JP2020082006A - Liquid treatment system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体処理システムに関する。 The present invention relates to liquid treatment systems.
近年、持続可能なエネルギーとして、バイオマスを利用して発電をする微生物燃料電池が注目されている。微生物燃料電池は、生活廃水や工場廃水に含まれる有機性物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機性物質を酸化分解して処理する廃水処理装置である。そして、微生物燃料電池は、汚泥の発生が少なく、さらにエネルギー消費が少ない特徴を有する。 In recent years, microbial fuel cells that generate electricity using biomass have been attracting attention as sustainable energy. A microbial fuel cell is a wastewater treatment device that converts chemical energy of organic substances contained in domestic wastewater and industrial wastewater into electric energy, and oxidatively decomposes and treats the organic substances. In addition, the microbial fuel cell has features that the amount of sludge generated is small and the energy consumption is small.
微生物燃料電池は、微生物を担持する負極と、酸素を含む気相及び電解液(廃水)に接触する正極とを有する。そして、有機性物質などを含有する電解液を負極に供給するとともに、酸素を含んだ気体を正極に供給する。負極及び正極は、負荷回路を介して相互に接続することにより閉回路を形成する。負極では、嫌気性微生物の触媒作用により電解液から水素イオン及び電子が生成される。そして、生成した水素イオンは電解液を介して正極へ移動し、電子は負荷回路を介して正極へ移動する。負極から移動した水素イオン及び電子は正極において酸素と結合し、水となって消費される。その際に、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。 The microbial fuel cell has a negative electrode supporting microorganisms, and a positive electrode in contact with a gas phase containing oxygen and an electrolytic solution (wastewater). Then, while supplying an electrolytic solution containing an organic substance and the like to the negative electrode, a gas containing oxygen is supplied to the positive electrode. The negative electrode and the positive electrode form a closed circuit by connecting to each other via a load circuit. At the negative electrode, hydrogen ions and electrons are generated from the electrolytic solution by the catalytic action of anaerobic microorganisms. Then, the generated hydrogen ions move to the positive electrode via the electrolytic solution, and the electrons move to the positive electrode via the load circuit. Hydrogen ions and electrons transferred from the negative electrode combine with oxygen in the positive electrode and are consumed as water. At that time, the electric energy flowing through the closed circuit is recovered.
上記のような微生物燃料電池として、特許文献1に記載の微生物燃料電池が知られている。特許文献1には、負電極及び正電極を備え、入出孔経由で密閉型中空カセット内に酸素を供給しつつ負電極及び正電極を電気的に接続する回路経由で電気を取り出してなる微生物燃料電池が記載されている。負電極は、有機性基質に浸漬して嫌気性微生物を担持している。正電極は、少なくとも一部分がイオン透過性隔膜で形成された外殻と入出孔とを有する密閉型中空カセット内に電解液と共に封入され又は当該カセットの隔膜の内側に結合して、有機性基質中に差し込まれている。 As the above-mentioned microbial fuel cell, the microbial fuel cell described in Patent Document 1 is known. Patent Document 1 discloses a microbial fuel that includes a negative electrode and a positive electrode, and supplies electricity to a closed hollow cassette through an inlet/outlet hole while extracting electricity through a circuit that electrically connects the negative electrode and the positive electrode. Batteries are listed. The negative electrode is immersed in an organic substrate and carries anaerobic microorganisms. The positive electrode is enclosed with an electrolytic solution in a closed hollow cassette having an outer shell and an inlet/outlet hole formed at least in part by an ion-permeable diaphragm, or is bonded to the inside of the diaphragm of the cassette to form an organic substrate. Is plugged into.
特許文献1の微生物燃料電池によれば、電流生成菌によって、廃水中の有機性物質が分解されて、電流が生成される。しかしながら、廃水中には、有機性物質だけでなく、リン化合物も多く含まれている。廃水中のリン化合物が自然環境に流出すると、富栄養化が進み、赤潮などが発生する原因となる。そのため、有機性物質だけでなく、廃水からリンを除去することも求められている。 According to the microbial fuel cell of Patent Document 1, the current-producing bacteria decompose the organic substances in the wastewater to generate an electric current. However, the wastewater contains a large amount of phosphorus compounds as well as organic substances. When phosphorus compounds in wastewater flow out into the natural environment, eutrophication progresses, causing red tides. Therefore, it is required to remove phosphorus from wastewater as well as organic substances.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、電解液中の有機性物質を除去し、かつ、リンも除去することが可能な液体処理システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems of the conventional technology. Then, an object of the present invention is to provide a liquid treatment system capable of removing an organic substance in an electrolytic solution and also removing phosphorus.
上記課題を解決するために、本発明の態様に係る液体処理システムは、有機性物質及びリン化合物を含む電解液を保持する第一電解液槽を備える。液体処理システムは、電解液を第一電解液槽に供給する第一供給部と、第一電解液槽内の電解液を第一電解液槽から排出する第一排出部と、を備える。液体処理システムは、第一電解液槽内の電解液に接触し、酸素を含む気相と接触する正極と、第一電解液槽内の電解液に接触し、正極と電気的に接続され、嫌気性微生物を担持する負極と、を備える。液体処理システムは、第一電解液槽よりも下流側に設けられ、第一電解液槽から排出された電解液を保持する第二電解液槽を備える。液体処理システムは、第一電解液槽から排出された電解液を第二電解液槽に供給する第二供給部と、第二電解液槽内の電解液を排出する第二排出部と、第二電解液槽内の電解液に酸素を供給する酸素供給部と、を備える。そして、第二排出部を通る電解液のリン酸イオン濃度は、第一供給部を通る電解液のリン酸イオン濃度よりも低い。 In order to solve the above problems, a liquid processing system according to an aspect of the present invention includes a first electrolytic solution tank that holds an electrolytic solution containing an organic substance and a phosphorus compound. The liquid processing system includes a first supply unit that supplies the electrolytic solution to the first electrolytic solution tank, and a first discharge unit that discharges the electrolytic solution in the first electrolytic solution tank from the first electrolytic solution tank. The liquid processing system is in contact with the electrolytic solution in the first electrolytic solution tank, the positive electrode in contact with the gas phase containing oxygen, and the electrolytic solution in the first electrolytic solution tank, and is electrically connected to the positive electrode. A negative electrode carrying anaerobic microorganisms. The liquid processing system includes a second electrolytic solution tank that is provided on the downstream side of the first electrolytic solution tank and holds the electrolytic solution discharged from the first electrolytic solution tank. The liquid treatment system includes a second supply unit that supplies the electrolytic solution discharged from the first electrolytic solution tank to the second electrolytic solution tank, a second discharge unit that discharges the electrolytic solution in the second electrolytic solution tank, and (2) An oxygen supply unit that supplies oxygen to the electrolytic solution in the electrolytic solution tank. The phosphate ion concentration of the electrolytic solution passing through the second discharging part is lower than the phosphate ion concentration of the electrolytic solution passing through the first supplying part.
本開示によれば、電解液中の有機性物質を除去し、かつ、リンも除去することが可能な液体処理システムを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a liquid treatment system capable of removing an organic substance in an electrolytic solution and also removing phosphorus.
以下、本実施形態に係る液体処理システムについて詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, the liquid processing system according to this embodiment will be described in detail. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.
[第一実施形態]
電解液からリンを除去する方法としては、薬剤を用いてリンを沈澱及び分離する物理化学的除去法、並びに、ポリリン酸蓄積細菌を活用する生物学的除去法が知られている。物理化学的除去は、安定してリンを除去することができるものの、薬剤を使用する必要があり、汚泥の発生量も多くなる傾向にある。
[First embodiment]
As a method of removing phosphorus from an electrolytic solution, a physicochemical removal method of precipitating and separating phosphorus using a drug, and a biological removal method of utilizing polyphosphate-accumulating bacteria are known. Physicochemical removal can remove phosphorus in a stable manner, but it requires the use of chemicals and tends to increase the amount of sludge generated.
そこで、本実施形態に係る液体処理システムでは、生物学的除去法によって電解液からリンを除去している。具体的には、図1及び図2に示すように、液体処理システムAは、有機性物質及びリン化合物を含む電解液3を保持する第一電解液槽1を備えている。第一電解液槽1に保持される電解液3は、例えば生活廃水や工場廃水などの廃水である。
Therefore, in the liquid treatment system according to this embodiment, phosphorus is removed from the electrolytic solution by the biological removal method. Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the liquid processing system A includes a first electrolytic solution tank 1 that holds an
液体処理システムAは、電解液3を第一電解液槽1に供給する第一供給部5を備えている。液体処理システムAは、第一電解液槽1内の電解液3を第一電解液槽1から排出する第一排出部6を備えている。第一電解液槽1は略直方体状の容器であり、第一電解液槽1の前壁1aの上部に第一供給部5が設けられている。また、第一電解液槽1の後壁1bの上部に第一排出部6が設けられている。
The liquid processing system A includes a first supply unit 5 that supplies the
液体処理システムAは、第一電解液槽1内の電解液3に接触し、酸素を含む気相Gと接触する正極10を備えている。具体的には、正極は、第一電解液槽1内の電解液に浸漬されている。また、液体処理システムAは、第一電解液槽1内の電解液3に接触し、正極10と電気的に接続され、嫌気性微生物を担持する負極20を備えている。具体的には、負極20は、第一電解液槽1内の電解液3に浸漬されている。具体的には、液体処理システムAは、正極10及び負極20を有する電極カセット100を備えており、電極カセット100は第一電解液槽1の内部で電解液3に浸漬するように配置されている。そして、後述するように、電極カセット100によって、第一電解液槽1内の電解液3に含まれる有機性物質が分解される。第一電解液槽1に保持された電解液3は、嫌気性微生物が活動できるように嫌気条件となっている。
The liquid processing system A includes a
液体処理システムAは、第一電解液槽1よりも下流側に設けられ、第一電解液槽1から排出された電解液3を保持する第二電解液槽2を備えている。そして、液体処理システムAは、第一電解液槽1から排出された電解液3を第二電解液槽2に供給する第二供給部7と、第二電解液槽2内の電解液3を排出する第二排出部8と、を備えている。第二電解液槽2は略直方体状の容器であり、第二電解液槽2の前壁2aの上部に第二供給部7が設けられている。また、第二電解液槽2の後壁2bの上部に第二排出部8が設けられている。
The liquid processing system A includes a second
そして、電解液3は、第一供給部5、第一電解液槽1、第一排出部6、第二供給部7、第二電解液槽2及び第二排出部8を順番に通過するように、液体処理システムAが構成されている。なお、第一供給部5、第一排出部6、第二供給部7及び第二排出部8は、電解液3を第一電解液槽1又は第二電解液槽2に供給又は排出することができれば、第一電解液槽1及び第二電解液槽2の壁部に設けられている必要はない。第一供給部5、第一排出部6、第二供給部7及び第二排出部8は、例えば、第一電解液槽1及び第二電解液槽2の上方に配置されていてもよい。また、本実施形態では、第一排出部6及び第二供給部7が円筒状の連結管4によって構成されているが、第一排出部6及び第二供給部7はそれぞれ異なる部材で構成されていてもよく、連結管4のように単一の部材により構成されていてもよい。
Then, the
液体処理システムAは、第二電解液槽2内の電解液3に酸素を供給する酸素供給部200を備えている。具体的には、酸素供給部200は第二電解液槽2の内部で電解液3に浸漬するように配置される。したがって、第二電解液槽2内に保持された電解液3には、酸素供給部200によって酸素が供給され、第二電解液槽2内に保持された電解液3は好気条件となっている。
The liquid processing system A includes an
本実施形態に係る液体処理システムAでは、リンを蓄積する細菌によって電解液3からリンが除去される。具体的には、ポリリン酸蓄積細菌(polyphosphate accumulating organisms)などの微生物を用いた生物学的リン除去法により、電解液3中のリンを除去するものである。ポリリン酸蓄積細菌は、体内に高濃度のポリリン酸を蓄積することができる細菌であればよく、例えば、Acinetobacter属細菌、Arthrobacter属細菌及びPseudomonas属細菌などからなる群より選択される少なくとも1種の細菌であってもよい。
In the liquid processing system A according to this embodiment, phosphorus is removed from the
ポリリン酸蓄積細菌は、酸素濃度が低い嫌気条件でリンを体外に放出し、酸素濃度が高い好気条件でリンを体内に取り込む性質を有する。上述したように、本実施形態に係る液体処理システムAでは、上流側に設けられた第一電解液槽1内の電解液3を嫌気条件とし、下流側に設けられた第二電解液槽2内の電解液3を好気条件としている。そして、ポリリン酸蓄積細菌が第一電解液槽1に保持された電解液3及び第二電解液槽2に保持された電解液3に含まれている。
The polyphosphate-accumulating bacterium has the property of releasing phosphorus to the outside of the body under anaerobic conditions where the oxygen concentration is low, and taking up phosphorus into the body under aerobic conditions where the oxygen concentration is high. As described above, in the liquid processing system A according to the present embodiment, the
そのため、ポリリン酸蓄積細菌は、第一電解液槽1に保持された電解液3内ではリンを体外に放出するものの、第二電解液槽2に保持された電解液3内では第一電解液槽1で放出した量以上のリンを体内に取り込む。電解液3内のリンはポリリン酸蓄積細菌内で濃縮されるため、このポリリン酸蓄積細菌を電解液3から除去することで、電解液3内のリンが除去される。
Therefore, the polyphosphoric acid-accumulating bacteria release phosphorus outside the body in the
したがって、第二排出部8を通る電解液3のリン酸イオン濃度は、第一排出部6を通る電解液3のリン酸イオン濃度よりも低い。また、第二排出部8を通る電解液3のリン酸イオン濃度は、第一供給部5を通る電解液3のリン酸イオン濃度よりも低い。なお、リン酸イオン濃度は、濾過された電解液3に溶存したリン酸イオンの濃度である。リン酸イオン濃度は、例えば、日本工業規格JIS K0102:2016(工場排水試験方法)に規定に準じ、モリブデン青吸光光度法などの方法によって測定することができる。
Therefore, the phosphate ion concentration of the
[電極カセット]
図1〜図3に示すように、電極カセット100は、正極10、負極20及びイオン移動層30からなる電極接合体40を備えている。電極カセット100では、イオン移動層30の一方の面30aに負極20が接触するように配置されており、イオン移動層30の面30aと反対側の面30bに正極10が接触するように配置されている。
[Electrode cassette]
As shown in FIGS. 1 to 3, the
図3に示すように、電極接合体40は、カセット基材50Aに積層されている。カセット基材50Aは、正極10における面10aの外周部に沿うU字状の枠部材であり、上部が開口している。つまり、カセット基材50Aは、2本の第一柱状部材51の底面を第二柱状部材52で連結した枠部材である。そして、図2に示すように、カセット基材50Aの側面53は、正極10の面10aの外周部と接合されている。
As shown in FIG. 3, the
図2に示すように、二組の電極接合体40とカセット基材50Aとを積層してなる電極カセット100は、大気と連通した気相Gが形成されるように、第一電解液槽1の内部に配置される。第一電解液槽1の内部には被処理水である電解液3が保持されており、正極10のガス拡散層12、負極20及びイオン移動層30は電解液3に浸漬されている。
As shown in FIG. 2, the
後述するように、正極10は撥水性を有する撥水層11を備えている。そのため、第一電解液槽1の内部に保持された電解液3とカセット基材50Aの内部とは隔てられ、電極接合体40及びカセット基材50Aにより形成された内部空間は気相Gとなっている。そして、液体処理システムAでは、この気相Gが外気に開放されるか、あるいはこの気相Gへ例えばポンプによって外部から空気が供給されるように構成されている。また、図2に示すように、正極10及び負極20は、それぞれ外部回路60と電気的に接続されている。
As described below, the
(正極)
本実施形態に係る正極10は、図2に示すように、撥水層11と、撥水層11に接触するように重ねられているガス拡散層12とを備えるガス拡散電極からなる。そして、正極10のガス拡散層12がイオン移動層30と接触し、撥水層11が気相G側に露出している。このような薄板状のガス拡散電極を用いることにより、気相G中の酸素を正極10中の触媒に容易に供給することが可能となる。
(Positive electrode)
As shown in FIG. 2, the
<撥水層>
正極10における撥水層11は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層11は、電極カセット100における電気化学系中の気相Gと液相とを良好に分離しながら、気相Gから液相へ向かう酸素の移動を許容するように構成される。つまり、撥水層11は、気相G中の酸素を透過し、ガス拡散層12へ移動させつつも、電解液3が気相G側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。
<Water repellent layer>
The water repellent layer 11 in the
撥水層11は、酸素を含む気相Gと接触しており、気相G中の酸素を拡散している。そして、撥水層11は、図2に示す構成では、ガス拡散層12に対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層11は、当該酸素を拡散できるように多孔質体であることが好ましい。なお、撥水層11は撥水性を有するため、結露等により多孔質体の細孔が閉塞し、酸素の拡散性が低下することを抑制できる。また、撥水層11の内部に電解液3が染み込み難いため、撥水層11における気相Gと接触する面からガス拡散層12と対向する面にかけて、酸素を効率的に流通させることが可能となる。
The water-repellent layer 11 is in contact with the gas phase G containing oxygen and diffuses oxygen in the gas phase G. In the structure shown in FIG. 2, the water repellent layer 11 supplies oxygen to the gas diffusion layer 12 substantially uniformly. Therefore, the water repellent layer 11 is preferably a porous body so that the oxygen can be diffused. Since the water-repellent layer 11 has water repellency, it is possible to prevent the pores of the porous body from being clogged due to dew condensation or the like, thereby reducing the oxygen diffusivity. Further, since the
撥水層11は、織布又は不織布によりシート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層11を構成する材料は、撥水性を有し、気相G中の酸素を拡散できれば特に限定されない。撥水層11を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチルセルロース、ポリ−4−メチルペンテン−1、ブチルゴム及びポリジメチルシロキサン(PDMS)などのシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。これらの材料は多孔質体を形成しやすく、さらに撥水性も高いため、細孔の閉塞を抑制してガス拡散性を向上させることができる。なお、撥水層11は、撥水層11及びガス拡散層12の積層方向Xに貫通する複数の貫通孔を有することが好ましい。 The water-repellent layer 11 is preferably formed of a woven or non-woven fabric into a sheet shape. The material forming the water-repellent layer 11 is not particularly limited as long as it has water repellency and can diffuse oxygen in the gas phase G. Examples of the material forming the water repellent layer 11 include polyethylene, polypropylene, polybutadiene, nylon, polytetrafluoroethylene (PTFE), ethyl cellulose, poly-4-methylpentene-1, butyl rubber and polydimethylsiloxane (PDMS). At least one selected from the group consisting of silicone can be used. Since these materials easily form a porous body and have high water repellency, it is possible to suppress clogging of pores and improve gas diffusivity. The water-repellent layer 11 preferably has a plurality of through holes penetrating in the stacking direction X of the water-repellent layer 11 and the gas diffusion layer 12.
撥水層11は撥水性を高めるために、必要に応じて撥水剤を用いて撥水処理を施してもよい。具体的には、撥水層11を構成する多孔質体にポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を付着させ、撥水性を向上させてもよい。 The water-repellent layer 11 may be subjected to water-repellent treatment using a water-repellent agent, if necessary, in order to enhance the water repellency. Specifically, water repellency may be improved by attaching a water repellent agent such as polytetrafluoroethylene to the porous body forming the water repellent layer 11.
<ガス拡散層>
正極10におけるガス拡散層12は、多孔質な導電性材料と、この導電性材料に担持されている触媒とを備えることが好ましい。なお、ガス拡散層12が、多孔質かつ導電性を有する触媒から構成されてもよい。正極10にこのようなガス拡散層12を使用することで、後述する局部電池反応により生成した電子を触媒と外部回路60との間で導通させることが可能となる。つまり、後述するように、ガス拡散層12には触媒が担持されており、さらに触媒は酸素還元触媒である。そして、電子が外部回路60からガス拡散層12を通じて触媒に移動することにより、触媒によって、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を進行させることが可能となる。
<Gas diffusion layer>
The gas diffusion layer 12 in the
正極10では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層11及びガス拡散層12を効率よく透過し、触媒に供給されることが好ましい。そのため、ガス拡散層12は、撥水層11と対向する面から反対側の面にかけて、酸素が透過する細孔を多数有する多孔質体であることが好ましい。また、ガス拡散層12の形状は、三次元のメッシュ状であることが特に好ましい。このようなメッシュ状であることにより、ガス拡散層12に対し、高い酸素透過性及び導電性を付与することが可能となる。
In the
正極10において、ガス拡散層12に効率的に酸素を供給するために、撥水層11は、接着剤を介してガス拡散層12と接合していることが好ましい。これにより、ガス拡散層12に対して拡散した酸素が直接供給され、酸素還元反応を効率的に行うことができる。接着剤は、撥水層11とガス拡散層12との間の接着性を確保する観点から、撥水層11とガス拡散層12との間の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。ただ、撥水層11とガス拡散層12との間の接着性を高め、長期間に亘り安定的に酸素をガス拡散層12に供給する観点から、接着剤は撥水層11とガス拡散層12との間の全面に設けられていることがより好ましい。
In the
接着剤としては酸素透過性を有するものが好ましく、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。 The adhesive preferably has oxygen permeability and contains at least one selected from the group consisting of polymethylmethacrylate, methacrylic acid-styrene copolymer, styrene-butadiene rubber, butyl rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber and silicone. A resin can be used.
ここで、本実施形態における正極10のガス拡散層12について、さらに詳しく説明する。上述のように、ガス拡散層12は、多孔質な導電性材料と、当該導電性材料に担持されている触媒とを備えるような構成とすることができる。
Here, the gas diffusion layer 12 of the
ガス拡散層12における導電性材料は、例えば炭素系物質、導電性ポリマー、半導体及び金属からなる群より選ばれる一種以上の材料から構成することができる。ここで、炭素系物質とは、炭素を構成成分とする物質をいう。炭素系物質の例としては、例えば、グラファイト、活性炭、カーボンブラック、バルカン(登録商標)XC−72R、アセチレンブラック、ファーネスブラック、デンカブラックなどのカーボンパウダー、グラファイトフェルト、カーボンウール、カーボン織布などのカーボンファイバー、カーボンプレート、カーボンペーパー、カーボンディスク、カーボンクロス、カーボンホイル、炭素粒子を圧縮成形した炭素系材料が挙げられる。また、炭素系物質の例として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスターのような微細構造物質も挙げられる。さらに、ガス拡散層12における導電性材料としては、メッシュ及び発泡体等の金属材料も用いることができる。 The conductive material in the gas diffusion layer 12 can be composed of, for example, one or more materials selected from the group consisting of carbon-based substances, conductive polymers, semiconductors and metals. Here, the carbon-based substance means a substance having carbon as a constituent component. Examples of the carbon-based substance include, for example, graphite, activated carbon, carbon black, Vulcan (registered trademark) XC-72R, acetylene black, furnace black, carbon powder such as Denka black, graphite felt, carbon wool, carbon woven cloth, and the like. Examples thereof include carbon fibers, carbon plates, carbon paper, carbon disks, carbon cloth, carbon foil, and carbon-based materials obtained by compression-molding carbon particles. Further, examples of the carbon-based material also include fine-structured materials such as carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon nanoclusters. Furthermore, as the conductive material in the gas diffusion layer 12, a metal material such as mesh and foam can be used.
導電性ポリマーとは、導電性を有する高分子化合物の総称である。導電性ポリマーとしては、例えば、アニリン、アミノフェノール、ジアミノフェノール、ピロール、チオフェン、パラフェニレン、フルオレン、フラン、アセチレン若しくはそれらの誘導体を構成単位とする単一モノマー又は二種以上のモノマーの重合体が挙げられる。具体的には、導電性ポリマーとして、例えば、ポリアニリン、ポリアミノフェノール、ポリジアミノフェノール、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリフルオレン、ポリフラン、ポリアセチレン等が挙げられる。金属製の導電性材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどが挙げられる。入手の容易性、コスト、耐食性、耐久性等を考慮した場合、導電性材料は炭素系物質であることが好ましい。 The conductive polymer is a general term for polymer compounds having conductivity. Examples of the conductive polymer include aniline, aminophenol, diaminophenol, pyrrole, thiophene, paraphenylene, fluorene, furan, acetylene, or a single monomer having a derivative thereof as a constituent unit or a polymer of two or more kinds of monomers. Can be mentioned. Specific examples of the conductive polymer include polyaniline, polyaminophenol, polydiaminophenol, polypyrrole, polythiophene, polyparaphenylene, polyfluorene, polyfuran, and polyacetylene. Examples of the conductive material made of metal include aluminum, copper, stainless steel, nickel and titanium. In consideration of availability, cost, corrosion resistance, durability, etc., the conductive material is preferably a carbon-based substance.
導電性材料の形状は、粉末形状又は繊維形状であることが好ましい。また、導電性材料は、支持体に支持されていてもよい。支持体とは、それ自身が剛性を有し、ガス拡散電極に一定の形状を付与することのできる部材をいう。支持体は絶縁体であっても導電体であってもよい。支持体が絶縁体である場合、支持体としては、例えばガラス、プラスチック、合成ゴム、セラミックス、耐水又は撥水処理した紙、木片などの植物片、骨片、貝殻などの動物片等が挙げられる。多孔質構造の支持体としては、例えば多孔質セラミック、多孔質プラスチック、スポンジ等が挙げられる。支持体が導電体である場合、支持体としては、例えばカーボンペーパー、カーボンファイバー、炭素棒などの炭素系物質、金属、導電性ポリマー等が挙げられる。支持体が導電体の場合には、炭素系材料を担持した導電性材料が支持体の表面上に配置されることで、支持体が集電体としても機能し得る。 The shape of the conductive material is preferably a powder shape or a fiber shape. Further, the conductive material may be supported by the support. The support means a member which has rigidity by itself and can give a certain shape to the gas diffusion electrode. The support may be an insulator or a conductor. When the support is an insulator, examples of the support include glass, plastic, synthetic rubber, ceramics, water-resistant or water-repellent treated paper, plant pieces such as wood pieces, bone pieces, animal pieces such as shells, and the like. .. Examples of the support having a porous structure include porous ceramics, porous plastics and sponges. When the support is a conductor, examples of the support include carbon paper, carbon fiber, carbon-based substances such as carbon rods, metals, and conductive polymers. When the support is a conductor, the support can also function as a current collector by disposing a conductive material supporting a carbon-based material on the surface of the support.
ガス拡散層12における触媒は、白金系触媒、鉄又はコバルトを用いた炭素系触媒、部分酸化したタンタル炭窒化物(TaCNO)及びジルコニウム炭窒化物(ZrCNO)等の遷移金属酸化物系触媒、タングステン又はモリブデンを用いた炭化物系触媒、活性炭等を用いることができる。 The catalyst in the gas diffusion layer 12 is a platinum-based catalyst, a carbon-based catalyst using iron or cobalt, a transition metal oxide-based catalyst such as partially oxidized tantalum carbonitride (TaCNO) and zirconium carbonitride (ZrCNO), and tungsten. Alternatively, a carbide-based catalyst using molybdenum, activated carbon, or the like can be used.
ガス拡散層12における触媒は、金属原子がドープされている炭素系材料であることが好ましい。金属原子としては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金及び金からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の原子であることが好ましい。この場合、炭素系材料が、特に酸素還元反応を促進させるための触媒として優れた性能を発揮する。炭素系材料が含有する金属原子の量は、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。 The catalyst in the gas diffusion layer 12 is preferably a carbon-based material doped with metal atoms. The metal atom is not particularly limited, but titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zirconium, niobium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, silver, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium. It is preferably an atom of at least one metal selected from the group consisting of platinum and gold. In this case, the carbon-based material exhibits excellent performance as a catalyst for promoting the oxygen reduction reaction. The amount of metal atoms contained in the carbon-based material may be appropriately set so that the carbon-based material has excellent catalytic performance.
炭素系材料には、更に窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子がドープされていることが好ましい。炭素系材料にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。 It is preferable that the carbon-based material is further doped with one or more non-metal atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. The amount of non-metal atoms doped in the carbon-based material may be appropriately set so that the carbon-based material has excellent catalytic performance.
炭素系材料は、例えばグラファイト及び無定形炭素等の炭素源原料をベースとし、この炭素源原料に金属原子と、窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子とをドープすることで得られる。 The carbon-based material is based on a carbon source material such as graphite and amorphous carbon, and the carbon source material is doped with a metal atom and one or more non-metal atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. It can be obtained.
炭素系材料にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、非金属原子が窒素を含み、金属原子が鉄を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよく、金属原子が鉄のみであってもよい。 The combination of metal atoms and non-metal atoms doped in the carbon-based material is appropriately selected. In particular, it is preferable that the non-metal atom contains nitrogen and the metal atom contains iron. In this case, the carbon-based material can have a particularly excellent catalytic activity. The non-metal atom may be only nitrogen, and the metal atom may be only iron.
非金属原子が窒素を含み、金属原子がコバルトとマンガンとのうち少なくとも一方を含んでもよい。この場合も、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子がコバルトのみ、マンガンのみ、あるいはコバルト及びマンガンのみであってもよい。 The non-metal atom may include nitrogen and the metal atom may include at least one of cobalt and manganese. Also in this case, the carbon-based material can have a particularly excellent catalytic activity. The non-metal atom may be nitrogen only. Further, the metal atom may be only cobalt, only manganese, or only cobalt and manganese.
炭素系材料の形状は特に制限されない。例えば、炭素系材料は、粒子状の形状を有してもよく、またシート状の形状を有してもよい。シート状の形状を有する炭素系材料の寸法は特に制限されず、例えば、炭素系材料が微小な寸法であってもよい。シート状の形状を有する炭素系材料は、多孔質であってもよい。シート状の形状を有し、かつ、多孔質な炭素系材料は、例えば織布状、不織布状等の形状を有することが好ましい。このような炭素系材料は、導電性材料が無くても、ガス拡散層12を構成することができる。 The shape of the carbon-based material is not particularly limited. For example, the carbon-based material may have a particle shape or a sheet shape. The size of the carbon-based material having a sheet shape is not particularly limited, and for example, the carbon-based material may have a minute size. The carbonaceous material having a sheet shape may be porous. The sheet-shaped and porous carbon-based material preferably has, for example, a woven cloth shape, a non-woven cloth shape, or the like. Such a carbon-based material can form the gas diffusion layer 12 without a conductive material.
ガス拡散層12における触媒として構成される炭素系材料は、次のように調製することができる。まず、例えば窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属を含む非金属化合物と、金属化合物と、炭素源原料とを含有する混合物を準備する。そして、この混合物を、800℃以上1000℃以下の温度で、45秒以上600秒未満加熱する。これにより、触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。 The carbon-based material configured as the catalyst in the gas diffusion layer 12 can be prepared as follows. First, a mixture containing a non-metal compound containing at least one non-metal selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur and phosphorus, a metal compound and a carbon source material is prepared. Then, this mixture is heated at a temperature of 800° C. or higher and 1000° C. or lower for 45 seconds or more and less than 600 seconds. As a result, it is possible to obtain a carbon-based material configured as a catalyst.
ここで、炭素源原料としては、上述の通り、例えばグラファイト又は無定形炭素を使用することができる。さらに、金属化合物としては、炭素源原料にドープされる非金属原子と配位結合し得る金属原子を含む化合物であれば、特に制限されない。金属化合物は、例えば金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、ヨウ化物、フッ化物などのような無機金属塩、酢酸塩などの有機金属塩、無機金属塩の水和物、及び有機金属塩の水和物からなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。例えばグラファイトに鉄がドープされる場合には、金属化合物は塩化鉄(III)を含有することが好ましい。また、グラファイトにコバルトがドープされる場合には、金属化合物は塩化コバルトを含有することが好ましい。また、炭素源原料にマンガンがドープされる場合には、金属化合物は酢酸マンガンを含有することが好ましい。金属化合物の使用量は、例えば炭素源原料に対する金属化合物中の金属原子の割合が5〜30質量%の範囲内となるように決定されることが好ましく、更にこの割合が5〜20質量%の範囲内となるように決定されることがより好ましい。 Here, as the carbon source material, for example, graphite or amorphous carbon can be used as described above. Furthermore, the metal compound is not particularly limited as long as it is a compound containing a metal atom capable of coordinatively bonding with a non-metal atom doped in the carbon source material. Examples of the metal compound include inorganic metal salts such as metal chlorides, nitrates, sulfates, bromides, iodides, and fluorides, organic metal salts such as acetates, hydrates of inorganic metal salts, and organic metal salts. It is possible to use at least one selected from the group consisting of hydrates of For example, when graphite is doped with iron, the metal compound preferably contains iron(III) chloride. When the graphite is doped with cobalt, the metal compound preferably contains cobalt chloride. When the carbon source material is doped with manganese, the metal compound preferably contains manganese acetate. The amount of the metal compound used is preferably determined such that the ratio of metal atoms in the metal compound to the carbon source material is within the range of 5 to 30% by mass, and the ratio is 5 to 20% by mass. More preferably, it is determined to be within the range.
非金属化合物は、上記の通り、窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属の化合物であることが好ましい。非金属化合物としては、例えば、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、オクチルボロン酸、1,2−ビス(ジエチルホスフィノエタン)、亜リン酸トリフェニル、ベンジルジサルフィドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を使用することができる。非金属化合物の使用量は、炭素源原料への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、1:1〜1:2の範囲内となるように決定されることが好ましく、1:1.5〜1:1.8の範囲内となるように決定されることがより好ましい。 As described above, the non-metal compound is preferably at least one non-metal compound selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. Examples of the nonmetallic compound include pentaethylenehexamine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine, triethylenetetramine, octylboronic acid, 1,2-bis(diethylphosphinoethane), triphenylphosphite, and benzyldisulfide. At least one compound selected from the group consisting of can be used. The amount of the non-metal compound used is appropriately set according to the amount of the non-metal atom doped into the carbon source material. The amount of the non-metal compound used is preferably determined such that the molar ratio of the metal atom in the metal compound to the non-metal atom in the non-metal compound is in the range of 1:1 to 1:2. , 1:1.5 to 1:1.8 is more preferably determined.
触媒として構成される炭素系材料を調製する際の、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物は、例えば次のようにして得られる。まず炭素源原料と金属化合物と非金属化合物とを混合し、更に必要に応じてエタノール等の溶媒を加えて全量を調製する。これらを更に超音波分散法により分散させる。続いて、これらを適宜の温度(例えば60℃)で加熱した後に、混合物を乾燥して溶媒を除去する。これにより、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物が得られる。 A mixture containing a non-metal compound, a metal compound, and a carbon source raw material when a carbon-based material configured as a catalyst is prepared is obtained, for example, as follows. First, a carbon source raw material, a metal compound and a non-metal compound are mixed, and a solvent such as ethanol is further added if necessary to prepare the total amount. These are further dispersed by an ultrasonic dispersion method. Then, after heating these at an appropriate temperature (for example, 60° C.), the mixture is dried to remove the solvent. As a result, a mixture containing the non-metal compound, the metal compound and the carbon source material is obtained.
次に、得られた混合物を、例えば還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で加熱する。これにより、炭素源原料に非金属原子がドープされ、さらに非金属原子と金属原子とが配位結合することで金属原子もドープされる。加熱温度は800℃以上1000℃以下の範囲内であることが好ましく、加熱時間は45秒以上600秒未満の範囲内であることが好ましい。加熱時間が短時間であるため、炭素系材料が効率よく製造され、しかも炭素系材料の触媒活性が更に高くなる。なお、加熱処理における、加熱開始時の混合物の昇温速度は、50℃/s以上であることが好ましい。このような急速加熱は、炭素系材料の触媒活性を更に向上させる。 Next, the obtained mixture is heated, for example, under a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere. As a result, the carbon source material is doped with a non-metal atom, and the non-metal atom and the metal atom are coordinate-bonded to each other, thereby doping the metal atom. The heating temperature is preferably in the range of 800° C. to 1000° C., and the heating time is preferably in the range of 45 seconds to less than 600 seconds. Since the heating time is short, the carbon-based material is efficiently produced, and the catalytic activity of the carbon-based material is further increased. In the heat treatment, the temperature rising rate of the mixture at the start of heating is preferably 50°C/s or more. Such rapid heating further improves the catalytic activity of the carbon-based material.
また、炭素系材料を、更に酸洗浄してもよい。例えば炭素系材料を、純水中、ホモジナイザーで30分間分散させ、その後、炭素系材料を2M硫酸中に入れて、80℃で3時間攪拌してもよい。この場合、炭素系材料からの金属成分の溶出が抑えられる。 Further, the carbonaceous material may be further acid washed. For example, the carbon-based material may be dispersed in pure water for 30 minutes with a homogenizer, and then the carbon-based material may be put into 2M sulfuric acid and stirred at 80° C. for 3 hours. In this case, elution of the metal component from the carbon-based material is suppressed.
このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、かつ、導電性の高い炭素系材料が得られる。 By such a manufacturing method, a carbon-based material having a remarkably low content of an inert metal compound and a metal crystal and high conductivity can be obtained.
ガス拡散層12において、触媒は結着剤を用いて導電性材料に結着していてもよい。つまり、触媒は結着剤を用いて導電性材料の表面及び細孔内部に担持されていてもよい。これにより、触媒が導電性材料から脱離し、酸素還元特性が低下することを抑制できる。結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、及びエチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが好ましい。また、結着剤としては、NAFION(登録商標)を用いることも好ましい。 In the gas diffusion layer 12, the catalyst may be bound to the conductive material using a binder. That is, the catalyst may be supported on the surface of the conductive material and inside the pores by using a binder. This can prevent the catalyst from being desorbed from the conductive material and deteriorating the oxygen reduction property. As the binder, for example, at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), and ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM) is preferably used. It is also preferable to use NAFION (registered trademark) as the binder.
(負極)
本実施形態における負極20は、後述する嫌気性微生物を担持し、さらに嫌気性微生物の触媒作用により、電解液3中の有機性物質から水素イオン及び電子を生成する機能を有する。そのため、負極20は、このような機能を生じさせる構成ならば特に限定されない。
(Negative electrode)
The
負極20は、導電性を有する導電体シートに嫌気性微生物を担持した構造を有する。導電体シートとしては、多孔質の導電体シート、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。また、導電体シートは複数のシートを積層した積層体でもよい。負極20の導電体シートとして、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、後述する局部電池反応で生成した水素イオンがイオン移動層30の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。また、イオン透過性を向上させる観点から、負極20の導電体シートは、正極10、イオン移動層30及び負極20の積層方向X、つまり厚さ方向に連続した空間(空隙)を有していることが好ましい。
The
当該導電体シートは、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。そのため、負極20の導電体シートを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの導電性金属、並びにカーボンペーパー、カーボンフェルトからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
The conductor sheet may be a metal plate having a plurality of through holes penetrating in the thickness direction. Therefore, as the material forming the conductor sheet of the
負極20の導電体シートとして、正極10で使用し得る黒鉛シートを用いてもよい。また、負極20は黒鉛を含有し、さらに黒鉛におけるグラフェン層は、正極10、イオン移動層30及び負極20の積層方向Xに垂直な方向YZの面に沿って配列していることが好ましい。グラフェン層がこのように配列していることにより、積層方向Xの導電性よりも、積層方向Xに垂直な方向YZの導電性が向上する。そのため、負極20の局部電池反応により生成した電子を外部回路60へ導通させやすくなり、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。
A graphite sheet that can be used for the
負極20に担持される嫌気性微生物としては、電解液3中の有機性物質を分解して、水素イオン及び電子を生成する電流生成菌であれば特に限定されない。嫌気性微生物は、電解液3中の有機性物質を酸化分解するための酸素を必要としない。そのため、酸素を送り込むために必要な電力を大幅に低減することができる。また、嫌気性微生物は獲得する自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量を減少させることが可能となる。
The anaerobic microorganism supported on the
負極20に保持される嫌気性微生物は、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌であることが好ましい。具体的には、嫌気性微生物として、例えばGeobacter属細菌、Shewanella属細菌、Aeromonas属細菌、Geothrix属細菌、Saccharomyces属細菌が挙げられる。
The anaerobic microorganisms retained on the
負極20に、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、負極20に嫌気性微生物が保持されていてもよい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質(extracellular polymeric substance、EPS)とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極20に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、負極20の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
The anaerobic microorganisms may be retained in the
負極20には、例えば、電子伝達メディエーター分子が修飾されていてもよい。あるいは、第一電解液槽1内の電解液3は、電子伝達メディエーター分子を含んでいてもよい。これにより、嫌気性微生物から負極20への電子移動を促進し、より効率的な液体処理を実現できる。
The
具体的には、嫌気性微生物による代謝機構では、細胞内又は最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。電解液3中にメディエーター分子を導入すると、メディエーター分子が代謝の最終電子受容体として作用し、かつ、受け取った電子を負極20へと受け渡す。この結果、電解液3における有機性物質などの酸化分解速度を高めることが可能になる。このような電子伝達メディエーター分子は、特に限定されない。電子伝達メディエーター分子としては、例えばニュートラルレッド、アントラキノン−2,6−ジスルホン酸(AQDS)、チオニン、フェリシアン化カリウム、及びメチルビオローゲンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
Specifically, in the metabolic mechanism of anaerobic microorganisms, electrons are exchanged within cells or with the final electron acceptor. When the mediator molecule is introduced into the
(イオン移動層)
本実施形態の電極カセット100は、正極10と負極20との間に設けられ、プロトン透過性を有するイオン移動層30をさらに備える。そして、図1及び図2に示すように、負極20は、イオン移動層30を介して正極10と隔てられている。イオン移動層30は、負極20で生成した水素イオンを透過し、正極10側へ移動させる機能を有している。
(Ion transfer layer)
The
イオン移動層30としては、例えばイオン交換樹脂を用いたイオン交換膜を使用することができる。イオン交換樹脂としては、例えばデュポン株式会社製のNAFION(登録商標)、並びに旭硝子株式会社製のフレミオン(登録商標)及びセレミオン(登録商標)を用いることができる。
As the
また、イオン移動層30として、水素イオンが透過することが可能な細孔を有する多孔質膜を使用してもよい。つまり、イオン移動層30は、負極20から正極10へ水素イオンが移動するための空間(空隙)を有するシートであってもよい。そのため、イオン移動層30は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、イオン移動層30は、ガラス繊維膜、合成繊維膜、及びプラスチック不織布からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができ、これらを複数積層してなる積層体でもよい。このような多孔質のシートは、内部に多数の細孔を有しているため、水素イオンが容易に移動することが可能となる。なお、イオン移動層30の細孔径は、負極20から正極10に水素イオンが移動できれば特に限定されない。また、イオン移動層30は、水素イオンを負極20から正極10に移動させることができれば、膜に限定されず、負極20及び正極10の形状等に応じて適宜変更して用いてもよい。
Further, as the
上述のように、イオン移動層30は、負極20で生成した水素イオンを透過し、正極10側へ移動させる機能を有する。ただ、例えば、負極20と正極10とが接触しない状態で近接していれば、水素イオンが負極20から正極10へ移動することができる。そのため、液体処理システムAにおいて、イオン移動層30は必須の構成要素ではない。しかし、イオン移動層30を設けることにより、負極20から正極10へ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、出力向上の観点からイオン移動層30を設けることが好ましい。なお、正極10とイオン移動層30との間に間隔が設けられていてもよく、負極20とイオン移動層30との間も間隔が設けられていてもよい。
As described above, the
電極カセット100は、図2に示すように、負極20及び正極10に電気的に接続する外部回路60を備えている。ただ、電極カセット100では、外部回路60を介さず、導電部材を用いて、負極20及び正極10が電気的に直接接続されていてもよい。また、電極カセット100において、カセット基材50Aは、上部の全体が開口しているが、内部に空気(酸素)を導入することが可能ならば部分的に開口していてもよく、また閉口していてもよい。
As shown in FIG. 2, the
〔酸素供給部〕
酸素供給部200は、第二電解液槽2に移動した電解液3に酸素を供給することにより、電解液3の溶存酸素濃度を高くし、電解液3を好気条件とするものである。第二電解液槽2内の電解液3を好気条件とすることにより、ポリリン酸蓄積細菌は、第一電解液槽1内で放出した以上の量のリンを体内に取り込むことができる。その結果、リンがポリリン酸蓄積細菌の体内で高濃度に蓄積される。したがって、電解液3からこのポリリン酸蓄積細菌を除去することで、電解液3中のリンを除去することができる。
[Oxygen supply section]
The
具体的には、図4に示すように、酸素供給部200は、カセット基材50Bと二枚の撥水層110とを積層してなるものである。カセット基材50B及び撥水層110は、上述の電極カセット100における撥水層11及びカセット基材50Aと同じものを使用することができる。そして、図4に示すように、カセット基材50Bの側面53は、撥水層110の面110aの外周部と接合されている。そのため、第二電解液槽2の内部に保持された電解液3とカセット基材50Bの内部とは隔てられ、撥水層110及びカセット基材50Bにより形成された内部空間は気相Gとなっている。そして、液体処理システムAでは、この気相Gが外気に開放されるか、あるいはこの気相Gへ例えばポンプによって外部から空気が供給されるように構成されている。
Specifically, as shown in FIG. 4, the
ただ、酸素供給部200は、第二電解液槽2に保持された電解液3が好気条件となり、電解液3中のリンがポリリン酸蓄積細菌に取り込まれれば、このような態様に限定されない。酸素供給部200は、例えば二枚の撥水層110の周囲を接合して、内部に気相Gを有するように上部が開口した袋状であってもよい。また、酸素供給部200は、ポンプによって外部から空気を供給するような公知の曝気装置であってもよい。
However, the
例えば図5に示すように、液体処理システムAは、酸素供給部200に代えて、第二電解液槽2内の電解液3に酸素を供給する酸素供給部200Aを備えていてもよい。酸素供給部200Aは、気体を散気するための孔部を有する散気部材151と、孔部に気体を供給する気体供給部材152とを備えることが好ましい。
For example, as shown in FIG. 5, the liquid treatment system A may include an
散気部材151は、気体を流通させることが可能な孔部を多数有する部材である。散気部材151は特に限定されないが、例えば粗大なセラミックス粒子をバインダ等で接合した多孔質セラミックス散気板、又は合成樹脂製の散気板を用いることができる。また、散気部材151としては、メンブレンディフューザーも用いることができる。
The
気体供給部材152は散気部材151を保持し、さらに散気部材151の孔部に気体を供給する中空部材である。そして、気体供給部材152から供給された気体は、散気部材151の孔部を通過して気泡となり、電解液3中に拡散する。
The
酸素供給部200Aには、第二電解液槽2の外部から気体を供給するための配管153が接続されていることが好ましい。具体的には、気体供給部材152の下面に、中空の配管153が接続されていることが好ましい。配管153は、第二電解液槽2の後壁2bを貫通し、第二電解液槽2の外部に延出している。そして、配管153の端部には、気体を圧送するための圧縮機154が接続されている。
A
図5に示すように、酸素供給部200Aは、鉛直方向Yにおいて、第二電解液槽2の下部側に設けられていることが好ましい。これにより、酸素供給部200Aから発生した気泡が第二電解液槽2に保持された電解液3の下部から浮上する。そのため、酸素が電解液3と接する時間が長くなり、かつ、電解液3が撹拌されるため、第二電解液槽2内に保持された電解液3を効率的に好気条件にすることができる。
As shown in FIG. 5, the
酸素供給部200Aが有する散気部材151の数は特に限定されず、第二電解液槽2の内部に、単一の散気部材151が設けられていてもよく、図5に示すように複数の散気部材151が設けられていてもよい。
The number of
酸素供給部200Aから電解液3に気泡を放出する方法は特に限定されず、圧縮機154を作動させて配管153に気体を圧送してもよい。圧送された気体は、配管153の内部を通過して、酸素供給部200Aの気体供給部材152に到達する。気体供給部材152に供給された気体は、散気部材151の孔部を通過して気泡となり、電解液3に拡散する。酸素供給部200Aにおける散気のタイミングは特に限定されず、連続的に散気してもよく、断続的に散気してもよい。
The method of discharging bubbles from the
なお、酸素供給部200Aの構成は、上述の散気部材151と気体供給部材152とを備える構成に限定されず、電解液3に散気することが可能なあらゆる構成を適用することができる。具体的には、粗大な気泡を発生させる場合には、酸素供給部200Aとして、金属製や合成樹脂製の多孔管、又はディスクディフューザーを用いてもよい。
The configuration of the
上述のように、酸素供給部200Aには、第二電解液槽2の外部から気体を供給するための配管153が接続されている。配管153の配設方法は特に限定されないが、例えば第二電解液槽2の底壁2cに接触して配設してもよい。また、図5において、配管153は、後壁2bを貫通して底壁2cに配設されている。ただ、このような態様に限定されず、例えば、配管153を底壁2cの下面から貫通させて、酸素供給部200Aに直接接続してもよい。また、配管153を、底壁2c及び後壁2bに沿って配置し、酸素供給部200Aに直接接続してもよい。つまり、配管153は、第二電解液槽2の壁部を貫通せず、第二電解液槽2の壁沿いに配置してもよい。
As described above, the
以上の通り、液体処理システムAは、有機性物質及びリン化合物を含む電解液3を保持する第一電解液槽1を備える。液体処理システムAは、電解液3を第一電解液槽1に供給する第一供給部5と、第一電解液槽1内の電解液3を第一電解液槽1から排出する第一排出部6と、を備える。液体処理システムAは、第一電解液槽1内の電解液3に接触し、酸素を含む気相Gと接触する正極10と、第一電解液槽1内の電解液3に接触し、正極10と電気的に接続され、嫌気性微生物を担持する負極20と、を備える。液体処理システムAは、第一電解液槽1よりも下流側に設けられ、第一電解液槽1から排出された電解液3を保持する第二電解液槽2を備える。液体処理システムAは、第一電解液槽1から排出された電解液3を第二電解液槽2に供給する第二供給部7と、第二電解液槽2内の電解液3を排出する第二排出部8と、第二電解液槽2内の電解液3に酸素を供給する酸素供給部200と、を備える。そして、第二排出部8を通る電解液3のリン酸イオン濃度は、第一供給部5を通る電解液3のリン酸イオン濃度よりも低い。
As described above, the liquid processing system A includes the first electrolytic solution tank 1 that holds the
第一電解液槽1内の電解液3には、酸素を含む気相Gと接触する正極10と嫌気性微生物を担持する負極20とが接触している。そのため、負極20では、嫌気性微生物の触媒作用により、電解液3中の有機性物質から水素イオン及び電子が生成され、電解液3中の有機性物質が分解されるとともに、外部回路60によって、閉回路に流れる電気エネルギーが回収される。
The
第一電解液槽1内で処理された電解液3は、第一排出部6及び第二供給部7を通過して第二電解液槽2の内部に連続的に供給される。第二電解液槽2に供給された電解液3には、酸素供給部200によって酸素が供給される。そのため、第一電解液槽1内の電解液3は嫌気条件となっており、第二電解液槽2内の電解液3は好気条件となっている。
The
そのため、ポリリン酸蓄積細菌は、第一電解液槽1に保持された電解液3内ではリンを体外に放出するものの、第二電解液槽2に保持された電解液3内では第一電解液槽1で放出した量以上のリンを体内に取り込む。そして、第二電解液槽2内で処理された電解液3は、第二排出部8を通じて液体処理システムAの外部に排出される。したがって、本実施形態に係る液体処理システムAによれば、電解液3中の有機性物質を除去し、かつ、リンも除去することが可能となる。
Therefore, the polyphosphoric acid-accumulating bacteria release phosphorus outside the body in the
また、電極カセット100及び酸素供給部200の気相Gに供給する空気量を調整することにより、第一電解液槽1と第二電解液槽2に保持されている電解液3中の溶存酸素濃度を、各々の槽で最適化することができる。そのため、各槽の微生物に適した溶存酸素濃度に調整することにより、有機性物質及びリンの処理効率をより向上させることが可能となる。
Further, by adjusting the amount of air supplied to the gas phase G of the
なお、電解液3には、有機性物質及びリン化合物に加え、窒素化合物が含まれている場合がある。窒素化合物は、例えば、アミノ酸などの有機化合物(有機態窒素)、アンモニア塩(アンモニア態窒素)、亜硝酸塩(亜硝酸態窒素)、又は硝酸塩(硝酸態窒素)などである。そのため、第一電解液槽1で保持された電解液3が窒素化合物をさらに含んでいてもよい。そして、この場合、第一排出部6を通る電解液3の全窒素濃度は、第一供給部5を通る電解液3の全窒素濃度よりも低いことが好ましい。また、第一電解液槽1で保持された電解液3が窒素化合物をさらに含む場合、第一排出部6を通る電解液3の全窒素濃度は、10mg/L以下であることが好ましい。なお、第一排出部6を通る電解液3の全窒素濃度は、5mg/L以下であることが好ましい。また、全窒素濃度は、JIS K0102:2016の規定に準じ、紫外線吸光光度法などの方法によって測定することができる。
The
具体的には、上述のように、電極接合体40及びカセット基材50Aにより形成された内部空間は気相Gとなっている。この気相Gは外気に開放されるか、あるいはこの気相Gへ例えばポンプによって外部から空気が供給されるように電極カセット100が構成されている。そして、第一電解液槽1内に、後述する硝化反応を行う硝化菌及び脱窒反応を行う脱窒菌が含まれている場合、硝化菌及び脱窒菌の触媒作用を促進し、電解液3に含まれる窒素化合物を除去することもできる。
Specifically, as described above, the internal space formed by the
硝化菌は、好気性微生物であり、正極10に保持されていることが好ましい。硝化菌としては、Nitrosomonas属細菌、Nitrosococcus属細菌、Nitrosospira属細菌、Nitrobacter属細菌、Nitrospira属細菌などが挙げられる。
The nitrifying bacterium is an aerobic microorganism and is preferably retained on the
脱窒菌は、嫌気性微生物であり、正極10の気相Gに露出した部分を除いた表面及び電解液3に保持されていることが好ましい。脱窒菌としては、Pseudomonas属細菌、Bacillus属細菌、Paracoccus属細菌、Achromobater属細菌などが挙げられる。なお、本実施形態では、正極10の表面と電解液3が共に脱窒菌を保持する例について説明するが、正極10の表面と電解液3のいずれか一方が脱窒菌を保持するようにしてもよい。
The denitrifying bacteria are anaerobic microorganisms, and are preferably retained on the surface of the
ここで、正極10及びその近傍における硝化反応及び脱窒反応を以下に示す。
[硝化反応]
[式1]2NH4 ++3O2→ 2NO2 −+2H2O+4H+
[式2]2NO2 −+O2→ 2NO3 −
[脱窒反応]
[式3]NO3 −+2H++2e−→ NO2 −+H2O
[式4]2NO2 −+6H++6e−→ N2+2H2O+2OH−
Here, nitrification reaction and denitrification reaction in the
[Nitrification reaction]
[Formula 1] 2NH 4 + +3O 2 → 2NO 2 − +2H 2 O+4H +
[Formula 2] 2NO 2 − +O 2 →2NO 3 −
[Denitrification reaction]
[Formula 3] NO 3 − +2H + +2e − →NO 2 − +H 2 O
[Formula 4] 2NO 2 − +6H + +6e − → N 2 +2H 2 O+2OH −
硝化菌が正極10に保持されている場合、気相Gに露出した撥水層11の面から撥水層11を通じて硝化菌に酸素が供給され、反応式1及び反応式2のように、硝化菌の触媒作用により窒素化合物の硝化反応が起きる。電解液3に保持された脱窒菌は、正極10の近傍に集まり、触媒として作用する。
When nitrifying bacteria are held on the
反応式1の反応によって生成した亜硝酸イオン及び反応式2の反応によって生成した硝酸イオンは、それぞれ反応式3及び4に示すように、脱窒菌の触媒作用により水素イオンと反応することで、脱窒反応が起きる。このように、電極カセット100では、電解液3中の窒素化合物が、硝化菌及び脱窒菌の代謝により、窒素、水及び水酸化物イオンとなるため、電解液3の窒素化合物を除去することができる。
The nitrite ion generated by the reaction of reaction formula 1 and the nitrate ion generated by the reaction of
ここで、反応式1及び2の反応は好気性微生物である硝化菌の触媒作用による反応であり、反応式3及び4の反応は嫌気性微生物である脱窒菌の触媒作用による反応である。そのため、撥水層11の気相G側から供給された酸素は、硝化菌により消費される。その結果、電解液3のうち、撥水層11から負極20に向かうにつれて電解液3は嫌気条件となることから、脱窒菌による反応を進行させることが可能となる。
Here, the reactions of the
したがって、液体処理システムAにおいて、第一電解液槽1内に保持されている電解液3の少なくとも一部の溶存酸素濃度が0.5mg/L以下であることが好ましい。上述のように、酸素供給部200では、好気性微生物である硝化菌の硝化反応と嫌気性微生物である脱窒菌の脱窒反応により、電解液3中の窒素化合物を除去する。そして、脱窒菌は、電解液3中に溶存酸素が少ない条件で硝酸イオン及び亜硝酸イオンを窒素ガスに還元する性質を有する。そのため、第二電解液槽2における電解液3の溶存酸素濃度が0.5mg/Lを超える場合には、脱窒菌による脱窒反応が進行し難くなり、窒素化合物の除去が効率的に行われないおそれがある。
Therefore, in the liquid processing system A, the dissolved oxygen concentration of at least a part of the
そのため、脱窒菌による脱窒反応を進行させるために、第二電解液槽2における電解液3の少なくとも一部の溶存酸素濃度が0.5mg/L以下であることが好ましく、0.2mg/L以下であることがより好ましい。なお、電解液3の溶存酸素濃度の測定方法は特に限定されないが、例えば隔膜電極法による溶存酸素計を用いて測定することができる。第一電解液槽1に保持されている電解液3の溶存酸素濃度は、酸素供給部200の気相Gに対して外部から供給する空気の量を調整したり、撥水層110の酸素透過率を調整したりすることにより制御することができる。
Therefore, in order to promote the denitrification reaction by the denitrifying bacteria, the dissolved oxygen concentration of at least a part of the
以上の通り、本実施形態に係る液体処理システムAは、有機性物質及びリン化合物だけでなく、窒素化合物を除去するような構成とすることも可能である。 As described above, the liquid processing system A according to the present embodiment can be configured to remove not only the organic substance and the phosphorus compound but also the nitrogen compound.
[第二実施形態]
次に、第二実施形態に係る液体処理システムについて、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
[Second embodiment]
Next, a liquid treatment system according to the second embodiment will be described in detail with reference to the drawings. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.
図6に示すように、本実施形態に係る液体処理システムBは、第一実施形態と同様に、液体処理システムBは、第一電解液槽1、第一供給部5、第一排出部6、正極10、負極20、第二電解液槽2、第二供給部7及び第二排出部8を備えている。
As shown in FIG. 6, the liquid processing system B according to the present embodiment is similar to the first embodiment in that the liquid processing system B includes a first electrolytic solution tank 1, a first supply unit 5, and a
本実施形態に係る液体処理システムBは、第二電解液槽2よりも下流側に設けられ、ポリリン酸蓄積細菌を沈殿させる沈殿槽70を備えている。上述のように、第一電解液槽1及び第二電解液槽2を通過したポリリン酸蓄積細菌は、体内に高濃度のリンを取り込んでいる。そのため、液体処理システムBがこのような沈殿槽70を備えることにより、処理された電解液3と高濃度のリンを含むポリリン酸蓄積細菌とを容易に分離することができる。
The liquid treatment system B according to this embodiment includes a settling
液体処理システムBは、沈殿槽70の前側の側壁部70aの上部に、第二電解液槽2から排出された電解液3を沈殿槽70に供給する第三供給部71を備えている。また、液体処理システムBは、沈殿槽70の後側の側壁部70bの上部に、沈殿槽70で保持された電解液3を排出する第三排出部72を備えている。
The liquid processing system B includes a
そして、電解液3は、第三供給部71、沈殿槽70及び第三排出部72を順番に通過するように、液体処理システムBが構成されている。なお、第三供給部71及び第三排出部72は、電解液3を沈殿槽70に供給又は排出することができれば、沈殿槽70の側壁部に設けられている必要はなく、沈殿槽70の上方に配置されていてもよい。また、本実施形態では、第二排出部8及び第三供給部71が円筒状の連結管4Aによって構成されているが、第二排出部8及び第三供給部71はそれぞれ異なる部材で構成されていてもよく、連結管4Aのように単一の部材により構成されていてもよい。
Then, the liquid processing system B is configured such that the
沈殿槽70は、電解液3とポリリン酸蓄積細菌を含む沈殿物74とを保持しており、沈殿物74が回収されやすいよう、底壁70cに向かうに従ってすぼんだ形状となるように形成されている。底壁70cには、沈殿物74を排出する排出口73が設けられている。
The settling
また、液体処理システムBは、沈殿槽70で沈殿したポリリン酸蓄積細菌を第一電解液槽1へ返流させる返流管75をさらに備えている。返流管75は、沈殿槽70と第一供給部5とを接続しており、沈殿槽70の底壁70cに設けられた排出口73と第一供給部5の管壁に設けられた連結口76とが連通している。そのため、沈殿槽70の底壁70cに沈殿した沈殿物74を、図示しないポンプなどによって、返流管75を介して第一電解液槽1に移送することができる。
The liquid treatment system B further includes a
上述のように、第一電解液槽1の電解液3は嫌気性状態であることから、返流管75を通じて第一電解液槽1に返流されたポリリン酸蓄積細菌は、電解液3中にリンを放出する。しかしながら、その後、ポリリン酸蓄積細菌は、第一排出部6及び第二供給部7を通じて第二電解液槽2に再度移送される。第二電解液槽2内の電解液3は好気条件であることから、ポリリン酸蓄積細菌は、第一電解液槽1で放出した以上のリンを体内に取り込む。そして、第二電解液槽2内で処理された電解液3は、第二排出部8を通じて液体処理システムBの外部に排出される。
As described above, since the
なお、返流管75を通じて沈殿槽70から第一電解液槽1にポリリン酸蓄積細菌を循環させる回数は特に限定されず、複数回循環させてもよい。また、本実施形態において、返流管75は、沈殿槽70の底壁70cと、第一供給部5とを接続しているが、第一電解液槽1にポリリン酸蓄積細菌を含む沈殿物74を移送することができれば、これらの接続位置は特に限定されない。例えば、返流管75の一方は、第一供給部5ではなく、第一電解液槽1に直接接続されていてもよい。また、本実施形態では、返流管75の一方が沈殿槽70に接続されているが、沈殿物74を第一電解液槽1に移送することができればよく、第二電解液槽2に返流管75の一方が接続されていてもよい。
The number of times the polyphosphate-accumulating bacteria are circulated from the settling
以下、本実施形態を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited to these examples.
[液体処理システムの作製]
まず、ポリオレフィン製撥水層に、接着剤であるシリコーン樹脂を塗布した後、ガス拡散層であるグラファイトホイルを接合することにより、撥水層/シリコーン接着剤/ガス拡散層からなる積層シートを作製した。なお、撥水層は、積水化学工業株式会社製セルポア(登録商標)を使用した。シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製の一液型RTVゴムKE−3475−Tを使用した。グラファイトホイルは、日立化成工業株式会社製のものを使用した。
[Fabrication of liquid processing system]
First, a silicone water repellent layer is applied to a polyolefin water repellent layer, and then a graphite foil, which is a gas diffusion layer, is bonded to produce a laminated sheet consisting of a water repellent layer/silicone adhesive/gas diffusion layer. did. As the water-repellent layer, SERPUI (registered trademark) manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd. was used. As the silicone resin, one-pack type RTV rubber KE-3475-T manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. was used. The graphite foil used was made by Hitachi Chemical Co., Ltd.
次に、グラファイトホイルにおける撥水層とは反対側の面に、酸素還元触媒とPTFE(Aldrich社製)とを混合してなる触媒層をプレス成形することにより、ガス拡散電極を作製した。なお、酸素還元触媒は、目付け量が6mg/cm2となるようにプレス成形した。 Next, a gas diffusion electrode was produced by press-molding a catalyst layer formed by mixing an oxygen reduction catalyst and PTFE (manufactured by Aldrich) on the surface of the graphite foil opposite to the water-repellent layer. The oxygen reduction catalyst was press-molded so that the basis weight was 6 mg/cm 2 .
なお、酸素還元触媒は、次のように調製した。まず、容器内に、3gのカーボンブラック、0.1Mの塩化鉄(III)水溶液、及び0.15Mのペンタエチレンヘキサミンのエタノール溶液を入れることで、混合液を調製した。なお、カーボンブラックとしては、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックECP600JDを使用した。0.1M塩化鉄(III)水溶液の使用量は、カーボンブラックに対する鉄原子の割合が10質量%になるように調整した。この混合液に更にエタノールを加えることで、全量を9mLに調整した。そして、この混合液を超音波分散してから乾燥機で60℃の温度で乾燥させた。これにより、カーボンブラック、塩化鉄(III)、及びペンタエチレンヘキサミンを含有するサンプルを得た。 The oxygen reduction catalyst was prepared as follows. First, a mixed solution was prepared by placing 3 g of carbon black, a 0.1 M aqueous solution of iron(III) chloride, and a 0.15 M solution of pentaethylenehexamine in ethanol in a container. As the carbon black, Ketjenblack ECP600JD manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd. was used. The amount of the 0.1 M iron(III) chloride aqueous solution used was adjusted so that the ratio of iron atoms to carbon black was 10% by mass. The total amount was adjusted to 9 mL by further adding ethanol to this mixed solution. Then, this mixed liquid was ultrasonically dispersed and then dried at a temperature of 60° C. in a dryer. As a result, a sample containing carbon black, iron (III) chloride, and pentaethylenehexamine was obtained.
そして、このサンプルを、石英管の一端部内に詰め入れ、続いてこの石英管内をアルゴンで置換した。この石英管を900℃の炉に入れてから45秒で引き抜いた。石英管を炉に挿入する際には、石英管を炉に3秒間かけて挿入することで、加熱開始時のサンプルの昇温速度を300℃/sに調整した。続いて、石英管内にアルゴンガスを流通させることでサンプルを冷却した。これにより酸素還元触媒を得た。 Then, this sample was packed into one end of the quartz tube, and then the inside of the quartz tube was replaced with argon. This quartz tube was put in a furnace at 900° C. and then withdrawn in 45 seconds. When inserting the quartz tube into the furnace, the quartz tube was inserted into the furnace for 3 seconds to adjust the heating rate of the sample at the start of heating to 300° C./s. Subsequently, the sample was cooled by circulating argon gas in the quartz tube. As a result, an oxygen reduction catalyst was obtained.
さらに、上述のようにして得られたガス拡散電極を、図1に示すようにカセット基材に積層して空気取り入れ部を設けることにより、正極を作製した。そして、当該正極と、炭素材料(グラファイトホイル)からなる負極とを、第一供給部及び第一排出部を有し、容量が300mLである第一電解液槽内に設置した。さらに、正極と負極との間にポリオレフィン製不織布を設置した。そして、正極と負極を負荷回路に接続した。 Further, the gas diffusion electrode obtained as described above was laminated on a cassette base material as shown in FIG. 1 to provide an air intake section, thereby producing a positive electrode. And the said positive electrode and the negative electrode which consists of carbon materials (graphite foil) were installed in the 1st electrolyte solution tank which has a 1st supply part and a 1st discharge part, and has a capacity of 300 mL. Further, a polyolefin nonwoven fabric was placed between the positive electrode and the negative electrode. Then, the positive electrode and the negative electrode were connected to a load circuit.
次に、ポリオレフィン製撥水層を、図1に示すようにカセット基材に積層して空気取り入れ部を設けることにより、酸素供給部を作製した。なお、撥水層は、積水化学工業株式会社製セルポア(登録商標)を使用した。そして、酸素供給部を、第二供給部と第二排出部とを有し、容量が300mLである第二電解液槽内に設置した。 Next, as shown in FIG. 1, the water repellent layer made of polyolefin was laminated on the cassette base material to provide an air intake section, thereby producing an oxygen supply section. As the water-repellent layer, SERPUI (registered trademark) manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd. was used. And the oxygen supply part was installed in the 2nd electrolytic solution tank which has the 2nd supply part and the 2nd discharge part, and has a capacity of 300 mL.
そして、図1に示すように、電極カセットを内部に設けた第一電解液槽の下流側に、酸素供給部を内部に設けた第二電解液槽を連結管(第一排出部及び第二供給部)で接続した後、第一電解液槽及び第二電解液槽の内部を電解液で満たすようにした。なお、電解液は、全有機体炭素(TOC)が600mg/Lの有機性物質を含んでいる。さらに、第一電解液槽及び第二電解液槽には、発電を行う嫌気性微生物及びポリリン酸蓄積細菌を含む土壌微生物を植種した。そして、電解液の滞留時間が各槽で48時間ずつとなるように、第一電解液槽に電解液を連続的に供給した。このようにして、本例の液体処理システムを得た。 Then, as shown in FIG. 1, a second electrolytic solution tank having an oxygen supply unit provided therein is connected to the downstream side of the first electrolytic solution tank having an electrode cassette provided therein (a first discharge unit and a second discharge unit). After connecting by the supply part), the insides of the first electrolytic solution tank and the second electrolytic solution tank were filled with the electrolytic solution. The electrolytic solution contains an organic substance having a total organic carbon (TOC) of 600 mg/L. Furthermore, soil microorganisms containing anaerobic microorganisms and polyphosphate-accumulating bacteria that generate electricity were planted in the first electrolytic solution tank and the second electrolytic solution tank. Then, the electrolytic solution was continuously supplied to the first electrolytic solution tank so that the residence time of the electrolytic solution was 48 hours in each tank. In this way, the liquid processing system of this example was obtained.
[評価]
液体処理システムにおける第一電解液槽の第一供給部、第一排出部(連結管)及び第二電解液槽の第二排出部の各々から電解液を採取し、モリブデン青吸光光度法により、各電解液中のリン酸イオン濃度を測定した。
[Evaluation]
The electrolytic solution was collected from each of the first supply section of the first electrolytic solution tank, the first discharging section (connection pipe) and the second discharging section of the second electrolytic solution tank in the liquid treatment system, and by molybdenum blue absorptiometry, The phosphate ion concentration in each electrolytic solution was measured.
液体処理システムにおいて、第一電解液槽の第一供給部、第一排出部並びに第二電解液槽の第二排出部から採取した電解液のリン酸イオン濃度は、それぞれ、27mg/L、28mg/L及び22mg/Lであった。このことから、電極カセットを備えた第一電解液槽の下流に、酸素供給部を備えた第二電解液槽を設けることにより、ポリリン酸蓄積細菌によって、電解液からリンを除去する効果が確認できた。 In the liquid treatment system, the phosphate ion concentrations of the electrolytic solutions collected from the first supply section, the first discharge section of the first electrolytic solution tank, and the second discharge section of the second electrolytic solution tank are 27 mg/L and 28 mg, respectively. /L and 22 mg/L. From this, the effect of removing phosphorus from the electrolytic solution by polyphosphate-accumulating bacteria was confirmed by providing a second electrolytic solution tank equipped with an oxygen supply unit downstream of the first electrolytic solution tank equipped with the electrode cassette. did it.
以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。具体的には、図面において、電極カセット100における正極10、負極20及びイオン移動層30、並びに酸素供給部200における撥水層110は、矩形状に形成されている。しかし、これらの形状は特に限定されず、液体処理システムの大きさ、及び所望の浄化性能等により任意に変更することができる。また、各層の面積も所望の機能が発揮できるならば、それぞれ任意に変更することができる。
Although the present embodiment has been described above, the present embodiment is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present embodiment. Specifically, in the drawings, the
また、液体処理システムA,Bにおいて、電極カセット100は、正極10と接触する気相Gを形成するカセット基材50Aを備えている。ただ、本実施形態の液体処理システムA,Bにおいて、カセット基材50Aは必須の構成要素でない。つまり、正極10が電解液3及び気相Gと接触し、負極20が電解液3に接触していれば、電解液3中の有機物及び/又は窒素化合物を分解しつつ電気エネルギーを得ることができる。例えば、正極10を電解液3の水面に浮かべ、負極20を電解液3に沈ませることによっても、正極10の一部は気相Gと接触し、負極20は電解液3と接触することができる。なお、このような構成の場合、正極10は撥水層11を備えなくてもよい。
In the liquid processing systems A and B, the
そして、本実施形態に係る液体処理システムは、有機性物質及びリンを含む液体、例えば各種産業の工場などから発生する排水、下水汚泥などの有機性廃水などの処理に広く適用できる。また、水域の環境改善などにも利用できる。 The liquid treatment system according to the present embodiment can be widely applied to treatment of a liquid containing an organic substance and phosphorus, for example, waste water generated from factories of various industries, organic waste water such as sewage sludge, and the like. It can also be used to improve the water environment.
1 第一電解液槽
2 第二電解液槽
3 電解液
5 第一供給部
6 第一排出部
7 第二供給部
8 第二排出部
10 正極
20 負極
200,200A 酸素供給部
A,B 液体処理システム
G 気相
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st
Claims (4)
前記電解液を前記第一電解液槽に供給する第一供給部と、
前記第一電解液槽内の電解液を前記第一電解液槽から排出する第一排出部と、
前記第一電解液槽内の電解液に接触し、酸素を含む気相と接触する正極と、
前記第一電解液槽内の電解液に接触し、前記正極と電気的に接続され、嫌気性微生物を担持する負極と、
前記第一電解液槽よりも下流側に設けられ、前記第一電解液槽から排出された電解液を保持する第二電解液槽と、
前記第一電解液槽から排出された電解液を前記第二電解液槽に供給する第二供給部と、
前記第二電解液槽内の電解液を排出する第二排出部と、
前記第二電解液槽内の電解液に酸素を供給する酸素供給部と、
を備え、
前記第二排出部を通る電解液のリン酸イオン濃度は、前記第一供給部を通る電解液のリン酸イオン濃度よりも低い、液体処理システム。 A first electrolytic solution tank for holding an electrolytic solution containing an organic substance and a phosphorus compound,
A first supply unit that supplies the electrolytic solution to the first electrolytic solution tank,
A first discharge part for discharging the electrolytic solution in the first electrolytic solution tank from the first electrolytic solution tank,
A positive electrode in contact with the electrolytic solution in the first electrolytic solution tank, and in contact with a gas phase containing oxygen,
In contact with the electrolytic solution in the first electrolytic solution tank, electrically connected to the positive electrode, a negative electrode carrying anaerobic microorganisms,
A second electrolytic solution tank, which is provided on the downstream side of the first electrolytic solution tank and holds the electrolytic solution discharged from the first electrolytic solution tank,
A second supply unit that supplies the electrolytic solution discharged from the first electrolytic solution tank to the second electrolytic solution tank,
A second discharge part for discharging the electrolytic solution in the second electrolytic solution tank,
An oxygen supply unit for supplying oxygen to the electrolytic solution in the second electrolytic solution tank,
Equipped with
The liquid treatment system, wherein the phosphate ion concentration of the electrolytic solution passing through the second discharging part is lower than the phosphate ion concentration of the electrolytic solution passing through the first supplying part.
前記第一排出部を通る電解液の全窒素濃度は、前記第一供給部を通る電解液の全窒素濃度よりも低い、請求項1に記載の液体処理システム。 The electrolytic solution held in the first electrolytic solution tank further contains a nitrogen compound,
The liquid treatment system according to claim 1, wherein the total nitrogen concentration of the electrolytic solution passing through the first discharge part is lower than the total nitrogen concentration of the electrolytic solution passing through the first supply part.
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