(57)【要約】【課題】  生物学的硝化脱窒素式排水処理システムにおいて、化学薬品を使用することなく、環境にやさしく、経済的に優れたアルカリ成分を供給する技術を提供する。【解決手段】  嫌気槽２と、好気槽３と、微生物燃料電池１を少なくとも含んでなる硝化脱窒式排水処理システムであって、前記微生物燃料電池１が、電気生成微生物を固定したアノード電極１１と、カソード電極１４を備えるカソード領域１５と、前記アノード電極１１を有する領域１２とカソード領域とを隔てるイオン透過性隔膜１３とを備え、前記嫌気槽２に前記カソード領域１４で生成するＯＨ−が供給され、前記カソード領域１４に前記好気槽３の硝化液が供給される、システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気槽と、好気槽と、微生物燃料電池を少なくとも含んでなる硝化脱窒式排水処理システムであって、
前記微生物燃料電池が、電気生成微生物を固定したアノード電極と、カソード電極を備えるカソード領域と、前記アノード電極を有する領域と前記カソード領域とを隔てるイオン透過性隔膜とを備え、
前記好気槽に前記カソード領域で生成するＯＨ−が供給され、前記カソード領域に前記好気槽の硝化液が供給されるシステム。
【請求項２】
前記微生物燃料電池が、前記嫌気槽内部に設けられ、
前記好気槽から前記カソード領域に硝化液を送る手段を備える請求項１に記載の硝化脱窒式排水処理システム。
【請求項３】
前記微生物燃料電池が、前記嫌気槽及び好気槽の外部に設けられ、
前記好気槽から前記カソード領域に硝化液を送る手段と、前記カソード領域から前記好気槽にカソード液を送る手段と、
前記アノード電極を有する領域に被処理水を送る手段と、前記アノード電極を有する領域から前記嫌気槽にアノード液を送る手段とを備える請求項１に記載の硝化脱窒式排水処理システム。
【請求項４】
前記嫌気槽と、前記好気槽との間にさらに無酸素槽を備え、
前記微生物燃料電池が、前記嫌気槽内部に設けられ、
前記好気槽から前記カソード領域に硝化液を送る手段と、前記カソード領域から前記好気槽または無酸素槽へカソード液を送る手段とを備える請求項１に記載の硝化脱窒式排水処理システム。
【請求項５】
前記嫌気槽と、前記好気槽との間にさらに無酸素槽を備え、
前記微生物燃料電池が、前記嫌気槽、好気槽及び無酸素槽の外部に設けられ、
前記好気槽から前記カソード領域に硝化液を送る手段と、前記カソード領域から前記好気槽または無酸素槽にカソード液を送る手段と、
前記アノード電極を有する領域に被処理水を送る手段と、前記アノード電極を有する領域から前記嫌気槽にアノード液を送る手段とを備える請求項１に記載の硝化脱窒式排水処理システム。
【請求項６】
前記アノード電極が、前記嫌気槽内部の被処理水に浸漬される、請求項２または４に記載の硝化脱窒式排水処理システム。
【請求項７】
前記アノード電極を有する領域に被処理水を送る手段が、前記嫌気槽内部を経由する、請求項３または５に記載の硝化脱窒式排水処理システム。
【請求項８】
前記微生物燃料電池が、前記アノード電極と前記カソード電極とを接続する電気回路中に、取り換え可能な外部抵抗、もしくは可変外部抵抗を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の硝化脱窒式排水処理システム。
【請求項９】
被処理水中の硝酸または亜硝酸を還元して、窒素を生成する脱窒工程と、
被処理水中のアンモニウム化合物を、硝化菌により硝酸または亜硝酸にする硝化工程と、
微生物燃料電池のカソードにおいてＯＨ−を生成するアルカリ生成工程と
を少なくとも含んでなる硝化脱窒式排水処理方法であって、
前記硝化工程に、前記アルカリ生成工程で得られるＯＨ−を添加し、前記硝化工程における硝化液を前記微生物燃料電池のカソードに供給する、硝化脱窒式排水処理方法。
【請求項１０】
前記アルカリ生成工程におけるＯＨ−の生成量を、前記微生物燃料電池の外部抵抗を変化させることにより調整する、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的硝化脱窒法に基づく硝化脱窒式排水処理システムおよび排水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的硝化脱窒素法は、アンモニア性窒素を好気条件下で微生物処理し、亜硝酸あるいは硝酸性窒素まで酸化する硝化工程と、嫌気条件下で亜硝酸、硝酸性窒素を窒素ガスとして還元除去する脱窒工程からなる。
【０００３】
一般的な生物学的硝化脱窒素法を、図８に示すフロー図を用いて簡単に説明する。図中、Ｓ１は、有機性窒素をアンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）に無機化するステップである。このステップにおいては、窒素１ｍｇ／Ｌに対して、３．５７ｍｇ／Ｌのアルカリ度が増加する。なお、ここでいうアルカリ度は、ＪＩＳ  Ｋ０１０２−１５．１の方法で測定するＭアルカリ度である。Ｓ２は、好気性条件下でＮＨ４−Ｎを硝化して、ＮＯ３−Ｎを生成するステップである。このステップでは窒素１ｍｇ／Ｌに対して、７．１４ｍｇ／Ｌのアルカリ度が減少する。最後に、Ｓ３は、嫌気性条件下でＮＯ３−Ｎから脱窒素を行い、Ｎ２ガスを生成して大気放出するステップである。この際には窒素１ｍｇ／Ｌに対して３．５７ｍｇ／Ｌのアルカリ度が増加する。
【０００４】
このため、アルカリ度が減少するステップでは、流入水の窒素濃度及びアルカリ度に応じ、アルカリ度収支計算などに基づき、アルカリ剤添加量を検討し、添加することが必要となる場合がある（例えば、特許文献１）。アルカリ剤としては安定した亜硝酸型硝化を維持する見地から、重炭酸ナトリウムや炭酸ナトリウムが広く使用される。また、より安価な水酸化ナトリウムを併用または単独で用いるプロセスもする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-88092号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、生物学的硝化脱窒素法においては、硝化工程にアルカリ成分を供給するために、化学薬品の投入が不可欠であった。このため処理槽内、及び流出水のイオン濃度が高くなり、生物処理と環境には不利な影響があった。また、化学薬品は価格が高く、生産する過程も環境を汚染するリスクがある。これらの課題を解決するために、生物学的硝化脱窒素式排水処理システムにおいて、化学薬品を使用することなく、環境にやさしく、経済的に優れたアルカリ成分を供給する技術の開発が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題に対し、微生物燃料電池の原理を用い、カソードにて電気化学的反応から生成したアルカリ成分ＯＨ−を硝化脱窒素の反応、特に硝化反応時に供給することに想到し、課題を解決するに至った。
【０００８】
本発明は、一実施形態によれば、［１］嫌気槽と、好気槽と、微生物燃料電池を少なくとも含んでなる硝化脱窒式排水処理システムであって、前記微生物燃料電池が、電気生成微生物を固定したアノード電極と、カソード電極を備えるカソード領域と、前記アノード電極を有する領域と前記カソード領域とを隔てるイオン透過性隔膜とを備え、前記好気槽に前記カソード領域で生成するＯＨ−が供給され、前記カソード領域に前記好気槽の硝化液が供給されるシステムである。
【０００９】
［２］  ［１］に記載の硝化脱窒式排水処理システムにおいて、前記微生物燃料電池が、前記嫌気槽内部に設けられ、前記好気槽から前記カソード領域に硝化液を送る手段を備えることが好ましい。
【００１０】
［３］  ［１］に記載の硝化脱窒式排水処理システムにおいて、前記微生物燃料電池が、前記嫌気槽及び好気槽の外部に設けられ、前記好気槽から前記カソード領域に硝化液を送る手段と、前記カソード領域から前記好気槽にカソード液を送る手段と、前記アノード電極を有する領域（アノード領域）に被処理水を送る手段と、前記アノード電極を有する領域（アノード領域）から前記嫌気槽にアノード液を送る手段とを備えることが好ましい。
【００１１】
［４］  ［１］に記載の硝化脱窒式排水処理システムにおいて、前記嫌気槽と、前記好気槽との間にさらに無酸素槽を備え、前記微生物燃料電池が、前記嫌気槽内部に設けられ、前記好気槽から前記カソード領域に硝化液を送る手段と、前記カソード領域から前記好気槽または無酸素槽へカソード液を送る手段とを備えることが好ましい。
【００１２】
［５］  ［１］に記載の硝化脱窒式排水処理システムにおいて、前記嫌気槽と、前記好気槽との間にさらに無酸素槽を備え、前記微生物燃料電池が、前記嫌気槽、好気槽及び無酸素槽の外部に設けられ、前記好気槽から前記カソード領域に硝化液を送る手段と、前記カソード領域から前記好気槽または無酸素槽にカソード液を送る手段と、前記アノード電極を有する領域（アノード領域）に被処理水を送る手段と、前記アノード電極を有する領域（アノード領域）から前記嫌気槽にアノード液を送る手段とを備えることが好ましい。
【００１３】
［６］  ［２］または［４］に記載の硝化脱窒式排水処理システムにおいて、前記アノード電極が、前記嫌気槽内部の被処理水に浸漬されることが好ましい。
【００１４】
［７］  ［３］または［５］に記載の硝化脱窒式排水処理システムにおいて、前記アノード電極を有する領域（アノード領域）に被処理水を送る手段が、前記嫌気槽内部を経由することが好ましい。
【００１５】
［８］  ［１］〜［７］のいずれかに記載の硝化脱窒式排水処理システムにおいて、前記微生物燃料電池が、前記アノード電極と前記カソード電極とを接続する電気回路中に、取り換え可能な外部抵抗、もしくは可変外部抵抗を備えることが好ましい。
【００１６】
本発明は別の局面によれば、［９］  硝化脱窒式排水処理方法であって、被処理水中の硝酸または亜硝酸を還元して、窒素を生成する脱窒工程と、被処理水中のアンモニウム化合物を、硝化菌により硝酸または亜硝酸にする硝化工程と、微生物燃料電池のカソードにおいてＯＨ−を生成するアルカリ生成工程とを少なくとも含んでなり、前記硝化工程に、前記アルカリ生成工程で得られるＯＨ−を添加し、前記硝化工程における硝化液を前記微生物燃料電池のカソードに供給する。
【００１７】
［１０］  ［９］に記載の硝化脱窒式排水処理方法において、前記アルカリ生成工程におけるＯＨ−の生成量を、前記微生物燃料電池の外部抵抗を変化させることにより調整することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る排水処理システム及び排水処理方法によれば、一般的な硝化脱窒法による排水処理システムに微生物燃料電池を組み込むことで、化学薬品などを使用することなく、アルカリ成分の供給が可能となる。このようなシステムにおいては、微生物燃料電池の外部抵抗を取り替えることにより、回路電流を調節することができ、それにより微生物燃料電池のカソード槽にてアルカリ成分の生成量が調整可能となる。微生物燃料電池は電力を消費することなく、化学薬品の投入も不要であるため、環境に優しく、かつ、十分な処理特性を備える排水処理システム及び排水処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態による排水処理方法及びシステムを示す概念図であり、（Ｂ）は（Ａ）中の微生物燃料電池の拡大図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態による排水処理方法及びシステムを示す概念図である。
【図３】図３は、本発明の第３実施形態による排水処理方法及びシステムを示す概念図である。
【図４】図４は、本発明の第４実施形態による排水処理方法及びシステムを示す概念図である。
【図５】図５は、実験例に用いた実験系を示す概念図である。
【図６】図６は、実験例における、処理時間に対する、循環溶液のｐＨ、回路電流の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、実験例におけるＯＨ−生成量の実測値と、理論値を比較するグラフである。
【図８】図８は、一般的な生物学的硝化脱窒素法を説明するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。また、図面は、本発明を説明するための例示的な概略図であって、本発明を限定するものではない。
【００２１】
［第１実施形態］
本発明は、第１実施形態によれば、排水処理システムであって、嫌気槽と、好気槽と、沈殿槽と、嫌気槽内部に設けられた微生物燃料電池とから主として構成される。
【００２２】
図１は、本実施形態による排水処理システムを概念的に示す図である。図１（Ａ）に示す排水処理システムは、嫌気・好気法（以下、ＡＯ法ともいう）による排水処理システムに基づき、嫌気槽２と、好気槽３と、沈殿槽５を備えており、嫌気槽２内部に微生物燃料電池１を備えている。
【００２３】
嫌気槽２は、有機性窒素を含む被処理水が最初に流入する処理槽であって、被処理水中の硝酸または亜硝酸を還元して、窒素を生成する脱窒工程が行われる脱窒槽であってよい。嫌気槽２は、脱窒菌を含む活性汚泥を備えるように構成することができる。嫌気槽２には、被処理水が導入され（Ｌ１）と、嫌気槽２にて処理されたのち、好気槽３へ送られる（Ｌ２）。なお、本発明の各実施形態における表示Ｌｎは、処理槽間、または処理槽と微生物燃料電池のアノードもしくはカソード領域との間の被処理水の流れもしくは被処理水を流す手段を示す。被処理水を流す手段は、配管や流路、ポンプなどの移送手段であってもよいが、特定の構成には限定されない。
【００２４】
好気槽３は、嫌気槽２から被処理水が導入される処理槽であって、アンモニウム化合物を、硝化菌により硝酸または亜硝酸にする硝化工程が行われる硝化槽であってよい。好気槽３は、硝化菌を含む活性汚泥と、酸素を含む空気を導入する曝気装置を備えるように構成することができる。好気槽３での処理を経た被処理水を次工程に送られる（Ｌ３）。
【００２５】
沈殿槽５は、好気槽３から被処理水が導入される槽であって、沈殿池とも指称する。沈殿槽５では、微生物を含んだ活性汚泥を沈殿させて、上澄みの処理済水と分離する。活性汚泥は、嫌気槽２に返送され（Ｌ７）、再度処理に用いられる。沈殿槽５の上澄みの処理済水は、図示しない手段により次工程に送られ、さらに処理を受けて放流される。
【００２６】
微生物燃料電池１は、嫌気槽２内部に設けられている。図１（Ｂ）を参照すると、微生物燃料電池１は、電気生成微生物を固定したアノード電極１１を備えるアノード領域１２と、カソード電極１４を備えるカソード領域１５と、前記アノード領域１２とカソード領域１５とを隔てるイオン透過性隔膜１３と、外部抵抗１６とから構成されている。
【００２７】
アノード電極１１に固定される電気生成微生物は、特には限定されず、微生物燃料電池において一般的に使用される１種または２種以上の菌類を用いることができる。例えば、Geobactor、Saccharomyces、Hansenula、Candida、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leuconostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthrobacter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichia、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcaligenes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitrosomonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacter、Pseudomonas、Xanthomonas、Vibrio、Comamonas及びProteus（Proteusvulgaris）属に属する菌類から選択することができるが、これらには限定されない。また、これに加えて、任意選択的に、アノード電極１１に電子メディエータを備えるものであってもよい。また、アノード及びカソード電極１１、１４は、一般的な電極材料から構成することができ、カーボン、白金などの金属、導電性高分子、導電性無機材料等であってよいが、これらには限定されない。イオン透過性隔膜１３は、陽イオン交換膜を使用することができる。
【００２８】
図１（Ａ）を参照すると、本実施形態において、微生物燃料電池１は、少なくともアノード電極１１及びカソード電極１４が被処理水に浸漬する態様で、好ましくはアノード領域１２及びカソード領域１５が被処理水に浸漬する態様で、嫌気槽２の内部に設けられている。カソード領域１５は、物質が透過できない膜や隔壁などにより、嫌気槽２から隔離されている。したがって、嫌気槽２の被処理水がカソード領域１５に流入することがない。カソード領域１５には、好気槽３の硝化液をカソード領域１５に流入させる手段Ｌ１１、カソード領域１５のカソード液を好気槽３に流入させる手段を備える。硝化槽からの返送液を、カソード領域１５に流入させる（Ｌ１１）装置は、ポンプと、配管などであってよい。このような被処理水の流れを実現するためには、具体的には、既存の（一般的な）汚水処理場の脱窒素のための硝化液返送ライン出口にカソード槽を設けることができるが、特定の態様には限定されない。なお、図１（Ａ）において、カソード液が好気槽３に流入する流れＬ１２は、Ｌ２に合流するように記載しているが、Ｌ２とは別に、好気槽３に直接接続していてもよい。
【００２９】
一方、アノード領域１２は、カソード領域１５から隔壁により隔てられた領域であって、アノード電極を有する領域である。アノード領域１２は、アノード電極１１が被処理水に接触可能な状態で存在する領域であればよい。したがって、図１中仮想線で示すアノード領域１２を画定する隔壁や隔膜は存在しなくてもよいし、被処理水が透過もしくは流入可能な膜や隔壁であってもよい。したがって、好ましい実施形態においては、嫌気槽２に、アノード電極を浸漬した態様であって、嫌気槽２自体を、アノード領域ということができる。この場合、図１中仮想線で示すアノード領域１２に被処理水を流入させる手段Ｌ１３、アノード領域１２のアノード液を嫌気槽２に流入させる手段Ｌ１４を備える必要はない。別の実施形態においては、嫌気槽２に、アノード領域を画定する隔壁や隔膜が存在してもよく、この場合には、嫌気槽２中の被処理水をアノード領域１２に流入させる手段Ｌ１３、アノード領域１２のアノード液を嫌気槽２に流入させる手段Ｌ１４を備えていてもよく、具体的な手段としては、ポンプと、配管などであってよい。
【００３０】
図１（Ａ）に示す硝化脱窒式排水処理システムにおける、排水処理方法について説明する。有機性窒素を含む被処理水流Ｌ１は、嫌気槽２に流入される。嫌気槽２では、被処理水中の硝酸または亜硝酸を還元して、窒素を生成する脱窒工程が行われる。また、有機物を多く含む被処理水は、嫌気槽２に配設されるアノード電極に接するか、あるいは微生物燃料電池１のアノード領域１２に流入させる（Ｌ１３）ことで、電気生成微生物の栄養源とすることができる。画定されたアノード領域１２が存在する場合、アノード領域１２のアノード液は、嫌気槽２に循環される（Ｌ１４）。一方、微生物燃料電池１のカソード領域１５には、好気槽３から硝化液を流入させる（Ｌ１１）。好気槽３の硝化液は、溶存酸素が多く、以下のカソード反応に必要な酸素をカソード電極１４に供給するのに有利である。
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−
そして、カソード電極１４で生成されたＯＨ−を多く含むカソード液は、好気槽３に送られる。そして、アルカリ度を増加させて、好気槽３のｐＨを最適範囲、例えば、６．５〜９．０に調整することができる。従来、化学薬品からなるアルカリ剤を投入してｐＨを下げる必要があった好気槽３においては、化学薬品を投入することなく、また化学薬品由来の塩を増やすことなく、ｐＨの調整を行うことができるため、有利である。
【００３１】
本実施形態においては、微生物燃料電池１の外部抵抗１６を変化させることにより、カソード電極１４におけるＯＨ−の生成量を調整することができる。このような構成とするために、外部抵抗１６は、取替えが可能な抵抗、あるいは可変抵抗で構成することができる。また、好気槽３に、硝化液のｐＨを測定する装置を備え、硝化液のｐＨ測定結果に応じて、カソード電極１４におけるＯＨ−の生成量を調整することもできる。
【００３２】
本発明の第１実施形態に係る排水処理システム及び排水処理方法によれば、嫌気槽２内に微生物燃料電池１を設置することで、従来のＡＯ法による排水処理システム及びその被処理液を利用して、化学薬品を用いることなく、アルカリ成分を供給することができる。
【００３３】
［第２実施形態］
本発明は、第２実施形態によれば、排水処理システムであって、嫌気槽と、好気槽と、沈殿槽と、嫌気槽および好気槽とは独立して設けられた微生物燃料電池とから主として構成される。
【００３４】
図２は、本実施形態による排水処理システムを概念的に示す図である。図２に示す排水処理システムは、ＡＯ法による排水処理システムに基づき、嫌気槽２と、好気槽３と沈殿槽５を備えており、これらの槽とは別に微生物燃料電池１を備えている。
【００３５】
嫌気槽２、好気槽３、及び沈殿槽５の構成については、第１実施形態において説明したとおりであり、ここでは説明を省略する。微生物燃料電池１についても、図１（Ｂ）に示すように、電気生成微生物を固定したアノード電極１１を備えるアノード領域１２と、カソード電極１４を備えるカソード領域１５と、前記アノード領域１２とカソード領域１５とを隔てるイオン透過性隔膜１３と、外部抵抗１６とから構成されている点で共通する。しかし、微生物燃料電池１が嫌気槽２と独立して配設され、アノード領域１２とカソード領域１５のそれぞれが、外部に水や物質を透過させない隔壁で画定されるように構成されている点で異なっている。カソード領域１５と好気槽３との間で被処理水を流すための手段Ｌ２１、Ｌ２２については、第１実施形態で説明したのと同様の構成とすることができる。あるいは、手段Ｌ２１としては、エアリフトを使用することもできる。一方、本実施形態においては、嫌気槽２から独立して画定された領域であるアノード領域１２に、嫌気槽２を経ていない被処理水を流入させる手段Ｌ２３と、アノード領域１２から嫌気槽へ被処理水を流すための手段Ｌ２４が設けられている。これらの手段Ｌ２３、Ｌ２４は、典型的には配管とポンプなどであってよいが、被処理水の流通が可能な手段であれば、これらには限定されない。
【００３６】
図２に示す硝化脱窒式排水処理システムにおける、排水処理方法も、嫌気槽２にて脱窒工程が行われ、好気槽３にて硝化工程が行われる点では第１実施形態と同じである。第２実施形態においては、微生物燃料電池１のアノード領域１２には、電気生成微生物の栄養源となる被処理水が、嫌気槽２を経ることなく送られ（Ｌ２３）、アノード領域１２に存在するアノード液は嫌気槽２に送られる（Ｌ２４）。一方、微生物燃料電池１のカソード領域１５には、好気槽３から送られる硝化液を流入させ（Ｌ２１）、カソード電極１４で生成されたＯＨ−を多く含むカソード液は、好気槽３に送られる（Ｌ２２）。嫌気槽２に流入する前の被処理水を直接アノード領域１２に供給する態様（Ｌ２３）に代えて、あるいはこれに加えて、嫌気槽２内の被処理水をアノード領域１２に流入させるための手段を備えていてもよい。このような被処理水の流れにより、好気槽３には、微生物燃料電池１で生成されたＯＨ−が供給されて、好気槽３のｐＨの低下を防ぎ、好適なｐＨ領域に調整することができる。また、微生物燃料電池１のアノード領域１２には、有機物が豊富な被処理水が供給されるため、アノード電極１１に固定された微生物の栄養源を補給し続けることができる。このようにして、好気槽３においては、化学薬品を投入することなくｐＨの調整を行うことができる。また微生物燃料電池１を機能させるのに必要な微生物の栄養源として、被処理水中の有機物を利用することができる。
【００３７】
本実施形態においても、微生物燃料電池１の外部抵抗１６を調節することにより、ＯＨ−の生成量を調整することができ、任意選択的に、好気槽３にｐＨ測定のための装置を設け、測定結果に応じて、ＯＨ−の生成量を調整することができる。
【００３８】
本発明の第２実施形態に係る排水処理システム及び排水処理方法によれば、微生物燃料電池１を嫌気槽２とは独立した構成としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、アノード、カソード等のメンテナンスや交換が容易となる。さらに、嫌気槽に流入する前の被処理水をアノード領域へ直接送液する態様とすることでアノード領域に雑菌が入りにくい構造とすることができる。
【００３９】
［第３実施形態］
本発明は、第３実施形態によれば、排水処理システムであって、嫌気槽と、無酸素槽と、好気槽と、沈殿槽５と、嫌気槽内部に設けられた微生物燃料電池とから主として構成される。
【００４０】
図３は、本実施形態による排水処理システムを概念的に示す図である。図３に示す排水処理システムは、嫌気・無酸素・好気法（以下、Ａ２Ｏ法ともいう）による排水処理システムに基づき、嫌気槽２と、無酸素槽４と、好気槽３、沈殿槽５とを備えており、嫌気槽２内部に微生物燃料電池１を備えている。
【００４１】
嫌気槽２、好気槽３、及び沈殿槽５の構成については、第１実施形態において説明したとおりであり、ここでは説明を省略する。微生物燃料電池１の構成および、嫌気槽２内への設置態様も、第１実施形態において説明したのと同様とすることができる。無酸素槽４は、嫌気槽２と好気槽３との間に位置しており、嫌気槽２からの被処理水が流入（Ｌ４）する処理槽である。無酸素槽４では、被処理水中の硝酸または亜硝酸を還元して、窒素を生成する脱窒工程が行われる。無酸素槽４には、好気槽３の硝化液が返送（Ｌ８）される。
【００４２】
本実施形態においても、好気槽３から微生物燃料電池１のカソード領域１５への硝化液を送る（Ｌ３１）構成については、第１、第２実施形態と同様である。一方、微生物燃料電池１のカソード液は、好気槽３に送られる（Ｌ３２）。嫌気槽２にアノード電極が直接浸漬され、アノード電極と被処理水が接触可能に構成されるか、あるいは嫌気槽２にアノード領域が画定されている場合には微生物燃料電池１のアノード領域１２への被処理水の流れ（Ｌ３３）、アノード領域１２にあるアノード液の嫌気槽２への流れ（Ｌ３４）を形成する点については、第１実施形態と同様である。なお、第１実施形態において説明したように、アノード電極を嫌気槽２に直接浸漬させる場合は、流れＬ３３及び流れＬ３４は不要である。このような被処理水の流れにより、アルカリ度が減少する好気槽３にカソード領域で生成されたアルカリ成分を供給することができ、好気槽３を好適なｐＨ領域に調整することができる。また、アノード電極１１は有機物が豊富な被処理水と十分に接触可能な態様で配設されるため、アノード電極１１に固定された微生物の栄養源を補給し続けることができる。そして、第１、第２実施形態と同様に、好気槽３においては、化学薬品を投入することなくｐＨの調整を行うことができる。また微生物燃料電池１を機能させるのに必要な微生物の栄養源として、被処理水中の有機物を利用することができる。
【００４３】
本実施形態の変形形態として、カソード液を好気槽３に送るのに代えて、あるいはこれに加えて、カソード液を無酸素槽４に送る態様も本発明に含まれる。無酸素槽４では、アルカリ成分を消費することはない。したがって、カソード電極で生成されたアルカリ成分が無酸素槽４に送られ、被処理水の流れ（Ｌ５）とともに、好気槽３に送られて、好気槽３のアルカリ度を調整することができる。
【００４４】
本実施形態においても、外部抵抗を調節することにより、ＯＨ−の生成量を調整することができ、任意選択的に、好気槽３にｐＨ測定のための装置を設け、測定結果に応じて、ＯＨ−の生成量を調整することができる。
【００４５】
本発明の第３実施形態に係る排水処理システム及び排水処理方法によれば、嫌気槽２内に微生物燃料電池１を設置することで、従来のＡ２Ｏ法による排水処理システム及びその被処理液を利用して、化学薬品を用いることなく、アルカリ成分を供給することができる。また、嫌気槽に放出されたリンは、微生物燃料電池のイオン透過性隔膜を透過して、好気槽へ濃縮されたリンが送液される。このため、好気槽内の微生物がリンを取り込みやすくなり、リン除去率が向上するといった利点も得られる。
【００４６】
［第４実施形態］
本発明は、第４実施形態によれば、排水処理システムであって、嫌気槽と、無酸素槽と、好気槽と、沈殿槽と、嫌気槽、無酸素槽および好気槽とは独立して設けられた微生物燃料電池とから主として構成される。
【００４７】
図４は、本実施形態による排水処理システムを概念的に示す図である。図４に示す排水処理システムは、嫌気・無酸素・好気法（以下、Ａ２Ｏ法ともいう）による排水処理システムに基づき、嫌気槽２と、無酸素槽４と、好気槽３と、沈殿槽５を備えており、これらの外部に微生物燃料電池１を備えている。
【００４８】
嫌気槽２、無酸素槽４、好気槽３、沈殿槽５の構成については、第３実施形態において説明したとおりである。また嫌気槽２とは独立して設けられる微生物燃料電池１の構成は、第２実施形態において説明したとおりである。
【００４９】
本実施形態においても、好気槽３から微生物燃料電池１のカソード領域１５への硝化液を送る（Ｌ４１）構成については、第１〜第３実施形態と同様である。一方、微生物燃料電池１のカソード液は、好気槽３に送られる（Ｌ４２）点は、第３実施形態と同様である。嫌気槽２に流入する前の被処理水から微生物燃料電池１のアノード領域１２への被処理水の流れ（Ｌ４３）、アノード領域１２にあるアノード液の嫌気槽２への流れ（Ｌ４４）については、第２実施形態と同様である。このような被処理水の流れにより、第３実施形態と同様に、好気槽３のｐＨの低下を防ぎ、好適なｐＨ領域に調整することができる。また、微生物燃料電池１のアノード領域１２には、有機物が豊富な被処理水が供給されるため、アノード電極１１に固定された微生物の栄養源を補給し続けることができる。そして、第１〜第３実施形態と同様に、好気槽３においては、化学薬品を投入することなくｐＨの調整を行うことができる。また微生物燃料電池１を機能させるのに必要な微生物の栄養源として、被処理水中の有機物を利用することができる。
【００５０】
本実施形態においても、嫌気槽２に流入する前の被処理水を直接、微生物燃料電池１のアノード領域１２に送る（Ｌ４３）態様に代えて、嫌気槽２の被処理水をアノード領域１２に送ってもよい。また、カソード液を、好気槽３に送る（Ｌ４２）態様に代えて、あるいはこれに加えて、カソード液を無酸素槽４に送る態様としてもよい。これらの態様であっても、同様の効果を得ることができる。
【００５１】
本実施形態においても、外部抵抗を調節することにより、ＯＨ−の生成量を調整することができ、任意選択的に、好気槽３にｐＨ測定のための装置を設け、測定結果に応じて、ＯＨ−の生成量を調整することができる。
【００５２】
本発明の第４実施形態に係る排水処理システム及び排水処理方法によれば、微生物燃料電池１を嫌気槽２とは独立した構成としても、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。また、アノード、カソード等のメンテナンスや交換が容易となる。さらに、アノード領域へ被処理水を直接送液する態様とすることでアノード領域に雑菌が入りにくい構造とすることができるといった利点も得られる。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明を、以下の実験例を参照してより詳細に説明する。しかしながら、本発明は以下の実験例に限定されるものではない。
【００５４】
図５に示す試験装置を組み立て、微生物燃料電池におけるＯＨ−の生成と本発明に係る硝化脱窒式排水処理システムについて検証した。この試験装置は、嫌気槽の模擬のアノード槽１２と、カソード槽１５と、好気槽３の模擬の曝気槽３１からなる。アノード槽１２には電子を取り出すアノード電極１１を配した。カソード槽１５にはアノード槽と隔てる隔膜１３と電子と酸素とＨ＋を反応させるカソード電極１４を配した。電流調整のためにアノード電極１１とカソード電極１４を接続する外部回路には抵抗１６を繋いだ。好気槽３の模擬の曝気槽３１には、曝気装置３２と溶液循環のための循環ポンプ３３、３４を配した。
【００５５】
この試験装置を用いて、アルカリ成分の生成量と回路電流の関係を確認するために、カソード槽１５と曝気槽３１の循環溶液のｐＨ変化と回路電流の関係を調べた。循環溶液は、酸性の自動車排水（ｐＨ３．６３、体積０．４Ｌ）を用いた。電流は、電圧計を使って外部抵抗の電圧を測ることにより計算した。また、ｐＨ計を使って循環液のｐＨを測定した、ｐＨが７になった時点で試験を終了した。結果を、図６のグラフに示す。
【００５６】
次に、電流のデータから実験期間の電荷量を計算した。また、第１実施形態において示したカソードの反応式により、生成するＯＨ−の量の理論値を算出した。一方、水酸化ナトリウムを用い、同じ量の酸性自動車排水（ｐＨ３．６３、体積０．４Ｌ）をｐＨ７まで調整し、消費した水酸化ナトリウム量から、中和に必要なＯＨ−の量を算出した。このＯＨ−の量はカソード反応から実際に生成するＯＨ−の量と同量である。
【００５７】
図７のグラフに示すように、電荷量から試算したＯＨ−の生成量の理論値が３．７５ｍｍｏｌであったのに対し、実際に生成したＯＨ−の量は３．５４ｍｍｏｌであった。ＯＨ−の生成量の理論値に対する、実際に生成したＯＨ−の量の割合はアルカリ成分生成効率と呼ばれ、本試験によるアルカリ成分生成効率は、９４．４％であった。この結果から、ＯＨ−の生成量の理論値と実験値がほぼ同じであることから、外部抵抗を調整することでＯＨ−の生成量を制御できることが分かる。このことから、本発明のシステムを用いることで、別途、化学薬品由来のＯＨ−を供給しなくても良いと考えられる。
【符号の説明】
【００５８】
１    微生物燃料電池
１１  アノード電極
１２  アノード領域（アノード電極を有する領域）
１３  イオン透過性隔膜
１４  カソード電極
１５  カソード領域
１６  外部抵抗
２    嫌気槽
３    好気槽
４    無酸素槽
５    沈殿槽
【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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