメンブレンバイオリアクター(MBR、膜分離活性汚泥法)は、極めて高い水質の処理水が得られる排水処理技術であり、水リサイクル利用プロセスなどに応用が進んでいる。課題である大きなエネルギー消費を解決するための研究開発も活発に行われており、今後さらなる普及が期待されている。
水質の高さに期待-膜分離活性汚泥法
【執筆】横浜国立大学工学研究院 准教授 中村 一穂
半導体 医薬品 膜濾過法、進む応用
汚れた水は、濾過膜などフィルターによって濾過することで物理的に汚れ成分を取り除いたり、微生物による反応や化学反応を用いて汚れ成分を分解して取り除いたりすることにより、きれいな水に処理することができる。水処理に用いられる濾過膜はナノメートルからマイクロメールの大きさの制御された無数の細孔を有している。図1に示すように分離対象物質のサイズと細孔サイズに応じた分離が行われる。
細孔サイズに応じて精密濾過膜、限外濾過膜、ナノ濾過膜、逆浸透膜に分類されている。精密濾過膜は微粒子状の物質を阻止する性能があり、液体の清澄化や濾過滅菌などに用いられている。逆浸透膜は水に溶解している成分を阻止し、水のみを透過させるもので、海水淡水化などに用いられている。膜濾過法では、極めて高い水質の処理水が得られるため、半導体産業や医薬食品産業など、付加価値の高い製品を製造するプロセスや、水道水や家庭用の浄水器など安心・安全な水を供給するプロセスで応用が進んでいる。
一方で、微生物を利用した水処理の代表的な技術として、活性汚泥法がある。活性汚泥法では、排水中に含まれる汚れ成分(有機物)は生物反応槽(リアクター)内の微生物(活性汚泥)の働きにより分解されて二酸化炭素として排出され、また一部は活性汚泥の増殖に利用されて余剰汚泥としてリアクターから分離され処分される。
反応に必要な溶存酸素(水に溶けている酸素)は、リアクターに空気を送り込む(曝気〈ばっき〉)操作によって供給される。処理水は沈降槽で活性汚泥と分離される。
活性汚泥法は下水処理場をはじめさまざまな産業分野で広く応用されているが、余剰汚泥の処理、煩雑な運転管理、糸状菌の発生(バルキング)による処理水質の低下などが課題として指摘されている。
MBR、高い処理水質実現
MBRは活性汚泥法の特徴である汚れ成分の分解と、膜分離法の特徴である高度な分離を組み合わせた排水処理技術である。それぞれを単独で用いた場合では実現できない優れた特徴を持った排水処理が可能となる。
その特徴として、①非常に高い水質の処理水が得られること②活性汚泥法で必要であった沈殿槽が不要となるため設置スペースが少なくてすむこと③リアクター内の活性汚泥濃度を高くでき高負荷運転が可能であること④バルキングなど活性汚泥の性状に変化が起きた場合でも安定した処理水が得られることーなどが挙げられる。主に水のリサイクル利用など高い処理水質が求められるプロセスに応用されている。
図2はMBRの概要を示している。MBRは分離膜をリアクター内に浸漬(しんし)させる浸漬型と、リアクターとは別に膜濾過槽を設ける槽外型に分類される。MBRの課題は従来法に比べて設備費、運転に必要なエネルギーコストが高いこと、運転中に汚れが膜に蓄積し処理効率が低下するファウリングが生じることなどが指摘されている。
これらの課題を解決するための研究・開発も活発に行われている。MBR性能の改善に伴い、さらなる応用が進むものと期待されている。