JP2016031778A - Microbial fuel battery system - Google Patents
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Abstract
【課題】廃水の酸化還元電位を低電位に維持し、良好な電力で安定的に発電することが可能な微生物燃料電池システムの提供。
【解決手段】有機物を含有する廃水の嫌気性処理を行う嫌気槽10と、嫌気槽10の後段に設置され、アノード22と、カソード24と、廃水に含まれる基質を酸化分解してアノードに電子を供与する微生物とを保持する微生物燃料電池槽20とを備える微生物燃料電池システム1。有機物を含有する廃水は、嫌気槽10において酸化還元電位を低下させる嫌気性処理がなされた後に、微生物燃料電池槽20に移送される微生物燃料電池システム1。
【選択図】図1Disclosed is a microbial fuel cell system capable of stably generating power with good electric power while maintaining a redox potential of wastewater at a low potential.
An anaerobic tank 10 for performing anaerobic treatment of waste water containing organic substances, and an anaerobic tank 10 installed at the rear stage of the anaerobic tank 10 oxidatively decomposes an anode 22, a cathode 24, and a substrate contained in the waste water into the anode. A microbial fuel cell system 1, comprising a microbial fuel cell tank 20 that holds microorganisms that donate water. The waste water containing organic substances is transferred to the microbial fuel cell tank 20 after being subjected to anaerobic treatment for reducing the oxidation-reduction potential in the anaerobic tank 10.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、微生物燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a microbial fuel cell system.
近年、微生物による酸化還元反応を利用して発電を行う微生物燃料電池の開発が進められている。微生物燃料電池は、微生物が有機物、無機物等の基質を酸化分解する過程で生じた電子を、最終電子受容体として電極を用いて集電する装置である。微生物燃料電池を廃水処理システムに組み込むことで、廃水の生物学的処理と廃水を利用した発電とを一体として行う微生物燃料電池システムを構築することができ、廃水の生物学的処理において微生物が獲得したエネルギの一部を電子伝達系を遮断して奪って電気エネルギとして回収することが可能となる。そのため、微生物燃料電池システムは、省エネルギ性に優れると共に余剰汚泥の発生が低減された廃水処理を実現する技術として期待されている。 In recent years, development of microbial fuel cells that generate electricity using oxidation-reduction reactions by microorganisms has been promoted. A microbial fuel cell is a device that collects electrons generated in the process of microorganisms oxidizing and decomposing a substrate such as an organic substance or an inorganic substance using an electrode as a final electron acceptor. By incorporating the microbial fuel cell into the wastewater treatment system, it is possible to construct a microbial fuel cell system that integrates biological treatment of wastewater and power generation using wastewater, and microorganisms are acquired in the biological treatment of wastewater. A part of the generated energy can be taken off by shutting off the electron transmission system and recovered as electric energy. Therefore, the microbial fuel cell system is expected as a technology that realizes wastewater treatment with excellent energy saving and reduced generation of excess sludge.
微生物燃料電池システムの実用化に向けては、発電電力のさらなる向上が求められている。微生物による発電電力を向上させる上では、発電に関与する微生物が酸化分解する基質の濃度と発電に関与する微生物の菌体量とを如何に維持するかが重要である。そこで、微生物が微生物燃料電池から流出するのを防止し、発電に関与する微生物の濃度を高めることによって、電気エネルギの回収効率を向上させる技術が提案されている。 For the practical application of the microbial fuel cell system, further improvement of the generated power is required. In order to improve the power generated by microorganisms, it is important how to maintain the concentration of the substrate in which the microorganisms involved in power generation are oxidatively decomposed and the amount of cells of the microorganisms involved in power generation. In view of this, a technique has been proposed that prevents the microorganisms from flowing out of the microbial fuel cell and increases the concentration of the microorganisms involved in power generation, thereby improving the recovery efficiency of electric energy.
例えば、特許文献1には、電極に触媒として機能する嫌気性微生物を担持させた燃料電池(微生物燃料電池)に有機性物質を含む液を流入させる流入工程と、前記微生物燃料電池にて前記有機性物質を含む液を生物的に処理しながら発電する発電工程と、前記微生物燃料電池によって処理された液を固液分離する分離工程とを備える微生物燃料電池システムにおいて、前記分離工程により抽出された固体成分(余剰汚泥)を含む液を前記微生物燃料電池に返送する技術が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses an inflow process in which a liquid containing an organic substance is introduced into a fuel cell (microbial fuel cell) in which an anaerobic microorganism that functions as a catalyst is supported on an electrode; In a microbial fuel cell system comprising a power generation step of generating electricity while biologically treating a liquid containing a sexual substance and a separation step of solid-liquid separation of the liquid treated by the microbial fuel cell, the microbial fuel cell system is extracted by the separation step A technique for returning a liquid containing a solid component (excess sludge) to the microbial fuel cell is disclosed.
特許文献1によると、分離工程により分離された固体成分(余剰汚泥)を含む液を微生物燃料電池に返送することによって、微生物の濃度を高めることができ、エネルギーの回収効率を高くすることができるとされている。しかしながら、微生物燃料電池システムにおける発電を、期待する電力で安定的に維持するためには、こうした余剰汚泥の出入のみならず、発電に関与する微生物(発電微生物)による電子伝達を適化させることも望まれる。 According to Patent Document 1, by returning the liquid containing the solid component (excess sludge) separated in the separation step to the microbial fuel cell, the concentration of microorganisms can be increased and the energy recovery efficiency can be increased. It is said that. However, in order to stably maintain the power generation in the microbial fuel cell system with the expected power, not only the entry and exit of such excess sludge but also the optimization of electron transfer by microorganisms (power generation microorganisms) involved in power generation desired.
発電微生物の電子伝達系に適した酸化還元電位は、一般に、−100mVから−200mV程度の電位よりも低い低電位の範囲である。ところが、微生物燃料電池システムにおいて発電微生物に電子供与体を供給するために用いられる下水等の廃水は、供給されるまでの間に空気との接触の機会が多く、溶存酸素濃度が比較的高くなる傾向がある。また、有機物濃度は比較的低いため、微生物の存在下においても有機物分解に伴う溶存酸素の消費が低度に留まり、溶存酸素濃度が高い水準に維持され易い。そのため、微生物燃料電池システムにおいては、生物学的処理されるために導入される廃水の酸化還元電位が、発電微生物の電子伝達系に適した低電位になり難く、良好な電力で安定的に発電を行うのが難しいのが現状である。 The oxidation-reduction potential suitable for the electron transfer system of the power generation microorganism is generally in a low potential range lower than the potential of about −100 mV to −200 mV. However, wastewater such as sewage used for supplying an electron donor to power generation microorganisms in a microbial fuel cell system has many opportunities to come into contact with air before being supplied, and the dissolved oxygen concentration becomes relatively high. Tend. In addition, since the organic matter concentration is relatively low, the consumption of dissolved oxygen accompanying decomposition of the organic matter remains low even in the presence of microorganisms, and the dissolved oxygen concentration is easily maintained at a high level. Therefore, in the microbial fuel cell system, the redox potential of the wastewater introduced for biological treatment is unlikely to be a low potential suitable for the electron transfer system of the power generation microorganism, and stable power generation with good power is possible. It is difficult to do this.
そこで、本発明は、廃水の酸化還元電位を低電位に維持し、良好な電力で安定的に発電することが可能な微生物燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a microbial fuel cell system capable of stably generating power with good electric power while maintaining the redox potential of wastewater at a low potential.
前記課題を解決するために本発明に係る微生物燃料電池システムは、有機物を含有する廃水の嫌気性処理を行う嫌気槽と、前記嫌気槽の後段に設置され、アノードと、カソードと、前記廃水に含まれる基質を酸化分解して前記アノードに電子を供与する微生物とを保持する微生物燃料電池槽とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a microbial fuel cell system according to the present invention includes an anaerobic tank that performs anaerobic treatment of wastewater containing organic matter, an anaerobic tank, and an anode, a cathode, and the wastewater. And a microbial fuel cell tank that holds microorganisms that oxidize and decompose the contained substrate to donate electrons to the anode.
本発明によれば、廃水の酸化還元電位を嫌気性処理によってあらかじめ低下させることができるため、廃水の酸化還元電位を低電位に維持し、良好な電力で安定的に発電することが可能な微生物燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, the oxidation-reduction potential of wastewater can be lowered in advance by anaerobic treatment, so that the microorganism capable of stably generating power with good power while maintaining the oxidation-reduction potential of wastewater at a low potential A fuel cell system can be provided.
以下に本発明の一実施形態に係る微生物燃料電池システムについて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する部分についての説明は省略する。 A microbial fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described below. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and description about the overlapping part is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の一実施形態に係る微生物燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a microbial fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
本実施形態に係る微生物燃料電池システム1は、図1に示すように、嫌気槽10と、微生物燃料電池槽20とを備えている。微生物燃料電池システム1は、微生物燃料電池を廃水処理システムに組み込むことによって、廃水の生物学的処理と、廃水を電子供与体の供給に利用した電力回収と、を一体として行う装置となっている。微生物燃料電池システム1において、嫌気槽10と微生物燃料電池槽20とは、この順に備えられており、嫌気槽10において処理された原水(廃水)が、後段の微生物燃料電池槽20に移送されて処理された後に、処理水として排水されるようになっている。
As shown in FIG. 1, the microbial fuel cell system 1 according to this embodiment includes an
この微生物燃料電池槽20においては、廃水の生物学的処理と、廃水と発電微生物とを利用した電力回収(電気エネルギの回収)とが行われる。微生物燃料電池システム1では、このような微生物燃料電池槽20の前段に嫌気槽10が備えられており、嫌気槽10における嫌気性処理によって廃水の酸化還元電位をあらかじめ低下させておくことで、微生物燃料電池槽20において安定的な電力回収が実現されるようにしている。
In the microbial
微生物燃料電池システム1には、有機物を含有する廃水が原水として導入される。廃水は、例えば、生活排水、工場排水、事業場排水等の汚水や、側溝等から雨水管を通じて集水される雨水や、これらが合流した状態の混合排水のような下水等である。このような廃水は、不図示の最初沈殿池等を経由して、浮遊物質、沈降性固形物等が除去された後に嫌気槽10に導入される。
In the microbial fuel cell system 1, waste water containing organic substances is introduced as raw water. The wastewater is, for example, sewage such as domestic wastewater, factory wastewater, business site wastewater, rainwater collected from a side ditch through a rainwater pipe, or sewage such as mixed wastewater in a state where they are combined. Such waste water is introduced into the
原水として導入される下水としては、溶存態についての水質指標値が、CODCr(二クロム酸カリウムによる酸素消費量)について0mg/L〜500mg/L、CODMn(100℃における過マンガン酸カリウムによる酸素消費量)について0mg/L〜500mg/L、BOD(生物化学的酸素消費量)について0mg/L〜500mg/L、TOC(有機態炭素)について0mg/L〜100mg/L、T−N(全窒素濃度)について0mg/L〜100mg/Lの範囲にあるような廃水が想定される。溶存態についての水質指標値は、好ましくは、CODCrについて10mg/L〜100mg/L、CODMnについて10mg/L〜100mg/L、BODについて10mg/L〜100mg/L、TOCについて5mg/L〜50mg/L、T−Nについて5mg/L〜50mg/Lの範囲である。微生物燃料電池システム1においては、このように基質濃度が比較的低い廃水を利用する場合においても、安定的な電力回収を実現することが可能となっている。
As sewage to be introduced as raw water, the water quality index value for dissolved state is 0 mg / L to 500 mg / L for COD Cr (oxygen consumption by potassium dichromate), COD Mn (depending on potassium permanganate at 100 ° C. Oxygen consumption) 0 mg / L to 500 mg / L, BOD (Biochemical Oxygen Consumption) 0 mg / L to 500 mg / L, TOC (Organic Carbon) 0 mg / L to 100 mg / L, TN ( A waste water in the range of 0 mg / L to 100 mg / L is assumed for the total nitrogen concentration). Water quality index values for the dissolved state are preferably 10 mg / L to 100 mg / L for COD Cr , 10 mg / L to 100 mg / L for COD Mn , 10 mg / L to 100 mg / L for BOD, 5 mg / L to
原水として導入される下水のDO(溶存酸素濃度)は、0mg/L〜7mg/Lの範囲、好ましくは0mg/L〜4mg/Lの範囲にあるような廃水が想定される。なお、廃水の酸化還元電位は、DOが0mg/L程度である場合においても、通常、0mV以上となる。微生物燃料電池システム1は、原水として導入される下水のDOが7mg/L以下となるような非曝気状態の廃水をも好適に処理することができる。下水のDOが4mg/L以下程度であると、嫌気性処理において酸化還元電位を所望の低電位値まで低下させ易いため、電力回収の効率の観点から有利である。 It is assumed that DO (dissolved oxygen concentration) of sewage introduced as raw water is in the range of 0 mg / L to 7 mg / L, and preferably in the range of 0 mg / L to 4 mg / L. Note that the oxidation-reduction potential of the wastewater is usually 0 mV or more even when DO is about 0 mg / L. The microbial fuel cell system 1 can suitably treat wastewater in a non-aerated state in which DO of sewage introduced as raw water is 7 mg / L or less. When the sewage DO is about 4 mg / L or less, the redox potential is easily lowered to a desired low potential value in anaerobic treatment, which is advantageous from the viewpoint of the efficiency of power recovery.
嫌気槽10は、有機物を含有する廃水の嫌気性処理を行う処理槽となっており、微生物燃料電池槽20に導入される廃水の酸化還元電位をあらかじめ低下させるように働く。嫌気槽10には、嫌気性微生物を含む汚泥が保持され、処理槽の雰囲気が、低遊離酸素条件ないし無遊離酸素条件に維持される。また、嫌気槽10には、嫌気性処理される廃水を攪拌する攪拌手段12が備えられている。攪拌手段12によって、嫌気性処理される廃水が攪拌されて、汚泥と廃水とが均質化されると共に汚泥の沈降が抑制されるようになっている。また、嫌気槽10には、図1に示すように、廃水の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計14を設置することができる。酸化還元電位計14によって嫌気性処理された廃水の酸化還元電位が低電位になるように管理することができる。
The
嫌気槽10に保持される汚泥は、固定化担体又は固定床担体を用いて固定化されていることが好ましい。汚泥を固定化することによって、嫌気槽10から微生物燃料電池槽20への汚泥の流入を抑制することができる。固定化担体は、嫌気性微生物が担持された浮遊担体とすることが好ましく、固定床担体は、それを構成する支持部材等の天板が廃水の水面上に露出する形状とすることが好ましい。固定化担体を浮遊担体として水面を覆うように多数浮遊させたり、固定床担体を水面上に露出させたりすることによって、嫌気槽10に保持される廃水と気相との接触面を減少させることができる。そのため、採水等に伴って密閉された嫌気槽10を一時的に開放したりする場合にも、外気中の酸素よって廃水の酸化還元電位が高電位化するのを抑制することができる。或いは、嫌気槽10を簡易な構造としても、外気中の酸素の廃水への溶解を低減することができ、嫌気槽10の構造を低コスト化しつつ廃水の酸化還元電位が高電位化するのを抑制することが可能となる。
The sludge retained in the
嫌気槽10に保持される浮遊担体としては、円筒状、スポンジ状、直方体、球体等の適宜の形状とした樹脂製、ゲル製等の担体を用いることができる。浮遊担体の材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ウレタンフォーム、アクリル系樹脂、ポリエチレングリコール、アルギン酸、セルロース等適宜の材料を用いることができる。浮遊担体の密度は、1.0g/cm3以下、好ましくは0.8g/cm3以上1.0g/cm3以下、より好ましくは0.9g/cm3以上0.95g/cm3以下である。また、浮遊担体の寸法は、最大径が10cm未満、好ましくは1cm以上10cm未満、より好ましくは1cm以上5cm以下である。浮遊担体としては、特に、ポリプロピレン製の円筒状の担体であって、密度が0.9g/cm3以上0.95g/cm3以下、且つ、最大径が1cm以上5cm以下の担体が好適である。このような浮遊担体は、微生物の付着率が高く、水面上に多数浮遊させた場合に廃水と気相との接触面を覆う割合も高くなる点で有利である。
As the floating carrier held in the
嫌気槽10では、原水として導入される廃水を、嫌気性微生物によって低遊離酸素条件ないし無遊離酸素条件の下で嫌気性処理し、廃水に含まれている有機物等を分解処理させる。嫌気性処理が行われることによって、外部からの酸素の供給が無い状態で嫌気性微生物によって溶存酸素が消費されると共に有機物等の分解処理によって還元体が生成されて、廃水の酸化還元電位が低下することになる。廃水の酸化還元電位を所望の低電位に低下させるためには、嫌気槽10における廃水の滞留時間、汚泥量、廃水の流入量等を適宜調節すればよい。そして、廃水の酸化還元電位を酸化還元電位計14で計測する等して、酸化還元電位の出口値が、還元状態を示す低電位の範囲に維持されるように管理を行う。
In the
嫌気槽10における廃水の酸化還元電位は、好ましくは−200mV以下、より好ましくは−300mV以下、さらに好ましくは−400mV以下の範囲とする。廃水の酸化還元電位が−200mV以下程度の低電位であると、微生物燃料電池槽20において電力回収を有意に行うことができるためである。また、嫌気槽10において酸化還元電位がこのように低電位化されていると、廃水が嫌気槽10から流出し微生物燃料電池槽20に流入した後においても、微生物燃料電池槽20に保持される汚泥による嫌気性処理によって酸化還元電位が低下し易くなるため電力回収をより好適に行うことが可能になる。なお、酸化還元電位は、通常の嫌気性処理で−500mV程度まで低下させることができるが、低電位であるほど発電電力が増大し、発電の安定性が向上する傾向があるため、酸化還元反応が略平衡に至り酸化還元電位が一定に達するような滞留時間で処理を行えばよい。嫌気槽10における処理を終えた廃水は、その後、空気の侵入が遮断される配管等を介して、微生物燃料電池槽20に移送する。
The redox potential of the wastewater in the
微生物燃料電池槽20は、廃水に含まれる基質を発電微生物に酸化分解させ、酸化分解の過程で生じた電子を集電して電力回収を行う処理槽となっている。微生物燃料電池槽20は、嫌気槽10の後段に設置され、アノード22と、カソード24と、不図示の発電微生物とを保持している。
The microbial
アノード22は、発電微生物が基質を酸化分解する過程で生じた電子を集電する電極であり、微生物燃料電池槽20に導入された廃水に浸漬された状態で保持されている。アノード22は、平板状、膜状又は筒状に成形された炭素材料又は金属材料で形成することができる。炭素材料としては、例えば、カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンペーパ等が挙げられ、金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、白金等が挙げられる。
The
カソード24は、アノード22の対極となる電極であり、一主面が廃水に接する一方で、他主面が空気に接するエアカソードの形態とする。エアカソードは、図1に示すように、上面が開口した箱体26の側面に窓部を形成し、その窓部を通気性のカソード24によって水密に閉塞することによって形成することができる。カソード24が備えられた箱体26(エアカソード)は、上部の開口が外気に開放されるように、微生物燃料電池槽20に導入された廃水に半浸漬された状態で保持させればよい。通気性のカソード24は、平板状、膜状又は筒状に成形された繊維状の炭素材料で形成することができる。炭素材料としては、例えば、カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンペーパ等が挙げられ、材料表面に撥水性が付与されると共に白金等の触媒が担持されたものが好適である。
The
図1に示すように、アノード22とカソード24とは、導線を介して外部負荷Rとそれぞれ接続されて化学電池を形成する。アノード22によって集電された電子は、外部抵抗Rを経てカソード24側に移動し、カソード24では、空気中の酸素が電子受容体として供給されて、酸素及び水が関与する酸化還元反応が生じる。微生物燃料電池1では、このような外部回路から、発電微生物によって発電された電気エネルギの回収が行われるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
アノード22及びカソード24の電極数、電極面積、配置等は、特に制限されるものではないが、例えば、図1に示すように、各アノード22及びカソード24が略平行に並列するように、一対の電極を構成するアノード22及びカソード24を複数対配設させることができる。そして、微生物燃料電池槽20の平面視においては、各アノード22及びカソード24は、長手方向の一端が微生物燃料電池槽20の内壁に当接する一方で、他端が微生物燃料電池槽20の内壁から離反するように配置させる。すなわち、並列している各アノード22及びカソード24によって、内壁から離反する箇所が左右交互に配置されるように微生物燃料電池槽20を仕切らせて、廃水が水平方向について交互に迂流する水平迂流式の処理槽を形成させることが可能である。このように、微生物燃料電池槽20を迂流式の処理槽とすると、廃水が攪拌されながら通流するようになるため、並列している複数の電極のそれぞれについて発電微生物の分布のむらを低減させることができる。これによって、発電微生物による酸化分解やアノード22による集電の効率が高められ、電力回収の効率を向上させることができるようになる。また、滞留時間が確保され易くなると共に、汚泥の偏在が抑制されるようになるため、嫌気性処理や電力回収を安定的にすることができる。
The number of electrodes, the electrode area, the arrangement, and the like of the
発電微生物は、廃水に含まれる有機物、無機物等の基質を酸化分解してアノード22に電子を供与する微生物である。発電微生物としては、電子伝達系において、鉄、マンガン、バナジウム等の金属イオンやこれらの酸化物を最終電子受容体として利用する能力を持つ微生物を用いることができる。このような微生物としては、例えば、細胞外における電子伝達能を有するShewanella属、Geobacter属等に分類される微生物が挙げられる。発電微生物としては、これらの中でも、Shewanella oneidensis、Geobacter sulfurreducens又はGeobacter metallireducensを用いることが好ましい。なお、こうした発電微生物は、嫌気性微生物群を含む汚泥の形態で、微生物燃料電池槽20に導入された廃水に懸濁させたり、アノード22に固定化させたりして用いることができる。
The power generation microorganism is a microorganism that donates electrons to the
微生物燃料電池槽20では、嫌気槽10において酸化還元電位を低下させた廃水を、発電微生物を含む汚泥によって低遊離酸素条件ないし無遊離酸素条件の下で嫌気性処理し、廃水に含まれている基質を酸化分解させる。発電微生物が基質を酸化分解する過程で生じた電子は、発電微生物の電子伝達系から奪われ、アノード22に集電されて電力として回収される。嫌気槽10で酸化還元電位を低下させた廃水を、空気の侵入を抑制して微生物燃料電池槽20に移送することによって、発電微生物の電子伝達系に適した酸化還元電位を実現することが可能である。なお、酸化還元電位計14は、微生物燃料電池槽20や、嫌気槽10と微生物燃料電池槽20との間の配管等に設置してもよい。
In the microbial
このような微生物燃料電池槽20において、嫌気性処理された廃水は、微生物燃料電池システム1の系外に処理水として排水される。通常、微生物燃料電池システム1に原水として導入される下水等の廃水は、嫌気性処理のみでは放流水質を確保することが難しいため、微生物燃料電池槽20の後段には、廃水の好気性処理を行う好気槽や、嫌気槽と好気槽とを含む復数段の処理槽や、遊離酸素の不存在下且つ結合態酸素の存在下に廃水の無酸素処理を行う無酸素槽と好気槽とを含む復数段の処理槽等が設置されるようにシステムを構成してもよい。
In such a microbial
以上の実施形態に係る微生物燃料電池システム1によれば、廃水の嫌気性処理を行う嫌気槽10が、微生物燃料電池槽20の前段に備えられることによって、微生物燃料電池槽20に導入される廃水の酸化還元電位をあらかじめ低下させることができる。導入される廃水を嫌気性処理しておくことによって、微生物燃料電池槽20に流入する廃水の酸化還元電位を常時−200mV以下程度の低電位に維持することも可能となるため、発電微生物による基質の酸化分解と電子伝達とが良好な反応速度で進行するようになり、発電される電極あたりの電力密度を向上させると共に、発電電力を経時安定的に維持させることが可能になる。また、嫌気槽10の槽構造や、嫌気槽10と微生物燃料電池槽20との連結構造の設計によって、微生物燃料電池槽20に前段から汚泥が流入するのを避けることができる。そのため、発電微生物が集積されている細菌叢が変動して発電微生物の菌体量が減少するのを避けることができ、発電電力の経時的な安定性を確保し易くすることが可能である。
According to the microbial fuel cell system 1 according to the above-described embodiment, the
次に、変形例1に係る微生物燃料電池システムについて説明する。 Next, a microbial fuel cell system according to Modification 1 will be described.
図2は、変形例1に係る微生物燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the microbial fuel cell system according to the first modification.
前記の実施形態に係る微生物燃料電池システム1は、図2に示すように、嫌気槽の構造を変更した微生物燃料電池システム(変形例1に係る微生物燃料電池システム)2のような形態とすることもできる。変形例1に係る微生物燃料電池システム2は、単室の嫌気槽10に代えて、上下迂流式の嫌気槽10Aを備えるものである。
As shown in FIG. 2, the microbial fuel cell system 1 according to the embodiment is configured as a microbial fuel cell system 2 (microbial fuel cell system according to Modification 1) 2 in which the structure of the anaerobic tank is changed. You can also. The microbial fuel cell system 2 according to the first modification includes an up-and-down bypass type
嫌気槽10Aは、有機物を含有する廃水の嫌気性処理を行う処理槽となっており、嫌気槽10と同様に、有機物を含有する廃水が、被処理水として導入され、微生物燃料電池槽20に導入される廃水の酸化還元電位をあらかじめ低下させるように働く。嫌気槽10Aは、図2に示すように、鉛直方向に沿って配設される迂流壁110によって仕切られた上下迂流式の槽構造を有している。そして、嫌気槽10Aにおける廃水の出口は、迂流壁110によって上向流が形成される処理室102の上部側に設けられている。
The
迂流壁110は、鉛直方向の一端が嫌気槽10Aの内壁に接する一方で、他端が嫌気槽10Aの内壁から離間し、嫌気槽10Aとの間に開口を設けている。この開口は、迂流壁によって隔てられる両側の空間を連通する迂流路fを形成している。なお、図2においては、嫌気槽10Aは、迂流壁110によって仕切られた2室の処理室101,102からなり、処理室同士が、迂流壁110の下端側に設けられた開口を通じて連通する構造が示されているが、迂流壁によって区画される処理室の数は特に制限されるものではない。例えば、迂流壁の下端側に設けられる開口と上端側に設けられる開口とが交互に配置されるようにして、3室以上からなる槽構造とすることも可能である。また、第1番目の処理室101に攪拌手段12Aが備えられているが、攪拌手段12Aを設置することなく省略化することも可能である。
In the
以上の変形例1に係る微生物燃料電池システム2によれば、嫌気槽10Aに迂流壁110が備えられていることによって、嫌気槽10Aにおいて嫌気性処理される廃水を、水頭による弱い攪拌力で攪拌することができる。そして、迂流壁110によって上向流が形成される処理室102の上部側に廃水の出口を設けることによって、汚泥の浮上が抑えられた上澄みの廃水を微生物燃料電池槽20に移送することができる。そのため、嫌気性処理に要する汚泥の嫌気槽10Aからの流出と、前段から微生物燃料電池槽20への汚泥の流入とをそれぞれ抑制させることが可能である。汚泥の嫌気槽10Aからの流出を抑制することによって、嫌気槽10Aにおける嫌気性処理の安定化を図ることができ、微生物燃料電池槽20への汚泥の流入を抑制することによって、発電微生物が集積されている細菌叢の変動に起因する発電微生物量の減少を抑制することができるため、安定した嫌気性処理によって酸化還元電位を確実に低下させながら、菌体量が維持された発電微生物による安定的な発電を行うことが可能になり、より効率的な電力回収を実現することができるようになる。
According to the microbial fuel cell system 2 according to Modification 1 described above, by providing the
次に、変形例2に係る微生物燃料電池システムについて説明する。 Next, a microbial fuel cell system according to Modification 2 will be described.
図3は、変形例2に係る微生物燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a configuration of a microbial fuel cell system according to Modification 2.
前記の実施形態に係る微生物燃料電池システム1は、図3に示すように、嫌気槽と微生物燃料電池槽との接続構造を変更した微生物燃料電池システム(変形例2に係る微生物燃料電池システム)3のような形態とすることもできる。変形例2に係る微生物燃料電池システム3は、嫌気槽10と微生物燃料電池槽20との間に、連結配管120と制御弁V10とを備えるものである。なお、微生物燃料電池槽20の槽構成は、前記の微生物燃料電池システム1におけるものと同様である。
As shown in FIG. 3, the microbial fuel cell system 1 according to the embodiment includes a microbial fuel cell system (a microbial fuel cell system according to Modification 2) 3 in which the connection structure between the anaerobic tank and the microbial fuel cell tank is changed. It is also possible to adopt a form such as The microbial fuel cell system 3 according to Modification 2 includes a
連結配管120は、嫌気槽10と微生物燃料電池槽20との間を連通し、廃水の流路を形成している。連結配管120は、嫌気槽10の上部側と微生物燃料電池槽20との間を接続しており、嫌気槽10に保持される廃水の上澄みを微生物燃料電池槽20に移送する。連結配管120によって廃水を移送すると、廃水と外気との接触が低減されるため、廃水の酸化還元電位を低電位に維持させ易い。なお、連結配管120は、廃水を水頭によって自然流下させるように接続してよく、或いは、不図示のポンプを設置することによって加圧された廃水が通流するようにしてもよい。
The connecting
制御弁V10は、連結配管120に備えられており、連結配管120における廃水の流量を制御する機能を有している。制御弁V10は、酸化還元電位計14と信号線を介して接続されており、酸化還元電位計14によって計測される廃水の酸化還元電位に基いて、開度が制御されるようになっている。制御弁V10の開度は、微生物燃料電池槽20に導入される廃水の酸化還元電位が−200mV以下となるような所定の低電位値を設定値として制御弁のコントローラに設定し、その設定値と酸化還元電位計14によって計測される計測値との比較によって制御することができる。なお、酸化還元電位計14は、図3においては嫌気槽10に備えられているが、微生物燃料電池槽20に備えられてもよく、或いは、嫌気槽10と微生物燃料電池槽20との間の連結配管120上に備えられてもよい。
The control valve V <b> 10 is provided in the
制御弁V10は、酸化還元電位計14によって計測される廃水の酸化還元電位が、設定値以下であるときには、廃水の流路を所定開度で開放する。制御弁V10の開度は、廃水が所定流量で微生物燃料電池槽20に移送されるように流量に基いて制御してよく、流量に基いて制御することなく全開させてもよい。このように、廃水の酸化還元電位が設定値(所定の低電位値)以下である場合に流路を開放させることによって、微生物燃料電池槽20には、嫌気性処理によって酸化還元電位が低電位に低下した廃水が移送される。
The control valve V10 opens the wastewater flow path at a predetermined opening when the oxidation-reduction potential of the wastewater measured by the oxidation-
その一方で、制御弁V10は、酸化還元電位計14によって計測される廃水の酸化還元電位が、設定値を超えるときには、廃水の流路を全閉する。このように、廃水の酸化還元電位が設定値(所定の低電位値)を超える場合に流路を閉鎖させることによって、酸化還元電位が低電位に低下していない廃水が微生物燃料電池槽20に移送されるのを制限することができる。
On the other hand, when the oxidation-reduction potential of the wastewater measured by the oxidation-
以上の変形例2に係る微生物燃料電池システム3によれば、酸化還元電位が低電位に低下していない廃水が、微生物燃料電池槽20に流入するのを制限することができるため、微生物燃料電池槽20における廃水の酸化還元電位を確実に低電位に維持することができ、発電電力を経時的により安定させることができる。また、制御弁V10の開閉を制御することによって、嫌気槽10における嫌気性処理の滞留時間を可変させることができるため、原水として導入される廃水の酸化還元電位に影響されること無く、微生物燃料電池槽20に導入される廃水の酸化還元電位を所望の低電位値に低下させることができる。
According to the microbial fuel cell system 3 according to Modification 2 described above, wastewater whose oxidation-reduction potential is not lowered to a low potential can be restricted from flowing into the microbial
次に、変形例3に係る微生物燃料電池システムについて説明する。 Next, a microbial fuel cell system according to Modification 3 will be described.
図4は、変形例3に係る微生物燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a configuration of a microbial fuel cell system according to Modification 3.
前記の実施形態に係る微生物燃料電池システム1は、図4に示すように、嫌気槽と微生物燃料電池槽との接続構造を変更した微生物燃料電池システム(変形例3に係る微生物燃料電池システム)4のような形態とすることもできる。変形例3に係る微生物燃料電池システム4は、嫌気槽10と微生物燃料電池槽20との間に、沈殿槽40と汚泥返送管130と、汚泥返送ポンプ46とを備えるものである。なお、微生物燃料電池槽20の槽構成は、前記の微生物燃料電池システム1におけるものと同様である。
As shown in FIG. 4, the microbial fuel cell system 1 according to the embodiment includes a microbial fuel cell system (microbial fuel cell system according to Modification 3) 4 in which the connection structure between the anaerobic tank and the microbial fuel cell tank is changed. It is also possible to adopt a form such as The microbial
沈殿槽40は、嫌気槽10の後段且つ微生物燃料電池槽20の前段に設けられ、汚泥を含む廃水の沈殿分離処理を行う処理槽となっている。沈殿槽40の底部には、汚泥返送管130が接続されている。沈殿槽40の内部には、不図示の傾斜板、傾斜管が配設される。傾斜板や傾斜管を設置し、上向流又は水平流とした廃水を通流させることによって、汚泥の沈殿効率を向上させることが可能である。また、不図示の汚泥掻寄機、スカム除去機等を設置することもできる。汚泥掻寄機やスカム除去機は、沈殿槽40の形状に応じて走行式、回転式等の適宜の装置を設置すればよい。なお、沈殿槽40の槽構造は、密閉型とし、外気中の酸素の侵入や臭気の放出を防止することが好ましい。
The
沈殿槽40では、廃水を緩速で滞留させることによって、嫌気槽10から移送される廃水中の汚泥を沈降させて除去する。汚泥が除去された廃水は、低下させた酸化還元電位を維持させた状態で、沈殿槽40の上部側に設けられる越流堰を越流する等して、微生物燃料電池槽20に移送される。その一方で、沈殿槽40の下部側に沈降した汚泥は、汚泥返送管130に引き抜かれる。
In the
汚泥返送管130は、沈殿槽40と嫌気槽10との間を連通しており、沈殿槽40において分離された汚泥の嫌気槽10への返送を行う。汚泥返送管130には、汚泥返送ポンプ46が備えられており、汚泥返送ポンプ46が稼働されることによって、沈殿槽40において廃水から除去された余剰汚泥が、嫌気槽10に返送され、嫌気性処理に再利用されるようになっている。
The
以上の変形例3に係る微生物燃料電池システム4によれば、微生物燃料電池槽20の前段に沈殿槽40が備えられることによって、微生物燃料電池槽20に前段から汚泥が流入するのを抑制することができる。そのため、発電微生物が集積されている細菌叢が変動して発電微生物の菌体量が減少するのを避けることができ、発電電力の経時的な安定性を確保し易くすることができる。また、汚泥返送管130が備えられることによって、嫌気槽10における汚泥量が確保され易くなり、廃水の酸化還元電位を低下させる嫌気性処理の効率を高い水準に維持することが可能になる。
According to the microbial
以下、本発明の実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples of the present invention, but the present invention is not limited thereto.
実施例として、前記の実施形態に係る微生物燃料電池システムによる発電電力の評価を行った。また、対照(比較例)として、嫌気槽を備えていない微生物燃料電池システムによる発電電力の評価を併せて行った。 As an example, evaluation of power generated by the microbial fuel cell system according to the above embodiment was performed. In addition, as a control (comparative example), evaluation of power generated by a microbial fuel cell system not equipped with an anaerobic tank was also performed.
図5は、実施例に係る微生物燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the configuration of the microbial fuel cell system according to the embodiment.
実施例に係る微生物燃料電池システムとしては、図5に示すように、有機物を含有する廃水の嫌気性処理を行う嫌気槽10Bと、微生物燃料電池槽20とを備え、微生物燃料電池槽20の後段には、廃水の好気性処理を行う好気槽50と、汚泥を含む廃水の沈殿分離処理を行う沈殿槽60とが、この順に備えられた微生物燃料電池システム5を用いた。なお、微生物燃料電池槽20の槽構成は、前記の微生物燃料電池システム1におけるものと同様である。この微生物燃料電池システム5に備えられる各処理槽の槽容量比は、嫌気槽10B:微生物燃料電池槽20:好気槽50:沈殿槽60が、5:2:1:2となるようにしている。
As shown in FIG. 5, the microbial fuel cell system according to the embodiment includes an
嫌気槽10Bは、図5に示すように、迂流壁210によって仕切られた2室の処理室103,104からなり、処理室同士が、迂流壁210の下端側に設けられた開口を通じて連通する上下迂流式の槽構造を有するものである。2室の処理室103,104は、二重円筒構造を有しており、内筒の内側に区画される平面視で円形状の内側処理室103と、外筒と内筒との間に区画される平面視で円環状の外側処理室104とからなっている。そして、迂流壁210の下端側に設けられた開口を通じて内側処理室103と外側処理室104とが連通し、内側処理室103から外側処理室104に径方向に向かう迂流路fが形成されている。
As shown in FIG. 5, the
好気槽50は、廃水の好気性処理を行う処理槽となっている。好気槽50には、好気性処理される廃水を曝気する曝気手段が備えられたものである。曝気手段は、図5に示すように、散気管52とブロワ54とによって構成され、ブロワ54によって散気管52に空気が送気されると、散気管52から廃水に空気が散気される。また、好気槽50には、好気性微生物を含む汚泥が保持される。そのため、好気槽50に導入された廃水は、好気性微生物によって好気性処理され、酸化還元電位が高電位側に復帰すると共に、有機物分解処理、脱リン処理され、水質が良好な処理水が得られるようになっている。
The
沈殿槽60は、開放型の槽構造としている点を除いて前記の微生物燃料電池システム3に備えられる沈殿槽40と同様の処理槽となっている。沈殿槽60の下部側には汚泥引抜管150が接続され、汚泥返送管150には汚泥返送ポンプ66が備えられており、沈殿槽60において廃水から除去された汚泥が、好気槽50に返送されるようになっている。
The
実施例においては、図5に示される微生物燃料電池システム5の嫌気槽10Bに、廃水として、下水処理場の最初沈殿池の処理水を導入した。そして、嫌気槽10Bにおいて、廃水の酸化還元電位を低下させた後、微生物燃料電池槽20において電気エネルギの回収を行った。このとき、微生物燃料電池槽20において発電された発電電力を外部回路を介して計測すると共に、廃水の酸化還元電位を、微生物燃料電池槽20に設置した酸化還元電位計14によって定期的に計測した。これらの結果を図6及び図7に示す。
In the Example, the treated water of the first sedimentation basin of the sewage treatment plant was introduced into the
その一方で、比較例においては、図5に示される微生物燃料電池システム5に代えて、嫌気槽(10B)を備えていない微生物燃料電池システムの微生物燃料電池槽20に、廃水として、下水処理場の最初沈殿池の処理水を導入した。そして、廃水の酸化還元電位を低下させることなく、微生物燃料電池槽20において電気エネルギの回収を行った。このとき、実施例と同様に、発電された発電電力と廃水の酸化還元電位とを定期的に計測した。これらの結果を図6及び図7に示す。
On the other hand, in the comparative example, in place of the microbial
図6は、実施例に係る微生物燃料電池システム及び比較例に係る微生物燃料電池システムにおける廃水の酸化還元電位の経時変化を示す図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating a change with time of oxidation-reduction potential of wastewater in the microbial fuel cell system according to the example and the microbial fuel cell system according to the comparative example.
図6において、縦軸は、微生物燃料電池槽20に導入された廃水の酸化還元電位(mV)、横軸は、微生物燃料電池槽20における廃水の処理時間である。また、■は、実施例における計測結果、◆は、比較例における計測結果を示している。
In FIG. 6, the vertical axis represents the oxidation-reduction potential (mV) of the wastewater introduced into the microbial
図6に示すように、嫌気槽(10B)を備えていない比較例に係る微生物燃料電池システムでは、酸化還元電位の低下の速度が小さく、酸化還元電位が低電位となるのに長時間を要することが分かる。また、酸化還元電位は、−100mV〜−200mVの範囲で平衡となり、−200mV以下の低電位を実現することは難しいことが分かる。これに対して、嫌気槽10Bで予め廃水の嫌気性処理を行った実施例に係る微生物燃料電池システム5では、酸化還元電位の低下の速度が大きく、酸化還元電位が急速に低電位となっている。また、酸化還元電位は、−300mV〜−500mVの範囲、特に−400mV付近で略平衡となり、酸化還元電位がより低電位に低下することが確認できる。このように、予め嫌気槽で廃水の嫌気性処理を行うことによって、発電微生物による発電に適した低電位がはじめて実現されることが認められる。
As shown in FIG. 6, in the microbial fuel cell system according to the comparative example that does not include the anaerobic tank (10B), the rate of reduction of the oxidation-reduction potential is small, and it takes a long time for the oxidation-reduction potential to become low. I understand that. Moreover, it turns out that it is difficult to implement | achieve a low electric potential below -200mV, when an oxidation-reduction potential becomes equilibrium in the range of -100mV--200mV. In contrast, in the microbial
図7は、実施例に係る微生物燃料電池システム及び比較例に係る微生物燃料電池システムによる発電の電力密度の経時変化を示す図である。 FIG. 7 is a diagram illustrating a change over time in the power density of power generation by the microbial fuel cell system according to the example and the microbial fuel cell system according to the comparative example.
図7において、縦軸は、微生物燃料電池槽20における発電のアノードあたりの電力密度(mW/m2−アノード)、横軸は、微生物燃料電池槽20における廃水の処理時間である。また、■は、実施例における計測結果、◆は、比較例における計測結果を示している。
In FIG. 7, the vertical axis represents the power density per anode of power generation (mW / m 2 −anode) in the microbial
図7に示すように、嫌気槽(10B)を備えていない比較例に係る微生物燃料電池システムでは、電力密度の増大の速度が小さく、発生する電力は、比較的少ないことが確認できる。これに対して、嫌気槽10Bで予め廃水の嫌気性処理を行った実施例に係る微生物燃料電池システム5では、処理開始後に電力密度が急速に増大し、電力密度は、300(mW/m2−アノード)程度にまで達している。このように、嫌気性処理を行って廃水の酸化還元電位を低下させることによって、発生する電力を大きく増大させることが可能であることが分かる。よって、廃水の嫌気性処理を行う嫌気槽が微生物燃料電池槽の前段に備えられることによって、電気エネルギの回収効率が高められ、良好な電力で継時安定的に発電することが可能になると認められる。
As shown in FIG. 7, in the microbial fuel cell system which concerns on the comparative example which is not equipped with the anaerobic tank (10B), it can confirm that the speed | rate of increase of an electric power density is small and generated electric power is comparatively small. In contrast, in the microbial
1 微生物燃料電池システム
2,3,4 微生物燃料電池システム(変形例)
10 嫌気槽
12 攪拌手段
14 酸化還元電位計
20 微生物燃料電池槽
22 アノード
24 カソード
26 箱体(エアカソード)
40 沈殿槽
46 汚泥返送ポンプ
50 好気槽
52 散気管
54 ブロワ
60 沈殿槽
66 汚泥返送ポンプ
110 迂流壁
120 連結配管
130 汚泥返送管
150 汚泥返送管
210 迂流壁
1 Microbial
DESCRIPTION OF
40
Claims (6)
前記嫌気槽の後段に設置され、アノードと、カソードと、前記廃水に含まれる基質を酸化分解して前記アノードに電子を供与する微生物とを保持する微生物燃料電池槽と
を備えることを特徴とする微生物燃料電池システム。 An anaerobic tank for anaerobic treatment of wastewater containing organic matter;
A microbial fuel cell tank, which is installed in a subsequent stage of the anaerobic tank, includes an anode, a cathode, and a microorganism that oxidizes and decomposes a substrate contained in the wastewater to donate electrons to the anode. Microbial fuel cell system.
前記嫌気槽と前記微生物燃料電池槽との間を連結し、前記廃水の流路を形成する連結配管と、
前記連結配管における前記廃水の流量を制御する制御弁と
をさらに備え、
前記制御弁が、前記酸化還元電位計によって計測される前記廃水の酸化還元電位が設定値以下であるときには開放され、前記酸化還元電位が設定値を超えるときには閉鎖される
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の微生物燃料電池システム。 An oxidation-reduction potentiometer that measures the oxidation-reduction potential of the wastewater subjected to anaerobic treatment;
A connection pipe that connects between the anaerobic tank and the microbial fuel cell tank, and forms a flow path for the waste water,
A control valve for controlling the flow rate of the wastewater in the connection pipe,
The control valve is opened when the oxidation-reduction potential of the wastewater measured by the oxidation-reduction potentiometer is lower than a set value, and is closed when the oxidation-reduction potential exceeds a set value. The microbial fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記沈殿槽において分離された汚泥の前記嫌気槽への返送を行う汚泥返送管と
をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の微生物燃料電池システム。 A settling tank that is provided between the anaerobic tank and the microbial fuel cell tank, and that performs precipitation separation treatment of wastewater containing sludge;
The microbial fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a sludge return pipe for returning the sludge separated in the settling tank to the anaerobic tank.
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