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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-15
(45)【発行日】2023-12-25
(54)【発明の名称】排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システム
(51)【国際特許分類】
C02F 1/461 20230101AFI20231218BHJP
C02F 11/06 20060101ALI20231218BHJP
B01D 53/62 20060101ALI20231218BHJP
B01D 53/78 20060101ALI20231218BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20231218BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20231218BHJP
【ＦＩ】
C02F1/461 Z ZAB
C02F11/06 B
B01D53/62
B01D53/78
H01M8/04 Z
H01M8/00 Z
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020006286
(22)【出願日】2020-01-17
(65)【公開番号】P2021112705
(43)【公開日】2021-08-05
【審査請求日】2022-10-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002826
【氏名又は名称】弁理士法人雄渾
(72)【発明者】
【氏名】清川 達則
【審査官】高橋 成典
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１５３１１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３４２４１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１６０４５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５０４６１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－９０２３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１３－５１７１２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２３６７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－３３８８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１７６６２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１１７９９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０２Ｆ １／４６ － １／４８
３／００ － ３／３４
１１／００ － １１／２０
１／５８ － １／６４
Ｈ０１Ｍ ８／００ － ８／０２９７
８／０８ － ８／２４９５
８／０４ － ８／０６６８
Ｂ０１Ｊ １０／００ － １２／０２
１４／００ － １９／３２
Ｂ０１Ｄ ５３／３４ － ５３／８５
５３／９２
５３／９６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被処理水に対する処理を行う排水処理装置であって、前記被処理水が処理された後の処理水とアノード側の電極を接触させ、発電を行う発電部と、
燃焼装置で生じた排ガスを、前記発電部のカソード側へ供給する排ガス供給手段と、
電子受容体を、前記発電部のカソード側へ供給する電子受容体供給手段と、を備え、
前記処理水は、硫化水素または硫化水素イオンを含むことを特徴とする、排水処理装置。
【請求項2】
前記排ガスの温度を調整する温度調整機構を備えることを特徴とする、請求項１に記載の排水処理装置。
【請求項3】
前記温度調整機構は、前記排ガスの温度を１００度以下に調整することを特徴とする、請求項２に記載の排水処理装置。
【請求項4】
前記燃焼装置は、排水処理で生じた汚泥を焼却するものであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の排水処理装置。
【請求項5】
被処理水に対する処理を行う排水処理方法であって、前記被処理水が処理された後の処理水とアノード側の電極を接触させ、発電を行う発電工程と、
電子受容体および燃焼装置で生じた排ガスを、前記発電工程のカソード側へ供給する供給工程と、を備え、
前記処理水は、硫化水素または硫化水素イオンを含むことを特徴とする、排水処理方法。
【請求項6】
請求項１から４のいずれか一項に記載の排水処理装置と、
燃焼装置と、を備える処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排水処理装置及び排水処理方法に関するものである。また、本発明は、排水処理装置と燃焼装置を備える処理システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
被処理水を処理する排水処理としては、様々な処理方法が知られている。このような排水処理は、被処理水に含まれる成分や、排出される被処理水の量などのように、被処理水自体に係る物性上の特徴や、処理効率とコストのバランスなどのように、排水処理を実施するための設備や運用に係る特徴などを考慮し、処理方法が選択されている。
また、排水処理においては、異なる排水処理方法を複数組み合わせることで、排水処理の効率化を図ることが行われている。
また、排水処理においては、異なる排水処理方法を複数組み合わせることで、排水処理の効率化を図ることが行われている。
【0003】
例えば、特許文献１には、有機物を含む被処理水の処理として、被処理水中に一対の電極を浸漬し、電気化学処理を行った後、被処理水を生物処理する排水処理について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００４－３３０１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載されるように、電気化学処理と生物処理とを組み合わせた排水処理においては、それぞれの処理ごとに反応効率のよい反応を進行させ、排水処理全体としての処理効率を向上させることが可能となる。その一方で、一般的に、電気化学処理は電力消費に係るランニングコストの負担が大きいという課題がある。特許文献１に記載された排水処理では、電気化学処理単独よりはランニングコストの低減が可能とされている。しかしながら、特許文献１に記載された排水処理では、排水処理の系外から電気化学処理及び生物処理に係るエネルギーを供給する必要がある。したがって、排水処理時における更なる省エネルギー化が求められている。
【0006】
近年、排水処理時における設備駆動電力を抑え、省エネルギー化に優れるものとするために、排水処理の工程上でエネルギーの回収・利用が可能な技術が検討されている。
このような技術の一つとして、生物処理により発生したバイオガスを利用したエネルギーの回収が行われているが、バイオガスの貯留・精製設備や、バイオガスの燃焼により得られた熱エネルギーをガスエンジンやガスタービンを介して電気エネルギーに変換する設備など、付帯設備が必要となる。したがって、排水処理において、より簡便かつ効率的にエネルギーを回収・利用する技術が求められている。
このような技術の一つとして、生物処理により発生したバイオガスを利用したエネルギーの回収が行われているが、バイオガスの貯留・精製設備や、バイオガスの燃焼により得られた熱エネルギーをガスエンジンやガスタービンを介して電気エネルギーに変換する設備など、付帯設備が必要となる。したがって、排水処理において、より簡便かつ効率的にエネルギーを回収・利用する技術が求められている。
【0007】
排水処理においてエネルギーを簡便かつ効率的に回収する技術としては、排水処理工程上に電極を設け、電極反応により直接電気エネルギーを回収することが考えられる。この際、電極反応によるエネルギー回収と同時に、処理水に対する電気化学処理を行うことができ、排水処理の効率向上と省エネルギー化の実現が期待できる。
【0008】
一方、本発明者らは、排水処理工程上に電極を設けて電極反応を行う際、カソード側のｐＨ上昇が生じ、電極反応効率が低下するという課題があることを見出した。
【0009】
本発明の課題は、排水処理において、電極反応によるエネルギーの回収・利用を可能とするとともに、電極反応効率の低下を抑制することができる排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、排水処理において、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて発電（電極反応）を行うことにより、効率的なエネルギーの回収・利用が可能となること、及び、燃焼装置からの排ガスを供給することで、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制し、電極反応の効率低下を抑制することが可能となることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムである。
すなわち、本発明は、以下の排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムである。
【0011】
上記課題を解決するための本発明の排水処理装置は、被処理水に対する処理を行う排水処理装置であって、被処理水が処理された後の処理水と電極を接触させ、発電を行う発電部と、燃焼装置で生じた排ガスを、発電部へ供給する供給手段とを備えるという特徴を有する。
【0012】
本発明の排水処理装置は、排水処理装置に電極を用いた発電部を設置することで、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給手段を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
【0013】
また、本発明の排水処理装置の一実施態様としては、燃焼装置は、排水処理で生じた汚泥を焼却するものであるという特徴を有する。
この特徴によれば、燃焼対象を容易に得ることができるとともに、汚泥処理に係る既設の燃焼装置を利用することができる。これにより、本発明の排水処理装置のために、新たに燃焼装置を設ける必要がなく、イニシャルコストを大幅に低減することが可能となる。
この特徴によれば、燃焼対象を容易に得ることができるとともに、汚泥処理に係る既設の燃焼装置を利用することができる。これにより、本発明の排水処理装置のために、新たに燃焼装置を設ける必要がなく、イニシャルコストを大幅に低減することが可能となる。
【0014】
また、本発明の排水処理装置の一実施態様としては、排ガスの温度を調整する温度調整機構を備えるという特徴を有する。
この特徴によれば、発電部へ供給する排ガスの温度を調整することができ、熱による電極の劣化や電解質溶液の蒸発（気化）による減少など、発電に係る不具合の発生を抑制することが可能となる。
この特徴によれば、発電部へ供給する排ガスの温度を調整することができ、熱による電極の劣化や電解質溶液の蒸発（気化）による減少など、発電に係る不具合の発生を抑制することが可能となる。
【0015】
また、上記課題を解決するための本発明の排水処理方法としては、被処理水に対する処理を行う排水処理方法であって、被処理水が処理された後の処理水と電極を接触させ、発電を行う発電工程と、燃焼装置で生じた排ガスを、発電工程へ供給する供給工程とを備えるという特徴を有する。
本発明の排水処理方法は、排水処理において電極を用いた発電工程を設けることで、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給工程を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
本発明の排水処理方法は、排水処理において電極を用いた発電工程を設けることで、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給工程を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
【0016】
また、上記課題を解決するための本発明の処理システムとしては、被処理水に対する処理を行う排水処理装置と、物質の燃焼を行う燃焼装置と、を備える処理システムであって、排水処理装置は、被処理水が処理された後の処理水と電極を接触させ、発電を行う発電部と、燃焼装置で生じた排ガスを、発電部へ供給する供給手段とを備えるという特徴を有する。
本発明の処理システムは、排水処理装置と燃焼装置とを備え、排水処理装置には電極を用いた発電部を設置することで、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給手段を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、処理システムとして発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
本発明の処理システムは、排水処理装置と燃焼装置とを備え、排水処理装置には電極を用いた発電部を設置することで、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給手段を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、処理システムとして発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、排水処理において、電極反応によるエネルギーの回収・利用を可能とするとともに、電極反応効率の低下を抑制することができる排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の第１の実施態様における排水処理装置の概略説明図である。
【図2】本発明の第１の実施態様の排水処理装置における供給手段を示す概略説明図である。
【図3】本発明の第１の実施態様の排水処理装置における供給手段の別態様を示す概略説明図である。
【図4】本発明の第２の実施態様における排水処理装置の概略説明図である。
【図5】本発明の第２の実施態様における排水処理装置の別態様を示す概略説明図である。
【図6】本発明の第３の実施態様における排水処理装置の概略説明図である。
【図7】本発明の第４の実施態様における処理システムの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムの実施態様を詳細に説明する。本発明における排水処理方法は、本発明における排水処理装置の作動の説明に置き換えるものとする。
なお、実施態様に記載する排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムについては、本発明に係る排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムを説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。
なお、実施態様に記載する排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムについては、本発明に係る排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムを説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。
【0020】
本発明の排水処理装置及び処理システムにおいて、処理対象である被処理水は、処理を経ることで電極反応が可能な物質を生成するものであれば特に限定されない。電極反応が可能な物質としては、例えば、還元性物質が挙げられる。また、具体的な被処理水の例としては、例えば、食品工場、化学工場、紙パルプ工場等の各種工場から排出される工業排水や、下水などの生活排水などが挙げられる。なお、以下の実施態様においては、被処理水として、処理を経ることで還元性物質が生成するものについて主に説明するが、これに限定されるものではない。
【0021】
また、本発明において、被処理水中に含まれる還元性物質とは、電子供与体として機能するものであればよく、特に限定されない。ある物質が電子供与体として機能するか否かは、電子受容体として機能する物質（以下、単に「電子受容体」と呼ぶ）との組み合わせによって相対的に決まるものである。つまり、本発明における還元性物質は、電子受容体よりも電子を放出しやすいもの、すなわち電子受容体よりも酸化還元電位が低いものとすることが挙げられる。例えば、電子受容体として酸素を用いた場合、本発明における還元性物質は、酸素よりも酸化還元電位が低いものであればよく、このような還元性物質としては、硫化水素、水素、アンモニアなどが挙げられる。
【0022】
〔第１の実施態様〕
［排水処理装置］
図１は、本発明の第１の実施態様における排水処理装置の構造を示す概略説明図である。
本実施態様における排水処理装置１Ａは、図１に示すように、処理槽２と、発電部３と、供給手段４とを備えるものである。また、排水処理装置１Ａは、処理槽２に被処理水Ｗを導入する導入配管Ｌ１と、処理槽２と発電部３を接続し、処理槽２で被処理水Ｗが処理された後の処理水Ｗ１を発電部３に供給する接続配管Ｌ２と、電極反応後の処理水Ｗ２を発電部３から排出する排出配管Ｌ３とを備えている。さらに、排出配管Ｌ３の後段には、反応槽５が接続されている。
［排水処理装置］
図１は、本発明の第１の実施態様における排水処理装置の構造を示す概略説明図である。
本実施態様における排水処理装置１Ａは、図１に示すように、処理槽２と、発電部３と、供給手段４とを備えるものである。また、排水処理装置１Ａは、処理槽２に被処理水Ｗを導入する導入配管Ｌ１と、処理槽２と発電部３を接続し、処理槽２で被処理水Ｗが処理された後の処理水Ｗ１を発電部３に供給する接続配管Ｌ２と、電極反応後の処理水Ｗ２を発電部３から排出する排出配管Ｌ３とを備えている。さらに、排出配管Ｌ３の後段には、反応槽５が接続されている。
【0023】
（処理槽）
処理槽２は、被処理水Ｗに対して処理を行うための槽である。
処理槽２で行う処理は、被処理水Ｗ中に含まれる処理対象に合った処理であり、処理後の処理水Ｗ１中に還元性物質を含むものであれば、特に制限されない。例えば、生物処理、化学処理（薬剤添加、オゾン処理など）などが挙げられるが、人体に対して有害な物質の使用及び生成を伴うことがなく、かつ比較的低コスト処理が可能な生物処理とすることが望ましい。
さらに、生物処理としては、例えば、嫌気的な環境下での生物処理（嫌気処理）として、酸生成菌及びメタン生成菌によるメタン発酵や、脱窒菌により硝酸・亜硝酸の還元を行う脱窒処理や、硫酸還元菌により硫酸の還元を行う硫酸還元処理等が挙げられる。また、好気的な環境下での生物処理（好気処理）として、活性汚泥を用いる活性汚泥処理などが挙げられる。なお、生物処理としては、曝気動力が不要で、余剰汚泥がほとんど発生しないことなど、導入のメリットが高いことから、嫌気処理が好ましい。さらに、処理コストや生成ガスの有用性の観点から、メタンを生成するメタン発酵が特に好ましい。
処理槽２は、被処理水Ｗに対して処理を行うための槽である。
処理槽２で行う処理は、被処理水Ｗ中に含まれる処理対象に合った処理であり、処理後の処理水Ｗ１中に還元性物質を含むものであれば、特に制限されない。例えば、生物処理、化学処理（薬剤添加、オゾン処理など）などが挙げられるが、人体に対して有害な物質の使用及び生成を伴うことがなく、かつ比較的低コスト処理が可能な生物処理とすることが望ましい。
さらに、生物処理としては、例えば、嫌気的な環境下での生物処理（嫌気処理）として、酸生成菌及びメタン生成菌によるメタン発酵や、脱窒菌により硝酸・亜硝酸の還元を行う脱窒処理や、硫酸還元菌により硫酸の還元を行う硫酸還元処理等が挙げられる。また、好気的な環境下での生物処理（好気処理）として、活性汚泥を用いる活性汚泥処理などが挙げられる。なお、生物処理としては、曝気動力が不要で、余剰汚泥がほとんど発生しないことなど、導入のメリットが高いことから、嫌気処理が好ましい。さらに、処理コストや生成ガスの有用性の観点から、メタンを生成するメタン発酵が特に好ましい。
【0024】
処理槽２において、嫌気処理のうち、特にメタン発酵を行う場合、被処理水Ｗ中には、メタンのほか、硫化水素、水素、アンモニア等が生成する。なお、これら生成物は、本発明における還元性物質に相当するものである。
【0025】
処理槽２で処理された被処理水Ｗは還元性物質を含有する処理水Ｗ１となり、接続配管Ｌ２を介して、発電部３へ導入される。
【0026】
（発電部）
発電部３は、処理水Ｗ１中の還元性物質を電子供与体として発電を行うためのものである。
本実施態様の発電部３は、図１に示すように、処理槽２の後段に設けられ、第１のセル３１ａ及び第２のセル３１ｂと、セル３１ａ、３１ｂの間を仕切るように設けられたイオン交換体３５と、セル３１ａ、３１ｂにそれぞれ配置された電極３３ａ、３３ｂとを備えている。ここで、第１のセル３１ａは、処理槽２から接続配管Ｌ２を介して導入された処理水Ｗ１が電極３３ａに接触するように形成されており、第１のセル３１ａに配置された電極３３ａはアノードとして機能する。一方、第２のセル３１ｂは、電子受容体を貯留ないしは供給するように形成されており、第２のセル３１ｂに配置された電極３３ｂはカソードとして機能する。また、電極３３ａ、３３ｂは導線により外部回路と接続されている（不図示）。これにより、発電部３において、還元性物質が電子供与体として作用することで発生する電気エネルギーの回収及び利用が可能となる。
発電部３は、処理水Ｗ１中の還元性物質を電子供与体として発電を行うためのものである。
本実施態様の発電部３は、図１に示すように、処理槽２の後段に設けられ、第１のセル３１ａ及び第２のセル３１ｂと、セル３１ａ、３１ｂの間を仕切るように設けられたイオン交換体３５と、セル３１ａ、３１ｂにそれぞれ配置された電極３３ａ、３３ｂとを備えている。ここで、第１のセル３１ａは、処理槽２から接続配管Ｌ２を介して導入された処理水Ｗ１が電極３３ａに接触するように形成されており、第１のセル３１ａに配置された電極３３ａはアノードとして機能する。一方、第２のセル３１ｂは、電子受容体を貯留ないしは供給するように形成されており、第２のセル３１ｂに配置された電極３３ｂはカソードとして機能する。また、電極３３ａ、３３ｂは導線により外部回路と接続されている（不図示）。これにより、発電部３において、還元性物質が電子供与体として作用することで発生する電気エネルギーの回収及び利用が可能となる。
【0027】
第１のセル３１ａは、電極３３ａを備え、処理水Ｗ１が電極３３ａに接触するように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。例えば、図１に示すように、接続配管Ｌ２を介して処理水導入口３２ａから導入された処理水Ｗ１を一時的に貯留可能なスペースを有し、電極３３ａに接触した後の処理水Ｗ２を処理水排出口３２ｂから排出するための排出配管Ｌ３を備えるものとすること等が挙げられる。これにより、処理水Ｗ１中の還元性物質は電子供与体として電極３３ａに電子を供与した後、排出配管Ｌ３を介して速やかに排出される。
なお、接続配管Ｌ２及び／又は排出配管Ｌ３に、バルブ等の流量調整機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａに接触させる処理水Ｗ１の量及び流速を調整し、電極３３ａに対する物質移動速度を制御することが可能となる。
なお、接続配管Ｌ２及び／又は排出配管Ｌ３に、バルブ等の流量調整機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａに接触させる処理水Ｗ１の量及び流速を調整し、電極３３ａに対する物質移動速度を制御することが可能となる。
【0028】
排出配管Ｌ３を介して排出された処理水Ｗ２は、河川などへの放流が可能な水質を満たすものであれば、そのまま放流することが可能である。また、排出配管Ｌ３の後段に、処理水Ｗ２を更に処理するための反応槽５を設け、処理水Ｗ３として系外へ排出するものとしてもよい。反応槽５としては、処理水Ｗ２が系外あるいは河川への放流が可能な水質となるように処理できるものであれば特に限定されない。例えば、曝気槽やｐＨ調整槽などが挙げられる。
【0029】
第２のセル３１ｂは、電極３３ｂを備え、処理水Ｗ１中の還元性物質に対する電子受容体を貯留ないしは供給するように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。
【0030】
ここで、電子受容体の形態は、気体、液体のいずれであってもよい。なお、液体としては、固体薬剤を溶解させた溶液であってもよく、気体を混合（溶解）させた溶液であってもよい。
特に、電極３３ｂを配置する第２のセル３１ｂ内は電子受容体の溶液で満たすものとすることが挙げられる。これにより、後述する供給手段４による電極反応効率の低下を抑制する機能が効果的に発揮される。
特に、電極３３ｂを配置する第２のセル３１ｂ内は電子受容体の溶液で満たすものとすることが挙げられる。これにより、後述する供給手段４による電極反応効率の低下を抑制する機能が効果的に発揮される。
【0031】
本実施態様において電子受容体の具体的な例については、例えば、気体としては、酸素及び酸素を含む気体が挙げられる。なお、酸素を含む気体とは、空気のように混合物として酸素を含むものや、二酸化炭素のように化合物を構成する元素として酸素を含むものが挙げられる。電子受容体として気体を用いた場合、反応後に排出したものの処理が不要（あるいは容易）であることや、入手に係るコストを低減できるという利点がある。なお、これらの利点を最大限活用するためには、電子受容体として、空気を用いることが特に好ましい。
また、本実施態様において電子受容体の他の例としては、例えば、液体として、溶存酸素を含む溶液や、フェリシアン化カリウム水溶液のような酸化剤の水溶液等が挙げられる。電子受容体として液体を用いた場合、電子受容体として効果の高い化合物（酸化剤）の取り扱いが容易となるため、発電効率をより向上させることができるという利点がある。なお、発電効率を向上させるという観点からすると、電子受容体としては、フェリシアン化カリウム水溶液を用いることが特に好ましい。
また、本実施態様において電子受容体の他の例としては、例えば、液体として、溶存酸素を含む溶液や、フェリシアン化カリウム水溶液のような酸化剤の水溶液等が挙げられる。電子受容体として液体を用いた場合、電子受容体として効果の高い化合物（酸化剤）の取り扱いが容易となるため、発電効率をより向上させることができるという利点がある。なお、発電効率を向上させるという観点からすると、電子受容体としては、フェリシアン化カリウム水溶液を用いることが特に好ましい。
【0032】
第２のセル３１ｂとしては、例えば、図１に示すように、第２のセル３１ｂに、液体を貯留可能なスペースを設け、電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂとして、それぞれ電子受容体の溶液の供給及び反応後の溶液の排出が可能なものを設けることが挙げられる。また、第２のセル３１ｂの他の例としては、第２のセル３１ｂに、気体状の電子受容体（酸素、空気など）を電極３３ｂに対して供給するために、気体を供給するための電子受容体供給口３４ａ及び反応後の気体を排出するための電子受容体排出口３４ｂを設けることが挙げられる。これにより、電極３３ａからの電子を、電極３３ｂを介して電子受容体が受け取ることができ、電極３３ａと電極３３ｂの間に電流が流れて発電が行われる。また、反応後の電子受容体は電子受容体排出口３４ｂを介して速やかに発電部３の外部に排出される。
なお、電子受容体供給口３４ａ及び／又は電子受容体排出口３４ｂにバルブ等の流量調整機構を設け、第２のセル３１ｂにおける電子受容体の濃度を調整できるものとしてもよい。さらに、電極３３ａにおける反応により生成した電子量に応じた電子受容体濃度が維持されるように流量調整機構を制御する制御機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａ及び電極３３ｂ間の電子移動に係る反応効率の低下を抑制し、発電効率の低下を抑制することが可能となる。
なお、電子受容体供給口３４ａ及び／又は電子受容体排出口３４ｂにバルブ等の流量調整機構を設け、第２のセル３１ｂにおける電子受容体の濃度を調整できるものとしてもよい。さらに、電極３３ａにおける反応により生成した電子量に応じた電子受容体濃度が維持されるように流量調整機構を制御する制御機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａ及び電極３３ｂ間の電子移動に係る反応効率の低下を抑制し、発電効率の低下を抑制することが可能となる。
【0033】
図１において、電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂは、それぞれ１つずつ設けたものを示しているが、これに限定されるものではない。例えば、電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂを複数設けるものとしてもよい。特に、電子受容体として酸素を含む気体を用いた場合、電極３３ｂにおける反応によって水が生成する。したがって、電子受容体排出口３４ｂを複数設ける場合、例えば、気体を排出するものと液体を排出するものをそれぞれ分けて設けること等が挙げられる。
【0034】
イオン交換体３５は、イオンを透過することのできる公知の構成であればよく、特に限定するものではない。特に、電極３３ａ（アノード側）で発生する水素イオンを透過することのできる陽イオン交換膜とすることが挙げられる。これにより、電極３３ａ（アノード側）から電極３３ｂ（カソード側）へ水素イオンが移動することで、電極３３ｂでの電子受容体の反応効率を高めることができ、発電効率を向上させることができる。また、イオン交換体３５は、酸素透過性が低いものとすることがより好ましい。これにより、電極３３ｂ（カソード側）に供給される電子受容体（特に酸素）が電極３３ａ側に移動することを抑制し、電極３３ａにおける電子供与体の反応効率が酸素により低下することを抑制することが可能となる。
なお、図１において、イオン交換体３５は、電極３３ａ及び電極３３ｂと別体として設けるものを示しているが、これに限定されるものではない。例えば、イオン交換能を有する材料と電極３３ａ及び／又は電極３３ｂを一体とすること等が挙げられる。これにより、発電部３全体を小型化することが可能となるとともに、メンテナンス作業に係る時間短縮が可能となる。
なお、図１において、イオン交換体３５は、電極３３ａ及び電極３３ｂと別体として設けるものを示しているが、これに限定されるものではない。例えば、イオン交換能を有する材料と電極３３ａ及び／又は電極３３ｂを一体とすること等が挙げられる。これにより、発電部３全体を小型化することが可能となるとともに、メンテナンス作業に係る時間短縮が可能となる。
【0035】
電極３３ａは、処理水Ｗ１中の還元性物質から電子を回収する電極であり、いわゆるアノードとして機能するものである。また、本実施態様における電極３３ａは、処理槽２で処理された後の処理水Ｗ１と接触するように第１のセル３１ａ内に配置されている。
【0036】
電極３３ａとしては、アノードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極３３ａの材質及び形状については、材料調達や加工に係るコスト、電極３３ａにおける還元性物質の反応効率などを鑑みて、適宜選択することができる。電極３３ａの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（ステンレス、白金、銅等）が挙げられる。また、電極３３ａの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ａとしては、発電効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ａとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ａとしては、発電効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ａとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
【0037】
電極３３ｂは、電極３３ａの対極であって、電子受容体へ電子を受け渡す電極であり、いわゆるカソードとして機能するものである。また、本実施態様における電極３３ｂは、第２のセル３１ｂ内に配置されている。
【0038】
電極３３ｂとしては、カソードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極３３ｂの材質及び形状については、材料調達や加工に係るコスト、電極３３ｂにおける電子受容体の反応効率などを鑑みて、適宜選択することができる。電極３３ｂの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（ステンレス、白金、銅等）が挙げられる。また、電極３３ｂの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ｂとしては、発電効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ｂとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ｂとしては、発電効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ｂとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
【0039】
第２のセル３１ｂ内に供給される電子受容体が気体（空気）である場合、電極３３ｂは、一方の面は気体と接するが、もう一方の面は処理水Ｗ１と接する。このため、電極３３ｂは、いわゆるエアカソードとして適した形態とすることが好ましい。エアカソードとして適した形態としては、例えば、気体透過性と不透水性の両方の性質を備えることが挙げられる。電極３３ｂが気体透過性を備えた形態とすることにより、電子受容体である気体を電極３３ｂで効果的に反応させることが可能となる。また、電極３３ｂが不透水性を備えることにより、第１のセル３１ａ内の処理水Ｗ１が電極３３ｂを透過し、第２のセル３１ｂ内に流入することを抑制することが可能となる。このような電極３３ｂの具体例としては、炭素繊維からなるものや、金属メッシュ表面に対して気体透過性及び不透水性を有する材料の塗布あるいはフィルムの積層等の表面処理を行ったもの等が挙げられる。なお、ここでの不透水性とは、水を通さないことを指し、例えば、電極３３ｂを防水化、撥水化、疎水化、あるいは止水化することについても、不透水性を備えることに含まれるものである。
【0040】
以下、排水処理装置における発電について詳細に説明する。
図１に基づき、本発明の第１の実施態様の排水処理装置における発電に係る反応及び工程を説明する。本実施態様の配管における発電に係る反応及び工程は、被処理水Ｗを嫌気処理することで生成した還元性物質を電子供与体として用い、酸素や酸化剤を含む溶液を電子受容体として用いるものについて説明するものである。
なお、図１に基づく反応及び工程に係る説明は、本実施態様における発電の一例について示すものであり、これに限定されるものではない。また、以下の説明は、処理槽２から発電部３に係る反応及び工程について述べたものであり、その他の構成（導入配管Ｌ１、排出配管Ｌ３及び反応槽５など）に係る反応及び工程については説明を省略している。さらに、反応Ｒ１～Ｒ４及び工程Ｓ１～Ｓ３の表記については、説明のために番号を付したものであり、反応及び工程順序を特定するものではない。
図１に基づき、本発明の第１の実施態様の排水処理装置における発電に係る反応及び工程を説明する。本実施態様の配管における発電に係る反応及び工程は、被処理水Ｗを嫌気処理することで生成した還元性物質を電子供与体として用い、酸素や酸化剤を含む溶液を電子受容体として用いるものについて説明するものである。
なお、図１に基づく反応及び工程に係る説明は、本実施態様における発電の一例について示すものであり、これに限定されるものではない。また、以下の説明は、処理槽２から発電部３に係る反応及び工程について述べたものであり、その他の構成（導入配管Ｌ１、排出配管Ｌ３及び反応槽５など）に係る反応及び工程については説明を省略している。さらに、反応Ｒ１～Ｒ４及び工程Ｓ１～Ｓ３の表記については、説明のために番号を付したものであり、反応及び工程順序を特定するものではない。
【0041】
図１に示すように、処理槽２に導入された被処理水Ｗは、処理槽２内の嫌気性微生物（酸生成菌及びメタン生成菌）により嫌気処理される（工程Ｓ１）。このとき、メタンのほかに、還元性物質（水素、硫化水素、アンモニア等）が生成する。
【0042】
処理槽２で処理され、還元性物質を含む処理水Ｗ１は、接続配管Ｌ２を介して発電部３における第１のセル３１ａ内に導入される（工程Ｓ２）。ここで、還元性物質（水素、硫化水素、アンモニア等）が電極３３ａに接触することで、還元性物質が電子供与体として機能し、電極３３ａへ電子が供与される。このとき、電子供与体として機能する還元性物質として、硫化水素を例にとると、電極３３ａにおける反応（反応Ｒ１）は、以下の反応式（式１）で示される。
【数1】
【0043】
また、硫化水素の一部は硫化水素イオンとして反応する。このときの反応は、以下の反応式（式２）で示される。
【数2】
【0044】
式１及び式２で示されるように、反応Ｒ１において、処理槽２で処理された後の処理水Ｗ１に含まれる硫化水素は電極３３ａに電子を供与するとともに、硫化水素自身は酸化処理されることで無害化、無臭化する。このため、本実施態様の排水処理装置は、発電とともに、脱硫・脱臭が可能となるという効果も奏する。なお、硫化水素以外の有害物質・臭気物質である還元性物質（アンモニア等）についても、同様に電子供与体として機能し、反応が進行することで、無害化・無臭化が可能になる。
【0045】
式１及び式２に示された反応式に基づき、電極３３ａにおける反応が進行した後、電子は電極３３ａから導線を介して電極３３ｂへ移動する（反応Ｒ２）。なお、このとき、電極３３ａにおける反応で生成した水素イオンは、イオン交換体３５を介して第２のセル３１ｂ側へ移動する（反応Ｒ３）。
【0046】
一方、第２のセル３１ｂには、電子受容体供給口３４ａから電子受容体（溶液）を導入する（工程Ｓ３）。ここで、反応Ｒ２により、電極３３ａから電極３３ｂに移動した電子を、電極３３ｂを介して電子受容体が受け取る。また、このとき、反応Ｒ３により、イオン交換体３５を介して第２のセル３１ｂ側に移動した水素イオンも電子受容体と反応する。このときの電極３３ｂにおける反応（反応Ｒ４）は、以下の反応式（式３）で示される。なお、式３における酸素が、電子受容体に相当する。
【数3】
【0047】
上述した反応Ｒ１～Ｒ４及び工程Ｓ１～Ｓ３に基づき、電極３３ａと電極３３ｂの間に電流が流れる。これにより、本実施態様の排水処理装置における発電が行われる。
また、発電により得られた電気エネルギーは、電極３３ａ及び電極３３ｂに接続した外部回路を通じて回収・利用することができる。なお、電気エネルギーの利用については、特に限定されない。例えば、排水処理装置の設備駆動に用いるものであってもよく、排水処理装置外で利用するものであってもよい。
また、発電により得られた電気エネルギーは、電極３３ａ及び電極３３ｂに接続した外部回路を通じて回収・利用することができる。なお、電気エネルギーの利用については、特に限定されない。例えば、排水処理装置の設備駆動に用いるものであってもよく、排水処理装置外で利用するものであってもよい。
【0048】
本実施態様の排水処理装置における電極反応では、反応Ｒ３によりカソード側に水素イオン（Ｈ＋）が移動することで、式３に基づく反応Ｒ４が進行する。しかし、反応Ｒ３ではイオン交換体３５を介して水素イオンが移動するため、カソード側である電極３３ｂに対し、式３に基づく反応における十分な水素イオンが供給される前に、電極反応が進行することがある。このとき、電極３３ｂでは、式３に基づく水（Ｈ２Ｏ）を生成する反応ではなく、水酸化物イオン（ＯＨ－）が生成する反応が進行し、電極３３ｂ（カソード側）ではｐＨ上昇が起こる。これにより、電極反応（発電）効率が低下するという問題が生じる。
【0049】
このため、本実施態様における排水処理装置１Ａに、発電部３におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制するための手段を設けることが好ましい。ｐＨ上昇を抑制する手段としては、例えば、酸性成分を添加することが挙げられる。ここで、ｐＨ上昇を抑制する手段としては、薬剤として酸性成分を添加する手段を新設すること以外に、より好ましい例として、既設装置等から排出される排出物を活用できる構成とすることが挙げられる。これにより、排水処理装置１Ａの省コスト化や省エネルギー化が可能となる。
既設装置等から排出される排出物を活用し、ｐＨ上昇を抑制する手段としては、例えば、各種燃焼装置で生じた排ガスを排水処理装置１Ａに供給することが挙げられる。燃焼装置で生じた排ガスには、二酸化炭素（ＣＯ２）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）などが含まれており、これらの排ガス成分は水溶液に溶解すると酸性を示すことが知られている。したがって、燃焼装置で生じた排ガスを活用することで、発電部３におけるｐＨ上昇を抑制することが可能となる。
既設装置等から排出される排出物を活用し、ｐＨ上昇を抑制する手段としては、例えば、各種燃焼装置で生じた排ガスを排水処理装置１Ａに供給することが挙げられる。燃焼装置で生じた排ガスには、二酸化炭素（ＣＯ２）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）などが含まれており、これらの排ガス成分は水溶液に溶解すると酸性を示すことが知られている。したがって、燃焼装置で生じた排ガスを活用することで、発電部３におけるｐＨ上昇を抑制することが可能となる。
【0050】
（供給手段）
供給手段４は、発電部３に対して燃焼装置で生じた排ガスを供給し、ｐＨ上昇を抑制することで、電極反応効率の低下を抑制するためのものである。
供給手段４としては、発電部３に対して燃焼装置で生じた排ガスを供給することができるものであればよく、特に限定されない。なお、本実施態様における供給手段４としては、カソード側である電極３３ｂを配した第２のセル３１ｂ内に排ガスを供給するものとすることが特に好ましい。このような供給手段４としては、第２のセル３１ｂに直接排ガスを供給するための構造を設けるものや、電子受容体とともに排ガスを供給する構造を設けるもの等が挙げられる。
供給手段４は、発電部３に対して燃焼装置で生じた排ガスを供給し、ｐＨ上昇を抑制することで、電極反応効率の低下を抑制するためのものである。
供給手段４としては、発電部３に対して燃焼装置で生じた排ガスを供給することができるものであればよく、特に限定されない。なお、本実施態様における供給手段４としては、カソード側である電極３３ｂを配した第２のセル３１ｂ内に排ガスを供給するものとすることが特に好ましい。このような供給手段４としては、第２のセル３１ｂに直接排ガスを供給するための構造を設けるものや、電子受容体とともに排ガスを供給する構造を設けるもの等が挙げられる。
【0051】
供給手段４の具体例としては、発電部３内の第２のセル３１ｂに、燃焼装置で生じた排ガスを供給する機構を直接設けることが挙げられる。
図２は、本実施態様の供給手段４として、第２のセル３１ｂに排ガスを供給する機構を直接設ける際の概略説明図である。なお、図２は、排水処理装置１Ａにおける発電部３周辺の拡大図であり、処理槽２及び反応槽５については図示を省略している。
図２は、本実施態様の供給手段４として、第２のセル３１ｂに排ガスを供給する機構を直接設ける際の概略説明図である。なお、図２は、排水処理装置１Ａにおける発電部３周辺の拡大図であり、処理槽２及び反応槽５については図示を省略している。
【0052】
図２に示すように、供給手段４として、第２のセル３１ｂに排ガス供給口４１を設け、排ガス供給口４１には、燃焼装置（不図示）で発生した排ガスを供給するための配管４２を接続することが挙げられる。ここで、図２における破線の矢印は、排ガスの流入方向を示している。また、図２では、供給手段４として、第２のセル３１ｂの上部に排ガス供給口４１を設け、排ガスを供給するものを図示しているが、これに限定されるものではない。供給手段４の他の例としては、例えば、排ガス供給口４１を第２のセル３１ｂの下部に設け、排ガスが第２のセル３１ｂ内の下方から上方に向かって上昇するように供給するものとすることなどが挙げられる。
【0053】
排ガス供給口４１及び配管４２は、気体の供給・移送に係る公知の構成を用いることができ、具体的な構造は特に限定されない。
また、配管４２は、燃焼装置で生じた排ガスを移送するためのものであればよく、燃焼装置と直接接続するものであってもよく、間接的に接続するものであってもよい。
また、配管４２は、燃焼装置で生じた排ガスを移送するためのものであればよく、燃焼装置と直接接続するものであってもよく、間接的に接続するものであってもよい。
【0054】
供給手段４としては、図２に示すように、発電部３に対し、排ガス供給口４１と配管４２を設けるものに限定されない。例えば、供給手段４として、電子受容体の貯留箇所や電子受容体を供給するライン上に配管４２を接続し、排ガスを電子受容体供給口３４ａから電極３３ｂに対して供給するものとしてもよい。これにより、排ガス供給口４１を別体として設ける必要がなくなるため、装置構成の簡略化が可能となる。
【0055】
なお、本実施態様において、供給手段４と接続する燃焼装置自体の構造や、燃焼装置で燃焼させる対象などについては特に限定されない。
燃焼装置としては、物質の燃焼を行うことができる公知の構成を用いることができる。燃焼装置としては、本実施態様における排水処理装置１Ａのために新設するものとしてもよいが、コスト面を鑑み、既設の燃焼装置を利用するものとしてもよい。例えば、ごみ焼却施設における燃焼装置のほか、バイオガス等のガス燃焼による発電施設における燃焼装置などが挙げられる。
また、燃焼装置で燃焼させる物質としては、炭素成分、硫黄成分、窒素成分の少なくとも１つ以上を含み、燃焼後に、二酸化炭素、硫黄酸化物、窒素酸化物など、水溶液に溶解することで酸性を示す成分を含む排ガスを生じるものであればよく、具体的な物質としては特に限定されない。
燃焼装置としては、物質の燃焼を行うことができる公知の構成を用いることができる。燃焼装置としては、本実施態様における排水処理装置１Ａのために新設するものとしてもよいが、コスト面を鑑み、既設の燃焼装置を利用するものとしてもよい。例えば、ごみ焼却施設における燃焼装置のほか、バイオガス等のガス燃焼による発電施設における燃焼装置などが挙げられる。
また、燃焼装置で燃焼させる物質としては、炭素成分、硫黄成分、窒素成分の少なくとも１つ以上を含み、燃焼後に、二酸化炭素、硫黄酸化物、窒素酸化物など、水溶液に溶解することで酸性を示す成分を含む排ガスを生じるものであればよく、具体的な物質としては特に限定されない。
【0056】
燃焼装置の例としては、排水処理の処理過程で生じた排出物を燃焼対象とするものが挙げられる。これにより、排水処理における一連の処理過程の中で発電を行うことに加え、電極反応（発電）効率の低下抑制に係る工程も併せて実施することが可能となる。このため、排水処理装置１Ａとして、エネルギーの回収・利用効率が向上するとともに、省コスト化が可能となる。
このような燃焼装置の具体的な例としては、例えば、排水処理で生じた汚泥を焼却するものが挙げられる。これにより、燃焼対象を容易に得ることができるとともに、汚泥処理に係る既設の燃焼装置を利用することができる。さらに、本発明の排水処理装置のために、新たに燃焼装置を設ける必要がなく、イニシャルコストを大幅に低減することが可能となる。
また、燃焼対象を汚泥とした場合、汚泥には有機物が多く含まれるため、燃焼処理により二酸化炭素を多く含む排ガスが発生する。近年、環境への影響を鑑み、二酸化炭素の排出規制が厳しくなっている。このため、二酸化炭素を含む排ガスを発電部３に供給することで、発電部３における電極反応効率の低下を抑制するとともに、二酸化炭素が発電部３内の電解質溶液に溶解するため、二酸化炭素の系外への排出を抑制することが可能となるという効果も奏する。
このような燃焼装置の具体的な例としては、例えば、排水処理で生じた汚泥を焼却するものが挙げられる。これにより、燃焼対象を容易に得ることができるとともに、汚泥処理に係る既設の燃焼装置を利用することができる。さらに、本発明の排水処理装置のために、新たに燃焼装置を設ける必要がなく、イニシャルコストを大幅に低減することが可能となる。
また、燃焼対象を汚泥とした場合、汚泥には有機物が多く含まれるため、燃焼処理により二酸化炭素を多く含む排ガスが発生する。近年、環境への影響を鑑み、二酸化炭素の排出規制が厳しくなっている。このため、二酸化炭素を含む排ガスを発電部３に供給することで、発電部３における電極反応効率の低下を抑制するとともに、二酸化炭素が発電部３内の電解質溶液に溶解するため、二酸化炭素の系外への排出を抑制することが可能となるという効果も奏する。
【0057】
本実施態様の供給手段４の別の態様としては、排ガスの温度を調整するための機構を備えるものとしてもよい。
燃焼装置で生じた排ガスの温度は、１００度を超えることもあることが知られている。一方、本実施態様における排水処理装置１Ａの発電部３は、水溶液中に配置した電極による電気化学反応を実施するものであり、１００度を超える排ガスをそのまま供給すると、電極の劣化を速めるとともに、発電部３内の電解質溶液が蒸発（気化）することで、電極反応効率の低下が生じるなど、熱による不具合が発生するおそれがある。したがって、排ガスの温度を調整し、発電部３に供給することが好ましい。
燃焼装置で生じた排ガスの温度は、１００度を超えることもあることが知られている。一方、本実施態様における排水処理装置１Ａの発電部３は、水溶液中に配置した電極による電気化学反応を実施するものであり、１００度を超える排ガスをそのまま供給すると、電極の劣化を速めるとともに、発電部３内の電解質溶液が蒸発（気化）することで、電極反応効率の低下が生じるなど、熱による不具合が発生するおそれがある。したがって、排ガスの温度を調整し、発電部３に供給することが好ましい。
【0058】
図３は、本実施態様における供給手段４として、排ガスの温度を調整する機構を設けた際の概略説明図である。なお、図３は、排水処理装置１Ａにおける発電部３周辺の拡大図であり、処理槽２及び反応槽５については図示を省略している。
【0059】
図３に示すように、排ガスの温度を調整する機構として、配管４２上に温度調整機構４３を設け、排ガスの温度調整を行うことが挙げられる。より具体的には、温度調整機構４３により、排ガスの温度を１００度以下に冷却すること等が挙げられる。これにより、排ガスを発電部３（第２のセル３１ｂ）内に供給した際に、熱による不具合が発生することを抑制することが可能となる。
【0060】
温度調整機構４３としては、ガス（排ガス）の温度調整が可能なものであればよく、公知の構成を用いることができる。温度調整機構４３の一例としては、空気等の気体や冷却水等の液体を用いた熱交換器が挙げられる。また、温度調整機構４３の他の例としては、本実施態様の排水処理装置１Ａにおける処理槽２や反応槽５に対し、排ガスを用いた加温が可能となるように排ガスの配管等の配置を行うことが挙げられる。これにより、処理槽２や反応槽５を加温処理した後に冷却された排ガスを、配管４２を介して発電部３に供給することで、電極反応効率の低下を抑制するとともに、排水処理装置１Ａ全体としての省エネルギー化が可能となる。
【0061】
本実施態様における排水処理装置１Ａは、被処理水Ｗ中の還元性物質を電子供与体として用い、電気化学反応（電極反応）により発電を行い、エネルギーを回収・利用するものである。一般に、電気化学反応を行う場合、実際に電気化学反応を行う箇所（発電部３）以外へ電子が移動することで、電気化学反応の効率が低下するという問題が生じる。したがって、本実施態様における排水処理装置１Ａは電気化学反応を行う箇所（発電部３）以外を絶縁処理することが好ましい。絶縁処理の具体例としては、例えば、処理槽２及び反応槽５を絶縁体の上部に設置することのほか、処理槽２及び反応槽５の外壁あるいは内壁を絶縁体で構成することや、処理槽２及び反応槽５の外壁あるいは内壁を絶縁材料でコーティングすることなどが挙げられる。また、導入配管Ｌ１、接続配管Ｌ２及び排出配管Ｌ３の絶縁処理としては、例えば、それぞれの配管を絶縁体からなるものとすることや、それぞれの配管に絶縁材料をコーティングすること等が挙げられる。
【0062】
以上のように、本実施態様の排水処理装置及び排水処理方法により、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給手段を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
【0063】
以下、本発明の排水処理装置における処理槽２、発電部３及び反応槽５の別態様について例示する。
【0064】
〔第２の実施態様〕
図４は、本発明の第２の実施態様における排水処理装置を示す概略説明図である。また、図５は、本発明の第２の実施態様における排水処理装置の別態様を示す概略説明図である。
第２の実施態様に係る排水処理装置１Ｂは、処理槽２が、酸生成槽２１とメタン発酵槽２２からなるものである。また、発電部３が、処理槽２（酸生成槽２１及びメタン発酵槽２２）に設けられた循環流路上に設けられるものである。ここで、図４と図５に示す排水処理装置１Ｂは、それぞれ発電部３の設置箇所が異なるものを示している。なお、供給手段４としては、第１の実施態様に示した供給手段４のうち、いずれを適用するものであってもよく、特に限定されない。また、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
図４は、本発明の第２の実施態様における排水処理装置を示す概略説明図である。また、図５は、本発明の第２の実施態様における排水処理装置の別態様を示す概略説明図である。
第２の実施態様に係る排水処理装置１Ｂは、処理槽２が、酸生成槽２１とメタン発酵槽２２からなるものである。また、発電部３が、処理槽２（酸生成槽２１及びメタン発酵槽２２）に設けられた循環流路上に設けられるものである。ここで、図４と図５に示す排水処理装置１Ｂは、それぞれ発電部３の設置箇所が異なるものを示している。なお、供給手段４としては、第１の実施態様に示した供給手段４のうち、いずれを適用するものであってもよく、特に限定されない。また、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
【0065】
本実施態様における排水処理装置１Ｂは、図４及び図５に示すように、処理槽２は、接続配管Ｌ４により接続された酸生成槽２１とメタン発酵槽２２からなり、循環配管Ｌ５により酸生成槽２１とメタン発酵槽２２間には循環流路が形成されており、また、循環配管Ｌ６によりメタン発酵槽２２内における循環流路が形成されているものである。
なお、図４に示す排水処理装置１Ｂにおいては、発電部３が循環配管Ｌ５上に設けられている。一方、図５に示す排水処理装置１Ｂにおいては、発電部３が循環配管Ｌ６上に設けられている。
なお、図４に示す排水処理装置１Ｂにおいては、発電部３が循環配管Ｌ５上に設けられている。一方、図５に示す排水処理装置１Ｂにおいては、発電部３が循環配管Ｌ６上に設けられている。
【0066】
本実施態様における処理槽２は、酸生成槽２１及びメタン発酵槽２２を備えるものである。また、酸生成槽２１及びメタン発酵槽２２は、内部に収容する微生物により、被処理水Ｗを嫌気処理するための反応槽である。なお、酸生成槽２１及びメタン発酵槽２２は、嫌気的条件の維持のために、天井を有し、閉じた空間を形成していることが好ましい。
【0067】
酸生成槽２１は、導入配管Ｌ１により導入される被処理水Ｗに対し、内部に収容する酸生成菌（主として嫌気性の酸生成菌）により、糖、蛋白質及び油分などの固体や高分子有機物を分解して、単糖類、アミノ酸、低級脂肪酸及び酢酸を生成する酸生成処理を行うものである。酸生成槽２１で処理された被処理水Ｗは、接続配管Ｌ４を介してメタン発酵槽２２へ供給される。
【0068】
なお、酸生成槽２１は、内部の水温調整手段、ｐＨ調整剤の投入手段、菌が必要とする栄養源である窒素、リン、コバルト及びニッケル等の金属類を添加する手段を備えたものとしてもよい（不図示）。
【0069】
メタン発酵槽２２は、接続配管Ｌ４により供給される酸生成槽２１で処理された被処理水Ｗに含まれる単糖類、アミノ酸、低級脂肪酸及び酢酸等からメタンを生成するメタン発酵処理を行うものである。メタン発酵処理は、浮遊法、固定床法、流動床法、ＵＡＳＢ（Upflow Anaerobic Sludge Blanket）法、ＥＧＳＢ（Expanded Granular Sludge Bed）法等により保持されたメタン生成菌により溶存酸素のない嫌気性雰囲気で行うものである。
【0070】
メタン発酵槽２２には、嫌気処理に適した嫌気性菌が存在するグラニュール層が形成される。そして、酸生成槽２１から被処理水Ｗがメタン発酵槽２２内に導入されると、グラニュール層に含まれる嫌気性菌によってメタン発酵が行われる。その結果、メタン発酵槽２２内では、メタン及び二酸化炭素を主成分とするガスが発生するとともに、還元性物質を含む処理水Ｗ１を生成する。なお、メタン発酵槽２２の内部には気固液分離手段であるセトラー２３が設けられていてもよい。メタン発酵槽２２内で発生したガスは槽外に放出又は回収される（不図示）。また、メタン発酵槽２２で生成された処理水Ｗ３は排出配管Ｌ７を介して処理系外に排出される。
【0071】
なお、メタン発酵槽２２は、さらに付帯する各種設備を設けることができる。例えば、内部の水温調整手段、ｐＨ調整剤の投入手段、菌が必要とする栄養源である窒素、リン、コバルト及びニッケル等の金属類を添加する手段を備えたものとしてもよい（不図示）。
【0072】
メタン発酵槽２２は、メタン発酵槽２２内で発生したガスのうち、メタンガスの回収、精製及び貯留を行う手段を備えるものとすることが好ましい。これにより、発電部３による発電以外に、被処理水Ｗから有用なエネルギー源であるメタンガスを回収して有効利用することが可能となる。なお、メタンガスの活用として、ガス燃焼による発電を行う場合、このガス燃焼に用いる燃焼装置から排出される排ガスを、本実施態様における供給手段４により供給される排ガスとして用いるものとしてもよい。これにより、排水処理により生じた排出物を用いて、発電部３の電極反応効率の低下を抑制することが可能となる。
また、メタン発酵槽２２は、メタン発酵槽２２内で発生したガスのうち、二酸化炭素ガスの回収、精製及び貯留を行う手段を備え、発電部３における電子受容体供給口３４ａから第２のセル３１ｂ内へ二酸化炭素ガスを導入可能な手段を備えるものとしてもよい。これにより、二酸化炭素ガスを電子受容体として有効利用し、電子受容体の供給コストを低減させことが可能となる。また、上述した二酸化炭素を導入可能な手段は、供給手段４と別体で設けるものであってもよく、供給手段４の一部と重なるものであってもよい。これにより、第２のセル３１ｂ内には二酸化炭素が安定して供給されるため、カソード側のｐＨ上昇をより確実に抑制することが可能となる。
また、メタン発酵槽２２は、メタン発酵槽２２内で発生したガスのうち、二酸化炭素ガスの回収、精製及び貯留を行う手段を備え、発電部３における電子受容体供給口３４ａから第２のセル３１ｂ内へ二酸化炭素ガスを導入可能な手段を備えるものとしてもよい。これにより、二酸化炭素ガスを電子受容体として有効利用し、電子受容体の供給コストを低減させことが可能となる。また、上述した二酸化炭素を導入可能な手段は、供給手段４と別体で設けるものであってもよく、供給手段４の一部と重なるものであってもよい。これにより、第２のセル３１ｂ内には二酸化炭素が安定して供給されるため、カソード側のｐＨ上昇をより確実に抑制することが可能となる。
【0073】
さらに、本実施態様におけるメタン発酵槽２２は、循環配管Ｌ５及び／又は循環配管Ｌ６を備えている。循環配管Ｌ５は、メタン発酵槽２２上部の被処理水Ｗを酸生成槽２１に供給するものであり、酸生成槽２１とメタン発酵槽２２間の循環流路を形成するものである。また、循環配管Ｌ６は、メタン発酵槽２２上部の被処理水Ｗをメタン発酵槽２２下部に供給するものであり、メタン発酵槽２２内における循環流路が形成されている。
【0074】
本実施態様における発電部３は、循環配管Ｌ５及び循環配管Ｌ６により形成される循環流路上に設けられるものである。
【0075】
図４に示すように、循環配管Ｌ５上に発電部３を設けるものについては、メタン発酵槽２２からの処理水Ｗ１を第１のセル３１ａに供給し、電極３３ａにおける反応後の処理水Ｗ２は、循環配管Ｌ５を介して、酸生成槽２１に供給される。このとき、電極３３ａにおける反応後の処理水Ｗ２は、式１や式２に示すように水素イオン濃度が上昇し、ｐＨが酸性を示す溶液となる。一般に、酸生成槽２１内の反応を好適に進行させるためには、酸生成槽２１内のｐＨは酸性寄りにあることが好ましいことが知られている。したがって、発電部３から酸生成槽２１に排出される被処理水Ｗは、酸生成槽２１内の反応を好条件下で進行するためのｐＨ調整剤として利用するものとしてもよい。また、酸生成槽２１側の循環配管Ｌ５上に、バルブなどの流量調整機構や活性炭などの吸着処理手段を設けるものとしてもよい。これにより、発電部３から排出される処理水Ｗ２が酸生成槽２１内に流入することで酸生成槽２１内のｐＨ範囲が適切な範囲から外れる場合、処理水Ｗ２の流入量を制御することや酸生成槽２１内の被処理水ＷのｐＨを制御することができ、酸生成槽２１内の反応に対する阻害を抑制することが可能となる。
【0076】
また、図５に示すように、循環配管Ｌ６上に発電部３を設けるものについては、メタン発酵槽２２上部からの処理水Ｗ１を第１のセル３１ａに供給し、電極３３ａにおける反応後の処理水Ｗ２は、循環配管Ｌ６を介して、メタン発酵槽２２下部に供給される。このとき、電極３３ａにおける反応後の処理水Ｗ２は、式１や式２に示すように溶存する硫化水素の濃度が低下した溶液となる。メタン発酵槽２２内のグラニュール層に含まれるメタン菌は、硫化水素により代謝を阻害されることが知られている。このため、発電部３からメタン発酵槽２２下部に排出される処理水Ｗ２は、メタン発酵を阻害することなくメタン発酵槽２２内を循環することができるという効果を奏する。
【0077】
なお、本実施態様の排水処理装置１Ｂにおいて、排出配管Ｌ７を介して排出された処理水Ｗ３は、河川などへの放流が可能な水質を満たすものであれば、そのまま放流することが可能である。また、排出配管Ｌ７の後段に、第１の実施態様に示した反応槽５を設けるものとしてもよい。これにより、反応槽５による処理を経ることで更に被処理水Ｗに対する処理効率を向上させ、排水処理装置１Ｂから被処理水Ｗを系外に放出することが可能となる。
【0078】
また、本実施態様の排水処理装置１Ｂにおいては、第１の実施態様と同様の工程により発電を行うことが可能である。
【0079】
以上のように、本実施態様における排水処理装置１Ｂ及び排水処理装置１Ｂを用いた排水処理方法は、処理槽２を酸生成槽２１及びメタン発酵槽２２とで構成することにより、それぞれの処理（酸生成処理及びメタン発酵）に適した条件下で排水処理を行うことができるため、排水処理効率をより向上させることができる。
【0080】
また、本実施態様における排水処理装置１Ｂは、発電部３の設置箇所を処理槽２（酸生成槽２１及びメタン発酵槽２２）に設けられた循環流路上とすることにより、第１のセル３１ａ側に供給された処理水Ｗ１を、反応後、もう一度処理槽２（酸生成槽２１又はメタン発酵槽２２）に供給することになる。したがって、被処理水Ｗが繰り返し処理されることになり、発電部３から排出される処理水Ｗ２に対しても排水処理を向上させることが可能となる。また、このとき発電部３から排出される処理水Ｗ２を処理槽２（酸生成槽２１又はメタン発酵槽２２）に再導入することで、処理槽２における反応を好条件下で進行させることを可能とするという効果も奏する。
【0081】
〔第３の実施態様〕
図６は、本発明の第３の実施態様における排水処理装置を示す概略説明図である。
第３の実施態様に係る排水処理装置１Ｃは、図６に示すように、第１の実施態様に係る排水処理装置１Ａにおいて、反応槽５を曝気槽５１とし、曝気槽５１と発電部の第２のセル３１ｂに設けられた電子受容体供給口３４ａとを接続配管Ｌ８で接続するものである。なお、本実施態様における排水処理装置１Ｃにおける供給手段４は、上述した供給手段４を適宜選択することができる。また、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
図６は、本発明の第３の実施態様における排水処理装置を示す概略説明図である。
第３の実施態様に係る排水処理装置１Ｃは、図６に示すように、第１の実施態様に係る排水処理装置１Ａにおいて、反応槽５を曝気槽５１とし、曝気槽５１と発電部の第２のセル３１ｂに設けられた電子受容体供給口３４ａとを接続配管Ｌ８で接続するものである。なお、本実施態様における排水処理装置１Ｃにおける供給手段４は、上述した供給手段４を適宜選択することができる。また、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
【0082】
本実施態様における排水処理装置１Ｃは、曝気槽５１内の処理水Ｗ２を発電部３に供給して、発電部３における電子受容体として用いるものである。なお、接続配管Ｌ８により発電部３に供給されるもの以外の処理水Ｗ２については、処理水Ｗ３として系外へ排出する。
【0083】
曝気槽５１は、曝気装置５２により、槽内に導入された処理水Ｗ２に対し、酸素を含む気体（酸素、空気など）の曝気を行い、好気性微生物による好気処理や溶存酸素による酸化反応を進行させるものである。
本実施態様における曝気槽５１は、図６に示すように、発電部３の第１のセル３１ａから排出された処理水Ｗ２が導入され、導入された処理水Ｗ２に対して曝気を行うものに限定されない。曝気槽５１の他の例としては、例えば、処理槽２から直接処理水Ｗ１を導入し、曝気を行うもの等が挙げられる。
本実施態様における曝気槽５１は、図６に示すように、発電部３の第１のセル３１ａから排出された処理水Ｗ２が導入され、導入された処理水Ｗ２に対して曝気を行うものに限定されない。曝気槽５１の他の例としては、例えば、処理槽２から直接処理水Ｗ１を導入し、曝気を行うもの等が挙げられる。
【0084】
曝気装置５２は、酸素を含む気体を曝気槽５１内の処理水Ｗ２に供給することができるものであればよく、特に限定されない。例えば、曝気処理において広く用いられているものとして、ブロワーと曝気管の組み合わせからなるもの等が挙げられる。
【0085】
曝気槽５１内には、曝気装置５２により酸素を含む気体が導入されるため、曝気槽５１内の処理水Ｗ２は、溶存酸素を含む液体となっている。したがって、接続配管Ｌ８を介して発電部３の第２のセル３１ｂ内に導入した処理水Ｗ２は、発電部３における電子受容体となる。これにより、排水処理装置１Ｃ内における処理工程で発生するものを有効活用した発電を行うことができる。
【0086】
発電部３において電子受容体として用いられた後の処理水Ｗ３は、電子受容体排出口３４ｂから排出される。このとき、排出された処理水Ｗ３は河川などへの放流が可能な水質を満たすものであれば、そのまま放流することが可能である。また、排出された処理水Ｗ３を曝気槽５１に返送し、再度曝気処理を行うものとしてもよい。これにより、系外へ放流する処理水Ｗ３の水質制御をより確実に行うことが可能となる。
【0087】
また、本実施態様の排水処理装置１Ｃにおいては、第１の実施態様と同様の工程により発電を行うことが可能である。
【0088】
以上のように、本実施態様における排水処理装置１Ｃ及び排水処理装置１Ｃを用いた排水処理方法は、排水処理装置１Ｃ内で進行する処理工程で生じたものを、発電部３における電子供与体及び電子受容体として利用することができ、発電に係るランニングコストを低減させることが可能となる。
【0089】
〔第４の実施態様〕
［処理システム］
本発明における処理システムは、排水処理装置と燃焼装置を組み合わせたものである。特に、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することができる排水処理装置と、物質を燃焼処理するための燃焼装置とを組み合わせることで、エネルギーの効率的な回収・利用を可能とするものである。
［処理システム］
本発明における処理システムは、排水処理装置と燃焼装置を組み合わせたものである。特に、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することができる排水処理装置と、物質を燃焼処理するための燃焼装置とを組み合わせることで、エネルギーの効率的な回収・利用を可能とするものである。
【0090】
【0091】
本実施態様の処理システム１００における排水処理装置１は、被処理水に対する処理を行うとともに、発電を行うものである。
本実施態様における排水処理装置１としては、被処理水が処理された後の処理水と電極を接触させ、発電を行う発電部を備えるものが挙げられる。更に、燃焼装置で生じた排ガスを、前記発電部へ供給する供給手段を備えるものが挙げられる。これにより、排水処理における一連の処理過程の中で効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給手段を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
このような排水処理装置１としては、上述した第１～第３の実施態様における排水処理装置１Ａ～１Ｃ等が挙げられる。なお、図７における排水処理装置１としては、上述した排水処理装置１Ａと同様の構造を用いるものとしている。
本実施態様における排水処理装置１としては、被処理水が処理された後の処理水と電極を接触させ、発電を行う発電部を備えるものが挙げられる。更に、燃焼装置で生じた排ガスを、前記発電部へ供給する供給手段を備えるものが挙げられる。これにより、排水処理における一連の処理過程の中で効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給手段を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
このような排水処理装置１としては、上述した第１～第３の実施態様における排水処理装置１Ａ～１Ｃ等が挙げられる。なお、図７における排水処理装置１としては、上述した排水処理装置１Ａと同様の構造を用いるものとしている。
【0092】
本実施態様における排水処理装置１の各構造に係る詳細な説明は省略するが、供給手段４における配管４２は、図７に示すように、燃焼装置１０と直接接続するものとすることが好ましい。これにより、処理システム１００としての構成を簡略化することができ、省コスト化や省エネルギー化が可能となる。
【0093】
本実施態様の処理システム１００における燃焼装置１０は、物質の燃焼を行うものである。また、燃焼装置１０で生じた排ガスは排水処理装置１に供給されるものである。
本実施態様における燃焼装置１０としては、物質の燃焼を行うことができる公知の構成を用いることができる。燃焼装置としては、本実施態様における処理システム１００のために新設するものとしてもよく、既設の燃焼装置を利用するものとしてもよい。
また、燃焼装置１０で燃焼させる物質としては、炭素成分、硫黄成分、窒素成分の少なくとも１つ以上を含み、燃焼後に、二酸化炭素、硫黄酸化物、窒素酸化物など、水溶液に溶解することで酸性を示す成分を含む排ガスを生じるものであればよく、具体的な物質としては特に限定されない。
本実施態様における燃焼装置１０としては、物質の燃焼を行うことができる公知の構成を用いることができる。燃焼装置としては、本実施態様における処理システム１００のために新設するものとしてもよく、既設の燃焼装置を利用するものとしてもよい。
また、燃焼装置１０で燃焼させる物質としては、炭素成分、硫黄成分、窒素成分の少なくとも１つ以上を含み、燃焼後に、二酸化炭素、硫黄酸化物、窒素酸化物など、水溶液に溶解することで酸性を示す成分を含む排ガスを生じるものであればよく、具体的な物質としては特に限定されない。
【0094】
燃焼装置１０の例としては、排水処理装置１における処理過程で生じた排出物を燃焼対象とするものが挙げられる。これにより、排水処理における一連の処理過程の中で発電を行うことに加え、電極反応（発電）効率の低下抑制に係る工程も併せて実施することが可能となる。このため、処理システム１００として、エネルギーの回収・利用効率が向上するとともに、省コスト化が可能となる。
このような燃焼装置１０の具体的な例としては、例えば、排水処理装置１で生じた汚泥を焼却するものや、排水処理装置１で生じたバイオガスを燃焼するもの等が挙げられる。これにより、燃焼対象を容易に得ることができるとともに、既設の燃焼装置を利用することができ、イニシャルコストを大幅に低減することが可能となる。特に、燃焼対象を汚泥とした場合、汚泥には有機物が多く含まれるため、燃焼処理により二酸化炭素を多く含む排ガスが発生する。近年、環境への影響を鑑み、二酸化炭素の排出規制が厳しくなっている。このため、二酸化炭素を含む排ガスを発電部３に供給することで、発電部３における電極反応効率の低下を抑制するとともに、二酸化炭素が発電部３内の電解質溶液に溶解するため、二酸化炭素の系外への排出を抑制することが可能となるという効果も奏する。
このような燃焼装置１０の具体的な例としては、例えば、排水処理装置１で生じた汚泥を焼却するものや、排水処理装置１で生じたバイオガスを燃焼するもの等が挙げられる。これにより、燃焼対象を容易に得ることができるとともに、既設の燃焼装置を利用することができ、イニシャルコストを大幅に低減することが可能となる。特に、燃焼対象を汚泥とした場合、汚泥には有機物が多く含まれるため、燃焼処理により二酸化炭素を多く含む排ガスが発生する。近年、環境への影響を鑑み、二酸化炭素の排出規制が厳しくなっている。このため、二酸化炭素を含む排ガスを発電部３に供給することで、発電部３における電極反応効率の低下を抑制するとともに、二酸化炭素が発電部３内の電解質溶液に溶解するため、二酸化炭素の系外への排出を抑制することが可能となるという効果も奏する。
【0095】
以上のように、本実施態様の処理システムにおいて、排水処理装置と燃焼装置とを組み合わせ、排水処理装置には電極を用いた発電部を設置することで、排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、被処理水を処理した後の処理水に含まれる成分を用いて電極反応を行うことで、排水処理工程内で生成する成分を有効活用することが可能となる。さらに、燃焼装置で生じた排ガスを発電部へ供給する供給手段を備えることにより、電極反応におけるカソード側のｐＨ上昇を抑制することができる。これにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、処理システムとして発電及び電気化学処理の効率向上が可能となる。
【0096】
なお、上述した実施態様は、排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムの一例を示すものである。本発明に係る排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムは、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る排水処理装置及び排水処理方法並びに処理システムを変形してもよい。
【0097】
例えば、本実施態様における排水処理装置は、複数の発電部を備えるものとしてもよい。例えば、第１の実施態様に示した発電部と、第２の実施態様に示した発電部の両方を備えること等が挙げられる。これにより、排水処理装置内での被処理水Ｗの処理工程を有効活用した発電を複数箇所で行うことが可能となるとともに、排水処理効率と発電効率の両方を向上させることが可能となる。
【0098】
また、例えば、本実施態様における排水処理装置の電極３３ａ及び電極３３ｂを、電極３３ａ及び電極３３ｂの表面が露出した状態で筐体内に配置し、発電部３から取り出し可能とした電極ユニットとして発電部３に設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａ及び電極３３ｂのメンテナンス時において、発電部３から取り出すことが容易となるため、メンテナンス作業が容易となる。
【0099】
また、例えば、本実施態様における排水処理装置は、発電部３として、処理槽２（メタン発酵槽２２）内のセトラー２３部分に電極３３ａ及び電極３３ｂを設けるものとしてもよい。なお、セトラー２３近傍に電極３３ａ及び電極３３ｂを設けるものであってもよく、セトラー２３そのものを電極３３ａ及び電極３３ｂとして利用するものであってもよい。これにより、発電部３が処理槽２内に組み込まれる形となるため、より一層の設備の小型化が可能となる。
【0100】
また、例えば、本実施態様における排水処理装置は、電極３３ｂを曝気槽５１内に設け、曝気槽５１が発電部３の第２のセル３１ｂとして機能するものとしてもよい。これにより、発電部３と反応槽５（曝気槽５１）を一体化し、より一層の設備の小型化が可能となる。
【0101】
また、例えば、本実施態様における排水処理装置は、絶縁機構を設けるものとしてもよい。絶縁機構は、発電部３で反応する処理水Ｗ１以外の処理水（処理水Ｗ２）を絶縁することができるものであればよく、特に限定されない。
絶縁機構による絶縁手段としては、例えば、発電部３の電極３３ａと処理水Ｗ２との電気的な接触（液絡）の解消あるいは液絡時間の短縮が挙げられる。このような液絡解消手段又は液絡時間の短縮手段の例としては、処理水Ｗ２の流れを不連続（断続的）とする手段や、処理水Ｗ２に空気などの絶縁体を介在させる手段、あるいはこれらの手段を組み合わせるもの等が挙げられる。これにより、発電部３で生成した電子が電極３３ａ及び電極３３ｂの間以外に流れることを防ぎ、発電効率を向上させるものである。
なお、本実施態様における排水処理装置は、第１の実施態様に示したような排水処理装置を構成する構造物（処理槽や配管）に係る絶縁を併せて行うものとしてもよい。これにより、より一層の絶縁効果を得ることができ、発電部３における発電効率を向上させることが可能となる。
絶縁機構による絶縁手段としては、例えば、発電部３の電極３３ａと処理水Ｗ２との電気的な接触（液絡）の解消あるいは液絡時間の短縮が挙げられる。このような液絡解消手段又は液絡時間の短縮手段の例としては、処理水Ｗ２の流れを不連続（断続的）とする手段や、処理水Ｗ２に空気などの絶縁体を介在させる手段、あるいはこれらの手段を組み合わせるもの等が挙げられる。これにより、発電部３で生成した電子が電極３３ａ及び電極３３ｂの間以外に流れることを防ぎ、発電効率を向上させるものである。
なお、本実施態様における排水処理装置は、第１の実施態様に示したような排水処理装置を構成する構造物（処理槽や配管）に係る絶縁を併せて行うものとしてもよい。これにより、より一層の絶縁効果を得ることができ、発電部３における発電効率を向上させることが可能となる。
【0102】
また、例えば、本実施態様における排水処理装置は、一部の構造を省略し、装置構成をより簡略化するものとしてもよい。
省略可能な構造としては、例えば、イオン交換体３５が挙げられる。これにより、発電部３の簡略化が可能となるとともに、メンテナンス作業が容易となる。
また、省略可能な構造の他の例としては、第２のセル３１ｂにおける電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂが挙げられる。これにより、発電部３をより簡略化することが可能となる。このとき、電極３３ｂの一面が処理水Ｗ１又はイオン交換体３５に接触し、もう一方の面が全体的に外気（空気）に直接接触する構造とすること等が挙げられる。さらに、外気側の電極３３ｂ表面に交換又は洗浄容易な通気性素材を設けることが好ましい。これにより、塵などの固体不純物が電極３３ｂ表面に付着することを抑制することができる。
省略可能な構造としては、例えば、イオン交換体３５が挙げられる。これにより、発電部３の簡略化が可能となるとともに、メンテナンス作業が容易となる。
また、省略可能な構造の他の例としては、第２のセル３１ｂにおける電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂが挙げられる。これにより、発電部３をより簡略化することが可能となる。このとき、電極３３ｂの一面が処理水Ｗ１又はイオン交換体３５に接触し、もう一方の面が全体的に外気（空気）に直接接触する構造とすること等が挙げられる。さらに、外気側の電極３３ｂ表面に交換又は洗浄容易な通気性素材を設けることが好ましい。これにより、塵などの固体不純物が電極３３ｂ表面に付着することを抑制することができる。
【0103】
さらに、例えば、本実施態様における処理システムは、第１～第３の実施態様に示した排水処理装置に限定されるものではなく、上述した排水処理装置の構成のいずれを用いるものとしてもよい。これにより、処理システムとして、排水処理装置と燃焼装置の組み合わせを適宜選択し、エネルギーの回収・利用に係る効率を向上させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0104】
本発明の排水処理装置及び排水処理方法は、被処理水を処理する排水処理に利用される。特に、被処理水を処理することにより還元性物質が発生する排水処理において、好適に利用されるものである。
【0105】
また、本発明の処理システムは、被処理水を処理する排水処理における一連の処理過程の中で発電を実施する排水処理装置と燃焼装置を組み合わせて、エネルギーの回収・利用を行うことのできる処理システムとして好適に利用される。
【符号の説明】
【0106】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 排水処理装置、１０ 燃焼装置、１００ 処理システム、２ 処理槽、２１ 酸生成槽、２２ メタン発酵槽、２３ セトラー、２４ ｐＨ調整手段、３ 発電部、３１ａ 第１のセル、３１ｂ 第２のセル、３２ａ 処理水導入口、３２ｂ 処理水排出口、３３ａ，３３ｂ 電極、３４ａ 電子受容体供給口、３４ｂ 電子受容体排出口、３５ イオン交換体、４ 供給手段、４１ 排ガス供給口、４２ 配管、４３ 温度調整機構、５ 反応槽、５１ 曝気槽、５２ 曝気装置、Ｌ１ 導入配管、Ｌ２ 接続配管、Ｌ３，Ｌ７ 排出配管、Ｌ４，Ｌ８，Ｌ９ 接続配管、Ｌ５，Ｌ６ 循環配管、Ｗ 被処理水、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 処理水
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
