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WO2010071059A1 - 微生物発電方法及び微生物発電装置 - Google Patents

微生物発電方法及び微生物発電装置 Download PDF

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WO2010071059A1
WO2010071059A1 PCT/JP2009/070591 JP2009070591W WO2010071059A1 WO 2010071059 A1 WO2010071059 A1 WO 2010071059A1 JP 2009070591 W JP2009070591 W JP 2009070591W WO 2010071059 A1 WO2010071059 A1 WO 2010071059A1
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WO
WIPO (PCT)
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negative electrode
electrode chamber
power generation
positive electrode
microbial
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Ceased
Application number
PCT/JP2009/070591
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English (en)
French (fr)
Inventor
哲朗 深瀬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kurita Water Industries Ltd
Original Assignee
Kurita Water Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Kurita Water Industries Ltd filed Critical Kurita Water Industries Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H01M8/04194—Concentration measuring cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a power generation method and apparatus utilizing a metabolic reaction of microorganisms.
  • the present invention relates to a microbial power generation method and apparatus for taking out reducing power obtained when an organic substance is oxidatively decomposed into microorganisms as electric energy.
  • Microbial power generation is a method of generating electricity by taking out electrical energy obtained when microorganisms assimilate organic matter.
  • microorganisms, organic matter assimilated by microorganisms, and an electron transfer medium are allowed to coexist in a negative electrode chamber in which a negative electrode is disposed.
  • the electron mediator enters the microorganism, receives the electrons generated by the microorganisms oxidizing the organic matter, and passes them to the negative electrode.
  • the negative electrode is electrically connected to the positive electrode via an external resistance (load), and the electrons transferred to the negative electrode move to the positive electrode via the external resistance (load) and are transferred to the electron acceptor in contact with the positive electrode.
  • a current flows between the positive electrode and the negative electrode due to such movement of electrons.
  • the positive electrode chamber and the negative electrode chamber are separated by an alkali ion conductor made of a solid electrolyte, the positive electrode chamber and the negative electrode chamber are set to pH 7 with a phosphate buffer (buffer), and the phosphate buffer (cathode) in the positive electrode chamber is set. It is described that power is generated by blowing air into the liquid.
  • a porous body is installed as a positive electrode plate so as to be in contact with an electrolyte membrane that partitions a positive electrode chamber and a negative electrode chamber, air is circulated through the positive electrode chamber, and air and liquid are admitted in the voids of the porous body. It is described to make contact with.
  • the positive electrode that circulates air in the positive electrode chamber and uses oxygen in the air as an electron acceptor may be referred to as an “air cathode”.
  • a microbial power generation apparatus using an air cathode has the advantage that no catholyte is required and that air only needs to be circulated through the positive electrode chamber, and that aeration into the catholyte is not necessary.
  • Patent Document 3 describes using organic substances in sludge return water as a fuel source for microbial power generation. After removing sludge return water by solid-liquid separation in a solid-liquid separation tank, It is described that it is introduced into the negative electrode chamber of the microbial power generation device. In this Patent Document 3, it is described that flocculant is added to the discharge water of the microbial power generation apparatus to remove the coagulated sludge, but the sludge return water introduced into the negative electrode chamber of the microbial power generation apparatus is subjected to gravity precipitation. Only solid-liquid separation is performed in the pond, and there is no description that the coagulation treatment is performed.
  • JP 2000-133326 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-342412 JP 2006-81963 A JP 2006-331706 A
  • Patent Document 3 it is advantageous in terms of cost to supply organic wastewater such as sludge return water to the negative electrode chamber and use organic matter in the wastewater as an energy source.
  • the power generation efficiency becomes very small, and further improvement is desired for practical use.
  • An object of the present invention is to provide a microbial power generation method and a microbial power generation apparatus capable of improving the power generation efficiency of a microbial power generation apparatus with simple and inexpensive means.
  • the microorganism power generation method includes a negative electrode chamber that has a negative electrode and holds a liquid containing a microorganism and an electron donor, and is separated from the negative electrode chamber via an ion-permeable non-conductive film,
  • a microbial power generation system that supplies an oxygen-containing gas to a positive electrode chamber of a microbial power generation apparatus including a positive electrode chamber having a positive electrode in contact with an ion-permeable non-conductive membrane, and supplies an organic substance-containing water to the negative electrode chamber to generate power
  • the organic substance-containing water supplied to the negative electrode chamber is subjected to an agglomeration treatment to reduce the amount of microorganisms introduced into the negative electrode chamber.
  • the microbial power generation method of the second aspect is characterized in that, in the first aspect, the organic substance-containing water is coagulated and precipitated and then supplied to the negative electrode chamber.
  • the microbial power generation method of the third aspect is characterized in that, in the first aspect or the second aspect, the organic substance-containing water is an organic waste water or an organic waste extract.
  • the microbial power generation method according to the fourth aspect is characterized in that, in any one of the first to third aspects, the SS concentration of organic substance-containing water introduced into the negative electrode chamber is 50 mg / L or less.
  • the microorganism power generation device includes a negative electrode chamber that has a negative electrode and holds a liquid containing microorganisms and an electron donor, and is separated from the negative electrode chamber via an ion-permeable non-conductive film,
  • a microbial power generation apparatus comprising a positive electrode chamber having a positive electrode in contact with an ion-permeable non-conductive membrane, means for supplying an oxygen-containing gas to the positive electrode chamber, and means for supplying organic substance-containing water to the negative electrode chamber,
  • the organic substance-containing water supplied to the negative electrode chamber is agglomerated and provided with means for reducing the amount of microorganisms introduced into the negative electrode chamber.
  • the microorganism power generation apparatus is characterized in that, in the fifth aspect, the means for reducing the amount of microorganisms introduced into the negative electrode chamber is a coagulation sedimentation apparatus.
  • the microorganism power generation apparatus is characterized in that, in the fifth aspect or the sixth aspect, the organic substance-containing water is organic waste water or an organic waste extract.
  • the microorganism power generation apparatus is characterized in that, in any of the fifth to seventh aspects, the SS concentration of the organic substance-containing water introduced into the negative electrode chamber is 50 mg / L or less.
  • the organic-containing water supplied to the negative electrode chamber is agglomerated to reduce the amount of microorganisms derived from the organic-containing water introduced into the negative electrode chamber, so that the power-generating microorganisms can be efficiently propagated in the microbial power generation device.
  • the power generation efficiency can be improved satisfactorily. This is due to the following reason.
  • Electron transfer to the negative electrode of microorganisms in the negative electrode chamber 2) It is important to efficiently permeate ions such as protons generated during decomposition of organic matter into the positive electrode chamber.
  • the negative electrode chamber is filled with graphite felt, graphite cloth, graphite pellets, graphite moldings, etc. as a negative electrode material, and microorganisms are attached to the negative electrode chamber to maintain the power generation microorganisms in the negative electrode and to move electrons. It is done.
  • foreign microorganisms when microorganisms other than power generation microorganisms (hereinafter referred to as “foreign microorganisms”) flow into the negative electrode chamber from the outside, these foreign microorganisms adhere to the negative electrode filler and replace the slow-growing power generation microorganisms. Microorganisms grow and many of the microorganisms in the negative electrode chamber become foreign microorganisms. That is, since the power generation microorganisms transmit electrons from the middle of the microorganism's electron transfer system to the negative electrode, even though many organic substances are decomposed, sufficient energy cannot be obtained, and the cell production rate per decomposed organic substance is low. Very low. In other words, growth is slow.
  • the amount of microorganisms retained when using the negative electrode filler as described above is about 20 g / L at the maximum, and more microorganisms need to be removed from the negative electrode by washing or other operations.
  • the organic substance-containing water supplied to the negative electrode chamber is agglomerated, and preferably the foreign microorganisms are removed by agglomeration and separation, so that the power generation microorganisms efficiently grow in the negative electrode chamber. It grows 20 to 100 times as compared with the case where the coagulation treatment of the contained water is not performed.
  • the power generation microorganisms can be efficiently propagated and the power generation efficiency can be increased.
  • the sludge return water supplied to the negative electrode chamber of the microbial power generation apparatus is solid-liquid separated, but the alien solids cannot be sufficiently removed by simple solid-liquid separation.
  • the agglomeration treatment is preferably an agglomeration separation treatment, particularly an agglomeration precipitation treatment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the microbial power generation method and apparatus of the present invention.
  • the tank body 1 is partitioned into a positive electrode chamber 3 and a negative electrode chamber 4 by an ion-permeable non-conductive film 2.
  • a positive electrode 5 is disposed in the positive electrode chamber 3 so as to be in contact with the ion-permeable nonconductive film 2.
  • a negative electrode 6 made of a conductive porous material is disposed in the negative electrode chamber 4.
  • the negative electrode 6 is in contact with the ion permeable non-conductive membrane 2 directly or through a microbial membrane of about 1 to 2 layers. If the ion permeable non-conductive membrane 2 is a cation permeable membrane, Proton (H + ) can be transferred from the negative electrode 6 to the ion-permeable non-conductive membrane 2.
  • the inside of the positive electrode chamber 3 is an empty chamber, and an oxygen-containing gas such as air is introduced from the gas inlet 7, and the exhaust gas flows out from the gas outlet 8 through the discharge pipe 25.
  • Reference numeral 23 denotes a pipe for supplying an oxygen-containing gas to the positive electrode chamber 3.
  • a cation permeable membrane is suitable as described later, but other materials may be used.
  • Microorganisms are supported on the negative electrode 6 made of a porous material.
  • the negative electrode solution 4 is introduced into the negative electrode chamber 4 from the inlet 4a, and the waste liquid is discharged from the outlet 4b.
  • the negative electrode chamber 4 is anaerobic.
  • the negative electrode solution L in the negative electrode chamber 4 is circulated through the circulation outlet 9, the circulation pipe 10, the circulation pump 11, and the circulation return port 12.
  • the circulation pipe 10 is provided with a pH meter 14 for measuring the pH of the liquid flowing out from the negative electrode chamber 4, and connected with an alkali addition pipe 13 such as an aqueous sodium hydroxide solution, so that the pH of the negative electrode solution L is 7 An alkali is added as necessary so that it becomes ⁇ 9.
  • this negative electrode solution L treated water obtained by agglomeration treatment, preferably agglomeration separation treatment, more preferably agglomeration precipitation treatment of organic-containing water, in particular, organic waste water or organic waste extract is introduced. To do. This aggregation process will be described later.
  • the condensed water generated in the positive electrode chamber 3 is drained from a condensed water outlet (not shown).
  • the oxygen-containing gas is vented to the positive electrode chamber 3 and the negative electrode solution L is circulated by operating the pump 11 as necessary.
  • the reaction proceeds.
  • This electron e ⁇ flows to the positive electrode 5 through the negative electrode 6, the terminal 22, the external resistor 21, and the terminal 20.
  • Proton H + generated by the above reaction moves to the positive electrode 5 through the cation permeable membrane of the ion permeable nonconductive membrane 5A.
  • O 2 + 4H + + 4e ⁇ ⁇ 2H 2 O The reaction proceeds.
  • H 2 O produced by this positive electrode reaction is condensed to produce condensed water.
  • K + , Na + and the like that have permeated through the cation permeable membrane of the ion permeable non-conductive membrane 2 are dissolved, so that the condensed water becomes highly alkaline with a pH of about 9.5 to 12.5. Therefore, this highly alkaline condensed water may be used for adjusting the pH of the negative electrode solution L described above.
  • alkali is added to the negative electrode solution L so that the pH detected by the pH meter 14 is preferably 7-9.
  • This alkali may be added directly to the negative electrode chamber 6, but by adding it to the circulating water, the entire area in the negative electrode chamber 6 can be maintained at a pH of 7 to 9 without partial bias.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a microbial power generation apparatus according to a particularly preferred embodiment of the present invention.
  • two ion-permeable non-conductive membranes 31 and 31 are arranged in parallel to each other in a substantially rectangular parallelepiped tank 30 so that the ion permeation can be achieved.
  • a negative electrode chamber 32 is formed between the conductive nonconductive films 31 and 31, and two positive electrode chambers 33 and 33 are formed by separating the negative electrode chamber 32 and the ion permeable nonconductive film 31 from each other. .
  • a negative electrode 34 made of a porous material is disposed in the negative electrode chamber 32 so as to be in contact with each ion-permeable non-conductive film 31 directly or through a biofilm of about one to two layers.
  • the negative electrode 34 is preferably pressed lightly against the ion-permeable non-conductive films 31 and 31 with a pressure of 0.1 kg / cm 2 or less, for example.
  • a positive electrode 35 is disposed in contact with the ion permeable non-conductive film 31.
  • the positive electrode 35 is pressed against the ion permeable non-conductive film 31 by being pressed by the packing 36.
  • both may be welded or bonded with an adhesive.
  • an oxygen-containing gas distribution space Between the positive electrode 35 and the side wall of the tank body 30 is an oxygen-containing gas distribution space.
  • the positive electrode 35 and the negative electrode 34 are connected to an external resistor 38 via terminals 37 and 39.
  • the negative electrode solution L is introduced into the negative electrode chamber 32 from the inlet 32a, and the waste liquid flows out from the outlet 32b.
  • the inside of the negative electrode chamber 32 is anaerobic.
  • the negative electrode solution in the negative electrode chamber 32 is circulated through the circulation outlet 41, the circulation pipe 42, the circulation pump 43 and the circulation return port 44.
  • the oxygen-containing gas from the pipe 61 flows from the gas inlet 51, and the exhaust gas flows out from the gas outlet 52 through the pipe 63.
  • a negative electrode solution circulation pipe 42 is provided with a pH meter 47 and an alkali addition pipe 45 is connected thereto.
  • the pH of the negative electrode solution flowing out from the negative electrode chamber 32 is detected by a pH meter 47, and an alkali such as an aqueous sodium hydroxide solution is added so that this pH is preferably 7-9.
  • an oxygen-containing gas is circulated through the positive electrode chamber 33, a negative electrode solution is circulated through the negative electrode chamber 32, and preferably the negative electrode solution is circulated.
  • a potential difference is generated in the current, and a current flows through the external resistor 38.
  • the power generation microorganism is not particularly limited as long as it has a function as an electron donor.
  • sludge containing such microorganisms activated sludge obtained from biological treatment tanks that treat organic matter-containing water such as sewage, microorganisms contained in effluent from the first sedimentation basin of sewage, anaerobic digested sludge, etc.
  • the microorganism can be held in the negative electrode by supplying to the chamber.
  • the amount of microorganisms retained in the negative electrode chamber is preferably high, and for example, the microorganism concentration is preferably 1 to 50 g / L.
  • the organic substance-containing water as the negative electrode solution L a solution that retains microorganisms or cells and has a composition necessary for power generation is used.
  • the negative electrode side solution includes energy required for metabolism in the respiratory system such as bouillon medium, M9 medium, L medium, Malt Extract, MY medium, and nitrifying bacteria selection medium.
  • a medium having a composition such as a source and nutrients can be used.
  • organic waste such as sewage, organic industrial wastewater, and garbage can be used.
  • the negative electrode solution L may contain an electron mediator in order to make it easier to extract electrons from microorganisms or cells.
  • the electron mediator include compounds having a thionin skeleton such as thionine, dimethyldisulfonated thionine, new methylene blue and toluidine blue-O, and 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone such as 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone.
  • Examples include compounds having a skeleton, brilliant cresyl blue, garocyanine, resorufin, alizarin brilliant blue, phenothiazinone, phenazine esosulphate, safranin-O, dichlorophenolindophenol, ferrocene, benzoquinone, phthalocyanine, or benzyl viologen and their derivatives. be able to.
  • the negative electrode solution L may contain a phosphate buffer as necessary.
  • the organic substance in the organic substance-containing water as the negative electrode solution L is not particularly limited as long as it is decomposed by microorganisms, but is preferably a water-soluble organic substance.
  • the organic substance concentration in the organic substance-containing water as the negative electrode solution L is preferably a high concentration of about 100 to 10,000 mg / L in order to increase the power generation efficiency.
  • the organic substance-containing water supplied to the negative electrode chamber as the negative electrode solution L is preferably an organic waste water such as food organic waste water, beverage waste water, brewing waste water or the like, or an extract of organic waste.
  • the contained water is supplied to the negative electrode chamber after agglomeration treatment, preferably agglomeration separation, more preferably agglomeration precipitation treatment.
  • the flocculant used here is not particularly limited, and inorganic flocculants and polymer flocculants generally used for the treatment of organic wastewater can be used.
  • inorganic flocculant PAC (polyaluminum chloride), ferric chloride, polyferric sulfate, ferrous sulfate, etc.
  • cationic polymer flocculant polydimethyldiallylammonium chloride, polyalkylene polyamine, etc.
  • anionic polymer flocculants polymers having 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid units, etc.
  • nonionic polymer flocculants conventionally known flocculants such as polyethyleneimine and dicyandiamide-formalin condensate are all used. It can be used suitably.
  • flocculants may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
  • the amount of the flocculant added varies depending on the nature of the organic substance-containing water and the type of the flocculant used, and cannot generally be said, but is usually 20-50 mg / L for the inorganic flocculant and 0 for the polymer flocculant relative to the organic substance-containing water. About 5 to 10 mg / L.
  • a sedimentation tank As a solid-liquid separation means for solid-liquid separation of the flocculated water, a sedimentation tank is suitably used because the apparatus is simple and easy to operate, but a membrane separation apparatus may be used. In addition, a foreign substance may be highly removed by further providing a filtration device after the precipitation tank.
  • the foreign microorganisms in the organic substance-containing water introduced into the negative electrode chamber have an SS concentration of 50 mg / L or less, particularly 20 mg / L. It is preferable to reduce sufficiently so that it may become L or less.
  • oxygen-containing gas to be circulated in the positive electrode chamber air is preferable, but pure oxygen or air enriched with oxygen can also be used.
  • the exhaust gas from the positive electrode chamber may be deoxygenated as necessary and then vented to the negative electrode chamber to be used for purging dissolved oxygen from the negative electrode solution L.
  • the ion permeable non-conductive membrane may be any ion permeable membrane such as a non-conductive and ion permeable cation permeable membrane or anion permeable membrane, and various ion exchange membranes and reverse osmosis membranes may be used.
  • a cation exchange membrane having a high proton selectivity or an anion exchange membrane can be suitably used.
  • the cation exchange membrane Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont Co., Ltd. or a cation exchange membrane manufactured by Astom Co., Ltd.
  • a CMB film or the like can be used.
  • an anion exchange membrane As an anion exchange membrane, an anion exchange membrane made by Astom, an anion electrolyte membrane made by Tokuyama, etc. are suitable.
  • the ion-permeable non-conductive film is preferably thin and strong. Usually, the film thickness is preferably about 30 to 300 ⁇ m, particularly about 30 to 200 ⁇ m.
  • the negative electrode is preferably a porous body having a large surface area, a large number of voids, and water permeability so that many microorganisms can be retained.
  • Specific examples include a conductive material sheet having a roughened surface and a porous conductor (for example, graphite felt, expanded titanium, expanded stainless steel, etc.) in which the conductive material is made into a felt-like porous sheet. .
  • a plurality of sheet-like conductors may be laminated to form a negative electrode.
  • the same kind of conductor sheets may be laminated, or different kinds of conductor sheets (for example, a graphite sheet having a rough surface and a graphite felt) may be laminated.
  • the total thickness of the negative electrode is preferably 3 mm or more and 40 mm or less, particularly about 5 to 20 mm.
  • a negative electrode is constituted by a laminated sheet, it is preferable to orient the laminated surface in a direction connecting the liquid inlet and outlet so that the liquid flows along a mating surface (laminated surface) between the sheets.
  • the negative electrode chamber may be divided into a plurality of compartments, and the pH of the liquid in the negative electrode compartment may be adjusted after suppressing the pH drop in each compartment by connecting the compartments in series. If the negative electrode chamber is divided, the amount of organic matter decomposition in each of the compartments is reduced, and as a result, the amount of carbon dioxide gas produced is also reduced, so that the pH drop in each of the compartments can be reduced.
  • the positive electrode preferably has a conductive base material and an oxygen reduction catalyst supported on the conductive base material.
  • any material may be used as long as it has high electrical conductivity, high corrosion resistance, sufficient electrical conductivity and corrosion resistance even when the thickness is small, and further has mechanical strength as the conductive base material.
  • graphite paper, graphite felt, graphite cloth, stainless mesh, titanium mesh, etc. can be used. Of these, graphite paper, graphite felt, graphite cloth, etc., particularly in terms of durability and ease of processing.
  • a graphite-based substrate such as graphite is preferable, and graphite paper is particularly preferable.
  • These graphite base materials may be those made hydrophobic by a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the thickness of the conductive base material of the positive electrode is about 20 to 3000 ⁇ m because oxygen permeation deteriorates if it is too thick, and if it is too thin, required properties such as strength required for the base material cannot be satisfied. Is preferred.
  • oxygen reduction catalyst in addition to noble metals such as platinum, metal oxides such as manganese dioxide are preferred because they are inexpensive and have good catalytic activity, and the supported amount is 0.01 to 2.0 mg / it is preferable that the cm 2.
  • the microbial power generation apparatus using an air cathode that introduces an oxygen-containing gas such as air into the positive electrode chamber has been exemplified, but the microbial power generation apparatus of the present invention is not limited to that of an air cathode, and the positive electrode A type of generating electricity by blowing air into an indoor phosphate buffer (catholyte) may be used.
  • a negative electrode was formed by stacking and filling two 1 cm thick graphite felts into a 7 cm ⁇ 25 cm ⁇ 2 cm (thickness) negative electrode chamber.
  • a positive electrode chamber was formed on the negative electrode through a cation exchange membrane (trade name (registered trademark) “Nafion 115” manufactured by DuPont Co., Ltd.) as an ion-permeable non-conductive membrane.
  • the positive electrode chamber has a size of 7 cm ⁇ 25 cm ⁇ 0.5 cm (thickness), a Pt catalyst (Pt-supported carbon black, Pt content 50% by weight) manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., and a 5% Nafion (registered trademark) solution (DuPont).
  • the liquid dispersed in PTFE was applied to a 160 ⁇ m thick carbon paper (manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.) treated with PTFE to make the Pt adhesion amount 0.4 mg / cm 2, and dried at 50 ° C.
  • the product obtained as described above was used as a positive electrode and adhered to the cation exchange membrane.
  • a stainless steel wire was bonded to the negative electrode graphite felt and the positive electrode carbon paper with a conductive paste to form an electrical lead wire and connected with a resistance of 2 ⁇ .
  • a negative electrode solution in which 1000 mg / L of acetic acid was added to sewage and the pH was maintained at 7.5 was passed.
  • This negative electrode solution was previously heated to 35 ° C. in a separate water tank, and the temperature of the negative electrode chamber was increased to 35 ° C. by passing the liquid heated in this water tank through the negative electrode chamber at 10 mL / min.
  • the effluent of another microbial power generation device was passed as an inoculum. Room temperature air was vented to the positive electrode chamber at a flow rate of 1.0 L / min. As a result, the power generation amount became almost constant 3 days after the start of the flow of the negative electrode solution, and the power generation amount per 1 m 3 of the negative electrode was 12 W (power generation efficiency 12 W / m 3 ).
  • Comparative Example 2 In Comparative Example 1, power generation was carried out in the same manner except that acetic acid was added and sewage whose pH was maintained at 7.5 was allowed to stand for 30 minutes, and the supernatant water solid-liquid separated by natural sedimentation was passed through the negative electrode chamber. As a result, the power generation efficiency was 41 W / m 3 .
  • Example 1 In Comparative Example 2, acetic acid was added and sewage whose pH was maintained at 7.5 was added with 25 mg / L of ferric chloride as an aggregating agent as Fe, and then solid-liquid separated in a precipitation tank, and the supernatant water was added to the negative electrode. When power was generated in the same manner except that the liquid was passed through the chamber, the power generation efficiency was 140 W / m 3 .
  • Table 1 shows the relationship between the SS concentration in sewage (acetic acid added, pH 7.5) passed through the negative electrode chamber as a negative electrode solution and the power generation efficiency.

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Abstract

【課題】簡易かつ安価な手段で微生物発電装置の発電効率を向上させる。 【解決手段】槽体３０内に２枚の板状のカチオン交換膜３１，３１が互いに平行に配置されることにより、該カチオン交換膜３１，３１同士の間に負極室３２が形成され、該負極室３２とそれぞれ該カチオン交換膜３１を隔てて２個の正極室３３，３３が形成されている。正極室３３に酸素含有ガスを流通させ、負極室に負極溶液Ｌを供給し、好ましくは負極溶液を循環させる。負極室３２に供給する負極溶液として下水等の有機物含有水を用い、この有機物含有水を凝集沈殿処理して微生物を除去し、負極室に流入する外来微生物量を低減することにより、発電微生物を効率的に増殖させて、発電効率を高める。

Description

微生物発電方法及び微生物発電装置
　本発明は、微生物の代謝反応を利用する発電方法及び装置に関する。本発明は特に、有機物を微生物に酸化分解させる際に得られる還元力を電気エネルギーとして取り出す微生物発電方法及びその装置に関する。
　近年、地球環境に配慮した発電方法へのニーズが高まり、微生物発電の技術開発も進められている。微生物発電は、微生物が有機物を資化する際に得られる電気エネルギーを取り出すことにより発電する方法である。
　一般的に、微生物発電では負極が配置された負極室内に、微生物、微生物に資化される有機物、及び電子伝達媒体（電子メディエータ）を共存させる。電子メディエータは微生物体内に入り、微生物が有機物を酸化して発生する電子を受け取って負極に渡す。負極は外部抵抗（負荷）を介して正極と電気的に導通しており、負極に渡された電子は外部抵抗（負荷）を介して正極に移動し、正極と接する電子受容体に渡される。このような電子の移動により正極と負極との間に電流が流れる。
　微生物発電では、電子メディエータが微生物体から直接、電子を取り出すため、理論上のエネルギー変換効率は高い。しかし、実際のエネルギー変換効率は低く、発電効率の向上が求められている。そこで、発電効率を高めるため、電極の材料や構造、電子メディエータの種類、及び微生物種の選択等について様々な検討及び開発が行われている（例えば特許文献１、特許文献２）。
　特許文献１には、正極室と負極室とを固体電解質よりなるアルカリイオン導電体で隔て、正極室内及び負極室内をリン酸緩衝液（バッファ）でｐＨ７とし、正極室内のリン酸緩衝液（カソード液）に空気を吹き込んで発電を行うことが記載されている。
　特許文献２には、正極室と負極室とを区画する電解質膜に接するように、正極板として多孔質体を設置し、正極室に空気を流通させ、多孔質体の空隙中で空気と液とを接触させることが記載されている。以下、このように正極室内に空気を流通させ、空気中の酸素を電子受容体として利用する正極を「エアーカソード」と称す場合がある。
　エアーカソードを用いる微生物発電装置であれば、カソード液が不要で、また、正極室に単に空気を流通させるのみで良く、カソード液中への曝気の必要がないといった利点がある。
　また、特許文献３には、汚泥返流水中の有機物を微生物発電の燃料源として利用することが記載され、この汚泥返流水を固液分離槽で固液分離して固形物を除去した後、微生物発電装置の負極室に導入することが記載されている。この特許文献３には、微生物発電装置の排出水に凝集剤を添加して凝集汚泥を除去することが記載されているが、微生物発電装置の負極室に導入する汚泥返流水については、重力沈殿池で固液分離するのみであり、凝集処理する旨の記載はない。
　従来、このような微生物発電装置における発電効率の向上を目的として、
１）負極のメディエーター（例えば特許文献４）
２）負極室のｐＨ調整
３）正極触媒の種類や触媒活性成分の担持方法
４）正極の形状
などについての検討がなされている。
特開２０００－１３３３２６号公報 特開２００４－３４２４１２号公報 特開２００６－８１９６３号公報 特開２００６－３３１７０６号公報
　従来の微生物発電装置では、発電効率が小さく、実用化のためには、更なる発電効率の向上が望まれている。
　特に、特許文献３のように、汚泥返流水のような有機性廃水を負極室に供給して廃水中の有機物をエネルギー源として用いることは、コスト面でも有利であるが、この場合においては、発電効率が非常に小さいものとなり、実用化のためには更なる改善が望まれる。
　本発明は、簡易かつ安価な手段で微生物発電装置の発電効率を向上させることができる微生物発電方法及び微生物発電装置を提供することを目的とする。
　第１態様の微生物発電方法は、負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室とを備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給すると共に、該負極室に有機物含有水を供給して発電を行う微生物発電方法において、該負極室に供給される有機物含有水を凝集処理して該負極室に導入される微生物量を低減することを特徴とする。
　第２態様の微生物発電方法は、第１態様において、該有機物含有水を凝集沈殿処理した後、該負極室に供給することを特徴とする。
　第３態様の微生物発電方法は、第１態様又は第２態様において、該有機物含有水が有機性排水又は有機性廃棄物の抽出液であることを特徴とする。
　第４態様の微生物発電方法は、第１～３態様のいずれかにおいて、該負極室に導入される有機物含有水のＳＳ濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする。
　第５態様の微生物発電装置は、負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と、該正極室に酸素含有ガスを供給する手段と、該負極室に有機物含有水を供給する手段とを備えた微生物発電装置において、該負極室に供給される有機物含有水を凝集処理して、該負極室に導入される微生物量を低減する手段を設けたことを特徴とする。
　第６態様の微生物発電装置は、第５態様において、該負極室に導入される微生物量を低減する手段が凝集沈殿装置であることを特徴とする。
　第７態様の微生物発電装置は、第５態様又は第６態様において、該有機物含有水が有機性廃水又は有機性廃棄物の抽出液であることを特徴とする。
　第８態様の微生物発電装置は、第５～７態様のいずれかにおいて、該負極室に導入される有機物含有水のＳＳ濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする。
　本発明においては、負極室に供給する有機物含有水を凝集処理して負極室に導入される有機物含有水由来の微生物量を低減することにより、微生物発電装置内で発電微生物を効率的に増殖させて、発電効率を良好に高めることができる。これは以下の理由による。
　微生物発電装置の発電効率の向上のためには、
　１）負極室内微生物の負極への電子の伝達
　２）有機物の分解の際生成されるプロトン等のイオンの正極室への透過
を効率良く行うことが重要である。
　通常、負極室には、グラファイトフェルトやグラファイトクロス、グラファイトペレット、グラファイト成形物等を負極材として充填し、これに微生物を付着させることによって、発電微生物を負極内に維持し、かつ電子の移動を行わせている。
　しかし、この負極室に、外部から発電微生物以外の微生物（以下「外来微生物」と称す。）が流入すると、この外来微生物が負極の充填剤に付着し、増殖の遅い発電微生物に代わって、外来微生物が増殖し、負極室内の微生物の多くは、外来微生物となってしまう。即ち、発電微生物は、微生物の電子伝達系の中間から電子を負極に伝達するため、多くの有機物を分解するにもかかわらず、十分なエネルギーが得られず、分解有機物あたりの菌体生成率が極めて低い。つまり増殖が遅い。
　本発明者の検討結果では、例えば、酢酸をエネルギー源とした場合、酢酸１ｇあたり、発電微生物は０．００１～０．００５ｇ、グルコースの場合においても、１ｇあたり、発電微生物は０．０１～０．０５ｇしか増殖できないことが判明した。このように、発電微生物の増殖量は極めて小さいため、負極室に大量の外来微生物が流入すると、負極中の発電微生物量はごくわずかになってしまい、結果として発電効率の低下につながる。
　通常、上述のような負極充填材を用いた場合の微生物保持量は、最大でも２０ｇ／Ｌ程度であり、それ以上の微生物は洗浄、その他の操作で負極から取り除く必要がある。
　例えば、負極室に供給する有機物含有水中に１００ｍｇ／Ｌの外来微生物が存在すると、酢酸１０００ｍｇ／Ｌを含む有機物含有水であっても、その９５～９９％は外来微生物に変換されてしまう。これに対して、負極室に供給する有機物含有水を凝集処理して、好ましくは凝集分離により外来微生物を除去することにより、負極室内で発電微生物が効率的に増殖し、発電微生物量は、有機物含有水の凝集処理を行わない場合に比べて２０～１００倍にも増殖することになる。
　本発明では、このように、外来微生物の負極室内への流入を阻止することで、発電微生物を効率的に増殖させて、発電効率を高めることができる。
　なお、前述の特許文献３では、微生物発電装置の負極室に供給する汚泥返流水を固液分離しているが、単なる固液分離では外来微生物を十分に除去することはできず、外来微生物の流入を阻止するためには、凝集剤を添加して凝集処理し、これを固液分離する必要がある。
　従って、本発明において、凝集処理は凝集分離処理、特に凝集沈殿処理であることが好ましい。
本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。
　以下、図面を参照して本発明の微生物発電方法及び微生物発電装置の実施の形態を詳細に説明する。
　第２図は本発明の微生物発電方法及び装置の概略的な構成を示す模式的断面図である。
　第２図の微生物発電装置にあっては、槽体１内がイオン透過性非導電性膜２によって正極室３と負極室４とに区画されている。正極室３内には、イオン透過性非導電性膜２に接するように正極５が配置されている。
　負極室４内には、導電性多孔質材料よりなる負極６が配置されている。この負極６は、イオン透過性非導電性膜２に直に、又は１～２層程度の微生物の膜を介して接しており、イオン透過性非導電性膜２がカチオン透過膜であれば、負極６からイオン透過性非導電性膜２にプロトン（Ｈ＋）が受け渡し可能となっている。
　正極室３内は、空室であり、ガス流入口７から空気などの酸素含有ガスが導入され、ガス流出口８から排出配管２５を経て排ガスが流出する。２３は、正極室３に酸素含有ガスを供給する配管である。
　正極室３と負極室４とを仕切るイオン透過性非導電性膜２としては、後述する通り、カチオン透過膜が好適であるが、その他のものであっても良い。
　多孔質材料よりなる負極６に微生物が担持されている。負極室４には流入口４ａから負極溶液Ｌを導入し、流出口４ｂから廃液を排出させる。負極室４内は嫌気性とされる。
　負極室４内の負極溶液Ｌは循環往口９、循環配管１０、循環用ポンプ１１及び循環戻口１２を介して循環される。この循環配管１０には、負極室４から流出してきた液のｐＨを測定するｐＨ計１４が設けられると共に、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ添加用配管１３が接続され、負極溶液ＬのｐＨが７～９となるように、必要に応じてアルカリが添加される。
　本発明においては、この負極溶液Ｌとして、有機物含有水、特に、有機性廃水又は有機性廃棄物の抽出液を、凝集処理、好ましくは凝集分離処理、より好ましくは凝集沈殿処理した処理水を導入する。この凝集処理については後述する。
　正極室３内で生じた凝縮水は、図示しない凝縮水流出口から排水される。
　正極５と負極６との間に生じた起電力により、端子２０，２２を介して外部抵抗２１に電流が流れる。
　正極室３に酸素含有ガスを通気すると共に、必要に応じポンプ１１を作動させて負極溶液Ｌを循環させることにより、負極室４内では、
　　　　　（有機物）＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ＋＋ｅ－
なる反応が進行する。この電子ｅ－が負極６、端子２２、外部抵抗２１、端子２０を経て正極５へ流れる。
　上記反応で生じたプロトンＨ＋は、イオン透過性非導電性膜５Ａのカチオン透過膜を通って正極５に移動する。正極５では、
　　　　　Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－→２Ｈ２Ｏ
なる反応が進行する。この正極反応で生成したＨ２Ｏは凝縮して凝縮水が生じる。この凝縮水には、イオン透過性非導電性膜２のカチオン透過膜を透過してきたＫ＋，Ｎａ＋などが溶け込み、これにより凝縮水がｐＨ９．５～１２．５程度の高アルカリ性となる。従って、この高アルカリ性の凝縮水を前述の負極溶液ＬのｐＨ調整に利用しても良い。
　負極室４では、微生物による水の分解反応によりＣＯ２が生成することにより、ｐＨが低下しようとする。そこで、ｐＨ計１４の検出ｐＨが好ましくは７～９となるようにアルカリが負極溶液Ｌに添加される。このアルカリは、負極室６に直接に添加されてもよいが、循環水に添加することにより、負極室６内の全域を部分的な偏りなしにｐＨ７～９に保つことができる。
　第１図は本発明の特に好ましい形態に係る微生物発電装置の概略的な断面図である。
　第１図の微生物発電装置にあっては、略直方体形状の槽体３０内に２枚の板状のイオン透過性非導電性膜３１，３１が互いに平行に配置されることにより、該イオン透過性非導電性膜３１，３１同士の間に負極室３２が形成され、該負極室３２とそれぞれ該イオン透過性非導電性膜３１を隔てて２個の正極室３３，３３が形成されている。
　負極室３２内には、各イオン透過性非導電性膜３１と直に、又は１層～２層程度の生物膜を介して接するように、多孔質材料よりなる負極３４が配置されている。負極３４は、イオン透過性非導電性膜３１，３１に対し軽く、例えば０．１ｋｇ／ｃｍ２以下の圧力で、押し付けられるのが好ましい。
　正極室３３内には、イオン透過性非導電性膜３１と接して正極３５が配置されている。この正極３５は、パッキン３６に押圧されてイオン透過性非導電性膜３１に押し付けられている。正極３５とイオン透過性非導電性膜３１との密着性を高めるために、両者を溶着したり、接着剤で接着してもよい。
　正極３５と槽体３０の側壁との間は、酸素含有ガスの流通スペースとなっている。
　この正極３５及び負極３４は、端子３７，３９を介して外部抵抗３８に接続されている。
　負極室３２には、流入口３２ａから負極溶液Ｌが導入され、流出口３２ｂから廃液が流出する。負極室３２内は嫌気性とされる。
　負極室３２内の負極溶液は、循環往口４１、循環配管４２、循環ポンプ４３及び循環戻口４４を介して循環される。各正極室３３には、配管６１からの酸素含有ガスがガス流入口５１から流入し、排ガスがガス流出口５２から配管６３を経て流出する。
　負極溶液の循環配管４２に、ｐＨ計４７が設けられると共に、アルカリ添加用配管４５が接続されている。負極室３２から流出する負極溶液のｐＨをｐＨ計４７で検出し、このｐＨが好ましくは７～９となるように水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリが添加される。
　この第１図の微生物発電装置においても、正極室３３に酸素含有ガスを流通させ、負極室３２に負極溶液を流通させ、好ましくは負極溶液を循環させることにより、正極３５と負極３４との間に電位差が生じ、外部抵抗３８に電流が流れる。
　次に、この微生物発電装置の微生物、負極溶液などのほか、酸素含有ガスや、イオン透過性非導電性膜、負極及び正極の好適な材料等について説明する。
　発電微生物は、電子供与体としての機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、Saccharomyces、Hansenula、Candida、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leuconostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthrobacter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichia、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcaligenes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitrosomonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacter、Pseudomonas、Xanthomonas、Vibrio、Comamonas及びProteus（Proteus vulgaris）の各属に属する細菌、糸状菌、酵母などを挙げることができる。このような微生物を含む汚泥として下水等の有機物含有水を処理する生物処理槽から得られる活性汚泥、下水の最初沈澱池からの流出水に含まれる微生物、嫌気性消化汚泥等を植種として負極室に供給し、微生物を負極に保持させることができる。発電効率を高くするためには、負極室内に保持される微生物量は高濃度であることが好ましく、例えば微生物濃度は１～５０ｇ／Ｌであることが好ましい。
　負極溶液Ｌとしての有機物含有水としては、微生物又は細胞を保持し、かつ発電に必要な組成を有する溶液が用いられる。例えば、呼吸系の発電を行う場合は、負極側の溶液としては、ブイヨン培地、Ｍ９培地、Ｌ培地、Malt Extract、ＭＹ培地、硝化菌選択培地などの呼吸系の代謝を行うのに必要なエネルギー源や栄養素などの組成を有する培地が利用できる。また、下水、有機性産業排水、生ごみ等の有機性廃棄物を用いることができる。
　負極溶液Ｌ中には、微生物又は細胞からの電子の引き抜きをより容易とするために電子メディエーターを含有させてもよい。この電子メディエーターとしては、例えば、チオニン、ジメチルジスルホン化チオニン、ニューメチレンブルー、トルイジンブルー－Ｏ等のチオニン骨格を有する化合物、２－ヒドロキシ－１，４－ナフトキノン等の２－ヒドロキシ－１，４－ナフトキノン骨格を有する化合物、ブリリアントクレジルブルー、ガロシアニン、レソルフィン、アリザリンブリリアントブルー、フェノチアジノン、フェナジンエソスルフェート、サフラニン－Ｏ、ジクロロフェノールインドフェノール、フェロセン、ベンゾキノン、フタロシアニン、あるいはベンジルビオローゲン及びこれらの誘導体などを挙げることができる。
　さらに、微生物の発電機能を増大させるような材料、例えばビタミンＣのような抗酸化剤や、微生物中の特定の電子伝達系や物質伝達系のみを働かせる機能増大材料を溶解すると、さらに効率よく電力を得ることができるので好ましい。
　負極溶液Ｌは、必要に応じ、リン酸バッファを含有していてもよい。
　負極溶液Ｌとしての有機物含有水中の有機物としては、微生物によって分解されるものであれば特に制限はないが、水溶性の有機物であることが好ましい。負極溶液Ｌとしての有機物含有水中の有機物濃度は、発電効率を高くするために１００～１００００ｍｇ／Ｌ程度の高濃度であることが好ましい。
　本発明においては、この負極溶液Ｌとして負極室に供給する有機物含有水として、好ましくは食品系有機廃水、飲料廃水、醸造廃水等の有機性廃水又は有機性廃棄物の抽出液を用い、この有機物含有水を凝集処理、好ましくは凝集分離、より好ましくは凝集沈澱処理した後負極室に供給する。
　ここで用いる凝集剤としては特に制限はなく、有機性廃水の処理に一般的に用いられる無機凝集剤や高分子凝集剤を用いることができる。例えば、無機凝集剤として、ＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄、硫酸第一鉄等、カチオン性高分子凝集剤として、ポリジメチルジアリルアンモニウムクロライド、ポリアルキレンポリアミン等、アニオン性高分子凝集剤として、２－アクリルアミド－２－メチルプロパンスルホン酸単位を有するポリマー等、ノニオン性高分子凝集剤として、ポリエチレンイミン、ジシアンジアミド－ホルマリン縮合物等、従来公知の凝集剤をいずれも好適に用いることができる。これらの凝集剤は１種を単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。
　凝集剤の添加量は有機物含有水の性状、用いる凝集剤の種類によって異なり、一概には言えないが、通常有機物含有水に対して無機凝集剤では２０～５０ｍｇ／Ｌ、高分子凝集剤では０．５～１０ｍｇ／Ｌ程度である。
　なお、凝集処理に際しては、用いる凝集剤に応じて、好適ｐＨにｐＨ調整することが好ましい。
　凝集処理水を固液分離する固液分離手段としては、装置が簡単で運転が容易であることにより、沈殿槽が好適に用いられるが、膜分離装置であっても良い。また、沈殿槽の後段に更に濾過装置を設けて外来微生物を高度に除去しても良い。
　本発明では、このような凝集処理、好ましくは凝集分離、より好ましくは凝集沈澱処理を行うことにより、負極室に導入される有機物含有水中の外来微生物がＳＳ濃度として５０ｍｇ／Ｌ以下、特に２０ｍｇ／Ｌ以下となるように十分に低減することが好ましい。
　正極室に流通させる酸素含有ガスとしては、空気が好適であるが、純酸素や、酸素を富化させた空気を用いることもできる。
　この正極室からの排ガスは、必要に応じ脱酸素処理した後、負極室に通気し、負極溶液Ｌからの溶存酸素のパージに用いてもよい。
　イオン透過性非導電性膜としては、非導電性でイオン透過性のあるカチオン透過膜又はアニオン透過膜等のイオン透過膜であれば良く、各種イオン交換膜や逆浸透膜等を用いることができる。イオン交換膜としては、プロトン選択性の高いカチオン交換膜、又はアニオン交換膜を好適に使用でき、例えばカチオン交換膜としてはデュポン株式会社製ナフィオン（登録商標）、株式会社アストム製のカチオン交換膜であるＣＭＢ膜等が使用できる。また、アニオン交換膜としては、アストム製アニオン交換膜やトクヤマ製アニオン型電解質膜などが好適である。イオン透過性非導電性膜は、薄くて丈夫であることが好ましく、通常、その膜厚は３０～３００μｍ、特に３０～２００μｍ程度であることが好ましい。
　負極は、多くの微生物を保持できるよう、表面積が大きく空隙が多く形成され通水性を有する多孔体が好ましい。具体的には、少なくとも表面が粗とされた導電性物質のシートや導電性物質をフェルト状その他の多孔性シートにした多孔性導電体（例えばグラファイトフェルト、発泡チタン、発泡ステンレス等）が挙げられる。
　このような多孔質の負極を直接に又は微生物層を介してイオン透過性非導電性膜に当接させた場合、電子メディエータを用いることなく、微生物反応で生じた電子が負極に渡るようになり、電子メディエータを不要とすることができる。
　複数のシート状導電体を積層して負極としてもよい。この場合、同種の導電体シートを積層してもよく、異なる種類の導電体シート同士（例えばグラファイトフェルトと粗面を有するグラファイトシート）を積層してもよい。
　負極は全体の厚さが３ｍｍ以上４０ｍｍ以下、特に５～２０ｍｍ程度であることが好ましい。積層シートによって負極を構成した場合、シート同士の合わせ面（積層面）に沿って液が流れるように、積層面を液の流入口と流出口とを結ぶ方向に配向させるのが好ましい。
　本発明では、負極室を複数の分室に分割し、各分室を直列接続することで各分室でのｐＨ低下を抑制した上で負極室内の液のｐＨを調整するようにしてもよい。負極室を分割すれば、各分室での有機物分解量が小さくなる結果、炭酸ガスの生成量も小さくなるため、各分室でのｐＨ低下を少なくできる。
　正極は、導電性基材と、該導電性基材に担持された酸素還元触媒とを有することが好ましい。
　導電性基材としては、導電性が高く、耐食性が高く、厚みが薄くても十分な導電性と耐食性、更には導電性基材としての機械的強度を有するものであれば良く、特に制限はないが、グラファイトペーパー、グラファイトフェルト、グラファイトクロス、ステンレスメッシュ、チタンメッシュ等を用いることができ、これらのうち、特に耐久性と加工のしやすさ等の点から、グラファイトペーパー、グラファイトフェルト、グラファイトクロス等のグラファイト系基材が好ましく、とりわけグラファイトペーパーが好ましい。なお、これらのグラファイト系基材はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂によって疎水化されたものであっても良い。
　正極の導電性基材の厚さは、厚過ぎると酸素の透過が悪くなり、薄過ぎると、基材に必要な強度等の要求特性を満たすことができないことから、２０～３０００μｍ程度であることが好ましい。
　酸素還元触媒としては、白金等の貴金属のほか、安価で且つ触媒活性が良好であるところから、二酸化マンガン等の金属酸化物が好適であり、その担持量は、０．０１～２．０ｍｇ／ｃｍ２程度とすることが好ましい。
　なお、以上の説明では、正極室に空気等の酸素含有ガスを導入するエアーカソードを用いた微生物発電装置を例示したが、本発明の微生物発電装置は何らエアーカソードのものに限定されず、正極室内のリン酸緩衝液（カソード液）に空気を吹き込んで発電を行う形式のものであっても良い。
　以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
　説明の便宜上まず比較例を挙げる。
［比較例１］
　７ｃｍ×２５ｃｍ×２ｃｍ（厚さ）の負極室に、厚さ１ｃｍのグラファイトフェルトを２枚重ねて充填して負極を形成した。この負極に対して、イオン透過性非導電性膜としてカチオン交換膜（デュポン株式会社製　商品名（登録商標）「ナフィオン１１５」）を介して正極室を形成した。正極室は７ｃｍ×２５ｃｍ×０．５ｃｍ（厚さ）であり、田中貴金属社製Ｐｔ触媒（Ｐｔ担持カーボンブラック，Ｐｔ含有量５０重量％）を、５重量％ナフィオン（登録商標）溶液（デュポン社製）に分散させた液を、ＰＴＦＥで撥水処理した厚さ１６０μｍのカーボンペーパー（東洋カーボン社製）に、Ｐｔ付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布し、５０℃で乾燥させて得られたものを正極として、上記カチオン交換膜と密着させた。
　負極のグラファイトフェルトと正極のカーボンペーパーには、ステンレス線を導電性ペーストで接着して電気引出し線とし、２Ωの抵抗で接続した。
　負極室には、下水に酢酸を１０００ｍｇ／Ｌ添加し、ｐＨを７．５に維持した、負極溶液を通液した。この負極溶液は予め、別水槽で３５℃に加温し、この水槽で加温した液を負極室へ１０ｍＬ／ｍｉｎで通液することにより、負極室の温度を３５℃に加温した。なお、負極溶液の通液に先立って、他の微生物発電装置の流出液を植菌として通液した。
　正極室には、常温の空気を１．０Ｌ／ｍｉｎの流量で通気した。
　その結果、負極溶液の通液開始から３日後には発電量はほぼ一定となり、負極１ｍ３あたりの発電量は１２Ｗ（発電効率１２Ｗ／ｍ３）となった。
［比較例２］
　比較例１において、酢酸を添加し、ｐＨを７．５に維持した下水を３０分間静置して自然沈降分離により固液分離した上澄水を負極室に通液したこと以外は同様にして発電を行ったところ、発電効率４１Ｗ／ｍ３となった。
［実施例１］
　比較例２において、酢酸を添加し、ｐＨを７．５に維持した下水に、凝集剤として塩化第二鉄をＦｅとして２５ｍｇ／Ｌ添加した後、沈殿槽で固液分離し、上澄水を負極室に通液したこと以外は同様にして発電を行ったところ、発電効率は１４０Ｗ／ｍ３となった。
　なお、比較例１，２及び実施例１において、負極室に負極溶液として通液された下水（酢酸添加、ｐＨ７．５）中のＳＳ濃度と発電効率との関係を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より本発明によれば、下水中の微生物を高度に凝集分離して除去することにより、下水等の有機物含有水をエネルギー源として利用する微生物発電装置の発電効率を格段に高めることができることが分かる。
　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
　なお、本出願は、２００８年１２月１７日付で出願された日本特許出願（特願２００８－３２１００３）に基づいており、その全体が引用により援用される。
　１，３０　槽体
　２，３１　イオン透過性非導電性膜
　３，３３　正極室
　４，３２　負極室
　５，３５　正極
　６，３４　負極

Claims (8)

  1. 　負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、
    　該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と
    を備えた微生物発電装置の該正極室に酸素含有ガスを供給すると共に、該負極室に有機物含有水を供給して発電を行う微生物発電方法において、
    　該負極室に供給される有機物含有水を凝集処理して該負極室に導入される微生物量を低減することを特徴とする微生物発電方法。
  2. 　請求項１において、該有機物含有水を凝集沈殿処理した後、該負極室に供給することを特徴とする微生物発電方法。
  3. 　請求項１又は２において、該有機物含有水が有機性排水又は有機性廃棄物の抽出液であることを特徴とする微生物発電方法。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項において、該負極室に導入される有機物含有水のＳＳ濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする微生物発電方法。
  5. 　負極を有し、微生物及び電子供与体を含む液を保持する負極室と、
    　該負極室に対しイオン透過性非導電性膜を介して隔てられており、該イオン透過性非導電性膜に接する正極を有する正極室と、
    　該正極室に酸素含有ガスを供給する手段と、
    　該負極室に有機物含有水を供給する手段と
    を備えた微生物発電装置において、
    　該負極室に供給される有機物含有水を凝集処理して、該負極室に導入される微生物量を低減する手段を設けたことを特徴とする微生物発電装置。
  6. 　請求項５において、該負極室に導入される微生物量を低減する手段が凝集沈殿装置であることを特徴とする微生物発電装置。
  7. 　請求項５又は６において、該有機物含有水が有機性廃水又は有機性廃棄物の抽出液であることを特徴とする微生物発電装置。
  8. 　請求項５ないし７のいずれか１項において、該負極室に導入される有機物含有水のＳＳ濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする微生物発電装置。
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