JP2017121609A - Microbe electrolysis cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微生物電解セルに関する。 The present invention relates to a microbial electrolysis cell.
畜産農家にとって、畜舎から出る廃水の処理は、多大なコストおよび労力を要するため、大きな負担となっている。また、環境への影響を防ぐために、畜産バイオマスの資源化や排水処理基準の厳格化などに対応した新しい廃水処理技術の開発が求められている。有機性廃水の適正な処理および有機性廃水からの資源の回収を実現できる新技術の開発は、畜産分野のみならず食品加工、醸造、都市部における下水処理などの幅広い分野においても必要とされている。 For livestock farmers, the treatment of wastewater from barns is a heavy burden because it requires a great deal of cost and labor. In addition, in order to prevent environmental impacts, the development of new wastewater treatment technology that responds to the recycling of livestock biomass and stricter wastewater treatment standards is required. The development of new technologies that enable the appropriate treatment of organic wastewater and the recovery of resources from organic wastewater is required not only in the field of livestock production but also in a wide range of fields such as food processing, brewing, and sewage treatment in urban areas. Yes.
近年、微生物電解セル(Microbial Electrolysis Cell;MEC)と称される新しい技術が注目されている(例えば、非特許文献1参照)。微生物電解セルでは、微生物が嫌気性条件下において有機物を酸化還元反応で分解するとともに、そのときに生じた電子をアノード(負極)に渡す役割を担っている。アノード(負極)およびカソード(正極)は、電圧印加部(電源やポテンショスタットなど)に接続されており、電圧印加部は、アノードとカソードとの間に電圧を印加する。このように、微生物電解セルでは外部からエネルギーをわずかに投入することが必要である。アノードで回収された電子はカソードへ移動し、カソード表面において液体中の水素イオンと反応する。これにより、カソード表面において水素ガスが発生する。この水素を回収することにより、エネルギーを回収することができる。水素として得られるエネルギーの量は、電圧印加として投入したエネルギーの量よりも大きいため、微生物電解セル全体としては、廃水からエネルギーを回収したことになる。 In recent years, a new technique called a microbial electrolysis cell (MEC) has attracted attention (for example, see Non-Patent Document 1). In the microbial electrolysis cell, the microorganisms have a role of decomposing an organic substance by an oxidation-reduction reaction under anaerobic conditions and passing electrons generated at that time to the anode (negative electrode). The anode (negative electrode) and the cathode (positive electrode) are connected to a voltage application unit (power source, potentiostat, etc.), and the voltage application unit applies a voltage between the anode and the cathode. Thus, in the microbial electrolysis cell, it is necessary to input a little energy from the outside. The electrons collected at the anode move to the cathode and react with hydrogen ions in the liquid at the cathode surface. Thereby, hydrogen gas is generated on the cathode surface. By recovering this hydrogen, energy can be recovered. Since the amount of energy obtained as hydrogen is larger than the amount of energy input as voltage application, the entire microbial electrolysis cell has recovered energy from waste water.
微生物電解セルは、様々な種類の有機性廃水を処理することができる。この処理により廃水中の有機物が分解されるため、微生物電解セルは、廃水を浄化(有機物を除去)する機能も併せ持っている。このように、微生物電解セルは、廃水の浄化および廃水からのエネルギー回収を同時に行うことができるため、今後の新技術として期待されている。 Microbial electrolysis cells can treat various types of organic wastewater. Since the organic matter in the wastewater is decomposed by this treatment, the microbial electrolysis cell also has a function of purifying the wastewater (removing the organic matter). Thus, the microbial electrolysis cell is expected as a future new technology because it can simultaneously purify wastewater and recover energy from wastewater.
前述のとおり、微生物電解セルは、電子供与微生物が嫌気条件下において有機物を分解する際にアノードを最終電子受容体として使用することを利用する。このように、微生物電解セルは、電子供与微生物による嫌気処理を利用するため、微生物電解セルの容器内は、嫌気状態に保持されることが必須であると考えられている。 As described above, the microbial electrolysis cell utilizes the use of the anode as the final electron acceptor when the electron donating microorganism decomposes organic substances under anaerobic conditions. Thus, since the microbial electrolysis cell utilizes anaerobic treatment by electron donating microorganisms, it is considered essential that the inside of the microbial electrolysis cell container be maintained in an anaerobic state.
微生物電解セルは、エネルギー回収だけでなく廃水中の有機物を分解して浄化処理を行うことも期待されている。しかしながら、従来の微生物電解セルは、活性汚泥法などに比べて有機物の分解能力が低い。このため、有機物の分解能力が高い微生物電解セルの開発が期待されている。さらに、廃水の浄化では廃水中の窒素の除去も重要であるが、従来の微生物電解セルは、嫌気状態で動作させるため窒素を除去することができない。 Microbial electrolysis cells are expected not only to recover energy but also to perform purification treatment by decomposing organic substances in wastewater. However, the conventional microbial electrolysis cell has a lower ability to decompose organic matter than the activated sludge method. For this reason, development of a microbial electrolysis cell having a high ability to decompose organic substances is expected. Furthermore, removal of nitrogen in wastewater is also important for purification of wastewater, but conventional microbial electrolysis cells cannot be removed because they are operated in an anaerobic state.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、有機物の分解能力が高く、かつ窒素除去も可能な微生物電解セルを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the microorganisms electrolysis cell which has high decomposition | disassembly capability of organic substance, and can also remove nitrogen.
本発明者らは、驚くべきことに、微生物電解セルにおいて曝気を行っても電流の生成およびそれに伴う水素の生成を継続できることを見出した。さらに、本発明者らは、微生物電解セルにおいて曝気を行うことにより有機物の分解能力が顕著に高まり、かつ窒素除去も行われることを見出した。そして、本発明者らは、これらの知見にさらに検討を加えて本発明を完成させた。 The present inventors have surprisingly found that even if aeration is performed in a microbial electrolysis cell, generation of electric current and accompanying hydrogen generation can be continued. Furthermore, the present inventors have found that the ability of decomposing organic substances is remarkably increased by performing aeration in a microbial electrolysis cell, and nitrogen removal is also performed. The inventors further studied these findings and completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下の微生物電解セルに関する。 That is, the present invention relates to the following microbial electrolysis cell.
[1]容器と、前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、前記液体に接触するように配置されたアノードおよびカソードと、前記アノードの電位が前記カソードの電位よりも低くなるように、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加部と、前記液体に酸素を含む気体を送り込む曝気装置と、を有する、微生物電解セル。
[2]前記曝気装置は、前記液体に前記気体を間欠的に送り込む、[1]に記載の微生物電解セル。
[3]前記曝気装置が前記液体に前記気体を間欠的に送り込むことで、前記液体において好気状態と嫌気状態とが繰り返され、前記液体中の窒素が除去される、[2]に記載の微生物電解セル。
[4]前記気体は、空気である、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の微生物電解セル。
[5]前記曝気装置は、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流に応じて前記気体を送り込む量および前記気体を送り込む時間の少なくとも一方を調整する、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の微生物電解セル。
[6]前記カソードから生じる水素を回収する水素回収部をさらに有する、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の微生物電解セル。
[1] A container, a liquid containing an organic substance and an electron-donating microorganism contained in the container, an anode and a cathode disposed so as to be in contact with the liquid, and a potential of the anode higher than a potential of the cathode A microbial electrolysis cell, comprising: a voltage applying unit that applies a voltage between the anode and the cathode, and an aeration device that sends a gas containing oxygen to the liquid so as to be low.
[2] The microbial electrolysis cell according to [1], wherein the aeration apparatus intermittently feeds the gas into the liquid.
[3] The aeration apparatus intermittently sends the gas to the liquid, whereby an aerobic state and an anaerobic state are repeated in the liquid, and nitrogen in the liquid is removed. Microbial electrolysis cell.
[4] The microbial electrolysis cell according to any one of [1] to [3], wherein the gas is air.
[5] Any one of [1] to [4], wherein the aeration apparatus adjusts at least one of an amount of feeding the gas and a time for feeding the gas according to a current flowing between the anode and the cathode. The microbial electrolysis cell according to one item.
[6] The microbial electrolysis cell according to any one of [1] to [5], further including a hydrogen recovery unit that recovers hydrogen generated from the cathode.
本発明によれば、有機物の分解能力が高く、かつ窒素除去も可能な微生物電解セルを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the microbial electrolysis cell which has high decomposition | disassembly capability of organic substance and can also remove nitrogen can be provided.
また、本発明に係る微生物電解セルによれば、活性汚泥法よりも少ない曝気量で有機物の分解および窒素除去を行うことができる。活性汚泥法では、曝気のために多大な電力が消費される。活性汚泥法により有機物の分解を行う場合、廃水中の有機物量が十分に低下したときは、電力消費を抑えるために曝気を停止するべきである。しかしながら、通常、活性汚泥法では、廃水中の有機物濃度を検出するセンサーがないため、過剰な曝気が行われており、無駄に電力が消費されている。これに対し、本発明に係る微生物電解セルでは、アノードとカソードとの間を流れる電流に応じて気体を送り込む量または気体を送り込む時間を調整することができるため、曝気のための電力消費を必要最小限に抑えることができる。 Moreover, according to the microbial electrolysis cell which concerns on this invention, decomposition | disassembly of organic substance and nitrogen removal can be performed with an aeration amount smaller than the activated sludge method. In the activated sludge method, a large amount of electric power is consumed for aeration. When organic matter is decomposed by the activated sludge method, when the amount of organic matter in the wastewater is sufficiently reduced, aeration should be stopped to reduce power consumption. However, normally, in the activated sludge method, since there is no sensor for detecting the organic matter concentration in the wastewater, excessive aeration is performed and electric power is wasted. On the other hand, in the microbial electrolysis cell according to the present invention, the amount of gas to be fed or the time to feed the gas can be adjusted according to the current flowing between the anode and the cathode, so that power consumption for aeration is required. Can be minimized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[実施の形態1]
本実施の形態では、電圧印加部として電源を有する微生物電解セルについて説明する。
[Embodiment 1]
In the present embodiment, a microbial electrolysis cell having a power source as a voltage application unit will be described.
(微生物電解セルの構成)
図1は、実施の形態1に係る微生物電解セル100の構成を示す断面模式図である。図1に示されるように、微生物電解セル100は、容器110、液体120、アノード(負極)130、カソード(正極)140、電源150、曝気装置160、水素回収部170および水素貯蔵部180を有する。液体120は、有機物および電子供与微生物122を含む。曝気装置160は、ポンプ162、散気管164および制御部166を含む。アノード130およびカソード140は、電源150に電気的に接続されている。
(Configuration of microbial electrolysis cell)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a
容器110は、微生物電解セル100の本体部を構成し、液体120を収容する。容器110の素材、形状および大きさは、特に限定されず、用途に応じて適宜設定されうる。本実施の形態に係る微生物電解セル100では、従来の微生物電解セルとは異なり、常時嫌気条件とするわけではないため、容器110は外部に開口していてもよい。
The
液体120は、容器110内に収容されており、エネルギー源となる有機物および電子供与微生物122を含む。通常、液体120は、1種または2種以上の電解質を含有する水溶液である。電解質の種類は、水中で電離可能な物質であれば特に限定されない。電解質の例には、NaH2PO4/Na2HPO4、KH2PO4/K2HPO4、NaCO3/NaHCO3、NaCl、KCl、NH4Clなどが含まれる。また、液体120には、必要に応じて電子メディエータや導電性微粒子などの電子伝達性介在物質をさらに添加してもよい。
The liquid 120 is accommodated in the
液体120中の電子供与微生物122のうち、少なくとも一部の電子供与微生物122は、アノード130に担持されている。すなわち、アノード130は、電子供与微生物122を高密度で保持する担体としても機能する。電子供与微生物122の種類は、1種であってもよいし、2種以上であってもよい。有機性廃水や汚泥などを使用する場合は、外部から電子供与微生物を加えなくとも、それらに生息する電子供与微生物をそのまま利用することができる。たとえば、シュードモナスやジオバクターなどは、土壌や淡水、海水などの自然環境の至るところに生息しているため、有機廃水や汚泥などを使用すれば、外部から添加することなく利用できる。アノード130は、電子供与微生物122以外の微生物も保持できるので廃水浄化作用を増強する微生物担体としても機能できる。
Among the
エネルギー源となる有機物の種類は、電子供与微生物122が代謝可能であれば、特に限定されない。エネルギー源となる有機物としては、アルコールや単糖類、多糖類、タンパク質、揮発性脂肪酸などの有用資源だけでなく、農産業廃棄物や有機廃水、し尿、汚泥、食物残渣などの未利用資源(有機性廃棄物)も使用することができる。エネルギー源となる有機物は、電子供与微生物122の維持および増殖のため、また微生物電解セル100を連続して稼働させるため、必要に応じて追加される。
The kind of the organic substance serving as the energy source is not particularly limited as long as the
アノード130は、液体120に接触するように配置される。本実施の形態では、アノード130は、液体120中に浸漬されている。アノード130の素材および形状は、特に限定されず、電子供与微生物122の付着性や電子供与微生物122からの電子伝達度などに応じて適宜選択されうる。アノード130の素材の例には、炭素や金属、金属酸化物などが含まれる。アノード130の形状の例には、クロスなどの平面形状や、ブラシ状や棒状、粒状などの立体形状が含まれる。アノード130の例には、カーボンペーパーやグラファイト板、カーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイトフェルト、グラファイト粒子、活性化グラファイト粒子、カーボンフェルト、網状ガラス化カーボン、カーボンブラシ、ステンレス鋼メッシュなどが含まれる。
The
カソード140は、液体120に接触するように配置される。本実施の形態では、カソード140は、液体120中に浸漬されている。カソード140の素材は、導電性を有し、かつ化学的に安定であれば特に限定されない。また、カソード140の形状は、特に限定されず、水素ガスの回収の容易性などに応じて適宜選択されうる。カソード140の素材の例には、炭素や金属、金属酸化物などが含まれる。カソード140の例には、カーボンクロスやカーボンフェルト、ステンレス鋼メッシュ、プラチナメッシュなどが含まれる。また、これらの表面に、プラチナなどの水素イオン還元触媒を担持させてもよい。
The
電源150は、アノード130およびカソード140に電気的に接続されており、アノード130の電位がカソード140の電位よりも低くなるように、アノード130とカソード140との間に電圧を印加する。有機物として酢酸を含むpH7、25℃の液体120を使用した場合、アノード130の電極電位は、−0.300V(vs.NHE)(NHE:normal hydrogen electrode、標準水素電極)であり、水素イオンに電子を渡すカソード140の電極電位は、−0.414V(vs.NHE)である。したがって、理論上は、0.114V以上の電圧をアノード130とカソード140との間に印加することで、電子をアノード130から外部回路を介して最終的にカソード140に伝達させ、カソード140の表面で水素を発生させることとなる。実際には、過電圧や反応速度などを考慮して、0.13V以上の電圧をアノード130とカソード140との間に印加することが好ましく、0.4〜5.0Vの電圧をアノード130とカソード140との間に印加することがより好ましい。水素の生産を重視して運転する場合は、投入エネルギーの少ない0.4〜0.8V程度の小さな電圧を印加することが好ましい。水素の生産よりも有機物の分解や有機物の濃度の検出を重視して運転する場合は、1.0V以上の電圧を印加することが好ましい。
The
曝気装置160は、ポンプ162、散気管164および制御部166を含む。曝気装置160は、液体120に酸素を含む気体を送り込む。本実施の形態では、曝気装置160は、液体120に空気168を送り込む。曝気装置160は、電源150から供給される電力により駆動してもよいし、図示しない他の電源により駆動してもよい。
The
曝気装置160は、液体120に空気168を連続的に送り込んでもよいが、水素生成能力と有機物分解能力および窒素除去能力とのバランスを容易に調整する観点からは、液体120に空気168を間欠的に送り込むことが好ましい。曝気装置160が液体120に空気168を間欠的に送り込む場合、曝気状態の時間および無曝気状態の時間は、微生物電解セル100の水素生成能力や有機物の分解能力、液体120に含まれる有機物の濃度などに応じて適宜調整される。たとえば、液体120に含まれる有機物の濃度が濃い場合は、1回あたりの曝気時間は1〜12時間程度であり、1回あたりの無曝気時間は1〜6時間程度である。有機物が十分に分解されて、液体120が浄化された場合は、アノード130とカソード140との間を流れる電流が減少する。つまり、液体120中の有機物の濃度は、アノード130とカソード140の間を流れる電流により検出することができる(図8参照)。したがって、曝気装置160は、アノード130とカソード140との間を流れる電流に応じて、空気168を送り込む量または空気168を送り込む時間を調整してもよい。たとえば、液体120の生物化学的酸素要求量(BOD)が500mg/L超のときに相当する電流の場合、1回あたりの曝気時間を10時間程度とし、1回あたりの無曝気時間を30分〜2時間程度とすればよい。BODが100〜500mg/Lのときに相当する電流の場合は、1回あたりの曝気時間を2〜5時間程度とし、1回あたりの無曝気時間を1〜2時間程度とすればよい。BODが50〜100mg/Lのときに相当する電流の場合は、1回あたりの曝気時間を2時間程度とし、1回あたりの無曝気時間を1〜2時間程度とすればよい。また、BODが50mg/L未満のときに相当する電流の場合は、1回あたりの曝気時間を2時間程度とし、1回あたりの無曝気時間を2〜10時間程度とすればよい、または曝気を行わなくてもよい。BODが低いが窒素濃度が高い場合は、曝気して硝化反応を促進させてもよい。この場合、硝化反応の後、有機性廃水の原水を電子供与体として容器110内に少量投入して脱窒反応を起こさせることで、窒素除去をすることができる。
The
ポンプ162は、制御部166の制御下において外部から取り込んだ空気を散気管164に送り込む。ポンプ162の種類は、特に限定されず、必要とされる空気吐出量などに応じて適宜選択されうる。
The
散気管164は、ポンプ162から送り込まれた空気を液体120内に放出する。液体120への酸素溶解効率を高めたい場合は、散気管164は、微細化した気泡を放出する。散気管164の形状および構成は、上記目的を達成することができれば特に限定されない。散気管164の例には、メッシュを取り付けた管やメンブレンチューブなどが含まれる。
The
制御部166は、予め設定された条件で曝気するようにポンプ162の動作を制御する。たとえば、間欠的に曝気を行う場合、制御部166は、所定の時間だけ動作するようにポンプ162を制御する。また、前述のとおり、制御部166は、アノード130とカソード140との間を流れる電流に応じてポンプ162を制御してもよい。曝気装置160による曝気は、液体120中の有機物の分解を促進するために行われるため、液体120中の有機物の濃度が低下した場合は曝気する必要はなく、水素生成能力を向上させる観点からは嫌気状態にするために曝気をしない方が却って好ましいことがある。このような場合、制御部166は、電流の減少を検出したときにポンプ162の動作を止めてもよい。このようにすることで、ポンプ162による電力消費を抑制することもできる。
The
水素回収部170は、カソード140の表面で発生した水素ガス172を回収する。水素回収部170の構成は、上記目的を達成することができれば特に限定されない。本実施の形態では、水素回収部170は、液体120中においてカソード140の上部に配置された、漏斗形状の部材である。水素回収部170は、水素貯蔵部180に回収した水素ガスを送り込む。
The
水素貯蔵部180は、水素回収部170が回収した水素ガス172を貯蔵する。水素貯蔵部180の構成は、上記目的を達成することができれば特に限定されない。水素貯蔵部180の例には、ガスホルダーなどが含まれる。
The
その他、微生物電解セル100は、液体120の温度を測る温度計や液体120のpHを測るpHメーター、液体120中のアンモニウムイオンや硝酸イオンなどの濃度を測るイオンセンサーなどの計器類をさらに有していてもよい。この場合、制御部166は、液体120の温度(電子供与微生物122の活性と相関する)や液体120のpH(液体120中のアンモニア濃度と相関する)、液体120の酸化還元電位(ORP)(液体120が嫌気状態なのか好気状態なのかと相関する)、液体120の溶存酸素濃度(液体120が嫌気状態なのか好気状態なのかと相関する)などの情報に基づいて液体120に含まれる有機物の濃度をより高感度で検出することが可能となり、より適切に曝気条件を設定することができるようになる。
In addition, the
(微生物電解セルの動作)
次に、本実施の形態に係る微生物電解セル100の動作について説明する。
(Operation of microbial electrolysis cell)
Next, the operation of the
アノード130とカソード140との間にわずかな電圧(例えば0.8V)を印加して微生物電解セル100を稼働させると、容器110内において、電子供与微生物122により有機物(例えば酢酸)が二酸化炭素に分解される際に、水素イオンと電子が生成される。有機物の分解により生成された水素イオンは、カソード140表面に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード130で回収されて、外部回路を経由してカソード140に移動する。このような状況において、カソード140表面では、水素イオンおよび電子が反応することで、水素ガス172が生成される。したがって、容器110内に有機物を供給することで、上記サイクルを維持して、水素ガス172を連続して生成することができる。
When a slight voltage (for example, 0.8 V) is applied between the
本実施の形態に係る微生物電解セル100は、稼働中に曝気することを主たる特徴とする。上記メカニズムによる水素ガスの生成は嫌気処理を利用するため、従来の微生物電解セルでは、液体中が嫌気状態(溶存酸素がほとんど無い状態)となるようにされていた。一方、本実施の形態に係る微生物電解セル100では、有機物の分解能力を向上させるために、連続的または間欠的に、好ましくは間欠的に曝気して液体120中の溶存酸素濃度をある程度上昇させる。このように曝気することで、嫌気処理による水素ガスの生成および有機物の分解に加えて、好気処理による有機物の分解も行うことができる。結果として、従来の微生物電解セルや間欠曝気による活性汚泥法(間欠曝気式活性汚泥法)よりも効率的に有機物を分解することができる。なお、この後実施例で示すように、本発明者らの実験によれば、間欠的に曝気を行っても電子供与微生物122が死滅せずに水素ガスの生成を継続できることがわかっている(図4参照)。
The
また、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、好気処理も利用するため、嫌気処理のみを利用する従来の微生物電解セルでは不可能であった窒素の除去も可能である(図7参照)。たとえば、曝気装置160が液体120に空気168を間欠的に送り込んだ場合、液体120において好気状態と嫌気状態とが繰り返される。好気状態のときは、液体120に含まれるアンモニアは、硝酸へと酸化される。嫌気状態のときは、有機物から供給される電子を利用して硝酸からガス体の窒素への反応が促進され脱窒反応が起きる。したがって、畜舎や堆肥場などからの悪臭を含む空気を用いて曝気することで、本実施の形態に係る微生物電解セル100を脱臭装置としても利用することが可能である。悪臭を含む空気を用いて曝気すると、アンモニアなどの悪臭成分は液体120に移り、好気処理と嫌気処理のサイクルにより無臭の窒素ガスに変換され脱臭される。
In addition, since the
(効果)
以上のように、本実施の形態に係る微生物電解セル100では、曝気することにより嫌気処理および好気処理の両方を利用して、水素生成能力を維持しつつ、有機物の分解能力の向上と窒素の除去を実現している。すなわち、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、水素生成能力に加えて、従来の微生物電解セルよりも高い浄化性能を有する。
(effect)
As described above, in the
また、前述のとおり、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、アノードとカソードとの間を流れる電流から液体120中の有機物濃度をリアルタイムで検出することができるため、液体120中の有機物濃度に応じて曝気時間を調整することも可能である。たとえば、液体120中の有機物濃度が低い場合は、曝気時間を短くして無駄な曝気を防ぎ、曝気により消費される電力を抑制する。このように制御することで、微生物電解セル100は、省エネ型の廃水浄化装置として機能する。微生物電解セル100の有機物濃度を検出するセンサーとしての機能は、液体120の水質モニタリングにも利用可能であり、十分に有機物が除去された場合のみ液体120を外部へ排出するように制御することにも利用されうる。また、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、アノード130が電子供与微生物122を高濃度で担持しているため、微生物を担持する部材が無い間欠曝気式活性汚泥法よりも効率よく有機物を分解することもできる。また、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、好気処理だけでなく嫌気処理も利用するため、嫌気処理を利用しない活性汚泥法よりも余剰汚泥の発生量を低減することもできる。また、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、窒素除去および脱臭処理を行うこともできる(図7参照)。
In addition, as described above, the
液体中の有機物濃度を推定する方法としては、溶存酸素(DO)または酸化還元電位(ORP)の測定値から推測する方法や、光学的な紫外−可視光差値に基づいて推測する方法などが知られている(田中宏明、「下水道での水質計測機器」、計測と制御、第33巻、第8号、639〜644頁;Tanaka H., "Instruments of Water Quality Measurement in Sewerage System", Journal of The Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 33, No. 8, pp. 639-644)。畜産廃水や都市下水などの廃水には不溶性の浮遊物質や微生物などが多く含まれており、このような廃水は着色していることが多い。このような廃水の溶存酸素(DO)または酸化還元電位(ORP)を測定することで有機物濃度を推定する場合、プローブの先端に固形分が付着して膜が目詰まりしてしまうため、正確に有機物濃度を推定することは極めて困難である。光学的測定による有機物濃度の推定でも、不溶性浮遊物質や着色などにより光の透過が阻害されてしまうため、正確に有機物濃度を推測することは極めて困難である。したがって、畜産廃水などの不溶性の浮遊物質が含まれる廃水や着色している廃水中の化学的酸素要求量(COD)や生物化学的酸素要求量(BOD)などの有機物濃度を長期に安定して測定する実用的な方法がないのが現状である。一方、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、選択的透過膜や光学的方法などを用いないため、目詰まりの問題がなく、廃水中の浮遊物質や着色などによる阻害も一切受けずに有機物濃度を推定することができる。したがって、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、長期間に亘り洗浄などのメンテナンスを行うことなく、畜産廃水や都市下水など様々な廃水中における有機物濃度を正確に推定することができる。
As a method for estimating the organic substance concentration in the liquid, there are a method of estimating from a measured value of dissolved oxygen (DO) or redox potential (ORP), a method of estimating based on an optical ultraviolet-visible light difference value, and the like. Known (Hiroaki Tanaka, “Water quality measurement equipment in sewers”, Measurement and Control, Vol. 33, No. 8, pp. 639-644; Tanaka H., “Instruments of Water Quality Measurement in Sewerage System”, Journal of The Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 33, No. 8, pp. 639-644). Wastewater such as livestock wastewater and municipal sewage contains many insoluble suspended solids and microorganisms, and such wastewater is often colored. When estimating the organic substance concentration by measuring the dissolved oxygen (DO) or oxidation-reduction potential (ORP) of such wastewater, solids adhere to the tip of the probe and clog the membrane. It is extremely difficult to estimate the organic matter concentration. Even in the estimation of the organic substance concentration by optical measurement, since the light transmission is hindered by insoluble suspended solids or coloring, it is extremely difficult to accurately estimate the organic substance concentration. Therefore, it is possible to stabilize the organic matter concentration such as chemical oxygen demand (COD) and biochemical oxygen demand (BOD) in wastewater containing insoluble suspended solids such as livestock wastewater and colored wastewater for a long time. There is currently no practical method for measuring. On the other hand, since the
また、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、液体120中に空気168を送り込む曝気装置160と、液体120中から水素ガスを回収する水素回収部170および水素貯蔵部180とを設置するとともに、アノード130およびカソード140を液体120に接触させるだけで、容易に設置されうる。したがって、本実施の形態に係る微生物電解セル100を既存の施設に導入することは容易である。
In addition, the
[実施の形態2]
本実施の形態では、電圧印加部としてポテンショスタットを有する微生物電解セルについて説明する。
[Embodiment 2]
In the present embodiment, a microbial electrolysis cell having a potentiostat as a voltage application unit will be described.
(微生物電解セルの構成)
図2は、実施の形態2に係る微生物電解セル200の構成を示す断面模式図である。図2に示されるように、微生物電解セル200は、容器110、液体120、アノード(負極、作用極)130、カソード(正極、対極)140、参照電極240、ポテンショスタット250、曝気装置160、水素回収部170および水素貯蔵部180を有する。アノード130、カソード140および参照電極240は、ポテンショスタット250に電気的に接続されている。
(Configuration of microbial electrolysis cell)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
実施の形態2に係る微生物電解セル200は、電圧印加部としてポテンショスタット250を有する点で、実施の形態1に係る微生物電解セル100と異なる。そこで、実施の形態1に係る微生物電解セル100と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
The
ポテンショスタット250は、アノード130、カソード140および参照電極240に電気的に接続されており、アノード(作用極)130の電極電位を−0.4V(vs.Ag/AgCl)(Ag/AgCl:銀−塩化銀電極)以上、好ましくは−0.2〜2.0V(vs.Ag/AgCl)になるように制御する。電極電位を制御する基準として参照電極240を用い、カソード(対極)140に電子を流すことでアノード(作用極)130の電極電位を一定に保つ。この結果、ポテンショスタット250は、アノード(作用極)130とカソード(対極)140との間に電圧を印加することとなり、有機物の分解で生じる電子は、アノード(作用極)130からポテンショスタット250を介して最終的にカソード140に流れ、カソード140の表面で水素が発生する。このように、アノード(作用極)130の電極電位は、カソード140の電極電位よりも常に所定の電位差で低い。
The
参照電極240は、液体120に接触するように配置される。本実施の形態では、参照電極240は、液体120中に浸漬されている。参照電極240の種類は、特に限定されず、適宜選択されうる。参照電極240の例には、銀−塩化銀電極や標準水素電極、カロメル電極などが含まれる。
The
(微生物電解セルの動作)
次に、本実施の形態に係る微生物電解セル200の動作について説明する。
(Operation of microbial electrolysis cell)
Next, the operation of the
ポテンショスタット250により、アノード(作用極)130の電極電位が常に所定の値(例えば−0.2V(vs.Ag/AgCl))となるように、参照電極240を基準として用いてアノード130とカソード140との間に電圧を印加して微生物電解セル200を稼働させると、容器110内において、電子供与微生物122により有機物(例えば酢酸)が二酸化炭素に分解される際に、水素イオンと電子が生成される。有機物の分解により生成された水素イオンは、カソード140表面に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード130で回収されて、外部回路を経由してカソード140に移動する。このような状況において、カソード140表面では、水素イオンおよび電子が反応することで、水素ガス172が生成される。したがって、容器110内に有機物を供給することで、上記サイクルを維持して、水素ガス172を連続して生成することができる。
With the
(効果)
本実施の形態に係る微生物電解セル200は、実施の形態1に係る微生物電解セル100と同様の効果を有する。また、実施の形態1に係る微生物電解セル100は、参照電極が不要であり、電源装置もポテンショスタットより安価であるという利点を有するものの、実施の形態1に係る微生物電解セル100では、アノード130の電極電位が運転に伴い変動してしまう。一方、本実施の形態に係る微生物電解セル200では、アノード130の電極電位が、ポテンショスタットにより常に一定に保たれる。したがって、本実施の形態に係る微生物電解セル200では、電子供与微生物122が有機物を分解して生じる電子をアノード130に伝達する反応にとって最適な電極電位を常に維持することができ、容器110内のpHや有機物濃度、電気伝導度などが変動しても、安定して稼働させることができる。
(effect)
The
なお、上記各実施の形態では、カソード140表面で発生した水素ガス172を回収したが、水素の生産を目的としていない場合は水素ガス172を回収しなくてもよい。この場合は、水素回収部170および水素貯蔵部180を設ける必要はない。
In each of the above embodiments, the
また、上記各実施の形態では、電源150またはポテンショスタット250に含まれる電流計によりアノード130とカソード140との間を流れる電流を計測したが、電源150またはポテンショスタット250とは別に電流計を設けてもよい。この場合は、制御部166は、外部に設けられた電流計に接続される。
In the above embodiments, the current flowing between the
以下、実施例を参照して本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail with reference to an Example, this invention is not limited by these Examples.
本実施例では、上記実施の形態2に係る微生物電解セル(図2参照)を作製し、その特性を評価した。本実施例では、間欠的に曝気を行った。 In this example, a microbial electrolysis cell (see FIG. 2) according to the second embodiment was produced and its characteristics were evaluated. In this example, aeration was intermittently performed.
1.微生物電解セルの作製
容器として、容量10Lのアクリル樹脂製の四角形の容器を準備した。容器の底部には、ポンプ(空気吐出量:1.7〜2.0L/分)に接続された散気管を配置した。以下の表に示される組成の培地と、電子供与微生物の供給源としての活性汚泥とを5:1の割合で混合して、人工廃水を調整した。得られた人工廃水10Lを、容器に導入した。
容器内の人工廃水中に、アノード(作用極、負極)としてのカーボンブラシ、カソード(対極、正極)としてのプラチナ電極、参照電極としての銀−塩化銀電極を浸漬させた。これらの電極は、ポテンショスタットに接続されている。また、カソード(プラチナ電極)の上部に漏斗形状の水素回収部を設置して水素ガスを回収するとともに、水素ガスの量を計測できるようにした。 A carbon brush as an anode (working electrode, negative electrode), a platinum electrode as a cathode (counter electrode, positive electrode), and a silver-silver chloride electrode as a reference electrode were immersed in the artificial wastewater in the container. These electrodes are connected to a potentiostat. In addition, a funnel-shaped hydrogen recovery unit was installed above the cathode (platinum electrode) to recover hydrogen gas and to measure the amount of hydrogen gas.
2.微生物電解セルの評価
室温において、アノードの電極電位が銀−塩化銀電極(参照電極)の電位に対して−0.2Vとなるようにアノードおよびカソードに電圧を印加して、作製した微生物電解セルを稼働させた。このとき、曝気1時間および無曝気5時間のサイクルで間欠的に曝気した。微生物電解セルを稼働させてから1分ごとに、アノードとカソードとの間に流れる電流および水素の発生量を測定した。また、10分ごとに人工廃水の酸化還元電位(ORP)も測定した。また、数時間ごとに人工廃水の化学的酸素要求量(COD)を測定した。また、稼働前および稼働してから18.5時間後に、人工廃水の全窒素(TN)の濃度を測定した。また、人工廃水のCODと発生する電流量との相関を実証するための実験では、様々なCOD濃度の人工廃水を容器に投入し、毎日1回、曝気停止してから1時間経過した時に、アノードとカソードとの間に流れる電流およびCODを測定した。
2. Evaluation of microbial electrolysis cell The microbial electrolysis cell produced by applying a voltage to the anode and the cathode so that the electrode potential of the anode is -0.2 V with respect to the potential of the silver-silver chloride electrode (reference electrode) at room temperature. Was put into operation. At this time, aeration was intermittently performed in a cycle of aeration for 1 hour and non-aeration for 5 hours. The current flowing between the anode and the cathode and the amount of hydrogen generated were measured every minute after the microbial electrolysis cell was operated. In addition, the redox potential (ORP) of artificial wastewater was also measured every 10 minutes. In addition, the chemical oxygen demand (COD) of artificial wastewater was measured every few hours. Moreover, the total nitrogen (TN) concentration of the artificial wastewater was measured before the operation and 18.5 hours after the operation. Also, in an experiment to demonstrate the correlation between the COD of artificial wastewater and the amount of current generated, when artificial wastewater with various COD concentrations was put into a container and aeration was stopped once a day, 1 hour passed. The current and COD flowing between the anode and cathode were measured.
図3は、微生物電解セルにおけるアノードとカソードとの間に流れる電流の経時的変化を示すグラフであり、図4は、微生物電解セルにおける水素の総発生量の経時的変化を示すグラフである。これらのグラフから、間欠的に曝気を行っても、微生物電解セルが正常に稼働して水素ガスの生成を継続できることがわかる。また、時間の経過と共に有機物の濃度が低減することによる電流および水素発生量の減少が生じることもわかる。 FIG. 3 is a graph showing the change over time of the current flowing between the anode and the cathode in the microbial electrolysis cell, and FIG. 4 is a graph showing the change over time of the total amount of hydrogen generated in the microbial electrolysis cell. From these graphs, it can be seen that even when intermittent aeration is performed, the microbial electrolysis cell operates normally and hydrogen gas generation can be continued. Moreover, it turns out that the reduction | decrease of the electric current and hydrogen generation amount by the density | concentration of organic substance reducing with progress of time arises.
図5は、微生物電解セルにおける人工廃水の酸化還元電位(ORP)の経時的変化を示すグラフである。このグラフから、曝気により酸化還元電位が正の値まで上昇しており、好気状態になっていることがわかる。 FIG. 5 is a graph showing a change with time of the oxidation-reduction potential (ORP) of the artificial wastewater in the microbial electrolysis cell. From this graph, it can be seen that the oxidation-reduction potential has increased to a positive value due to aeration and is in an aerobic state.
図6は、微生物電解セルにおける人工廃水の化学的酸素要求量(COD)の測定結果を示すグラフである。このグラフから、本発明に係る微生物電解セルは、CODが100mg/Lと低い値になるまで有機物を分解できることがわかる。これは、電子供与微生物を含む様々な微生物が高密度でアノードに付着することにより、容器内に微生物が高濃度に保持されたことと、さらには曝気により人工廃水中の有機物と電子供与微生物が効率よく接触できたためと考えられる。なお、ここでは結果を示さないが、生物化学的酸素要求量(BOD)についても同様に低下した。 FIG. 6 is a graph showing measurement results of chemical oxygen demand (COD) of artificial wastewater in a microbial electrolysis cell. From this graph, it can be seen that the microbial electrolysis cell according to the present invention can decompose organic substances until the COD becomes a low value of 100 mg / L. This is because various microorganisms including electron donating microorganisms adhere to the anode at a high density, so that the microorganisms are kept at a high concentration in the container, and further, organic matter and electron donating microorganisms in the artificial wastewater are aerated by aeration. It is thought that it was possible to contact efficiently. Although the results are not shown here, the biochemical oxygen demand (BOD) also decreased in the same manner.
図7は、稼働前後の微生物電解セルにおける人工廃水の窒素濃度の測定結果を示すグラフである。このグラフから、本発明に係る微生物電解セルは、間欠曝気式活性汚泥槽と同様に混合液中の窒素を除去できることがわかる。なお、ここでは結果を示さないが、曝気処理を行わずに稼働させた微生物電解セルでは、窒素を除去できない。これは、曝気処理を行わずに稼働させた微生物電解セルでは、常に嫌気状態であり、好気状態で生じるアンモニア酸化反応(硝化)が生じず、脱窒反応も生じないためであると考えられる。このことから、微生物電解セルにおいて(間欠)曝気を行うことにより、窒素の除去が促進されることがわかる。 FIG. 7 is a graph showing the measurement results of the nitrogen concentration of artificial wastewater in the microbial electrolysis cell before and after operation. From this graph, it can be seen that the microbial electrolysis cell according to the present invention can remove nitrogen in the mixed solution in the same manner as the intermittent aeration activated sludge tank. In addition, although a result is not shown here, nitrogen cannot be removed in the microbial electrolysis cell operated without performing the aeration process. This is considered to be because a microbial electrolysis cell operated without performing aeration treatment is always in an anaerobic state, and does not cause an ammonia oxidation reaction (nitrification) that occurs in an aerobic state and does not cause a denitrification reaction. . This shows that the removal of nitrogen is promoted by performing (intermittent) aeration in the microbial electrolysis cell.
図8は、人工廃水の化学的酸素要求量(COD)と電流との相関を実証するために行った実験の結果を示すグラフである。このグラフでは、曝気を停止してから1時間後における微生物電解セルのアノードとカソードとの間に流れる電流と、そのときの人工廃水のCODとの関係を示している。点線は直線近似式(y=14722x+63.13)を示す直線である。このグラフから、電流とCODとの間に高い相関があり、電流からCODを検出できることがわかる。なお、ここでは結果を示さないが、曝気中においても電流とCODとの間に高い相関があった。また、生物化学的酸素要求量(BOD)についても電流と高い相関がある。 FIG. 8 is a graph showing the results of experiments conducted to demonstrate the correlation between chemical oxygen demand (COD) of artificial wastewater and current. This graph shows the relationship between the current flowing between the anode and cathode of the microbial electrolysis cell one hour after stopping aeration and the COD of the artificial wastewater at that time. A dotted line is a straight line indicating a linear approximation formula (y = 14722x + 63.13). From this graph, it can be seen that there is a high correlation between current and COD, and COD can be detected from the current. Although no results are shown here, there was a high correlation between current and COD even during aeration. Biochemical oxygen demand (BOD) is also highly correlated with current.
なお、本実施例では電圧印加部としてポテンショスタットを使用したが、電圧印加部として電源を使用してアノードとカソードとの間に0.8Vの電圧を印加した場合(図1参照)も同様の結果を得られた。 In this embodiment, a potentiostat is used as the voltage application unit, but the same applies when a voltage of 0.8 V is applied between the anode and the cathode using a power source as the voltage application unit (see FIG. 1). The result was obtained.
本発明に係る微生物電解セルは、水素ガスの生成能力を維持しつつ有機物の分解能力が高いため、例えば畜舎における廃水処理や都市部における下水の浄化処理などにおいて有用である。 Since the microbial electrolysis cell according to the present invention has a high ability to decompose organic substances while maintaining the ability to generate hydrogen gas, it is useful in, for example, wastewater treatment in livestock barns or sewage purification treatment in urban areas.
100,200 微生物電解セル
110 容器
120 液体
122 電子供与微生物
130 アノード
140 カソード
150 電源
160 曝気装置
162 ポンプ
164 散気管
166 制御部
168 空気
170 水素回収部
172 水素ガス
180 水素貯蔵部
240 参照電極
250 ポテンショスタット
100, 200
Claims (6)
前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、
前記液体に接触するように配置されたアノードおよびカソードと、
前記アノードの電位が前記カソードの電位よりも低くなるように、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加部と、
前記液体に酸素を含む気体を送り込む曝気装置と、
を有する、微生物電解セル。 A container,
A liquid containing organic matter and electron-donating microorganisms contained in the container;
An anode and a cathode arranged to contact the liquid;
A voltage applying unit that applies a voltage between the anode and the cathode such that the potential of the anode is lower than the potential of the cathode;
An aeration apparatus for sending a gas containing oxygen to the liquid;
A microbial electrolysis cell.
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