薄膜複合順浸透膜を用いた活性汚泥脱水時の膜ファウリングの評価と制御

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J. Hazard. Mater..2020 Sep;396:122736. S0304-3894(20)30725-1. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122736.Epub 2020-04-18.

薄膜複合順浸透膜を用いた活性汚泥脱水時の膜ファウリングの評価と制御

Characterization and control of membrane fouling during dewatering of activated sludge using a thin film composite forward osmosis membrane.

Nguyen Duc Viet
Sung-Ju Im
Am Jang

PMID: 32361625 DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.122736.

抄録

本研究では、活性汚泥の脱水に薄膜複合膜(TFC)前方浸透膜(FO膜)を適用することの可能性を検討した。膜ファウリングを調査し、システムの性能を向上させるための制御を行った。その結果、TFC FO膜はセルローストリアセテート(CTA)膜と比較して、水流束が120%増加し、濃度係数が3倍に増加することがわかった。TFC膜表面のファウラント層は、水酸化ナトリウム(NaOH)中で1.44mg-C/cm、脱イオン(DI)水で0.13mg-C/cmの溶存有機炭素(DOC)をそれぞれ抽出した場合、ほとんどが不可逆的なものであり、TFC膜表面のファウラント層は、水酸化ナトリウム(NaOH)中で1.44mg-C/cm、脱イオン(DI)水中で0.13mg-C/cmの溶存有機炭素(DOC)を抽出した場合、TFC膜表面のファウラント層のほとんどが不可逆的なものであった。主成分分析（PCA）の結果、各操作条件のうち、芳香族有機化合物の量（UV値）と親水性（比紫外線吸収率（SUVA値）指標）がファウリングポテンシャルの違いを支配する因子であることが明らかになった。SUVA値の指標は0.4から0.6 L/mg DOCの範囲であり、疎水性成分よりも親水性化合物の方が膜ファウリングに関与していることが示された。これらの結果から、ファウリング層の主要な構成要素は芳香族や親水性物質、特にタンパク質や多糖類であり、膜ファウリングを低減するためには、これらの物質を考慮する必要があることが示唆された。その結果、モノ-クロラミン前処理とNaOHによる膜洗浄を組み合わせることで、生のASから最大86%の水を回収することができた。

This study investigated the feasibility of applying a thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membrane in the dewatering of activated sludge (AS). Membrane fouling was investigated and controlled to enhance the system's performance. Investigations showed that the TFC FO membrane provided a water flux that was 120 % higher and a concentration factor that was three times higher compared to a cellulose tri-acetate (CTA) membrane. The foulant layer on the TFC membrane surface was mostly irreversible when 1.44 mg-C/cm and 0.13 mg-C/cm dissolved organic carbon (DOC) were extracted in sodium hydroxide (NaOH) and deionized (DI) water, respectively. The results of principle component analysis (PCA) revealed that among the operating conditions, the amount of aromatic organic compounds (indicated by UV values) followed by their hydrophilicity (specific ultraviolet absorbance (SUVA) indices) were the dominant factors controlling the different fouling potentials. SUVA value indices ranged from 0.4 to 0.6 L/m-mg DOC, illustrating that hydrophilic compounds were more responsible for membrane fouling than hydrophobic components. These results implied that aromatic and hydrophilic substances, in particular protein and polysaccharides were key components of the fouling layers, which need to be considered to enable a reduction of membrane fouling. We thus employed several novel fouling control methods, in which the combination of mono-chloramine pre-treatment and membrane cleaning by NaOH resulted in the recovery up to 86 % of the water from raw AS.