JP6635964B2 - 汚泥処理装置及びそれを用いた水処理システム、汚泥処理方法及び水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、廃水の処理に伴って発生する汚泥を減容する汚泥処理装置及びそれを用いた水処理システム、汚泥処理方法及び水処理方法に関するものである。

有機物を含有する廃水を処理する方法として、標準活性汚泥法などのように微生物を利用した処理方法が広く用いられている。微生物を利用した処理方法は、有機性汚泥に微生物を投入して廃水の処理を行うもので、廃水の処理に伴って有機性汚泥中の微生物が増殖する。この処理方法では微生物が過剰に増殖する場合があり、過剰に増殖した微生物によって余剰汚泥が発生し得る。余剰汚泥は水処理に不必要な汚泥であるため廃水処理系外に排出され、産業廃棄物として焼却、埋め立て処分されるか、嫌気条件下で発酵処分されるが、これらの処分方法は多大なエネルギー、コスト、用地を必要とするため、余剰汚泥の発生量の低減が求められている。

余剰汚泥の発生量を低減する方法のひとつとして、嫌気性微生物を利用した嫌気性消化法が知られている。この嫌気性消化法は、好気性微生物等を含む余剰汚泥を嫌気槽に供給し、嫌気性微生物によって分解させることで余剰汚泥を減容化するものである。嫌気性消化法は、複数種類の嫌気性微生物による複数のプロセスからなり、それぞれの種類の嫌気性微生物が各プロセスで生成する分解副生成物をリレーしながら余剰汚泥を分解する連鎖系で成り立っている。このような連鎖系では、まず、酸生成細菌により余剰汚泥が分解されてプロピオン酸、酪酸、酢酸等の低分子有機酸が生成される。次に、メタン生成菌により低分子有機酸が分解されてメタンや二酸化炭素が生成される。嫌気性消化法では、嫌気槽中の嫌気性微生物の濃度を高濃度にするとともに、単位質量当たりの嫌気性微生物が分解する余剰汚泥の量を増加させるために好気性微生物等を含む余剰汚泥の濃縮を行い濃縮汚泥とすることで高効率化が図られている。
一方、嫌気性消化法における余剰汚泥の分解プロセスにおいて、低分子有機酸の生成速度はメタン等の生成速度よりも速い。このため、嫌気槽に供給する余剰汚泥の量が増やして嫌気性微生物に対する負荷が高くすると、低分子有機酸の分解が十分に進まず低分子有機酸が嫌気槽に蓄積する虞がある。また、低分子有機酸の蓄積は嫌気槽内のｐＨの低下を招き、ｐＨが小さいとメタン生成菌は活性が低下する。このため、低分子有機酸の蓄積によるｐＨの低下と、これに伴うメタン生成菌の活性低下による低分子有機酸のさらなる蓄積という悪循環が起こる虞もある。

そこで、嫌気性消化法における低分子有機酸の蓄積を抑制する方法として、嫌気槽と微生物燃料電池とを組み合わせたシステムが提案されている。微生物燃料電池とは、電気生産細菌を利用して電気エネルギーを得るものであり、電気生産細菌は、導体電極の表面に付着し、低分子有機酸を資化して生育する微生物である。微生物燃料電池では、電気生産細菌の酸化還元反応により低分子有機酸を分解することによって放出されるエネルギーが電気エネルギーとして回収される。
嫌気槽と微生物燃料電池とを組み合わせたシステムとしては、例えば特許文献１に開示されているように、メタン発酵処理が行われる嫌気培養槽（嫌気槽に相当）の培地に微生物燃料電池の負極を挿入することにより、メタン発酵処理と微生物燃料電池とを組み合わせたハイブリッドシステムがある。このハイブリッドシステムでは、負極に付着した微生物を嫌気性の環境下において酸生成細菌と共存させ、酸生成細菌が余剰汚泥から生成した低分子有機酸を分解することによってメタン及び電気エネルギーを得るとともに、嫌気培養槽中における水素ガスの発生及び低分子有機酸の蓄積を抑制している。
また、例えば特許文献２に開示されているように、嫌気性微生物を含む汚泥を保持し廃水の嫌気性処理を行う嫌気槽の後段に発電微生物を保持するアノードを備えた微生物燃料電池槽を設置し、廃水に含まれる基質を発電微生物に酸化分解させ、酸化分解の過程で生じた電子を集電して電力回収を行う微生物燃料電池システムがある。

特開２００７−２２７２１６号公報 特開２０１６−３１７７８号公報

しかしながら、特許文献１には、負極が挿入された嫌気培養槽に酸生成微生物及びメタン生成微生物とともに有機物を投入することが記載されているのみで、廃水等を処理するシステム上においてどのようにして有機物を嫌気培養槽に供給し、また、嫌気培養槽から余剰汚泥を排出させるかについて具体的に開示されていない。また、特許文献２では、有機物を含み、沈殿池等を経由して浮遊物質が除去された廃水を嫌気槽に導入させ、嫌気性処理を施した後に微生物電池槽に移送することが記載されているが、特許文献２のシステムにおいて嫌気性消化法による余剰汚泥の低減を行う場合、却って汚泥処理の効率を低下させる虞があるという問題点がある。すなわち、嫌気性消化法では、上述したように嫌気槽中の嫌気性微生物の濃度を高濃度にするとともに、処理対象である好気性微生物等を含む余剰汚泥の濃縮を行い濃縮汚泥とすることで高効率化が図られるが、高濃度の嫌気性微生物で処理された濃縮汚泥はそれ自身が高濃度の嫌気性微生物を含み、非常に粘度が高い汚泥となっている。このような高粘度の汚泥は流動性が乏しいため、微生物燃料電池槽に移送された場合に汚泥と負極の接触が不均一となり接触効率が低下する。汚泥と負極の接触効率が低下すると低分子有機酸が十分に分解されなくなり低分子有機酸の蓄積を抑制することができないため、汚泥処理全体の効率も悪化する。負極を大型化したり、負極の本数を増やしたりして接触効率の低下を補うことも考えられるが、このような大型化等は初期費用及びメンテナンス費用の増大を招く。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、高濃度の汚泥を効率的に処理することができる汚泥処理装置及びそれを用いた水処理システム、汚泥処理方法及び水処理方法を得るものである。

この発明の汚泥処理装置は、有機性の汚泥を分解する嫌気性微生物を保持し、汚泥含有液に含まれる有機性の汚泥を嫌気性処理する嫌気槽と、嫌気性処理の過程で生じる低分子有機酸を分解して電子を放出する電気生産細菌を保持し、電気生産細菌に放出された電子を回収する負極が挿入された電極室と、負極に回収された電子が供給される正極とを有する微生物燃料電池と、嫌気槽と電極室とを直接接続し、嫌気槽と電極室との間で汚泥含有液を循環させる循環手段とを備えたものである。

また、この発明の汚泥処理方法は、有機性の汚泥を分解する嫌気性微生物を保持する嫌気槽において、汚泥含有液に含まれる有機性の汚泥を分解させる嫌気性処理工程と、嫌気性処理工程の過程で生じる低分子有機酸を微生物燃料電池の電極室で電気生産細菌に分解させて発電する発電工程とを備え、汚泥含有液を嫌気槽と電極室との間で循環させて汚泥含有液と電極室の電極とを複数回接触させながら、嫌気性処理工程と発電工程を並行して実施するものである。

この発明によれば、有機性の汚泥を嫌気性処理する嫌気槽と、電気生産細菌により嫌気
性処理の過程で生じる低分子有機酸を分解して発電を行う微生物燃料電池との間で汚泥含有液を循環させる循環手段を備えたため、高濃度の汚泥を効率的に処理することができる。

この発明の実施の形態１における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図である。 この発明の実施の形態１における水処理システムによる水処理プロセスを示すフロー図である。 この発明の実施の形態１における汚泥処理装置による汚泥処理プロセス示すフロー図である。 この発明の実施の形態２における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図である。 この発明の実施の形態３における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図である。 この発明の実施の形態４における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図である。 この発明の実施の形態５における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図である。

以下、添付図面を参照して、本願が開示する汚泥処理装置及びそれを用いた水処理方法、汚泥処理方法及び水処理方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下において「被処理水」とは、処理すべき水を表す。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図であり、実施の形態１における汚泥処理装置及び水処理システムの機器構成、制御系統構成及びフロー系統構成を示している。水処理システム１０００は、廃水Ｆ１を貯留して好気性処理する曝気槽１と、曝気槽１で好気性処理された廃水Ｆ１を処理水Ｆ２と汚泥含有処理水、すなわち汚泥含有液に分離する固液分離槽４と、固液分離槽４で廃水Ｆ１から分離された汚泥含有処理水に含まれる汚泥を処理する汚泥処理装置１００とを備えている。廃水Ｆ１は被処理水の一例であり、より具体的には家庭用又は工業用廃水等、処理すべき有機性物質を含有するものであればよい。

曝気槽１は、好気性の細菌や微生物の集合体であり、好気性条件下で廃水Ｆ１を好気性処理する活性汚泥（図示なし）を保持している。また曝気槽１は、空気供給装置３からの空気を曝気槽１内に供給して曝気槽１内を好気性条件にする散気装置２が設けられている。空気供給装置３としては、曝気槽１内を好気性条件にするために必要な空気供給量に応じ、ブロア、コンプレッサ、ポンプ等が用いられる。

固液分離槽４は、曝気槽１の下流に接続されており、曝気槽１から排出された廃水Ｆ１を処理水Ｆ２と汚泥含有処理水に分離する。固液分離槽４は、沈殿槽であってもよいし、膜分離槽であってもよい。膜分離槽である場合は、膜分離活性法で使用される膜モジュールを用いる。なお、膜分離による廃水Ｆ１の固液分離においては、図１に示すように別途固液分離槽４を設ける槽外型に限らず、曝気槽１内に固液分離用の膜モジュールを沈める槽内型の膜分離を採用してもよい。

汚泥処理装置１００は、引き抜き配管５を介して固液分離槽４に接続され、固液分離槽４から供給される汚泥含有処理水に含まれる有機性の汚泥を濃縮する汚泥濃縮部４１と、嫌気槽入口配管４２を介して汚泥濃縮部４１に接続され、汚泥濃縮部４１で濃縮された汚
泥を嫌気性微生物により嫌気性処理する嫌気槽１０と、嫌気槽１０における嫌気性処理の過程で生成される低分子有機酸を電気生産細菌により分解させて発電を行う微生物燃料電池２０と、嫌気槽１０と微生物燃料電池２０との間で汚泥含有処理水を循環させる循環手段３０とを備えている。

汚泥濃縮部４１は、汚泥含有処理水に含まれる有機性の汚泥を濃縮し、好気性微生物等の濃度を高濃度にするものである。汚泥濃縮部４１としては、公知の脱水機や濃縮機を用いればよい。脱水機としては、例えば遠心力を利用する回転スクリュー式の遠心脱水機、濾過による脱水を行うベルトプレス脱水機等が挙げられる。濃縮機としては、例えば汚泥を気泡に付着させて浮上分離させる常圧浮上濃縮機、汚泥に凝集剤を加えて造粒凝集する造粒濃縮機等が挙げられる。汚泥濃縮部４１で濃縮された汚泥は、嫌気槽入口配管４２を介して嫌気槽１０に送られる。なお、汚泥濃縮部４１の前段に汚泥のフロック（塊）を大きくする無機系凝集剤または有機系高分子凝集剤を貯留するタンクを設け、汚泥濃縮部４１に投入される前の汚泥含有処理水にこれらの凝集剤を添加してもよい。ここで用いる凝集剤は、嫌気槽１０内の嫌気性微生物や微生物燃料電池２０の負極室２１内の電気生産細菌の生育を阻害したり死滅させたりするものでなければ特に限定されるものではない。

嫌気槽１０は、その内部が嫌気性条件下に維持されており、高濃度の嫌気性微生物（図示なし）を保持している。嫌気槽１０が保持する嫌気性微生物は、汚泥含有処理水に含まれる有機性の汚泥を分解してプロピオン酸、酪酸、酢酸等の低分子有機酸を生成する酸生成細菌や、酸生成細菌に生成された低分子有機酸をさらに分解してメタンや二酸化炭素を生成するメタン生成菌を含む。また、嫌気槽１０は、第１の流入部１１及び第１の流出部１２を有している。第１の流入部は嫌気槽入口配管４２と接続され、第１の流出部１２は嫌気槽出口配管５１と接続されている。

また、嫌気槽１０は、循環手段３０によって後述する微生物燃料電池２０の負極室２１との間で汚泥含有処理水を循環するように構成されている。循環手段３０は、第２の流出部１４に接続され、嫌気槽１０から負極室２１に汚泥含有処理水を送る往路配管３１と、第２の流入部１３に接続され、負極室２１から嫌気槽１０に汚泥含有処理水を戻す復路配管３２とを備えている。往路配管３１は、負極室２１の下面に接続され、復路配管３２は負極室２１の上面に接続されている。往路配管３１上には循環ポンプ３３が設けられている。

微生物燃料電池２０は、２つの電極室を持つ二槽型の微生物燃料電池であり、負極２１１が挿入された負極室２１、正極２２１が挿入された正極室２２、負極室２１及び正極室２２の間に設置されたプロトン交換膜２３を備えている。プロトン交換膜２３は、負極室２１と正極室２２を隔てて負極室２１から正極室２２への汚泥含有処理水の流入及び正極室２２から負極室２１への電解液の流入を防ぐが、負極室２１から正極室２２へのプロトンの移動は可能としている。

負極室２１は、内部が嫌気性条件下に維持された状態で電気生産細菌（図示なし）を保持する。電気生産細菌は、負極室２１に挿入された負極２１１の表面に付着することで負極室２１内に保持されているもので、嫌気槽１０からの汚泥含有処理水に含まれる低分子有機酸を基質としている。電気生産細菌は、この低分子有機酸を酸化還元反応により分解し、分解の過程で電子を放出する。電気生産細菌に放出された電子は負極２１１に回収され、外部回路を経由して正極２２１に送られる。
正極室２２は、正極２２１が挿入され、正極２２１に送られた電子を受け取る電子受容体（図示なし）を電解液とともに保持している。電解液としては、導電性を有し、正極２２１を腐食させるものでなければ特に限定されず、例えば硝酸ナトリウム溶液、フェリシアン化カリウム溶液等の公知の電解液を用いることができる。
なお、実施の形態１のでは二槽型の微生物燃料電池を用いているが、一槽型の微生物燃料電池を用いてもよい。一槽型の微生物燃料電池の場合、一側面に正極としてのエアカソードが設けられた１つの電極室に電気生産細菌が付着した負極を挿入する。

負極２１１の材質は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、公知の材料を採用することができる。耐久性の観点からは、微生物に分解されにくく生物適合性が良い材質であることが好ましく、例えば、炭素棒、カーボンブラシ、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどの炭素材料や、金、酸化鉄等の金属材料を用いることが好ましい。また、電気生産細菌が生産する電子の効率的な回収の観点からは、電気生産細菌の付着性が高い材質であればより好ましい。負極２１１の構造は、特に限定されることなくシート状、筒状等の公知の構造を採用することができる。電子の安定的な回収の観点からは、電気生産細菌の付着性が高くなるように表面積を大きくした方が好ましく、例えば、できるだけ大きな空隙率を持つ多孔体とすることや、表面にミリオーダー、マイクロオーダーの凹凸を形成することが好ましい。
正極２２１の材質は、特に限定されず公知の材料を採用することができる。電気エネルギーの効率的な回収の観点からは電気抵抗が低い材質であることが好ましく、コストの観点からは耐食性が高い材質であることが好ましいため、例えば、炭素棒、カーボンブラシ、カーボンフェルト等の炭素材料や、ステンレス、銅等の金属材料を用いることが好ましい。正極２２１の構造は、負極２１１の場合と同様に特に限定されず、シート状、筒状等の公知の構造を採用することができる。
電子受容体も特に限定されないが、ランニングコストの観点から正極室２２に空気を吹き込むことで空気中の酸素を電子受容体とすることが好ましい。また、負極２１１による電気生産細菌からの電子の回収を促進するため、メディエーターを負極室２１に添加してもよい。メディエーターも特に限定されず、メチレンブルー等の公知のものを使用することができる。

次に、水処理システム１０００による水処理プロセス及び汚泥処理装置１００による汚泥処理（減容）プロセスについて説明する。図２は、実施の形態１における水処理システムによる水処理プロセスを示すフロー図であり、図３は、実施の形態１における汚泥処理装置による汚泥処理プロセスを示すフロー図である。まず、廃水Ｆ１を曝気槽１内に所定量流入させた状態で散気装置２により曝気槽１を好気性条件下とし、廃水Ｆ１を好気性処理する（ステップＳＴ０１、好気性処理工程）。この好気性処理により、廃水Ｆ１中の有機性物質が分解されるに伴い、有機性の汚泥が生じる。

次に、ステップＳＴ０１で好気性処理した廃水Ｆ１及び好気性処理によって生じた有機性の汚泥を固液分離槽４に移送し、汚泥を含まない処理水Ｆ２と汚泥含有処理水とに廃水Ｆ１を分離する（ステップＳＴ０２、分離工程）。処理水Ｆ２は処理済みとして系外に排出する。汚泥含有処理水の一部は引き抜き配管５を介して汚泥処理装置１００の汚泥濃縮部４１に送り、残りは返送配管６を介して曝気槽１に返送する。

次に、汚泥処理装置１００にて汚泥含有処理水中の汚泥を処理する（ステップＳＴ０３、汚泥処理工程）。
ステップＳＴ０３における汚泥処理は、以下のように行われる。まず、汚泥濃縮部４１に送られた汚泥含有処理水を凝集や脱水により濃縮する（ステップＳＴ０３１、濃縮工程）。濃縮後の汚泥含有処理水中の汚泥の濃度（好気性微生物等の固形物の濃度）は特に限定されないが、段落０００７で述べたように好気性微生物等の濃度が大きいほど嫌気性処理が高効率となるため、嫌気性処理の効率性の観点から２００００ｍｇ／Ｌ以上が好ましく、３００００ｍｇ／Ｌ以上がより好ましい。一方、汚泥の濃度が高くなるほど嫌気槽１０における汚泥の滞留時間が長くなり必要な容積が増加し初期費用が増加する。また、高濃度の汚泥は汚泥含有処理水の粘度を高め、汚泥含有処理水を嫌気槽１０と微生物燃料電池２０との間で循環させるために必要な循環ポンプの駆動力も大きくなるとともに、往路配管３１及び復路配管３２が閉塞するリスクが高まる。このため、コスト及び汚泥含有処理水の安定的な循環の観点から１０００００ｍｇ／Ｌ以下が好ましく、６００００ｍｇ／Ｌ以下がより好ましい。

次に、嫌気槽入口配管４２を通して濃縮された汚泥含有処理水を移送し、第１の流入部１１を介して嫌気槽１０内に流入させる（ステップＳＴ０３２、流入工程）。

次に、嫌気槽１０内に投入された汚泥含有処理水に含まれる汚泥に対して嫌気性処理を施す（ステップＳＴ０３３、嫌気性処理工程）。嫌気性処理においては、まず酸生成細菌により有機性の汚泥を低分子有機酸に分解し、次いで、メタン生成細菌により低分子有機酸をメタンや二酸化炭素に分解する。また、酸生成細菌が低分子有機酸を生成する速度はメタン生成細菌が低分子有機酸を分解する速度よりも速いため、汚泥含有処理水中の低分子有機酸の濃度及びｐＨが一時的に上昇する。

ステップＳＴ０３３の嫌気性処理と並行して、循環手段３０により嫌気性処理中の汚泥含有処理水を嫌気槽１０と微生物燃料電池２０との間で循環させながら、微生物燃料電池２０において発電を行う（ステップＳＴ０３４、発電工程）。より具体的には、流入工程後の所定のタイミングで循環ポンプ３３を駆動して第２の流出部１４をから嫌気性処理中の汚泥含有処理水を往路配管３１に流出させ、往路配管３１内を流通させて微生物燃料電池２０の負極室２１の下方から流入させる。嫌気性処理中の汚泥含有処理水には酸生成細菌によって汚泥から生成された低分子有機酸を含むため、負極室２１には汚泥含有処理水とともに低分子有機酸が流入する。負極室２１に流入した低分子有機酸は、負極２１１の表面に付着した電気生産細菌により分解され、電子が生じる。この電子は負極２１１によって回収され、外部回路を経由して正極２２１に送られ、正極室２２に保持された電子受容体によって回収される。このように、発電工程では循環手段３０によって微生物燃料電池２０の負極室２１に送られた低分子有機酸の分解により発電が行われる。

負極室２１に流入した汚泥含有処理水は、プロトン交換膜２３の表面と平行に下方から上方に流れ、上面に接続された復路配管３２に流出する。復路配管３２に流出した汚泥含有処理水は復路配管３２を通り、第２の流入部１３から嫌気槽１０に流入する。

上記のように負極室２１では低分子有機酸の分解が行われるため、復路配管３２を通って負極室２１から嫌気槽１０に流れる汚泥含有処理水中の低分子有機酸の濃度は、往路配管３１を通って嫌気槽１０から負極室２１に流れる汚泥含有処理水中の低分子有機酸の濃度よりも小さくなっており、ｐＨも小さくなっている。このため、ステップＳＴ０３３の嫌気性処理とステップＳＴ０３４の発電工程を並行して実施することで嫌気槽１０内の汚泥含有処理水のｐＨの増加が抑制され、ｐＨの増加によるメタン生産細菌の活性低下が防がれる。

嫌気性処理工程により汚泥が十分に減容された汚泥含有処理水は、第１の流出部１２を介して嫌気槽から流出し、嫌気槽出口配管５１を通して系外に排出される（ステップＳＴ０３５、流出工程）。

汚泥処理装置１００は、汚泥を連続的に処理するものであるため、嫌気槽１０に流入した汚泥含有処理水に対して嫌気性処理工程と発電工程を実施する一方で、既に汚泥が減容された汚泥含有処理水についての排出工程も実施されるため、第１の流出部１２から流出する汚泥含有処理水の流量（以下、排出流量Ｑ１[ｍ３／日]）と第２の流出部１４から流出する汚泥含有処理水の流量、すなわち循環ポンプ３３により循環する汚泥含有処理水の流量（以下、循環流量Ｑ２[ｍ３／日]）のバランスが重要である。実施の形態１では、排
出流量Ｑ１よりも循環流量Ｑ２を大きくすることにより、汚泥含有処理水と負極２１１の接触回数を増加させている。
また、循環手段３０により嫌気槽１０と負極室２１の間で汚泥含有処理水を循環させる構成としているため、汚泥含有処理水中の低分子有機酸と負極２１１に付着した電気生産細菌との接触時間は循環流量Ｑ２によって調整可能であり、負極室２１のサイズに依らない。

また、実施の形態１では嫌気槽１０における汚泥含有処理水の固形物滞留時間（ＳＲＴ：Ｓｌｕｄｇｅ Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ）[日]が所定の値になるように、排出流量Ｑ１をもとに嫌気槽１０の容積Ｖ[ｍ３]を設定している。ＳＲＴは以下の式（１）で表される値であり、具体的には、嫌気槽１０の容積Ｖと嫌気槽１０内の固形物濃度ＳＣ１[ｇ／ｍ３]との積を、汚泥含有処理水の排出量Ｑ２[ｍ３／日]と流出する汚泥含有処理水
の固形物濃度ＳＣ２「ｇ／ｍ３」との積で除した値である。

嫌気槽１０におけるＳＲＴ＝（Ｖ×ＳＣ１）÷（Ｑ１×ＳＣ２）・・・式（１）

なお、嫌気槽１０内の汚泥含有処理水の量を一定に維持するため、嫌気槽１０に流入する汚泥含有処理水の流量と、排出流量Ｑ１は同じであることが好ましい。

嫌気槽１０におけるＳＲＴは、特に限定されないが、汚泥の十分な分解という観点からは２日以上が好ましく、６日以上がより好ましく、１５日以上がさらに好ましい。一方、嫌気槽１０の効率的な利用による嫌気槽１０の大型化及び初期費用増大の防止という観点からは４０日以下が好ましく、３０日以下がより好ましく、２０日以下がさらに好ましい。

循環流量Ｑ２は、循環ポンプ３３の駆動力により決まるものであり、汚泥や嫌気槽１０内で生じた低分子有機酸を十分に分解するのであれば特に限定されない。汚泥が十分に分解されたか否かは、例えば嫌気槽出口配管５１上にオンラインで汚泥濃度測定器（図示なし）を設けて嫌気槽１０から流出した汚泥含有処理水中の汚泥の濃度を測定し、その汚泥の濃度が目標値に達しているか否かで判断すればよい。なお、目標値に達していない汚泥含有処理水が系外に排出することを防ぐため、嫌気槽出口配管５１を途中で分岐させ、分岐の一方には嫌気槽１０に汚泥含有処理水を返送する配管を設けてもよい。分岐部分には切替弁を設け、汚泥の濃度が目標値に達した場合のみ汚泥含有処理水を系外に排出し、目標値に達していない場合は嫌気槽１０に汚泥含有処理水を返送して嫌気性処理を追加で実施する。また、低分子有機酸が十分に分解されているか否かについては、嫌気槽１０内にｐＨ測定器を設け、嫌気槽１０内のｐＨを測定することで低分子有機酸が十分に分解されたか否かを判断すればよい。

一方、低分子有機酸や汚泥の十分な分解及び循環ポンプ３３のランニングコストの増大抑制を両立させる観点から、汚泥濃縮部４１における汚泥の濃縮前後での汚泥濃度の比等に応じて適切な循環流量Ｑ２を設定することも考えられる。具体的には、汚泥濃縮部４１において濃縮された後の汚泥含有処理水の汚泥濃度をＣ[ｍｇ／Ｌ]、濃縮される前の汚泥濃度をＸ[ｍｇ／Ｌ]、嫌気槽１０に流入する汚泥含有処理水の流量をＱ０[ｍ３／日]とし、循環流量Ｑ２を以下の式（２）を満たすように設定する。

（Ｃ／Ｘ）^２×Ｑ０≦Ｑ２≦５×（Ｃ／Ｘ）^２×Ｑ０・・・式（２）

上記の式（２）を満たすように循環流量Ｑ２を設定することで、低分子有機酸や汚泥の十分な分解を可能にするとともに循環ポンプ３３のランニングコストの増大を抑制することができる。

微生物燃料電池２０の負極室２１のサイズは特に限定されず、デッドスペース（汚泥含有処理水と負極が接触しない空間）を小さくする観点から、なるべく負極２１１のサイズに近くすることが好ましい。一方、汚泥含有処理水と負極２１１との接触効率の観点からは、負極室２１における汚泥含有処理水の流れは乱流である方が好ましい。このため、負極室の水平方向断面積Ｄ[ｍ２]を以下の式（３）を満たすように設定することが好ましい。

５０００≦（Ｑ／（Ｄ）^０．５×ρ）／（２×１０^−２２×Ｃ^２×ｅｘｐ（４８５０／Ｔ））≦１５０００・・・式（３）

式（３）において、ρ[ｋｇ／ｍ３]は汚泥含有処理水の密度、Ｔ[Ｋ]は汚泥含有処理水の温度である。Ｃは上述の式（２）と同様に濃縮後の汚泥含有処理水の汚泥濃度である。式（３）の中辺は、負極室２１における汚泥含有処理水の流れのレイノルズ数を示している。すなわち、式（３）は負極室２１における汚泥含有処理水の流れのレイノルズ数を５０００以上とすることで負極室２１における汚泥含有処理水の流れが乱流となるように循環流量Ｑ２及び負極室２１の水平方向断面積Ｄを設定することを示す。乱流となることで負極２１１との接触効率が大きくなり、汚泥含有処理水と電気生産細菌との接触時間も増加する。一方、負極室２１の大型化によるコストの増加及びデッドスペースの増加を抑制する観点から負極室２１の水平方向断面積Ｄに上限を設けるため、レイノルズ数を１５０００以下としている。

実施の形態１によれば、高濃度の汚泥を効率的に処理することができる。より具体的には、嫌気性処理中の汚泥含有処理水を嫌気槽と微生物燃料電池との間で循環させる循環手段を備えたため、汚泥の高濃度化に伴う高粘度化によって生じる負極と汚泥含有処理水の接触効率の低下を、循環による接触回数の増加で補うことで効率的な汚泥処理が可能となっている。つまり、汚泥含有処理水の循環により汚泥含有処理水と負極を複数回接触させることで接触１回あたりの接触効率の低下を補っている。さらに、汚泥含有処理水の循環流量を汚泥含有処理水の系外への排出流量よりも大きくしているため、十分な接触回数が確保されている。

また、汚泥の高濃度化に対応するための初期費用の増加やメンテナンス費用の増加を防ぐことができる。より具体的には、高濃度化に対応するために負極を大型化したり、負極の本数を増やしたりする必要がなく、これらに伴う初期費用やメンテナンス費用の増加がない。上述したように、実施の形態１では嫌気性処理中の汚泥含有処理水を嫌気槽と微生物燃料電池との間で循環させることで負極と汚泥含有処理水の接触効率の低下を補っているためである。

また、負極室の効率的な利用が可能である。より具体的には、負極室の小型化が可能であり、負極室のサイズを負極のサイズに近づけることができるため、デッドスペース（汚泥含有処理水と負極が接触しない空間）を減少させることができ、負極室内を負極が占める割合、すなわち電気生産細菌が占める割合を増加させることができる。これは、汚泥含有処理水を循環させることで汚泥含有処理水中の低分子有機酸と電気生産細菌との接触時間が循環流量で調整可能となっており、負極室のサイズに依らないためである。なお、このような負極室の効率的な利用は、汚泥の高粘度化による汚泥含有処理水と負極の接触効率の低下の影響を抑制する効果もある。

また、嫌気性処理を効率的に行うことができる。より具体的には、嫌気性処理を行う前の濃縮工程で汚泥含有処理水中の汚泥の濃度（好気性微生物等の固形物の濃度）が高濃度となっており、単位質量当たりの嫌気性微生物が単位時間当たりに処理する汚泥の量が大
きくなっているため、嫌気性処理を効率的に行うことが可能となっている。

また、汚泥の嫌気性処理の過程で生じた低分子有機酸から効率的に電気エネルギーを得て発電することができる。より具体的には、低分子有機酸を分解して電子を放出する電気生産細菌を負極の表面に付着させて保持しているため、負極による電子の回収が高効率であり、電気エネルギーを効率的に得ることが可能となっている。

また、微生物燃料電池のプロトン交換膜が損傷することを防ぐともに、負極室内で汚泥含有処理水の流れに淀みが生じて汚泥含有処理水と負極の接触効率が悪化することを防ぐことができる。より具体的には、往路配管を負極室の下面に接続し、復路配管を上面に接続しているため、負極室内における汚泥含有処理水の流れはプロトン交換膜の面と平行である。すなわち、プロトン交換膜の表面に垂直な流れがなく、プロトン交換膜に対して大きな力が加わることがないため、プロトン交換膜が損傷しにくい。また、汚泥含有処理水の流れもスムーズでとなるため淀みが生じることなく、負極全体に汚泥含有処理水が接触して接触効率がよい状態が維持される。
なお、プロトン交換膜が十分な耐久性を持ち、汚泥含有処理水の流れに淀みが生じる虞が小さい場合は、例えば負極室の側面の下部及び上部に往路配管及び復路配管を接続するなどして、プロトン交換膜の表面と垂直な方向の流れが生じる構成にしてもよい。

実施の形態２．
以下に、この発明の実施の形態２を図４に基づいて説明する。なお、図１と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。図４は、この発明の実施の形態２における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図であり、実施の形態２における汚泥処理装置及び水処理システムの機器構成、制御系統構成及びフロー系統構成を示している。水処理システム２０００及び汚泥処理装置２００は、基本的な構成及び動作は実施の形態１の水処理システム１０００及び汚泥処理装置１００と同様であるが、嫌気槽１０内の汚泥含有処理水の温度及びｐＨを測定する温度・ｐＨ測定部１５を嫌気槽１０内に備えるとともに、温度・ｐＨ測定部１５の測定結果に基づいて嫌気槽１０内の温度及びｐＨを所定の値に制御して維持する温度・ｐＨ調整部１６を備えている点が実施の形態１と異なる。

温度・ｐＨ調整部１６は、汚泥処理の開始直後等で低分子有機酸がほとんど生成されていない場合に、嫌気槽１０内の環境をメタン生成菌が生育及び活性化しにくい環境に維持し、メタン発酵（低分子有機酸を分解してメタンガスを生成する反応）によって嫌気槽１０の汚泥含有処理水中の低分子有機酸が減少することを防ぐ。メタン生成菌が低分子有機酸を分解する速度は酸生成細菌が低分子有機酸を生成する速度に比べて非常に遅く、通常は低分子有機酸が蓄積されていくが、汚泥処理の開始直後等で低分子有機酸がほとんど生成されていない状況では、微生物燃料電池２０の負極室２１に保持されている電気生産細菌の基質となるべき低分子有機酸がメタン生成菌のために不足し、電気生産細菌の生育が妨げられる虞がある。この場合、負極２１１表面上の電気生産細菌の菌密度が低下して、後々の発電工程で負極室２１における低分子有機酸の分解が十分に行われなくなり、結果としてメタン生成菌の活性も低下、汚泥処理の効率低下を引き起こす虞がある。なお、嫌気槽１０内は、酸生成細菌による低分子有機酸を妨げない環境にも維持する必要がある。

温度・ｐＨ調整部１６は、温度調整手段として嫌気槽１０内の汚泥含有処理水を加熱する潜水ヒーターやリボンヒーター（図示なし）を有し、ｐＨ調整手段として酸性溶液あるいはアルカリ性溶液を貯留するタンク（図示なし）及び酸性溶液あるいはアルカリ性溶液を嫌気槽１０内に送液するポンプ等（図示なし）を有している。

嫌気槽１０内の汚泥含有処理水の温度は、嫌気槽１０においてメタン生成菌の生育及び
活性化を抑制する観点から３０℃以下が好ましく、２０℃以下がより好ましい。また、酸生成細菌の活性低下により低分子有機酸の生成が妨げられることを防ぐ観点から１０℃以上が好ましく、１５℃以上がより好ましい。嫌気槽１０内の汚泥含有処理水のｐＨは、嫌気槽１０においてメタン生成菌の生育及び活性化を抑制する観点から６．５以下が好ましく、６．０℃以下がより好ましい。また、酸生成細菌の活性低下により低分子有機酸の生成が妨げられることを防ぐ観点から４．５以上が好ましく、５．２以上がより好ましい。なお、メタン発酵が生じなければよいため、温度又はｐＨの一方を上記の範囲に設定してメタン発酵を防げば、他方の範囲は特に限定されない。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、高濃度の汚泥の効率的な処理をより確実に実施することができる。より具体的には、嫌気性処理工程と並行して実施する発電工程において利用する電気生産細菌について、汚泥処理の開始直後等で低分子有機酸がほとんど生成されていない場合でも基質となる低分子有機酸が電気生産細菌に十分に供給されるよう、温度・ｐＨ調整部によりメタン生成菌の生育及び活性化を抑制するため、電気生産細菌が十分に生育し、微生物燃料電池の負極室表面の菌密度が低下することを防ぐことができる。この結果、発電工程において電気生産細菌による低分子有機酸の分解が十分に行われ、嫌気槽内の汚泥含有処理水中に低分子有機酸が過剰に蓄積することを防ぎ、嫌気槽における高濃度の汚泥の効率的な処理をより確実に実施することができる。

なお、実施の形態２では、メタン生成菌の生育及び活性化を防ぐために温度及びｐＨを調整するとしたが、電気生産細菌による低分子有機酸の分解のみではｐＨの低下を防ぎ切れていない場合に温度・ｐＨ調整部１６を用いて嫌気槽１０内のｐＨをメタン生成菌の活性化に適した状態にすることも考えられる。

実施の形態３．
以下に、この発明の実施の形態３を図５に基づいて説明する。なお、図１と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。図５は、この発明の実施の形態３における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図であり、実施の形態３における汚泥処理装置及び水処理システムの機器構成、制御系統構成及びフロー系統構成を示している。水処理システム３０００及び汚泥処理装置３００は、基本的な構成及び動作は実施の形態２の水処理システム２０００及び汚泥処理装置２００と同様であるが、正極室２２内の汚泥を検知する汚泥漏出検知部２４をと、正極室２２に保持される電解液を貯留する電解液タンク７と、電解液タンク７と正極室２２との間で電解液を循環させる電解液循環手段６０を備えた点、循環手段３０が負極室電磁弁３４、すなわち汚泥含有液遮断手段を備えた点が実施の形態２と異なる。

汚泥漏出検知部２４は、汚泥濃度計（図示なし）を備え、正極室２２から定期的に電解液をサンプリングして汚泥の有無をチェックすることで負極室２１から正極室２２への汚泥の漏出を検知する。チェック後の電解液は正極室２２に戻す。なお、実施の形態３では汚泥の有無のチェックに汚泥濃度計を用いているが、濁度計を用いてもよい。

電解液循環手段６０は、一端が電解液タンク７に接続され、他端が正極室２２に接続されて、電解液タンク７内の電解液を正極室２２に送る電解液往路配管６１と、一端が正極室２２に接続され、他端が電解液タンク７に接続されて、正極室２２内の電解液を電解液タンク７に返す電解液復路配管６２とを備えている。電解液往路配管６１上には電解液循環ポンプ６３が設けられており、電解液往路配管６１上において、電解液タンク７と電解液循環ポンプ６３との間には正極室電磁弁６４、すなわち電解液遮断手段が設けられている。電解液循環ポンプ６３は、電解液タンク７と正極室２２の間で電解液を循環させ、正
極室２２内に保持される電解液の量や濃度を一定に保つ。正極室電磁弁６４は、電解液タンク７から正極室２２への電解液の流れを制御する。

電解液タンク７には、電解液の注入口及び取り出し口（図示なし）が設けられており、電解液の追加や交換を容易に行うことが可能となっている。

往路配管３１上において、第２の流出部１４と循環ポンプ３３の間には、負極室電磁弁３４が設けられている。負極室電磁弁３４は、嫌気槽１０から負極室２１への汚泥含有処理水の流れを制御する。

汚泥漏出検知部２４は、プロトン交換膜２３の破損等による汚泥の漏出を検知した場合、循環制御部（図示なし）に対して汚泥漏出信号を送信する。汚泥漏出信号を受信した循環制御部は、循環ポンプ３３及び電解液循環ポンプ６３を停止させ、次いで負極室電磁弁３４及び正極室電磁弁６４を閉じることにより汚泥含有処理水及び電解液の流れを遮断し、嫌気槽１０、微生物燃料電池２０、及び電解液タンク７をそれぞれ分離した状態とする。これにより、嫌気槽１０から負極室２１に流れた汚泥がプロトン交換膜２３の破損個所を通って正極室２２か電解液タンク７に混入することがなく、正極室２２内の電解液が嫌気槽１０に混入することもない。
なお、実施の形態３では汚泥漏出検知部２４を正極室２２に設けているが、電解液復路配管６２上にオンラインで設けてもよい。

実施の形態３によれば、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

また、メンテナンス費用を削減するとともに、メンテナンス期間を短縮して水処理及び汚泥処理をより安定的に実施することができる。より具体的には、正極室に汚泥漏出検知部を設け、プロトン交換膜の破損等による汚泥の漏出を検知した場合には循環ポンプ及び電解液循環ポンプを停止させるとともに、負極室電磁弁及び正極室電磁弁により汚泥含有処理水及び電解液の流れを遮断して嫌気槽、微生物燃料電池、及び電解液タンクをそれぞれ分離することで汚泥含有処理水が電解液タンクに混入すること及び電解液が嫌気槽に混入することを防ぐ。この結果、プロトン交換膜破損時等におけるメンテナンス対象が微生物燃料電池に限定され、メンテナンス費用の削減及びメンテナンス期間の短縮が可能となり、水処理及び汚泥処理をより安定的に実施することが可能となっている。

また、正極室に保持される電解液の量及び濃度を容易に安定させることができる。より具体的には、電解液を貯留する電解液タンクを設け、電解液タンクと正極室との間で電解液を循環させる電解液循環手段を設けたため、正極室への電解液の追加、正極室の電解液の交換が電解液循環手段によって行うことが可能であるため、正極室に保持される電解液の量及び濃度を容易に安定させることができる。

実施の形態４．
以下に、この発明の実施の形態４を図６に基づいて説明する。なお、図１と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。図６は、この発明の実施の形態４における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図であり、実施の形態４における汚泥処理装置及び水処理システムの機器構成、制御系統構成及びフロー系統構成を示している。水処理システム４０００及び汚泥処理装置４００は、基本的な構成及び動作は実施の形態３の水処理システム３０００及び汚泥処理装置３００と同様であるが、それぞれ１つの嫌気槽１０及び電解液タンク７に対して微生物燃料電池等を２系統接続した点が実施の形態３と異なる。以下では、２つの系統をＡ系、Ｂ系と称し、符号の末尾に「Ａ」もしくが「Ｂ」を付すことでいずれの系統であるかを示す。

微生物燃料電池２０Ａは、実施の形態３の微生物燃料電池２０と同様に負極２１１Ａが挿入された負極室２１Ａ、正極２２１Ａが挿入された正極室２２Ａ、負極室２１Ａ及び正極室２２Ａを隔てるプロトン交換膜２３Ａ、正極室２２Ａ内の汚泥を検知する汚泥漏出検知部２４Ａを備えている。微生物燃料電池２０Ｂも同様に、負極２１１Ｂが挿入された負極室２１Ｂ、正極２２１Ｂが挿入された正極室２２Ｂ、プロトン交換膜２３Ｂ、汚泥漏出検知部２４Ｂを備えている。

嫌気槽１０は、循環手段３０Ａによって負極室２１Ａとの間で汚泥含有処理水を循環するように構成されているとともに、循環手段３０Ｂによって負極室２１Ｂとの間でも汚泥含有処理水を循環するように構成されている。
循環手段３０Ａは、実施の形態３の循環手段３０と同様に第２の流出部１４に接続され、嫌気槽１０から負極室２１Ａに汚泥含有処理水を送る往路配管３１Ａと、第２の流入部１３に接続され、負極室２１Ａから嫌気槽１０に汚泥含有処理水を返す復路配管３２Ａとを備えている。往路配管３１Ａ上には循環ポンプ３３Ａが設けられており、往路配管３１Ａ上において第２の流出部１４と循環ポンプ３３Ａとの間には負極室電磁弁３４Ａが設けられている。さらに、第２の流出部１４と負極室電磁弁３４Ａとの間には往路分岐点３５が設けられている。また、復路配管３２Ａ上には復路合流点３６が設けられている。
循環手段３０Ｂは、一端が往路分岐点３５に接続され、他端が負極室２１Ｂに接続されて、嫌気槽１０から負極室２１Ｂに汚泥含有処理水を送る往路配管３１Ｂと、一端が負極室２１Ｂに接続され、他端が復路合流点３６に接続されて、負極室２１Ｂから嫌気槽１０に汚泥含有処理水を返す復路配管３２Ｂとを備えている。往路配管３１Ｂ上には循環ポンプ３３Ｂが設けられており、往路配管３１Ｂ上において往路分岐点３５と循環ポンプ３３Ｂとの間には負極室電磁弁３４Ｂが設けられている。

電解液タンク７は、電解液循環手段６０Ａによって正極室２２Ａとの間で電解液を循環するように構成されているとともに、電解液循環手段６０Ｂによって正極室２２Ｂとの間でも電解液を循環するように構成されている。
電解液循環手段６０Ａは、実施の形態３の電解液循環手段６０と同様に一端が電解液タンク７に接続され、他端が正極室２２Ａに接続されて、電解液タンク７から正極室２２Ａに電解液を送る電解液往路配管６１Ａと、一端が正極室２２Ａに接続され、他端が電解液タンク７に接続されて、正極室２２Ａから電解液タンク７に電解液を返す電解液復路配管６２Ａとを備えている。電解液往路配管６１Ａ上には電解液循環ポンプ６３Ａが設けられており、電解液往路配管６１Ａ上において、電解液タンク７と電解液循環ポンプ６３Ａとの間には正極室電磁弁６４Ａが設けられている。さらに、電解液タンク７と正極室電磁弁６４Ａとの間には電解液往路分岐点６５が設けられている。また、電解液復路配管６２Ａ上には電解液復路合流点６６が設けられている。
電解液循環手段６０Ｂは、一端が電解液往路分岐点６５に接続され、他端が正極室２２Ｂに接続されて、電解液タンク７から正極室２２Ｂに電解液を送る電解液往路配管６１Ｂと、一端が正極室２２Ｂに接続され、他端が電解液復路合流点６６に接続されて、正極室２２Ｂから電解液タンク７に電解液を返す電解液復路配管６２Ｂとを備えている。電解液往路配管６１Ｂ上には電解液循環ポンプ６３Ｂが設けられており、電解液往路配管６１Ｂ上において電解液往路分岐点６５と電解液循環ポンプ６３Ｂとの間には正極室電磁弁６４Ｂが設けられている。

次に、動作について説明する。汚泥処理装置４００は、通常時は一方の系統の微生物燃料電池及び循環手段を用いて電気生産細菌による低分子有機酸の分解及び汚泥含有処理水の循環を実施し、メンテナンス等で一方の系統を停止させた場合には、他方の系統の微生物燃料電池及び循環手段を用いて引き続き低分子有機酸の分解及び汚泥含有処理水の循環を実施する。また、通常時には一方の系統の電解液循環手段を用いて電解液の循環を実施し、メンテナンス等で一方の系統を停止させた場合には、他方の系統の電解液循環手段を
用いて引き続き電解液の循環を実施する。以下では、通常時にＡ系を用いて汚泥含有処理水の分解及び循環、及び電解液の循環を実施する場合について説明するが、通常時にＢ系を用いる場合も同様である。また、汚泥含有処理水の循環と電解液の循環は独立しているので、汚泥含有処理水の循環はＡ系（Ｂ系）で実施し、電解液の循環はＢ系（Ａ系）で実施することも可能である。

まず、循環ポンプ３３Ｂ及び電解液循環ポンプ６３Ｂを停止させ、負極室電磁弁３４Ｂ及び正極室電磁弁６４Ｂを閉じた状態で負極室電磁弁３４Ａ及び正極室電磁弁６４Ａを開いて循環ポンプ３３Ａ及び電解液循環ポンプ６３Ａを駆動させる。これにより、嫌気槽１０と負極室２１Ａとの間で嫌気槽１０内の汚泥含有処理水を循環させながら、汚泥含有処理水に含まれる低分子有機酸を負極室２１Ａ内に保持された電気生産細菌に分解させる。また、電解液タンク７と正極室２２Ａとの間で電解液を循環させながら、正極室２２Ａに保持される電解液の量及び濃度を一定に保つ。

汚泥漏出検知部２４Ａがプロトン交換膜２３Ａの破損等による汚泥の漏出を検知した場合等、嫌気槽１０、微生物燃料電池２０Ａ、及び電解液タンク７を分離させる必要が生じると、循環ポンプ３３Ａ及び電解液循環ポンプ６３Ａを停止させ、負極室電磁弁３４Ａ及び正極室電磁弁６４Ａを閉じて循環手段３０Ａにおける汚泥含有処理水の流れ及び電解液循環手段６０Ａにおける電解液の流れを遮断するとともに、負極室電磁弁３４Ｂ及び正極室電磁弁６４Ｂを開いて循環ポンプ３３Ｂ及び電解液循環ポンプ６３Ｂを起動させることで系統の切り替えを行う。これにより、嫌気槽１０内の汚泥含有処理水は嫌気槽１０と負極室２１Ｂとの間を循環するようになるため、汚泥含有処理水中の低分子有機酸は引き続き負極室２１Ｂの電気生産細菌により分解される。また、電解液は電解液タンク７と正極室２２Ｂとの間を循環するようになり、正極室２２Ｂに保持される電解液の量及び濃度は一定に保たれる。

実施の形態４によれば、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

また、高濃度の汚泥の処理をより安定的に行うことができる。より具体的には、１つの嫌気槽に対して２系統の微生物燃料電池及び循環手段を備えたため、通常時は一方の系統の微生物燃料電池の負極室において電気生産細菌に汚泥含有処理水中の低分子有機酸を分解させ、メンテナンス等で一方の系統を停止させる場合には汚泥含有処理水を循環させる系統の切り替えを行い、他方の系統の微生物燃料電池の負極室において引き続き低分子有機酸を分解させる。このため、有機酸の蓄積をより確実に防ぎ、嫌気槽内のｐＨをメタン生成菌の活性に適した状態に維持できるので、高濃度の汚泥の処理をより安定的に行うことができる。

なお、実施の形態４では微生物燃料電池、循環手段、電解液循環手段を２系統としたが、３系統以上とすれば、システム全体をより安定的にすることができる。初期費用も考慮した場合は、２系統以上３系統以下とすることが好ましい。

実施の形態５．
以下に、この発明の実施の形態５を図７に基づいて説明する。なお、図１と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。図７は、この発明の実施の形態５における汚泥処理装置及び水処理システムを示す全体構成図であり、実施の形態５における汚泥処理装置及び水処理システムの機器構成、制御系統構成及びフロー系統構成を示している。水処理システム５０００及び汚泥処理装置５００は、基本的な構成及び動作は実施の形態１の水処理システム１０００及び汚泥処理装置１００と同様であるが、嫌気槽１０よりも容積が小さい小型嫌気槽１０１に嫌気槽１０を置き換え、小型嫌気槽１０１の後段に嫌気槽１０よりも容積が大きい大型嫌気槽１０２を設けた点が実施の形態２と異
なる。

小型嫌気槽１０１は、実施の形態１の嫌気槽１０に相当し、その内部が嫌気性条件下に維持されており、高濃度の嫌気性微生物（図示なし）を保持している。小型嫌気槽１０１が保持する嫌気性微生物は、汚泥含有処理水に含まれる有機性の汚泥を分解して低分子有機酸を生成する酸生成細菌や、酸生成細菌に生成された低分子有機酸をさらに分解してメタンや二酸化炭素を生成するメタン生成菌を含む。また、小型嫌気槽１０１は、第１の小型嫌気槽流入部１１１及び第１の小型嫌気槽流出部１２１を有している。第１の小型嫌気槽流入部１１１は実施の形態１における第１の流入部１１に相当し、嫌気槽入口配管４２と接続されている。第１の小型嫌気槽流出部１２１は実施の形態１における第１の流出部１２に相当し、小型嫌気槽出口配管５１１と接続されている。また、小型嫌気槽１０１は、第２の小型嫌気槽流入部１３１及び第２の小型嫌気槽流出部１４１を有している。第２の小型嫌気槽流入部１３１は実施の形態１における第２の流入部１３に相当し、循環手段３０の復路配管３２と接続されている。第２の小型嫌気槽流出部１４１は実施の形態１における第２の流出部１４に相当し、循環手段３０の往路配管３１と接続されている。

大型嫌気槽１０２は、大型嫌気槽流入部１１２及び大型嫌気槽流出部１２２を有している。大型嫌気槽流入部１１２は、小型嫌気槽出口配管５１１を介して第１の小型嫌気槽流出部１２１に接続されており、小型嫌気槽１０１で処理された汚泥含有処理水が大型嫌気槽１０２に流入する構成となっている。大型嫌気槽流出部１２２は大型嫌気槽出口配管５１２と接続されており、大型嫌気槽１０２で処理された汚泥含有処理水が系外に排出される構成となっている。

小型嫌気槽１０１及び大型嫌気槽１０２には、それぞれ小型嫌気槽温度・ｐＨ測定部１５１と小型嫌気槽温度・ｐＨ調整部１６１、及び大型嫌気槽温度・ｐＨ測定部１５２と大型嫌気槽温度・ｐＨ調整部１６２を備えている。小型嫌気槽温度・ｐＨ測定部１５１は実施の形態２の温度・ｐＨ測定部１５に相当し、小型嫌気槽１０１内の汚泥含有処理水の温度及びｐＨを測定する。小型嫌気槽温度・ｐＨ調整部１６１は実施の形態２の温度・ｐＨ調整部１６に相当し、小型嫌気槽温度・ｐＨ測定部１５１の測定結果に基づいて小型嫌気槽１０１内の温度及びｐＨを所定の値に制御して維持する。大型嫌気槽温度・ｐＨ測定部１５２は大型嫌気槽１０２内の汚泥含有処理水の温度及びｐＨを測定する。大型嫌気槽温度・ｐＨ調整部１６２は大型嫌気槽温度・ｐＨ測定部１５２の測定結果に基づいて大型嫌気槽１０２内の温度及びｐＨを所定の値に制御して維持する。

次に、水処理システム５０００による水処理プロセス及び汚泥処理装置５００による汚泥処理（減容）プロセスについて説明する。まず、汚泥濃縮部４１にて濃縮された汚泥含有処理水を小型嫌気槽１０１に流入させるまでの工程は実施の形態１と同様である。次いで、実施の形態１と同様に小型嫌気槽１０１と微生物燃料電池２０の負極室２１との間で汚泥含有処理水を循環させながら小型嫌気槽１０１で嫌気性処理を行う。
負極室２１における処理は実施の形態１と同様であり、汚泥含有処理水中の低分子有機酸を電気生産細菌により分解させる。小型嫌気槽１０１と負極室２１との間で循環させる汚泥含有処理水の流量を第１の小型嫌気槽流出部１２１から流出する汚泥含有処理水の流量をよりも大きくする点も実施の形態１と同様である。

汚泥処理装置５００において、汚泥含有処理水中の汚泥を十分に分解するために必要な固形物滞留時間は、小型嫌気槽１０１における固形物滞留時間と大型嫌気槽１０２における固形物滞留時間の合計で確保できればよいため、実施の形態５では小型嫌気槽１０１における固形物滞留時間を実施の形態１の嫌気槽１０における固形物滞留時間よりも短くしている。このため、小型嫌気槽１０１内では酸生成細菌が生育する一方で生育が遅いメタン生成菌は十分に生育できない。この結果、酸生成細菌によって生成された低分子有機酸
のほとんどが負極室２１に送られて負極室２１の電気生産細菌には基質となる低分子有機酸が十分に供給されるので、負極２１１の菌密度が増加し、負極室における低分子有機酸の分解が効率的に行われる。

小型嫌気槽１０１における嫌気性処理が完了した汚泥含有処理水は第１の小型嫌気槽流出部１２１から排出され、小型嫌気槽出口配管５１１を通って大型嫌気槽１０２に流入する。大型嫌気槽１０２に流入する汚泥含有処理水は、小型嫌気槽１０１で既に汚泥の減容がある程度行われており、大型嫌気槽１０２内の嫌気性微生物に対する有機物負荷は小さい。このため、メタン生成菌が十分に生育するように大型嫌気槽１０２における固形物滞留時間は実施の形態１の嫌気槽１０における固形物滞留時間よりも長くする。上述したように、大型嫌気槽１０２内の嫌気性微生物に対する有機物負荷は小さいため、固形物滞留時間を長くしても低分子有機酸が蓄積してｐＨが小さくなることがない。

小型嫌気槽１０１における汚泥含有処理水の固形物滞留時間は、メタン生成菌の生育を十分に抑制する観点から５日以下が好ましく、３日以下がより好ましい。一方、酸生成細菌を十分に生育させる観点から、１日以上が好ましく、２日以上がより好ましい。

大型嫌気槽１０２における汚泥含有処理水の固形物滞留時間は、メタン生成菌を十分に生育させる観点から４日以上が好ましく、１５日以上がより好ましく、２０日以上がさらに好ましい。一方、大型嫌気槽１０２の効率的な利用による大型嫌気槽１０２の大型化及び初期費用増大の防止の観点からは３５日以下が好ましく、３０日以下がより好ましい。

小型嫌気槽１０１における汚泥含有処理水の固形物滞留時間と大型嫌気槽１０２における汚泥含有処理水の固形物滞留時間の合計は、汚泥含有処理水中の汚泥の十分な分解という観点から６日以上が好ましく、２０日以上がより好ましい。一方、小型嫌気槽１０１、大型嫌気槽１０２の大型化及び初期費用増大の防止という観点からは４０日以下が好ましく、３０日以下がより好ましい。

大型嫌気槽１０２内の汚泥含有処理水の温度は、メタン生成菌を十分に活性化させてメタン発酵の効率を高める観点から２５℃以上が好ましく、３５℃以上がより好ましい。一方、加温コスト抑制の観点からは６５℃以下が好ましく、５５℃以下がより好ましい。
大型嫌気槽１０２内の汚泥含有処理水のｐＨは、メタン生成菌を十分に活性化させてメタン発酵の効率を高める観点から６．５以上が好ましく、６．８以上がより好ましい。一方、ｐＨ調整コスト抑制の観点からは８．０以下が好ましく、７．４以下がより好ましい。

実施の形態５によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、高濃度の汚泥の効率的な処理をより確実に実施することができる。より具体的には、汚泥含有処理水の固形物滞留時間が異なる小型嫌気槽と大型嫌気槽を設け、前段の小型嫌気槽では固形物滞留時間が短くすることでメタン生成菌の生育を抑制しながら微生物燃料電池の負極室との間で汚泥含有処理水を循環させ、酸生成細菌による汚泥の分解及び低分子有機酸の生成と電気生産細菌による低分子有機酸の分解をより効率的に実施する。そして、後段の大型嫌気槽では固形物滞留時間が長くしてメタン生成菌の生育を促進する。ここで、大型嫌気槽に流入させる汚泥含有処理水は小型嫌気槽で既に汚泥の減容がある程度行われており嫌気性微生物に対する有機物負荷は小さいため、固形物滞留時間を長くしても低分子有機酸が蓄積してｐＨが小さくなることがない。したがって、大型嫌気槽１０２ではメタン生成菌の活性が抑制されることなく、メタン発酵による低分子有機酸の分解が行われる。このように、前段の小型嫌気槽及び微生物燃料電池による汚泥の減容と後段の大型嫌気槽による減容を組み合わせたため、高濃度の汚泥の効率的な処理をより確実に実施することができる。

また、上記したとおり大型嫌気槽でメタン生成菌によるメタン発酵が行われるため、エネルギー源としてのメタンガスを回収することができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 曝気槽、４ 固液分離槽、７ 電解液タンク、４１ 汚泥濃縮部、１０ 嫌気槽、１１ 第１の流入部、１２ 第１の流出部、１３ 第２の流入部、１４ 第２の流出部、１５ 温度・ｐＨ測定部、１６ 温度・ｐＨ調整部、２０、２０Ａ、２０Ｂ 微生物燃料電池、２１、２１Ａ、２１Ｂ 負極室、２２、２２Ａ、２２Ｂ 正極室、２１１、２１１Ａ、２１１Ｂ 負極、２２１、２２１Ａ、２２１Ｂ 正極、２３、２３Ａ、２３Ｂ プロトン交換膜、２４、２４Ａ、２４Ｂ 汚泥漏出検知部、３０、３０Ａ、３０Ｂ 循環手段、３１、３１Ａ、３１Ｂ 往路配管、３２、３２Ａ、３２Ｂ 復路配管、３３、３３Ａ、３３Ｂ 循環ポンプ、３４、３４Ａ、３４Ｂ 負極室電磁弁、３５ 往路分岐点、３６ 復路合流点、４１ 汚泥濃縮部、６０、６０Ａ、６０Ｂ 電解液循環手段、６１、６１Ａ、６１Ｂ 電解液往路配管、６２、６２Ａ、６２Ｂ 電解液復路配管、６３、６３Ａ、６３Ｂ 電解液循環ポンプ、６４、６４Ａ、６４Ｂ 正極室電磁弁、６５ 電解液往路分岐点、６６ 電解液復路合流点、１０１ 小型嫌気槽、１０２ 大型嫌気槽、１１１ 第１の小型嫌気槽流入部、１１２ 大型嫌気槽流入部、１２１ 第１の小型嫌気槽流出部、１２２ 大型嫌気槽流出部、１３１ 第２の小型嫌気槽流入部、１４１ 第２の小型嫌気槽流出部、１５１ 小型嫌気槽温度・ｐＨ測定部、１５２ 大型嫌気槽温度・ｐＨ測定部、１６１ 小型嫌気槽温度・ｐＨ調整部、１６２ 大型嫌気槽温度・ｐＨ調整部、１００、２００、３００、４００、５００ 汚泥処理装置、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００ 水処理システム、Ｆ１ 廃水、Ｆ２ 処理水

Claims (28)

1. 有機性の汚泥を分解する嫌気性微生物を保持し、汚泥含有液に含まれる有機性の汚泥を嫌気性処理する嫌気槽と、
   前記嫌気性処理の過程で生じる低分子有機酸を分解して電子を放出する電気生産細菌を保持し、前記電気生産細菌に放出された電子を回収する負極が挿入された電極室と、前記負極に回収された電子が供給される正極とを有する微生物燃料電池と、
   前記嫌気槽と前記電極室とを直接接続し、前記嫌気槽と前記電極室との間で前記汚泥含有液を循環させる循環手段と
   を備えたことを特徴とする汚泥処理装置。
2. 前記循環手段は、前記嫌気性処理と並行して、前記嫌気槽と前記電極室との間で前記低分子有機酸を循環させることを特徴とする請求項１に記載の汚泥処理装置。
3. 前記嫌気槽に接続されて、前記汚泥含有液を前記嫌気槽から系外に排出させる流出部をさらに備え、
   前記循環手段により循環される前記汚泥含有液の流量は、前記流出部により排出される前記汚泥含有液の流量よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の汚泥処理装置。
4. 前記嫌気性微生物は、前記汚泥を分解して低分子有機酸を生成する酸生成細菌と、前記低分子有機酸を分解してメタンを生成するメタン生成菌を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の汚泥処理装置。
5. 前記嫌気槽内の汚泥含有液の温度を調整する温度調整手段をさらに備え、
   前記温度調整手段は、前記メタン生成菌の生育が抑制される温度に前記嫌気槽内の汚泥含有液の温度を調整することを特徴とする請求項４に記載の汚泥処理装置。
6. 前記嫌気槽内の汚泥含有液のｐＨを調整するｐＨ調整手段をさらに備え、
   前記ｐＨ調整手段は、前記メタン生成菌の生育が抑制されるｐＨに前記嫌気槽内の汚泥含有液のｐＨを調整することを特徴とする請求項４または５に記載の汚泥処理装置。
7. 前記電極室は、前記負極が挿入されて前記嫌気槽との間で前記汚泥含有液が循環する負極室と、前記負極室と隔てられ、前記正極が挿入されるとともに電解液を保持する正極室とを備え、
   前記汚泥処理装置は、
   前記正極室に保持される電解液を貯留する電解液タンクと、
   前記電解液タンクと前記正極室とを接続し、前記電解液タンクと前記正極室との間で前記電解液を循環させる電解液循環手段と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の汚泥処理装置。
8. 前記負極室から前記正極室への汚泥の漏出を検知する汚泥漏出検知部と、
   前記汚泥漏出検知部の検知結果に基づいて前記循環手段における汚泥含有液の流れを遮断する汚泥含有液遮断手段と、
   前記汚泥漏出検知部の検知結果に基づいて前記電解液循環手段における電解液の流れを遮断する電解液遮断手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項７に記載の汚泥処理装置。
9. 前記微生物燃料電池及びそれぞれの微生物燃料電池に対応する前記循環手段が複数系統設けられ、
   前記汚泥含有液が循環している系統の微生物燃料電池において前記汚泥の漏出が検知された場合に、前記汚泥含有液を循環させる系統を他の系統に切り替えることを特徴とする請求項８に記載の汚泥処理装置。
10. 前記嫌気槽の後段に設けられ、前記嫌気性微生物を保持して前記嫌気槽により嫌気性処理された前記汚泥含有液をさらに嫌気性処理する、前記嫌気槽よりも容積が大きい大型嫌気槽をさらに備えたことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の汚泥処理装置。
11. 前記大型嫌気槽内の汚泥含有液の温度を調整する大型嫌気槽温度調整手段をさらに備え、
    前記大型嫌気槽温度調整手段は、前記メタン生成菌を活性化させる温度に前記大型嫌気槽内の汚泥含有液の温度を調整することを特徴とする請求項１０に記載の汚泥処理装置。
12. 前記大型嫌気槽内の汚泥含有液のｐＨを調整する大型嫌気槽ｐＨ調整手段をさらに備え、
    前記大型嫌気槽ｐＨ調整手段は、前記メタン生成菌を活性化させるｐＨに前記大型嫌気槽内の汚泥含有液のｐＨを調整することを特徴とする請求項１０または１１に記載の汚泥処理装置。
13. 前記嫌気槽に流入させる前記汚泥含有液を濃縮する汚泥濃縮部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の汚泥処理装置。
14. 活性汚泥を保持し、処理すべき被処理水を前記活性汚泥により好気性処理する曝気槽と、
    前記好気性処理された前記被処理水から有機性の汚泥を含む汚泥含有液を分離する固液分離槽と、
    前記汚泥含有液に含まれる汚泥を処理する請求項１から１３のいずれか１項に記載の汚泥処理装置と
    を備えたことを特徴とする水処理システム。
15. 有機性の汚泥を分解する嫌気性微生物を保持する嫌気槽において、汚泥含有液に含まれる有機性の汚泥を分解させる嫌気性処理工程と、
    前記嫌気性処理工程の過程で生じる低分子有機酸を微生物燃料電池の電極室で電気生産細菌に分解させて発電する発電工程とを備え、
    前記汚泥含有液を前記嫌気槽と前記電極室との間で循環させて前記汚泥含有液と前記電極室の電極とを複数回接触させながら、前記嫌気性処理工程と前記発電工程を並行して実施することを特徴とする汚泥処理方法。
16. 前記嫌気性処理工程と並行して、前記嫌気槽と前記電極室との間で前記低分子有機酸を循環させることを特徴とする請求項１５に記載の汚泥処理方法。
17. 前記汚泥含有液の循環と並行して前記汚泥含有液を前記嫌気槽から系外に排出する排出工程をさらに備え、
    前記嫌気槽と前記電極室との間で循環させる前記汚泥含有液の流量は、前記排出工程において排出される前記汚泥含有液の流量よりも大きいことを特徴とする請求項１５または１６に記載の汚泥処理方法。
18. 前記嫌気性処理工程は、酸生成細菌により前記有機性の汚泥を分解させて低分子有機酸を生成する工程と、メタン生成菌により前記低分子有機酸を分解させてメタンを生成する工程とを備えたことを特徴とする請求項１５から１７のいずれか１項に記載の汚泥処理方法。
19. 前記嫌気性処理工程において、前記メタン生成菌の生育が抑制される温度に前記嫌気槽内の汚泥含有液の温度を調整することを特徴とする請求項１８に記載の汚泥処理方法。
20. 前記嫌気性処理工程において、前記メタン生成菌の生育が抑制されるｐＨに前記嫌気槽内の汚泥含有液のｐＨを調整することを特徴とする請求項１８または１９に記載の汚泥処理方法。
21. 前記電極室は、前記電気生産細菌を保持し、前記電気生産細菌が放出する電子を回収する負極が挿入され、前記嫌気槽との間で前記汚泥含有液が循環する負極室と、前記負極室と隔てられ、前記負極に回収された電子が供給される正極が挿入されるとともに電解液を保持する正極室とを有し、
    前記正極室に保持される電解液を貯留する電解液タンクと前記正極室との間で前記電解液を循環させることを特徴とする請求項１７から２０のいずれか１項に記載の汚泥処理方法。
22. 前記正極室内の汚泥の有無から前記汚泥の漏出を検知し、前記汚泥の漏出の検知された場合に、前記嫌気槽と前記負極室との間の前記汚泥含有液の循環を遮断するとともに前記電解液タンクと前記正極室との間の前記電解液の循環を遮断することを特徴とする請求項２１に記載の汚泥処理方法。
23. 前記微生物燃料電池が複数設けられ、
    前記汚泥含有液が循環している微生物燃料電池において前記汚泥の漏出が検知された場合に、前記汚泥含有液を循環させる微生物燃料電池を他の微生物燃料電池に切り替えることを特徴とする請求項２２に記載の汚泥処理方法。
24. 前記嫌気槽の後段に設けられ、前記嫌気槽よりも容積が大きい大型嫌気槽に前記嫌気性処理工程及び前記発電工程で処理された汚泥含有液を流入させ、さらに嫌気性処理することを特徴とする請求項１８から２０のいずれか１項に記載の汚泥処理方法。
25. 前記メタン生成菌を活性化させる温度に前記大型嫌気槽内の汚泥含有液の温度を調整することを特徴とする請求項２４に記載の汚泥処理方法。
26. 前記メタン生成菌を活性化させるｐＨに前記大型嫌気槽内の汚泥含有液のｐＨを調整することを特徴とする請求項２４または２５に記載の汚泥処理方法。
27. 前記嫌気性処理工程の前に、前記汚泥含有液を濃縮する濃縮工程を備えたことを特徴とする請求項１５から２６のいずれか１項に記載の汚泥処理方法。
28. 活性汚泥を保持する曝気槽において、処理すべき被処理水を前記活性汚泥により好気性処理する工程と、
    前記好気性処理された前記被処理水から有機性の汚泥を含む汚泥含有液を分離する工程と、
    請求項１５から２７のいずれか１項に記載の汚泥処理方法により前記有機性の汚泥を処理する工程と
    を備えたことを特徴とする水処理方法。

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