こ う えいフ ォ ー ラ ム 第 28 号 / 2020 . 5

微生物燃料電池を用いた発電型水処理技術の開発
ENERGY RECOVERY SEWAGE TREATMENT TECHNOLOGY USING MICROBIAL FUEL CELLS
飯田 和輝 * ・ 松原 弘和 * ・ 井藤 元暢 ** ・ 麦田 藍 *** ・吉田 奈央子 **** ・ 源田 吉則 ***** ・ 迫田 光弘 *****
Kazuki IIDA, Kazuhiro MATSUBARA, Motonobu ITO, Ai MUGITA,
Naoko YOSHIDA, Yoshinori GENDA and Mitsuhiro SAKODA

Microbial fuel cell (MFC) is a technology that is expected to reduce electricity consumption
and excess sludge of aeration by recovering electrical energy and removing organic substancesin wastewater at the same time.
This water treatment technology is designed to be installed without changing civil engineering
structure of existing sewage treatment plants.
This study evaluates the possibility of MFC’s introduction to sewage treatment plants byinstalling MFC in the plant and conducting tests to examine its production of power andperformance of organic matter removal.
The study also estimates energy potential when MFC is introduced to sewage treatment
plants across Japan.

Keywords ： Microbial fuel cell, Energy saving, Energy reuse, Organic substance removal,Reduction of excess sludge, Energy independence

1． はじめに
現在、 下水処理場における年間消費電力量は、 国内で消費2． 微生物燃料電池 （MFC） について
（1） MFC の概要

される電力の約 0.7% を占めており、 その削減が求められていMFC は汚水中に含まれる有機物を微生物が酸化分解されたる。 一方、 下水や下水汚泥等のエネルギーのポテンシャルに際に放出される電子を電流として回収する技術である （図－1）。

期待が高まっており、 我が国では下水処理場のエネルギー自電流生産菌は、 有機物を分解した際に生成した電子を電極に立化を目指し、 下水道資源を活用したエネルギー生産技術の渡すことができる微生物であり、 自然界や下水処理場などに存開発が進められている。

在する。 MFC は、 陰極 （アノード）、 陽 極 （カソード ） およ

微生物燃料電池 （以下、 MFC （microbial fuel cell） とびイオン交換膜から構成され、 アノード側に汚水を含み、 微生する。） は、 下水中に存在する 有機物の除去 と 同時に電気エ物が汚水中の有機物酸化ならびに放出した電子のアノードへネルギーの回収が可能であり、 曝気に係る電気量および余剰の電子伝達反応を行う。 アノードで回収された電子は、 導線を汚泥量の低 減が期待される技術であるが、 MFC を下水処理通じてカソードに渡り、 酸素などの還元反応に用いられる。

場に導入した際の下水処理システム全体の評価はほとんどなされていない。
本研究では、 下水処理場に MFC を設置し、 生産電力や有機物除去性能を評価し、 全国の下水処理場の使用状況からMFC の普及展開の可能性を示すと と もに、 技術の導入効果を試算することにより、 導入可能性を検討したものである。

*

コンサルタント国内事業本部 流域水管理事業部 水工インフラマネ
ジメント部**
コンサルタント国内事業本部 インフラマネジメントセンター***
コンサルタント国内事業本部 大阪支店 流域水管理部**** 名古屋工業大学 社会工学科***** 玉野総合コンサルタント株式会社 統括事業部 上下水道部

図－ 1 MFC の概要

1

微生物燃料電池を用いた発電型水処理技術の開発（2） 本研究で用いる MFC の特徴
本研究で用いる MFC は、 様々な処理槽の形状に合わせ容易に設置できるようユニット化しており、 以下のよ うな特徴を有する （図－ 2） （特許第 6358509 号）。
●

既存の下水処理場へ構造変更なく設置可能●

既存施設の水位変化に対応できる浮遊構造●

既存施設の池深さに効率的に対応できるよう深さ方向に有機物＋OH⁻ →HCO3 ⁻ + e- →有機物＋OH⁻→
有機物＋OH⁻
HCO33⁻ ⁻ ++ee-HCO

交換膜
アニオン
アニオン

ま た、 装置断面は、 円筒形状で あ り、 内側にカソードを配側は空洞と なっており、 カソードへ酸素供給を行い、 カソードでは炭素触媒による酸素還元を行う。

アノード
アノード
アニオン

連結可能
置し、 外側にアノードを配置している （図－ 3）。 カソードの内アノード

模擬抵抗
ｅ模擬抵抗
模擬抵抗
ｅ-ｅ

汚水
汚水
汚水交換膜
交換膜
炭素触媒カソード＋H
1/2O
22O
炭素触媒カソード
炭素触媒カソード→2OH⁻＋2e＋HO
1/2O
1/2O22＋H22O-- →2OH⁻＋2e＋2e →2OH⁻

OHOH-OH図－ 3 本研究で用いる MFC の断面図

アノード電極と カソード電極を模擬抵抗で接続する こ とにより、 アノードからカソードへ電子が移動し、 発電する構造となっ（3） MFC の導入効果ている。
イオン交換膜は、 アニオン交換膜を使用しており、 カソード

下水処理場は、 最初沈殿池、 反応槽、 最終沈殿池、 消毒側からアノード側へ、 OH を移動する機能を持っている。 これ施設を経て公共用水域に放流される。 MFC は、 既存の下水—+までは、 汚水側からプロトン （H ） が移動する カ チオン交換処理場の最初沈殿池流出後の反応槽の前段に設置することを膜が主流であったが、 アニオン交換膜を利用することで、 汚水想定しており、 さまざまな処理槽の形状に容易に設置できるよ側からのイオンの移動がないため、 膜の目詰ま りが少ないことうユニット化している。 ま た、 下水中に存在する有機物の除去が考え られ、 耐久性が期待で きる構造となっている （特許第と同時に発電することができるため、 下水処理場に適用するこ6624470 号）。とにより、 これまでに利用していない汚水中に含まれる有機物からのエネルギー活用が可能となる。 さらに、 発電する電流生産菌は、 嫌気性であることから、 汚水処理に曝気が必要な く、同化率 （増殖率） が非常に低いことか ら余剰汚泥が少ないとい った特徴 を有して い る。 こ の ため、 下水処理場に MFC を導入することにより、 消費電力の削減が図られ、 CO2 の削減に寄与する （図－ 4）。

図－ 4 MFC の導入効果（4） MFC の導入可能性
MFC は既存の余剰となる処理槽へ設置することを想定している。 全国の処理場の処理能力に着目すると、 表－ 1 に示す
図－ 2 ユニット化した装置写真

ように、 現有処理能力が日平均汚水量の 3 倍以上ある処理場
は、 2,138 施設の うち 418 施設の約 20% が 該当し、 2 倍以2こ う えいフ ォ ー ラ ム 第 28 号 / 2020 . 5

上ある処理場は 51% が該当する。 このため、 既存処理場の必要処理能力を日平均汚水量の 2 倍と仮定すると、 現段階で全国の約半数の処理場に MFC の設置が可能と評価される。 さらに将来的には、 人口減少や節水意識の高ま りにより、 流入汚水量がさらに減少することが予想されることから、 MFC の設置可能な処理場は増加する。
表－ 1 下水処理場の処理能力

処理能力※
施設数割合
処理能力※
施設数割合処理能力※
施設数
割合
処理能力※
施設数
割合
100%未満
26
1%
処理能力※
施設数
割合1%
100%未満26
100%未満
26
処理能力※
施設数
割合1%
100%未満261%
100%以上150%未満
422
20%
100%未満261%
100%以上150%未満
422
20%
100%以上150%未満
422
20%
100%未満261%
100%以上150%未満
422
20%
150%以上200%未満
616
29%
100%以上150%未満
422
20%
150%以上200%未満
616
29%
150%以上200%未満
616
29%
100%以上150%未満
422
20%
150%以上200%未満
616
29%
150%以上200%未満
616
29%
200%以上300%未満
656
31%200%以上300%未満
656
31%200%以上300%未満
656
31%
150%以上200%未満
616
29%
200%以上300%未満
656
31%200%以上300%未満
656
31%
300%以上418
20%300%以上
41820%
300%以上41820%
200%以上300%未満
656
31%
300%以上41820%
合計
2,138
300%以上41820%
合計
2,138
合計
2,138
300%以上41820%
合計
2,138※処理能力=現有能力/日平均汚水量
合計
2,138※処理能力=現有能力/日平均汚水量※処理能力=現有能力/日平均汚水量１）※処理能力=現有能力/日平均汚水量
合計
2,138１）（平成28年度下水道統計１）
より算定）（平成28年度下水道統計※処理能力=現有能力/日平均汚水量１）より算定）（平成28年度下水道統計より算定）（平成28年度下水道統計より算定）※処理能力=現有能力/日平均汚水量（平成28年度下水道統計１）
１）より算定）（平成28年度下水道統計より算定）

図－ 6 下水処理場への設置状況

3． 下水処理場での実験結果（1） 生産電力量の評価
処理場における MFC の生産電力を評価するため、 最初沈

図－ 7 最初沈殿池流入水路 （初沈前） における電力推移

殿池への流入水路 （初沈前） と流出水路 （初沈後） に上・中・下の三段構造の MFC （図－ 5） を水路中に流れる汚水面に浮体より上部が浮かぶように設置した （図－ 6）。
水路中の MFC の生産電力が安定するまで 120 Ωの抵抗に接続し、 その後 27 Ωに接続して測定した。 この結果、 最初沈殿池流入水路 （初沈前） では上部 ・ 中部は平均約 6.0Wh/m3、下部では平均約 3.0Wh/m 3 であった （図－ 7）。
最初沈殿池流出水路 （初沈後） では上部は 6.0-8.0 Wh/m3、中部では 4.0-6.0 Wh/m 3、 下部では 5.0-7.0 Wh/m3 で あった

図－ 8 最初沈殿池流入水路 （初沈後） における電力推移（図－ 8）。
以上より、 最初沈殿池前後での生産電力量は大きな差異がなく、 MFC の設置場所としては浮遊物質が除去された最初沈（2） 運転条件別の生産電力と生産電流の比較

殿池流出後の方が適している。 いずれも下部で電力が低下した

MFC による運転条件別の生産電力、 電流、 有機物除去効

原因として MFC エアカソード内部への浸水およびエアカソード果、 発電効率を評価するため、 （1） で用いた MFC を引き上室の空気滞留による酸素不足が考えられた。

げ、 図－ 9 に示す実験用水槽に再設置した。

なお、 下水処理場に設置した 3 ヵ月は、 清掃等の維持管理は実施していない。

運転条件は、 表－ 2 に示すように接続抵抗と滞留時間を変化させた条件とした。 対照系として MFC を設置しない水槽（e）を併せて運転し比較した。
測定項目としては、 電流生産を （1） と同様に計測し、 SBOD、SCODcr を計測した。

図－ 5 下水処理場に設置した MFC

2 連続運転条件
運転条件 表－抵抗（）
滞留時間（h）
抵抗（）
運転条件
滞留時間（h）
運転条件
抵抗（） 滞留時間（h）
運転条件
滞留時間（h）
抵抗（）
27R3H
273
運転条件
滞留時間（h）
抵抗（）27R3H
27327R3H
27327R3H
327R6H
27627R3H
327R6H
27627R6H
27627R6H
27627R12H
1227R12H
271227R6H
627R12H
271227R12H
27123R3H
3327R12H
27123R3H
333R3H
333R3H
333R6H
63R6H
363R3H
33R6H
363R6H
363R12H
123R6H
363R12H
123R12H
3123R12H
3123R12H3123微生物燃料電池を用いた発電型水処理技術の開発

図－ 11 各運転条件別の電流の比較
図－ 9 実験用水槽への MFC の設置状況（3） 有機物除去率の比較

1） 生産電力の比較
実際の処理場に設置すること をイメージし、 処理槽に MFCが 20% 充填された条件で各運転条件の生産電力を比較した。

有機物除去効果を比較するため、 実験用水槽への流入水質および処理後の水質を測定し、 除去率として評価した。

抵抗 27Ω接続時においては、 平均約 0.7 W/m3—20% 充填時

抵抗 27 Ω接続時の SCODcr 除去率は、 滞留時間により差の電力生産が観察され、 抵抗 3Ω接続時では平均約 0.2W/mが見られたものの、 滞留時間 12 時間のケースでは MFC 設置—20% 充填時であった （図－ 10）。

時で 19 % を示し、 非設置の 7 % と差異が確認された。

3生産電力は、 接続抵抗を 3 Ωとするより も 27 Ωの方が高い

一 方、 抵抗 3 Ω 接 続時の SCODcr 除去率は、 滞留時間結果が得られた。 なお、 滞留時間による相違はほとんどなかっ

12 時間のケースでは MFC 設置時に 58 % を示し、 非設置のた。

23 % と比較して大きな差異となった （図－ 12）。

2） 生産電流の比較
電流に着目す る と、 抵抗 3 Ω接 続時 に 平均 約 5.4 A/m 3—（4） 発電効率の比較

20% 充填時で、 抵抗 27Ω接続時では 3.6A/m —20% 充填時

発電効率は、 累積電力量 を CODcr 除去量で 除して 算定しであった。 これより、 電流は抵抗 27Ω接続時よりも 3Ω接続時た。 発電効率が最大となるのは、 抵抗 27Ω接続時で滞留時間の方が生産されることが示された （図－ 11）。

12 時間の条件の場合であり、 発電効率 0.13 kWh /kg —COD

3

生産電流が大きいことは、 電流生産菌が活発に活動したことを示 した （図－ 13）。 ま た、 抵抗 3 Ω 接続時の発電効率は、を示しており、 有機物分解すなわち汚水処理が促進されること

抵 抗 27Ω 接 続時の 1/5 程度で あった。 抵 抗 3 Ω 接 続 時にになる。 一方、 接続抵抗が小さい場合には、 電流が多く得ら

は、 有機物分解が優先されるものの、 発電効率は低い結果とれても電圧が低いため、 生産電力が高くなるとは限らない。

なった。

図－ 10 各運転条件別の生産電力の比較
4

図－ 12 各運転条件別の有機物除去率の比較

こ う えいフ ォ ー ラ ム 第 28 号 / 2020 . 5

ず、 直接エネルギーの回収が可能な MFC の活用が期待されている。
1） 流入汚水のポテンシャル試算
流入汚水の ポ テン シャ ル は、 有機物 （CODcr） の エネル
ギー原単位を用いると以下の式で算定でき、 全国の下水処理場全体で年間 214 億 kWh と試算される。
流入エネルギー （ kWh/ 年） = 年間流入下水量 （m 3 /年） × 流入 CODcr 濃度 （kg/m 3） × 3.49 （kWh/kg—CODcr）●

年間流入下水量 ： 15,361,509,000m 3/ 年
（H28 年度 下水道統計 年間処理水量 p.97 1））●

CODcr 濃度 ： BOD 濃度 （kg/m 3） × 2.0（BOD 濃度 ： 0.20kg/m 3、 2.0 ： 活性汚泥モデルの実務利用の技術評価に関する報告書 H18.3 JS 2））

図－ 13 各運転条件別の発電効率の比較●

有機物のエネルギー原単位 ： 3.49 kWh/kg—CODcr（流域別下水道整備総合計画調査指針と解説 H27.1p.139 3））

4． エネルギーポテンシャルの試算

2） 発生汚泥のポテンシャル試算

エネルギーポテンシャルは、 全国の下水処理場を対象とし、発生汚泥のポテンシャルは、 発生汚泥量に汚泥発熱量を乗MFC の導入効果と消化ガス発電の導入効果を試算することでじて以下の式で算定でき、 全国の下水処理場全体で年間 112

下水道の使用電力量に着目したエネルギー自立化率を検討し億 kWh と試算される。
汚泥エネルギー（kWh/ 年）= 発生汚泥量（kg—DS/ 年）

た （図－ 14）。
①× 17 （MJ/kg—DS） × 1/3.6 （kWh/MJ）

下水道の保有ポテンシャル●

流入汚水のポテンシャル （ポテンシャル A）●

発生汚泥のポテンシャル （ポテンシャル B）●

汚泥量 （12.2 億 kg—DS/ 年） の汚泥発生量の合計値

MFC の導入効果②（下水汚泥エネルギー化技術ガイドライン p.141 4） より●

生産電力量 （発電 A）●

使用電力削減量③算出）●

汚泥発熱量 ： 17 （MJ/kg—DS）（設計指針 2009 年版 p.434 5） 13 ～ 17MJ/kg—Ds）

消化ガス発電の導入効果●

発生汚泥量 ： 生汚泥量 （11.5 億 kg —DS/ 年）、 余剰生産電力量 （発電 B）
使用電力量
揚水、水処理エネルギー

ポテンシャルＢ
発生汚泥

ポテンシャルＡ
流入下水（2） MFC の導入効果

汚泥処理エネルギー
バイオガス

水処理

汚泥処理

消化ガス
発電

分解・放流

消化汚泥損失発電Ｂ
消化ガス発電MFC の導入効果として、 流入下水からの生産電力量と、 水処理に係る電力低減量が考えられる。 MFC 導入による生産電力量は、 全国の下水処理場に適用した場合、 年間 8.0 億 kWh

発電Ａ
微生物電池と 試算され、 水処理に係る電力低減量は 年間 6.7 億 kWh と試算される。
1） MFC 導入による生産電力量

図－ 14 下水処理に係るエネルギーフロー

MFC 導入による流入下水からの生産電力量は、 年間の流入有機物量 （CODcr） に実験結果より得られた発電効率 （接続抵抗 27 Ω、 滞留時間 12 時間） を乗じて以下の式で算定（1） 下水道の保有ポテンシャル

し、 年間 8.0 億 kWh と試算される。

下水道が保有する エネルギーポ テンシャル と しては、 流入MFC 発電量 （kWh/ 年） = 年間流入下水量 （m3/ 年）

汚水のポテンシャルと発生汚泥のポテンシャルがある。 流入汚

×流入 CODcr 濃度 （kg/m3） ×発電効率 0.13 （kWh/

水の ポテンシャルは年間 214 億 kWh と 試算さ れ、 発生汚泥kg—CODcr）のポテンシャル年間 112 億 kWh の 2 倍程度ある。 これまでは、

2） 水処理に係る電力削減量

発生汚泥のポテンシャルに着目し、 消化ガス発電が実施され、MFC 導入に よる水処理に係る使用電力削減量は、 年間のエネルギーの再利用が図られてき た。 しかし、 発生汚泥の 2水処理に係る電力消費量に実験結果より得られた MFC による倍程度と試算される流入下水のポテンシャルは利用されておら有機物除去率 （接続抵抗 27 Ω、 滞留時間 12 時間） を乗じ5微生物燃料電池を用いた発電型水処理技術の開発て以下の式で算定し、 年間 6.7 億 kWh と試算される。
水処理に係る電力削減量 （kWh/ 年） ＝ 水処理に係る電力消費量 （kWh/ 年） × MFC による有機物除去率 0.19●

本研究では、 MFC を下水処理場に設置し、 生産電力や有機物除去性能に関する試験を実施することにより、 下水処理水処理に係る電力消費量 ： 3,532,389,146 kWh/ 年 （H場への導入可能性を検討した。 また、 全国の下水処理場へ

28 年度 下水道統計 処理場・電力使用量・水処理 ）MFC を導入した際のエネルギーポテンシャルを算定し、 以下

MFC による有機物除去率 ： 0.19 （実験値）のことが言えた。

1）●

5． まとめ

処理能力に余裕のある施設は、 平成 28 年度時点で 20 ～51% 程度存在し、 今後も、 人口減少等により流入汚水量がさ（3） 消化ガス発電による発電量
汚泥資源の有効活用として消化ガス発電が実施されており、平成 28 年度の実績は、 2.3 億 kWh と なっている。 この技術らに減少し、 MFC が設置可能な余裕のある処理施設が増えてくることが予想される。

を全国の下水処理場に適用した場合には、 消化ガス発生量にMFC を導入した際、 MFC の発電量と使用電力削減量と消発電効率等を乗じて以下の式で算定でき、 年間 22 億 kWh と化ガス発電の汚泥からの発電量と併せると、 下水処理場の使試算される。

用電力量の約 5 割を賄えるポテンシャルを持っていることが明

消化ガス発電量 （kWh/ 年） = 消化ガス発生量 （Nm /3年） × 22 × 1/3.6 × 0.35●

MFC は、 国土交通省の平成 30 年度の下水道技術 ビ ジョ

消化ガス発生量：10.4 億 Nm / 年 （下水汚泥エネルギーン ・ ロードマップ重点課題として掲げられ、 実用化が期待され化技術ガイドライン p.141 より算出）る技術である。 また、 本技術は、 下水道分野以外に も有機性

消化ガス低位発電量 ： 22MJ/ m （設計指針 2009 年版

で比較的濃度の高い 排水が排出される食料品製造業、 化学p.359 5））工業、 畜産等の業種への適用も望まれる。

34）

●

●

らかになった。

3

発電効率 ： 0.35 （水環境マネジメ ント検討会報告書
H25.3 p.28 6））

参考文献
1） 公益社団法人 日本下水道協会（2017）：平成28年度版 下水道（4） 結果および考察
下水道の電力ポテンシャルは、 汚水で 214 億 kWh、 汚泥で 112 億 kWh と試算される。 全国の下水処理場における電力使用量は、 平成 28 年度実績で約 66 億 kWh である ことから、 下水処理場は使用電力を上回る電力ポテンシャル を有している。
MFC の導入により、 生産電力量が年間 8.0 億 kWh、 使用電力量の削減が 6.7 億 kWh と 試算され、 合計 14.7 億 kWhの電力削減が見込まれる。 これは、 下水処理場の電力使用量の 22% に相当する。 一方、 消化ガス発電で は、 年間 22 億kWh と試算され、 下水処理場の電力使用量の 33% に相当する。 以上より、 MFC の導入と消化ガス発電の導入により、 下水処理場の電力量の約 5 割を賄えることになる （図－ 15）。

図－ 15 MFC 導入後のエネルギーポテンシャル

6統計2） 日本下水道事業団 （2006）： 活性汚泥モデルの実務利用の技術評価に関する報告書
3） 国土交通省（2015）： 流域別下水道整備総合計画調査
指針と解説 平成 27 年 1 月
4） 国土交通省 （2017 ） ： 下水汚泥 エネル ギー化 技術 ガ イ ド ラ イ ン―平成29 年版―
5） 社団法人 日本下水道協会（2009）：下水道施設計画・設計指針と解説 ― 2009 年版―
6） 国土交通省（2013）：水環境マネジメント報告書 平成25年 3月