下水処理場におけるフィルターハウジングの汚れのトラブルシューティング

下水処理場におけるフィルターハウジングの目詰まりは、通常、差圧の上昇、流量の低下、あるいはカートリッジが予定期間の半分で交換時期を迎えるといった形で現れます。カートリッジを交換すれば一時的に流量は回復しますが、なぜフィルターがこれほど早く目詰まりしてしまったのかという理由は説明できません。ほとんどの場合、原因は上流側、ハウジング内の水力特性、あるいはフィルターエレメントと汚染物質との不適合にあります。

本ガイドでは、排水の仕上げ処理、水の再利用、膜処理の前処理、および薬品やシール用水の配管で使用されるカートリッジおよびバッグフィルターハウジングについて解説します。主なファウリングのメカニズムの見分け方、費用をかける前に原因を特定する方法、効果的な対処法、そして使い捨てカートリッジの代わりに、硬質焼結多孔質プラスチックエレメントを採用するのが妥当な場合について説明します。

フィルターハウジングの汚れは、実際にはどのような状態になるのでしょうか？

ファウリングとは、フィルターエレメントやハウジング内部に浮遊物質、油分、生物の付着、あるいはミネラルスケールが堆積し、それによって流体の流れに対する抵抗が増大する現象です。初期の兆候としては、通常次のようなものが見られます：

その運転条件におけるプラント独自の基準値よりも速いペースで差圧（ΔP）が上昇している。
同じポンプ設定で流量が低下するか、あるいは流量を維持するためにポンプの負荷が高くなる。
ぬめりがある、変色している、または硫化物の臭いがするカートリッジ。
フィルターが稼働しているにもかかわらず、下流側の濁度や粒子数が上昇する場合があり、これは捕捉された固形物がバイパスまたは排出されていることを示唆しています。
下流側の膜ではΔPが高くなっているのに対し、カートリッジフィルターは問題なさそうだ。

この最後の点は、再利用や逆浸透処理プロセスにおいて重要です。A WaterTech OnlineによるROの主要業績評価指標の概要この文書では、オペレーターが監視すべき日次パラメータとして、シルト密度指数（SDI）と差圧を挙げており、SDIはカートリッジフィルターの後段を含む前処理工程全体で測定すべきであると述べている。また、膜の前段におけるSDIを3.0未満とすることを前処理の目標値として挙げている。これらの数値は膜への給水に適用されるものであり、すべての廃水フィルターに当てはまるわけではありませんが、その原則は同様に適用されます。つまり、1つの計器だけに頼るのではなく、ハウジングの上流と下流の両方で測定を行うべきです。

ΔPに関する注意点があります。数値が低下しても、必ずしも良いこととは限りません。ポンプの吐出流量が減少すると、エレメントへの負荷が同じであってもΔPは低下します。同等の流量におけるΔPを比較するか、ΔPとともに流量も記録するようにしてください。

廃水処理におけるフィルターハウジングの汚れの一般的な原因

浮遊物質およびフロックの持ち込み

生物性固形物、沈殿槽からの持ち込み、および凝集剤やポリマーによるフロックは、仕上げろ過装置にかかる最も一般的な負荷です。負荷の急激な増加は、通常、スラッジブランケットの上昇、沈殿槽のショートサーキット、あるいは凝集剤の過剰投与といった上流工程での異常を示しています。一方、負荷が着実に緩やかに上昇する場合は、フィルターの定格やサイズ設定に問題があることを示唆している。

脂肪、油脂、グリース、およびポリマー

脂肪、油、グリース（FOG）は、フィルターの細孔に充填されるのではなく、細孔の開口部に広がってしまうため、ΔPが急速に上昇し、単純な洗浄だけではフィルターが回復しません。脱水や凝集工程から生じた過剰な陽イオン性ポリマーも同様に振る舞い、ゲル状の層を形成することがあります。どちらも、カートリッジを切断して確認すると光沢があるか、べたつくように見える傾向があり、通常は水だけでは不十分で、界面活性剤やアルカリを用いた洗浄工程が必要となります。

生物付着とバイオフィルム

運転の合間に使用されていないハウジング内の、温かく栄養分が豊富な水は、バイオフィルムが発生するのに理想的な環境です。典型的な兆候としては、発熱体やハウジングの壁面に付着したぬめり、異臭、および濁度が低いにもかかわらずΔPが上昇することが挙げられます。待機中のハウジングや配管内のデッドレッグは、バイオフィルムが発生しやすい場所としてよく見られます。

スケールおよび金属酸化物

pH、温度、または酸化剤の濃度が変化すると、炭酸カルシウム、ストルバイトなどのリン酸塩系スケール、および酸化鉄や酸化マンガンが沈殿することがあります。希薄な酸を一滴垂らした際に沈殿物がシュワシュワと泡立つ場合は、炭酸塩が成分に含まれている可能性が高いです。曝気や塩素処理の後に現れる錆色や黒色の堆積物は、鉄やマンガンの酸化を示唆しています。洗浄剤を決定する前に、実験室での分析により確認してください。

不適切な定格、ハウジングのサイズ不足、または油圧系の不具合

流量に対してカートリッジの数が少なすぎると、エレメントあたりの通水流量が高くなり、汚染物質が急速に蓄積します。通気口の詰まり、沈殿物で満たされたサンプ、Oリングの損傷、あるいはカートリッジの装着不良などは、抵抗を増大させたり、ろ過されていない水がエレメントを迂回して通過したりする原因となります。こうした機械的な原因は、修理費用が安く済む反面、見過ごされがちです。

トラブルシューティング表：症状、原因、確認事項、および対処法

症状	考えられる原因	確認方法	典型的な是正措置
ΔPは急速に上昇し、その後、フラッシュ後に横ばいになる	浮遊する遊離固形物またはフロック	使用済みエレメントを点検し、上流側のTSSまたは濁度を測定する	上流側の仕様を明確化；粗めのプレフィルター段を追加
ΔPが急上昇し、フラッシュしても改善しない	FOGまたはポリマーフィルム	つやのある、あるいはべたつく沈殿物；すすぎ水に油膜が見られる	FOGの発生源を管理し、適合する界面活性剤またはアルカリ性洗浄剤を使用する
スライムや悪臭、濁度が低いにもかかわらずΔPが上昇	バイオフィルム	目に見える粘液；必要に応じて微生物検査を実施する	ハウジングと配管を消毒し、待機中のハウジング内に水が滞留しないようにする
硬い、固まった、または泡立つ堆積物	炭酸塩またはリン酸塩のスケール	希酸滴下試験；実験室分析	pH値またはスケール防止剤の投与量を調整する。酸に耐性のある洗浄剤を使用する。
錆色または黒色の沈着物	酸化鉄または酸化マンガン	色；堆積物の実験室分析	上流側の酸化箇所を確認し、フィルターの手前で金属を除去する
ΔPは正常だが、下流側の水質が劣悪	要素の周囲を迂回するか、または密閉する	Oリング、着座面、エレメントの端部を確認してください	シールを交換し、エレメントの取り付け状態およびエンドキャップとの接合状態を確認する
設計フローにおける頻繁な変更	ハウジングまたは部品のサイズが小さすぎる	データシートに基づいて、カートリッジあたりの流量を算出する	要素を追加するか、ハウジングを大きくする；フラックスを減らす
ΔPゲージの表示値は低めに見えるが、流量は減少している	低流量条件下での測定	等流量時のΔPを比較する	ΔP による流速；正規化値の推移

何かを変更する前に、ファウリングをどのように診断すべきでしょうか？

まず、エレメントの詰まりの原因が何であるかを確認することから始めましょう。具体的な手順は以下の通りです：

明確な基準を確立する。 新しいエレメントを取り付けた状態で、ΔPと流量を記録してください。これを記録しておかないと、「高」という測定値の基準がなくなります。
使用済みのエレメントとハウジングを点検してください。 色、質感、匂い、および堆積物の位置に注意してください。表面に固まった層が見られる場合は、固形物の堆積が考えられます。滑らかな膜が見られる場合は、FOG、ポリマー、または生物由来の物質が考えられます。硬い堆積物が見られる場合は、スケールの堆積が考えられます。
フィードをテストしてください。 上流および下流の濁度またはTSSをサンプリングする。その後に膜が設置されている場合は、SDIも併せて測定する。
簡単な預入テストを実行してください。 酸を垂らすと炭酸塩であることがわかります。温かい洗剤水に浸すと、その付着物が有機物かどうかがわかります。正体不明の付着物は、分析のために送付してください。
機械的な詳細を確認してください。 フィルターのせいにする前に、シール、通気口、排水口、およびカートリッジの取り付け状態を確認してください。

FilmTecエレメントに関するデュポンの洗浄ガイドラインこの資料では、洗浄スキッドの一部として、PVC、FRP、またはステンレス製のハウジングに収められた5～10ミクロンのポリプロピレン製カートリッジフィルターを紹介しており、圧力損失が15%増加した時点でROエレメントの洗浄を行うことを推奨しています。この15％という数値は、膜エレメントに適用されるものであり、使い捨てカートリッジには適用されません。ハウジングのトラブルシューティングにおいて重要なのは、その手法です。つまり、データをトレンド分析して正規化し、単一の絶対値ではなく、基準値からの変化に基づいて対応を行うことです。

ファウリングの解決策は、より細かいミクロン値にあるのか？

通常はそうではありません。フィルターの充填が速い場合、直感的には、寿命を延ばすために目開きを大きくするか、あるいは排出水をよりきれいにするために目開きを狭めるかのどちらかになりがちです。しかし、どちらも逆効果になる可能性があります。

同じ流量で目合いを細かくすると、表面の粒子をより多く捕捉できるため、ΔPはより早く上昇します。目合いを粗くすると、寿命は長くなるかもしれませんが、膜を汚染したり、排出基準を超えたりする粒子を通してしまう可能性があります。いずれの方法も、FOG、バイオフィルム、スケールには対処できません。これらは、孔径とはまったく関係がないからです。

具体例を考えてみましょう。あるプラントでは、下流の膜を保護するために、10ミクロンのカートリッジを5ミクロンのエレメントに交換したところ、交換頻度が月1回から週1回に増えました。もし、供給水に、処理能力の限界近くで稼働している沈殿槽からのフロックが含まれている場合、より適切な投資は、粗目の第1段フィルターを導入するか、上流工程で対策を講じ、微細なエレメントを第2段に配置することかもしれません。微細なカートリッジそのものが間違っていたわけではありませんが、2段階分の役割を1つで担わされていたのです。

また、定格も単一の基準というわけではありません。「公称」定格と「絶対」定格は、それぞれ異なる保持特性を表すため、その定格がどのように決定されたか、またどのフラックス値に基づいて算出されたかをサプライヤーに確認してください。同様に、端子のΔPもエレメントの設計によって異なるため、他のカートリッジタイプから流用した一般的な数値ではなく、エレメントメーカーが指定する交換基準値を使用してください。

クリーニングとメンテナンス：効果的な方法とメディアを傷める要因

汚れの種類に応じて、適切な洗浄方法を選択してください：

ばらばらの固体： エレメントの設計上、逆流が可能な場合に行われる低圧での逆洗またはすすぎ。
FOG、ポリマー、および有機物： 適合する界面活性剤を含むぬるま湯、または弱アルカリ性の洗剤。
鱗片および金属酸化物： 適合する酸を使用し、接触時間と濃度はエレメントメーカーの指定に従う。
バイオフィルム： 適切な消毒工程に加え、停滞を防ぐための対策。

化学的適合性によって、何が安全かが決まります。ポリエチレンは一般的に多くの酸やアルカリに耐性がありますが、強力な酸化剤に長時間さらされると、特に熱が加わると劣化することがあります。ポリアミドは、一般的に強酸や酸化剤に対する耐性が低い。PTFEは極めて幅広い耐薬品性を有する。濃度、温度、接触時間はすべて結果に影響を与えるため、洗浄を行う前に、特定のグレードの正確な限界値について材料メーカーに確認すること。

設備のメンテナンスも同様に重要です。サンプの排水と清掃を行い、予定通りにOリングの点検と交換を行い、通気口や排水口が詰まっていないことを確認し、カートリッジが正しく装着されていることを確認してください。ΔP、流量、交換日を記録しておき、次回の汚れの発生時に過去のデータと比較できるようにしておきましょう。

焼結多孔質プラスチックエレメントは、どのような場合に有効なのか？

硬質の焼結多孔質プラスチックエレメントは、互換性のある洗浄工程で除去可能な固体や有機物によって同一のハウジングが繰り返し汚染される場合、また、使い捨てエレメントの頻繁な交換に伴うコストや廃棄物が大きな問題となる場合に有効です。これらはあらゆる汚染問題の解決策となるわけではなく、上流工程での管理に代わるものでもありません。

焼結エレメントでは、プラスチック粒子が融合して自立型の多孔質体となっています。巻線式やメルトブロー式のカートリッジとは異なり、その構造は剛性を維持しているため、メーカーが定める圧力および適合性の制限を遵守すれば、逆洗浄や化学洗浄に対応可能です。その代償として、使い捨てのポリプロピレン製カートリッジに比べて単価が一般的に高くなること、定められた洗浄手順が必要となること、および微細な粒子が細孔構造に埋没して洗浄が困難になるリスクが挙げられます。

ベースポリマーの選定

素材	下水処理分野における代表的な用途	主要な確認事項
UHMW-PE	水およびプロセス液の一般的な粒子ろ過	酸化剤への曝露、洗浄用化学薬品、濡れ性
高密度ポリエチレン	工業用水流における固液分離	温度および圧力の限界値
PTFE	反応が活発な化学反応、あるいはより高い温度	水系用途における濡れ性、端部加工、およびコスト
PA（ナイロン）	狭い定格範囲における微粒子ろ過	酸および酸化剤との適合性

サプライヤーが公表している価格帯は、参考となる目安となります。Lvyuanの UHMW-PE焼結多孔質フィルターカートリッジチューブ 0.2～140 μmの目番手と、10～120 mmの直径のものが掲載されています。その焼結HDPE多孔質フィルターチューブ 1～100 μmの範囲、80°C未満での運転、および0.5 MPa未満の耐圧条件における固液分離について説明されている。腐食性の強い化学物質やより高い温度の場合は、焼結PTFE多孔質フィルターカートリッジ 0.1～100 μmの定格、-190°C～260°Cの温度範囲、およびM20、M30、222、226などの複数の端部接続オプションが記載されています。微細ろ過については、 PA焼結多孔質プラスチックフィルターカートリッジ直径38 mmまたは48 mm、粒子径0.5～10 μmの製品がラインナップされています。これらはサプライヤーが提示している範囲ですので、ご注文の際は、ご使用の流量、ΔP、温度、および化学的条件と照らし合わせてご確認ください。

フラット形式とリング形式

すべてのろ過箇所でチューブが使われているわけではありません。機器によっては、フラットエレメントや成形エレメントが使われているものもあります。焼結PE多孔質フィルタープレートろ過や流体の分配用に、所定のサイズに切断することができ、円形の焼結PEフィルタープレート平らなディスクが必要なスーツアセンブリ、および焼結多孔質PEリングフィルターこれらは、その形状に基づいて設計された機器用の成形された環状要素です。汎用的な規格は存在しないため、購入者はそれぞれの場合において、実際の使用媒体に合わせて、厚さ、気孔特性、およびシール方法を指定する必要があります。

湿潤に関する注意点

多孔質ポリエチレンおよびPTFEは、通常、処理されていない限り疎水性です。水系廃水の処理に使用する場合は、エレメントに表面処理が施されているか、あるいは予備湿潤が必要かどうかを確認してください。乾燥した疎水性エレメントでは、初期のΔPが高くなったり、流量が低下したりすることがありますが、これらはファウリングのように見えても実際にはファウリングではないためです。

ハウジング周辺の補助機器における付着汚れ

ハウジングの性能は、周囲の設備にも左右されます。プラントで真空搬送によって乾燥化学物質を投入している場合、真空源を保護するフィルターに微粉が堆積し、フィーダーへの供給が滞る可能性があります。 UHMW-PE製真空フィーダー用フィルターカートリッジはその種の機器向けに設計された形式の一つです。自動逆洗弁や遮断弁は、多くの場合、小型の消音器を介して圧縮空気を排気しますが、排気口が詰まると弁の応答が遅くなる可能性があります。多孔質プラスチック製空気圧式サイレンサーこれらは、空圧排気システムのろ過および騒音低減のために設置されています。これらは二次的なチェック項目ですが、バルブの作動が遅いと逆洗サイクルに支障をきたし、フィルターの不具合と誤認される可能性があります。

ファウリングの再発を防ぐにはどうすればよいでしょうか？

上流で管理する。 ろ過能力を増強する前に、沈殿槽の性能、ポリマーおよび凝集剤の投与量、ならびにFOGの発生源を安定化させること。
ろ過を行う。 細かいフィルターの手前に、より粗いフィルターを設置し、それぞれのフィルターが適した粒子サイズ範囲を処理できるようにします。
フラックス用のサイズ。 流量定格の限界付近でカートリッジの数を減らすのではなく、要素やハウジングのサイズを追加してください。
トレンドに乗る。反応しない。 流量に対するΔPの推移を監視し、エレメントメーカーが指定した限界値に基づいてアラームを設定してください。
停滞を防ぐ。 予備のハウジング内の液を排出するか、消毒を行い、デッドレッグを解消してください。
汚染源に合わせたスケジュールで清掃を行い、 また、洗浄を行ってもΔPが安定したベースラインまで回復しなくなった場合は、停止する。
ハウジングに合わせたスペアパーツを用意しておき、 シールや端部継手などを含む。

交換や特注部品の依頼をする前に、どのような点を指定すべきでしょうか？

正確な見積もりは、実際にファウリングの原因となっている詳細情報によって決まります。準備事項：

フィードの説明： 水源、TSS（総懸濁物質）または濁度範囲、FOG（浮遊油分）の有無、ポリマーや凝集剤の使用、および異常事態の有無。
化学と温度： pH範囲、酸化剤または殺菌剤、洗浄用化学薬品、および最高使用温度。
油圧： 設計流量およびピーク流量、クリーン時のΔP、許容終端ΔP、および運転圧力。
住居の詳細： 要素の長さ、外径、端部継手の種類、シール方式、および位置数。
業績目標： 必要な保持率、下流側の制限、または膜の要件、および段階的なろ過が可能かどうか。
清掃計画： その要素について、逆洗浄を行うか、あるいは化学洗浄を行うか、またその方法はどのようなものか。
数量およびサンプリング： 年間販売数量および試供品が必要かどうか。

大量発注を決定する前に、サプライヤーにサンプルを依頼し、自社のハウジングで試験を行い、ΔPの回復率や稼働時間がどの程度であれば成功とみなすかを事前に合意しておきましょう。サプライヤーが主張する性能については、自社のデータと照らし合わせて確認する必要があります。

よくある質問

下水処理施設において、フィルターハウジングの汚れはどのような原因で生じるのでしょうか？

主な原因としては、浮遊固形物やフロックの持ち込み、脂肪・油・グリース、ポリマー残留物、バイオフィルム、ミネラルスケール、および酸化鉄や酸化マンガンなどが挙げられます。ハウジングのサイズが小さすぎる、定格が不適切、バイパス、通気口の閉塞などは、ファウリングを悪化させたり、ファウリングのような現象を引き起こしたりすることがあります。

エレメントメーカーが指定する洗浄性と端子のΔPを確認してください。洗浄によって、同等の流量においてΔPが洗浄前の基準値に近い値まで回復する場合、洗浄は有効です。サイクルを重ねるごとに回復度が低下する場合は、エレメントを交換してください。