(57)【要約】【課題】堆積物微生物燃料電池を下水処理の汚泥槽に適用して汚泥槽内の汚泥の改質を効率良く行うこと。【解決手段】汚泥槽１０内において主に水を含む上澄液層１１ｂと主に汚泥が占める汚泥層１１ａとを構成する。上澄液層１１ｂの液面に一部を露出させてカソード電極１３を設置する。カソード電極１３と電気的に接続し、かつ汚泥層１１ａに埋没させたアノード電極１２を設置する。電子供与微生物が、汚泥中の有機物を分解して電子を放出しアノード電極１２に供給する。カソード電極１３とアノード電極１２との間に汚泥層１１ａから取り出した電流を流すことで汚泥を改質する。制御部４は、アノード電極１２とカソード電極１３とを流れる微生物に起因する発電の累積発電量が所定値になった段階で、一部の汚泥を入れ換えてスウィングミキサ１６により混練を行って発電を継続させる。【選択図】図１
2015009210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体と有機物と前記有機物を分解して電子を放出する電子供与微生物を含む汚泥とを貯留し、貯留時に前記液体が主に占める上澄液層と前記汚泥が主に占める汚泥層との２層を維持する槽と、
少なくとも一部が前記汚泥層に埋没されて設置されているとともに、前記電子供与微生物から電子が供給されるアノード電極と、
前記アノード電極と電気的に接続されているとともに、少なくとも一部が前記上澄液層に浸漬するように設置されるカソード電極と、
前記汚泥層からの汚泥の排出および前記汚泥層への汚泥の投入を行う汚泥入替手段と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に流れる電流を計測する電流計測手段と、
前記電流の計測値に基づいて、前記汚泥層の汚泥の少なくとも一部を入れ替えるように前記汚泥入替手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記カソード電極と前記アノード電極との間に前記電子供与微生物から供給された電子が流れることにより前記汚泥を改質する
ことを特徴とする汚泥改質装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記電流計測手段から供給される前記カソード電極と前記アノード電極との間を流れる電流値を時間で累積することにより累積電力量を算出し、前記累積電力量が所定値以上になった場合に、前記汚泥入替手段によって前記汚泥の少なくとも一部を入れ替える制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の汚泥改質装置。
【請求項３】
前記汚泥層と前記上澄液層との２層を維持しつつ、前記汚泥層における汚泥を均質化させる汚泥均質化手段をさらに備え、前記制御手段は、前記汚泥入替手段による前記汚泥層における汚泥の少なくとも一部の入れ替え後に、前記汚泥均質化手段を制御して前記汚泥層における汚泥を均質化させることを特徴とする請求項１または２に記載の汚泥改質装置。
【請求項４】
前記カソード電極が前記液体の液面に前記カソード電極の一部が露出するように設置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の汚泥改質装置。
【請求項５】
液体と有機物と前記有機物を分解して電子を放出する電子供与微生物を含む汚泥とを貯留し、貯留時に前記液体が主に占める上澄液層と前記汚泥が主に占める汚泥層との２層を維持する汚泥処理ステップと、
少なくとも一部が前記汚泥層に埋没されて設置されているとともに、前記電子供与微生物から電子が供給されるアノード電極と、前記アノード電極に電気的に接続されているとともに、少なくとも一部が前記上澄液層に浸漬するように設置されるカソード電極との間に前記電子供与微生物から供給された電子を流すことにより前記汚泥を改質する汚泥改質ステップと、
前記汚泥層からの汚泥の排出および前記汚泥層への汚泥の投入を行う汚泥入替ステップと、
前記アノード電極とカソード電極との間に流れる電流値を計測する電流計測ステップと、
前記電流の計測値に基づいて、前記汚泥層の汚泥の少なくとも一部を入れ替えるように、汚泥の入れ替えを行う汚泥入替手段を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする汚泥改質方法。
【請求項６】
液体と有機物と前記有機物を分解して電子を放出する電子供与微生物を含む汚泥とを貯留し、貯留時に前記液体が主に占める上澄液層と前記汚泥が主に占める汚泥層との２層を維持する槽に設けられた、少なくとも一部が前記汚泥層に埋没されて設置されているとともに前記電子供与微生物から電子が供給されるアノード電極と、前記アノード電極と電気的に接続されているとともに少なくとも一部が前記上澄液層に浸漬するように設置されるカソード電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間に前記電子供与微生物から供給された電子が流れることにより前記汚泥の少なくとも一部を改質させた後に、前記汚泥層からの汚泥の排出および前記汚泥層への汚泥の投入を行う汚泥入替手段と、に対して、
前記アノード電極とカソード電極との間に流れる電流値に基づいて、前記汚泥層の汚泥の少なくとも一部を入れ替えるように制御する
ことを特徴とする汚泥改質装置の制御装置。
【請求項７】
液体と有機物と前記有機物を分解して電子を放出する電子供与微生物を含む汚泥とを貯留し、貯留時に前記液体が主に占める上澄液層と前記汚泥が主に占める汚泥層との２層を維持しつつ、少なくとも一部が前記汚泥層に埋没されて設置されているとともに、前記電子供与微生物から電子が供給されるアノード電極と、前記アノード電極に電気的に接続されているとともに、少なくとも一部が前記上澄液層に浸漬するように設置されるカソード電極との間に前記電子供与微生物から供給された電子が流れることにより前記汚泥を改質する際に、前記アノード電極とカソード電極との間に流れる電流値を計測する電流計測ステップと、
前記電流計測ステップにおける前記電流の計測値に基づいて、前記汚泥層の汚泥の少なくとも一部を入れ替えるように、汚泥の入れ替えを行う汚泥入替手段を制御して、前記汚泥層からの汚泥の排出および前記汚泥層への汚泥の投入の制御を行う制御ステップと、
を含むことを特徴とする汚泥改質装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重力濃縮槽や沈殿池などの下水処理の汚泥槽に適用可能な汚泥改質装置、および改質方法、並びに汚泥改質装置の制御装置、および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、微生物燃料電池を下水汚泥処理プロセスに適用しようとする研究開発が行われている。この研究開発は、微生物燃料電池を用いて下水汚泥の有するエネルギーを回収するためのものであった。この従来の微生物燃料電池は、一対の電極と、これらの電極に電気的に接続された外部回路と、一対の電極を分離する隔膜とを備え、一方の電極側には細胞外電子伝達能を有する微生物が保持されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１８６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、本発明者は、微生物燃料電池を下水汚泥処理プロセスに適用する研究開発の過程で、微生物燃料電池が、下水汚泥の有するエネルギーを回収するという本来的な作用を奏するのみならず、下水汚泥自体が有する粘性を低減するという、副次的な作用をも奏することを見出した。
【０００５】
この微生物燃料電池のもつ下水汚泥の改質性能は、脱水機に投入される下水汚泥の前処理として適用した場合、脱水機における使用凝集剤量の低減や脱水機の小能力化等の優れた効果が得られることが期待される。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、微生物燃料電池が有する下水汚泥の改質性能を脱水装置に投入される下水汚泥の前処理として適用することができ、後段に設けられる脱水装置における省電力化や使用凝集剤量の低減などを実現することができる汚泥改質装置および汚泥改質方法、並びに汚泥改質装置の制御装置、および制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る汚泥改質装置は、液体と有機物と有機物を分解して電子を放出する電子供与微生物を含む汚泥とを貯留し、貯留時に液体が主に占める上澄液層と汚泥が主に占める汚泥層との２層を維持する槽と、少なくとも一部が汚泥層に埋没されて設置されているとともに、電子供与微生物から電子が供給されるアノード電極と、アノード電極と電気的に接続されているとともに、少なくとも一部が上澄液層に浸漬するように設置されるカソード電極と、汚泥層からの汚泥の排出および汚泥層への汚泥の投入を行う汚泥入替手段と、アノード電極とカソード電極との間に流れる電流を計測する電流計測手段と、電流の計測値に基づいて、汚泥層の汚泥の少なくとも一部を入れ替えるように汚泥入替手段を制御する制御手段と、を備え、カソード電極とアノード電極との間に電子供与微生物から供給された電子が流れることにより汚泥を改質することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る汚泥改質装置は、上記の発明において、制御手段は、電流計測手段から供給されるカソード電極とアノード電極との間を流れる電流値を時間で累積することにより累積電力量を算出し、累積電力量が所定値以上になった場合に、汚泥入替手段によって汚泥の少なくとも一部を入れ替える制御を行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る汚泥改質装置は、上記の発明において、汚泥層と上澄液層との２層を維持しつつ、汚泥層における汚泥を均質化させる汚泥均質化手段をさらに備え、制御手段は、汚泥入替手段による汚泥層における汚泥の少なくとも一部の入れ替え後に、汚泥均質化手段を制御して汚泥層における汚泥を均質化させることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る汚泥改質装置は、上記の発明において、カソード電極が液体の液面にカソード電極の一部が露出するように設置されることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る汚泥改質方法は、液体と有機物と有機物を分解して電子を放出する電子供与微生物を含む汚泥とを貯留し、貯留時に液体が主に占める上澄液層と汚泥が主に占める汚泥層との２層を維持する汚泥処理ステップと、少なくとも一部が汚泥層に埋没されて設置されているとともに、電子供与微生物から電子が供給されるアノード電極と、アノード電極に電気的に接続されているとともに、少なくとも一部が上澄液層に浸漬するように設置されるカソード電極との間に電子供与微生物から供給された電子を流すことにより汚泥を改質する汚泥改質ステップと、汚泥層からの汚泥の排出および汚泥層への汚泥の投入を行う汚泥入替ステップと、アノード電極とカソード電極との間に流れる電流値を計測する電流計測ステップと、電流の計測値に基づいて、汚泥層の汚泥の少なくとも一部を入れ替えるように、汚泥の入れ替えを行う汚泥入替手段を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る汚泥改質装置の制御装置は、液体と有機物と有機物を分解して電子を放出する電子供与微生物を含む汚泥とを貯留し、貯留時に液体が主に占める上澄液層と汚泥が主に占める汚泥層との２層を維持する槽に設けられた、少なくとも一部が汚泥層に埋没されて設置されているとともに電子供与微生物から電子が供給されるアノード電極と、アノード電極と電気的に接続されているとともに少なくとも一部が上澄液層に浸漬するように設置されるカソード電極と、カソード電極とアノード電極との間に電子供与微生物から供給された電子が流れることにより汚泥の少なくとも一部を改質させた後に、汚泥層からの汚泥の排出および汚泥層への汚泥の投入を行う汚泥入替手段と、に対して、アノード電極とカソード電極との間に流れる電流値に基づいて、汚泥層の汚泥の少なくとも一部を入れ替えるように制御することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る汚泥改質装置の制御方法は、液体と有機物と有機物を分解して電子を放出する電子供与微生物を含む汚泥とを貯留し、貯留時に液体が主に占める上澄液層と汚泥が主に占める汚泥層との２層を維持しつつ、少なくとも一部が汚泥層に埋没されて設置されているとともに、電子供与微生物から電子が供給されるアノード電極と、アノード電極に電気的に接続されているとともに、少なくとも一部が上澄液層に浸漬するように設置されるカソード電極との間に電子供与微生物から供給された電子が流れることにより汚泥を改質する際に、アノード電極とカソード電極との間に流れる電流値を計測する電流計測ステップと、電流計測ステップにおける電流の計測値に基づいて、汚泥層の汚泥の少なくとも一部を入れ替えるように、汚泥の入れ替えを行う汚泥入替手段を制御して、汚泥層からの汚泥の排出および汚泥層への汚泥の投入の制御を行う制御ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る汚泥改質装置および汚泥改質方法、並びに汚泥改質装置の制御装置、および制御方法によれば、微生物燃料電池が有する下水汚泥の改質性能を脱水装置に投入される下水汚泥の前処理として適用することができ、後段に設けられる脱水装置における省電力化や使用凝集剤量の低減などを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による汚泥改質装置を汚泥槽とした場合の汚泥処理システムの例である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による汚泥改質装置を示す略線図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態の実験例１および実験例２に用いる汚泥改質装置における、経過日数ごとに出力される電流の計測値を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の一実施形態の実験例３に用いる汚泥改質装置における、途中で汚泥の一部を入れ替えた場合の経過日数ごとに出力される電流の計測値を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の一実施形態の実験例４による汚泥改質装置における、経過日数ごとの出力される電流の計測値を示すグラフである。
【図６】図６は、比較例による、汚泥改質装置での汚泥中のＴＳおよびＶＳの開始前後の値を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の一実施形態における実験例４におけるＴＳおよびＶＳの開始前後の値を示すグラフである。
【図８】図８は、実験前の汚泥、比較例による汚泥、および実験例４における汚泥に関するろ紙ろ過量を示すグラフである。
【図９】図９は、比較例による、実験前後でのＣＯＤCrおよびＢＯＤの変化を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態における実験例４による実験前後でのＣＯＤCrおよびＢＯＤの変化を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態による汚泥改質方法を説明するためのフローチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態による汚泥の一部の入れ替えの制御に用いる、発電量の経過時間依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の一実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。
【００１７】
まず、本発明の一実施形態による汚泥改質装置を適用する汚泥槽およびこれを備えた汚泥処理システムについて説明する。図１は、この一実施形態による汚泥改質装置としての汚泥槽および汚泥処理システムを示す。
【００１８】
図１に示すように、この一実施形態による汚泥処理システム１は、槽としての汚泥槽１０と、後段に設けられた脱水手段としての脱水装置２と、さらに後段に設けられた燃焼手段としての燃焼炉３と、制御装置または制御手段としての制御部４と、電流計測手段としての電流計５とを備える。脱水装置２は、例えば重力脱水機やベルトプレス型脱水装置などから構成され、汚泥層１０から排出された汚泥を脱水して、脱水ケーキとする。燃焼炉３は、例えばガス化炉や流動焼却炉などから構成され、脱水装置２から搬出された脱水ケーキを高温で焼却する。
【００１９】
また、この汚泥槽１０は、例えば重力濃縮槽や沈殿池などの固液分離装置から構成され、一対の電極としてのアノード電極１２およびカソード電極１３が設けられている。この汚泥槽１０において下水処理を行う際には、その内部は、汚泥が沈殿して形成された主に汚泥からなる汚泥層１１ａと、後段の水処理設備（図示せず）に流出される分離液などの主に液体からなる上澄液層１１ｂとの２層にほぼ分離され、この２層は常時維持される。汚泥槽１０の内部には外部から汚泥層１１ａに対して投入汚泥が供給可能に構成された投入管１０ａが設けられている。
【００２０】
また、汚泥槽１０の下部には汚泥排出弁１４が設けられ、汚泥排出弁１４を通じて汚泥層１１ａから一部の汚泥が濃縮汚泥として排出される。この汚泥排出弁１４の開閉動作は、制御部４により制御される。以上の投入管１０ａおよび汚泥排出弁１４により汚泥入替手段が構成される。
【００２１】
また、汚泥槽１０内の汚泥槽１１ａ中には、汚泥層１１ａ内の汚泥を均質化するための汚泥均質化手段として、掻寄機１５およびスウィングミキサ１６が設けられている。掻寄機１５は、軸１５ａによりモータ１５ｂに連結されている。モータ１５ｂの回転は制御部４により制御される。掻寄機１５は、制御部４の制御によるモータ１５ｂの回転によって汚泥槽１１ａ中で回転する。モータ１５ｂの回転は制御部４により制御される。また、スウィングミキサ１６は、旋回支柱１６ａを介してモータ１６ｂに連結されている。モータ１６ｂの回転は制御部４により制御される。このスウィングミキサ１６は、制御部４の制御によるモータ１６ｂの回転によって旋回しながら、円周方向へ少し下向きに水流を発生させる。これにより、汚泥層１１ａを混練することができる。なお、スウィングミキサ１６から外周方向に向かう水流は、汚泥槽１０の内壁面によって下降流になるため、汚泥層１１ａのみを混練して汚泥を均質化することが可能になり、汚泥層１０内を汚泥層１１ａと上澄液層１１ｂとの２層に維持することが可能となる。
【００２２】
アノード電極１２は、その外面に、汚泥が含む細胞外電子伝達能を有する電子供与微生物が付着するように、少なくとも一部、好適にはすべてが汚泥層１１ａに埋没するように配置される。また、カソード電極１３は、後述する微生物発電における酸素（Ｏ2）を得るために空気に接触させる必要があることから、上澄液層１１ｂの上面に一部が露出して配置される。さらに、上述したように汚泥槽１０内における汚泥層１１ａと上澄液層１１ｂとを２層で維持する。これらによって、アノード電極１２とカソード電極１３との間に電流（電子の流れ）が流れるように構成されている。以下に、電流の流れる原理について説明する。
【００２３】
すなわち、汚泥層１１ａにおいて、アノード電極１２には、電子供与微生物としてのジオバクター（Geobacter）の近縁種などが付着する。これによって、例えば下記（１）式などの反応が生じて、アノード電極１２においては、汚泥が含む例えば炭水化物などの有機物から、二酸化炭素（ＣＯ2）、水素イオン（Ｈ＋）および電子（ｅ−）が生成される。この際に生じた電子（ｅ−）はアノード電極１２からカソード電極１３に供給される。また、この電子の移動としての電流は、電流計５が計測し、その電流計測値を制御部４に供給する。
【００２４】
他方、生成された二酸化炭素（ＣＯ2）は外部に放出されるとともに、水素イオン（Ｈ＋）は上澄液層１１ｂに移行する。上澄液層１１ｂ内においては、酸素（Ｏ2）および水素イオン（Ｈ＋）がカソード電極１３から電子（ｅ-）を受け取って、例えば下記（２）式などの反応によって、水（Ｈ2Ｏ）となる。このように、カソード電極１３からアノード電極１２に電流が流れる。この際、カソード電極１３には酸素の供給が必要になるため、上述したように必要に応じてカソード電極１３の一部を上澄液層１１ｂの外部に露出させる。
【００２５】
Ｃ6Ｈ12Ｏ6＋６Ｈ2Ｏ  →  ６ＣＯ2＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−  ……（１）
６Ｏ2＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−  →  １２Ｈ2Ｏ  ……（２）
【００２６】
以上のように構成された汚泥槽１０においては、カソード電極１３およびアノード電極１２の間に電力を用いる各種の電気機械や電器製品を設置することにより、汚泥槽１０の汚泥から電力（電流）を取り出して、各種の装置を駆動させることが可能になる。
【００２７】
そして、本発明者は、上述した汚泥槽１０と同様の構成の汚泥改質装置を用いて種々実験を行った。図２は、この一実施形態による汚泥改質装置を示す略線図である。
【００２８】
図２に示すように、この一実施形態による汚泥改質装置２０は汚泥槽１０と同様に、汚泥貯留槽２１、その上部に設けられた上蓋２２、アノード電極２４、およびカソード電極２５から構成されている。アノード電極２４は、汚泥貯留槽２１内に貯留された汚泥からなる汚泥層２３ａの内部に埋没するように配置されている。また、カソード電極２５は、上澄液層２３ｂの上面に一部が露出するように配置されている。
【００２９】
また、汚泥改質装置２０には、汚泥層２３ａにおける汚泥を適度にかき混ぜるための攪拌手段としての掻寄機２１ａが設けられている。なお、この掻寄機２１ａは他の攪拌手段としても良く、汚泥の投入と排出とによって流動させるようにしても良い。さらに、汚泥改質装置２０には、カソード電極２５とアノード電極２４との間に流れる電流を計測するとともに、その計測値を逐次データとして格納可能なモニタリング部２６が設けられている。
【００３０】
（実験例１，２）
そして、本発明者は、上述のように構成された汚泥改質装置２０を複数台用いて、汚泥集約処理施設における重力濃縮槽引抜汚泥といった実際の下水汚泥を使用して、微生物発電を行った（実験例１，２）。なお、発電量は、モニタリング部２６が連続してモニタリングするとともに、環境条件の変化の把握のために、室温および上澄液層２３ｂの水温を連続してモニタリングした。図３は、それらの測定結果のグラフを示す。図３から、汚泥改質装置２０において、約７〜１０日間の発電立ち上がり期間（馴致期間）を経た後、電流値が安定して増加し、微生物発電が安定してできることが確認された。すなわち、汚泥改質装置２０のカソード電極２５およびアノード電極２４から微生物発電が生じるまでには、少なくとも７〜１０日程度以上必要であることが確認された。なお、本発明者が上澄液層２３ｂのｐＨをモニタリングしたところ、ｐＨ７以上において微生物発電が生じていることが確認され、ｐＨの計測が微生物発電のモニタリングに適していることも判明した。
【００３１】
（実験例３）
次に、この一実施形態による実験例３について説明する。実験例３においては、汚泥槽１０における汚泥の投入および排出の流れと同様の状態を得るために、実験開始後において電流が低下し始めた２６日目に、汚泥層２３ａの一部、例えば１／４程度の汚泥を取り出し、同量の新たな汚泥を投入した。この場合において、計測された電流値の経日変化の結果を図４に示す。図４から、汚泥の一部を入れ替えたタイミングで一部の汚泥を入れ替えたことにより、一時的に電流が低下するものの、数日間で元の発電レベルまで回復可能であることが確認された。すなわち、汚泥を間欠投入する重力濃縮槽などの汚泥槽１０においては、高い発電レベルを維持できることが確認された。
【００３２】
（実験例４、比較例）
次に、この一実施形態による実験例４による汚泥改質装置２０、およびその汚泥の改質の効果を比較するための比較例について説明する。すなわち、実験例４としては、実験例１と同様の汚泥改質装置２０を用い、アノード電極２４とカソード電極２５とをモニタリング部２６を介して電気的に連結させることによって、電流を取り出し可能な構成とした（以下、閉回路）。一方比較例においては、実験例１と同様の汚泥改質装置２０において、アノード電極２４とカソード電極２５とを電気的に連結させずに、電流を取り出さない構成とした（以下、開回路）。これによって、本発明者は、汚泥からの電流の取り出しの有無による汚泥の改質および減量の相違について評価を行った。なお、実験例４および比較例のいずれにおいても、実験期間は４１日間とした。
【００３３】
図５は、実験例４における微生物発電によって生じる電流の経時変化を示すグラフである。図５から、実験例４においては、汚泥改質装置２０を立ち上げから約１２日後に微生物発電が開始され、実験例４の実験期間の終了時の４１日目まで、電流が上昇していることが分かる。一方、比較例においては、開回路であることから電流は取り出されない。また、本発明者が、汚泥改質装置２０における上澄液層２３ｂを目視で確認したところ、実験例４および比較例のいずれにおいても日数の経過とともに上澄液が澄んでいくのが観察された。これにより、上澄液層２３ｂが澄むのは、電流の取り出しによるためではないことが判明した。
【００３４】
（汚泥削減効果）
また、図６および図７はそれぞれ、比較例および実験例４における、実験開始時と実験終了時とにおける汚泥の蒸発残留物（ＴＳ：Total Solids）濃度、および揮発性有機物（ＶＳ：Volatile Solids）濃度を示すグラフである。図６から、開回路を採用した比較例において実験開始時と実験終了時とでは、ＴＳは、約３６００ｍｇ／Ｌから約３０００ｍｇ／Ｌまで減少しているとともに、ＶＳは、約２７００ｍｇ／Ｌから約２０００ｍｇ／Ｌまで減少していることが分かる。すなわち、ＴＳの減少率が１８．５％程度、ＶＳの減少率が２４．６％程度であることが確認された。これに対し、図７から、閉回路を採用した実験例４において実験開始時と実験終了時とでは、ＴＳは、約３９００ｍｇ／Ｌから約２９００ｍｇ／Ｌまで減少しているとともに、ＶＳは、約２９００ｍｇ／Ｌから約２１００ｍｇ／Ｌまで減少していることが分かる。すなわち、ＴＳの減少率が２３．８％程度、ＶＳの減少率が２９．５％程度であることが確認された。
【００３５】
そして、これらの実験例４と比較例とのＴＳの減少率を比較すると、実験例４においては、比較例に比してＴＳの減少率が１．３倍向上したことが確認された。同様に、実験例４と比較例とのＶＳの減少率を比較すると、実験例４においては、比較例に比してＶＳの減少率が１．２倍向上したことが確認された。したがって、実験例４のように、汚泥改質装置２０において汚泥層２３ａから電流を取り出すことにより、汚泥をより減量できることが確認された。
【００３６】
（脱水性効果）
また、本発明者は、脱水性の指標としてろ紙ろ過水量を測定することによって、汚泥の脱水性評価試験を行った。具体的には、クランプに取り付けた漏斗にろ紙を設置し、このろ紙に対して３０ｍｌの汚泥を流して５分間でろ過される水量（ろ過水量）を測定した。図８は、この脱水性評価試験によって得られた、比較例および実験例４の実験前の汚泥と実験後の汚泥とにおけるろ過水量を示す。
【００３７】
図８から、実験前の汚泥においてろ過水量が２．０〜２．２ｍｌの平均２．１ｍｌであるのに対し、開回路を採用した比較例においては、終了時のろ過水量が１．９〜２．２ｍｌの平均２．０ｍｌであり、ほとんど差は生じないことが分かる。一方、閉回路を採用した実験例４においては、終了時のろ過水量が２．４〜２．９ｍｌの平均２．６ｍｌであり、実験前および比較例に比して１．２〜１．３倍程度、ろ過水量が多くなることが分かる。すなわち、汚泥改質装置２０において汚泥層２３ａからの電流を取り出すことによって、汚泥の脱水性が向上し、汚泥が改質されていることが確認された。
【００３８】
（化学的酸素要求量削減効果）
また、本発明者は、汚泥改質装置２０を汚泥槽に適用する場合に、汚泥槽の後段に設けられる嫌気槽、硝化槽、および脱窒槽などの反応槽に影響を及ぼすか否かについて検討を行った。ここでは、実験例４および比較例において、被処理水となる上澄液層２３ｂの生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）および二クロム酸カリウムによる化学的酸素要求量（ＣＯＤCr）の減少率を測定した。図９および図１０はそれぞれ、比較例および実験例４における実験前後の上澄液層２３ｂのＢＯＤとＣＯＤCrとの変化を示すグラフである。
【００３９】
図９から、開回路を採用した比較例においては、実験前の上澄液層２３ｂのＣＯＤCrが１１００ｍｇ／Ｌ程度であり、実験後の上澄液層２３ｂのＣＯＤCrが２８０ｍｇ／Ｌ程度であることが分かる。すなわち、比較例においては、実験前後において、上澄液層２３ｂのＣＯＤCrが７５％程度減少していることが分かる。また、この比較例において、実験前の上澄液層２３ｂのＢＯＤが７３０ｍｇ／Ｌ程度であり、実験後の上澄液層２３ｂのＢＯＤが８５ｍｇ／Ｌ程度であることが分かる。すなわち、比較例においては、実験前後で上澄液層２３ｂのＢＯＤが８８％程度減少していることが分かる。
【００４０】
これに対し、図１０から、閉回路を採用した実験例４においては、実験前の上澄液層２３ｂのＣＯＤCrが１１００ｍｇ／Ｌ程度であり、実験後の上澄液層２３ｂのＣＯＤCrが２２０ｍｇ／Ｌ程度であることが分かる。すなわち、実験例４においては、実験前後において、上澄液層２３ｂのＣＯＤCrが８０％程度減少していることが確認された。また、この実験例４において、実験前の上澄液層２３ｂのＢＯＤが７５０ｍｇ／Ｌであり、実験後の上澄液層２３ｂのＢＯＤが１００ｍｇ／Ｌであることが分かる。すなわち、実験例４においては、実験前後で上澄液層２３ｂのＢＯＤが８７％減少していることが確認された。
【００４１】
そして、比較例および実験例４におけるＣＯＤCrの減少率とＢＯＤの減少率とをそれぞれ比較すると、図９および図１０から、ＢＯＤの減少率については比較例と実験例４とにおいて同程度である一方、ＣＯＤCrの減少率については５ポイントの差があることが分かる。すなわち、実験例４において、汚泥層２３ａからの電流の取り出しによって、ＣＯＤCrの減少率が高くなることが分かる。これにより、実験例４のように汚泥層２３ａから電流の取り出しを行い、後段に反応槽などを設けた場合であっても、微生物発電による反応槽への影響はほとんどないことが確認された。
【００４２】
以上説明した一実施形態による実験例４によれば、比較例に比して、ＴＳの除去率およびＶＳの除去率を向上させることができ、ろ過量が増加していることから脱水性能を向上でき、さらにＣＯＤCrの減少率も向上できることが分かる。したがって、本発明の一実施形態による汚泥改質装置によれば、汚泥から電流を取り出すことによって、汚泥の削減と改質を行うことが可能であることが確認された。
【００４３】
（汚泥改質方法）
次に、以上のようにして得られた実験結果に基づいた、上述した一実施形態による汚泥改質装置としての汚泥処理システム１による汚泥改質方法について説明する。図１１は、この一実施形態による汚泥改質方法を示すフローチャートであり、ＭＦＣ（Microbial Fuel Cell）の原理に基づいて制御部４が汚泥処理システム１を制御する制御方法を示す。また、図１２は、この汚泥処理システム１からの発電量における、処理経過時間依存性および汚泥の一部を入れ替えた際の電流変動の概略を示すグラフである。
【００４４】
まず、図１に示す汚泥処理システム１においては、上述したように、汚泥槽１０において汚泥層１１ａおよび上澄液層１１ｂを形成した状態で発電を行って所定時間待機する。これにより、汚泥槽１０における微生物による発電を安定化させる（図１１中、ステップＳＴ１）。
【００４５】
次に、制御部４は、電流計５から供給される電流の計測値を常時連続的にモニタリングする（図１１中、ステップＳＴ２）。この制御部４によるモニタリングにおいては、例えば図１２に示すような経過時間による電流の増加が観測される。
【００４６】
他方、汚泥槽１０内においては、制御部４がモータ１５ｂを制御することにより掻寄機１５を緩やかに回転させ、汚泥層１１ａ内の汚泥を撹拌する（図１１中、ステップＳＴ３）。なお、掻寄機１５は、間欠的に回転させてもよい。このとき、制御部４は、汚泥槽１１ａと上澄液層１１ｂとの２層を維持するように掻寄機１５を制御して、後述するスウィングミキサ１６による汚泥層１１ａの撹拌よりも緩やかに混練し掻き混ぜる。この掻寄機１５による汚泥層１１ａの掻き混ぜにより、汚泥層１１ａ中の種々の汚泥が順次アノード電極１２と継続的かつ連続的に接触することになる。これにより、汚泥槽１０における発電中において、汚泥層１１ａ中の汚泥を均質化させることができるとともに、汚泥の分解に伴って発生するガスを脱気させることもできるため、汚泥処理システム１を安定化することができる。
【００４７】
そして、図１２に示すように、汚泥槽１０において電流計５により計測される電流値が増加する。制御部４は、図１２に示すような、経過時間により電流が変化する状態の電流値を経過時間で積分することによって累積発電量を算出する（図１１中、ステップＳＴ４）。
【００４８】
次に、図１に示す制御部４は、算出した累積発電量の値が、あらかじめ設定された所定電力量未満であるか否かを判断する（図１１中、ステップＳＴ５）。制御部４は、累積発電量の値があらかじめ設定された所定電力量以上であると判断した場合（ステップＳＴ５：Ｎｏ）、ステップＳＴ６に移行する。他方、ステップＳＴ５において、制御部４が累積発電量の値があらかじめ設定された所定電力量未満であると判断した場合（ステップＳＴ５：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２に移行して、累積発電量の値があらかじめ設定された所定電力量以上になるまで、ステップＳＴ２〜４の処理を繰り返す。なお、この累積発電量の所定値は、図１２に示す斜線で示す部分の面積に相当する。
【００４９】
そして、図１１に示すステップＳＴ６において、制御部４は、汚泥排出弁１４を制御して開動作をさせることにより、汚泥槽１０の下部から汚泥層１１ａを構成する汚泥の一部、具体的には例えば汚泥層１１ａの１／４程度の汚泥を濃縮汚泥として引き抜いて排出する。なお、排出される濃縮汚泥の量についての詳細は後述する。この排出された濃縮汚泥は後段の脱水装置２に供給されて脱水される。
【００５０】
次に、制御部４が汚泥排出弁１４を制御して閉動作をさせた後、汚泥槽１０の上部から投入管１０ａを通じて、汚泥層１１ａに汚泥を投入する（図１１中、ステップＳＴ７）。この時に投入する汚泥の投入量は、濃縮汚泥として排出された汚泥の排出量と略同量とする。汚泥が投入された後、制御部４は、モータ１６ｂを制御してスウィングミキサ１６を動作させる。これにより、汚泥の投入当初は、汚泥槽１１ａと上澄液層１１ｂとの界面を破壊することなく２層の構造を維持可能な程度に緩やかに撹拌する。そして、新たに投入された汚泥と、すでに汚泥槽１０の底部に沈殿している汚泥とが混合され、汚泥層１１ａにおける汚泥の均質化が実行される。これにより、アノード電極１２の表面に接して発電に寄与する微生物を含んだ汚泥が均質化される。
【００５１】
そして、以上の濃縮汚泥の一部の排出と新たな汚泥の投入とによって、汚泥の一部入れ替えが実行されると、図１２に示すように発電量が急激に低下する。その後は、時間の経過に伴って微生物の存在によって発生する電流が増加する。このような汚泥の一部入れ替えによって、汚泥槽１０の汚泥層１１ａにおいて、微生物による発電が継続される。
【００５２】
ステップＳＴ８において汚泥層１１ａにおける汚泥の均質化が終了した後、制御部４による制御はステップＳＴ２に復帰し、ステップＳＴ２〜ＳＴ８の処理を順次繰り返す。以上により、本発明の一実施形態による汚泥改質処理が実行される。
【００５３】
以上の汚泥改質処理において、汚泥の一部入れ換えを実行した後、次に汚泥の一部入れ替えを実行するまでの累積発電量の所定値は次のようにして決定される。すなわち、まず上述した実験等によって、汚泥処理システム１ごとや汚泥の種類ごとに、あらかじめ汚泥改質係数を算出しておく。具体的には、上述したろ紙ろ過量の改善量（改質量）（ｍＬ）と、その改質量に対応した累積発電量（ｍＡ・日）を、汚泥処理システム１ごとや汚泥の種類ごとに、あらかじめ計測する。
【００５４】
そして、以下の（３）式から、汚泥処理システム１ごとや汚泥の種類ごとに汚泥改質係数を算出して、制御部４の所定の記録領域に格納する。
汚泥改質係数＝ろ紙ろ過量の改善量（改質量）（ｍＬ）／累積発電量（ｍＡ・日）…（３）
なお、この一実施形態において処理対象となる汚泥において、汚泥改質係数は例えば０．０８ｍＬ／ｍＡ・日であった。
【００５５】
次に、汚泥槽１０を含む汚泥処理システム１、および脱水装置２において、使用電力量の合計が最小になるように改質量（以下、最適改質量）を算出する。そして、上述のように算出した汚泥改質係数から（３）式を変形した次の（４）式に基づいて、制御部４により汚泥の一部入れ替えのトリガーとなる累積発電量の所定値が算出される。
累積発電量の所定値＝最適改質量（ｍＬ）／汚泥改質係数（ｍＬ／ｍＡ・日）…（４）
【００５６】
そして、図１２に示す汚泥における微生物による発電量の経過時間依存性に基づいて、上述のように算出した累積発電量の所定値ごとに、制御部４が汚泥排出弁１４および投入する汚泥の量を制御することにより、汚泥の一部入れ替えを制御する。
【００５７】
以上説明した一実施形態による汚泥処理システムおよび汚泥改質方法によれば、汚泥層１０と後段の脱水装置２との使用電力量等を考慮して、使用電力量等が最小になるように最適改質量を算出し、この最適改質量に基づいて累積発電量の所定値を算出し、汚泥処理システム１の電流計５の計測値を経過時間で積分した値が、この累積発電量の所定値になるごとに汚泥の一部入れ替えを行っていることにより、後段の脱水装置２や焼却炉３等の設備の効率化も考慮した上で、汚泥の改質を効率良く行うことが可能になる。
【００５８】
以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００５９】
上述した累積発電流の所定値の決定方法においては、汚泥処理システム１および脱水装置２の使用電力量の合計が最小になるように改質量を算出しているが、必ずしも使用電力量に限定されるものではなく、脱水装置２において使用する凝集剤の添加量や、使用電力量によるコストおよび凝集剤の添加量によるコストを合計した総コストが最小になるように改質量を算出しても良く、排出する二酸化炭素の総量が最小になるように改質量を算出しても良い。また、汚泥処理システム１および脱水装置２のみならず、さらに焼却炉３の使用電力量、コスト、または排出される二酸化炭素量を、改質量の算出に算入させることも可能である。また、焼却炉３よりさらに後段の設備の使用電力量、コスト、または排出される二酸化炭素量なども改質量の算出に算入させてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１  汚泥処理システム
２  脱水装置
３  燃焼炉
４  制御部
５  電流計
１０  汚泥槽
１０ａ  投入管
１１ａ，２３ａ  汚泥層
１１ｂ，２３ｂ  上澄液層
１２，２４  アノード電極
１３，２５  カソード電極
１４  汚泥排出弁
１５  掻寄機
１５ａ  軸
１５ｂ，１６ｂ  モータ
１６  スウィングミキサ
１６ａ  旋回支柱
２０  汚泥改質装置
２１  汚泥貯留槽
２１ａ  掻寄機
２２  上蓋
２６  モニタリング部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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