(57)【要約】【課題】余剰汚泥を微生物に利用しやすい形態に処理することにより、後段の微生物燃料電池における燃料源とし、もって電気エネルギーを獲得できる技術を提供すること。【解決手段】有機性廃水を生物学的に処理することにより発生する余剰汚泥に対し、汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を破壊する物理化学的処理を施し、可溶化あるいは微生物に資化されやすい性状にして、微生物燃料電池の燃料源とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃水を生物学的に処理することにより発生する余剰汚泥に対し、汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を破壊する物理化学的処理を施し、可溶化あるいは微生物に資化されやすい性状にして、微生物燃料電池の燃料源とすることを特徴とする余剰汚泥を用いた発電方法。
【請求項２】
前記物理化学的処理を施すことにより余剰汚泥中の有機成分を溶出させた後、固液分離を行い、その分離水を微生物燃料電池の燃料源とするとともに、固形分を嫌気性消化法により処理することを特徴とする請求項１記載の余剰汚泥を用いた発電方法。
【請求項３】
前記物理化学的処理として、熱処理、薬品処理及び超音波処理の少なくとも１つの処理を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の余剰汚泥を用いた発電方法。
【請求項４】
前記熱処理として、３０℃以上３００℃未満、好ましくは５０℃以上１００℃以下で余剰汚泥を加熱することを特徴とする請求項３記載の余剰汚泥を用いた発電方法。
【請求項５】
前記薬品処理として、水酸化ナトリウム等のアルカリ剤を用いて余剰汚泥のｐＨを１０以上にすることを特徴とする請求項３記載の余剰汚泥を用いた発電方法。
【請求項６】
前記薬品処理として、塩酸等の酸を用いて余剰汚泥のｐＨを５以下にすることを特徴とする請求項３記載の余剰汚泥を用いた発電方法。
【請求項７】
前記薬品処理として、オゾンや過酸化水素等の酸化剤を余剰汚泥に添加することを特徴とする請求項３記載の余剰汚泥を用いた発電方法。
【請求項８】
前記超音波処理として、水中で超音波を発生させ、微細な気泡の発生と断熱圧縮による気泡の破裂とを生じさせることを特徴とする請求項３記載の余剰汚泥を用いた発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、余剰汚泥を用いた発電方法に関し、特に、有機性成分を含有する廃水を活性汚泥微生物を用いて分解する水処理系において、発生した余剰汚泥を処理する過程で電気エネルギーを得ることができる余剰汚泥を用いた発電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、有機性物質を含有する汚水及び廃水の処理方法として、活性汚泥微生物群による生物学的処理法が多く取り入られてきた。すなわち、活性汚泥微生物を保持した容器内に有機物を含有する廃水を導入し、これらを攪拌あるいは必要に応じて曝気することで活性汚泥微生物と有機物を接触させ、活性汚泥微生物による代謝・資化過程を利用し、廃水中の有機性物質を分解・処理するものである。
【０００３】
その一方、活性汚泥微生物群は、廃水中の有機性物質を資化することで、新たな細胞を合成し増殖する。水処理系において、健全な処理状況を保つためには、増殖した活性汚泥微生物群を余剰汚泥として適宜系外に引き抜き、処理・処分することが必要であるが、その処分地が確保しにくくなっている現状や、余剰汚泥のほとんどが有機性物質であるという状況などから、有効利用する考えが増えつつある。
【０００４】
有効利用の方法としては、コンポスト化し緑農地に肥料あるいは土壌改良剤として利用する方法や、溶融等によってレンガや配管を作製し、建築資材としての利用があるが、エネルギー利用としての観点では、嫌気性消化によるメタンガスの発生や、余剰汚泥をペレット化し固形物燃料として利用する方法がある。
このうち、嫌気性消化は、分子状酸素の存在しない条件下で、嫌気性微生物の能力を利用することで活性汚泥微生物を分解・安定化させるものであり、その副生成物の１つとして可燃性ガスであるメタンガスが得られ、発電等に利用できることから近年改めて注目されている。
【０００５】
一方、１９８０年代には、微生物の代謝機能を利用して、有機性物質から電気エネルギーを取り出す研究がなされ、水素などの純物質から電気エネルギーを獲得する燃料電池と区別するために、微生物燃料電池と呼ばれている。
微生物燃料電池の概念は図２に示す通りであり、容器１内に負極２及び正極３、これらを結ぶ外部回路４、そして負極側と正極側を分離する隔膜５からなる。負極側には微生物６が保持されており、有機物７を利用して代謝を行い、代謝産物８及び電子９を生成する。また、負極側には電子伝達剤１０も同時に保持されており、これが微生物内で生成された電子９を奪い、還元型電子伝達剤１１となる。
【０００６】
還元型電子伝達剤１１は、負極２において電子９を受け渡し、ふたたび電子伝達剤１０へと変化し、微生物６からの電子獲得に用いられる。なお、負極側での反応は、分子状酸素が存在しない、いわゆる嫌気条件下で行われる。嫌気条件下では、代謝産物８として水素イオンがあるが、これは濃度勾配によって隔膜５を通過して正極側に移動する。したがって、隔膜５としては水素透過膜あるいは陽イオン交換膜が用いられる。
【０００７】
負極２に受け渡された電子９は、外部回路４を経て正極３に移動する。正極側には酸化剤１２が導入されており、正極３上の電子９を受け取って還元型酸化剤１３へと変化する。なお、酸化剤１２としては酸素が用いられることが多く、これが還元され、負極側より移動してきた水素イオンと結合し水へと変化する。
【０００８】
近年では、燃料電池技術の進歩と相まって、微生物燃料電池を構成する素材にも進歩が見られ、その発電能力が向上しつつある。それに関連して、この微生物燃料電池を廃水処理に適用する研究も一部で行われており、非特許文献１に示す論文では、下水処理場の流入水から電気エネルギーを獲得する実験の結果が報告されている。当該論文では、流入水中の有機物濃度が高いほど発電量が増える、微生物燃料電池を使用することで、しない場合に比べて有機物の除去能力が増加するなどが報告されている。
【０００９】
上記のように、微生物燃料電池を用いて、下水処理場の流入水から電気エネルギーを獲得する技術は確立されつつあるが、微生物燃料電池の燃料源である有機性物質は、当該電池に保持された微生物にとって利用しやすい形でなくてはならない。下水処理場の流入水の場合、現在の活性汚泥微生物による処理状況が示すように、当該流入水に含まれる有機性物質は微生物が利用しやすい形態にある。
ところで、本発明で対象とする余剰汚泥は、そのほとんどが微生物そのものであり、有機物濃度が高く、発電量の増加が望まれるものの、強固な細胞膜及び細胞壁を持っており、短時間で微生物が代謝するのは困難であり、そのままでは微生物燃料電池の燃料源として利用することは非常に困難である。
【非特許文献１】Hong Liu et. al. : Production of Electricity during Wastewater Treatment Using a Single Chamber Microbial Fuel Cell, Environmental Science Technology Vol. 38, No. 7, 2004, p.2281-2285
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明では、余剰汚泥を微生物に利用しやすい形態に処理することにより、後段の微生物燃料電池における燃料源とし、もって電気エネルギーを獲得できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の余剰汚泥を用いた発電方法は、有機性廃水を生物学的に処理することにより発生する余剰汚泥に対し、汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を破壊する物理化学的処理を施し、可溶化あるいは微生物に資化されやすい性状にして、微生物燃料電池の燃料源とすることを特徴とする。
【００１２】
この場合、前記物理化学的処理を施すことにより余剰汚泥中の有機成分を溶出させた後、固液分離を行い、その分離水を微生物燃料電池の燃料源とするとともに、固形分を嫌気性消化法により処理することができる。
【００１３】
また、前記物理化学的処理として、熱処理、薬品処理及び超音波処理の少なくとも１つの処理を行うことができる。
【００１４】
この場合、前記熱処理として、３０℃以上３００℃未満、好ましくは５０℃以上１００℃以下で余剰汚泥を加熱することができる。
【００１５】
また、前記薬品処理として、水酸化ナトリウム等のアルカリ剤を用いて余剰汚泥のｐＨを１０以上にしたり、塩酸等の酸を用いて余剰汚泥のｐＨを５以下にしたり、あるいはオゾンや過酸化水素等の酸化剤を余剰汚泥に添加することができる。
【００１６】
また、前記超音波処理として、水中で超音波を発生させ、微細な気泡の発生と断熱圧縮による気泡の破裂とを生じさせることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の余剰汚泥を用いた発電方法によれば、有機性廃水を生物学的に処理することにより発生する余剰汚泥に対し、汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を破壊する物理化学的処理を施し、可溶化あるいは微生物に資化されやすい性状にして、微生物燃料電池の燃料源とすることから、そのままでは微生物燃料電池の燃料源としては不向きである余剰汚泥を、微生物が代謝しやすい形態に変化させることができ、これにより、微生物燃料電池の燃料源として電気エネルギーを獲得することができる。
【００１８】
この場合、前記物理化学的処理を施すことにより余剰汚泥中の有機成分を溶出させた後、固液分離を行い、その分離水を微生物燃料電池の燃料源とするとともに、固形分を嫌気性消化法により処理することにより、処理後の余剰汚泥の固液分離性が改善され、後段の汚泥処理にとって優位な状態を供することができ、特に、後段に嫌気性消化を行う場合、投入する汚泥濃度を高くすることができるばかりでなく、処理後の汚泥は細胞膜及び細胞壁が損傷され比較的分解されやすい形態になっていることから消化性能の向上、すなわちメタンガスの発生量増加などによる発電量の増加を図ることができる。
これにより、微生物燃料電池による発電ばかりでなく、嫌気性消化での発電量の改善も見られ、もって多くの電気エネルギーを獲得することができる。
【００１９】
また、前記物理化学的処理として、熱処理、薬品処理及び超音波処理の少なくとも１つの処理を行うことにより、余剰汚泥を構成する汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を変質あるいは損傷させることで細胞膜内に存在する細胞質を溶液側に溶出させることができ、これらの処理を併用することで効果が相乗的に増加することも可能である。
【００２０】
この場合、前記熱処理として、３０℃以上３００℃未満、好ましくは５０℃以上１００℃以下で余剰汚泥を加熱することにより余剰汚泥を構成する活性汚泥微生物の殺菌とともに、その細胞膜及び細胞壁を構成する多糖類やタンパク質の変質を図ることができる。
【００２１】
また、前記薬品処理として、水酸化ナトリウム等のアルカリ剤を用いて余剰汚泥のｐＨを１０以上にしたり、塩酸等の酸を用いて余剰汚泥のｐＨを５以下にすることにより、微生物の細胞膜及び細胞壁をもろくし、もってその細胞質を溶液側に流出させることができ、さらに、オゾンや過酸化水素等の酸化剤を余剰汚泥に添加することにより、強力な酸化力を利用して、微生物の殺菌あるいは細胞膜及び細胞壁を損傷させることができる。
【００２２】
また、前記超音波処理として、水中で超音波を発生させ、微細な気泡の発生と断熱圧縮による気泡の破裂とを生じさせることにより、このときの衝撃力によって水中の汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を破壊することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の余剰汚泥を用いた発電方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１に、本発明の余剰汚泥を用いた発電方法を汚泥処理系に組み込んだフロー図を示す。
【００２５】
余剰汚泥はＡ、例えば、生活排水等の有機性廃水を下水処理場の生物反応槽（図示省略）で活性汚泥微生物により生物学的に処理することにより発生する。
水処理系から排出された余剰汚泥Ａは、前処理槽１４に導かれ、この前処理槽１４では、ヒーター１５によって８０℃に加温されるとともに、硫酸タンク１６から添加される硫酸ＢによってｐＨが１．５程度に保たれる。
これにより、余剰汚泥Ａに含まれる汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁は損傷され、その一部及び細胞膜内の細胞質などが溶液側に流出する。
具体的には、余剰汚泥全体のＣＯＤに対する溶解性ＣＯＤの割合は、この処理前は数パーセントであったものが、処理を行うと２０パーセント程度にまで増加し、微生物にとって利用しやすい状態にすることができる。なお、この処理を行った場合、固液分の沈降性が向上することで固液分離が容易になり、よって後段の処理に高濃度の汚泥を供することが可能となる。
【００２６】
前処理槽１４にて一定時間滞留した汚泥は、処理汚泥Ｃとして流出し沈殿槽１７に導かれるが、処理汚泥Ｃは沈降性が向上しており、沈殿槽１７に滞留している間に固液分離される。なお、固液分離の手段としては、重力による沈殿分離以外にも、遠心分離、浮上分離あるいは膜分離などの機械的な分離手段を用いることも可能である。
【００２７】
ここで得られた、高濃度の溶解性有機分を含む上澄水Ｄは、微生物燃料電池１８に導かれ、この微生物燃料電池に保持された微生物を利用することにより電気エネルギーヘと変換され、これにより、大部分の有機物が取り除かれた残液Ｅは水処理系に戻されて処理される。
【００２８】
一方、沈殿槽１７での固液分離によって発生した固形分は、濃縮汚泥Ｆとして引き抜かれるが、そのままではｐＨが低く後段の嫌気性消化への悪影響が考えられるため、アルカリタンク１９から水酸化ナトリウムＧが添加され、適切なｐＨに調整される。ｐＨが調整された汚泥は、嫌気性消化槽２０に投入され、嫌気性微生物によってさらに分解され、メタンガスなどの副生成物が回収され、電気エネルギーヘと変換される。
【００２９】
嫌気性消化槽２０から引き抜かれる消化汚泥Ｈは、前述のように嫌気性微生物によって分解され、溶解性有機分が増加しているため、その一部を循環汚泥Ｉとして沈殿槽１７に循環させ、溶解性有機分を回収して、微生物燃料電池の燃料源として利用することができる。
あるいは、嫌気性微生物を含む循環汚泥Ｉの全量あるいは一部を再処理汚泥Ｊとして前処理槽１４へ導き、当該汚泥中に含まれる嫌気性微生物に対しても加熱及び酸による処理を行い、溶解性有機分の濃度を高めて、微生物燃料電池の燃料源として利用することも可能である。
【００３０】
かくして、本実施例の余剰汚泥を用いた発電方法は、有機性廃水を生物学的に処理することにより発生する余剰汚泥に対し、汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を破壊する物理化学的処理を施し、可溶化あるいは微生物、具体的には、微生物燃料電池に保持された微生物に資化されやすい性状にして、微生物燃料電池の燃料源とすることから、そのままでは微生物燃料電池１８の燃料源としては不向きである余剰汚泥を、微生物が代謝しやすい形態に変化させることができ、これにより、微生物燃料電池１８の燃料源として電気エネルギーを獲得することができる。
【００３１】
また、処理後の余剰汚泥の固液分離性が改善され、嫌気性消化槽２０へ投入する汚泥濃度を高くすることができるだけでなく、処理後の汚泥は細胞膜及び細胞壁が損傷され比較的分解されやすい形態になっていることから消化性能の向上、すなわちメタンガスの発生量増加などによる発電量の増加を図ることができる。言い替えれば、物理化学的処理を施すことにより余剰汚泥中の有機成分を溶出させた後、固液分離を行い、その分離水を微生物燃料電池１８の燃料源とするとともに、高濃度の固形分を嫌気性消化法により処理することができる。
これにより、微生物燃料電池１８による発電ばかりでなく、嫌気性消化での発電量の改善も見られ、もって多くの電気エネルギーを獲得することができる。
【００３２】
また、前記物理化学的処理として、熱処理、薬品処理及び超音波処理の少なくとも１つの処理を行うことにより、余剰汚泥を構成する汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を変質あるいは損傷させることで細胞膜内に存在する細胞質を溶液側に溶出させることができ、これらの処理を併用することで効果が相乗的に増加することも可能である。
【００３３】
この場合、前記熱処理として、３０℃以上３００℃未満、好ましくは５０℃以上１００℃以下で余剰汚泥を加熱することにより余剰汚泥を構成する活性汚泥微生物の殺菌とともに、その細胞膜及び細胞壁を構成する多糖類やタンパク質の変質を図ることができる。
【００３４】
また、前記薬品処理として、水酸化ナトリウム等のアルカリ剤を用いて余剰汚泥のｐＨを１０以上にしたり、塩酸等の酸を用いて余剰汚泥のｐＨを５以下にすることにより、微生物の細胞膜及び細胞壁をもろくし、もってその細胞質を溶液側に流出させることができ、さらに、オゾンや過酸化水素等の酸化剤を余剰汚泥に添加することにより、強力な酸化力を利用して、微生物の殺菌あるいは細胞膜及び細胞壁を損傷させることができる。
【００３５】
また、前記超音波処理として、水中で超音波を発生させ、微細な気泡の発生と断熱圧縮による気泡の破裂とを生じさせることにより、このときの衝撃力によって水中の汚泥微生物の細胞膜及び細胞壁を破壊することができる。
【００３６】
以上、本発明の余剰汚泥を用いた発電方法について、複数の実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、各実施例に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の余剰汚泥を用いた発電方法は、余剰汚泥を微生物に利用しやすい形態に処理することにより、後段の微生物燃料電池における燃料源とし電気エネルギーを獲得するという特性を有していることから、例えば、下水処理場の生物反応槽等で発生する余剰汚泥の有益な処理方法として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の余剰汚泥を用いた発電方法の一実施例を示すフロー図である。
【図２】微生物燃料電池を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    容器
２    負極
３    正極
４    外部回路
５    隔膜
６    微生物
７    有機物
８    代謝産物
９    電子
１０  電子伝達剤
１１  還元型電子伝達剤
１２  酸化剤
１３  還元型酸化剤
１４  前処理槽
１５  ヒーター
１６  硫酸タンク
１７  沈殿槽
１８  微生物燃料電池
１９  アルカリタンク
２０  嫌気性消化槽
Ａ    余剰汚泥
Ｂ    硫酸
Ｃ    処理汚泥
Ｄ    上澄水
Ｅ    残液
Ｆ    濃縮汚泥
Ｇ    水酸化ナトリウム
Ｈ    消化汚泥
Ｉ    循環汚泥
Ｊ    再処理汚泥
【図１】
2006066284.tif 000003
【図２】
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