水道水の話B 〜新たな浄水法:膜ろ過方式〜 2019/5/30

前回(水道水の話@、A)までは、水道水が主に「砂ろ過」で浄化され、またその後の「塩素消毒」が飲み水を媒介する感染症の防止に重要であることをお話ししてきました。

水道水の話@ 〜水道の水はどうやってできるの?〜
水道水の話A 〜水道水の塩素消毒って必要なの?〜

■日本の水質基準と処理状況

わが国は、大陸の内陸部などと比較すると降水量が多く、水循環が活発であるため、水道水の原水となる河川水や湖沼水の深刻な汚染はありません。また水俣病などの公害によって得た苦い経験から、工場などから出される排水に対して、法律で厳しい排出基準を定めているのも大きく貢献しています。しかしそれでも天候の影響などで、水源に藻類やプランクトンが多く発生するような状況では、水源の水にカビ臭や消毒副生成物の原因物質が多く混入し、「砂ろ過」と「塩素消毒」だけでは水質基準を満たすことができない場合があることから、近年のわが国においては、このような混入物を取り除くために、年間浄水量の半分以上にオゾン処理や活性炭処理などの高次処理が施されています。

■他国で進む水源汚染と対応

一方で他の国や地域によっては、そもそも日本のような浄水法では飲み水にはできないような水源を用いて水道水としているところもあります。また産業の発展がめざましい新興国においては、産業活動の活発化にともなってこれまでには知られていなかったような未知物質による水源の汚染も心配されます。

私たちの研究チームも、中国において廃棄医薬品による原水と水道水の汚染に関する調査を行いましたが、一部の医薬品は「砂ろ過」と「塩素消毒」だけではほとんど取り除けていないことを確認しました(Sci. Rep., 7:45931, 2017)。これらの廃棄医薬品も、高次処理を行うことで取り除くことは可能であると考えられますが、施設構造や維持管理の複雑化、活性炭の価格高騰や供給不足の懸念、オゾン処理による副生成物の発生等、課題が多く存在するのも事実です。また水資源自体が非常に乏しい地域では、下水処理水を水源に用いているところもあり、「砂ろ過」+「塩素消毒」+「高次処理」では対応が難しい事例も発生しています。そこで今回は、このような事例にも対応しうる浄化法として注目されている「膜ろ過方式」についてお話したいと思います。

■「膜ろ過方式」は「ざるうどん」?

「膜ろ過方式」とは、有機もしくは無機の多孔質のフィルターに原水を通すことで,主に篩い分けを原理として汚染物質の除去を行う処理です。もっと噛み砕いて説明しますと、ざるうどんの場合、ざるにうどんを入れて水で洗っても、ざるの網の目よりも大きなうどんは、ざるの中に留まりますが、水はそのまま網をくぐって流れていきます。「膜ろ過方式」とはこれと同じ原理で、フィルターの孔よりも大きな物質(この場合は、汚染物質または不要物質)をそのままフィルター内に留め、それよりも小さな物質、すなわち清浄な水のみを通すことで水を浄化するというものです。

■「膜ろ過方式」で使用する膜は4種類

「膜ろ過方式」に用いられる膜は、物質を通す孔の大きさによって、粗い方から順に、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜膜、逆浸透膜の4種類に分けられます。精密ろ過膜は膜の孔の大きさが0.1〜1μm程度で、藻類や原虫類、細菌類を取り除くことができます。限外ろ過膜になりますと膜の孔の大きさが2 nm〜0.1μm程度となり、ウイルス粒子や高分子のタンパク質レベルまでも取り除くことが可能となります。わが国においても、ほとんどの都道府県の浄水場で「砂ろ過方式」に代わる方式として一部、精密ろ過膜、または限外ろ過膜を用いた「膜ろ過方式」が併用されており、また21施設のおいては100%「膜ろ過方式」によって浄化が行われています。

一方で逆浸透膜は最も孔が小さく、水に溶け込んでいるほとんどの成分を取り除くことができます。わかりやすい例を挙げますと、逆浸透膜では海水から真水を作ることができます。すなわち塩分(塩化ナトリウム)のような小さい分子ですら通過するのをブロックして、水を精製することができるのです。ナノろ過膜は、膜の孔の大きさが2 nm以下で、限外ろ過膜と逆浸透膜の中間の性質を持っています。既にサウジアラビアなどの中東の一部の国では、逆浸透膜が海水の淡水化に用いられており、水道水としても利用されています。またシンガポールでは、原水となる水資源が十分ではないため、下水処理水を原水として用い、逆浸透膜で浄化することで水道水を確保しています。

■「膜ろ過方式」のメリットとは

「膜ろ過方式」の最大のメリットは、除去可能な不純物サイズが明確で、膜の特性に応じて原水中の懸濁物質、コロイド、細菌類、クリプトスポリジウム等の一定以上の大きさの不純物を完全に除去することができることです。したがって逆浸透膜のような細かい孔の膜を用いれば、高次処理などをしなくとも消毒副生成物などの原因となる物質も完全に取り除くことができ、安全な水を供給することができます。また「膜ろ過方式」には、前処理が軽減される、施設構成が簡潔でコンパクト、敷地面積が狭くてもよい、設備の建設工期も短い、自動運転が容易といった施設運営側にも大きなメリットがあります。

■日本で「膜ろ過方式」の導入が遅れている理由

しかしその一方で、わが国における膜ろ過方式の割合はまだ数%程度に留まっていて、管理運営の実績が乏しいために、その導入は海外と比較して遅れているのが現状です。またろ過するには高圧力をかける必要があり、既存の方法と比較してエネルギー消費が大きいことや、ろ過膜や浄化システムのメンテナンスは、導入したメーカーに依存するところが大きいため、浄水コストが高くなってしまう可能性があります。特に逆浸透膜を用いる場合には、膜自体のコストも高い上に、高い圧力を得るためのエネルギー消費も大きいことから、他の膜を用いる場合よりも浄水コストが必然的に高くなります。今後はこのような問題の解決が望まれるところです。

■新たな浄水方法とこれから

今回は、新たな浄水法として期待されている「膜ろ過方式」についてお話ししました。「膜ろ過方式」、特に逆浸透膜を用いる方式は、水の安全性を確保する上では非常に有用な浄化法ではありますが、コスト面でまだまだ解決すべき問題が多く残されています。しかしながら、比較的安価に維持できる精密ろ過膜、限外ろ過膜を用いた「膜ろ過方式」は、わが国においても採用する施設が徐々に増えており、今後、従来式の「砂ろ過方式」に取って代わる方式になる可能性があります。また逆浸透膜については、世界シェアーの半分以上を日本の企業が占めています(2015年時点)。今後も、私たちがより安全で安心な飲料水を飲めるように、「膜ろ過方式」におけるわが国の技術革新にも期待したいところです。

中西 剛  岐阜薬科大学 生命薬学大講座 衛生学研究室 教授

平成5年 大阪大学薬学部薬学科卒業。平成7年大阪大学大学院薬学研究科 博士前期課程修了。平成10年同研究科 大阪大学大学院薬学研究科博士後期課程修了 博士(薬学) 号取得。同年4月に 大阪大学大学院薬学研究科 毒性学分野 助手として着任、内分泌かく乱化学物質に関する研究に従事。

平成20年 岐阜薬科大学 衛生学研究室 准教授、平成30年より現職。平成30年 日本薬学会学術振興賞 受賞、日本毒性学会日化協LRI賞 受賞。平成28年より岐阜県環境影響評価審査会 委員を兼任。

現在は、内分泌かく乱化学物質に関する研究に加え、化学物質によって誘発される生殖発生毒性、免疫毒性、脂質代謝異常、神経毒性などに関する分子メカニズムの解明や毒性試験法の開発などを行っている。

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