(57)【要約】本発明は、効率のよい微生物燃料電池による有機物含有水の処理方法を提供することで消費エネルギー、廃棄物量を削減することを目的とする。本発明は有機物含有水を有機物含有水分離手段濃縮水と処理水に分離し、前記濃縮水を微生物燃料電池で生物処理する有機物含有水の処理方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物含有水の処理方法であって、有機物含有水を有機物含有水分離手段により濃縮水と処理水に分離し、前記濃縮水を微生物燃料電池で生物処理する有機物含有水の処理方法。
【請求項２】
前記有機物含有水分離手段が、分子量分画サイズ１５万Ｄａ以下の限外ろ過膜による膜処理である請求項１に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項３】
前記微生物燃料電池において、前記濃縮水中の濁質を低分子量有機物に分解したのちに生物処理する請求項１または２に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項４】
前記有機物含有水を前記濃縮水と前記処理水に分離する前に、凝集剤を添加する請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項５】
前記有機物含有水分離手段で分離した前記濃縮水を貯留したのちに、前記微生物燃料電池に送液する請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項６】
前記有機物含有水分離手段を薬液で洗浄し、その廃液を貯留したのちに前記微生物燃料電池に送液する請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項７】
前記有機物含有水を沈殿槽で処理したのちの上澄み液を前記有機物含有水分離手段により濃縮水と処理水に分離し、前記沈殿槽で処理したのちの沈殿槽濃縮水を微生物燃料電池で生物処理する請求項１〜６のいずれか１項に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項８】
前記処理水を微生物燃料電池で生物処理する請求項１〜７のいずれか１項に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項９】
前記処理水を半透膜処理装置で、半透膜処理濃縮水と半透膜処理透過水に分離し、前記半透膜処理濃縮水を微生物燃料電池で処理する請求項１〜８のいずれか１項に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項１０】
前記半透膜処理透過水を活性汚泥装置にて活性汚泥処理する請求項９に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項１１】
前記有機物含有水分離手段の有機物含有水流入ラインに分岐ラインを備え、前記有機物含有水分離手段を経ずに、前記分岐ラインを通って前記活性汚泥装置に有機物含有水を供給する請求項１０に記載の有機物含有水の処理方法。
【請求項１２】
有機物含有水を微生物により処理する有機物含有水処理装置であって、
前記有機物含有水を濃縮水と処理水に分離する有機物含有水分離手段と、
前記濃縮水を処理する微生物燃料電池と、を有する有機物含有水処理装置。
【請求項１３】
前記有機物含有水分離手段が、分子量分画サイズ１５万Ｄａ以下の限外ろ過膜を有する請求項１２に記載の有機物含有水処理装置。
【請求項１４】
前記微生物燃料電池において、前記濃縮水中の濁質を低分子量有機物に分解する濁質分解手段と、
前記低分子量有機物を分解する生物処理手段と、を有する請求項１２または１３に記載の有機物含有水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物燃料電池を用いて有機物含有水を処理する方法および有機物含有水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微生物を利用し有機物から電力を得る微生物燃料電池が注目されている。また、従来活性汚泥微生物群により生物学的処理がなされてきた有機物を含有する汚水処理への微生物燃料電池の適用が検討されている。これにより、曝気による消費電力、および余剰汚泥の低減が期待できる。【０００３】
特許文献１では、有機性廃水を生物学的に処理し、発生した余剰汚泥の細胞膜及び細胞壁を破壊し、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技術が開示されている。
特許文献２では、有機物を含有する汚水中の有機物を微生物により分解する際、有機物を代謝した微生物から電子伝達剤により電子を取り出し、微生物の増殖を抑制しながら汚水を処理する技術が開示されている。
特許文献３では、下水を最初沈殿池などで処理し、限外ろ過膜（ＵＦ膜）などで膜処理した後、ナノろ過膜（ＮＦ膜）／逆浸透膜（ＲＯ膜）などで処理して発生した濃縮水を微生物燃料電池で処理する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開２００６−６６２８４号公報
【特許文献２】日本国特開２００６−７５７９１号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１４／０２２４７１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らの知見によれば、特許文献１では、汚水を活性汚泥で処理するため、曝気が必要となり、エネルギー消費量が大きくなるという課題があった。また、特許文献２では、単位面積当りのコストが大きい電極を使用し、その面積が大きいため、設備費および処理コストが高いという課題があった。特許文献３では、濁質除去装置の濃縮水をメタン発酵するため、装置が大きく、設備費が高くなるという課題があった。【０００６】
そこで本発明では、効率のよい微生物燃料電池による有機物含有水の処理方法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】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、以下の（１）〜（１４）の構成をとる。
（１）  有機物含有水の処理方法であって、有機物含有水を有機物含有水分離手段により濃縮水と処理水に分離し、前記濃縮水を微生物燃料電池で生物処理する有機物含有水の処理方法。
（２）  前記有機物含有水分離手段が、分子量分画サイズ１５万Ｄａ以下の限外ろ過膜による膜処理である前記（１）に記載の有機物含有水の処理方法。
（３）  前記微生物燃料電池において、前記濃縮水中の濁質を低分子量有機物に分解したのちに生物処理する前記（１）または（２）に記載の有機物含有水の処理方法。
（４）  前記有機物含有水を前記濃縮水と前記処理水に分離する前に、凝集剤を添加する前記（１）〜（３）のいずれか１に記載の有機物含有水の処理方法。
（５）  前記有機物含有水分離手段で分離した前記濃縮水を貯留したのちに、前記微生物燃料電池に送液する前記（１）〜（４）のいずれか１に記載の有機物含有水の処理方法。
（６）  前記有機物含有水分離手段を薬液で洗浄し、その廃液を貯留したのちに前記微生物燃料電池に送液する前記（１）〜（５）のいずれか１に記載の有機物含有水の処理方法。
（７）  前記有機物含有水を沈殿槽で処理したのちの上澄み液を前記有機物含有水分離手段により濃縮水と処理水に分離し、前記沈殿槽で処理したのちの沈殿槽濃縮水を微生物燃料電池で生物処理する前記（１）〜（６）のいずれか１に記載の有機物含有水の処理方法。
（８）  前記処理水を微生物燃料電池で生物処理する前記（１）〜（７）のいずれか１に記載の有機物含有水の処理方法。
（９）  前記処理水を半透膜処理装置で、半透膜処理濃縮水と半透膜処理透過水に分離し、前記半透膜処理濃縮水を微生物燃料電池で処理する前記（１）〜（８）のいずれか１に記載の有機物含有水の処理方法。
（１０）  前記半透膜処理透過水を活性汚泥装置にて活性汚泥処理する前記（９）に記載の有機物含有水の処理方法。
（１１）  前記有機物含有水分離手段の有機物含有水流入ラインに分岐ラインを備え、前記有機物含有水分離手段を経ずに、前記分岐ラインを通って前記活性汚泥装置に有機物含有水を供給する前記（１０）に記載の有機物含有水の処理方法。
（１２）  有機物含有水を微生物により処理する有機物含有水処理装置であって、
前記有機物含有水を濃縮水と処理水に分離する有機物含有水分離手段と、
前記濃縮水を処理する微生物燃料電池と、を有する有機物含有水処理装置。
（１３）  前記有機物含有水分離手段が、分子量分画サイズ１５万Ｄａ以下の限外ろ過膜を有する前記（１２）に記載の有機物含有水処理装置。
（１４）  前記微生物燃料電池において、前記濃縮水中の濁質を低分子量有機物に分解する濁質分解手段と、
前記低分子量有機物を分解する生物処理手段と、を有する前記（１２）または（１３）に記載の有機物含有水処理装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる有機物含有水の処理方法および処理装置によれば、有機物含有水分離手段により有機物含有水中の有機物を濃縮するため、微生物燃料電池の処理効率を向上させることができ、装置を小さくすることができる。これにより、消費エネルギーや廃棄物量を削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の有機物含有水に凝集剤を添加し、有機物含有水分離手段で固形分を濃縮した濃縮水を微生物燃料電池で処理するフロー図である。
【図２】図２は、本発明の有機物含有水に凝集剤を添加し、有機物含有水分離手段で固形分を濃縮した濃縮水を貯槽で貯留したのち、微生物燃料電池で処理するフロー図である。
【図３】図３は、本発明の有機物含有水を沈殿槽で処理した沈殿槽濃縮水及び／又は有機物含有水分離手段で固形分を濃縮した濃縮水を微生物燃料電池で処理するフロー図である。
【図４】図４は、分岐ライン（バイパスライン）を通った本発明の有機物含有水及び／又は有機物含有水分離手段の処理水とを微生物燃料電池で処理するフロー図である。
【図５】図５は、本発明の有機物含有水を有機物含有水分離手段で固形分を濃縮した濃縮水を微生物燃料電池で処理し、処理水を半透膜装置で処理するフロー図である。
【図６】図６は、分岐ライン（バイパスライン）を通った本発明の有機物含有水を活性汚泥装置で処理するフロー図である。
【図７】図７は、本発明の有機物含有水を活性汚泥装置又は有機物含有水分離手段で処理し、有機物含有水分離手段で固形分を濃縮した濃縮水を微生物燃料電池で処理するフロー図である。
【図８】図８は、微生物燃料電池における濁質分解部および電極の概略図である。
【図９】図９は、微生物燃料電池内における有機物含有水のフローの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、具体的な構成を挙げて、より詳細に説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１１】
１．微生物燃料電池
（１）微生物燃料電池の構成
微生物燃料電池は、一般に、発電微生物を触媒として、有機物中に含まれる化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる装置である。
微生物燃料電池は、図８に示すように、負電極（アノード）２０と正電極（カソード）２２と、アノードとカソードの間にプロトン透過膜２１を有し、カソードとイオン透過膜（図示せず）の間に触媒（図示せず）を持つ。また有機物含有水に濁質が含まれる場合、後述する濁質分解部１９を有していてもよい。
【００１２】
濁質分解部１９により、濃縮水中の濁質を低分子量有機物に分解したのちに生物処理することができる。該濁質分解部を設けることにより、濁質を分解する微生物を馴養したり、発電条件下とは独立して、分解に適した好気条件にできることから、濁質の分解効率や分解速度を向上することができる。
【００１３】
微生物燃料電池には有機物を分解する発電微生物が存在する生物処理発電部があり、そこで発電微生物により有機物が分解されることで、アノードへ電子が供与される。微生物燃料電池のアノードは、バイオフィルムで覆われていることが多く、該バイオフィルム中に発電微生物が存在していることから、該バイオフィルム中が生物処理発電部となる。
【００１４】
微生物燃料電池の処理は連続式でもバッチ式でも良いが、有機物含有水である下水等が連続的に流入する場合、微生物燃料電池も連続式であることが好ましい。微生物燃料電池内の滞留時間は、特に制限は無いが、有機物の生物処理速度を考慮して、０．５〜５日程度となることが好ましい。
また、電極は水流が滞らず一様に接触するように、配置することが好ましい。ここで、固形分の沈殿などが発生しないように流路内に水流を発生させるために攪拌機等を設置しても良い。
【００１５】
図９に微生物燃料電池の電極・濁質分解部２４の配置の一例を示すが、有機物含有水２６が滞りなく電極・濁質分解部２４に接するように配置することが好ましい。また、カソード２２は酸素供給が必要であることから、エア供給部２５として電極は空洞になっていることが好ましい。
【００１６】
（２）微生物
代表的な発電微生物として、Shewanella oneidensis MR-1株（ATCC700550）あるいは、Geobactor sulfurreducens PCA株（ATCC51573）があげられる。これらの微生物は、嫌気条件で発電をする。ここで、例えば、下水処理に本発明に係る処理方法を適用する場合は、滅菌系ではなく開放系となるため、純粋培養系と複合微生物系のうち、複合微生物系になる可能性が高い。対象液やその処理条件に応じて、適した微生物が馴養されることとなる。
【００１７】
一般に発電微生物は、低分子量の有機物を分解し、アノードへ電子供与する。低分子量有機物以外の、高分子量の有機物や濁質については、それらを分解する発電微生物を馴養しても良いし、高分子量の有機物や濁質を優先的に分解する微生物を馴養しても良い。
【００１８】
有機物の生物処理は、一般に好気処理の方が処理速度（有機物の分解速度）が速い。一方、発電微生物が発電をするのは、多くの場合、嫌気条件である。そのため、高分子量の有機物や濁質については、嫌気条件の発電微生物が存在する生物処理発電部とは別の濁質分解部にて、好気条件下で分解をしても良い。
【００１９】
（２）アノード、カソード及び触媒
アノード及びカソードは導電性材料であれば特に限定されず、チタンや炭素繊維、ステンレスなどが挙げられる。
カソードは酸素と接する必要があり、大気開放の状態でも良いし、空気のバブリング等でも良く、酸素の供給方法は限定されない。
【００２０】
カソードとイオン透過膜の間の触媒は酸素とプロトンおよび電子を反応させ、水を生じさせるものであればなんでもよく、白金やコバルト、カーボンアロイなどが使用できる。
【００２１】
前述の通り、微生物燃料電池の電力生産の大部分を担っているアノードは、バイオフィルムで覆われており、バイオフィルム中に発電微生物が存在している。アノード表面（近傍）での発電微生物の存在量が多く、また発電微生物への有機物供給速度が大きいほど、発電量は大きくなると思われる。そのため、電極の比表面積を大きくすることも有効である。
【００２２】
（３）プロトン透過膜
プロトン透過膜はアノードで発生した水素イオンを透過させるものであれば限定されず、炭化水素系イオン交換膜やフッ素樹脂系イオン交換膜などが挙げられる。
カソードとアノードの間に存在するプロトン透過膜は、水素イオンの透過性が良い方が好ましい。
【００２３】
本発明に係る処理方法では、有機物含有水の生物処理に微生物燃料電池を用いるため、生物処理に適した温度で操作することが好ましい。操作温度は０℃から５０℃が好ましく、より好ましくは５℃から４０℃であり、さらに好ましくは１０℃から３０℃である。
この温度範囲でのプロトン透過膜の水素イオンの透過性としては、水素イオン（プロトン）伝導度で、０．１（Ｓ／ｃｍ）（３０℃、相対湿度  ６０％）以上が好ましい。
【００２４】
ここで、プロトン透過膜から酸素透過が多いと、電極（特にアノード）とプロトン透過膜の間で好気微生物などのバイオファウリングが発生しやすくなり、発電効率が低下する。そのため、プロトン透過膜の酸素の透過性は小さいことが好ましい。
【００２５】
プロトン透過膜の酸素透過性としては、酸素透過率（相対湿度  ９０％、酸素分圧  １ａｔｍ）で、１×１０−１１（ｍｏｌ／ｃｍ／ｓ）以下が好ましい。さらに好ましくは、０．５×１０−１２  （ｍｏｌ／ｃｍ／ｓ）以下である。
また、プロトン透過膜は、有機物の透過性は小さいことが好ましい。プロトン透過膜において、有機物の透過が多いと、電極とプロトン透過膜の間でバイオファウリングが発生しやすくなり、発電効率が低下する。特に微生物が分解しやすい低分子量の有機物について、透過性が小さいことが好ましい。
【００２６】
（３）生物処理発電部
アノードに発生する発電菌は、主に乳酸等の低分子量の有機物を消化する。発電微生物が発電をするのは、多くの場合、嫌気条件であることから、発電微生物が存在する生物処理発電部は嫌気処理であることが好ましい。なお、低分子有機物としては、分子量が２０００以下であることが好ましい。
生物処理発電部は、例えばアノードを覆っているバイオフィルム中が該当する。
【００２７】
（４）濁質分解部
アノードに発生する発電菌は、主に乳酸等の低分子量の有機物を消化するため、有機物含有水中の濁質を低分子有機物に分解する濁質分解部を持つことが好ましい。
例えば、タンパク質分解酵素および／またはセルロース分解酵素で分解する方法、スポンジ状や網目状などの多孔質体で濁質を捕捉し、濁質を分解する微生物により低分子有機物に分解する方法などが挙げられる。
【００２８】
従来の方法では、当該濁質分解部を持たないため、濁質が有機物含有水に分散された状態であることから、微生物が濁質を低分子有機物に分解するための滞留時間が必要となり、装置が大きくなる等の欠点があった。
濁質分解部を設けることにより、濁質を分解する微生物を馴養し、濁質の分解効率を向上させることができる。さらに、高分子量の有機物や濁質については、嫌気条件の発電微生物が存在する生物処理発電部とは独立して、濁質分解部を好気条件にすることで、嫌気条件下よりも分解速度を向上することもできる。
【００２９】
（５）その他
微生物燃料電池は幾つかのユニットに分けて、直列および／または並列に配置しても良い。この場合、各微生物燃料電池では、発電微生物を含む微生物群が異なる可能性があるが、各微生物燃料電池に供給される、有機物含有水の性状に応じて、微生物を馴養することが好ましい。
【００３０】
２．分離装置（有機物含有水分離手段）
（１）分離装置の種類
分離装置は有機物含有水分離手段として用いられる。当該分離装置は濁質を除去する機能を有すれば特に方式を限定しないが、砂ろ過、沈殿、凝集、遠心分離、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、ＵＦ膜などの分離膜を用いた膜処理等が例示され、これらから１つを選出しても、２以上を組み合わせて利用してもよい。
【００３１】
（２）分離膜
濁質を除去する機能として、固形物だけでなく、溶解性有機物も濃縮側に送液でき、その結果、有機物の多くを微生物燃料電池に送液できることから、分離膜を用いた膜処理を行うことが好ましい。中でも、ＵＦ膜やＭＦ膜は、濁質除去性能、維持管理容易性および安定性に優れるためより好ましい。使用される膜については特に限定されることはなく、平膜、中空糸膜、管状型膜、その他いかなる形状のものも適宜用いることができるが、中でも中空糸膜がより好ましい。
【００３２】
膜の素材については、特に限定しないが、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンスルフォン、ポリフェニレンスルフィドスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、酢酸セルロース及びセラミック等の無機素材からなる群から選ばれる少なくとも１種を含んでいることが好ましい。
【００３３】
膜の分子量分画サイズは、１５万Ｄａ以下であれば、溶解性有機物（１５万Ｄａ以上）も濃縮側に送液することができ、有機物の多くを微生物燃料電池に送液することができることから好ましく、分子量分画サイズが１５万Ｄａ以下のＵＦ膜を用いることがより好ましい。分子量分画サイズは、さらに好ましくは７．５万Ｄａ以下、より更に好ましくは１万Ｄａ以下である。分離膜の分子量分画サイズを小さくすることで、さらに低分子量の溶解性有機物を濃縮側に送液することができる。
【００３４】
ただし、膜の分子分画サイズが小さくなりすぎると、一般的に膜面積あたりの透過水量が減少する。透過水量が減少すると、必要膜面積を多めに確保する必要があり、設備費および運転コストが増加する可能性がある。膜運転安定性も含めて、対象の有機物含有水に対し、適した膜を選定する必要がある。具体的には、１０００Ｄａ以上が好ましい。
【００３５】
また、運転フラックスは、対象とする有機物含有水について実験等を行い確認する必要があるが、０．１ｍ／ｄ〜２．５ｍ／ｄが好ましい。この範囲であれば、運転安定性に優れ、運転エネルギーを抑えることが可能である。
【００３６】
（３）中空糸膜
分離膜に使用される膜のうち、中空糸膜は、単位装置面積当たりの膜面積を大きくとれるなどのメリットがあり好ましく用いることができる。
中空糸膜モジュールについて、全量ろ過やクロスフローろ過などのろ過方式を採用することができるが、中空糸膜モジュールに堆積した濁質を効果的に除去するため、水などによるフラッシングや膜の透過側から原液側に液を通液する逆圧洗浄、または空気洗浄を採用することができる。
この際、流体線速度を高くすると洗浄効果を向上させることができるが、一方で膜切れの懸念も発生する。そのため、膜は高強度であることが好ましい。中空糸膜の膜強度は好ましくは４．９Ｎ以上であり、さらに好ましくは９．８Ｎ以上である。
【００３７】
以下、中空糸膜の各仕様、評価方法を説明する。
ａ）材質
中空糸膜は、様々な膜素材の中空糸膜を使うことが出来る。例えば、ポリフッ化ビニリデン製、ポリスルホン製、ポリエーテルスルホン製、ポリテトラフルオロエチレン製、ポリエチレン製、ポリプロピレン製等の膜が挙げられる。特に、有機物による汚れが発生しにくく、かつ洗浄がしやすく、さらに耐久性に優れているフッ素樹脂系高分子を含有する分離膜が好ましい。
【００３８】
ｂ）孔径
中空糸膜の細孔径については特に限定されず、原水（有機物含有水）中の濁質や溶解成分を良好に分離するため、好ましくは平均細孔径が０．００１μｍ以上１０μｍ未満の範囲内で適宜選択することができる。中空糸膜の平均細孔径は、ＡＳＴＭ：Ｆ３１６−８６記載の方法（別称：ハーフドライ法）にしたがって決定される。なお、このハーフドライ法によって決定されるのは、中空糸膜の最小孔径層の平均孔径である。
【００３９】
ハーフドライ法による平均細孔径の測定の標準測定条件は、使用液体をエタノール、測定温度を２５℃、昇圧速度を１ｋＰａ／秒とする。平均細孔径［μｍ］は、下記式より求まる。
平均細孔径［μｍ］＝（２８６０×表面張力［ｍＮ／ｍ］）／ハーフドライ空気圧力［Ｐａ］
【００４０】
エタノールの２５℃における表面張力は２１．９７ｍＮ／ｍである（日本化学会編、化学便覧基礎編改訂３版、ＩＩ−８２頁、丸善（株）、１９８４年）ので、標準測定条件の場合、平均細孔径は、下記式より求めることができる。
平均細孔径［μｍ］＝６２８３４．２／（ハーフドライ空気圧力［Ｐａ］）
【００４１】
ｃ）中空糸膜形態
中空糸膜は、中空糸の外側から内側に向かってろ過する外圧式と、内側から外側に向かってろ過する内圧式があるが、濁質による閉塞の起こりにくい外圧式中空糸膜がより好ましい。
【００４２】
ｄ）中空糸膜モジュールの中空糸膜充填率
充填率が低いと中空糸膜間距離を大きくとれるので、中空糸膜間への濁質堆積が発生しにくいが、一方で充填率が低すぎるとモジュールあたりの膜面積が小さくなるので、モジュール本数が増加し、モジュールコスト増、設備費増の課題がある。充填率が高いとモジュールあたりの膜面積は大きくとれるが、充填率が高すぎると中空糸膜間距離が小さくなるので、中空糸膜間への濁質堆積が発生しやすくなる。
【００４３】
以上を考慮して、モジュール（筐体）内における中空糸膜の充填率は適宜設定することができる。充填率は、好ましくは３０％以上６０％以下であり、より好ましくは、３５％以上５０％以下である。特に高濃度の濁質を含有する有機物含有水の場合は、充填率を低めに設定すると、モジュール内での詰まりを抑制できる。
【００４４】
ｅ）中空糸膜の外径／内径
中空糸膜の内径は、特に制限はないが、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。内径が０．１ｍｍ以上であることで、中空糸膜の中空部に流れる透過液の抵抗を小さく抑えられる。
中空糸膜の外径は、特に制限はないが、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。外径が大きすぎると、モジュール内に充填する膜本数が少なくなり、膜面積が減少する。外径が小さすぎると、内径も細くなり、中空部に流れる透過液の抵抗が大きくなる。
【００４５】
ｆ）膜強度、透水性
多孔質である中空糸膜は、５０ｋＰａ、２５℃における純水透過性能が０．７ｍ３／ｍ２／ｈｒ以上であり、破断強度が２５ＭＰａ以上であることが好ましい。
中空糸膜モジュールの純水透過性能は以下の方法で測定する。すなわち、中空糸膜モジュールに、温度２５℃、原水側と透過液側の圧力差が２０ｋＰａの条件で、１時間にわたって蒸留水を送液し得られた透過水量（ｍ３）を測定し、単位時間（ｈ）および単位膜面積（ｍ２）当たりの数値に換算し、さらに圧力（５０ｋＰａ）換算して純水透過性能（ｍ３／ｍ２／ｈ）とした。なお、単位膜面積は平均外径と多孔質中空糸膜の有効長から算出した。
【００４６】
一例として、中空糸膜の実施例について述べる。
重量平均分子量４１．７万のフッ化ビニリデンホモポリマーとγ−ブチロラクトンとを、それぞれ３８重量％と６２重量％の割合で１７０℃の温度で溶解した。この高分子溶液をγ−ブチロラクトンを中空部形成液体として随伴させながら口金から吐出し、温度２０℃のγ−ブチロラクトン８０重量％水溶液からなる冷却浴中で固化して球状構造からなる中空糸膜を作製した。
【００４７】
次いで、重量平均分子量２８．４万のフッ化ビニリデンホモポリマーを１４重量％、セルロースアセテート（イーストマンケミカル社、ＣＡ４３５−７５Ｓ：三酢酸セルロース）を３重量％、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを７７重量％、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン（三洋化成株式会社、商品名イオネットＴ−２０Ｃ）を３重量％、水を３重量％の割合で、９５℃の温度で混合溶解して、製膜原液となる高分子液を調製した。
【００４８】
この製膜原液を球状構造からなる中空糸膜表面に均一に塗布し、すぐに３０重量％Ｎ−メチル−２−ピロリドン水溶液中で凝固させて球状構造層の上に、三次元網目構造層を形成させた中空糸膜を作製した。
【００４９】
上記で得られた中空糸膜は、外径１３４０μｍ、内径７８０μｍ、球状構造の平均直径２．８μｍ、三次元網目構造層の表面の平均孔径１４ｎｍ、三次元網目構造層の平均厚み３８μｍ、球状構造層の平均厚み２４３μｍ、純水透過性能０．１５ｍ３／ｍ２・ｈｒ、分子量７．５万のデキストラン除去率８６％、強力８．０Ｎ、破断伸度８５％であった。なお、三次元網目構造は５μｍ以上のマクロボイドを有さなかった。
【００５０】
ｇ）筐体
中空糸膜モジュールの筐体の形状は特に制限は無い。一例を示すと、筐体胴部は、円筒形状であり、筐体下部から被ろ過液を供給し、上部から透過液の排出を行う。筐体の側面において、円筒形状における高さ方向での上端の近傍に被ろ過液の排出口を備える。
【００５１】
筐体について、材料としては、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィドなどの樹脂が単独もしくは混合で用いられる。また、樹脂以外の材料として、アルミニウム、ステンレス鋼などが好ましい。好ましい材料としてはさらに、樹脂と金属の複合体や、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などの複合材料が挙げられる。
【００５２】
ｈ）整流部材
中空糸膜モジュールは、筒状ケース内に、中空糸膜モジュール内の流れを整流化するための整流部材を備えてもよい。整流部材は、例えば、筒状の部材であり、筒状ケースの上端近傍に配置される。材料としては筐体と同様の樹脂、またはステンレス鋼などを用いることができる。
【００５３】
ｉ）ポッティング剤
中空糸膜を筐体内に保持するため、中空糸膜をポッティング剤で固めて保持する。ポッティング剤として接着剤が好ましく用いられる。接着剤としては、接着対象部材との接着強度、耐熱性などを満たせば特に限定されないが、汎用品で安価であり、水質への影響も小さいエポキシ樹脂やポリウレタン樹脂などの合成樹脂を用いることが好ましい。
【００５４】
（４）分離装置の前処理部
ａ）凝集剤添加部
有機物含有水を濃縮水と処理水とに分離する前、すなわち分離装置へ有機物含有水を導入する前に、凝集剤添加ラインを通して凝集剤を添加することができる。凝集剤添加量は有機物含有水をジャーテスターによって試験することで決めることができ、１０〜２００ｐｐｍ添加するのが好ましい。
【００５５】
凝集剤には、鉄が含まれることで発電菌の効率が向上し、有機物の分解速度が向上することから好ましい。凝集剤が塩化鉄であればその効果が特に期待できることから好ましい。
また、凝集剤が有機物含有水中のリン酸イオンと反応しリン酸アルミニウムになれば、有機物含有水中のリンを除去できることから、好ましい。特に凝集剤がポリ塩化アルミニウムであれば凝集及びリン除去効果が大きく、より好ましい。
【００５６】
ｂ）沈殿槽
有機物含有水が濁質を含む場合、有機物含有水を沈殿槽で滞留させることにより、上澄み液と沈殿槽濃縮水とに固液分離を行うことができる。分離装置の前に沈殿槽を設け、前記有機物含有水を沈殿槽で処理したのちの上澄み液を分離装置により濃縮水と処理水とに分離し、前記濃縮水を微生物燃料電池で処理することができる。これにより、分離装置をより安定に運転することができる。
【００５７】
また、沈殿槽に沈殿し、固形分が濃縮された沈殿槽濃縮水を沈殿物送水ラインを通して微生物燃料電池に送り、微生物燃料電池で生物処理することで微生物燃料電池の処理効率を向上することができる。特に有機物含有水に固形分が多い場合に有効である。
【００５８】
３．半透膜装置
（１）半透膜装置の構成
本発明においては、有機物含有水を有機物含有水分離手段により処理した処理水について、例えば、水質改善で余分な有機物などを除去するために半透膜処理を行うことが好ましい。
半透膜装置は、逆浸透（ＲＯ）膜などの半透膜を備えた装置である。逆浸透膜などは平膜でも中空糸膜でもよく、特に膜形態について制限は無い。多くの場合、スパイラル式の平膜エレメントの形態で使用する。
【００５９】
有機物含有水分離手段で処理した処理水について半透膜処理を行うことで、処理後の半透膜処理透過水を再利用することが可能となる。
そのため半透膜装置は、逆浸透膜への供給ポンプおよび供給ライン、さらに逆浸透膜からの半透膜濃縮水排出ラインおよび半透膜透過水排出ラインを有し、回収率を調整するための制御装置を有することが好ましい。
【００６０】
（２）半透膜
半透膜とは、溶液中の一部の成分、例えば溶媒を透過させ他の成分を透過させない半透性の膜である。半透膜の一例としてナノろ過（ＮＦ）膜や逆浸透（ＲＯ）膜が挙げられる。
【００６１】
ＮＦ膜およびＲＯ膜は、処理対象である水の中に含まれる溶質を低減する性能を有する。具体的には、ＮＦ膜およびＲＯ膜は、塩分やミネラル成分等、多種のイオン、例えばカルシウムイオン、マグネシウムイオン、硫酸イオンのような二価イオンや、ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩素イオンのような一価イオン、また、フミン酸（分子量Ｍｗ≧１００，０００）、フルボ酸（分子量Ｍｗ＝１００〜１，０００）、アルコール、エーテル、糖類などをはじめとする溶解性有機物を分離する性能を有する。
【００６２】
ここでＮＦ膜は、特に限定されないが、操作圧力が１．５ＭＰａ以下、分画分子量が２００〜１，０００Ｄａで、塩化ナトリウムの阻止率９０％以下のろ過膜と定義される場合がある。それよりも分画分子量の小さく、高い塩化ナトリウム阻止性能を有するものがＲＯ膜である。また、ＲＯ膜でもＮＦ膜に近いものはルースＲＯ膜とも呼ばれる。
使用される膜の形状、様式については特に限定されることはなく、平膜、中空糸膜、管状型膜、その他いかなる形状のものも適宜用いることができる。
【００６３】
５．有機物含有水処理の実施形態
以下、本発明に係る有機物含有水の処理方法について、具体的な構成を挙げて、より詳細に説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。
（１）原水（有機物含有水）
有機物含有水は、下水、生活廃水、工場廃液、し尿、食品廃水などが挙げられる。
下水を例にあげると、下水の有機物濃度は、ＢＯＤ（生物学的酸素要求量）でおよそ４０〜６００ｍｇ／Ｌ、浮遊物量（ＳＳ）では、およそ３０〜６００ｍｇ／Ｌである。
【００６４】
また、有機物含有水分離手段である分離膜モジュール等に有機物含有水を供給する前に凝集剤を添加することにより凝集処理を施していてもよい。凝集剤としては、ポリ塩化アルミニウムやポリ硫酸アルミニウム、塩化第２鉄、ポリ硫酸第２鉄、硫酸第２鉄、ポリシリカ鉄、有機系高分子凝集剤等を使用することができる。
【００６５】
（２）分離装置（有機物含有水分離手段）の運転方法
有機物含有水分離手段が分離膜を用いて濃縮水と処理水とに分離する膜処理の場合であって、前記分離膜が中空糸膜である場合を例に説明する。
ａ）膜ろ過方式
中空糸膜モジュールで行われる膜分離のろ過方式は、全量ろ過であってもよいし、クロスフローろ過が行われてもよい。ただし、高濃度に懸濁物質を含有する原水では膜に付着する汚れの量が多いので、この汚れを効果的に除去するためには、クロスフローろ過を行うことが好ましい。これは、クロスフローろ過によって、循環する原水のせん断力で膜に付着する汚れを除去することができるからである。
【００６６】
ｂ）膜ろ過駆動力、ろ過の制御
膜分離は、分離膜を隔てて原水側圧力と透過側圧力との差（膜間差圧）を駆動力として原水側から透過液（処理水）側に液体が通液されることによって実施される。膜間差圧は、一般に原水流入口へポンプで加圧しながら原水を供給したり、透過液側をポンプやサイホンを利用して吸引したりすることにより得ることが出来る。
【００６７】
膜間差圧は、好ましくは１０〜１００ｋＰａ、より好ましくは１５〜５０ｋＰａで、この範囲を超える前に有機物含有水分離手段における膜分離工程を終了し、洗浄工程に移行するとよい。なお、膜間差圧は、差圧計や原水側と透過液側に取り付けた圧力計の差から測定することができる。
【００６８】
膜分離速度の制御方法としては一定の透過液流量を回収（定流量ろ過）しても、送液圧や吸引圧を一定にして透過液流量は成り行きの流量で回収（定圧ろ過）しても差し支えはないが、透過液や濃縮液の生産速度の制御のし易さから定流量ろ過であることが好ましい。
【００６９】
ｃ）膜洗浄
有機物含有水分離手段の洗浄とは、分離膜を用いた場合の膜を洗浄することを意味する。すなわち、膜の洗浄工程では、前記膜分離工程を停止して、中空糸膜の膜表面や膜束間に蓄積した懸濁物質を洗浄する。
中空糸膜の透過側から中空糸膜の原水側へ通水し、膜表面や膜細孔の詰まり物を押し出す逆圧洗浄や、中空糸膜の原水側に好ましくは膜面線速度０．１ｍ／ｓ以上５．０ｍ／ｓ以下の流量で通液するクロスフローろ過、もしくは中空糸膜の原水側へ空気を流し、空気と原水側の液体の混合攪拌により洗浄する空気洗浄などを行うことができる。
【００７０】
洗浄水を使用する場合は、透過液もしくは水を使用することができる。また、ランニングコストが高くなるので頻度高く使用することはできないが、薬液を送液してもよく、洗浄効果の点からは薬液で洗浄することが好ましい。
【００７１】
薬液としては、次亜塩素酸ソーダや過酸化水素などの酸化剤、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、ギ酸、酢酸、クエン酸、シュウ酸、乳酸などの酸類、水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムなどのアルカリ類、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）などのキレート剤、各種界面活性剤およびこれらの水溶液などが利用できる。
薬液の濃度は１０ｍｇ／Ｌから２０００００ｍｇ／Ｌであることが好ましい。１０ｍｇ／Ｌより薄いと洗浄効果が十分でなく、２０００００ｍｇ／Ｌより濃くなると薬剤のコストが高くなる場合がある。薬剤は１種類であっても２種類以上の混合物であってもよい。
【００７２】
（３）実施形態
本発明に係る有機物含有水の処理方法は、有機物含有水を有機物含有水分離手段により濃縮水と処理水に分離し、前記濃縮水を微生物燃料電池で生物処理することを特徴とする。
すなわち、図１に、本発明に係る処理方法を実施するための一例を示すフロー図を示すが、有機物含有水１を有機物含有水分離手段２に流入させる流入工程を備える。有機物含有水分離手段２では、有機物含有水１を処理水５と固形分を含む濃縮水６に分離する。
固形分が濃縮された濃縮水６は、微生物燃料電池３へ導入され、濃縮水６中の有機物が生物処理される。ここで発電微生物により発電も行われる。
【００７３】
有機物含有水分離手段２は、分離膜を用いた膜処理であることが好ましく、前記分離膜は、分子量分画サイズ１５万Ｄａ以下の限外ろ過膜であることがより好ましい。また、分離膜に使用される膜は中空糸膜を好ましく用いることができる。
また分子量分画サイズによっては、有機物含有水１として濁質に加え、高分子量有機物も濃縮水６側に分離することができ、微生物燃料電池３で分解する有機物量を増加させることができる。すなわち発電量を増加させることができる。
【００７４】
前記微生物燃料電池は、有機物含有水に濁質が含まれる場合、濃縮水６中の濁質を微生物燃料電池３における濁質分解部で低分子量有機物に分解したのちに生物処理することが好ましい。
【００７５】
有機物含有水１は有機物含有水分離手段２にて濃縮水６と処理水５に分離する前に、凝集剤４を添加することが好ましい。
【００７６】
図２は、有機物含有水分離手段２と微生物燃料電池３の間に貯槽７を有することを特徴とする有機物含有水の処理方法を示したフロー図である。凝集剤４の添加の有無は任意であり、濃縮水６を貯槽７で貯留したのちに、微生物燃料電池３に送液する。
貯槽の数は複数あってもよく、例えば、有機物含有水分離手段２により得られた固形分が濃縮された濃縮水６を逆洗水貯槽へ、有機物含有水分離手段２を薬液で洗浄した際に発生する廃液を薬洗水貯槽へ流入し、逆洗水貯槽の濃縮水６及び／又は薬洗水貯槽に貯留された廃液を微生物燃料電池３へ送液することもできる。
【００７７】
固形分が濃縮された濃縮水６は間欠的に発生することがあることから、濃縮水６を貯留したのちに微生物燃料電池３へ定流量で固形分が濃縮された濃縮水６を供給することが好ましい。
また、薬液洗浄では、次亜塩素酸ナトリウムや次亜塩素酸、塩酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムなどの薬液が使用される。当該薬液は微生物殺傷能力があるため、薬洗水貯槽に廃液を貯留し、そこにＳＢＳ（チオ硫酸ナトリウム）、アルカリ、酸などの中和剤を中和剤添加ラインより添加し、中和したのちに、微生物燃料電池３に送液することがより好ましい。
【００７８】
図３は、有機物含有水分離手段２の前に沈殿槽９を設け、有機物含有水１を沈殿槽９で処理し、上澄み液８と沈殿槽濃縮液１０とに分離する処理方法を示したフロー図である。上澄み液８を有機物含有水分離手段２により濃縮水６と処理水５に分離し、固形分が濃縮された濃縮水６を微生物燃料電池３で処理する処理方法である。
【００７９】
これにより、有機物含有水分離手段２をより安定に運転することができる。
また同時に、沈殿槽９に沈殿し、固形分が濃縮された沈殿槽濃縮液１０を沈殿物送水ラインより微生物燃料電池３に送り、微生物燃料電池３で処理することで微生物燃料電池の処理効率を向上することができる。これは、特に有機物含有水１に固形分が多い場合に有効である。
【００８０】
図４は、有機物含有水分離手段２の処理水５を微生物燃料電池１２で処理することを特徴とするフロー図である。処理水５は濁質を含まず、低分子量有機物であるため、微生物燃料電池１２で処理することが容易である。
【００８１】
また、有機物含有水分離手段２をバイパスする分岐ライン（バイパスライン）１１を設けることで有機物含有水分離手段２の修理時等に直接有機物含有水１を微生物燃料電池１２へ送水できる。特に有機物含有水が溶存有機物を多く含む場合、有機物含有水分離手段２の処理水５に有機物が多く含まれるため、本処理方法が有効となる。
【００８２】
図５は、処理水５を半透膜処理装置１３で、半透膜濃縮水（半透膜処理濃縮水）１５と半透膜透過水（半透膜処理透過水）１４に分離し、半透膜濃縮水１５を微生物燃料電池１２で処理するフロー図である。
前述の通り有機物含有水分離手段２の処理水５は低分子量有機物を含む。半透膜処理装置１３で低分子量有機物を濃縮することにより、微生物燃料電池の効率が向上する。また、半透膜処理装置１３の半透膜透過水１４は工業用水等に利用することが可能である。
【００８３】
図６は、半透膜処理装置１３により分離された半透膜透過水１４を活性汚泥装置１６にて活性汚泥処理するフロー図である。
有機物含有水分離手段２で濁質を除去することにより、活性汚泥装置１６に流入する有機物含有水に含まれる有機物が減り、活性汚泥処理に必要な滞留時間が減るため、単位時間当りの処理可能水量が増加する。
【００８４】
また、有機物含有水分離手段２の有機物含有水流入ラインに三方弁を備え、前記活性汚泥装置１６に有機物含有水を供給する分岐ライン（バイパスライン）１１を設けることで、有機物含有水分離手段２を経ずに、前記分岐ライン１１を通って活性汚泥装置１６に有機物含有水１を供給することもできる。この時分岐ライン１１を通った有機物含有水１は半透膜処理装置１３により処理されたのちに活性汚泥装置にて処理されることが好ましい。分岐ライン１１を設けることにより、有機物含有水分離手段２および活性汚泥（処理）装置１６への負荷を調整することが可能となる。
当該汚泥処理方法を用いることで、人口増加などで既存活性汚泥処理設備を増能する際、新規に活性汚泥処理設備を増やすよりも簡便に実施することが可能となる。
【００８５】
図７は、活性汚泥装置１６と並列して、有機物含有水分離手段２を設け、有機物含有水分離手段２の濃縮水６を微生物燃料電池３で処理することを特徴とする。
活性汚泥装置１６と並列することで、有機物含有水１の流量が増大しても、活性汚泥装置１６で処理しきれない分を有機物含有水分離手段２および微生物燃料電池３で処理することができる。活性汚泥装置１６を増設するよりも有機物含有水分離手段２を設ける方が、安価に設備化することができ、処理能力を増大することができる。
【００８６】
また有機物含有水分離手段２の処理水５を活性汚泥装置１６に送液して処理すると、該処理水５は元の有機物含有水１に比べて、濁質や高分子量有機物を除去した処理水であることから、活性汚泥装置１６への負荷を軽減することができる。
【００８７】
以上、図１〜図７を用いて本発明に係る処理方法の具体的な実施形態を示したが、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００８８】
また、本発明は、上記処理を行う有機物含有水処理装置にも関するものである。
すなわち、有機物含有水を濃縮水と処理水に分離する有機物含有水分離手段と、前記濃縮水を処理する微生物燃料電池と、を有する有機物含有水処理装置にも関する。
【００８９】
該処理装置は、前記有機物含有水分離手段が、分子量分画サイズ１５万Ｄａ以下の限外ろ過膜を有することが好ましい。また、前記微生物燃料電池において、前記濃縮水中の濁質を低分子量有機物に分解する濁質分解手段と、前記低分子量有機物を分解する生物処理手段と、を有することが好ましい。
その他、有機物含有水の処理方法における各構成を実現するための各手段を備えた有機物含有水処理装置も本発明の技術的範囲に包含される。
【００９０】
本発明を詳細に、また特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は２０１５年２月２７日出願の日本特許出願（特願２０１５−０３８１２２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１  有機物含有水
２  有機物含有水分離手段
３  微生物燃料電池
４  凝集剤
５  処理水
６  濃縮水
７  貯槽
８  上澄み液
９  沈殿槽
１０  沈殿槽濃縮液
１１  バイパスライン
１２  微生物燃料電池
１３  半透膜処理装置
１４  半透膜透過水
１５  半透膜濃縮水
１６  活性汚泥装置
１９  濁質分解部
２０  アノード
２１  プロトン透過膜
２２  カソード
２３  外部回路
【図１】
2016136957.tif 000003
【図２】
2016136957.tif 000004
【図３】
2016136957.tif 000005
【図４】
2016136957.tif 000006
【図５】
2016136957.tif 000007
【図６】
2016136957.tif 000008
【図７】
2016136957.tif 000009
【図８】
2016136957.tif 000010
【図９】
2016136957.tif 000011
【国際調査報告】
2016136957.tif 000012
2016136957.tif 000013
2016136957.tif 000014
2016136957.tif 000015
2016136957.tif 000016
2016136957.tif 000017
2016136957.tif 000018
2016136957.tif 000019