JP2018006197A - Microorganism adhesion prevention device, microorganism adhesion prevention method, wastewater treatment device, and wastewater treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排水処理に用いられる微生物付着防止装置、微生物付着防止方法、排水処理装置および排水処理方法に関する。 The present invention relates to a microorganism adhesion prevention device, a microorganism adhesion prevention method, a wastewater treatment device, and a wastewater treatment method used for wastewater treatment.
微生物の中には細胞外電子伝達能を有するものがある。当該微生物は、液体中の有機物を酸化分解することでエネルギーを獲得しつつ、その過程で電子を生ずる。近年、このような微生物を用い、細胞外電子伝達による酸化還元反応を利用して、微生物から直接電子や電気エネルギーを回収する微生物燃料電池の開発が進められている。微生物燃料電池は、排水中の有機物を処理しながら発電するとともに、微生物増殖に利用されるエネルギーの一部を発電に利用するため、余剰汚泥発生量を低減する効果もある。 Some microorganisms have the ability to transfer extracellular electrons. The microorganisms generate electrons in the process while acquiring energy by oxidizing and decomposing organic substances in the liquid. In recent years, development of microbial fuel cells that use such microorganisms and recover electrons and electrical energy directly from microorganisms using an oxidation-reduction reaction by extracellular electron transfer has been promoted. The microbial fuel cell generates electric power while treating organic matter in the wastewater, and also has an effect of reducing the amount of excess sludge generated because a part of the energy used for microbial growth is used for power generation.
微生物燃料電池に関する発明が、例えば、特許文献1に記載されている。
特許文献1に記載されている微生物燃料電池は、排水処理を行う水槽にアノード(負電極)とカソード(正電極)とを有し、アノードは水槽中に、カソードは片面を水中に、その反対面を空気に接触させ、これらを外部回路で結んでいる。この微生物燃料電池は、アノードに細胞外電子伝達能を有する微生物が保持されており、排水中の有機物を利用して代謝し、電子およびプロトンを産生する。プロトンは、アノードとカソードの濃度勾配に基づく拡散作用により、カソードへと移動する。カソードに移動してきた電子とプロトン、およびカソード中に存在する空気中の酸素が結合し、水へと変化する。これらの反応が起こることにより、アノードとカソードで電子の移動が行われ、発電が可能となる。
An invention relating to a microbial fuel cell is described in
The microbial fuel cell described in
しかし、微生物燃料電池が適用される排水処理装置において、前記微生物は流入する排水や汚泥、排水処理に使用する活性汚泥などに存在する。また、アノードに付着した、または付着させた前記微生物が剥離することもある。これらが要因で前記微生物がカソードに付着することがある。この場合、カソードにおいてもアノードと同様に、前記微生物が有機物を分解する過程で生ずる電子を集電することになる。従って、前記微生物が有機物を分解する過程で生じる電子はアノードとカソードの両極に同様に集められることになってアノードとカソードの電位差がなくなる。その結果、外部回路に電力として取り出すことが難しくなる。また、電力が外部回路で消費されない状態になると、前記微生物が生み出した電気的なポテンシャルは、処理水槽の内部で消費せざるを得なくなって、余剰汚泥発生量低減割合が低下し、余剰汚泥発生量が低減し難くなることが考えられる。このことから、カソードに前記微生物が付着しないことが排水処理性能を維持するために重要となる。 However, in a wastewater treatment apparatus to which a microbial fuel cell is applied, the microorganisms are present in inflowing wastewater and sludge, activated sludge used for wastewater treatment, and the like. In addition, the microorganism attached to or attached to the anode may peel off. These factors can cause the microorganisms to adhere to the cathode. In this case, as in the anode, the cathode collects electrons generated in the process of decomposing the organic matter. Therefore, the electrons generated in the process of decomposing the organic matter by the microorganism are similarly collected at both the anode and the cathode, and the potential difference between the anode and the cathode is eliminated. As a result, it becomes difficult to extract the power as an electric power to an external circuit. In addition, when electric power is not consumed in the external circuit, the electrical potential generated by the microorganisms must be consumed inside the treated water tank, and the reduction rate of excess sludge generation decreases, resulting in generation of excess sludge. It is conceivable that the amount is difficult to reduce. For this reason, it is important for maintaining the wastewater treatment performance that the microorganisms do not adhere to the cathode.
これを解決するため、カソードに前記微生物が付着して発電量が低下するごとに、前記微生物が付着したカソードを処理水槽から引き抜き、物理的や化学的に剥離、洗浄するか、または交換することが考えられる。しかし、排水処理装置で使用している電極を引き抜く作業は容易でなく、その際に本来の排水処理が滞ってしまうなど、現実的ではない。 In order to solve this, whenever the microorganisms adhere to the cathode and the amount of power generation decreases, the cathode to which the microorganisms have adhered is pulled out of the treated water tank and physically or chemically removed, washed, or replaced. Can be considered. However, the operation of pulling out the electrode used in the wastewater treatment apparatus is not easy, and the original wastewater treatment becomes unsatisfactory at that time.
このような状況下、非特許文献1には、合成抗菌剤を用いてカソードでの微生物増殖を阻害させ、発電性能の安定化をさせる旨記載されている。
Under such circumstances,
しかしながら、非特許文献1に記載されている如く合成抗菌剤を安易に屋外で使用すると耐性菌を発生させて、排水処理が担っている公衆衛生機能を損なう危険性がある。そのため、合成抗菌剤を用いずに細胞外電子伝達能を有する微生物がカソードに付着することを防止できる技術の開発が望まれている。
However, as described in
本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、細胞外電子伝達能を有する微生物がカソードに付着することを防止できる微生物付着防止装置、微生物付着防止方法、排水処理装置および排水処理方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a microorganism adhesion prevention device, a microorganism adhesion prevention method, a wastewater treatment apparatus, and a wastewater treatment method that can prevent microorganisms having extracellular electron transfer ability from adhering to the cathode. The task is to do.
前記課題を解決した本発明は、以下の構成を有する。
本発明に係る微生物付着防止装置は、被処理水中に配されるアノードと、一部が前記被処理水と接触し、他の一部が空気と接触するカソードと、前記アノードおよび前記カソードと接続され、前記カソードの表面にヒドロキシルラジカルを発生させる電圧を印加する電圧制御装置と、を有する。
This invention which solved the above-mentioned subject has the following composition.
The microorganism adhesion preventing apparatus according to the present invention includes an anode disposed in the water to be treated, a cathode partly in contact with the water to be treated and another part in contact with air, and connected to the anode and the cathode. And a voltage control device for applying a voltage for generating hydroxyl radicals on the surface of the cathode.
本発明に係る微生物付着防止方法は、被処理水中に配されるアノードと、一部が前記被処理水と接触し、他の一部が空気と接触するカソードと接続された電圧制御装置により、前記カソードの表面にヒドロキシルラジカルを発生させる電圧を印加する。 The method for preventing microbial adhesion according to the present invention includes a voltage control device connected to an anode disposed in the water to be treated, a cathode that is partly in contact with the water to be treated, and another part that is in contact with air. A voltage for generating hydroxyl radicals is applied to the surface of the cathode.
本発明に係る排水処理装置は、被処理水を収容する処理水槽と、前記処理水槽に収容される前記被処理水中に配されるアノードと、一部が前記被処理水と接触し、他の一部が空気と接触するカソードと、前記アノードおよび前記カソードと接続され、前記カソードの表面にヒドロキシルラジカルを発生させる電圧を印加する電圧制御装置と、を有する。 A wastewater treatment apparatus according to the present invention includes a treated water tank for containing treated water, an anode disposed in the treated water contained in the treated water tank, a part of which is in contact with the treated water, A cathode partially in contact with air, and a voltage control device that is connected to the anode and the cathode and applies a voltage that generates hydroxyl radicals on the surface of the cathode.
本発明に係る排水処理方法は、被処理水中に配されるアノードと、一部が前記被処理水と接触し、他の一部が空気と接触するカソードと接続された電圧制御装置により、前記カソードの表面にヒドロキシルラジカルを発生させる電圧を印加して前記被処理水の処理を行う。 The wastewater treatment method according to the present invention includes the anode disposed in the water to be treated, and a voltage control device connected to the cathode, part of which is in contact with the water to be treated and the other part of which is in contact with air. The water to be treated is treated by applying a voltage for generating hydroxyl radicals on the surface of the cathode.
本発明に係る微生物付着防止装置、微生物付着防止方法、排水処理装置および排水処理方法は、細胞外電子伝達能を有する微生物がカソードに付着することを防止できる。 The microorganism adhesion prevention apparatus, microorganism adhesion prevention method, waste water treatment apparatus, and waste water treatment method according to the present invention can prevent microorganisms having extracellular electron transfer ability from adhering to the cathode.
以下、本発明に係る微生物付着防止装置、微生物付着防止方法、排水処理装置および排水処理方法の一実施形態について詳細に説明する。
本実施形態に係る微生物付着防止装置、微生物付着防止方法、排水処理装置および排水処理方法は、排水処理に用いられる。
なお、処理対象となる排水(被処理水)としては、例えば、汚水、厨房排水、雑排水、特殊排水、雨水などが挙げられる。なお、本明細書において、「汚水」とは、便所等から排出される、屎尿を含む排水をいう。「厨房排水」とは、大規模な厨房設備から排出された排水をいう。「雑排水」とは、風呂や洗濯機などの比較的汚染物濃度の低い排水をいう。「特殊排水」とは、工場、病院、研究所などから排出された排水をいう。「雨水」とは、降雨や湧水によるものをいう。これらの排水には、濃度の高低はあるが、いずれも有機物が含まれている。なお、排水の化学的酸素要求量(COD)は、約50〜10000mg/Lであるのが好ましい。CODがこの範囲にあれば、一般的な生物学的処理を行うことができる。
Hereinafter, an embodiment of a microorganism adhesion prevention device, a microorganism adhesion prevention method, a wastewater treatment device, and a wastewater treatment method according to the present invention will be described in detail.
The microorganism adhesion prevention apparatus, microorganism adhesion prevention method, wastewater treatment apparatus, and wastewater treatment method according to the present embodiment are used for wastewater treatment.
Examples of the wastewater (treated water) to be treated include sewage, kitchen wastewater, miscellaneous wastewater, special wastewater, and rainwater. In the present specification, “sewage” refers to wastewater containing manure discharged from a toilet or the like. “Kitchen drainage” refers to drainage discharged from a large-scale kitchen facility. “Miscellaneous wastewater” refers to wastewater with a relatively low concentration of contaminants such as baths and washing machines. “Special wastewater” means wastewater discharged from factories, hospitals, research laboratories, and the like. “Rainwater” means rain or spring water. These wastewaters have high and low concentrations, but all contain organic matter. In addition, it is preferable that the chemical oxygen demand (COD) of waste water is about 50 to 10000 mg / L. If the COD is within this range, general biological treatment can be performed.
(微生物付着防止方法、排水処理方法)
本実施形態に係る微生物付着防止方法は、被処理水中に配されるアノードと、一部が被処理水と接触し、他の一部が空気と接触するカソードと接続された電圧制御装置により、カソードの表面にヒドロキシルラジカル(・OH)を発生させる電圧を印加する、というものである。
(Microbial adhesion prevention method, wastewater treatment method)
The microorganism adhesion prevention method according to the present embodiment includes a voltage control device connected to an anode disposed in the water to be treated, a cathode that is partly in contact with the water to be treated, and another part that is in contact with air. A voltage for generating hydroxyl radicals (.OH) is applied to the surface of the cathode.
また、本実施形態に係る排水処理方法は、被処理水中に配されるアノードと、一部が被処理水と接触し、他の一部が空気と接触するカソードと接続された電圧制御装置により、カソードの表面にヒドロキシルラジカルを発生させる電圧を印加して被処理水の処理を行う、というものである。 Moreover, the wastewater treatment method according to the present embodiment includes an anode disposed in the water to be treated, and a voltage control device connected to a cathode that is partly in contact with the water to be treated and the other part in contact with air. The treatment water is treated by applying a voltage for generating hydroxyl radicals on the surface of the cathode.
本実施形態に係る微生物付着防止方法は、後記する微生物付着防止装置により好適に実施される。また、本実施形態に係る排水処理方法は、後記する排水処理装置により好適に実施される。すなわち、微生物付着防止方法における用語の定義、装置の構成などは、微生物付着防止装置と同義であり、排水処理方法における用語の定義、装置の構成などは、排水処理装置と同義である。
以下、本実施形態に係る微生物付着防止装置を説明することにより本実施形態に係る微生物付着防止方法の説明に代える。また、本実施形態に係る排水処理装置を説明することにより本実施形態に係る排水処理方法の説明に代える。
なお、微生物付着防止装置および排水処理装置は、細胞外電子伝達能を有する微生物を含む被処理水を備えることで微生物燃料電池を構成する。
The microorganism adhesion prevention method according to the present embodiment is preferably implemented by a microorganism adhesion prevention apparatus described later. Moreover, the waste water treatment method according to the present embodiment is preferably implemented by a waste water treatment apparatus described later. That is, the definitions of terms in the microorganism adhesion prevention method, the configuration of the apparatus, and the like are synonymous with those of the microorganism adhesion prevention apparatus, and the definitions of terms in the wastewater treatment method, the configuration of the apparatus, and the like are synonymous with those of the wastewater treatment apparatus.
Hereinafter, the microorganism adhesion preventing apparatus according to the present embodiment will be described to replace the description of the microorganism adhesion preventing method according to the present embodiment. Moreover, it replaces with description of the waste water treatment method which concerns on this embodiment by demonstrating the waste water treatment apparatus which concerns on this embodiment.
Note that the microorganism adhesion prevention device and the wastewater treatment device constitute a microbial fuel cell by including treated water containing microorganisms having extracellular electron transfer capability.
(微生物付着防止装置)
図1は、本実施形態に係る微生物付着防止装置100を有する排水処理装置300の構成を説明する概略構成図である。
図1に示すように、本実施形態に係る微生物付着防止装置100は、アノード3と、カソード4と、電圧制御装置7と、を有する構成となっている。なお、図1に示す例では、電圧制御装置7は、外部回路6や参照電極8と接続されている。
(Microbe adhesion prevention device)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration of a
As shown in FIG. 1, the microorganism
アノード3は、図1に示すように、処理水槽1の中、具体的には、被処理水2中に配される。このアノード3の表面や周囲には細胞外電子伝達能を有する微生物5(以下、単に「微生物5」と呼ぶこともある)が存在する。アノード3としては、例えば、カーボンフェルトなどの炭素繊維や、Ti、Ti合金、Al、Al合金、Fe、Fe合金、Cu、Cu合金などの導電性金属などが用いられる。アノード3は、微生物燃料電池として電気を取り出すことができればよく、アノード3の形状や大きさなどは特に限定されない。なお、アノード3は図示しないバッテリーや送電網(電力系統)などと接続することができ、これらに電気を供給することができる。
As shown in FIG. 1, the
「細胞外電子伝達能」とは、電子伝達体を酸化還元する一連の流れによって、生命活動に必要なエネルギーを獲得するとともに、発生した電子を細胞膜に存在する電子伝達体に伝達する能力をいう。
微生物5は、被処理水2中にもともと含まれているものをそのまま用いることができる。すなわち、被処理水2中にもともと含まれているものが処理中に増殖し、これがアノード3の表面に付着したり、アノード3の周囲に存在するようになったりしたものを用いることができる。なお、微生物5は、予め培養したものを用いることもできる。
“Extracellular electron transfer capacity” refers to the ability to acquire energy necessary for life activity and transfer the generated electrons to the electron transporter existing in the cell membrane by a series of processes that oxidize and reduce the electron transporter. .
As the microorganism 5, those originally contained in the treated
細胞外電子伝達能を有する微生物5として具体的には、シェワネラ(Shewanella)属に属するもの、ジオバクター(Geobacter)属に属するもの、シュードモナス(Pseudomonas)属に属するもの、およびロドフェラックス(Rhodoferax)属に属するものなどが挙げられる。 Specific examples of the microorganism 5 having extracellular electron transfer ability include those belonging to the genus Shewanella, those belonging to the genus Geobacter, those belonging to the genus Pseudomonas, and the genus Rhodoferax. The thing which belongs to.
シェワネラ属に属する微生物の具体例としては、シェワネラ・ロイヒカ(S. loihica)、シェワネラ・オネイデンシス(S. oneidensis)、シェワネラ・プトレファシエンス(S. putrefaciens)、シェワネラ・アルガ(S. algae)などが挙げられる。
ジオバクター属に属する微生物の具体例としては、ジオバクター・サルフレドゥセンス(G. sulfurreducens)、ジオバクター・メタリレドゥセンス(G. metallireducens)などが挙げられる。
シュードモナス属に属する微生物の具体例としては、シュードモナス・エアルギノーザ(P. aeruginosa)が挙げられる。
ロドフェラックス属に属する微生物の具体例としては、ロドフェラックス・フェリレドゥセンス(R. ferrireducens)が挙げられる。
なお、本実施形態における細胞外電子伝達能を有する微生物5は、野生型および変異型を問わない。前記微生物5は、アノード3に電子を伝達できるものであれば、前記したものに限定されることなく、どのようなものも用いることができる。
Specific examples of microorganisms belonging to the genus Shewanella include S. loihica, S. oneidensis, S. putrefaciens, S. algae, etc. Is mentioned.
Specific examples of microorganisms belonging to the genus Geobacter include Geobacter sulfreduscens (G. sulfurreducens), Geobacter metallireducens (G. metallireducens) and the like.
Specific examples of microorganisms belonging to the genus Pseudomonas include P. aeruginosa.
Specific examples of microorganisms belonging to the genus Rhodoferrax include R. ferrireducens.
In addition, the microorganisms 5 which have the extracellular electron transfer capability in this embodiment do not ask | require of a wild type and a mutant type. Any microorganism can be used as the microorganism 5 as long as it can transfer electrons to the
カソード4は、カソード4に移動してきた電子とプロトン、およびカソード4中に存在する空気中の酸素を結合させて水を合成する化学反応を行う。そのため、カソード4は、酸素透過性のあるものを用いる。このようなカソード4としては、例えば、炭素繊維、活性炭、グラファイト、カーボンブラック、カーボンナノチューブなどの炭素系材料を用いることができる。炭素系材料は、Pt、Pt合金、Au、Au合金などの導電性金属の粒子(触媒)が塗工されたものであると、前記した化学反応が促進されるので好ましい。
The
本実施形態の場合、カソード4は、一部が被処理水2と接触し、他の一部が空気と接触している。好適には、図1に示すように、カソード4は、処理水槽1の壁部に、一方の面を処理水槽1の内側に露出させ、他方の面を処理水槽1の外側に露出させて設けられている。このようにすると、カソード4の一方の面で前記した水を合成する化学反応を行いつつ、他方の面から空気を取り込むことができる。
In the case of this embodiment, a part of the
電圧制御装置7は、外部回路6や外部電源(図示せず)を有している。電圧制御装置7は、アノード3およびカソード4と接続され、カソード4の表面にヒドロキシルラジカルを発生させる電圧を印加する。ヒドロキシルラジカルは、活性酸素種の一種であり、不対電子を持つので、フリーラジカルとも呼ばれている。ヒドロキシルラジカルは、活性酸素種の中でも非常に反応性が高く、タンパク質や脂質、糖質、核酸などの生体成分を酸化する。そのため、ヒドロキシルラジカルと接触した微生物5は細胞壁や細胞膜などが変性したり、核酸が損傷したりするため、活動が阻害され、または殺菌される。従って、細胞外電子伝達能を有する微生物5がカソード4に付着するのを防止できる。
The
つまり、本実施形態では、アノード3表面で生育する微生物5の電子産生能力を有効活用し、さらに、電圧制御装置7を用いてヒドロキシルラジカルの発生反応を制御する。
That is, in this embodiment, the electron production ability of the microorganisms 5 growing on the surface of the
一般的な微生物燃料電池のカソード反応では、アノード4から供給された4つの電子と、酸素1分子とを反応させ、4つの水酸化物イオンを作る。そして、最終的にプロトンと反応して水へと中和する(4電子還元反応、下記反応式(1)参照)。
O2+4H++4e− → 2H2O ……(1)
In a general microbial fuel cell cathode reaction, four electrons supplied from the
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (1)
一方、本実施形態では、下記反応式(2)、(3)に示すように、カソード4の表面で3電子還元反応を行い、酸化・殺菌力のあるヒドロキシルラジカルを発生させる。そして、発生させたヒドロキシルラジカルにより、カソード4の表面に微生物5が付着しないように抑制または防止し、さらには付着した微生物5の活動を阻害または殺菌する。なお、ヒドロキシルラジカルは、不対電子を持っており、一般的に不安定であることから、カソード4の表面に付着した有機性異物と反応して速やかに消費されるため、残留性はない。そのため、抗菌剤のような耐性菌誘発の心配もない。さらに、ヒドロキシルラジカルと反応した有機性異物は親水化するとともに、分子鎖が切断されて低分子化して溶解除去される。それらの結果として、余剰汚泥発生量を低減する効果が得られる。
O2 −+2H++2e− → H2O2 ……(2)(2電子還元反応)
H2O2+e− → OH−+・OH ……(3)(3電子還元反応)
On the other hand, in this embodiment, as shown in the following reaction formulas (2) and (3), a three-electron reduction reaction is performed on the surface of the
O 2 − + 2H + + 2e − → H 2 O 2 (2) (2-electron reduction reaction)
H 2 O 2 + e − → OH − + · OH (3) (3-electron reduction reaction)
なお、本実施形態においては、反応式(2)、(3)による化学反応が得られればよく、反応式(1)が同時に進行するものであってもよい。電圧制御装置7で印加する電圧は、用いるカソード4の材料やこれに用いられる触媒の有無、触媒の種類など、カソード4の構成によって異なる。従って、事前に実験等を行い、酸素分子を電気化学的に還元した場合の特性を計測して、反応式(2)、(3)を進行させ、ヒドロキシルラジカルを発生させる電位を計測し、それを所望のカソード電極電位となるように設定するのが好ましい。なお、一例を挙げて説明すると、Pt系触媒を塗工した炭素系材料を用いた場合、電圧制御装置7で印加する電圧は、例えば、0.1〜2.6Vとするのが好ましく、0.7Vとするのがより好ましい。このようなカソード4に対して前記電圧値で電圧を印加すると、3電子還元反応を行うことができる。このように、本実施形態では、電圧制御装置7を用いて外部電圧を印加することで還元反応を制御する。すなわち、カソード4に印加する電圧がヒドロキシルラジカルを発生させる3電子還元反応を引き起こすために必要な電圧(約0.7V vs SHE)となるように外部から制御する。なお、SHEは、Standard Hydrogen Electrode(標準水素電極)の略である。
In the present embodiment, the chemical reaction according to the reaction formulas (2) and (3) may be obtained, and the reaction formula (1) may proceed simultaneously. The voltage applied by the
前記した電圧は、排水処理を行っているあいだ、常時または適時印加することができる。前記した電圧を常時印加する場合、常に微生物5がカソード4に付着することを防止できる。また、前記した電圧を適時印加する場合、微生物5のカソード4への付着量が増えたら、前記した電圧を印加して微生物5を殺菌等し、微生物5がカソード4に付着することを防止できる。この場合、電圧制御装置7による消費電力量を抑制することができる。なお、本実施形態では、アノード3での微生物5の活性が低いときにカソード4の電極電位の調節を行うようにしてもよい。このようにすると、被処理水2中の酸素濃度を低減させて被処理水2を嫌気的に保つことができ、微生物5の活性を高めることができる。
The voltage described above can be applied constantly or in a timely manner during waste water treatment. When the above-described voltage is always applied, the microorganisms 5 can always be prevented from adhering to the
微生物5のカソード4への付着量の多寡は、微生物燃料電池によって得られる発電量を測定することで把握することができる。すなわち、微生物5のカソード4への付着量が少ないと発電量は多くなり、微生物5のカソード4への付着量が多いと発電量は少なくなる。なお、本実施形態における「適時」には、発電量をもとに適宜のタイミングで前記した電圧を印加することはもちろんのこと、一定の時間間隔で一定時間前記した電圧を印加することも含まれる。カソード4の電圧の制御を適時行う場合、プログラム等で電圧制御装置7を作動させることで実施可能であるが、手動操作で任意に実施することも可能である。
The amount of the microorganisms 5 attached to the
また、図1に示すように、電圧制御装置7は、Vc測定外部回路9を備えているのが好ましい。Vc測定外部回路9は、被処理水2中に配される参照電極8およびカソード4と接続されており、これらを結ぶ回路上の任意の箇所にVc制御外部回路10を有している。Vc制御外部回路10は、電圧制御装置7と接続されている。Vc制御外部回路10は、参照電極8およびVc測定外部回路9で測定されたカソード電極電位Vcに応じて電圧制御装置7をフィードバック制御する。つまり、電圧制御装置7は、Vc制御外部回路10を備えることにより、カソード4の電位を正確に把握することができ、外部回路6の負荷を任意に調節できるので、前記した3電子還元反応を行うことが可能となる。
なお、フィードバック制御は、例えば、参照電極8等により測定されたカソード4の電圧値が、予め設定された設定値よりも低ければ、抵抗値を上げて(電流値を下げて)電圧値を上げ、設定値よりも高ければ抵抗値を下げて(電流値を上げて)電圧値を下げることが挙げられる。
As shown in FIG. 1, the
In the feedback control, for example, if the voltage value of the
参照電極8と、フィードバック制御を行うVc測定外部回路9と、Vc制御外部回路10とを有する電圧制御装置7として、例えば、電気化学反応制御用として市販されているポテンショスタットを好適に用いることができる。なお、ポテンショスタットを用いない場合は、図1に示す如く外部回路6、Vc測定外部回路9、およびVc制御外部回路10を組み合わせることで同様の装置を構成することができる。
As the
このような構成の微生物付着防止装置100は、外部回路6に接続されている電圧制御装置7を用いて外部回路6の両端、すなわちアノード3およびカソード4にかかる電圧を制御する操作を常時または適時(定期的に)実施することによって、間接的に、カソード電極電位Vcが一定の値となる状態を維持する。この状態で、アノード3に付着する微生物5が処理水槽1に供給された被処理水2中の有機物を代謝する。有機物を代謝する過程で産出した電子は、外部回路6を経由してカソード4へ到達し、上述した原理で微生物燃料電池の回路が成立する。
The microorganism
このとき、従来の微生物燃料電池では前記反応式(1)が進行するが、本実施形態では、外部回路6に設置された電圧制御装置7を用いてカソード4に印加される電圧を調整するため、前記反応式(2)、(3)が進行し、カソード4の表面や周囲にヒドロキシルラジカルが発生する。発生したヒドロキシルラジカルによって、微生物5の活動が阻害され、または殺菌されるため、当該微生物5がカソード4に付着するのを防止できる。
また、このようにして発生したヒドロキシルラジカルは、前記したように、カソード4の表面に付着した有機性異物と反応して溶解除去させる。そのため、被処理水2とカソード4との間や、アノード3とカソード4との間の抵抗を低減させる。これにより、アノード3での微生物5による有機物処理の際に発生する余剰電子を効率的に消費できるようになり、微生物5の活動レベルおよびその他の付随する性能を高く、安定的に維持することができる。
At this time, although the reaction formula (1) proceeds in the conventional microbial fuel cell, in this embodiment, the voltage applied to the
Further, the hydroxyl radical generated in this way reacts with the organic foreign matter adhering to the surface of the
(排水処理装置)
次に、図1を参照して本実施形態に係る排水処理装置について説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る排水処理装置300は、前記した本実施形態に係る微生物付着防止装置100を有したものである。すなわち、この排水処理装置300は、処理水槽1に、微生物付着防止装置100の構成要素であるアノード3と、カソード4と、電圧制御装置7と、を有したものである。
(Wastewater treatment equipment)
Next, the waste water treatment apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the
処理水槽1は、排水処理に用いられている一般的なものを用いることができるが、前記したように、壁部の少なくとも一部にカソード4が設けられているのが好ましい。なお、アノード3、カソード4、および電圧制御装置7は前記と同様であるので詳細な説明を省略する。
The
処理水槽1への被処理水2の供給は、図示しないポンプなどを使用して連続的に行ってもよく、回分的に行ってもよい。処理水槽1の水量は、アノード3が被処理水2に浸っている状況とするのが好ましい。なお、処理水槽1で処理された処理水は、図示しない排出口から処理水槽1外に排出される。
Supply of the to-
(他の実施形態)
本実施形態に係る微生物付着防止装置は、新造する排水処理装置に適用できるだけでなく、既存の排水処理装置を改修したり、後付けしたりすることもできる。
本実施形態に係る微生物付着防止装置を排水処理装置に後付けする場合、例えば、図2に示すように、処理水槽の壁部に前記したカソードを設ける替わりに、カソード4を備えた空気槽41を処理水2中に設けることが挙げられる。なお、図2は、他の実施形態に係る微生物付着防止装置200を有する排水処理装置400の構成を説明する概略構成図である。
(Other embodiments)
The microorganism adhesion preventing apparatus according to the present embodiment can be applied not only to a newly constructed wastewater treatment apparatus, but also can be used to retrofit or retrofit an existing wastewater treatment apparatus.
When retrofitting the microbial adhesion preventing apparatus according to the present embodiment to a wastewater treatment apparatus, for example, as shown in FIG. 2, instead of providing the cathode on the wall of the treated water tank, an
空気槽41は、壁部の一部または全部に、一方の面が被処理水2と接触し、他方の面が空気と接触するようにカソード4が設けられている。図2に示す空気槽41の上部は開口しており、内側42はこの開口から空気の入出を自由に行えるようになっている。従って、微生物付着防止装置200のカソード4は、一方の面で前記した化学反応を行いつつ、他方の面から空気を取り込むことができ、前記反応式(2)、(3)を進行させることができる。そのため、この微生物付着防止装置200も微生物5がカソード4に付着することを防止できる。なお、空気槽41は、内側42に空気を送り込む送風ファンや内側42の空気を排出する排気ファン(いずれも図示せず)が設けられていると、内側42に十分な酸素を供給できるので好ましい。
The
次に、本発明の効果を確認した確認実験について説明する。
水槽容積25Lの処理水槽にアノード、カソード、参照電極、およびこれらを接続する3つの外部回路を設置した。アノードは、カーボンフェルトを使用し、カソードは、Pt系触媒が塗工された炭素系材料を使用した。
第1の外部回路は、カソードと参照電極の間に設け、その両者の間の電位差(カソード電極電位Vc)を計測するための高インピーダンス回路である。
第2の外部回路は、アノードとカソードとを接続してアノードで発生した余剰電子をカソードで消費させるための回路である。
また、第1の外部回路で計測されたカソード電極電位Vcの値を参照し、そのVc値が所望の値となるように、第2の外部回路の両端にかかる電圧を制御する電圧制御装置を含む第3の外部回路(オペアンプを使ったフィードバック制御回路)も設置した。
なお、本実施例では、第1、第2、第3の外部回路を複合してなるユニットとしてポテンショスタットを用いた。
有機物含有排水として公共下水を使用し、有機物濃度はCODで50〜100mg/Lであった。
Next, a confirmation experiment for confirming the effect of the present invention will be described.
An anode, a cathode, a reference electrode, and three external circuits connecting them were installed in a treated water tank having a water tank volume of 25 L. A carbon felt was used for the anode, and a carbon-based material coated with a Pt-based catalyst was used for the cathode.
The first external circuit is a high impedance circuit that is provided between the cathode and the reference electrode and measures a potential difference (cathode electrode potential Vc) between the two.
The second external circuit is a circuit for connecting the anode and the cathode and consuming surplus electrons generated at the anode at the cathode.
In addition, a voltage control device that refers to the value of the cathode electrode potential Vc measured in the first external circuit and controls the voltage applied to both ends of the second external circuit so that the Vc value becomes a desired value. A third external circuit (a feedback control circuit using an operational amplifier) was also installed.
In this embodiment, a potentiostat is used as a unit formed by combining the first, second, and third external circuits.
Public sewage was used as organic matter-containing wastewater, and the organic matter concentration was 50 to 100 mg / L in terms of COD.
本実施例で使用したカソードのヒドロキシルラジカル発生電位が0.7Vであるので、所望のカソード電極電位Vcを0.7Vとし、カソード電極電位Vcが0.7Vとなるようにポテンショスタットを設定して運転した。 Since the hydroxyl radical generation potential of the cathode used in this example is 0.7 V, the desired cathode electrode potential Vc is set to 0.7 V, and the potentiostat is set so that the cathode electrode potential Vc is 0.7 V. Drove.
その結果、第3の外部回路の機能を使用して、カソード電極電位Vcが0.7Vとなるように制御しながら運転を続けた結果、カソード表面への異物の付着は発生しないことが確認された(実施例)。
一方、第3の外部回路の機能を停止して、カソード電極電位Vcのフィードバック制御を停止すると、カソード表面に顕著に異物が付着することが確認された(比較例)。なお、当該異物には細胞外電子伝達を有する微生物が含まれていた。
As a result, using the function of the third external circuit and continuing the operation while controlling the cathode electrode potential Vc to be 0.7 V, it was confirmed that no foreign matter adhered to the cathode surface. (Example).
On the other hand, when the function of the third external circuit was stopped and the feedback control of the cathode electrode potential Vc was stopped, it was confirmed that the foreign matter was remarkably adhered to the cathode surface (comparative example). In addition, the said foreign material contained the microorganisms which have extracellular electron transfer.
また、カソード表面への異物の付着が生じなかった影響は微生物燃料電池としての出力にも現れた。具体的には、アノードとカソードとを接続してなる第2の外部回路に外部出力として取り出された発電出力は、第3の外部回路の機能を使用しながら運転した場合(実施例)と第3の外部回路を使用せずに運転した場合(比較例)とで大きく異なっていた。その結果を図3に示す。なお、図3は、実施例と比較例における発電出力比を示すグラフである。図3に示すように、実施例の発電出力は、比較例と比較して5倍以上増大する結果となった。 In addition, the effect that foreign matter did not adhere to the cathode surface also appeared in the output of the microbial fuel cell. Specifically, the power generation output taken out as an external output to the second external circuit formed by connecting the anode and the cathode is operated when using the function of the third external circuit (Example) and When the operation was performed without using the external circuit 3 (comparative example), the difference was greatly different. The result is shown in FIG. In addition, FIG. 3 is a graph which shows the power generation output ratio in an Example and a comparative example. As shown in FIG. 3, the power generation output of the example increased 5 times or more compared to the comparative example.
以上、本発明に係る微生物付着防止装置、微生物付着防止方法、排水処理装置および排水処理方法について実施形態および実施例により詳細に説明したが、本発明は前記した実施形態および実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や実施例の構成の一部を他の実施形態や実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や実施例の構成に他の実施形態や実施例の構成を加えることも可能である。また、それぞれの実施形態や実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 As described above, the microorganism adhesion preventing apparatus, the microorganism adhesion preventing method, the wastewater treatment apparatus, and the wastewater treatment method according to the present invention have been described in detail with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is limited to the above-described embodiments and examples. It is not a thing and various modifications are included. For example, the above-described embodiments and examples have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Also, a part of the configuration of an embodiment or example can be replaced with the configuration of another embodiment or example, and the configuration of another embodiment or example can be replaced with that of another embodiment or example. It is also possible to add a configuration. In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment or example.
1 処理水槽
2 被処理水(排水)
3 アノード
4 カソード
5 微生物(細胞外電子伝達能を有する微生物)
6 外部回路
7 電圧制御装置
8 参照電極
9 Vc測定外部回路
10 Vc制御外部回路
100、200 微生物付着防止装置
300、400 排水処理装置
1 treated
3
6
Claims (6)
一部が前記被処理水と接触し、他の一部が空気と接触するカソードと、
前記アノードおよび前記カソードと接続され、前記カソードの表面にヒドロキシルラジカルを発生させる電圧を印加する電圧制御装置と、
を有することを特徴とする微生物付着防止装置。 An anode disposed in the water to be treated;
A cathode partly in contact with the treated water and the other part in contact with air;
A voltage control device that is connected to the anode and the cathode and applies a voltage for generating hydroxyl radicals on the surface of the cathode;
A device for preventing microbial adhesion, comprising:
前記電圧が、0.7Vであることを特徴とする微生物付着防止装置。 In claim 1,
The microorganism adhesion prevention device, wherein the voltage is 0.7V.
前記電圧を常時または適時印加することを特徴とする微生物付着防止装置。 In claim 1,
A microorganism adhesion preventing apparatus characterized by applying the voltage constantly or in a timely manner.
前記処理水槽に収容される前記被処理水中に配されるアノードと、
一部が前記被処理水と接触し、他の一部が空気と接触するカソードと、
前記アノードおよび前記カソードと接続され、前記カソードの表面にヒドロキシルラジカルを発生させる電圧を印加する電圧制御装置と、
を有することを特徴とする排水処理装置。 A treated water tank for storing the treated water;
An anode disposed in the treated water stored in the treated water tank;
A cathode partly in contact with the treated water and the other part in contact with air;
A voltage control device that is connected to the anode and the cathode and applies a voltage for generating hydroxyl radicals on the surface of the cathode;
A wastewater treatment apparatus comprising:
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