JP2011223985A - Method for hydrogen fermentation treatment - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for stably and efficiently producing hydrogen fermentation liquid for performing hydrogen fermentation treatment with which hydrogen fermentation treatment is stably and efficiently performed.SOLUTION: Electrodes are immersed in a fermentation liquid containing microbial population which perform hydrogen fermentation, and the potential of electrodes are controlled in addition to supplying organic substrate to the fermentation liquid, so that the microbial population performing hydrogen fermentation are preferentially activated. To be concrete, an electrode (working electrode) and a counter electrode, which forms a pair with the working electrode, are immersed in the fermentation liquid, and the potential A of the electrodes (unit: V) is controlled to A≤-1.0 based on a silver-silver chloride electrode potential.

Description

本発明は、水素発酵処理方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、有機性廃棄物を分解処理するのと同時に水素を含むバイオガスを回収するのに好適な水素発酵処理方法、有機性廃棄物を分解処理するのと同時に水素とメタンを含むバイオガスを回収するのに好適な水素発酵処理とメタン発酵処理の二段階発酵処理方法、さらには有機性廃棄物を分解処理するのと同時に水素を含むバイオガスを回収するための水素発酵液を製造するのに好適な方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen fermentation treatment method. More specifically, the present invention relates to a hydrogen fermentation treatment method suitable for recovering biogas containing hydrogen at the same time as decomposing organic waste, and simultaneously decomposing and treating organic waste. Hydrogen fermentation process suitable for recovering biogas containing methane and two-stage fermentation process method of methane fermentation process, as well as hydrogen for decomposing organic waste and simultaneously recovering biogas containing hydrogen The present invention relates to a method suitable for producing a fermentation broth.

水素発酵処理とは、嫌気性微生物が有機性基質を酸発酵する過程で同時に水素ガスを生成する働きを利用したものである。有機性基質として有機性廃棄物を用いることで、有機性廃棄物の分解処理を行いながらエネルギー源として水素ガスを回収することができることから、産業上極めて有用な技術であるとして注目されている。   The hydrogen fermentation treatment utilizes the action of anaerobic microorganisms that simultaneously generate hydrogen gas in the process of acid fermentation of an organic substrate. By using organic waste as an organic substrate, hydrogen gas can be recovered as an energy source while decomposing the organic waste, so that it is attracting attention as an extremely useful technology in the industry.

また、近年では、水素発酵処理とメタン発酵処理を組み合わせて有機性廃棄物を分解処理する技術が提案されている。例えば、特許文献1では、水素発酵処理とメタン発酵処理を組み合わせることで、生ごみと紙ごみを同時に分解処理する技術が提案されている。また、非特許文献1では、水素発酵処理とメタン発酵処理を組み合わせて有機性廃棄物を分解処理することで、メタン発酵処理により有機性廃棄物を分解処理する場合と比較して、バイオガスの生成速度及びバイオガスの収率を向上できることが報告されている。   In recent years, a technique for decomposing organic waste by combining a hydrogen fermentation process and a methane fermentation process has been proposed. For example, Patent Document 1 proposes a technique for simultaneously decomposing raw garbage and paper garbage by combining hydrogen fermentation treatment and methane fermentation treatment. Moreover, in nonpatent literature 1, compared with the case where an organic waste is decomposed | disassembled by a methane fermentation process by decomposing | disassembling an organic waste by combining a hydrogen fermentation process and a methane fermentation process, of biogas. It has been reported that the production rate and biogas yield can be improved.

水素発酵処理とメタン発酵処理を組み合わせた二段階発酵処理は、具体的には以下のように実施される。即ち、有機性廃棄物の発酵処理槽として、水素発酵槽とメタン発酵槽の二つの処理槽を準備しておき、有機性廃棄物を前段の水素発酵槽にて水素発酵処理した後、その発酵物である処理液(排出液)を後段のメタン発酵槽に送液してメタン発酵処理を行う。このように、水素発酵槽とメタン発酵槽の二つの槽でそれぞれ発酵処理を行うことにより、水素発酵に関与する微生物群とメタン発酵に関与する微生物群をそれぞれの処理槽で最適な条件に維持して、効率よく処理を行うことができる。   Specifically, the two-stage fermentation process that combines the hydrogen fermentation process and the methane fermentation process is performed as follows. That is, as a fermenter for organic waste, two fermenters, a hydrogen fermenter and a methane fermenter, are prepared, and the organic waste is subjected to hydrogen fermentation in the preceding hydrogen fermenter and then fermented. The processing liquid (discharge liquid) which is a thing is sent to a methane fermentation tank of a back | latter stage, and a methane fermentation process is performed. In this way, by performing fermentation treatment in two tanks, a hydrogen fermenter and a methane fermenter, the microbial group involved in hydrogen fermentation and the microbial group involved in methane fermentation are maintained in optimum conditions in the respective treatment tanks. Thus, processing can be performed efficiently.

特開2006−255537号公報JP 2006-255537 A

Liu, D., Liu, D., Zeng, R.J., Angelidaki, I. 2006. Hydrogen and methane production from household solid waste in the two-stage fermentation process. Water Res. 40, 2230-2236.Liu, D., Liu, D., Zeng, R.J., Angelidaki, I. 2006. Hydrogen and methane production from household solid waste in the two-stage fermentation process.Water Res. 40, 2230-2236.

しかしながら、水素発酵過程に関する知見は未だ乏しい状況にあり、水素発酵処理を安定且つ高効率に実施するための条件は十分に明確にはなっていない。このことが、水素発酵処理や水素発酵処理とメタン発酵処理の二段階発酵処理を実用化するための障害の一因となっていることは否めない。   However, knowledge about the hydrogen fermentation process is still in a poor state, and conditions for carrying out the hydrogen fermentation treatment stably and with high efficiency have not been sufficiently clarified. It cannot be denied that this is one of the obstacles to the practical application of hydrogen fermentation treatment or two-stage fermentation treatment of hydrogen fermentation treatment and methane fermentation treatment.

そこで、本発明は、水素発酵処理を安定且つ高効率に実施することのできる方法を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the method which can implement a hydrogen fermentation process stably and highly efficiently.

また、本発明は、水素発酵処理とメタン発酵処理を組み合わせた二段階発酵処理を安定且つ高効率に実施することのできる方法を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a method capable of stably and efficiently carrying out a two-stage fermentation process combining a hydrogen fermentation process and a methane fermentation process.

さらに、本発明は、水素発酵処理を行うための水素発酵液を安定且つ効率よく製造する方法を提供することを目的とする。   Furthermore, an object of this invention is to provide the method of manufacturing the hydrogen fermentation liquid for performing a hydrogen fermentation process stably and efficiently.

かかる課題を解決するため本願発明者等が鋭意検討を行った結果、メタン発酵液に炭素板を二枚浸漬して、一方を作用電極、他方を対電極とし、作用電極の電位を銀・塩化銀電極電位基準で−1.0Vに制御することで、水素発酵反応を優占的に安定して進行させることができるという新たな知見を得るに至った。   As a result of intensive investigations by the inventors of the present invention in order to solve such problems, two carbon plates were immersed in the methane fermentation liquid, one serving as the working electrode, the other as the counter electrode, and the potential of the working electrode as silver / chloride. By controlling to -1.0 V on the basis of the silver electrode potential, new findings have been obtained that the hydrogen fermentation reaction can proceed in a predominantly stable manner.

ここで、メタン発酵液中で起こる一連のメタン発酵反応には、加水分解反応が含まれており、加水分解反応の一部は水素発酵に関与する水素生成菌群により行われている。したがって、上記の水素発酵反応の優占化は、メタン発酵液中において水素発酵を行う微生物群が優占的に活性化したことに起因するものと考えられた。   Here, a series of methane fermentation reactions occurring in the methane fermentation liquid includes a hydrolysis reaction, and a part of the hydrolysis reaction is performed by a group of hydrogen-producing bacteria involved in hydrogen fermentation. Therefore, it was considered that the above-described predominance of the hydrogen fermentation reaction was caused by the preferential activation of the microorganism group performing hydrogen fermentation in the methane fermentation broth.

本願発明者等は、上記知見から、メタン発酵液に限らず、水素発酵を行う微生物を含む発酵液全般について、発酵液に浸漬した電極の電位を制御するという極めて簡易な方法によって、水素発酵を行う微生物群を優占的に活性化させて水素発酵処理を効率よく安定に進行させることができる可能性が導かれることを知見し、さらに種々検討を重ねて本発明を完成するに至った。   Based on the above knowledge, the inventors of the present invention are not limited to the methane fermentation broth, but for all fermentation broth including microorganisms that perform hydrogen fermentation, hydrogen fermentation is performed by a very simple method of controlling the potential of the electrode immersed in the fermentation broth. The present inventors have found that the possibility that the microorganism fermentation group to be activated can be preferentially activated to allow the hydrogen fermentation treatment to proceed efficiently and stably, and the present invention has been completed through various studies.

即ち、本発明の水素発酵処理方法は、水素発酵を行う微生物群を含む発酵液に電極を浸漬し、発酵液に有機性基質を投入すると共に電極の電位を制御して水素発酵を行う微生物群を優占的に活性化させるようにしている。   That is, in the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, the electrodes are immersed in a fermentation broth containing microorganisms that perform hydrogen fermentation, an organic substrate is added to the fermentation broth, and the potential of the electrodes is controlled to perform hydrogen fermentation. Is activated preferentially.

ここで、本発明の水素発酵処理方法において、発酵液に電極と共にこの電極と対を成す対電極を浸漬し、電極の電位A(単位:V)を銀・塩化銀電極電位基準でA≦−1.0に制御することが好ましい。   Here, in the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, a counter electrode that forms a pair with this electrode is immersed in the fermentation broth, and the potential A (unit: V) of the electrode is A ≦ − on the basis of the silver / silver chloride electrode potential. It is preferable to control to 1.0.

また、本発明の水素発酵処理方法において、発酵液がメタン発酵液であることが好ましい。   Moreover, in the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, the fermentation liquid is preferably a methane fermentation liquid.

さらに、本発明の水素発酵処理方法において、発酵液のpHを5.5〜8に維持することが好ましい。   Furthermore, in the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, it is preferable to maintain the pH of the fermentation broth at 5.5-8.

次に、本発明の二段階発酵処理方法は、本発明の水素発酵処理方法を実施し、次いで水素発酵処理方法により得られる発酵物を原料としてメタン発酵処理を行うようにしている。   Next, the two-stage fermentation treatment method of the present invention implements the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, and then performs a methane fermentation treatment using a fermented product obtained by the hydrogen fermentation treatment method as a raw material.

ここで、本発明の二段階発酵処理方法において、メタン発酵処理は、メタン発酵液に電極を浸漬し、この電極と対を成す対電極を以下の(1)または(2)の方法で配置し、電極の電位Bを銀・塩化銀電極電位基準でB=+0.3またはB<X(Xはメタン発酵液自体の酸化還元電位)に制御することが好ましい。
(1)イオン交換膜を介してメタン発酵液と接触させた電解液に浸漬して配置する
(2)イオン交換膜を介してメタン発酵液と接触させて配置する
Here, in the two-stage fermentation treatment method of the present invention, in the methane fermentation treatment, an electrode is immersed in a methane fermentation solution, and a counter electrode that forms a pair with this electrode is disposed by the following method (1) or (2). The electrode potential B is preferably controlled to B = + 0.3 or B <X (X is the oxidation-reduction potential of the methane fermentation broth itself) on the basis of the silver / silver chloride electrode potential.
(1) Immerse and place in the electrolyte solution in contact with the methane fermentation solution via the ion exchange membrane (2) Place in contact with the methane fermentation solution via the ion exchange membrane

次に、本発明の水素発酵液の製造方法は、メタン発酵液に電極を浸漬し、発酵液に有機性基質を投入すると共に電極の電位を制御して水素発酵を行う微生物群を優占的に活性化させる工程を含むようにしている。   Next, the method for producing a hydrogen fermentation broth according to the present invention dominates a group of microorganisms that perform hydrogen fermentation by immersing an electrode in a methane fermentation broth, introducing an organic substrate into the fermentation broth, and controlling the potential of the electrode. The step of activating is included.

ここで、本発明の水素発酵液の製造方法において、上記工程は、メタン発酵液に電極と共にこの電極と対を成す対電極を浸漬し、電極の電位A(単位:V)を銀・塩化銀電極電位基準でA≦−1.0に制御することにより実施されるものとすることが好ましい。   Here, in the method for producing a hydrogen fermentation broth according to the present invention, the above-mentioned step includes immersing a counter electrode that forms a pair with the electrode in the methane fermentation broth, and setting the potential A (unit: V) of the electrode to silver / silver chloride. It is preferable to carry out by controlling A ≦ −1.0 on the basis of the electrode potential.

本発明の水素発酵処理方法によれば、発酵液に浸漬した電極の電位を制御するという簡易な操作・制御で水素発酵反応を安定且つ高効率に進行させることができる。したがって、有機性廃棄物を安定且つ効率よく分解して、エネルギー源としての水素を効率よく回収することが可能となる。   According to the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, the hydrogen fermentation reaction can proceed stably and efficiently with a simple operation and control of controlling the potential of the electrode immersed in the fermentation broth. Therefore, organic waste can be decomposed stably and efficiently, and hydrogen as an energy source can be efficiently recovered.

本発明の二段階発酵処理方法によれば、水素発酵反応を安定且つ高効率に進行させて、メタン発酵処理を含めた二段階発酵処理全体としての安定性と処理効率とを向上させることができる。したがって、有機性廃棄物を安定且つ効率よく分解して、エネルギー源としての水素とメタンを効率よく回収することが可能となる。   According to the two-stage fermentation treatment method of the present invention, the hydrogen fermentation reaction can proceed stably and with high efficiency, and the stability and treatment efficiency of the entire two-stage fermentation process including the methane fermentation process can be improved. . Therefore, it becomes possible to decompose organic waste stably and efficiently, and to efficiently recover hydrogen and methane as energy sources.

本発明の水素発酵汚泥の製造方法によれば、メタン発酵液に浸漬した電極の電位を制御するという簡易な操作・制御でメタン発酵液中において水素発酵反応を支配的に進行させ、水素発酵汚泥を安定且つ効率よく製造することが可能となる。   According to the method for producing hydrogen fermented sludge of the present invention, the hydrogen fermented sludge is allowed to proceed predominantly in the methane fermented liquid by a simple operation and control of controlling the potential of the electrode immersed in the methane fermented liquid. Can be manufactured stably and efficiently.

実施例1における試験期間中の発酵液のpHの変動を示す図である。It is a figure which shows the fluctuation | variation of pH of the fermented liquor during the test period in Example 1. FIG. 実施例1における試験期間中のバイオガス生成速度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the biogas production rate in the test period in Example 1. FIG. 実施例1における試験期間中の作用電極の電流値の経時変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a change with time of a current value of a working electrode during a test period in Example 1. 本発明の水素発酵処理方法を実施するための形態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example for the form for implementing the hydrogen-fermentation processing method of this invention. 本発明の水素発酵処理方法を実施するための形態の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the form for implementing the hydrogen-fermentation processing method of this invention. 本発明の水素発酵処理方法を実施するための形態のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of the form for implementing the hydrogen-fermentation processing method of this invention. 第一の実施形態Aにかかる処理装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the processing apparatus concerning 1st Embodiment A. 第一の実施形態Bにかかる処理装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the processing apparatus concerning 1st Embodiment B. 第一の実施形態Cにかかる処理装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the processing apparatus concerning 1st Embodiment C. 第一の実施形態Dにかかる処理装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the processing apparatus concerning 1st Embodiment D. 第二の実施形態にかかる処理装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the processing apparatus concerning 2nd embodiment. 処理装置の他の形態の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the other form of a processing apparatus. 参考例1で用いた装置の形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the form of the apparatus used in Reference Example 1. 参考例1におけるメタン発酵槽の運転条件(負荷条件)を示す図である。It is a figure which shows the driving | running condition (load condition) of the methane fermenter in the reference example 1. FIG. 参考例1において得られた設定電位とガス生成速度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the setting electric potential obtained in the reference example 1, and a gas production rate. 参考例1において得られた設定電位と化学的酸素要求量(COD)除去速度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the setting electric potential obtained in the reference example 1, and a chemical oxygen demand (COD) removal rate. 参考例1において得られた設定電位と浮遊固形分(SS)除去速度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the setting electric potential obtained in the reference example 1, and floating solid content (SS) removal rate. 参考例1において得られた設定電位と低級脂肪酸濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the setting potential obtained in Reference Example 1, and a lower fatty acid concentration. 実施例1で用いた装置の形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the form of the apparatus used in Example 1. FIG. 参考例2におけるメタン発酵槽の運転条件(負荷条件)を示す図である。It is a figure which shows the driving | running condition (load condition) of the methane fermenter in the reference example 2. FIG. 参考例2におけるガス生成速度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the gas generation rate in the reference example 2. 参考例2におけるバイオガス中のメタンガス含有率の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the methane gas content rate in the biogas in the reference example 2. FIG. 参考例2におけるメタン発酵液のVFA濃度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the VFA density | concentration of the methane fermentation liquid in the reference example 2. FIG. 参考例2における有機物負荷量に対するCOD除去率を示す図である。It is a figure which shows the COD removal rate with respect to the organic substance load in the reference example 2. FIG. 参考例2における有機物負荷量に対するSS除去率を示す図である。It is a figure which shows SS removal rate with respect to the organic substance load in the reference example 2. FIG. 実施例2における有機物負荷量(OLR)と水理学的滞留時間(HRT)を示す図である。It is a figure which shows the organic substance load (OLR) and hydraulic residence time (HRT) in Example 2. 実施例2における試験期間中のバイオガス生成速度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the biogas production rate in the test period in Example 2. FIG. 実施例2における試験期間中の有機物負荷量(OLR)に対する水素生成速度を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen production | generation rate with respect to the organic substance load amount (OLR) in the test period in Example 2. FIG. 実施例2における試験期間中の発酵液のpHの変動を示す図である。It is a figure which shows the fluctuation | variation of pH of the fermented liquor during the test period in Example 2. FIG. 実施例2の試験1における有機物負荷量(OLR)に対する発酵液(作用電極槽側)のVFA濃度を示す図である。It is a figure which shows the VFA density | concentration of the fermented liquor (working electrode tank side) with respect to the organic substance load amount (OLR) in Test 1 of Example 2. FIG. 実施例2の試験2における発酵液の有機物負荷量(OLR)9780mg/l/日におけるVFA濃度を示す図である。It is a figure which shows the VFA density | concentration in the organic substance load (OLR) 9780 mg / l / day of the fermented liquid in Test 2 of Example 2. FIG. 実施例2の試験1の結果から、水素回収率(γca)とエネルギー回収率(WH2)を計算した結果を示す図である。From the results of Test 1 of Example 2, a diagram illustrating the results of calculating the hydrogen recovery rate (gamma ca) the energy recovery rate (W H2). 実施例3における有機物負荷量(OLR)と水理学的滞留時間(HRT)を示す図である。It is a figure which shows the organic substance load (OLR) and hydraulic residence time (HRT) in Example 3. 実施例3における試験期間中の有機物負荷量(OLR)に対するバイオガス生成速度を示す図である。It is a figure which shows the biogas production | generation rate with respect to the organic substance load amount (OLR) in the test period in Example 3. FIG. 実施例4における試験期間中のバイオガス生成速度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the biogas production rate in the test period in Example 4. FIG. 実施例4における試験期間中の有機物負荷量(OLR)に対するメタン生成速度を示す図である。It is a figure which shows the methane production | generation rate with respect to the organic substance load amount (OLR) in the test period in Example 4. FIG. 実施例4における試験期間中の発酵液のpHの変動を示す図である。It is a figure which shows the fluctuation | variation of pH of the fermented liquor during the test period in Example 4. FIG. 実施例4における有機物負荷量(OLR)に対するCOD除去率を示す図である。It is a figure which shows the COD removal rate with respect to organic substance load amount (OLR) in Example 4. FIG. 実施例4における有機物負荷量(OLR)に対するSS除去率を示す図である。It is a figure which shows SS removal rate with respect to organic substance load amount (OLR) in Example 4. FIG. 実施例4における有機物負荷量(OLR)に対する発酵液のVFA濃度を示す図である。It is a figure which shows the VFA density | concentration of the fermented liquid with respect to the organic substance load amount (OLR) in Example 4. FIG. 実施例2において、作用電極の設定電位を−1.2Vとして試験1と同様の試験を行った場合の有機物負荷量(OLR)に対する水素生成速度を示す図である。In Example 2, it is a figure which shows the hydrogen production rate with respect to organic substance load amount (OLR) at the time of performing the test similar to the test 1 by setting the setting electric potential of a working electrode to -1.2V.

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[水素発酵処理方法]
本発明の水素発酵処理方法は、水素発酵を行う微生物群を含む発酵液に電極を浸漬し、発酵液に有機性基質を投入すると共に電極の電位を制御して水素発酵を行う微生物群を優占的に活性化させるようにしている。
[Hydrogen fermentation treatment method]
In the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, an electrode is immersed in a fermentation broth containing a microorganism group that performs hydrogen fermentation, an organic substrate is introduced into the fermentation broth, and the microorganism group that performs hydrogen fermentation by controlling the potential of the electrode is superior. It is trying to activate fortune-telling.

水素発酵を行う微生物群を含む発酵液としては、有機性廃棄物等のメタン発酵処理が行われている一般的なメタン発酵槽中のメタン発酵液や、メタン発酵槽から採取した汚泥を水または培養液等で希釈して調製したメタン発酵液を使用するのが好適であるが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、有機性廃棄物等の水素発酵処理が行われている一般的な水素発酵槽中の水素発酵液や、水素発酵槽から採取した汚泥を水または培養液等で希釈して調製した水素発酵液、さらには水素発酵に関与する微生物群(例えばクロストリジウム属の微生物群等)を培養液等に添加した水素発酵液を用いることも可能である。また、メタン発酵槽から採取した汚泥を水等で希釈せずにそのまま用いることもできるし、水素発酵処理槽から採取した汚泥を水等で希釈せずにそのまま用いることもできる。本発明における発酵液には、このような汚泥自体も含まれる。   The fermented liquor containing microorganisms that perform hydrogen fermentation includes methane fermented liquid in a general methane fermenter in which methane fermentation treatment such as organic waste is performed, or sludge collected from the methane fermenter in water or It is preferable to use a methane fermentation solution prepared by diluting with a culture solution or the like, but the methane fermentation solution is not necessarily limited to these, and general hydrogen in which a hydrogen fermentation process such as organic waste is performed. Hydrogen fermentation broth in the fermenter, hydrogen fermented liquor prepared by diluting sludge collected from the hydrogen fermenter with water or a culture solution, and microorganism groups involved in hydrogen fermentation (for example, microorganisms of the genus Clostridium) It is also possible to use a hydrogen fermented solution obtained by adding to a culture solution or the like. Moreover, the sludge collected from the methane fermentation tank can be used as it is without being diluted with water or the like, and the sludge collected from the hydrogen fermentation treatment tank can be used as it is without being diluted with water or the like. Such a sludge itself is also included in the fermented liquid in the present invention.

本発明の水素発酵処理方法において、水素発酵を行う微生物群を含む発酵液としてメタン発酵液を用いた場合には、メタン発酵液中に存在する水素発酵を行う微生物群を優占的に活性化させて、発酵液中において水素発酵反応を支配的に安定に進行させることができる。また、水素発酵を行う微生物群を含む発酵液として水素発酵液を用いた場合には、水素発酵液中に存在する水素発酵を行う微生物群を活性化させて、発酵液中において水素発酵反応を安定に進行させることができる。   In the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, when a methane fermentation broth is used as a fermentation broth containing a microorganism group that performs hydrogen fermentation, the microorganism group that performs the hydrogen fermentation existing in the methane fermentation liquid is preferentially activated. Thus, the hydrogen fermentation reaction can proceed predominantly and stably in the fermentation broth. In addition, when a hydrogen fermentation broth is used as a fermentation broth that includes a microorganism group that performs hydrogen fermentation, the microorganism group that performs the hydrogen fermentation existing in the hydrogen fermentation broth is activated, and the hydrogen fermentation reaction is performed in the fermentation broth. It can proceed stably.

発酵液に浸漬する電極としては、疎水性の電極を用いることが好適であり、特に炭素板等の炭素製電極を用いることが好適であるが、必ずしもこれらの電極に限定されるものではなく、水素発酵反応を阻害することのない各種電極を用いることができる。尚、従来より、水素を製造する一般的な技術として電気分解を利用した方法が周知であり、電気分解法においては電極として白金等の貴金属(触媒)電極を用いるのが一般的である。本発明は電気分解法と同様に水素を製造できる技術でありながら、電極としては炭素板のような低コスト材料を用いることができ、この点においても従来技術と比較して極めて利点が大きい。また、炭素板のように微生物を担持し得る電極を用いると、電位制御初期段階で電極表面に微生物が付着して電極表面に電流が流れやすくなり、投入した電気エネルギーの損失を抑えて、水素発酵反応の優占化を促進する効果も期待できる。   As an electrode immersed in the fermentation broth, it is preferable to use a hydrophobic electrode, and it is particularly preferable to use a carbon electrode such as a carbon plate, but it is not necessarily limited to these electrodes, Various electrodes that do not inhibit the hydrogen fermentation reaction can be used. Conventionally, a method using electrolysis is well known as a general technique for producing hydrogen, and in the electrolysis method, a noble metal (catalyst) electrode such as platinum is generally used as an electrode. Although the present invention is a technique capable of producing hydrogen in the same manner as the electrolysis method, a low-cost material such as a carbon plate can be used as an electrode, and this is also extremely advantageous compared to the conventional technique. In addition, when an electrode capable of supporting microorganisms such as a carbon plate is used, microorganisms adhere to the electrode surface at the initial stage of potential control, and current easily flows on the electrode surface. The effect of promoting the predominance of the fermentation reaction can also be expected.

有機性基質としては、畜産廃棄物、生ごみ、廃水処理汚泥、各種バイオマス(例えば稲藁等の藁類)、紙ごみなどの有機性廃棄物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。例えば、単純に水素ガスを生成することを目的として水素生成菌群が利用しやすい有機性基質を発酵液に投入するようにしてもよい。尚、有機性廃棄物等の有機性基質は、その性状により、必要に応じて、破砕や分別などの前処理を適宜行ってから水素発酵処理に供することが好適である。ここで、本願発明者等の実験によれば、電極(作用電極)への通電によって、ドッグフードを含む模擬生ごみスラリーを有機性基質とした場合にも、水素発酵反応を優占的に安定して進行させることができたことから、電極(作用電極)への通電によって、様々な有機性基質を広範囲に利用して水素発酵を優占的に安定して進行させることができる効果も奏され得る。   Examples of organic substrates include, but are not limited to, organic waste such as livestock waste, garbage, wastewater treatment sludge, various biomass (eg, rice cakes), and paper waste. . For example, for the purpose of simply generating hydrogen gas, an organic substrate that can be easily used by the hydrogen-producing bacteria group may be added to the fermentation broth. In addition, it is suitable for an organic substrate such as organic waste to be subjected to a hydrogen fermentation treatment after appropriately performing pretreatment such as crushing and separation as necessary depending on its properties. Here, according to the experiments by the inventors of the present application, by energizing the electrode (working electrode), the hydrogen fermentation reaction is preferentially stabilized even when the simulated garbage slurry including the dog food is used as the organic substrate. As a result, it is possible to cause hydrogen fermentation to proceed in a predominantly stable manner using a wide variety of organic substrates by energizing the electrode (working electrode). obtain.

電極の電位制御は、水素発酵を行う微生物群を優占的に活性化させることができれば、電位制御方法は特に限定されるものではないが、発酵液に電極(以下、作用電極と呼ぶこともある)と共に作用電極と対を成す対電極を浸漬し、作用電極の電位A(単位:V)を制御することが好適である。そして作用電極の電位Aは、銀・塩化銀電極電位基準でA≦−1.0とすればよいが、−1.4<A≦−1.0とするのが好適であり、−1.3≦A≦−1.0とするのがより好適であり、−1.2≦A≦−1.0とするのがさらに好適である。この電位制御方法を採用した場合、A>−1.0とすると、水素発酵反応の優占化が起こらない。また、A≦−1.4とすると、投入する電力量が大きくなって水素製造効率が低下したり、発酵槽内に硫酸還元菌が優占化して水素が消費されたりする虞がある。また、作用電極を炭素製電極とした場合に関して言えば、水分解による水素生成が支配的になる。   The potential control method of the electrode is not particularly limited as long as the microorganism group that performs hydrogen fermentation can be activated preferentially. However, the potential control method is not particularly limited. It is preferable to immerse a counter electrode that forms a pair with the working electrode together with the working electrode to control the potential A (unit: V) of the working electrode. The potential A of the working electrode may be set to A ≦ −1.0 on the basis of the silver / silver chloride electrode potential, but is preferably set to −1.4 <A ≦ −1.0. More preferably, 3 ≦ A ≦ −1.0, and even more preferably −1.2 ≦ A ≦ −1.0. When this potential control method is adopted, if A> −1.0, the hydrogen fermentation reaction does not dominate. Further, if A ≦ −1.4, the amount of electric power to be input becomes large and the hydrogen production efficiency may be reduced, or the sulfate reducing bacteria may dominate in the fermenter and hydrogen may be consumed. Further, when the working electrode is a carbon electrode, hydrogen generation by water splitting becomes dominant.

尚、水素発酵を行う微生物群の優占的な活性化とは、水素発酵を行う微生物群の増殖による機能の向上及び水素発酵を行う微生物自体の機能の向上のいずれか一方あるいは双方を意味している。   The dominant activation of the microorganism group that performs hydrogen fermentation means either or both of improvement of the function of the microorganism group that performs hydrogen fermentation and improvement of the function of the microorganism itself that performs hydrogen fermentation. ing.

ここで、本発明の水素発酵処理方法においては、発酵液のpHを酸性側またはアルカリ性側に極端に偏らせ過ぎると、多くの微生物反応系と同様に、水素発酵反応が阻害される虞がある。したがって、発酵液のpHは微生物反応系における常識的なpH域に維持するのが好ましく、具体的には、発酵液のpHを5.5〜8に維持することが好適であり、pH6〜8程度に維持することがより好適である。尚、水素発酵反応が進行すると、発酵液中に水素発酵の生成物たる低級脂肪酸(乳酸、酢酸、プロピオン酸及び酪酸等)が溶け出して発酵液のpHが酸性側に偏る虞があるので、発酵液には水酸化ナトリウム等のpH調整剤を定期的にあるいは随意に添加して、pHを上記範囲に維持することが好ましい。また、このように発酵液のpHを上記範囲に維持することによって、後述する水素発酵処理とメタン発酵処理を組み合わせた二段階発酵処理方法において、メタン発酵処理槽に送液される発酵物(処理液)のpHを中性付近とできるので、メタン発酵液の酸性シフトによるメタン発酵処理効率の低下を防ぐこともできる。   Here, in the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, if the pH of the fermentation solution is excessively biased to the acidic side or the alkaline side, the hydrogen fermentation reaction may be inhibited, as in many microbial reaction systems. . Therefore, it is preferable to maintain the pH of the fermentation broth in a common-sense pH range in the microbial reaction system. Specifically, it is preferable to maintain the pH of the fermentation broth at 5.5-8, and pH 6-8. It is more preferable to maintain the degree. As the hydrogen fermentation reaction proceeds, lower fatty acids (lactic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, etc.), which are products of hydrogen fermentation, dissolve in the fermentation liquid, and the pH of the fermentation liquid may be biased to the acidic side. It is preferable to maintain a pH in the above range by adding a pH adjuster such as sodium hydroxide to the fermentation broth periodically or optionally. In addition, by maintaining the pH of the fermentation broth in the above range in this way, in a two-stage fermentation treatment method that combines a hydrogen fermentation treatment and a methane fermentation treatment described later, a fermented product (treatment) that is sent to the methane fermentation treatment tank Since the pH of the liquid is near neutral, it is possible to prevent a decrease in methane fermentation treatment efficiency due to the acid shift of the methane fermentation liquid.

本発明の水素発酵処理方法によれば、有機性廃棄物等の有機性基質を原料として、水素を生成することができると共に、有機性廃棄物等の減容化も図ることができる。換言すれば、有機性廃棄物を水素に変換して回収することができる。したがって、有機性廃棄物に水素生成源としての付加価値を与えることのできる水素回収方法として活用し得る。   According to the hydrogen fermentation treatment method of the present invention, hydrogen can be generated using an organic substrate such as organic waste as a raw material, and the volume of organic waste can be reduced. In other words, organic waste can be recovered by converting it to hydrogen. Therefore, it can be utilized as a hydrogen recovery method capable of giving added value as a hydrogen generation source to organic waste.

次に、本発明の水素発酵処理方法を実施するための装置の具体例について説明する。   Next, a specific example of an apparatus for carrying out the hydrogen fermentation treatment method of the present invention will be described.

本発明の水素発酵処理方法を実施するための装置の一例を図4に示す。この水素発酵装置1は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器26aと26bが開口部で連結されてH字型の容器26が形成され、一方の容器26aを密閉構造として作用電極槽7とし、他方の容器26bも密閉構造として対電極槽8としている。そして、容器26のそれぞれの槽には発酵液4が収容され、作用電極槽7の発酵液4には作用電極9と参照電極11が接触(浸漬)され、対電極槽8の発酵液4には対電極10が接触(浸漬)されている。作用電極9と対電極10と参照電極11は定電位設定装置12に結線され、作用電極9の電位が3電極方式で制御される。   An example of an apparatus for carrying out the hydrogen fermentation treatment method of the present invention is shown in FIG. In this hydrogen fermentation apparatus 1, two containers 26 a and 26 b each having an opening below the liquid level of the liquid to be stored are connected at the opening to form an H-shaped container 26. The working electrode tank 7 is used as a sealed structure, and the other container 26b is also used as a counter electrode tank 8 as a sealed structure. Then, the fermented liquid 4 is accommodated in each tank of the container 26, the working electrode 9 and the reference electrode 11 are contacted (immersed) in the fermented liquid 4 in the working electrode tank 7, and the fermented liquid 4 in the counter electrode tank 8 is contacted. The counter electrode 10 is in contact (immersion). The working electrode 9, the counter electrode 10, and the reference electrode 11 are connected to a constant potential setting device 12, and the potential of the working electrode 9 is controlled by a three-electrode system.

このように、3電極方式で作用電極9の電位を制御することで、作用電極9の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置(ポテンシオスタット)12により、作用電極9と参照電極11との間の電位差を測定し、この電位差が設定電位に達するように作用電極9と対電極10との間に電流を流し、基準となる参照電極11には一切電流が流れないようにしている。尚、3電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法(上)、技報動出版株式会社、第1版15刷、2004年6月発行の6〜9ページにその詳細が記載されている。   In this way, by controlling the potential of the working electrode 9 by the three-electrode method, the potential of the working electrode 9 can be strictly controlled to the set potential. Specifically, a potential difference between the working electrode 9 and the reference electrode 11 is measured by a constant potential setting device (potentiostat) 12, and the working electrode 9 and the counter electrode 10 are adjusted so that the potential difference reaches the set potential. A current is passed between them so that no current flows through the reference electrode 11 serving as a reference. The details of the potential control by the three-electrode method are described in, for example, pages 6 to 9 of Electrochemical Measurement Method (above), Technical Bulletin Publishing Co., Ltd., 1st edition 15 printing, published in June 2004. ing.

但し、作用電極9と対電極10の極間電圧のみで作用電極9の電位を制御できる場合には、3電極方式とせずともよい。   However, when the potential of the working electrode 9 can be controlled only by the voltage between the working electrode 9 and the counter electrode 10, the three-electrode system may not be used.

対電極10は、作用電極9で生じる酸化還元反応を補完する反応を生じ得る材質のものを適宜用いることができ、例えば炭素板などの炭素製電極を用いることが好適である。   The counter electrode 10 can be appropriately made of a material that can cause a reaction that complements the oxidation-reduction reaction that occurs at the working electrode 9. For example, a carbon electrode such as a carbon plate is preferably used.

容器26の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。   Examples of the material of the container 26 include, but are not limited to, glass, plastic, metal subjected to insulation treatment, concrete, and the like.

容器26に収容される発酵液4は、上記の通り、有機性廃棄物等のメタン発酵処理が行われている一般的なメタン発酵槽中のメタン発酵液や、メタン発酵槽から採取した汚泥を水または培養液等で希釈して調製したメタン発酵液を使用するのが好適であるが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、有機性廃棄物等の水素発酵処理が行われている一般的な水素発酵槽中の水素発酵液や、水素発酵槽から採取した汚泥を水または培養液等で希釈して調製した水素発酵液、さらには水素発酵に関与する微生物群(例えばクロストリジウム属の微生物群等)を培養液等に添加した水素発酵液を用いることも可能である。また、メタン発酵槽から採取した汚泥を水等で希釈せずにそのまま用いることもできるし、水素発酵処理槽から採取した汚泥を水等で希釈せずにそのまま用いることもできる。   As described above, the fermentation liquid 4 accommodated in the container 26 is obtained by using a methane fermentation liquid in a general methane fermentation tank in which a methane fermentation process such as organic waste is performed, or sludge collected from the methane fermentation tank. It is preferable to use a methane fermentation solution prepared by diluting with water or a culture solution, but is not necessarily limited to this, and a general hydrogen fermentation treatment of organic waste or the like is performed. Hydrogen fermentation broth in a simple hydrogen fermenter, hydrogen fermented liquor prepared by diluting sludge collected from the hydrogen fermenter with water or a culture solution, and microorganism groups involved in hydrogen fermentation (for example, microorganisms of the genus Clostridium) It is also possible to use a hydrogen fermented solution obtained by adding the above to a culture solution or the like. Moreover, the sludge collected from the methane fermentation tank can be used as it is without being diluted with water or the like, and the sludge collected from the hydrogen fermentation treatment tank can be used as it is without being diluted with water or the like.

容器26の温度(発酵液4の温度)は、発酵液4に存在する水素発酵を行う微生物群の至適温度に応じて適宜設定すればよい。具体的には、例えば4℃〜100℃未満とすればよいが、好適には40℃〜70℃、より好適には50℃〜60℃、さらに好適には55℃である。   What is necessary is just to set the temperature of the container 26 (temperature of the fermentation broth 4) suitably according to the optimal temperature of the microorganism group which performs the hydrogen fermentation which exists in the fermentation broth 4. FIG. Specifically, for example, the temperature may be 4 ° C to less than 100 ° C, but is preferably 40 ° C to 70 ° C, more preferably 50 ° C to 60 ° C, and even more preferably 55 ° C.

ここで、発酵液4には、酸化還元物質3を添加してもよい。これにより、発酵液4の溶液電位の制御性を高めて、発酵液4の溶液電位、特に作用電極9の近傍の溶液電位を作用電極9の電位に近づけ易くでき、発酵液4における水素発酵の安定な進行を促進し得る場合がある。   Here, the redox material 3 may be added to the fermentation broth 4. Thereby, the controllability of the solution potential of the fermentation broth 4 is improved, and the solution potential of the fermentation broth 4, particularly the solution potential in the vicinity of the working electrode 9 can be easily brought close to the potential of the working electrode 9. Stable progression may be promoted.

酸化還元物質3としては、発酵液4に浸されている作用電極9と可逆的に酸化還元反応を生じ得る物質であり、且つ発酵液4に生息している微生物に対して毒性を呈しない物質を用いることができる。例えば、土壌成分として一般的な鉄イオンが挙げられる。ここで、鉄イオンを発酵液中で安定に存在させるためには、鉄イオンをキレート剤に配位させて発酵液中に添加することが好ましい。キレート剤としては、鉄イオンを配位しうるものであれば任意のキレート剤を用いることができるが、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、テトラエチレントリアミン(TET)、エチレンジアミン(EDA)、ジエチレントリアミン(DETA)、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチンを挙げることができる。また、鉄イオン以外にも、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンを用いることができる。これらの物質も酸化還元反応により、酸化体と還元体に可逆的に変化する。特に、キノン化合物は土壌成分の一つとして知られている物質であり、好ましい。つまり、土壌そのものを発酵液に添加することで、土壌に含まれている酸化還元物質3により発酵液の酸化還元電位が制御できる場合がある。但し、酸化還元物質3は上記した物質に限定されるものではない。   The redox material 3 is a material that can reversibly generate a redox reaction with the working electrode 9 immersed in the fermentation broth 4 and that is not toxic to microorganisms living in the fermentation broth 4 Can be used. For example, a general iron ion is mentioned as a soil component. Here, in order to allow iron ions to stably exist in the fermentation broth, it is preferable to coordinate the iron ions to the chelating agent and add them to the fermentation broth. As the chelating agent, any chelating agent capable of coordinating iron ions can be used. For example, diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tetraethylenetriamine (TET), ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (DETA), citric acid, oxalic acid, crown ether, nitrilotetraacetic acid, disodium edetate, sodium edetate, trisodium edetate, penicillamine, trisodium pentetate calcium, pentetate, succil and edet Mention may be made of acid trientine. In addition to iron ions, quinone compounds such as potassium ferrocyanide and sodium anthraquinone disulfonate, and methyl viologen can be used. These substances also reversibly change into an oxidized form and a reduced form by an oxidation-reduction reaction. In particular, a quinone compound is a substance known as one of the soil components and is preferable. In other words, by adding the soil itself to the fermentation broth, the redox potential of the fermentation broth can be controlled by the redox material 3 contained in the soil. However, the oxidation-reduction substance 3 is not limited to the above-described substances.

尚、発酵液4として使用し得るメタン発酵液や水素発酵液には、通常、酸化還元物質が含まれていることが多いので、酸化還元物質3を別途添加することなく元々発酵液に含まれている酸化還元物質を利用するようにしてもよい。また、酸化還元物質3を添加せずとも水素発酵は優占的に安定して進行することが本発明者等の実験により確認されているので、酸化還元物質3を添加することは必須条件ではない。   In addition, since the methane fermentation liquid and hydrogen fermentation liquid that can be used as the fermentation liquid 4 usually contain a redox substance, it is originally included in the fermentation liquid without adding the redox substance 3 separately. You may make it utilize the oxidation-reduction substance currently being used. In addition, since it has been confirmed by experiments by the present inventors that hydrogen fermentation proceeds predominately and stably without the addition of the redox substance 3, the addition of the redox substance 3 is an essential condition. Absent.

ここで、図4に示す水素発酵装置1では、容器26aの発酵液4の液面よりも上部の空間(ヘッドスペース)に滞留する水素ガスを含むバイオガスを容器26aの外へ導くガス排出管15aを備え、このガス排出管15aをバルブ15bにより開閉可能としたガス回収手段15により、容器26aの内部のバイオガスを回収するようにしている。但し、バイオガスの回収方法は、この方法には限定されない。例えば、ガス回収手段15を備えることなく、容器26aの上部に開口部を設けて合成ゴム等(例えばシリコーンゴム)の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからバイオガスを回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がる。したがって、バイオガスの回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、容器26aからバイオガスが漏れ出すことがない。また、バイオガスには二酸化炭素が混在しているので、ガス回収手段15またはその後段に二酸化炭素を除去する手段を設けてもよい。具体的には、例えばバイオガスを水酸化ナトリウム溶液に通過させて二酸化炭素を水酸化ナトリウム溶液に溶解させて水素ガスのみを取り出すようにしてもよい。   Here, in the hydrogen fermentation apparatus 1 shown in FIG. 4, the gas discharge pipe which guides the biogas containing hydrogen gas which stays in the space (head space) above the liquid level of the fermentation liquid 4 in the container 26a to the outside of the container 26a. The biogas inside the container 26a is recovered by a gas recovery means 15 provided with a gas exhaust pipe 15a that can be opened and closed by a valve 15b. However, the biogas recovery method is not limited to this method. For example, without providing the gas recovery means 15, an opening is provided in the upper part of the container 26 a and the opening is closed with an elastic material such as synthetic rubber (for example, silicone rubber), and the injection needle of the syringe is attached to the elastic material that closes the opening. You may make it collect | recover biogas from head space by inserting. The elastic material such as synthetic rubber closes the hole when the injection needle is pulled out. Therefore, when the biogas is not collected, the biogas does not leak from the container 26a even if the injection needle is pulled out. Moreover, since carbon dioxide is mixed in the biogas, a means for removing carbon dioxide may be provided in the gas recovery means 15 or the subsequent stage. Specifically, for example, only hydrogen gas may be taken out by passing biogas through a sodium hydroxide solution and dissolving carbon dioxide in the sodium hydroxide solution.

また、図4に示す水素発酵装置1では、容器26aの発酵液4の液面よりも下部に、容器26a内の発酵液4を容器26aの外に導く発酵液排出管16aを備え、この発酵液排出管16aをバルブ16bにより開閉可能とした発酵液採取手段16により、容器26a内から発酵液4を採取するようにしている。但し、発酵液4の採取方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、発酵液採取手段16を備えることなく、容器26aに開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺して発酵液4を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管の一端の注射器に接続し、他端を発酵液4に浸けて、管を介して発酵液4を採取するようにしてもよい。これらの場合にも、容器26aからバイオガスが漏れ出すことはない。   Moreover, in the hydrogen fermentation apparatus 1 shown in FIG. 4, the fermentation liquid discharge pipe 16a which guides the fermentation liquid 4 in the container 26a out of the container 26a is provided below the liquid level of the fermentation liquid 4 in the container 26a. The fermentation solution 4 is collected from the container 26a by the fermentation solution collection means 16 that allows the solution discharge pipe 16a to be opened and closed by a valve 16b. However, the method for collecting the fermentation broth 4 is not limited to this method. For example, without providing the fermented liquid collecting means 16, an opening may be provided in the container 26a, closed with an elastic material such as synthetic rubber, and the fermented liquid 4 may be collected by inserting a syringe needle. Or you may make it connect to the syringe of one end of the pipe | tube with which both ends were opened, and soak the other end in the fermentation broth 4 and extract | collect the fermentation broth 4 through a pipe | tube. Also in these cases, biogas does not leak from the container 26a.

さらに、ガス回収手段15や発酵液採取手段16とは別に、発酵液4に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、容器26aの外部から発酵液4に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、発酵液に栄養源、中和剤、発酵汚泥等の物質を必要に応じて添加することができる。勿論、有機性廃棄物等の有機性基質をこの導入管から供給することもできる。また、環境を嫌気性に維持するためにガスを供給することもできる。尚、図4に示す水素発酵装置1は、容器26を密閉構造としているので、容器26内を嫌気環境に制御し易い。但し、発酵液4に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段15や発酵液採取手段16を発酵液4に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んで発酵液4に物質を添加・供給するようにしてもよい。   Furthermore, a means for adding and supplying substances to the fermentation broth 4 may be provided separately from the gas recovery means 15 and the fermentation broth collection means 16. Specifically, an openable / closable substance introduction tube that can add and supply substances to the fermentation broth 4 from the outside of the container 26a may be provided. In this case, substances such as nutrient sources, neutralizing agents, and fermented sludge can be added to the fermentation broth as necessary. Of course, an organic substrate such as organic waste can also be supplied from this introduction tube. Gas can also be supplied to keep the environment anaerobic. In addition, since the hydrogen fermentation apparatus 1 shown in FIG. 4 has the container 26 as a sealed structure, it is easy to control the inside of the container 26 to an anaerobic environment. However, it is not always necessary to provide means for adding and supplying substances to the fermentation broth 4, and the gas recovery means 15 and the fermentation liquid collecting means 16 may be used together as means for adding and supplying substances to the fermentation broth 4. . Further, as described above, the injection needle of the syringe may be inserted into the elastic material, and the substance may be added and supplied to the fermentation broth 4.

また、図4に示す水素発酵装置1では、対電極槽8で発生したガスを容器26bの外に排出するガス排出管22を備えるものとしている。尚、図4に示す処理装置1では、対電極10と定電位設定装置12を結線する配線は、ガス排出管22の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管22を通さずに定電位設定装置12と結線するようにしてもよい。ここで、対電極槽8のヘッドスペースに滞留するガスには水素が含まれているので、作用電極槽7で発生するガスに加えて、対電極槽8で発生するガスをエネルギー源として回収することが好ましい。   Moreover, in the hydrogen fermentation apparatus 1 shown in FIG. 4, the gas discharge pipe 22 which discharges | emits the gas generated in the counter electrode tank 8 out of the container 26b shall be provided. In the processing apparatus 1 shown in FIG. 4, the wiring for connecting the counter electrode 10 and the constant potential setting device 12 passes through the gas exhaust pipe 22, but the wiring is not necessarily limited to this configuration. The constant potential setting device 12 may be connected without passing through the gas discharge pipe 22. Here, since the gas staying in the head space of the counter electrode tank 8 contains hydrogen, in addition to the gas generated in the working electrode tank 7, the gas generated in the counter electrode tank 8 is recovered as an energy source. It is preferable.

ここで、本発明の水素発酵処理方法を実施するための装置は、図4の形態の装置に限定されるものではない。   Here, the apparatus for implementing the hydrogen fermentation treatment method of the present invention is not limited to the apparatus in the form of FIG.

例えば、図5に示すように、密閉構造の容器20に発酵液4を収容し、発酵液4に作用電極9、対電極10、参照電極11をそれぞれ浸漬した単純な構成としてもよい。また、図6に示すように、容器20の発酵液4の液面よりも下部に開口部20aを設け、この開口部を対電極10で塞ぐようにして、その他の構成を図5と同じとしてもよい。これらの形態とした場合にも、作用電極9の電位を所定の値に制御して、本発明の水素発酵処理方法を安定して実施することができる。   For example, as shown in FIG. 5, the fermentation solution 4 may be stored in a sealed container 20, and the working electrode 9, the counter electrode 10, and the reference electrode 11 may be immersed in the fermentation solution 4. Further, as shown in FIG. 6, an opening 20 a is provided below the surface of the fermentation liquid 4 in the container 20, and this opening is closed with the counter electrode 10. Also good. Even in these forms, the hydrogen fermentation treatment method of the present invention can be stably carried out by controlling the potential of the working electrode 9 to a predetermined value.

このように、本発明の水素発酵処理方法は、発酵液4に作用電極9と対電極10(さらには参照電極11)を浸漬するだけの極めて単純な電位制御方法を採用して作用電極9の電位を制御することで実施することができるという特長を有している。そして、発酵液4をメタン発酵液として、本発明の水素発酵処理方法を実施すれば、メタン発酵液において進行する発酵反応は水素発酵反応が支配的になる。つまり、メタン発酵液が、有機性廃棄物を分解して水素を回収するための水素発酵液となる。したがって、本発明の水素発酵処理方法をメタン発酵液に対して適用することで、メタン発酵液から水素発酵液を製造することができ、この水素発酵液またはこの水素発酵液から採取される水素発酵汚泥を、本発明の水素発酵処理方法に供したり、他の水素発酵処理方法に供したりすることも可能となる。   As described above, the hydrogen fermentation treatment method of the present invention employs a very simple potential control method in which the working electrode 9 and the counter electrode 10 (and also the reference electrode 11) are immersed in the fermentation broth 4. It has the feature that it can be implemented by controlling the potential. If the hydrogen fermentation treatment method of the present invention is carried out using the fermentation solution 4 as the methane fermentation solution, the hydrogen fermentation reaction is dominant in the fermentation reaction that proceeds in the methane fermentation solution. That is, the methane fermentation liquid becomes a hydrogen fermentation liquid for decomposing organic waste and recovering hydrogen. Therefore, by applying the hydrogen fermentation treatment method of the present invention to the methane fermentation broth, a hydrogen fermentation broth can be produced from the methane fermentation broth, and the hydrogen fermentation collected from this hydrogen fermentation broth or this hydrogen fermentation broth. The sludge can be subjected to the hydrogen fermentation treatment method of the present invention or other hydrogen fermentation treatment methods.

[二段階発酵処理方法]
本発明の水素発酵処理方法により排出された発酵物(処理液)は、一般的なメタン発酵槽でメタン発酵処理してもよいが、疎水性担体をメタン発酵液に添加した固定床式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するのが好適である。疎水性担体としては、例えば、炭素繊維を用いることが好適であり、空隙率が25%〜98%の炭素繊維、好適には空隙率が50〜98%の炭素繊維、より好適には空隙率が98%の炭素繊維を使用することができるが、疎水性担体は炭素繊維に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン製やポリプロピレン製の繊維等の担体を用いてもよい。尚、炭素繊維は、高い空隙率の確保が容易であり、例えば炭素繊維不織布は、高い空隙率(98%)を確保し易く、しかも安価に入手でき、特に好適である。そして、以下に説明する通電を利用したメタン発酵処理方法を採用することによって、さらに効率よくメタン発酵処理を進行させることができ、水素発酵処理とメタン発酵処理を組み合わせた二段階発酵処理を極めて効率よく進行させ得るものとなり、極めて好適である。
[Two-stage fermentation process]
The fermented product (treatment liquid) discharged by the hydrogen fermentation treatment method of the present invention may be subjected to methane fermentation treatment in a general methane fermentation tank, but a fixed bed type methane fermentation in which a hydrophobic carrier is added to the methane fermentation liquor. It is preferable to perform methane fermentation treatment in a tank. As the hydrophobic carrier, for example, carbon fibers are preferably used, carbon fibers having a porosity of 25% to 98%, preferably carbon fibers having a porosity of 50 to 98%, and more preferably a porosity. 98% carbon fiber can be used, but the hydrophobic carrier is not limited to carbon fiber, and for example, a carrier such as a fiber made of polyethylene or polypropylene may be used. Carbon fiber is easy to ensure a high porosity, and for example, a carbon fiber nonwoven fabric is particularly suitable because it can easily ensure a high porosity (98%) and can be obtained at low cost. And, by adopting the methane fermentation treatment method using energization described below, the methane fermentation treatment can be further efficiently advanced, and the two-stage fermentation treatment combining the hydrogen fermentation treatment and the methane fermentation treatment is extremely efficient. It can be well progressed and is extremely suitable.

通電を利用したメタン発酵処理方法は、メタン発酵液に電極を浸漬し、電極の電位を制御してメタン発酵液中のメタン生成菌群を優占的に活性化させることにより実施される。   The methane fermentation treatment method using energization is carried out by immersing an electrode in a methane fermentation solution and controlling the potential of the electrode to preferentially activate the methane producing bacteria group in the methane fermentation solution.

具体的には、作用電極と対を成す対電極を以下の(1)または(2)の方法で配置し、作用電極の電位Bを銀・塩化銀電極電位基準でB=+0.3またはB<X(Xはメタン発酵液自体の酸化還元電位)に制御してメタン発酵処理が実施される。
(1)イオン交換膜を介してメタン発酵液と接触させた電解液に浸漬して配置する
(2)イオン交換膜を介してメタン発酵液と接触させて配置する
Specifically, the counter electrode that forms a pair with the working electrode is arranged by the following method (1) or (2), and the potential B of the working electrode is set to B = + 0.3 or B on the basis of the silver / silver chloride electrode potential. The methane fermentation treatment is carried out by controlling to <X (X is the oxidation-reduction potential of the methane fermentation liquor itself).
(1) Immerse and place in the electrolyte solution in contact with the methane fermentation solution via the ion exchange membrane (2) Place in contact with the methane fermentation solution via the ion exchange membrane

作用電極の電位BをB<Xとすることで、作用電極上にて還元反応が生じ、メタン発酵に関与する微生物群に電子が与えられて活性化する。これにより、メタン発酵が促進される。したがって、作用電極の電位BはXよりもマイナス側に大きくする分には、メタン発酵反応が促進され得ることになるが、作用電極の電位Bの電位をマイナス側に大きくし過ぎると、水の電気分解が起こりやすくなり、メタン発酵を阻害する可能性がある。したがって、作用電極Bの電位は、−1.4<B<−0.5とするのが好適であり、−1.2≦B≦−0.6とするのがより好適であり、−1.0≦B≦−0.6とするのがさらに好適であり、−1.0≦B≦−0.8とするのがなお好適であり、B=−0.8とするのが最も好適である。B≧−0.5では、作用電極において還元反応が進行し難く、メタン発酵の促進が起こり難い。但し、B=+0.3では例外的にメタン発酵の促進が起こり得る。   By setting the potential B of the working electrode to B <X, a reduction reaction occurs on the working electrode, and electrons are given to the microorganism group involved in methane fermentation and activated. Thereby, methane fermentation is accelerated | stimulated. Therefore, the methane fermentation reaction can be promoted by increasing the potential B of the working electrode to the minus side of X. However, if the potential of the potential B of the working electrode is excessively increased to the minus side, Electrolysis is likely to occur and may inhibit methane fermentation. Therefore, the potential of the working electrode B is preferably −1.4 <B <−0.5, more preferably −1.2 ≦ B ≦ −0.6, and −1. 0.0 ≦ B ≦ −0.6 is more preferable, −1.0 ≦ B ≦ −0.8 is still more preferable, and B = −0.8 is most preferable. It is. When B ≧ −0.5, the reduction reaction hardly proceeds at the working electrode, and the promotion of methane fermentation hardly occurs. However, in B = + 0.3, promotion of methane fermentation can occur exceptionally.

以下、(1)の対電極配置形態にかかるメタン発酵処理方法を第一の実施形態として具体的に説明し、(2)の対電極配置形態にかかるメタン発酵処理方法を第二の実施形態として具体的に説明する。   Hereinafter, the methane fermentation treatment method according to the counter electrode arrangement form of (1) will be specifically described as the first embodiment, and the methane fermentation treatment method according to the counter electrode arrangement form of (2) will be described as the second embodiment. This will be specifically described.

<第一の実施形態>
第一の実施形態にかかるメタン発酵処理方法は、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極の電位を3電極方式で上記範囲に制御するようにしている。
<First embodiment>
In the methane fermentation treatment method according to the first embodiment, the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are connected to a constant potential setting device, the methane fermentation solution and the electrolytic solution are contacted via an ion exchange membrane, and the methane fermentation solution The reference electrode is brought into contact with the working electrode, the counter electrode is brought into contact with the electrolytic solution, and the potential of the working electrode is controlled within the above range by a three-electrode system.

第一の実施形態にかかるメタン発酵処理方法は、例えば図7〜図10に示す処理装置101により実施される。即ち、図7〜図10に示す処理装置101は、イオン交換膜106によって仕切られた二つの槽のうちの一方の槽を処理槽107とし、他方の槽を対電極槽108とし、処理槽107にはメタン発酵液4が収容されると共に作用電極109と参照電極111が浸され、対電極槽118には電解液114aが収容されると共に対電極110が浸され、作用電極109と対電極110は定電位設定装置112に結線され、作用電極109の電位を3電極方式で制御するようにしている。但し、作用電極109と対電極110の極間電圧のみで作用電極109の電位を制御できる場合には、3電極方式とせずともよい。   The methane fermentation treatment method according to the first embodiment is performed by, for example, the processing apparatus 101 illustrated in FIGS. That is, in the processing apparatus 101 shown in FIGS. 7 to 10, one of the two tanks partitioned by the ion exchange membrane 106 is a processing tank 107, and the other tank is a counter electrode tank 108. Contains the methane fermentation solution 4 and the working electrode 109 and the reference electrode 111 are immersed therein. The counter electrode tank 118 contains the electrolytic solution 114a and the counter electrode 110 is immersed therein, and the working electrode 109 and the counter electrode 110 are immersed therein. Is connected to a constant potential setting device 112 so that the potential of the working electrode 109 is controlled by a three-electrode system. However, when the potential of the working electrode 109 can be controlled only by the voltage between the working electrode 109 and the counter electrode 110, the three-electrode method may not be used.

また、図7〜図10に示す処理装置101では、処理槽107内のメタン発酵液104の液面よりも上部の空間(ヘッドスペース)に滞留するメタンガスを含むバイオガスを処理槽107の外(処理装置1の外)へ導くガス排出管115aを備え、このガス排出管115aをバルブ115bにより開閉可能としたガス回収手段115により、処理槽107内のバイオガスを回収するようにしている。但し、バイオガスの回収方法は、この方法に限定されない。例えば、ガス回収手段115を備えることなく、処理槽107の上部に開口部を設けて合成ゴム等(例えばシリコーンゴム)の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからバイオガスを回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がる。したがって、バイオガスの回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、処理槽107からバイオガスが漏れ出すことがない。   Moreover, in the processing apparatus 101 shown in FIGS. 7-10, the biogas containing the methane gas which retains in the space (head space) above the liquid level of the methane fermentation liquid 104 in the processing tank 107 is outside the processing tank 107 ( A gas exhaust pipe 115a that leads to the outside of the processing apparatus 1 is provided, and biogas in the processing tank 107 is recovered by gas recovery means 115 that can be opened and closed by a valve 115b. However, the biogas recovery method is not limited to this method. For example, without providing the gas recovery means 115, an opening is provided in the upper part of the processing tank 107, and the opening is closed with an elastic material such as synthetic rubber (for example, silicone rubber), and the syringe is injected into the elastic material that closes the opening. You may make it collect | recover biogas from a head space with a needle. The elastic material such as synthetic rubber closes the hole when the injection needle is pulled out. Therefore, when the biogas is not collected, the biogas does not leak from the processing tank 107 even if the injection needle is pulled out.

さらに、図7〜図10に示す処理装置101では、処理槽107内のメタン発酵液104の液面よりも下部に、処理槽107内のメタン発酵液104を処理槽107の外に導くメタン発酵液排出管116aを備え、このメタン発酵液排出管116aをバルブ116bにより開閉可能としたメタン発酵液採取手段116により、処理槽107内からメタン発酵液4を採取するようにしている。但し、メタン発酵液104の採取方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、メタン発酵液採取手段116を備えることなく、処理槽107に開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺してメタン発酵液104を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管の一端の注射器に接続し、他端をメタン発酵液104に浸けて、管を介してメタン発酵液104を採取するようにしてもよい。これらの場合にも、処理槽107からバイオガスが漏れ出すことはない。   Furthermore, in the processing apparatus 101 shown in FIGS. 7 to 10, methane fermentation that guides the methane fermentation solution 104 in the treatment tank 107 to the outside of the treatment tank 107 below the liquid level of the methane fermentation solution 104 in the treatment tank 107. A methane fermentation broth 4 is collected from the processing tank 107 by a methane fermentation broth collecting means 116 that includes a liquid discharge pipe 116a and that can be opened and closed by a valve 116b. However, the method for collecting the methane fermentation broth 104 is not limited to this method. For example, without providing the methane fermentation broth sampling means 116, the processing tank 107 may be provided with an opening, closed with an elastic material such as synthetic rubber, and the injection needle of a syringe may be inserted to collect the methane fermentation broth 104. . Or you may make it connect to the syringe of one end of the pipe | tube with which both ends were opened, and immerse the other end in the methane fermentation liquid 104, and extract | collect the methane fermentation liquid 104 through a pipe | tube. Also in these cases, biogas does not leak from the processing tank 107.

また、ガス回収手段115やメタン発酵液採取手段116とは別に、メタン発酵液104に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、処理槽107の外部からメタン発酵液104に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、メタン発酵液に栄養源、中和剤、メタン発酵汚泥等の物質を必要に応じて添加することができる。勿論、紙ごみをこの導入管から供給することもできる。また、環境を嫌気性に維持するためにガスを供給することもできる。但し、メタン発酵液4に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段115やメタン発酵液採取手段116をメタン発酵液104に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んでメタン発酵液104に物質を添加・供給するようにしてもよい。   In addition to the gas recovery means 115 and the methane fermentation broth collection means 116, means for adding and supplying substances to the methane fermentation broth 104 may be provided. Specifically, an openable / closable substance introduction pipe that can add and supply substances to the methane fermentation broth 104 from the outside of the treatment tank 107 may be provided. In this case, substances such as nutrient sources, neutralizing agents, and methane fermentation sludge can be added to the methane fermentation broth as necessary. Of course, paper waste can also be supplied from this introduction tube. Gas can also be supplied to keep the environment anaerobic. However, it is not always necessary to provide means for adding and supplying substances to the methane fermentation broth 4, and the gas recovery means 115 and the methane fermentation liquid collecting means 116 may be used together as means for adding and supplying substances to the methane fermentation broth 104. May be. Further, as described above, the injection needle of the syringe may be inserted into the elastic material to add and supply the substance to the methane fermentation liquid 104.

以下、図7に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Aとして説明し、図8に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Bとして説明し、図9に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Cとして説明し、図10に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Dとして説明する。   Hereinafter, the case where the processing apparatus shown in FIG. 7 is used will be described as a first embodiment A, the case where the processing apparatus shown in FIG. 8 is used will be described as a first embodiment B, and the processing apparatus shown in FIG. Will be described as the first embodiment C, and the case where the processing apparatus shown in FIG. 10 is used will be described as the first embodiment D.

(第一の実施形態A)
図7に示す処理装置101は、密閉構造の容器120を処理槽107とし、容器120に収容可能な密閉構造の小容器121を対電極槽108とし、小容器121は少なくとも一部にイオン交換膜106を備えると共にガス(対電極110から発生するガス)を容器120の外に排出するガス排出管122を備えるものとしている。尚、図7に示す処理装置101では、対電極110と定電位設定装置112を結線する配線は、ガス排出管122の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管122を通さずに定電位設定装置112と結線するようにしてもよい。
(First embodiment A)
In the processing apparatus 101 shown in FIG. 7, a sealed container 120 is used as a processing tank 107, a sealed small container 121 that can be accommodated in the container 120 is used as a counter electrode tank 108, and the small container 121 is at least partly an ion exchange membrane. 106 and a gas discharge pipe 122 for discharging gas (gas generated from the counter electrode 110) to the outside of the container 120. In the processing apparatus 101 shown in FIG. 7, the wiring for connecting the counter electrode 110 and the constant potential setting device 112 passes through the gas exhaust pipe 122. However, the wiring is not necessarily limited to this configuration. The constant potential setting device 112 may be connected without passing through the gas discharge pipe 122.

したがって、図7に示す処理装置101によれば、処理槽107からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極槽108から発生するガスが処理槽107に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極槽108から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極槽108から発生したガスがメタン発酵液104に溶け込んでメタン発酵に関与する微生物群の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、処理槽107を密閉構造としているので、処理槽107を嫌気環境に制御し易い利点もある。   Therefore, according to the processing apparatus 101 shown in FIG. 7, biogas does not leak from the processing tank 107. In addition, since the gas generated from the counter electrode tank 108 does not leak into the processing tank 107, the gas generated from the counter electrode tank 108 is mixed with the biogas to reduce the methane concentration of the biogas, or the counter electrode tank The gas generated from 108 does not dissolve in the methane fermentation solution 104 and does not adversely affect the growth and function of the microorganism group involved in methane fermentation. Furthermore, since the processing tank 107 has a sealed structure, there is an advantage that the processing tank 107 can be easily controlled in an anaerobic environment.

また、容器120に小容器121を収容することで、容器120に収容されているメタン発酵液104に小容器121が浸され、小容器121の少なくとも一部に備えられているイオン交換膜6はメタン発酵液4と接触する。換言すれば、メタン発酵液104はイオン交換膜106を介して電解液104aと接触する。   Further, by accommodating the small container 121 in the container 120, the small container 121 is immersed in the methane fermentation solution 104 accommodated in the container 120, and the ion exchange membrane 6 provided in at least a part of the small container 121 is Contact with methane fermentation solution 4. In other words, the methane fermentation solution 104 comes into contact with the electrolytic solution 104a through the ion exchange membrane 106.

処理槽107としての密閉構造の容器120は、対電極槽108としての密閉構造の小容器121を収容可能な大きさの容器であり、形状は特に限定されない。容器の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過性の膜材をヒートシール等により袋状に形成した容器を処理槽107として用いるようにしてもよい。   The sealed container 120 as the processing tank 107 is a container of a size that can accommodate the sealed small container 121 as the counter electrode tank 108, and the shape is not particularly limited. Examples of the material of the container include, but are not limited to, glass, plastic, metal subjected to insulation treatment, concrete, and the like. Further, a container in which a gas-impermeable film material is formed in a bag shape by heat sealing or the like may be used as the processing tank 107.

対電極槽108としての密閉構造の小容器121は、処理槽107としての容器120に収容可能な大きさの容器であり、少なくとも一部にイオン交換膜106を備えるものとしている。ここで、小容器121はその全体をイオン交換膜106で形成した袋状の容器としてもよいが、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜106で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜106のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜106を用いる場合には、その他の部分は容器120と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜106以外の膜材、例えばガス不透過性の膜材により構成し、小容器121からのガス(対電極槽108から発生するガス)が容器120の内部に漏洩しないようにしてもよい。   The small container 121 having a sealed structure as the counter electrode tank 108 is a container of a size that can be accommodated in the container 120 as the processing tank 107, and includes the ion exchange membrane 106 at least in part. Here, the small container 121 may be a bag-like container formed entirely by the ion exchange membrane 106, but only one side of the bag-like container may be constituted by the ion exchange membrane 106, or a part of one surface may be further formed. You may make it comprise only the ion exchange membrane 106. FIG. When the ion exchange membrane 106 is partially used, other portions may be made of the same material as that of the container 120, or may be made of a membrane material other than the ion exchange membrane 106, for example, a gas impermeable membrane material. The gas from the small container 121 (gas generated from the counter electrode tank 108) may be configured not to leak into the container 120.

処理槽107に収容されるメタン発酵液104は、有機性廃棄物等のメタン発酵処理が行われている一般的なメタン発酵槽中のメタン発酵液や、メタン発酵槽から採取した汚泥を水または培養液で希釈して調製したもの等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。例えば、メタン発酵槽から採取した汚泥そのものを用いてもよい。   The methane fermentation liquid 104 accommodated in the treatment tank 107 is prepared by using methane fermentation liquid in a general methane fermentation tank in which methane fermentation processing such as organic waste is performed, or sludge collected from the methane fermentation tank with water or Although what was prepared by diluting with a culture solution is mentioned, It is not limited to these. For example, the sludge itself collected from the methane fermentation tank may be used.

本発明の水素発酵処理により得られた発酵物(処理液)は、処理槽107に添加される。即ち、水素発酵処理により得られた発酵物(処理液)がメタン発酵処理を行うメタン発酵槽に投入される。   The fermented product (treatment liquid) obtained by the hydrogen fermentation treatment of the present invention is added to the treatment tank 107. That is, the fermented product (treatment liquid) obtained by the hydrogen fermentation treatment is put into a methane fermentation tank in which methane fermentation treatment is performed.

対電極槽108に収容される電解液104aは、例えば、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を含むものとすればよい。尚、通常、メタン発酵液104にもナトリウムイオンやカリウムイオン等が含まれていることから、電解液104aとしてメタン発酵液104を用いることも可能である。   The electrolytic solution 104a accommodated in the counter electrode tank 108 may include, for example, sodium ions or potassium ions. Since the methane fermentation solution 104 usually contains sodium ions, potassium ions, and the like, the methane fermentation solution 104 can also be used as the electrolytic solution 104a.

作用電極109及び対電極110としては、例えば炭素板等の導電性材料を適宜使用することができる。対電極110では、作用電極109における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応が進行する。   As the working electrode 109 and the counter electrode 110, for example, a conductive material such as a carbon plate can be used as appropriate. At the counter electrode 110, a reaction that complements the exchange of electrons with respect to the redox reaction at the working electrode 109 proceeds.

処理槽107の温度(メタン発酵液4の温度)は、メタン発酵液4に存在するメタン発酵を行う微生物群の至適温度に応じて適宜設定すればよい。具体的には、例えば4℃〜100℃未満とすればよいが、好適には40℃〜70℃、より好適には50℃〜60℃、さらに好適には55℃である。   What is necessary is just to set the temperature (temperature of the methane fermentation liquid 4) of the processing tank 107 suitably according to the optimal temperature of the microorganism group which performs the methane fermentation which exists in the methane fermentation liquid 4. FIG. Specifically, for example, the temperature may be 4 ° C to less than 100 ° C, but is preferably 40 ° C to 70 ° C, more preferably 50 ° C to 60 ° C, and even more preferably 55 ° C.

ここで、本実施形態のように、イオン交換膜106を備えることで、メタン発酵液104に存在する微生物を対電極槽108に移動(拡散)させることなく、処理槽107側に留めることができる。したがって、対電極110の酸化反応に伴う微生物からの電子の引き抜きを防ぎながら、作用電極109から微生物へ電子を供給することができるので、本発明の効果をより得られ易くなる。さらには、対電極槽108に電解液を入れておくことで、対電極槽108による電子の引き抜き反応が電解液との間で完結するので、微生物からの電子の引き抜きが確実に防止される。   Here, as in the present embodiment, by providing the ion exchange membrane 106, the microorganisms present in the methane fermentation liquid 104 can be retained on the processing tank 107 side without being moved (diffused) to the counter electrode tank 108. . Therefore, since the electrons can be supplied from the working electrode 109 to the microorganism while preventing the electrons from being extracted from the microorganism due to the oxidation reaction of the counter electrode 110, the effect of the present invention can be more easily obtained. Furthermore, by putting the electrolytic solution in the counter electrode tank 108, the electron extraction reaction by the counter electrode tank 108 is completed with the electrolytic solution, so that the extraction of electrons from the microorganisms is reliably prevented.

また、イオン交換膜106を備えることで、作用電極109の電位を制御したときに、メタン発酵液104と電解液104aとの間でのイオン電流の流れが許容されるので、メタン発酵液104の電荷バランスを維持しながら、作用電極109の電位を制御し続けることができる。   Also, by providing the ion exchange membrane 106, when the potential of the working electrode 109 is controlled, the flow of ion current between the methane fermentation broth 104 and the electrolytic solution 104a is allowed. The potential of the working electrode 109 can be continuously controlled while maintaining the charge balance.

さらに、酸化還元物質103をメタン発酵液104に添加することで、メタン発酵液104の溶液電位の制御性を高めて、メタン発酵液104の溶液電位を作用電極109の電位に近づけ易くなる。そして、イオン交換膜106を備えることで、メタン発酵液104に含まれている酸化還元物質103の電解液104aへの透過を防ぐことができる。例えば、イオン交換膜106として、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜を用いることで、酸化還元物質103が鉄イオンである場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンはイオン交換膜106を透過しないことから、酸化還元物質を電解液104aに透過させることなく、メタン発酵液104中に留まらせることができる。したがって、作用電極109の電位を制御すると、それに応じてメタン発酵液104中の酸化還元物質103の酸化体と還元体の濃度比が変化し、作用電極109の電位によるメタン発酵液104の溶液電位の追随性が向上する。したがって、メタン発酵液104に存在する微生物を活性化させてその機能を向上させやすくなる。   Furthermore, by adding the oxidation-reduction substance 103 to the methane fermentation broth 104, the controllability of the solution potential of the methane fermentation broth 104 is improved, and the solution potential of the methane fermentation broth 104 is easily brought close to the potential of the working electrode 109. And by providing the ion exchange membrane 106, permeation | transmission to the electrolyte solution 104a of the oxidation reduction material 103 contained in the methane fermentation liquid 104 can be prevented. For example, by using a Nafion membrane that is a membrane that transmits only monovalent cations as the ion exchange membrane 106, when the redox material 103 is an iron ion, a divalent iron ion or a trivalent iron ion is used. Does not permeate the ion exchange membrane 106, and therefore, the redox material can be allowed to remain in the methane fermentation broth 104 without permeating the electrolyte 104a. Therefore, when the potential of the working electrode 109 is controlled, the concentration ratio of the oxidized form and reduced form of the redox substance 103 in the methane fermentation solution 104 changes accordingly, and the solution potential of the methane fermentation solution 104 by the potential of the working electrode 109 is changed. The followability of is improved. Therefore, it becomes easy to activate the microorganisms present in the methane fermentation broth 104 to improve its function.

酸化還元物質103としては、メタン発酵液104に浸されている作用電極109と可逆的に酸化還元反応を生じ得る物質であり、且つメタン発酵液104に生息している微生物に対して毒性を呈しない物質を用いることができる。例えば、上記のように、土壌成分として一般的な鉄イオンが挙げられる。ここで、鉄イオンをメタン発酵液中で安定に存在させるためには、鉄イオンをキレート剤に配位させてメタン発酵液中に添加することが好ましい。キレート剤としては、鉄イオンを配位しうるものであれば任意のキレート剤を用いることができるが、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、テトラエチレントリアミン(TET)、エチレンジアミン(EDA)、ジエチレントリアミン(DETA)、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチンを挙げることができる。また、鉄イオン以外にも、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンを用いることができる。これらの物質も酸化還元反応により、酸化体と還元体に可逆的に変化する。特に、キノン化合物は土壌成分の一つとして知られている物質であり、好ましい。つまり、土壌そのものをメタン発酵液に添加することで、土壌に含まれている酸化還元物質103によりメタン発酵液の酸化還元電位が制御できる場合がある。但し、酸化還元物質103は上記した物質に限定されるものではない。   The redox substance 103 is a substance that can reversibly cause a redox reaction with the working electrode 109 immersed in the methane fermentation broth 104, and is toxic to microorganisms living in the methane fermentation broth 104. Substances that do not work can be used. For example, a general iron ion is mentioned as a soil component as mentioned above. Here, in order to allow iron ions to stably exist in the methane fermentation broth, it is preferable that iron ions be coordinated with the chelating agent and added to the methane fermentation broth. As the chelating agent, any chelating agent capable of coordinating iron ions can be used. For example, diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tetraethylenetriamine (TET), ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (DETA), citric acid, oxalic acid, crown ether, nitrilotetraacetic acid, disodium edetate, sodium edetate, trisodium edetate, penicillamine, trisodium pentetate calcium, pentetate, succil and edet Mention may be made of acid trientine. In addition to iron ions, quinone compounds such as potassium ferrocyanide and sodium anthraquinone disulfonate, and methyl viologen can be used. These substances also reversibly change into an oxidized form and a reduced form by an oxidation-reduction reaction. In particular, a quinone compound is a substance known as one of the soil components and is preferable. In other words, by adding the soil itself to the methane fermentation solution, the oxidation-reduction potential of the methane fermentation solution may be controlled by the oxidation-reduction substance 103 contained in the soil. However, the redox material 103 is not limited to the above-described materials.

尚、メタン発酵液104には、通常、酸化還元物質が含まれていることから、上記の酸化還元物質を添加せずともよい。特に、本実施形態にかかるメタン発酵処理方法では、少なくとも作用電極109の近傍のメタン発酵液104の溶液電位を制御できれば、作用電極109から微生物への電子の供給が生じて本発明の効果が得られるので、酸化還元物質103の添加は必須ではない。   Note that the methane fermentation broth 104 normally contains a redox material, and thus the above redox material may not be added. In particular, in the methane fermentation treatment method according to the present embodiment, if at least the solution potential of the methane fermentation solution 104 in the vicinity of the working electrode 109 can be controlled, the supply of electrons from the working electrode 109 to the microorganism occurs and the effect of the present invention is obtained. Therefore, the addition of the redox material 103 is not essential.

(第一の実施形態B) (First embodiment B)

図8に示す処理装置101は、上方が開放されている容器123をイオン交換膜106で仕切ることにより開放された二つの槽が形成され、処理槽107としての一方の槽の上方開放部がガス不透過膜またはガス不透過部材124により塞がれているものとしている。つまり、図8に示す処理装置101は、対電極槽108から発生するガスを処理槽107に漏れ出さないようにする構成以外は、図7と同一の構成としている。したがって、図7に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。   In the processing apparatus 101 shown in FIG. 8, two tanks opened by partitioning a container 123 whose upper side is opened by an ion exchange membrane 106 are formed, and the upper open part of one tank as the processing tank 107 is a gas. It is assumed that it is blocked by an impermeable film or a gas impermeable member 124. That is, the processing apparatus 101 shown in FIG. 8 has the same configuration as that of FIG. 7 except that the gas generated from the counter electrode tank 108 does not leak into the processing tank 107. Therefore, the same effect as when the processing apparatus shown in FIG. 7 is used can be obtained.

ガス不透過膜またはガス不透過部材124としては、各種分野で一般に用いられているものを適宜用いることができる。例えば、ガス不透過部材としては、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過膜としては、例えばイオン交換膜106を用いることができるがこれに限定されるものではない。   As the gas impermeable film or the gas impermeable member 124, those generally used in various fields can be appropriately used. For example, examples of the gas impermeable member include, but are not limited to, glass, plastic, an insulating metal, concrete, and the like. As the gas impermeable membrane, for example, an ion exchange membrane 106 can be used, but is not limited thereto.

尚、対電極槽108については、開放したままでもよいが、処理槽107と同様に密閉構造とし、対電極槽108において発生するガスを対電極槽108の外に排出するガス排出管を備えるようにしてもよい。この場合には、対電極槽108から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収し、場合によっては再利用することが可能となる。   The counter electrode tank 108 may be left open, but has a sealed structure similar to the processing tank 107 and includes a gas discharge pipe for discharging the gas generated in the counter electrode tank 108 to the outside of the counter electrode tank 108. It may be. In this case, since the gas generated from the counter electrode tank 108 can be discharged from a desired position, it can be recovered and reused in some cases.

(第一の実施形態C)
図9に示す処理装置101は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器125aと125bがイオン交換膜6を介して開口部で連結されてU字型の容器125が形成され、一方の容器125aを密閉構造として処理槽107とし、他方の容器125bを開放して対電極槽108としている。この場合、メタン発酵液104と電解液104aがイオン交換膜106を介して接触すると共に、処理槽107のメタン発酵液104の液面よりも上部の空間と対電極槽108の電解液104aの液面よりも上部の空間とが容器125自体のU字型構造によって隔てて配置される。そして、一方の容器125aが密閉構造とされていることから、対電極槽108から発生するガスが処理槽107に侵入するのを防ぎながら、処理槽107から発生するバイオガスが処理槽107から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図7に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
(First embodiment C)
In the processing apparatus 101 shown in FIG. 9, two containers 125 a and 125 b each having an opening below the liquid level of the liquid to be stored are connected to each other through the ion exchange membrane 6 through the opening to form a U-shaped container 125. The one container 125a is used as a processing tank 107 with a sealed structure, and the other container 125b is opened as a counter electrode tank 108. In this case, the methane fermentation solution 104 and the electrolyte solution 104a are in contact with each other through the ion exchange membrane 106, and the space above the liquid surface of the methane fermentation solution 104 in the treatment tank 107 and the solution of the electrolyte solution 104a in the counter electrode tank 108 are used. The space above the surface is separated by the U-shaped structure of the container 125 itself. Since one container 125a has a sealed structure, the biogas generated from the processing tank 107 leaks from the processing tank 107 while preventing the gas generated from the counter electrode tank 108 from entering the processing tank 107. Can be prevented. Therefore, the same effect as when the processing apparatus shown in FIG. 7 is used can be obtained.

尚、図9に示す処理装置101における他方の容器125bの開放とは、例えば他方の容器125bの端部を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器125aと同様に密閉構造としつつ、対電極槽108において発生するガスを対電極槽108の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽108から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。   In addition, the opening of the other container 125b in the processing apparatus 101 shown in FIG. 9 is, for example, when the end of the other container 125b is completely opened, while having a sealed structure like the one container 125a, This also includes the case where a gas discharge pipe for discharging the gas generated in the counter electrode tank 108 to the outside of the counter electrode tank 108 is provided. In the case where the gas discharge pipe is provided, the gas generated from the counter electrode tank 108 can be discharged from a desired position, so that it can be easily recovered and reused.

(第一の実施形態D)
図10に示す処理装置1は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器126aと126bがイオン交換膜106を介して開口部で連結されてH字型の容器126が形成され、一方の容器126aを密閉構造として処理槽107とし、他方の容器126bを開放して対電極槽108としている。この場合にも、メタン発酵液104と電解液104aがイオン交換膜106を介して接触すると共に、処理槽107のメタン発酵液104の液面よりも上部の空間と対電極槽108の電解液104aの液面よりも上部の空間とが容器126自体のH字型構造によって隔てて配置される。そして、H字型容器126の一方の容器126aが密閉構造とされていることから、処理槽107は密閉構造となる。したがって、対電極槽108から発生するガスが処理槽107に侵入するのを防ぎながら、処理槽107から発生するバイオガスが処理槽107から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図7に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
(First embodiment D)
In the processing apparatus 1 shown in FIG. 10, two containers 126 a and 126 b each having an opening below the liquid level of the liquid to be stored are connected through the ion exchange membrane 106 at the opening to connect the H-shaped container 126. The one vessel 126a has a sealed structure as the processing tank 107, and the other vessel 126b is opened as the counter electrode tank 108. Also in this case, the methane fermentation solution 104 and the electrolytic solution 104a are in contact with each other through the ion exchange membrane 106, and the space above the liquid surface of the methane fermentation solution 104 in the treatment tank 107 and the electrolytic solution 104a in the counter electrode tank 108. The space above the liquid level is separated by the H-shaped structure of the container 126 itself. Since one container 126a of the H-shaped container 126 has a sealed structure, the processing tank 107 has a sealed structure. Therefore, it is possible to prevent the biogas generated from the processing tank 107 from leaking from the processing tank 107 while preventing the gas generated from the counter electrode tank 108 from entering the processing tank 107. Therefore, the same effect as when the processing apparatus shown in FIG. 7 is used can be obtained.

尚、本実施形態における他方の容器126bの開放とは、容器126を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器126aと同様に密閉構造としつつ、対電極槽108において発生するガスを対電極槽108の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽108から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。   Note that the opening of the other container 126b in the present embodiment is not limited to the case where the container 126 is completely opened, but the gas generated in the counter electrode tank 108 is controlled in the same manner as the one container 126a. This also includes the case where a gas discharge pipe for discharging outside the electrode tank 108 is provided. In the case where the gas discharge pipe is provided, the gas generated from the counter electrode tank 108 can be discharged from a desired position, so that it can be easily recovered and reused.

<第二の実施形態>
第二の実施形態にかかるメタン発酵処理方法は、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と対電極をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と参照電極とを接触させ、作用電極の電位を上記範囲に制御して行うようにしている。つまり、第一の実施形態におけるメタン発酵処理方法とは、電解液を用いることなく対電極を直接イオン交換膜に接触させている点のみが異なっている。
<Second Embodiment>
In the methane fermentation treatment method according to the second embodiment, the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are connected to a constant potential setting device, and the methane fermentation solution and the counter electrode are brought into contact with each other through an ion exchange membrane. The working electrode and the reference electrode are brought into contact with each other, and the potential of the working electrode is controlled within the above range. That is, it differs from the methane fermentation treatment method in the first embodiment only in that the counter electrode is brought into direct contact with the ion exchange membrane without using an electrolyte.

しかしながら、第一の実施形態のように電解液104aを用いずとも、作用電極109と対電極110との間でイオン交換膜106を介してイオン電流は流れる。また、メタン発酵液104中の微生物を対電極110側に移動(拡散)させることなく、処理槽107に留める効果も得られる。さらには、メタン発酵液104中の酸化還元物質103を対電極110側に透過させない効果も得られる。したがって、第二の実施形態にかかるメタン発酵処理方法によれば、第一の実施形態と同様の電位制御条件で、同様の効果を得ることが可能である。   However, an ionic current flows between the working electrode 109 and the counter electrode 110 via the ion exchange membrane 106 without using the electrolytic solution 104a as in the first embodiment. In addition, the effect of retaining the microorganisms in the methane fermentation liquid 104 in the treatment tank 107 without moving (diffusing) to the counter electrode 110 side is also obtained. Furthermore, an effect of not allowing the redox material 103 in the methane fermentation broth 104 to permeate the counter electrode 110 side is also obtained. Therefore, according to the methane fermentation treatment method according to the second embodiment, the same effect can be obtained under the same potential control conditions as in the first embodiment.

第二の実施形態にかかるメタン発酵処理方法は、例えば図11に示す処理装置により実施される。図11に示す処理装置101は、イオン交換膜106を少なくとも一部に備える密閉構造の容器105内に作用電極109と参照電極111が配置され、容器105の外側に対電極110が配置され、容器105にメタン発酵液104が収容されると共に作用電極109と参照電極111がメタン発酵液104に浸され、容器104のイオン交換膜106は容器105にメタン発酵液104が収容されたときに少なくともその一部がイオン交換膜106と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜106のメタン発酵液104の接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極110が接触して配置されているものとしている。図11に示す処理装置101では、容器105のメタン発酵液104の液面よりも下部に開口部105aが設けられ、開口部105aがイオン交換膜106で塞がれ、容器105の外側のイオン交換膜106の表面の少なくとも一部に対電極110が接触して配置されているものとしている。つまり、図11に示す処理装置101では、容器105全体が処理槽107として機能することとなる。   The methane fermentation treatment method according to the second embodiment is performed by, for example, a processing apparatus shown in FIG. In the processing apparatus 101 shown in FIG. 11, a working electrode 109 and a reference electrode 111 are disposed in a sealed container 105 having at least a part of an ion exchange membrane 106, and a counter electrode 110 is disposed outside the container 105. The methane fermentation broth 104 is accommodated in 105 and the working electrode 109 and the reference electrode 111 are immersed in the methane fermentation broth 104, and the ion exchange membrane 106 of the container 104 is at least when the methane fermentation broth 104 is accommodated in the container 105. The counter electrode 110 is arranged in contact with at least a part of the surface of the ion exchange membrane 106 opposite to the contact surface of the methane fermentation broth 104. It is supposed to be. In the processing apparatus 101 shown in FIG. 11, an opening 105 a is provided below the liquid level of the methane fermentation solution 104 in the container 105, the opening 105 a is closed with the ion exchange membrane 106, and ion exchange outside the container 105 is performed. It is assumed that the counter electrode 110 is disposed in contact with at least a part of the surface of the film 106. That is, in the processing apparatus 101 shown in FIG. 11, the entire container 105 functions as the processing tank 107.

したがって、図11に示す処理装置101によれば、容器105からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極110から発生するガスが容器105内に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極110から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極110から発生したガスがメタン発酵液104に溶け込んでメタン発酵に関与する微生物群の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、容器105を密閉構造としているので、容器105内を嫌気環境に制御し易い利点もある。   Therefore, according to the processing apparatus 101 shown in FIG. 11, biogas does not leak from the container 105. In addition, since the gas generated from the counter electrode 110 does not leak into the container 105, the gas generated from the counter electrode 110 is mixed into the biogas to reduce the methane concentration of the biogas, or from the counter electrode 110. The dissolved gas does not dissolve in the methane fermentation solution 104 and does not adversely affect the growth and function of the microorganism group involved in methane fermentation. Furthermore, since the container 105 has a sealed structure, there is an advantage that the inside of the container 105 can be easily controlled in an anaerobic environment.

尚、図11に示す処理装置101では、第一の実施形態と同様に、ガス回収手段115、メタン発酵液採取手段116を備えるようにしているが、上記の通り、ガス回収方法、メタン発酵液採取方法は、これらの手段を利用したものには限定されない。また、第一の実施形態と同様、メタン発酵液104に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。   In addition, although the processing apparatus 101 shown in FIG. 11 includes the gas recovery means 115 and the methane fermentation liquid collection means 116 as in the first embodiment, as described above, the gas recovery method, the methane fermentation liquid The collection method is not limited to those using these means. Further, as in the first embodiment, means for adding and supplying a substance to the methane fermentation broth 104 may be provided.

以下、図11に示す処理装置101の詳細について説明する。但し、以下に説明する以外の構成については、第一の実施形態と実質的に同一であり、説明は省略する。   Details of the processing apparatus 101 shown in FIG. 11 will be described below. However, configurations other than those described below are substantially the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

容器105は、イオン交換膜106を少なくとも一部に備える密閉構造としている。容器105の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。尚、図11では、密閉構造の容器5のメタン発酵液104の液面よりも下部に設けられた開口部105aをイオン交換膜106により塞ぐようにしているが、容器105の形態や構造は特に限定されない。例えば容器105全体をイオン交換膜106で形成した袋状の容器としてもよいし、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜106で構成してもよいし、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜106のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜106を用いる場合には、その他の部分はガラス等の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜106以外の膜材、例えばメタン発酵液104とメタン発酵液104中の成分(微生物を含む)の双方を透過させることがない膜材により構成してもよい。要は、容器105に収容されるメタン発酵液104が容器105の少なくとも一部を構成するイオン交換膜106と接触しうる構造の容器とすればよい。   The container 105 has a sealed structure including at least a part of the ion exchange membrane 106. Examples of the material of the container 105 include, but are not limited to, glass, plastic, metal subjected to insulation treatment, concrete, and the like. In FIG. 11, the opening 105 a provided below the liquid surface of the methane fermentation solution 104 of the sealed container 5 is closed by the ion exchange membrane 106, but the form and structure of the container 105 are particularly It is not limited. For example, the entire container 105 may be a bag-like container formed by the ion-exchange membrane 106, or only one surface of the bag-like container may be constituted by the ion-exchange membrane 106, or a part of one surface may be ion-exchanged. You may make it comprise only with the film | membrane 106. FIG. When the ion exchange membrane 106 is partially used, the other portions may be made of the above-described material such as glass, or other membrane materials other than the ion exchange membrane 106, for example, in the methane fermentation broth 104 and the methane fermentation broth 104 You may comprise with the film | membrane material which does not permeate | transmit both of the component (including microorganisms). In short, the methane fermentation liquid 104 accommodated in the container 105 may be a container having a structure that can come into contact with the ion exchange membrane 106 constituting at least a part of the container 105.

対電極110は、イオン交換膜106のメタン発酵液104との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に接触させるようにしている。本実施形態において、対電極110は板状の炭素電極としているが、対電極110の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、イオン交換膜106との接触が可能な形状であり、且つ作用電極109における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させることが可能な材質、つまり、作用電極109において還元反応が生じる際に酸化反応を進行させることが可能な材質の電極とすればよい。また、本実施形態では、対電極110の面積をイオン交換膜106の面積よりも大きなものとしてイオン交換膜106全体を対電極110で完全に覆うようにし、イオン交換膜106と対電極110とを接触させるようにしているが、イオン交換膜106のメタン発酵液104との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極110を接触させれば、イオン交換膜106を介してメタン発酵液104から対電極110にイオンが伝達するので、必ずしもイオン交換膜6全体を対電極110で完全に覆うようにしてイオン交換膜106と対電極110とを接触させずともよい。但し、イオン交換膜106全体を対電極110で完全に覆うことで、対電極110をイオン交換膜106の保護材としても機能させることができると共に、メタン発酵液104からのイオンの伝達面が増大する結果として、メタン発酵液104の電位制御性を高めることができる利点があり、好適である。イオン交換膜106全体を対電極110で完全に覆う方法としては、例えば、容器105の開口部105aの周囲に接着剤を塗布して対電極110を接着することにより、開口部105aを塞ぐイオン交換膜106全体と対電極110とを接触させるようにしてもよいし、容器105の開口部105aの周囲に接着剤を塗布して対電極110の表面の少なくとも一部に塗布形成されたイオン交換膜106を接着することにより、開口部105aをイオン交換膜106で塞ぎつつ、開口部105aを塞ぐイオン交換膜106全体と対電極110とを接触させるようにしてもよい。イオン交換膜106を塗布形成するための薬剤としては、例えばナフィオン分散液が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、対電極110の表面にナフィオン分散液を塗布し、ナフィオン分散液が乾燥する前にイオン交換膜106を貼り付けるようにしてもよい。この場合には、イオン交換膜106の対電極110の表面への接着性と接触性とを十分なものとすることができる。   The counter electrode 110 is brought into contact with at least a part of the surface opposite to the contact surface of the ion exchange membrane 106 with the methane fermentation solution 104. In the present embodiment, the counter electrode 110 is a plate-like carbon electrode, but the shape and material of the counter electrode 110 are not limited to this, and the shape is that the contact with the ion exchange membrane 106 is essential. And a material capable of proceeding with a reaction that complements the exchange of electrons with respect to the oxidation-reduction reaction at the working electrode 109, that is, the oxidation reaction can proceed when the reduction reaction occurs at the working electrode 109. A material electrode may be used. In the present embodiment, the counter electrode 110 has a larger area than the ion exchange membrane 106 so that the entire ion exchange membrane 106 is completely covered with the counter electrode 110, and the ion exchange membrane 106 and the counter electrode 110 are covered. Although it is made to contact, if the counter electrode 110 is made to contact at least one part of the surface on the opposite side to the contact surface of the ion exchange membrane 106 with the methane fermentation liquid 104, methane fermentation will be carried out via the ion exchange membrane 106. Since ions are transmitted from the liquid 104 to the counter electrode 110, the ion exchange membrane 106 and the counter electrode 110 may not necessarily be in contact with each other so that the entire ion exchange membrane 6 is completely covered with the counter electrode 110. However, by completely covering the entire ion exchange membrane 106 with the counter electrode 110, the counter electrode 110 can function as a protective material for the ion exchange membrane 106, and the surface for transmitting ions from the methane fermentation broth 104 increases. As a result, there is an advantage that the potential controllability of the methane fermentation liquid 104 can be improved, which is preferable. As a method of completely covering the entire ion exchange membrane 106 with the counter electrode 110, for example, an ion exchange that closes the opening 105 a by applying an adhesive around the opening 105 a of the container 105 and bonding the counter electrode 110 is performed. The entire membrane 106 and the counter electrode 110 may be brought into contact with each other, or an ion exchange membrane formed by applying an adhesive around the opening 105 a of the container 105 and applying it to at least a part of the surface of the counter electrode 110. The counter electrode 110 may be brought into contact with the entire ion exchange membrane 106 that closes the opening 105 a while the opening 105 a is closed with the ion exchange membrane 106 by adhering 106. Examples of the agent for forming the ion exchange membrane 106 include, but are not limited to, a Nafion dispersion. Alternatively, a Nafion dispersion may be applied to the surface of the counter electrode 110, and the ion exchange membrane 106 may be attached before the Nafion dispersion is dried. In this case, the adhesion and contact of the ion exchange membrane 106 to the surface of the counter electrode 110 can be made sufficient.

ここで、対電極110は多孔質体とすることが好適である。この場合には、イオン交換膜106と対電極110との接触面で発生したガスを接触面とは反対側の面に通過させやすくなる。尚、対電極110を多孔質体とし、ナフィオン分散液を用いてイオン交換膜106を貼り付けることで、ナフィオン分散液の多孔質体の孔への侵入によりイオン交換膜106と対電極110との接触面積を増大させて電気化学反応をより進行させやすくすることができ、好適である。   Here, the counter electrode 110 is preferably a porous body. In this case, the gas generated on the contact surface between the ion exchange membrane 106 and the counter electrode 110 can easily pass through the surface opposite to the contact surface. In addition, the counter electrode 110 is made a porous body, and the ion exchange membrane 106 is attached using a Nafion dispersion liquid, so that the ion exchange membrane 106 and the counter electrode 110 are separated by the penetration of the Nafion dispersion liquid into the pores of the porous body. The contact area can be increased to facilitate the progress of the electrochemical reaction, which is preferable.

上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えばメタン発酵処理を行う場合に、図12に示すように、メタン発酵液104と電解質104aをイオン交換膜106ではなく、イオンや微生物を一切透過させることのない不透過部材140で隔て、あるいは処理槽107と対電極槽108を別の容器で形成し、塩橋141(寒天等にKCl等の飽和電解質溶液を入れたもの)を介してメタン発酵液104と電解質104aを接触(液絡)させるようにしてもよい。この場合にも、メタン発酵液104中の微生物の対電極槽108への移動を防ぐことができるので、対電極110からの電子の引き抜きを防ぐことができ、しかも、塩橋によってイオン電流の流れが許容される。また、メタン発酵液104に含まれる酸化還元物質103についても対電極槽108に透過しないので、メタン発酵液104の溶液電位の制御性も確保される。   For example, when performing a methane fermentation process, as shown in FIG. 12, the methane fermentation solution 104 and the electrolyte 104a are separated by an impermeable member 140 that does not allow ions or microorganisms to permeate, instead of the ion exchange membrane 106, or the process. The tank 107 and the counter electrode tank 108 are formed in separate containers, and the methane fermentation broth 104 and the electrolyte 104a are brought into contact (liquid junction) via a salt bridge 141 (agar or the like containing a saturated electrolyte solution such as KCl). You may do it. Also in this case, the movement of microorganisms in the methane fermentation broth 104 to the counter electrode tank 108 can be prevented, so that the extraction of electrons from the counter electrode 110 can be prevented, and the flow of ion current is caused by the salt bridge. Is acceptable. Further, since the redox substance 103 contained in the methane fermentation broth 104 does not pass through the counter electrode tank 108, the controllability of the solution potential of the methane fermentation broth 104 is also ensured.

また、メタン発酵処理を行う場合には、作用電極109は、その表面の少なくとも一部に疎水性担体を備えた担体保持電極とすることが好ましい。疎水性担体としては、例えば、炭素繊維を用いることが好適であり、空隙率が25%〜98%の炭素繊維、好適には空隙率が50〜98%の炭素繊維、より好適には空隙率が98%の炭素繊維を使用することができるが、疎水性担体は炭素繊維に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン製やポリプロピレン製の繊維等の担体を用いてもよい。尚、炭素繊維は、高い空隙率の確保が容易であり、例えば炭素繊維不織布は、高い空隙率(98%)を確保し易く、しかも安価に入手でき、好適である。尚、本発明において用いられる担体保持電極は、電極表面の少なくとも一部に担体が備えられていれば良いが、電極表面の片面に備えられていることが好適であり、電極表面の全体に備えられていることが最も好適である。電極表面における担体保持面積を高めれば高める程、微生物を担持させやすくなる。担体を電極表面に備える方法としては、接着剤による接着や、担体を袋状や筒状にして電極に被せて覆う方法などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。ここで、微生物を担持し得る担体は、電極とメタン発酵液との接触を確保し得る通液性を有するものとすることが好ましい。この場合、担体の電極近傍まで十分に微生物を担持させることができると共に、電極近傍の電位の制御性を確保して、担体上の微生物を十分に活性化させることができる。つまり、仮に担体の素材を炭素のような導電性の素材とした場合においても、微生物の担持量を高める上で空隙率等を向上させれば、導電性能は大幅に低下して実質的には電流が流れなくなるが、担体を電極とメタン発酵液との接触を確保し得る通液性を有するものとしておけば、担体の空隙を満たすメタン発酵液の電位が制御されて担体の電位環境を微生物にとって至適な範囲に制御することができる。   Moreover, when performing a methane fermentation process, it is preferable that the working electrode 109 is a carrier holding electrode provided with a hydrophobic carrier on at least a part of its surface. As the hydrophobic carrier, for example, carbon fibers are preferably used, carbon fibers having a porosity of 25% to 98%, preferably carbon fibers having a porosity of 50 to 98%, and more preferably a porosity. 98% carbon fiber can be used, but the hydrophobic carrier is not limited to carbon fiber, and for example, a carrier such as a fiber made of polyethylene or polypropylene may be used. Carbon fiber is easy to secure a high porosity, and for example, a carbon fiber nonwoven fabric is suitable because it is easy to ensure a high porosity (98%) and can be obtained at low cost. The carrier holding electrode used in the present invention may be provided with a carrier on at least a part of the electrode surface, but is preferably provided on one side of the electrode surface and provided on the entire electrode surface. Most preferably. The higher the carrier holding area on the electrode surface, the easier it is to support microorganisms. Examples of the method of providing the carrier on the electrode surface include adhesion by an adhesive, and a method of covering the electrode by covering the electrode with a bag or cylinder, but is not limited thereto. Here, it is preferable that the carrier capable of supporting the microorganism has liquid permeability capable of ensuring contact between the electrode and the methane fermentation broth. In this case, the microorganisms can be sufficiently loaded up to the vicinity of the electrode of the carrier, and the controllability of the potential in the vicinity of the electrode can be ensured to sufficiently activate the microorganism on the carrier. In other words, even if the carrier material is a conductive material such as carbon, if the porosity is increased in order to increase the amount of microorganisms supported, the conductivity performance will be substantially reduced and substantially reduced. If the carrier does not flow, but the carrier has liquid permeability that can ensure contact between the electrode and the methane fermentation broth, the potential of the methane fermentation broth that fills the gap in the carrier is controlled, and the potential environment of the carrier is reduced to microorganisms. Can be controlled within the optimum range.

また、メタン発酵処理を行う場合、上記のように作用電極109の表面の少なくとも一部に疎水性担体を備えた担体保持電極を使用すると共に、メタン発酵液104にも疎水性担体を分散することが好ましい。あるいは、電極表面には疎水性担体を備えずに、メタン発酵液104のみに疎水性担体を分散させるようにしてもよい。   Also, when performing methane fermentation treatment, as described above, the carrier holding electrode provided with the hydrophobic carrier on at least a part of the surface of the working electrode 109 is used, and the hydrophobic carrier is dispersed in the methane fermentation solution 104 as well. Is preferred. Alternatively, the hydrophobic carrier may be dispersed only in the methane fermentation broth 104 without providing the hydrophobic carrier on the electrode surface.

また、メタン発酵処理を行う場合、メタン発酵液に作用電極と共に作用電極と対を成す対電極を浸漬し、作用電極の電位C(単位:V)を銀・塩化銀電極電位基準で−1.0<B<X(Xはメタン発酵液自体の酸化還元電位)に制御することで、メタン発酵が促進される場合もある。即ち、上述の実施形態のように、イオン交換膜を備えることなく、上述した水素発酵装置と同様の基本構成を有する装置を用いることで、メタン発酵が促進される場合もあり得る。B≧−0.5では、作用電極において還元反応が進行し難く、メタン発酵の促進が起こり難い。また、B≦−1.0では、水素発酵の優占化が促進され、メタン発酵は逆に失活してしまう。   When performing methane fermentation treatment, a counter electrode that forms a pair with the working electrode is immersed in the methane fermentation solution, and the potential C (unit: V) of the working electrode is -1. By controlling to 0 <B <X (X is a redox potential of the methane fermentation liquid itself), methane fermentation may be promoted. That is, methane fermentation may be promoted by using an apparatus having the same basic configuration as the above-described hydrogen fermentation apparatus without providing an ion exchange membrane as in the above-described embodiment. When B ≧ −0.5, the reduction reaction hardly proceeds at the working electrode, and the promotion of methane fermentation hardly occurs. Moreover, in B <=-1.0, predominance of hydrogen fermentation is accelerated | stimulated and methane fermentation will be deactivated conversely.

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

尚、実施例に記載した電位の値は、特にことわりのない限り、銀・塩化銀電極電位基準における電位の値を意味している。   The potential values described in the examples mean potential values based on the silver / silver chloride electrode potential reference unless otherwise specified.

[実施例1]
<実験装置>
本実施例において使用した実験装置の断面図を図19に示す。250mL容の2つのガラスバイアル瓶(Duran製)を下部開口部で連結してH字型の容器26とした。そして、ガラスバイアル瓶の一方を作用電極槽26aとし、他方を対電極槽26bとした。作用電極槽26aには、排出部51と供給部52を設けた。作用電極槽26aには蓋をし、蓋の上面にシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極を作用電極槽26aの外から内に貫通させた際の密閉性を確保した。また、蓋の条件のシリコーンゴム栓に管33を通し、作用電極槽26aに収容された液体の液面の上部の空間(ヘッドスペース)のガスを管33の一端から排出して、管33の他端に接続された袋34にガスを回収するようにした。
[Example 1]
<Experimental equipment>
FIG. 19 shows a cross-sectional view of the experimental apparatus used in this example. Two glass vials each having a volume of 250 mL (manufactured by Duran) were connected to each other through a lower opening to form an H-shaped container 26. One of the glass vials was a working electrode tank 26a, and the other was a counter electrode tank 26b. A discharge part 51 and a supply part 52 are provided in the working electrode tank 26a. The working electrode tank 26a was covered, and a silicone rubber plug was provided on the upper surface of the lid to ensure hermeticity when wiring and electrodes penetrated from the outside to the inside of the working electrode tank 26a. Further, the tube 33 is passed through a silicone rubber stopper under the condition of the lid, and the gas in the space (head space) above the liquid level of the liquid contained in the working electrode tank 26a is discharged from one end of the tube 33, The gas was collected in the bag 34 connected to the other end.

作用電極槽26aと対電極槽26bには、板状炭素電極(2.5cm×7.5cm×0.2cm)をそれぞれ配置し、作用電極9及び対電極10とした。また、容器26には発酵液4を収容して、作用電極9及び対電極10と接触させた。   In the working electrode tank 26a and the counter electrode tank 26b, plate-like carbon electrodes (2.5 cm × 7.5 cm × 0.2 cm) were arranged, respectively, to obtain a working electrode 9 and a counter electrode 10. Moreover, the fermented liquid 4 was accommodated in the container 26, and was made to contact with the working electrode 9 and the counter electrode 10. FIG.

対電極槽26bも蓋をし、蓋の上面にはシリコーンゴム栓を設けて、シリコーンゴム栓にガス排出管22を貫通させた。そして、対電極10と定電位設定装置12を結線するための配線31をガス排出管22に通した。ガス排出管22は両端が開口されており、一端を対電極槽26bの内部に、他端を対電極槽26bの外側に配置するようにして、対電極槽26bで発生するガスが対電極槽26bの外側に排出されるようにした。   The counter electrode tank 26b was also covered, and a silicone rubber plug was provided on the upper surface of the cover, and the gas discharge pipe 22 was passed through the silicone rubber plug. Then, a wiring 31 for connecting the counter electrode 10 and the constant potential setting device 12 was passed through the gas exhaust pipe 22. Both ends of the gas discharge pipe 22 are opened, and the gas generated in the counter electrode tank 26b is arranged so that one end is disposed inside the counter electrode tank 26b and the other end is disposed outside the counter electrode tank 26b. It was made to discharge to the outside of 26b.

作用電極槽26aの作用電極9から定電位設定装置12への配線はシリコーンゴム栓を通して処理槽26aの外側に引き出した。参照電極11(銀・塩化銀電極、HS−205C、東亜ディーケーケー社製)は作用電極槽26aの外側からシリコーンゴム栓に差し込んで、発酵液4と接触させた。作用電極9と対電極10と参照電極11とを3電極式の定電位設定装置(ポテンシオスタット、PS−08P、東方技研製)12に結線して、作用電極9の電位を制御した。   The wiring from the working electrode 9 of the working electrode tank 26a to the constant potential setting device 12 was drawn out of the processing tank 26a through a silicone rubber plug. The reference electrode 11 (silver / silver chloride electrode, HS-205C, manufactured by Toa DKK Corporation) was inserted into the silicone rubber plug from the outside of the working electrode tank 26a and brought into contact with the fermentation broth 4. The working electrode 9, the counter electrode 10, and the reference electrode 11 were connected to a three-electrode constant potential setting device (potentiostat, PS-08P, manufactured by Toho Giken) 12 to control the potential of the working electrode 9.

<発酵液組成と運転方式>
発酵液4は、以下の組成を有する溶液250mLに、模擬生ゴミでメタン発酵(55℃)を行って集積した汚泥を2mL添加して準備した。容器26の内部は窒素充填した。尚、酵母エキスは和光純薬工業株式会社製のものを使用し、DSMZミディアム131微量元素溶液(以下、微量元素溶液と呼ぶ)及びDSMZミディアム141ビタミン溶液(以下、ビタミン溶液と呼ぶ)はDSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and Zellkulturen)製のものを使用した。実験中は発酵液4の温度を55℃とした。また、実験期間中は、攪拌子により発酵液4を攪拌し続けた。
(溶液の組成)
KHPO : 0.8g/L
HPO : 1.6g/L
NHCl : 1g/L
NaHCO : 2g/L
MgCl・6HO: 0.1g/L
CaCl・2HO: 0.2g/L
NaCl : 0.8g/L
酵母エキス : 1g/L
微量元素溶液 : 10mL/L
ビタミン溶液 : 10mL/L
<Fermentation liquid composition and operation method>
Fermentation liquid 4 was prepared by adding 2 mL of sludge accumulated by performing methane fermentation (55 ° C.) with simulated raw garbage to 250 mL of a solution having the following composition. The inside of the container 26 was filled with nitrogen. The yeast extract manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. is used, and DSMZ Medium 131 trace element solution (hereinafter referred to as trace element solution) and DSMZ Medium 141 vitamin solution (hereinafter referred to as vitamin solution) are DSMZ ( Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and Zellkulturen) was used. During the experiment, the temperature of the fermentation broth 4 was set to 55 ° C. Moreover, during the experiment period, the fermented liquid 4 was continuously stirred by the stirring bar.
(Solution composition)
KH 2 PO 4 : 0.8 g / L
K 2 HPO 4 : 1.6 g / L
NH 4 Cl: 1 g / L
NaHCO 3 : 2 g / L
MgCl 2 · 6H 2 O: 0.1 g / L
CaCl 2 · 2H 2 O: 0.2 g / L
NaCl: 0.8 g / L
Yeast extract: 1 g / L
Trace element solution: 10 mL / L
Vitamin solution: 10mL / L

また、発酵液4には、2,6−アントラキノンジスルホン酸(2,6-anthraquinone disulfonate :AQDS)を0.2mMとなるように添加した。   In addition, 2,6-anthraquinone disulfonate (AQDS) was added to the fermentation broth 4 to a concentration of 0.2 mM.

さらに、発酵液4には、1Nの水酸化ナトリウム水溶液を添加してpHを7.8に調整した。   Furthermore, 1N sodium hydroxide aqueous solution was added to the fermented liquid 4 and pH was adjusted to 7.8.

運転方式はフィルアンドドロー方式とした。つまり一定量の発酵液4を廃棄し、同量の基質を添加する方式で運転を行った。基質には、上記組成の溶液にドッグフード(日本ペットフード製、Vita-one)を100g/L(10重量%)混濁させた模擬生ごみ基質を用いた。   The driving method was a fill and draw method. That is, the operation was performed in such a manner that a certain amount of the fermentation broth 4 was discarded and the same amount of substrate was added. As the substrate, a simulated garbage substrate in which a dog food (Vita-one, manufactured by Nippon Pet Foods Co., Ltd.) was turbid at 100 g / L (10% by weight) in the solution having the above composition was used.

容器26には、上記組成の発酵液4を500mL収容して実験を行った。   In the container 26, 500 mL of the fermented liquid 4 having the above composition was accommodated for experiments.

<分析方法>
生成ガス中の組成(メタン、水素、二酸化炭素)は、熱伝導率検出器(GC390B、GLサイエンス製)と活性炭充填ステンレス鋼カラム(GLサイエンス製)を備えたガスクロマトグラフィーにより測定した。
<Analysis method>
The composition (methane, hydrogen, carbon dioxide) in the product gas was measured by gas chromatography equipped with a thermal conductivity detector (GC390B, manufactured by GL Science) and an activated carbon packed stainless steel column (manufactured by GL Science).

VFA(揮発性脂肪酸)の分析は、液体クロマトグラフィー(GLサイエンス製、GL-7400)により実施した。   Analysis of VFA (volatile fatty acid) was performed by liquid chromatography (GL Science, GL-7400).

COD(化学的酸素要求量)の分析は、JIS K 0102-20(分析装置:HACH製、DR800)により行った。   The analysis of COD (chemical oxygen demand) was performed by JIS K 0102-20 (analyzer: manufactured by HACH, DR800).

<試験条件>
作用電極9の設定電位を−1.0Vにして14日間試験を行った。試験期間の有機物負荷量(OLR)は、8日目までは2445mg/L/日とし、その後は4890mg/L/日とした。水理学的滞留時間(HRT)は、8日目までは50日とし、その後は25日とした。
<Test conditions>
The test was performed for 14 days with the set potential of the working electrode 9 set to -1.0V. The organic load (OLR) during the test period was 2445 mg / L / day until the 8th day, and then 4890 mg / L / day. The hydraulic residence time (HRT) was 50 days until the 8th day and 25 days thereafter.

<試験結果>
(1)pH
試験期間中のpHの変動結果を図1に示す。pHの変動は7.8〜6.6の間でしか見られず、試験期間中はpHが中性領域に維持されていることが確認された。
<Test results>
(1) pH
FIG. 1 shows the pH fluctuation results during the test period. The change in pH was only observed between 7.8 and 6.6, confirming that the pH was maintained in the neutral region during the test period.

(2)バイオガス生成速度とバイオガス組成
試験期間中のバイオガス生成速度の経時変化を図2に示す。試験開始から8日目までの間で徐々にバイオガス生成速度が低下し、その後、最終日までは徐々にバイオガス生成速度が上昇する傾向が見られた。
(2) Biogas production rate and biogas composition FIG. 2 shows the change over time in the biogas production rate during the test period. There was a tendency that the biogas production rate gradually decreased from the start of the test to the 8th day and then gradually increased until the final day.

また、4日目と最終日のバイオガス組成を分析したところ、以下の通り、4日目では全く生成されていなかった水素ガスが、最終日には多量に生成され、逆に4日目では多量に生成されていたメタンガスが最終日には殆ど生成されていないことが明らかとなった。
(4日目のガス組成)
・H : 0vol%
・CH : 52.27vol%
・CO : 47.73vol%
(最終日のガス組成)
・H : 35.20vol%
・CH : 1.40vol%
・CO : 63.39vol%
Moreover, when the biogas composition of the 4th day and the last day was analyzed, hydrogen gas that was not produced at all on the 4th day was produced in a large amount on the last day as shown below. It became clear that almost no methane gas was produced on the last day.
(Gas composition on the 4th day)
・ H 2 : 0vol%
・ CH 4 : 52.27vol%
・ CO 2 : 47.73 vol%
(Last day gas composition)
・ H 2 : 35.20vol%
・ CH 4 : 1.40vol%
・ CO 2 : 63.39 vol%

ここで、上記の通り、試験期間中のpHは中性領域内で変動していたことから、通常はメタン発酵によるメタン生成が見られるはずである。しかしながら、最終日にはメタン生成が殆ど見られなかったことから、メタン発酵は殆ど停止しているものと考えられた。これに対し、最終日には、メタンのかわりに水素の生成がみられたことから、水素発酵が優占的に起こっている可能性が示唆された。   Here, as described above, since the pH during the test period fluctuated in the neutral region, methane production by methane fermentation should normally be observed. However, since almost no methane production was seen on the last day, it was considered that methane fermentation was almost stopped. On the other hand, hydrogen production was observed on the last day instead of methane, suggesting the possibility that hydrogen fermentation predominates.

また、バイオガス生成速度は、試験開始から8日目までの間で徐々に低下し、その後、最終日までは徐々に上昇したことから、試験開始から8日目までの間で徐々にメタン発酵が停止していき、その後最終日までは水素発酵が起こって徐々にバイオガス生成速度が上昇したものと考えられた。   In addition, the biogas production rate gradually decreased from the start of the test to the 8th day and then gradually increased to the final day, so that the methane fermentation gradually started from the start of the test to the 8th day. It was thought that hydrogen fermentation occurred and the biogas production rate gradually increased until the last day.

(3)作用電極9の電流値
作用電極9の電流値の経時変化を図3に示す。7〜8日目を境に、電流値(絶対値)が徐々に増加することが明らかとなった。
(3) Current Value of Working Electrode 9 A change with time of the current value of the working electrode 9 is shown in FIG. It became clear that the current value (absolute value) gradually increased on the 7th to 8th days.

尚、14日目の水素変換効率を、図3に示される電流値に基づきファラデーの法則を利用して計算した。具体的には、1モルの水素を発生させるためにはファラデー定数の2倍の電気量が必要であり、全ての電流が水素生成に使用されたと仮定して理論的水素発生量を計算した。そして、理論的水素発生量に対する実際の水素発生量を水素変換効率とした。その結果、水素変換効率は87.6%となった。   The hydrogen conversion efficiency on the 14th day was calculated using Faraday's law based on the current values shown in FIG. Specifically, in order to generate 1 mole of hydrogen, an electric amount twice as much as the Faraday constant is required, and the theoretical hydrogen generation amount was calculated on the assumption that all currents were used for hydrogen generation. The actual hydrogen generation amount relative to the theoretical hydrogen generation amount was defined as the hydrogen conversion efficiency. As a result, the hydrogen conversion efficiency was 87.6%.

(4)COD除去速度とCOD除去率
8日目から14日目について、COD除去速度とCOD除去率を求めた。
(4) COD removal rate and COD removal rate The COD removal rate and the COD removal rate were determined for the 8th to 14th days.

COD除去速度は以下の式(1)により求めた。
X=(d/250)[S−C−(C−C)/{1−(1−d/250)}]・・・・(1)
ここで、Xは1日当たりのCOD除去速度(mgCOD/L/日)であり、dはメタン発酵液の交換量であり、Sは基質のCOD(mg/L)である。また、Cは0日目のCOD(mg/L)であり、Cはn日目のCOD(mg/L)である。
The COD removal rate was determined by the following equation (1).
X = (d / 250) [ S-C 0 - (C n -C 0) / {1- (1-d / 250) n}] ···· (1)
Here, X is the COD removal rate per day (mgCOD / L / day), d is the exchange amount of the methane fermentation broth, and S is the substrate COD (mg / L). C 0 is the COD (mg / L) on the 0th day, and C n is the COD (mg / L) on the nth day.

式(1)について詳細に説明する。まず、1日目のCOD(C)と2日目のCOD(C)とn日目のCOD(C)とn+1日目のCOD(Cn+1)は、CODの除去速度が一定であると仮定すると、以下の様に表すことができる。尚、X×1は、1日で除去されるCOD(mg/L)を意味している。
=(1−d/250)C+(d/250)S−X×1 ・・・・(2)
=(1−d/250)C+(d/250)S−X×1 ・・・・(3)
=(1−d/250)Cnー1+(d/250)S−X×1 ・・・・(4)
n+1=(1−d/250)C+(d/250)S−X×1 ・・・・(5)
Formula (1) will be described in detail. First, COD (C 1 ) of the first day, COD (C 2 ) of the second day, COD (C n ) of the n day, and COD (C n + 1 ) of the ( n + 1 ) day have a constant COD removal rate. Assuming that there is, it can be expressed as: X × 1 means COD (mg / L) removed in one day.
C 1 = (1−d / 250) C 0 + (d / 250) S−X × 1 (2)
C 2 = (1−d / 250) C 1 + (d / 250) S−X × 1 (3)
C n = (1−d / 250) C n−1 + (d / 250) S−X × 1 (4)
C n + 1 = (1−d / 250) C n + (d / 250) S−X × 1 (5)

(5)式から(4)式を引くと、以下の式が得られる。
n+1−C=(1−d/250)(C−Cn−1)・・・・(6)
When the equation (4) is subtracted from the equation (5), the following equation is obtained.
C n + 1 -C n = ( 1-d / 250) (C n -C n-1) ···· (6)

ここで、式(6)は、以下の式に変形することができる。
n+1−C=(1−d/250)(C−C)・・・・(7)
Here, the equation (6) can be transformed into the following equation.
C n + 1 -C n = ( 1-d / 250) n (C 1 -C 0) ···· (7)

したがって、n=n−1、n−2、・・・1、0の場合の式(7)は、以下の様に表される。
−Cn−1=(1−d/250)n−1(C−C)・・・・(8)
n−1−Cn−2=(1−d/250)n−2(C−C)・・・・(9)
−C=(1−d/250)(C−C)・・・・(10)
−C=(1−d/250)(C−C)・・・・(11)
Therefore, Expression (7) in the case of n = n−1, n−2,..., 1, 0 is expressed as follows.
C n -C n-1 = ( 1-d / 250) n-1 (C 1 -C 0) ···· (8)
C n-1 −C n−2 = (1−d / 250) n−2 (C 1 −C 0 ) (9)
C 2 -C 1 = (1- d / 250) (C 1 -C 0) ···· (10)
C 1 -C 0 = (1-d / 250) 0 (C 1 -C 0 ) (11)

よって、式(7)について、n=n−1、n−2、・・・1、0として総和をとると、以下の式が導かれる。
−C={(1−d/250)n−1+(1−d/250)n−2+・・・・+(1−d/250)+1}(C−C)・・・・(12)
Therefore, regarding the equation (7), when the sum is taken as n = n−1, n−2,..., 1, 0, the following equation is derived.
C n -C 0 = {(1 -d / 250) n-1 + (1-d / 250) n-2 + ···· + (1-d / 250) +1} (C 1 -C 0) (12)

そして、式(12)に式(2)を代入し、Cを消去して整理することで、式(1)が導かれる。 Then, by substituting equation (2) into equation (12), by organizing erase the C 1, formula (1) it is derived.

本実施例では、8日目のメタン発酵液のCODが32200mg/Lであった。また14日目のメタン発酵液のCODが49100mg/Lであった。また、基質CODは122250mg/Lであった。そして、8日目からはメタン発酵液を10mL取り出して新たに基質を10mL添加した。したがって、S=122250、d=10、C=49100、C=32200としてCOD除去速度Xを計算すると、X=882(mg/L/日)となった。 In this example, the COD of the methane fermentation liquid on the 8th day was 32200 mg / L. The COD of the methane fermentation liquid on the 14th day was 49100 mg / L. The substrate COD was 122250 mg / L. And from the 8th day, 10 mL of methane fermentation broth was taken out and 10 mL of substrate was newly added. Therefore, when the COD removal rate X was calculated with S = 122250, d = 10, C n = 49100, and C 0 = 32200, X = 882 (mg / L / day) was obtained.

ここで、1日の有機物負荷量が4890mg/L/日であるから、計算したXの値をこの値で割ってCOD除去率を計算した。その結果、COD除去率は18%であった。   Here, since the daily organic load was 4890 mg / L / day, the calculated value of X was divided by this value to calculate the COD removal rate. As a result, the COD removal rate was 18%.

この計算結果から、8日目から14日目までにおいて、基質由来のCODが確実に除去されていることが明らかとなった。   From this calculation result, it was revealed that the substrate-derived COD was reliably removed from the 8th day to the 14th day.

(5)VFA濃度
14日目にメタン発酵液のVFA濃度を測定した結果、酢酸82mM、プロピオン酸9mM、酪酸25mMであり、VFA濃度は115mMであることが明らかとなった。これをCODに換算すると、10961mg/Lとなる。14日目のメタン発酵液のCODは49100mg/Lであったことから、基質の多くがVFAとして残存していると考えられた。尚、4日目にメタン発酵液のVFA濃度を測定した結果、酢酸47mM、プロピオン酸3.3mM、酪酸3.6mMであり、VFA濃度は54mMであった。
(5) VFA concentration As a result of measuring the VFA concentration of the methane fermentation solution on the 14th day, it was revealed that the acetic acid was 82 mM, propionic acid 9 mM, butyric acid 25 mM, and the VFA concentration was 115 mM. When this is converted into COD, it becomes 10961 mg / L. Since the COD of the methane fermentation liquid on the 14th day was 49100 mg / L, it was considered that most of the substrate remained as VFA. In addition, as a result of measuring the VFA density | concentration of a methane fermentation liquid on the 4th day, they were acetic acid 47 mM, propionic acid 3.3 mM, butyric acid 3.6 mM, and VFA density | concentration was 54 mM.

(6)まとめ
以上、8日目から14日目までにおいて、基質由来のCODが確実に除去されていると共に、VFAの蓄積(特に水素発酵における主要代謝産物である酢酸と酪酸の蓄積)も見られたことから、水素発酵によって基質由来のCODが除去された結果として水素が生成されているものと考えられた。尚、4日目においては、水素が生成されなかったことから、本実施例で印加した電圧では水の電気分解はほとんど起こらず、投入した電気エネルギーが水素発酵を促進する結果として水素生成が生じたものと考えられた。
(6) Summary As described above, from day 8 to day 14, COD derived from the substrate is surely removed, and accumulation of VFA (especially accumulation of acetic acid and butyric acid, which are main metabolites in hydrogen fermentation) is also seen. Therefore, it was considered that hydrogen was generated as a result of removal of substrate-derived COD by hydrogen fermentation. On the fourth day, since no hydrogen was generated, the electrolysis of water hardly occurred at the voltage applied in this example, and hydrogen generation occurred as a result of the input electric energy promoting hydrogen fermentation. It was thought that.

[実施例2]
実施例1の実験結果に基づき、さらに詳細な検討を行った。
[Example 2]
Based on the experimental results of Example 1, further detailed examination was performed.

<実験装置>
基本構成は実施例1と同様の実験装置とした。但し、対電極槽26bで発生するガスを袋で回収して、作用電極槽26aからのガス(カソードガス)と対電極槽26bからのガス(アノードガス)の双方を回収して分析に供した。
<Experimental equipment>
The basic configuration was the same experimental apparatus as in Example 1. However, the gas generated in the counter electrode tank 26b was collected in a bag, and both the gas from the working electrode tank 26a (cathode gas) and the gas from the counter electrode tank 26b (anode gas) were collected for analysis. .

<発酵液組成と運転方式>
発酵液4は、模擬生ゴミでメタン発酵(55℃)を行って集積した汚泥を500mL収容して使用した。容器26の内部は窒素充填した。酸化還元物質として機能するAQDSは本実施例では使用しなかった。また、水酸化ナトリウム(5N)を添加して、発酵液4の初期pHを7.2に調整した。
<Fermentation liquid composition and operation method>
Fermentation liquid 4 used 500 mL of sludge accumulated by performing methane fermentation (55 ° C.) with simulated raw garbage. The inside of the container 26 was filled with nitrogen. AQDS functioning as a redox material was not used in this example. Further, sodium hydroxide (5N) was added to adjust the initial pH of the fermentation broth 4 to 7.2.

運転方式は、実施例1と同様とした。但し、基質には、以下の組成の溶液にドッグフード(日本ペットフード製、Vita-one)を100g/L(10重量%)混濁させた模擬生ごみ基質を用いた。
(溶液の組成)
KHPO: 1.1g/L
HPO: 1.7g/L
NiCl・6HO: 0.004g/L
CoCl・6HO: 0.005g/L
The operation method was the same as in Example 1. However, as a substrate, a simulated garbage substrate in which a dog food (Vita-one, manufactured by Nippon Pet Foods Co., Ltd.) was turbid at 100 g / L (10% by weight) in a solution having the following composition was used.
(Solution composition)
KH 2 PO 4 : 1.1 g / L
K 2 HPO 4 : 1.7 g / L
NiCl 2 · 6H 2 O: 0.004 g / L
CoCl 2 · 6H 2 O: 0.005 g / L

尚、模擬生ごみ基質のCODcr(dichromate chemical oxygen demand)は122.3gCODcr/Lであり、SS(suspended solid)は53.3g/Lであった。   The simulated garbage substrate had a CODcr (dichromate chemical oxygen demand) of 122.3 g CODcr / L and an SS (suspended solid) of 53.3 g / L.

また、試験期間中は、1日1回、発酵液に水酸化ナトリウム(5N)を添加して、pHを7.2に調整した。   Moreover, during the test period, sodium hydroxide (5N) was added to the fermentation broth once a day to adjust the pH to 7.2.

さらに、フィルアンドドロー方式で運転する際に、作用電極槽7と対電極槽8のそれぞれから等量ずつ廃棄分の発酵液を抜き取り、これを混合して、後述する実施例4のメタン発酵処理に基質として供した。   Furthermore, when operating by the fill and draw system, the fermented liquid for waste is extracted from each of the working electrode tank 7 and the counter electrode tank 8 in an equal amount, and this is mixed to prepare a methane fermentation treatment of Example 4 described later. As a substrate.

<分析方法>
実施例1と同様とした。
<Analysis method>
Same as Example 1.

<試験条件>
(1)試験1
作用電極9の設定電位を−1.0Vとして64日間試験を行った。試験期間中の有機物負荷量(OLR)と水理学的滞留時間(HRT)は図26に示す通りとした。具体的には、1〜9日目では模擬生ごみを5mL/日投入し(HRT:50日、OLR:2445mg/l/日)、10〜17日目では模擬生ごみを10mL/日投入し(HRT:25日、OLR:4890mg/l/日)、18〜24日目では模擬生ごみを20mL/日投入し(HRT:12.5日、OLR:9780mg/l/日)、25〜38日目では模擬生ごみを40mL/日投入し(HRT:6.25日、OLR: 19560mg/l/日)、39〜47日目では模擬生ごみを60mL/日投入し(HRT:4.17日、OLR:29340mg/l/日)、48〜54日目では模擬生ごみを80mL/日投入し(HRT:3.13日、OLR:39120mg/l/日)、55〜59日目では模擬生ごみを100mL/日投入し(HRT:2.5日、OLR:48900mg/l/日)、60〜64日目では模擬生ごみを120mL/日投入した(HRT:2.1日、OLR:58680mg/l/日)。試験は3連で実施し、試験結果はその平均値、標準偏差のエラーバーにて示した。
<Test conditions>
(1) Test 1
The test was conducted for 64 days with the set potential of the working electrode 9 set to -1.0V. The organic load (OLR) and hydraulic residence time (HRT) during the test period were as shown in FIG. Specifically, 5 mL / day of simulated garbage is introduced on the 1st to 9th days (HRT: 50 days, OLR: 2445 mg / l / day), and 10 mL / day of simulated garbage is introduced on the 10th to 17th days. (HRT: 25 days, OLR: 4890 mg / l / day) On the 18th to 24th days, 20 mL / day of simulated garbage was introduced (HRT: 12.5 days, OLR: 9780 mg / l / day), 25-38 On the day, 40 mL / day of simulated garbage was introduced (HRT: 6.25 days, OLR: 19560 mg / l / day), and on the 39th to 47th days, 60 mL / day of simulated garbage was introduced (HRT: 4.17). Day, OLR: 29340 mg / l / day), 48 to 54 days, mock-up garbage was introduced at 80 mL / day (HRT: 3.13 days, OLR: 39120 mg / l / day), 55 to 59 days simulated 100ml / day of garbage (HRT: 2.5 days, OLR: 48900 mg / l / day) On the 60-64th day, 120 mL / day of simulated food waste was added (HRT: 2.1 days, OLR: 58680 mg / l / day). The test was carried out in triplicate, and the test result was shown by an error bar of the average value and standard deviation.

(2)試験2(比較試験A)
250mL容の容器に試験1と同様の発酵液を収容し、窒素充填して密閉して、通電を行うことなく試験を実施し、これを比較試験Aとした。但し、塩酸(1N)を添加して初期pHを5.5とし、その後はpHの調整を行うことなく試験を実施した。バイオガスは容器内のヘッドスペースから回収した。
(2) Test 2 (Comparative test A)
The same fermentation broth as in Test 1 was housed in a 250 mL container, filled with nitrogen and sealed, and the test was conducted without conducting electricity. This was designated as Comparative Test A. However, hydrochloric acid (1N) was added to adjust the initial pH to 5.5, and then the test was conducted without adjusting the pH. Biogas was recovered from the headspace in the container.

(3)試験3(比較試験B)
発酵液4に存在している微生物を失活させて、微生物不存在下での通電試験を比較試験Bとして実施した。具体的には、試験1と同様の条件で模擬生ごみ基質を5mL添加した状態で実験装置ごとオートクレーブ処理(120℃、15分)し、作用電極9の設定電位を−1.0Vまたは−1.4Vとしてカソードガスを回収した。通電期間はそれぞれ1日とした。
(3) Test 3 (Comparative test B)
Microorganisms present in the fermentation broth 4 were deactivated, and an energization test in the absence of the microorganisms was performed as comparative test B. Specifically, autoclave treatment (120 ° C., 15 minutes) is performed for each experimental apparatus in a state where 5 mL of simulated garbage substrate is added under the same conditions as in Test 1, and the set potential of the working electrode 9 is set to −1.0 V or −1. The cathode gas was recovered at .4V. Each energization period was 1 day.

<試験結果>
(1)バイオガス生成速度
試験期間中のバイオガス生成速度の経時変化を図27に示す。図27中、●が試験1のカソードガス生成量に基づくバイオガス生成速度を示し、■が試験1のアノードガス生成量に基づくバイオガス生成速度を示し、×が試験2のバイオガス生成量に基づくバイオガス生成速度を示している。作用電極9を−1.0Vとして通電を行った試験1では、有機物負荷量(OLR)の増加に伴い、バイオガス生成速度も上昇する傾向が見られ、この傾向は最終日まで継続して見られた。これに対し、通電を行っていない試験2では、24日目以降はバイオガスの生成が見られなくなった。
<Test results>
(1) Biogas production rate FIG. 27 shows the change over time of the biogas production rate during the test period. In FIG. 27, ● represents the biogas production rate based on the cathode gas production amount in Test 1, ■ ■ represents the biogas production rate based on the anode gas production amount in Test 1, and x represents the biogas production rate in Test 2 The biogas production rate is shown. In test 1 in which the working electrode 9 was energized at −1.0 V, the biogas generation rate tended to increase as the organic load (OLR) increased, and this trend was observed until the last day. It was. On the other hand, in Test 2 in which no energization was performed, generation of biogas was not observed after the 24th day.

(2)水素生成速度
バイオガス中の水素含有量の測定結果に基づき、有機物負荷量(OLR)に対する水素生成速度を求めた結果を図28に示す。図28中、●が試験1のカソードガス生成量に基づく水素生成速度を示し、■が試験1のアノードガス生成量に基づく水素生成速度を示し、▲が試験2のバイオガス生成量に基づく水素生成速度を示している。作用電極9を−1.0Vとして通電を行った試験1では、有機物負荷量(OLR)の増加に伴い、徐々に水素生成速度が上昇する傾向が見られ、この傾向が最後まで継続して見られた。最終的な水素生成速度(有機物負荷量:58680mg/l/日)は、作用電極槽側(カソード槽側)で2445mL/L/日であり、対電極槽側(アノード槽側)で2130mL/L/日であった。これに対し、通電を行っていない試験2では、水素の生成が殆ど見られなかった。
(2) Hydrogen production rate Based on the measurement result of the hydrogen content in the biogas, the result of obtaining the hydrogen production rate with respect to the organic load (OLR) is shown in FIG. In FIG. 28, ● represents the hydrogen production rate based on the cathode gas production amount in Test 1, ■ represents the hydrogen production rate based on the anode gas production amount in Test 1, and ▲ represents hydrogen based on the biogas production amount in Test 2. The generation rate is shown. In Test 1 in which the working electrode 9 was energized at −1.0 V, the hydrogen generation rate tended to increase gradually as the organic load (OLR) increased, and this trend continued to the end. It was. The final hydrogen production rate (organic load: 58680 mg / l / day) is 2445 mL / L / day on the working electrode tank side (cathode tank side) and 2130 mL / L on the counter electrode tank side (anode tank side). / Day. On the other hand, in Test 2 in which no current was supplied, almost no hydrogen was generated.

(3)pH
試験期間中の発酵液のpHの変動を図29に示す。図29中、●が試験1の作用電極槽側(カソード槽側)の発酵液のpHを示し、■が試験1の対電極槽側(アノード槽側)の発酵液のpHを示し、×が試験2の発酵液のpHを示している。尚、試験1において、pH測定は、水酸化ナトリウム添加による1日1回のpH調整の直前に実施した。図29に示される結果から、試験1では、作用電極槽側及び対電極槽側の発酵液ともに25日目以降(有機物負荷量:19560mg/l/日以上)の運転においては、1日でpHが7.2→5.5〜6.4程度まで低下する傾向が見られた。通電を行っていない試験2においては、pHが4.7〜5.5程度に維持されており、水素発酵が生じうるpHが維持されていたが、上記の通り水素生成は殆ど見られなかった。
(3) pH
FIG. 29 shows the change in pH of the fermentation broth during the test period. In FIG. 29, ● represents the pH of the fermented liquid on the working electrode tank side (cathode tank side) in Test 1, ■ represents the pH of the fermented liquid on the counter electrode tank side (anode tank side) in Test 1, and x represents The pH of the fermentation liquid of test 2 is shown. In Test 1, pH measurement was performed immediately before pH adjustment once a day by adding sodium hydroxide. From the results shown in FIG. 29, in Test 1, in the operation after the 25th day for both the working electrode tank side and the counter electrode tank side fermented liquid (organic substance loading: 19560 mg / l / day or more), the pH is 1 day. There was a tendency to decrease from 7.2 to about 5.5 to 6.4. In Test 2 in which no current was applied, the pH was maintained at about 4.7 to 5.5, and the pH at which hydrogen fermentation could occur was maintained, but almost no hydrogen production was seen as described above. .

(4)VFA濃度
試験期間中の発酵液のVFA濃度の経時変化を図30Aと図30Bに示す。図30Aが試験例1の作用電極槽側(カソード槽側)の発酵液の有機物負荷量(OLR)に対するVFA濃度であり、図30Bが試験2の発酵液の有機物負荷量(OLR)9780mg/l/日におけるVFA濃度である。また、図中、■はトータルのVFA濃度(乳酸+酢酸+プロピオン酸+酪酸)を示し、×は乳酸濃度を示し、○は酢酸濃度を示し、△はプロピオン酸濃度を示し、●は酪酸濃度を示している。尚、試験例1において、作用電極槽側(カソード槽側)の発酵液は、対電極槽(アノード槽側)の発酵液とほぼ同様のVFA濃度及びVFA組成(乳酸、酢酸、プロピオン酸及び酪酸の組成)を有していた。
(4) VFA concentration FIG. 30A and FIG. 30B show the change over time of the VFA concentration of the fermentation broth during the test period. 30A is the VFA concentration with respect to the organic load (OLR) of the fermented liquid on the working electrode tank side (cathode tank side) of Test Example 1, and FIG. 30B is the organic load (OLR) of the fermented liquid of Test 2 at 9780 mg / l. VFA concentration per day. In the figure, ■ indicates total VFA concentration (lactic acid + acetic acid + propionic acid + butyric acid), x indicates lactic acid concentration, ○ indicates acetic acid concentration, Δ indicates propionic acid concentration, and ● indicates butyric acid concentration. Is shown. In Test Example 1, the fermented liquid on the working electrode tank side (cathode tank side) had almost the same VFA concentration and VFA composition (lactic acid, acetic acid, propionic acid and butyric acid as the fermented liquid on the counter electrode tank (anode tank side). Of the composition).

図30Aに示される結果から、試験1の発酵液では、主に酢酸と酪酸の生成が見られ、乳酸の生成は殆ど見られなかった。これに対し、図30Bに示される結果から、試験2の発酵液では、主に乳酸の生成が見られた。尚、発酵液のpHの低下は、VFA成分の生成によって生じたものであると考えられた。   From the results shown in FIG. 30A, in the fermentation liquid of Test 1, mainly the production of acetic acid and butyric acid was seen, and the production of lactic acid was hardly seen. On the other hand, from the results shown in FIG. 30B, production of lactic acid was mainly observed in the fermentation liquid of Test 2. In addition, it was thought that the fall of pH of a fermented liquid was produced by the production | generation of a VFA component.

ここで、水素発酵は、以下の式に示すように、グルコース等の基質を分解する過程で、水素、二酸化炭素、酢酸、酪酸が生成される反応系である(参考文献1:Liu, D., Liu, D., Zeng, R.J., Angelidaki, I. 2006. Water Res. 40, 2230-2236.、参考文献2:Ueno, Y., Sasaki, D., Fukui, H., Haruta, S., Ishii, M., Igarashi, Y. 2006. J. Appl. Microbiol. 101, 331-343.)
12+2HO→4H+2CHCOOH+2CO ・・・・(化学式1)
12→2H+CHCHCHCOOH+2CO ・・・・(化学式2)
また、乳酸発酵は、ホモ乳酸発酵とヘテロ乳酸発酵の二つの発酵形式が存在する。
ホモ乳酸発酵は、グルコース等の基質を以下の式にしたがって分解し乳酸を生成する。この際、副産物は殆ど生成されない(東京化学同人、生化学辞典、第3版)。
12→2CHCH(OH)COOH ・・・・(化学式3)
ヘテロ乳酸発酵では、乳酸以外に、エタノール、酢酸、グリセロール、炭酸ガス等が生成される。副産物の生成比率は必ずしも一定ではないが、代表的には以下の二つの物質収支式が挙げられる。
12→CHCH(OH)COOH+COH+CO ・・・・(化学式4)
2C12+HO→2CHCH(OH)COOH+CHCOOH+COH+2CO+2H・・・・(化学式5)
以上の発酵過程を考慮すると、上記試験結果から、酢酸と酪酸の生成が主に見られた試験1の発酵液中では水素発酵が優占的に進行しており、乳酸の生成が主に見られた試験2の発酵液中では、乳酸発酵が優占的に進行しているものと考えられた。つまり、試験1では、水素を生成する上でより有利な発酵形態である水素発酵が優占的に進行しているものと考えられた。
Here, hydrogen fermentation is a reaction system in which hydrogen, carbon dioxide, acetic acid and butyric acid are generated in the process of decomposing a substrate such as glucose as shown in the following formula (Reference 1: Liu, D. , Liu, D., Zeng, RJ, Angelidaki, I. 2006. Water Res. 40, 2230-2236., Reference 2: Ueno, Y., Sasaki, D., Fukui, H., Haruta, S., Ishii, M., Igarashi, Y. 2006. J. Appl. Microbiol. 101, 331-343.)
C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O → 4H 2 + 2CH 3 COOH + 2CO 2 ... (Chemical Formula 1)
C 6 H 12 O 6 → 2H 2 + CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 ... (Chemical formula 2)
In addition, there are two types of lactic fermentation, homolactic fermentation and heterolactic fermentation.
In homolactic fermentation, a substrate such as glucose is decomposed according to the following formula to produce lactic acid. At this time, almost no by-products are produced (Tokyo Chemical Doujin, Biochemical Dictionary, 3rd edition).
C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 CH (OH) COOH (Chemical formula 3)
In heterolactic fermentation, in addition to lactic acid, ethanol, acetic acid, glycerol, carbon dioxide gas and the like are generated. The production ratio of by-products is not necessarily constant, but representative examples include the following two mass balance formulas.
C 6 H 12 O 6 → CH 3 CH (OH) COOH + C 2 H 5 OH + CO 2 ... (Chemical formula 4)
2C 6 H 12 O 6 + H 2 O → 2CH 3 CH (OH) COOH + CH 3 COOH + C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2H 2 (chemical formula 5)
Considering the above fermentation process, from the above test results, hydrogen fermentation is predominantly progressing in the fermentation liquid of Test 1 in which the production of acetic acid and butyric acid was mainly seen, and the production of lactic acid was mainly seen. It was considered that lactic acid fermentation proceeded predominately in the fermented liquid obtained in Test 2. That is, in Test 1, it was considered that hydrogen fermentation, which is a more advantageous fermentation mode for producing hydrogen, is proceeding predominantly.

(5)試験3について
試験3を実施した結果、作用電極9の設定電位を−1.0Vとしても、カソードガス及びアノードガスともに水素の生成は殆ど見られなかった。このことから、試験1において得られた結果は、水の電気分解によって生じた水素に起因するものではなく、発酵液中に存在する水素発酵を行う微生物群が優占的に活性化されて生じた水素に起因するものであることが明らかとなった。尚、作用電極9の設定電位を−1.4Vとした場合には、作用電極槽側(カソード槽側)から多量の水素が回収され(110.9mL/L/日)、水の電気分解が生じることが確認された。但し、−1.4Vよりも絶対値基準で小さい電位とすれば(例えば−1.3Vや−1.2V等)とすれば、水の電気分解は殆ど起こらなかった。
(5) Test 3 As a result of performing Test 3, even when the set potential of the working electrode 9 was set to −1.0 V, almost no hydrogen was generated in both the cathode gas and the anode gas. From this, the result obtained in Test 1 does not result from hydrogen generated by electrolysis of water, but is produced by dominantly activating the microorganism group that performs hydrogen fermentation existing in the fermentation broth. It was revealed that this was due to hydrogen. When the set potential of the working electrode 9 is −1.4 V, a large amount of hydrogen is recovered from the working electrode tank side (cathode tank side) (110.9 mL / L / day), and the water is electrolyzed. It has been confirmed that this occurs. However, if the potential is smaller than -1.4V on an absolute value basis (for example, -1.3V or -1.2V), water electrolysis hardly occurred.

(6)水素回収率とエネルギー回収率
カソード槽側の水素回収率(γcat)を参考文献3(Call, D., Logan, B.E. 2008. Environ. Sci. Technol. 42, 3401-3406.)に基づき計算した。具体的には、以下の式を用いて計算を行った。
γcat=nH2/nCE ・・・・ (a)
式(a)中、nH2は回収された水素のモル数であり、nCEは測定された電流値(I)から生成され得る水素のモル数である。
(6) Hydrogen recovery rate and energy recovery rate The hydrogen recovery rate (γ cat ) on the cathode cell side is shown in Reference 3 (Call, D., Logan, BE 2008. Environ. Sci. Technol. 42, 3401-3406.). Based on the calculation. Specifically, the calculation was performed using the following equation.
γ cat = n H 2 / n CE (a)
In formula (a), n H2 is the number of moles of hydrogen recovered, and n CE is the number of moles of hydrogen that can be generated from the measured current value (I).

エネルギー回収率は、以下の式に示す電気的入力に基づいて計算した。
η=WH2/Win ・・・・ (b)
式(b)中、WH2(単位:J)は生成された水素の燃焼熱であり(水素1モル当たり285.83kJの熱量)、Win(単位:J)は以下の式により決定される電気的入力である。
in=IEap ・・・・ (c)
式(c)中、Eapはポテンシオスタットを用いて印加された電圧である。
The energy recovery rate was calculated based on the electrical input shown in the following equation.
η W = W H2 / W in (b)
In formula (b), W H2 (unit: J) is the heat of combustion of the produced hydrogen (amount of heat of 285.83 kJ per mole of hydrogen), and W in (unit: J) is determined by the following formula: Electrical input.
W in = IE ap (c)
In formula (c), E ap is a voltage applied using a potentiostat.

水素回収率とエネルギー回収率について計算した結果を図31に示す。図31中、◆が水素回収率を示し、■がエネルギー回収率を示している。   The results calculated for the hydrogen recovery rate and energy recovery rate are shown in FIG. In FIG. 31, ◆ indicates the hydrogen recovery rate, and ■ indicates the energy recovery rate.

図31に示される結果から、有機物負荷量(OLR)の増加に伴って、水素回収率が増加することがわかった。そして、仮に作用電極からの全ての電子が水素生成のための電気分解に使用されている場合には、水素回収率は100%となるが、本実施例の計算結果では、有機物負荷量58680mg/l/日における水素回収率が4987%であったことから、生成された水素の殆どが発酵液に投入した模擬生ごみ基質に由来するものであることもわかった。   From the results shown in FIG. 31, it was found that the hydrogen recovery rate increases as the organic load (OLR) increases. If all the electrons from the working electrode are used for electrolysis for hydrogen production, the hydrogen recovery rate is 100%. However, in the calculation result of this example, the organic substance loading amount is 58680 mg / Since the hydrogen recovery rate at 1 / day was 4987%, it was also found that most of the produced hydrogen was derived from the simulated garbage substrate introduced into the fermentation broth.

また、図31に示される結果から、有機物負荷量(OLR)の増加に伴って、エネルギー回収率が増加し、有機物負荷量58680mg/l/日においては、エネルギー回収率が3887%となった。   From the results shown in FIG. 31, the energy recovery rate increased with an increase in organic matter load (OLR), and the energy recovery rate was 3887% at an organic matter load of 58680 mg / l / day.

以上の結果から、試験1において発生した水素の殆どは、電気化学的な反応から直接生成されたものではないことが明らかとなった。   From the above results, it was revealed that most of the hydrogen generated in Test 1 was not directly generated from the electrochemical reaction.

(7)まとめ
以上の結果から、メタン発酵槽から採取したメタン発酵汚泥を利用して、水素発酵を優占的に進行させることが可能であることが明らかとなった。また、図40(図中、●がカソードガスであり、□がアノードガスである。)に示す通り、作用電極の電位を−1.2Vとした場合にも、−1.0Vとした場合と同様に水素発酵を優占的に進行させることができることが確認できた。このことから、作用電極の電位A(単位:V)をA≦−1.0とすれば、水素発酵を優占的に進行させることが可能であると考えられた。但し、作用電極の電位Aをマイナス側に大きくし過ぎると、投入する電力量が大きくなる結果として水素製造効率が低下したり、水の電気分解が激しく起こることによる電極の劣化が生じたり、硫酸還元菌の優占化を招いて硫酸還元菌に水素が消費されたりする場合があるので、−1.4<A≦−1.0とするのが好適であり、−1.2≦A≦−1.0とするのがより好適であると考えられた。
(7) Summary From the above results, it became clear that hydrogen fermentation can be preferentially advanced using methane fermentation sludge collected from a methane fermentation tank. Further, as shown in FIG. 40 (in the figure, ● is a cathode gas and □ is an anode gas), the potential of the working electrode is -1.2V, and -1.0V. Similarly, it was confirmed that hydrogen fermentation can be preferentially advanced. From this, it was considered that hydrogen fermentation could be preferentially advanced if the potential A (unit: V) of the working electrode was A ≦ −1.0. However, if the potential A of the working electrode is excessively increased to the negative side, the amount of electric power to be input increases, resulting in a decrease in hydrogen production efficiency, deterioration of the electrode due to vigorous electrolysis of water, Since hydrogen may be consumed by sulfate-reducing bacteria due to the predominance of reducing bacteria, −1.4 <A ≦ −1.0 is preferable, and −1.2 ≦ A ≦. It was considered that -1.0 was more preferable.

[実施例3]
実施例1及び2で使用したような2つの容器を連結したH型の装置ではなく、1つの容器20内に発酵液4を250mL収容し、発酵液に作用電極9と対電極10と参照電極10を浸漬した型の装置(図5を参照)を使用した以外は、実施例2の試験1と同様の条件で試験を実施し、使用する装置の形状等に依らず、通電により水素発酵反応を優占的に進行させられるか否かを検討した。実施例3の試験における有機物負荷量(OLR)と水理学的滞留時間(HRT)を図32に示す。
[Example 3]
Instead of an H-type device in which two containers are connected as used in Examples 1 and 2, 250 mL of the fermentation liquid 4 is accommodated in one container 20, and the working electrode 9, the counter electrode 10, and the reference electrode are contained in the fermentation liquid. The test was carried out under the same conditions as in Test 1 of Example 2 except that an apparatus of a type immersed in 10 (see FIG. 5) was used. Whether or not can be preferentially advanced. The organic load (OLR) and hydraulic retention time (HRT) in the test of Example 3 are shown in FIG.

実施例2と同様、バイオガス中の水素含有量の測定結果に基づき、有機物負荷量(OLR)に対する水素生成速度を求めた結果を図33に示す。実施例2と同様に、有機物負荷量(OLR)の増加に伴い、徐々に水素生成速度が上昇する傾向が見られ、この傾向が最後まで継続して見られた。最終的な水素生成速度(有機物負荷量:58680mg/l/日)は、2288mL/L/日であった。また、通電を行わなかった場合には、水素の生成は殆ど見られなかった。以上の結果から、実施例3の試験においても、実施例2と同様に、水素発酵反応が優占的に進行していることが確認できた。   Similar to Example 2, FIG. 33 shows the result of obtaining the hydrogen generation rate with respect to the organic load (OLR) based on the measurement result of the hydrogen content in the biogas. Similar to Example 2, there was a tendency for the hydrogen production rate to gradually increase with an increase in organic matter loading (OLR), and this trend was observed until the end. The final hydrogen production rate (organic load: 58680 mg / l / day) was 2288 mL / L / day. In addition, when no current was supplied, almost no hydrogen was generated. From the above results, it was confirmed that the hydrogen fermentation reaction proceeded predominantly in the test of Example 3 as in Example 2.

したがって、使用する装置の形状等によらず、通電により水素発酵反応を優占的に進行させられることが確認できた。また、実施例3のような単純な構成の装置でも水素発酵反応の優占化が可能であることからすれば、要は発酵液に作用電極と対電極とを浸漬して、作用電極の電位を一定の範囲に制御すれば、装置構成に限定されることなく、水素発酵反応を優占的に進行させることが可能であることも明らかとなった。   Therefore, it was confirmed that the hydrogen fermentation reaction can be preferentially advanced by energization regardless of the shape of the apparatus used. In addition, if the apparatus having a simple configuration as in Example 3 can dominate the hydrogen fermentation reaction, the main point is to immerse the working electrode and the counter electrode in the fermentation broth, so that the potential of the working electrode It has also been clarified that the hydrogen fermentation reaction can be preferentially advanced without being limited to the apparatus configuration if is controlled within a certain range.

[参考例1]
電位制御によるメタン発酵反応の促進効果について検討した。
[Reference Example 1]
The effect of potential control on the methane fermentation reaction was investigated.

<実験装置及び実験方法>
本参考例において使用した実験装置の断面図を図13に示す。250mL容の2つのガラスバイアル瓶(Duran製)のうちの一方をメタン発酵槽126aとし、他方を対電極槽126bとし、下部開口部において陽イオン交換膜(ナフィオンK)106を介して2つのバイアル瓶を接続し、H字型の容器126とした。また、メタン発酵槽126aには排出部152と供給部151を設けた。メタン発酵槽126aには蓋をし、蓋の上面にはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極を通した際の密閉製を確保した。また、蓋の上面のシリコーンゴム栓に管133を通し、メタン発酵槽126aの発酵液104の液面の上部の空間(ヘッドスペース)のガスを管133の一端から排出して、管の他端に接続された袋134にガスを回収するようにした。
<Experimental apparatus and experimental method>
A sectional view of the experimental apparatus used in this reference example is shown in FIG. One of two 250 mL glass vials (manufactured by Duran) is a methane fermentation tank 126a, the other is a counter electrode tank 126b, and two vials are passed through a cation exchange membrane (Nafion K) 106 at the lower opening. A bottle was connected to form an H-shaped container 126. Moreover, the discharge part 152 and the supply part 151 were provided in the methane fermentation tank 126a. The methane fermentation tank 126a was covered, and a silicone rubber stopper was provided on the upper surface of the lid to ensure a sealed product when wiring and electrodes were passed. Further, the tube 133 is passed through the silicone rubber stopper on the upper surface of the lid, and the gas in the space (head space) above the liquid surface of the fermentation liquid 104 of the methane fermentation tank 126a is discharged from one end of the tube 133, and the other end of the tube Gas was collected in a bag 134 connected to the.

対電極槽126bには、電解液104aを収容すると共に対電極110(2.5cm×7.5cm×0.2cmの板状炭素電極)を収容して電解液104aに浸した。対電極槽126bも蓋をし、蓋の上面にはシリコーンゴム栓を設けて、シリコーンゴム栓にガス排出管122を貫通させた。そして、対電極110と電位制御装置112を結線するための配線131をガス排出管122に通した。ガス排出管122は両端が開口されており、一端を対電極槽126bの内部に、他端を対電極槽126bの外側に配置するようにして、対電極槽126bで発生するガスが対電極槽126bの外側に排出されるようにした。   The counter electrode tank 126b accommodated the electrolytic solution 104a and also accommodated the counter electrode 110 (2.5 cm × 7.5 cm × 0.2 cm plate-like carbon electrode) and immersed in the electrolytic solution 104a. The counter electrode tank 126b was also covered, and a silicone rubber plug was provided on the upper surface of the cover, and the gas discharge pipe 122 was passed through the silicone rubber plug. Then, a wiring 131 for connecting the counter electrode 110 and the potential control device 112 was passed through the gas exhaust pipe 122. The gas discharge pipe 122 is open at both ends, and the gas generated in the counter electrode tank 126b is arranged so that one end is disposed inside the counter electrode tank 126b and the other end is disposed outside the counter electrode tank 126b. It was made to discharge outside 126b.

作用電極109(2.5cm×7.5cm×0.2cmの板状炭素電極)は、メタン発酵槽126aに収容して発酵液104に浸し、作用電極109から電位制御装置112への配線はシリコーンゴム栓を通してメタン発酵槽126aの外側に引き出した。参照電極111(銀・塩化銀電極)はメタン発酵槽126aの外側からシリコーンゴム栓に差し込んで、発酵液104と接触させた。作用電極109と対電極110と参照電極111とを3電極式の電位制御装置(ポテンシオスタット)112に結線して、作用電極109の電位を制御した。   The working electrode 109 (2.5 cm × 7.5 cm × 0.2 cm plate carbon electrode) is housed in the methane fermentation tank 126a and immersed in the fermentation broth 104, and the wiring from the working electrode 109 to the potential control device 112 is silicone. It was pulled out of the methane fermentation tank 126a through a rubber stopper. The reference electrode 111 (silver / silver chloride electrode) was inserted into a silicone rubber stopper from the outside of the methane fermentation tank 126a and brought into contact with the fermentation broth 104. The working electrode 109, the counter electrode 110, and the reference electrode 111 were connected to a three-electrode potential controller (potentiostat) 112 to control the potential of the working electrode 109.

メタン発酵槽126aに収容される発酵液104の組成は、KH2PO4 1.135 g/l, K2HPO4 1.740 g/l, NiCl2・6H2O 0.403 mg/l, CoCl2・6H2O 0.484 mg/lとした。また、アントラキノン-2,6-ジスルホン酸(AQDS)を終濃度0.2mMになるように添加した。電解液104aの組成は、NaCl 5.844 g/lとした。 The composition of the fermented liquid 104 accommodated in the methane fermenter 126a is as follows: KH 2 PO 4 1.135 g / l, K 2 HPO 4 1.740 g / l, NiCl 2 · 6H 2 O 0.403 mg / l, CoCl 2 · 6H 2 O 0.484 mg / l. Anthraquinone-2,6-disulfonic acid (AQDS) was added to a final concentration of 0.2 mM. The composition of the electrolytic solution 104a was NaCl 5.844 g / l.

発酵液104には、模擬生ゴミでメタン発酵(55℃)を行って集積した種汚泥から取得した微生物群集を添加した。また、実験中は発酵液4のpHを7.4〜7.9に維持し、温度は55℃に維持した。また、発酵液104と電解液104aは攪拌子で攪拌し続けた。   To the fermentation liquid 104, a microbial community obtained from seed sludge accumulated by performing methane fermentation (55 ° C.) with simulated raw garbage was added. During the experiment, the pH of the fermentation broth 4 was maintained at 7.4 to 7.9, and the temperature was maintained at 55 ° C. Moreover, the fermented liquid 104 and the electrolyte solution 104a continued stirring with the stirring bar.

また、本参考例では、図14に示す負荷(有機物負荷量OLR、水理学的滞留時間HRT)をかけながら運転を行った。尚、メタン発酵槽の運転はフィルアンドドロー方式でおこなった。つまり一定量の発酵液を廃棄し、同量の基質を添加する方式で運転を行った。基質には、ドッグフード(日本ペットフード製、Vita-one)を100g/l(10重量%)、KH2PO4 1.135 g/l, K2HPO4 1.740 g/l, NiCl2・6H2O 0.403 mg/l, CoCl2・6H2O 0.484 mg/l含む模擬生ごみ基質を用いた。 Further, in this reference example, the operation was performed while applying the load shown in FIG. 14 (organic matter load amount OLR, hydraulic retention time HRT). The operation of the methane fermentation tank was performed by the fill and draw method. In other words, a certain amount of fermentation broth was discarded and the operation was performed by adding the same amount of substrate. The substrate is 100g / l (10% by weight) of dog food (Nippon Pet Food, Vita-one), KH 2 PO 4 1.135 g / l, K 2 HPO 4 1.740 g / l, NiCl 2 · 6H 2 O 0.403 A simulated garbage substrate containing mg / l, CoCl 2 · 6H 2 O 0.484 mg / l was used.

作用電極109の電位は、参照電極111である銀・塩化銀電極電位基準で、+0.6V、+0.3V、−0.3V、−0.6V、−0.8Vとして、メタン発酵処理を行った。また、比較実験として、作用電極109への通電を行わずにメタン発酵処理を行った。尚、作用電極109と微生物群集を添加した発酵液104は実験開始数日前から接触させておき、予め作用電極109に若干数の微生物群集を担持させてから実験に供した。   The potential of the working electrode 109 is + 0.6V, + 0.3V, -0.3V, -0.6V, -0.8V based on the potential of the silver / silver chloride electrode as the reference electrode 111. It was. As a comparative experiment, methane fermentation treatment was performed without energizing the working electrode 109. The fermented liquid 104 to which the working electrode 109 and the microbial community had been added was brought into contact several days before the start of the experiment, and a few microbial communities were supported on the working electrode 109 in advance before the experiment.

尚、メタン発酵液104の電位は−0.5V程度であったことから、作用電極109の電位が+0.6V、+0.0V、+0.3V、−0.3Vの場合には、作用電極109で酸化反応が生じており、−0.6V、−0.8Vでは還元反応が生じていることになる。このことは、−0.6V、−0.8Vでは作用電極109においてカソード電流が流れ、+0.6V、+0.3V、+0.0V、−0.3Vでは作用電極109にアノード電流が流れていることからも確認することができた。   In addition, since the potential of the methane fermentation broth 104 was about −0.5 V, when the potential of the working electrode 109 is +0.6 V, +0.0 V, +0.3 V, and −0.3 V, the working electrode 109 In this case, an oxidation reaction occurs, and a reduction reaction occurs at -0.6V and -0.8V. This means that the cathode current flows through the working electrode 109 at −0.6 V and −0.8 V, and the anode current flows through the working electrode 109 at +0.6 V, +0.3 V, +0.0 V, and −0.3 V. I was able to confirm it.

<分析方法>
(1)化学分析方法
メタン発酵槽126aから排出されたガスの組成分析は、ガスクロマトグラフィー(Agilent製、装置名6890N)により行った。
<Analysis method>
(1) Chemical analysis method The composition analysis of the gas discharged from the methane fermentation tank 126a was performed by gas chromatography (manufactured by Agilent, apparatus name: 6890N).

発酵液4の低級脂肪酸濃度分析は、分析方法:液体クロマトグラフィー(GLサイエンス製、装置名GL-7400)により行った。   The lower fatty acid concentration analysis of the fermentation broth 4 was performed by an analysis method: liquid chromatography (product name: GL-7400, manufactured by GL Science).

COD(化学的酸素要求量)の分析は、分析方法:Japanese Industrial Standard (JIS) K 0102-20(HACH製、装置名DR800)により行った。   The analysis of COD (chemical oxygen demand) was performed according to the analysis method: Japanese Industrial Standard (JIS) K 0102-20 (HACH, apparatus name: DR800).

SS(浮遊固形分量)の分析は、分析方法:JIS K 0102-14.1(ヤマト製、装置名DN63)により行った。   The analysis of SS (floating solid content) was performed by an analysis method: JIS K 0102-14.1 (manufactured by Yamato, apparatus name DN63).

<実験結果>
(1)設定電位とガス生成速度の関係
図15に各種設定電位におけるガス生成速度の経時変化を示す。図15において、×は通電無しの条件の3回の実験結果をプロットしたものである。○は−0.8Vの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させる前までのデータについては、標準偏差をエラーバーで示した。□は−0.6Vの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させる前までのデータについては、標準偏差をエラーバーで示した。△は+0.0V、◇は−0.3V、◆は+0.3V、▲は+0.6Vの実験結果である。
<Experimental result>
(1) Relationship between set potential and gas generation rate FIG. 15 shows changes with time in the gas generation rate at various set potentials. In FIG. 15, x is a plot of the results of three experiments under the condition of no energization. ○ is a plot of the average of three experimental results under the condition of -0.8 V. For data before increasing the organic load to 31.8 g / l / day, the standard deviation is the error bar. It showed in. □ is a plot of the average of three experimental results under the condition of −0.6 V. For the data before increasing the organic load to 31.8 g / l / day, the standard deviation is the error bar. It showed in. Δ is + 0.0V, ◇ is −0.3V, ◆ is + 0.3V, and ▲ is + 0.6V.

+0.3V、−0.6V及び−0.8Vの条件については、運転期間中にガス生成速度の低下が見られなかった。特に、−0.6V及び−0.8Vの条件については、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させても、ガス生成速度の低下は見られなかった。   Regarding the conditions of + 0.3V, -0.6V and -0.8V, no decrease in gas generation rate was observed during the operation period. In particular, under the conditions of -0.6 V and -0.8 V, no decrease in gas generation rate was observed even when the organic load was increased to 31.8 g / l / day.

(2)設定電位とCOD除去速度の関係
図16に各種設定電位におけるCOD除去速度の経時変化を示す。図16において、×は通電無しの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、標準偏差をエラーバーで示した。○は−0.8Vの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させる前までのデータについては、標準偏差をエラーバーで示した。□は−0.6Vの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させる前までのデータについては、標準偏差をエラーバーで示した。△は+0.0V、◇は−0.3V、◆は+0.3V、▲は+0.6Vの実験結果である。
(2) Relationship between set potential and COD removal rate FIG. 16 shows changes over time in the COD removal rate at various set potentials. In FIG. 16, “x” is a plot of the average value of three experimental results under no-energization conditions, and the standard deviation is indicated by an error bar. ○ is a plot of the average of three experimental results under the condition of -0.8 V. For data before increasing the organic load to 31.8 g / l / day, the standard deviation is the error bar. It showed in. □ is a plot of the average of three experimental results under the condition of −0.6 V. For the data before increasing the organic load to 31.8 g / l / day, the standard deviation is the error bar. It showed in. Δ is + 0.0V, ◇ is −0.3V, ◆ is + 0.3V, and ▲ is + 0.6V.

+0.3V、−0.6V及び−0.8Vの条件については、有機物負荷量の増加に伴い、COD除去速度が低下することなく上昇し続けた。特に、−0.6V及び−0.8Vの条件については、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させても、COD除去速度は低下することなく上昇し続けた。   With respect to the conditions of +0.3 V, −0.6 V, and −0.8 V, the COD removal rate continued to increase without decreasing as the organic load increased. In particular, for the conditions of −0.6 V and −0.8 V, the COD removal rate continued to increase without decreasing even when the organic load was increased to 31.8 g / l / day.

(3)設定電位とSS除去速度の関係
図17に各種設定電位におけるSS除去速度の経時変化を示す。図17において、×は通電無しの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、標準偏差をエラーバーで示した。○は−0.8Vの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させる前までのデータについては、標準偏差をエラーバーで示した。□は−0.6Vの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させる前までのデータについては、標準偏差をエラーバーで示した。△は+0.0V、◇は−0.3V、◆は+0.3Vの実験結果である。
(3) Relationship between set potential and SS removal rate FIG. 17 shows changes with time in the SS removal rate at various set potentials. In FIG. 17, “x” is a plot of the average value of three experimental results under no-energization conditions, and the standard deviation is indicated by an error bar. ○ is a plot of the average of three experimental results under the condition of -0.8 V. For data before increasing the organic load to 31.8 g / l / day, the standard deviation is the error bar. It showed in. □ is a plot of the average of three experimental results under the condition of −0.6 V. For the data before increasing the organic load to 31.8 g / l / day, the standard deviation is the error bar. It showed in. Δ is + 0.0V, ◇ is -0.3V, and ◆ is + 0.3V.

+0.3V、−0.6V及び−0.8Vの条件については、有機物負荷量の増加に伴い、SS除去速度が低下することなく上昇し続けた。特に、−0.6V及び−0.8Vの条件については、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させても、SS除去速度は低下することなく上昇し続けた。   Regarding the conditions of +0.3 V, −0.6 V, and −0.8 V, the SS removal rate continued to increase without decreasing as the organic load increased. In particular, under the conditions of −0.6 V and −0.8 V, the SS removal rate continued to increase without decreasing even when the organic load was increased to 31.8 g / l / day.

(4)設定電位と低級脂肪酸濃度の関係
図18に各種設定電位における低級脂肪酸濃度の経時変化を示す。図18において、×は通電無しの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものである。○は−0.8Vの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させる前までのデータについては、標準偏差をエラーバーで示した。□は−0.6Vの条件の3回の実験結果の平均値をプロットしたものであり、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させる前までのデータについては、標準偏差をエラーバーで示した。△は+0.0V、◇は−0.3V、◆は+0.3V、▲は+0.6Vの実験結果である。
(4) Relationship between set potential and lower fatty acid concentration FIG. 18 shows changes with time in lower fatty acid concentration at various set potentials. In FIG. 18, x is a plot of average values of three experimental results under the condition of no energization. ○ is a plot of the average of three experimental results under the condition of -0.8 V. For data before increasing the organic load to 31.8 g / l / day, the standard deviation is the error bar. It showed in. □ is a plot of the average of three experimental results under the condition of −0.6 V. For the data before increasing the organic load to 31.8 g / l / day, the standard deviation is the error bar. It showed in. Δ is + 0.0V, ◇ is −0.3V, ◆ is + 0.3V, and ▲ is + 0.6V.

+0.3V、−0.6V及び−0.8Vの条件については、低級脂肪酸の蓄積が殆ど見られず、特に、−0.6V及び−0.8Vの条件については、有機物負荷量を31.8g/l/日まで増加させても、低級脂肪酸の蓄積は殆ど見られなかった。この結果から、設定電位を+0.3Vと−0.6Vにした場合に加えて、−0.8Vとした場合についても、メタン発酵槽の酸敗を防いで、長期にわたりメタン発酵処理を実施できることが明らかとなった。   Under the conditions of +0.3 V, -0.6 V, and -0.8 V, accumulation of lower fatty acids is hardly observed. In particular, for the conditions of -0.6 V and -0.8 V, the organic load is 31. Even when increased to 8 g / l / day, accumulation of lower fatty acids was hardly observed. From this result, in addition to the case where the set potential is set to +0.3 V and −0.6 V, also in the case of −0.8 V, it is possible to prevent the methane fermenter from being oxidized and to carry out the methane fermentation treatment over a long period of time. It became clear.

(5)まとめ
以上の結果から、作用電極109の電位を、参照電極111である銀・塩化銀電極電位基準で+0.3V、−0.6V、−0.8Vに設定することで、高負荷条件下(有機物負荷量26.9gCOD/l/日)においても、ガス生成速度、COD除去速度、SS除去速度を低下させることなく、また、低級脂肪酸を蓄積させることなく、メタン発酵処理の一連の微生物反応プロセスを進行させることが可能であることが明らかとなった。特に、作用電極109の電位を、参照電極111である銀・塩化銀電極電位基準で−0.6V、−0.8Vに設定することで、さらに高負荷条件下(有機物負荷量31.8gCOD/l/日)においても、ガス生成速度、COD除去速度、SS除去速度を低下させることなく、また、低級脂肪酸を蓄積させることなく、メタン発酵処理の一連の微生物反応プロセスを進行させることが可能であることが明らかとなった。
(5) Summary Based on the above results, the potential of the working electrode 109 is set to + 0.3V, -0.6V, and -0.8V based on the silver / silver chloride electrode potential standard as the reference electrode 111, thereby increasing the load. Under the conditions (organic load 26.9 g COD / l / day), a series of methane fermentation treatments were performed without reducing the gas production rate, COD removal rate, SS removal rate, and without accumulating lower fatty acids. It has become clear that the microbial reaction process can proceed. In particular, by setting the potential of the working electrode 109 to −0.6 V or −0.8 V based on the reference potential of the silver / silver chloride electrode serving as the reference electrode 111, an even higher load condition (organic load 31.8 g COD / 1 / day), it is possible to proceed with a series of microbial reaction processes of methane fermentation without reducing the gas generation rate, COD removal rate, SS removal rate, and without accumulating lower fatty acids. It became clear that there was.

また、設定電位を−0.6Vとした場合と−0.8Vとした場合とでは、ほぼ同様の結果が得られたことから、設定電位を−0.6Vと−0.8Vの間の値に設定した場合にもほぼ同様の結果が得られるものと推定された。このことから、設定電位を+0.3Vまたは−0.6V〜−0.8Vとすることで、高負荷条件下においても、メタン発酵処理の一連の微生物反応プロセスを進行させることが可能であることがわかった。そして、設定電位を−0.6V〜−0.8Vとすることで、SS除去速度の向上効果及び低級脂肪酸の蓄積抑制効果が得られやすくなり、メタン発酵処理の一連の微生物反応プロセスを進行させる上で好適であることがわかった。また、−0.6V〜−0.8Vにおいて、作用電極109では還元反応が生じることから、作用電極109を還元反応が生じ得る電位に制御すれば、メタン発酵を促進させ得ることが示唆された。但し、作用電極109の電位をマイナス側に大きくし過ぎると水の電気分解が生じてメタン発酵を阻害する場合もあるので、作用電極109の電位B(単位:V)は、Y(水の電気分解が生じる電位)<B<X(発酵液自体の電位)とするのが好適である。具体的には、−1.4<B<−0.5とするのが好適である。   In addition, almost the same result was obtained when the set potential was set to -0.6V and -0.8V, and therefore the set potential was a value between -0.6V and -0.8V. It is estimated that almost the same result can be obtained even when set to. From this, by setting the set potential to +0.3 V or −0.6 V to −0.8 V, it is possible to proceed a series of microbial reaction processes of methane fermentation treatment even under high load conditions. I understood. And by making setting potential into -0.6V--0.8V, it becomes easy to acquire the improvement effect of SS removal rate, and the accumulation suppression effect of a lower fatty acid, and a series of microbial reaction processes of a methane fermentation process are advanced. It has been found suitable above. Further, since a reduction reaction occurs at the working electrode 109 at −0.6 V to −0.8 V, it was suggested that methane fermentation can be promoted by controlling the working electrode 109 to a potential at which the reduction reaction can occur. . However, if the potential of the working electrode 109 is excessively increased to the minus side, water electrolysis may occur and methane fermentation may be inhibited. Therefore, the potential B (unit: V) of the working electrode 109 is Y (electricity of water). It is preferable that the potential at which decomposition occurs) <B <X (the potential of the fermentation broth itself). Specifically, −1.4 <B <−0.5 is preferable.

[参考例2]
作用電極109の炭素板の片面に炭素繊維不織布(炭素繊維不織布(タイプ:ピッチ、空隙率:約98%、径:30.0mm、高さ:70.0mm、厚さ:2.4mm)を接着剤(バスコーク:セメダイン社製)で貼り付けて、上記参考例1と同様の実験を行った。但し、酸化還元物質であるAQDSはメタン発酵液4には添加しなかった。したがって、メタン発酵液4の溶液電位の制御性は上記参考例1よりも劣るものとなっている。また、基質の組成は、ドッグフード(日本ペットフード製、Vita-one)を100g/L、稲藁0.8g/L、KH2PO4 1.135 g/l, K2HPO4 1.740 g/l, NiCl2・6H2O 0.403 mg/l, CoCl2・6H2O 0.484 mg/lとした。
[Reference Example 2]
Adhering carbon fiber nonwoven fabric (carbon fiber nonwoven fabric (type: pitch, porosity: about 98%, diameter: 30.0 mm, height: 70.0 mm, thickness: 2.4 mm) to one side of the carbon plate of the working electrode 109 The same experiment as in Reference Example 1 was performed, except that AQDS, which is a redox substance, was not added to the methane fermentation broth 4. Therefore, the methane fermentation broth was used. The controllability of the solution potential of No. 4 is inferior to that of Reference Example 1. In addition, the composition of the substrate is 100 g / L for dog food (Vita-one, manufactured by Nippon Pet Food), 0.8 g / L of rice straw. L, KH 2 PO 4 1.135 g / l, K 2 HPO 4 1.740 g / l, NiCl 2 .6H 2 O 0.403 mg / l, CoCl 2 .6H 2 O 0.484 mg / l.

運転条件(温度、pH、運転方式)は参考例1と同様とした。有機物負荷量と水理学的滞留時間は図20に示す通りとした。   The operating conditions (temperature, pH, operating method) were the same as in Reference Example 1. The organic load and the hydraulic residence time were as shown in FIG.

設定電位は−0.8V、−1.0Vとした。また、比較のために電位制御を行わない場合(コントロール)についても実験を行った。   The set potential was set to -0.8V and -1.0V. For comparison, an experiment was also conducted for the case where no potential control was performed (control).

ガス生成速度の経時変化を図21に示す。コントロールについては、有機物負荷量を27.8gCODcr/L/日とすると、ガス生成速度が低下し始めたのに対し、−0.8Vではこの有機物負荷量においてもガス生成速度が低下することなく、メタン発酵が進行していることが確認された。また、−1.0Vとした場合には、有機物負荷量を32.7gCODcr/L/日としても、高いガス生成速度が得られることが確認された。   FIG. 21 shows the change over time in the gas generation rate. As for the control, when the organic load was 27.8 g CODcr / L / day, the gas generation rate started to decrease, whereas at -0.8 V, the gas generation rate did not decrease even at this organic load. It was confirmed that methane fermentation was in progress. Moreover, when it was set to -1.0V, it was confirmed that a high gas production | generation rate is obtained even if an organic substance load is 32.7gCODcr / L / day.

次に、メタンガス含有率を図22に示す。コントロールについては、有機物負荷量を27.8gCODcr/L/日とすると、メタンガス含有率が大幅に低下した。これに対し、−0.8Vと−1.0Vではこの有機物負荷量においてもメタンガス含有率が低下することなく、−1.0Vについては、有機物負荷量を32.7gCODcr/L/日としてもメタン含有率の低下が見られなかった。   Next, the methane gas content is shown in FIG. As for the control, when the organic load was 27.8 g CODcr / L / day, the methane gas content was greatly reduced. On the other hand, at -0.8V and -1.0V, the methane gas content does not decrease even at this organic load, and at -1.0V, the organic load is 32.7 g CODcr / L / day. No decrease in content was observed.

次に、VFA(低級脂肪酸)濃度の経時変化を図23に示す。コントロールについては、有機物負荷量を27.8gCODcr/L/日とすると、VFA濃度の大幅な増加が見られた。これに対し、−0.8Vと−1.0Vではこの有機物負荷量においてもVFA濃度の大幅な増加は見られず、−1.0Vについては、有機物負荷量を32.7gCODcr/L/日としてもVFA濃度を低濃度に維持できていることが確認された。   Next, FIG. 23 shows changes with time in the VFA (lower fatty acid) concentration. For the control, when the organic load was 27.8 g CODcr / L / day, a significant increase in VFA concentration was observed. On the other hand, at −0.8 V and −1.0 V, no significant increase in VFA concentration was observed even with this organic loading, and for −1.0 V, the organic loading was 32.7 g CODcr / L / day. It was also confirmed that the VFA concentration could be maintained at a low concentration.

次に、COD除去率を図24に示す。コントロールについては、−0.8Vと−1.0Vの場合と比較してCOD除去率が小さい上に、有機物負荷量を27.8gCODcr/L/日とすると、COD除去率が大きく低下する傾向が見られた。これに対し、−0.8Vと−1.0Vではこの有機物負荷量においてもCOD除去率の低下は見られず、−1.0Vについては、有機物負荷量を32.7gCODcr/L/日としてもCOD除去率の低下が見られなかった。   Next, the COD removal rate is shown in FIG. Regarding the control, the COD removal rate is small compared to the cases of −0.8 V and −1.0 V, and when the organic load is 27.8 g CODcr / L / day, the COD removal rate tends to be greatly reduced. It was seen. On the other hand, at -0.8 V and -1.0 V, no decrease in COD removal rate was observed even at this organic load, and for -1.0 V, the organic load was 32.7 g CODcr / L / day. No reduction in COD removal rate was observed.

次に、SS除去率を図25に示す。コントロールについては、−0.8Vと−1.0Vの場合と比較してSS除去率が小さい上に、有機物負荷量を27.8gCODcr/L/日とすると、SS除去率が低下する傾向が見られた。これに対し、−0.8Vと−1.0Vではこの有機物負荷量においても40%以上のSS除去率が維持できており、−1.0Vについては、有機物負荷量を32.7gCODcr/L/日としても40%以上のSS除去率が維持できていた。   Next, the SS removal rate is shown in FIG. Regarding the control, the SS removal rate is small compared to the cases of −0.8 V and −1.0 V, and when the organic load is 27.8 g CODcr / L / day, the SS removal rate tends to decrease. It was. On the other hand, at -0.8 V and -1.0 V, the SS removal rate of 40% or more can be maintained even at this organic load, and for -1.0 V, the organic load is 32.7 g CODcr / L / Even on a day, an SS removal rate of 40% or more was maintained.

以上、電極表面に微生物を担持し得る疎水性の担体を備えることで、酸化還元物質をメタン発酵液に添加することなく、27.8gCODcr/L/日という高い有機物負荷量、さらには32.7gCODcr/L/日という極めて高い有機物負荷量においても、メタン発酵処理を安定して行うことが可能であることが明らかとなった。つまり、本参考例では、酸化還元物質が添加されていないことによって、溶液電位の制御性が低いものとなっていたにも関わらず、上記参考例1と同等ないしはそれ以上の有機物負荷量においてもメタン発酵処理を安定して行うことができた。さらには、稲藁のような分解されにくいリグノセルロース系バイオマスを含む有機性基質を効率よく分解処理できることも明らかとなった。   As described above, by providing a hydrophobic carrier capable of supporting microorganisms on the electrode surface, an organic load amount as high as 27.8 g CODcr / L / day, and further 32.7 g CODcr without adding a redox substance to the methane fermentation solution. It was revealed that the methane fermentation treatment can be stably performed even at an extremely high organic load of / L / day. That is, in this reference example, even when the amount of organic load is equal to or higher than that of the reference example 1 in spite of the low controllability of the solution potential due to the absence of the redox substance. The methane fermentation process could be performed stably. Furthermore, it became clear that an organic substrate containing lignocellulosic biomass that is difficult to be decomposed, such as rice straw, can be efficiently decomposed.

上記効果は、作用電極の表面に備えられた炭素繊維周辺の電位が設定電位と極めて近い電位に制御された結果として、微生物群が担体表面に大量に付着し、さらには担体に担持された微生物群に電子が供給されやすくなった結果として得られたものと考えられる。   The above effect is that the microbial group adheres to the surface of the carrier in a large amount as a result of the potential around the carbon fiber provided on the surface of the working electrode being controlled to a potential very close to the set potential. This is considered to be obtained as a result of the electron being easily supplied to the group.

また、電極表面に微生物を担持し得る疎水性の担体を備えた場合においても、上記参考例1において優れた効果が得られた電位によって、同様の効果が得られるものと推察される。   Further, even when a hydrophobic carrier capable of supporting microorganisms is provided on the electrode surface, it is presumed that the same effect can be obtained by the potential at which an excellent effect is obtained in Reference Example 1.

[実施例4]
水素発酵処理とメタン発酵処理を組み合わせた二段階処理について検討を行った。
[Example 4]
A two-stage process combining hydrogen fermentation and methane fermentation was studied.

<実験装置>
デュラン社製の250mL容ガラスバイアル瓶をリアクターとして用いた。このガラス瓶に生ゴミからの安定したガス生成が行われていた好熱性嫌気性消化槽(メタン発酵槽)内から採取した汚泥を250mL入れた。また、ガラス瓶内に炭素繊維不織布(タイプ:ピッチ、空隙率:約98%、縦:70mm、横:30mm、厚さ:2.4mm)を2枚入れた。ガラス瓶には、リアクターを攪拌しながら運転するための攪拌子を収容した。ガラス瓶は収容物を全て入れた後、窒素ガス置換してから蓋をして密封し、ガラス瓶内の嫌気環境を確保した。そして、蓋の上面に設けたシリコーンゴムにガス採集管を差し込み、ガス採集管のガラス瓶の外側の端部に袋を備えて、ガラス瓶内から発生するバイオガスを袋内に採集した。そして、ガス発生量を水上置換法により測定した。
<Experimental equipment>
A 250 mL glass vial manufactured by Duran was used as the reactor. 250 mL of sludge collected from the thermophilic anaerobic digestion tank (methane fermentation tank) in which stable gas generation from garbage was performed was placed in this glass bottle. Two carbon fiber nonwoven fabrics (type: pitch, porosity: about 98%, length: 70 mm, width: 30 mm, thickness: 2.4 mm) were placed in a glass bottle. The glass bottle contained a stir bar for operating the reactor while stirring. After putting all the contents in the glass bottle, the gas bottle was replaced with nitrogen gas, sealed with a lid, and an anaerobic environment in the glass bottle was secured. Then, a gas collecting tube was inserted into the silicone rubber provided on the upper surface of the lid, and a bag was provided at the outer end of the glass bottle of the gas collecting tube, and biogas generated from the inside of the glass bottle was collected in the bag. And the gas generation amount was measured by the water displacement method.

<運転方法>
温度(発酵液温度)55℃で攪拌しながら運転を行った。尚、リアクターの運転はフィルアンドドロー方式で行い、1日に1回、発酵液を一定量廃棄し、実施例2の試験1で1日1回廃棄分として回収した発酵液(作用電極槽の発酵液と対電極槽の発酵液の混合物)を半量添加して試験を実施した。したがって、実施例2の有機物負荷量(OLR)に対応して、本実施例においても有機物負荷量(OLR)が段階的に上昇することになる。試験中は攪拌子により発酵液を攪拌しながら運転した。
<Driving method>
The operation was performed while stirring at a temperature (fermentation liquid temperature) of 55 ° C. The reactor is operated by a fill-and-draw method, and a certain amount of the fermented liquid is discarded once a day, and the fermented liquid collected in the test 1 of Example 2 as a discarded portion once a day (in the working electrode tank). The test was carried out by adding half the amount of the fermentation broth and the mixture of the fermentation broth in the counter electrode tank. Therefore, in accordance with the organic load (OLR) of the second embodiment, the organic load (OLR) also increases stepwise in the present embodiment. During the test, it was operated while stirring the fermentation broth with a stir bar.

<分析方法>
実施例2と同様とした。SSについては、参考例1と同様とした。
<Analysis method>
Same as Example 2. SS was the same as in Reference Example 1.

<実験結果>
(1)バイオガス生成速度
試験期間中のバイオガス生成速度の経時変化を図34に示す。バイオガス生成速度は時間の経過に伴い、徐々に上昇する傾向が見られ、この傾向は最終日まで継続して見られた。
<Experimental result>
(1) Biogas production rate FIG. 34 shows changes with time in the biogas production rate during the test period. The biogas production rate tended to increase gradually over time, and this trend continued until the last day.

(2)メタン生成速度
バイオガス中のメタン含有量の測定結果に基づき、有機物負荷量(OLR)に対するメタン生成速度を求めた結果を図35に示す。メタン生成速度は有機物負荷量(OLR)の増加に伴い徐々に上昇する傾向が見られ、この傾向が最後まで継続して見られた。最終的なメタン生成速度(有機物負荷量:58680mg/l/日)は、6493mL/L/日であった。
(2) Methane production rate Based on the measurement result of the methane content in the biogas, the result of obtaining the methane production rate with respect to the organic load (OLR) is shown in FIG. The methane production rate tended to gradually increase with an increase in organic load (OLR), and this trend continued to the end. The final methane production rate (organic load: 58680 mg / l / day) was 6493 mL / L / day.

(3)pH
試験期間中の発酵液のpHの変動を図36に示す。試験期間中、pHは7〜8に維持されていた。
(3) pH
FIG. 36 shows the change in pH of the fermentation broth during the test period. During the test period, the pH was maintained at 7-8.

(4)COD除去率とSS除去率
試験期間中のCOD除去率とSS除去率を図37及び図38にそれぞれ示す。
(4) COD removal rate and SS removal rate The COD removal rate and SS removal rate during the test period are shown in FIGS. 37 and 38, respectively.

図37に示される結果から、有機物負荷量の増加に伴い、COD除去率は徐々に低下し、有機物負荷量58680mg/l/日においては、COD除去率は50%であった。   From the results shown in FIG. 37, the COD removal rate gradually decreased with an increase in the organic load, and at an organic load of 58680 mg / l / day, the COD removal rate was 50%.

また、図38に示される結果から、有機物負荷量の増加に伴い、SS除去率は徐々に低下し、有機物負荷量58680mg/l/日においては、SS除去率は43.1%であった。   Further, from the results shown in FIG. 38, the SS removal rate gradually decreased with an increase in the organic load, and at an organic load of 58680 mg / l / day, the SS removal rate was 43.1%.

尚、実施例2の試験例1における水素発酵処理と本実施例におけるメタン発酵処理との二段階処理において、投入したCODcrに対して溶液中に残存したCODcrも含めたCODcr回収率を計算(式(d)参照)した結果、CODcr回収率は、有機物負荷量19560mg/l/日以上では、74.6%以上であった。このことから、実施例2の試験例1における水素発酵処理と本実施例におけるメタン発酵処理との二段階処理について、実験方法は評価法としては妥当なものであることが確認できた。
(CODcr回収率)=(発酵液のCODcr+バイオガスのCODcr)/投入CODcr×100 ・・・・ (d)
In addition, in the two-stage process of the hydrogen fermentation process in Test Example 1 of Example 2 and the methane fermentation process in this example, the CODcr recovery rate including the CODcr remaining in the solution with respect to the charged CODcr was calculated (formula As a result, the CODcr recovery rate was 74.6% or more at an organic load of 19560 mg / l / day or more. From this, it was confirmed that the experimental method was valid as an evaluation method for the two-stage treatment of the hydrogen fermentation treatment in Test Example 1 of Example 2 and the methane fermentation treatment in this Example.
(CODcr recovery rate) = (CODcr of fermentation liquid + CODcr of biogas) / input CODcr × 100 (d)

(5)VFA濃度
有機物負荷量(OLR)に対する発酵液のVFA濃度を図39に示す。有機物負荷量の増加に対応してVFA濃度も経時的に上昇したが、メタン発酵は良好に進行することが確認できた。
(5) VFA concentration FIG. 39 shows the VFA concentration of the fermented liquid relative to the organic load (OLR). Corresponding to the increase in organic load, the VFA concentration also increased over time, but it was confirmed that methane fermentation proceeded well.

(6)まとめ
以上の結果から、通電を利用した水素発酵処理からの排出液を、メタン発酵処理に供することで、最終的に有機物負荷量が58680mg/l/日と高負荷な条件においてもメタン生成を良好に進行させることが可能であった。このことから、通電を利用した水素発酵処理の排出液をメタン発酵処理に供して、二段階発酵処理を実施できることを確認できた。また、この結果から、通電を利用した水素発酵処理の排出液をさらに通電を利用したメタン発酵処理に供することで、二段階発酵処理をより効率よく実施できる可能性が示された。
(6) Summary From the above results, the effluent from the hydrogen fermentation process using electricity is subjected to the methane fermentation process, so that the final organic load is 58680 mg / l / day, even under high load conditions. It was possible to make the production proceed well. From this, it was confirmed that the two-stage fermentation process can be carried out by subjecting the effluent of the hydrogen fermentation process using electricity to the methane fermentation process. Moreover, from this result, possibility that a two-stage fermentation process could be implemented more efficiently was shown by using the waste liquid of the hydrogen fermentation process using electricity for the methane fermentation process using electricity further.

4 発酵液
9 電極(作用電極)
10 対電極
104 メタン発酵液
106 イオン交換膜
109 作用電極
110 対電極
111 参照電極
112 定電位設定装置
4 Fermentation liquid 9 Electrode (working electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Counter electrode 104 Methane fermentation liquid 106 Ion exchange membrane 109 Working electrode 110 Counter electrode 111 Reference electrode 112 Constant potential setting apparatus

Claims (9)

水素発酵を行う微生物群を含む発酵液に電極を浸漬し、前記発酵液に有機性基質を投入すると共に前記電極の電位を制御して前記水素発酵を行う微生物群を優占的に活性化させることを特徴とする水素発酵処理方法。   Immerse the electrode in a fermentation broth containing a group of microorganisms that perform hydrogen fermentation, add an organic substrate to the fermentation broth, and control the potential of the electrode to preferentially activate the group of microorganisms that perform the hydrogen fermentation. A hydrogen fermentation treatment method. 前記発酵液に前記電極と共に前記電極と対を成す対電極を浸漬し、前記電極の電位A(単位:V)を銀・塩化銀電極電位基準でA≦−1.0に制御する請求項1に記載の水素発酵処理方法。   The counter electrode which makes a pair with the electrode together with the electrode is immersed in the fermentation broth, and the potential A (unit: V) of the electrode is controlled to A ≦ −1.0 based on the silver / silver chloride electrode potential reference. The hydrogen fermentation treatment method as described in 2. 前記発酵液がメタン発酵液である請求項1または2に記載の水素発酵処理方法。   The hydrogen fermentation treatment method according to claim 1 or 2, wherein the fermentation broth is a methane fermentation broth. 前記発酵液のpHを5.5〜8に維持する請求項1〜3のいずれか1つに記載の水素発酵処理方法。   The hydrogen fermentation treatment method according to any one of claims 1 to 3, wherein the pH of the fermentation broth is maintained at 5.5 to 8. 請求項1〜4のいずれか1つに記載の水素発酵処理方法を実施し、次いで前記水素発酵処理方法により得られる発酵物を原料としてメタン発酵処理を行うことを特徴とする二段階発酵処理方法。   A two-stage fermentation treatment method, wherein the hydrogen fermentation treatment method according to any one of claims 1 to 4 is carried out, and then a methane fermentation treatment is performed using a fermentation product obtained by the hydrogen fermentation treatment method as a raw material. . 前記メタン発酵処理は、メタン発酵液に電極を浸漬し、前記電極の電位を制御して前記メタン発酵液中のメタン生成菌群を優占的に活性化させることにより実施される請求項5に記載の二段階発酵処理方法。   The said methane fermentation process is implemented by immersing an electrode in a methane fermentation liquid, controlling the electric potential of the said electrode, and activating the methanogenic bacteria group in the said methane fermentation liquid preferentially. The two-stage fermentation treatment method described. 前記メタン発酵液に前記電極を浸漬し、前記電極と対を成す対電極を以下の(1)または(2)の方法で配置し、前記電極の電位Bを銀・塩化銀電極電位基準でB=+0.3またはB<Xに制御し、Xは前記メタン発酵液自体の酸化還元電位である請求項6に記載の二段階発酵処理方法。
(1)イオン交換膜を介して前記メタン発酵液と接触させた電解液に浸漬して配置する
(2)イオン交換膜を介して前記メタン発酵液と接触させて配置する
The electrode is immersed in the methane fermentation broth, and a counter electrode that forms a pair with the electrode is disposed by the following method (1) or (2), and the potential B of the electrode is B based on the silver / silver chloride electrode potential reference. = + 0.3 or B <X, wherein X is the oxidation-reduction potential of the methane fermentation broth itself.
(1) Immerse in an electrolyte solution in contact with the methane fermentation solution via an ion exchange membrane, and (2) Arrange it in contact with the methane fermentation solution via an ion exchange membrane
メタン発酵液に電極を浸漬し、前記発酵液に有機性基質を投入すると共に前記電極の電位を制御して前記水素発酵を行う微生物群を優占的に活性化させる工程を含むことを特徴とする水素発酵液の製造方法。   A step of immersing an electrode in a methane fermentation broth, introducing an organic substrate into the fermentation broth, and controlling the potential of the electrode to preferentially activate a group of microorganisms that perform the hydrogen fermentation, A method for producing a hydrogen fermentation broth. 前記工程は、前記メタン発酵液に前記電極と共に前記電極と対を成す対電極を浸漬し、前記電極の電位A(単位:V)を銀・塩化銀電極電位基準でA≦−1.0に制御することにより実施される請求項8に記載の水素発酵液の製造方法。   In the step, a counter electrode paired with the electrode is immersed in the methane fermentation broth, and the potential A (unit: V) of the electrode is set to A ≦ −1.0 based on the silver / silver chloride electrode potential. The manufacturing method of the hydrogen fermentation liquid of Claim 8 implemented by controlling.
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