JP2020092071A - Microbial fuel cell - Google Patents

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佳弥子 廣岡
Kayako Hirooka
佳弥子 廣岡
修 市橋
Osamu Ichihashi
修 市橋
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Abstract

To provide a novel microbial fuel cell technology with a high organic matter removal rate making it possible to use an existing facility with a slight modification at low cost for wastewater treatment with low organic matter concentration and obtain electric energy with high efficiency.SOLUTION: The microbial fuel cell has at least a pair of electrodes, a wastewater containing organic matter, and a wastewater treatment tank. A biofilm containing a microorganism having an extracellular electron transfer ability of decomposing an organic substance contained in wastewater to release an electron is formed on an anode of the electrodes. The anode has a layered structure or a structure for surrounding wastewater and includes a region in which a surface area of the anode is 2.5 to 18 cm/cmwith respect to a volume of wastewater surrounded by the anode. A surface area of the cathode paired with the anode is 5 to 35% of the surface area of the anode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、微生物燃料電池に関する。また微生物燃料電池を用いて低有機物濃度の廃水から高効率で電気エネルギーを取り出す方法に係わる。 The present invention relates to a microbial fuel cell. The present invention also relates to a method for efficiently extracting electric energy from wastewater having a low organic matter concentration using a microbial fuel cell.

廃水が潜在的に持つエネルギーは、その廃水を活性汚泥法によって処理するために処理場で使うエネルギーの約9.3倍(Shizas, I. (2004) Journal of Energy Engineering, 130(2)45-53)という推定があるほど高く、これを回収・利用することは循環型社会の形成を目指す上で重要である。 The potential energy of wastewater is about 9.3 times the energy used in the treatment plant to treat the wastewater by the activated sludge method (Shizas, I. (2004) Journal of Energy Engineering, 130(2)45- It is highly estimated that it is 53), and it is important to collect and use this in order to form a recycling-based society.

廃水処理におけるエネルギー回収技術としては、メタン発酵や水素発酵といった嫌気性処理に関する研究が進められている。しかし、メタン発酵は回収したバイオガスを電力として利用するために発電機を必要とする上、バイオガスに含まれる硫化水素の除去のためにガスの前処理が必要である。またガス爆発や、硫化水素による中毒など、安全面でも課題を抱えている。 As an energy recovery technology for wastewater treatment, research on anaerobic treatment such as methane fermentation and hydrogen fermentation is under way. However, methane fermentation requires a generator to use the recovered biogas as electric power, and requires pretreatment of the gas to remove hydrogen sulfide contained in the biogas. There are also safety issues such as gas explosion and poisoning with hydrogen sulfide.

一方、微生物の代謝機能を利用して、有機物質から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池と呼ばれるものがあり、本発明者らは先に、廃水から電気エネルギーを取り出すと同時にリン含有析出物を回収する方法(特許文献1)に関して、提案している。この方法によれば、特に家畜排泄物などを含む有機物濃度の高い廃水を浄化するとともに、単に電気エネルギーを獲得するだけでなく、廃水中に含まれる再利用可能な資源も同時に回収することができる。 On the other hand, there is a so-called microbial fuel cell that takes out electric energy from organic substances by utilizing the metabolic function of microorganisms. The present inventors have previously taken out electric energy from wastewater and at the same time recover phosphorus-containing precipitates. A method (Patent Document 1) is proposed. According to this method, it is possible to purify wastewater having a high organic matter concentration, particularly including livestock excrement, and not only obtain electric energy but also recover reusable resources contained in the wastewater at the same time. ..

微生物燃料電池の基本的な構造は、特殊な微生物をアノードに生育させて有機物含有廃水と接触させ、カソードには空気中の酸素などの酸化剤が接触するようにし、アノードとカソードを電気的に接続するというものである。これによって、アノードにおいて有機物を電子供与体とする微生物による酸化反応を進行させ、カソードにおいては酸素を電子受容体とする還元反応を進行させて、電力を得るものである。 The basic structure of the microbial fuel cell is that special microorganisms are grown on the anode and brought into contact with wastewater containing organic substances, and the cathode is brought into contact with an oxidant such as oxygen in the air. It is to connect. As a result, an oxidation reaction by a microorganism that uses an organic substance as an electron donor proceeds at the anode, and a reduction reaction that uses oxygen as an electron acceptor proceeds at the cathode to obtain electric power.

例えば、発電装置の具体的な構造について、多孔質材料等を使用したカソードに関する技術(特許文献2)や、炭素繊維で形成された作用極と、酸化性物質と接触する対極、該作用極と該対極との間にイオン透過膜を形成した電解装置(特許文献3)などが提案されている。また、負極と正極を一つのカセットとし、これらを幾つか接続して微生物燃料電池を構成するもの(特許文献4)もある。 For example, regarding a specific structure of a power generation device, a technique relating to a cathode using a porous material or the like (Patent Document 2), a working electrode formed of carbon fiber, a counter electrode in contact with an oxidizing substance, and the working electrode An electrolytic device (Patent Document 3) in which an ion-permeable film is formed between the counter electrode and the like has been proposed. In addition, there is also a cassette (patent document 4) in which a negative electrode and a positive electrode are combined into one cassette, and a plurality of these cassettes are connected to form a microbial fuel cell.

微生物燃料電池は、理論エネルギー効率が高く、次世代を担う廃水処理技術として実用化が期待されているが、有機物濃度の低い廃水の処理を行う場合は発電量が極めて少なく、エネルギーを回収することに事実上意味がないという問題があった。また、このような廃水では有機物除去速度も十分に高いとはいえず、長い滞留時間、すなわち、同じ量の廃水を処理するのに必要な施設が大きくなってしまうという問題があった。 Microbial fuel cells have high theoretical energy efficiency and are expected to be put to practical use as wastewater treatment technology for the next generation, but when treating wastewater with low organic matter concentration, the amount of power generation is extremely small and energy must be recovered. There was a problem that was virtually meaningless. Further, such wastewater cannot be said to have a sufficiently high organic matter removal rate, and there is a problem that a long residence time, that is, a facility required for treating the same amount of wastewater becomes large.

ところで、大部分の廃水は下水(CODCr:150〜300mg/L)に代表されるような有機物濃度の低いものであり、従って、微生物燃料電池によって意味のある量のエネルギーを回収できる廃水は、量的にも種類的にもかなり限られていた。 By the way, most of the wastewater has a low organic matter concentration as represented by sewage (COD Cr : 150 to 300 mg/L). Therefore, the wastewater from which a significant amount of energy can be recovered by the microbial fuel cell is It was quite limited in quantity and type.

有機物濃度の低い廃水の場合には、処理槽体積あたりのアノード面積とカソード面積の双方を増やすことにより、発電量そのものは増えるので、前記課題を解決できるようにも思われる。しかし、実際には空気と接触させるカソードには多くの場合は白金などの触媒を担持させることから、コスト増大や、処理装置全体の大型化や装置の構造が複雑化するなど、別の問題も生じてしまう。カソードに触媒を使用しない場合もあるが、その場合は発電性能が大幅に低下してしまう。 In the case of wastewater having a low organic matter concentration, the amount of power generation itself increases by increasing both the anode area and the cathode area per treatment tank volume, so it seems that the above problems can be solved. However, in practice, since a cathode such as platinum is often loaded with a catalyst such as platinum, another problem such as an increase in cost, an increase in the size of the entire processing apparatus and a complicated structure of the apparatus is also caused. Will occur. In some cases, no catalyst is used for the cathode, but in that case the power generation performance will be significantly reduced.

また論文等には、微生物燃料電池による廃水処理において、アノード面積を大きくしても発電能力は大きくならなかったという報告がある(非特許文献1)。さらに、アノード面積とカソード面積の等しいエアカソード1槽型微生物燃料電池においては、アノードは発電の制限因子としてはほとんど寄与せず(カソードの1/10程度)、面積を増やすなどしてカソードの能力を上げることが発電の向上に有効であったという報告がある(非特許文献2)。このように、これまでは微生物燃料電池の発電量を増やすためには、カソードの面積を増やすことが有効だと考えられて来た。しかし、カソードの面積を増やすと前述したような問題が発生するため、実用的な手段で微生物燃料電池を用いて有機物濃度が低い下水等からの発電量を増やすことは難しかった。 In addition, in a paper and the like, there is a report that the power generation capacity did not increase even if the anode area was increased in the wastewater treatment by the microbial fuel cell (Non-Patent Document 1). Furthermore, in an air-cathode single-tank microbial fuel cell with the same anode area and cathode area, the anode hardly contributes as a limiting factor for power generation (about 1/10 of the cathode), and the capacity of the cathode is increased by increasing the area. There is a report that increasing the power consumption was effective in improving power generation (Non-patent Document 2). As described above, it has been thought that increasing the area of the cathode is effective in increasing the power generation amount of the microbial fuel cell. However, if the area of the cathode is increased, the above-mentioned problem occurs, so that it is difficult to increase the amount of power generation from sewage or the like having a low organic matter concentration using a microbial fuel cell by a practical means.

特開2013−84597号公報JP, 2013-84597, A 特開2004−342412号公報JP, 2004-342412, A 特開2006−159112号公報JP, 2006-159112, A 特開2009−93861号公報JP, 2009-93861, A

Lanas, Vanessa, and Bruce E. Logan. "Evaluation of multi-brush anode systems in microbial fuel cells." Bioresource technology 148 (2013): 379-385.Lanas, Vanessa, and Bruce E. Logan. "Evaluation of multi-brush anode systems in microbial fuel cells." Bioresource technology 148 (2013): 379-385. Fan, Yanzhen, Evan Sharbrough, and Hong Liu. "Quantification of the internal resistance distribution of microbial fuel cells." Environmental science & technology 42.21 (2008): 8101-8107.Fan, Yanzhen, Evan Sharbrough, and Hong Liu. "Quantification of the internal resistance distribution of microbial fuel cells." Environmental science & technology 42.21 (2008): 8101-8107. Kayako Hirooka*, Osamu Ichihashi*, Phosphorus recovery from artificial wastewater by microbial fuel cell and its effect on power generation, Bioresource Technology, 137 (2013) : 368?375 (*co-first authors).Kayako Hirooka*, Osamu Ichihashi*, Phosphorus recovery from artificial wastewater by microbial fuel cell and its effect on power generation, Bioresource Technology, 137 (2013): 368?375 (*co-first authors). 飯田 和輝・麦田 藍・吉田 奈央子、微生物燃料電池の下水処理施設への適用に向けた基礎的研究、こうえいフォーラム第24号/ 2016 .3(https://www.n-koei.co.jp/rd/thesis/pdf/201603/forum24_009.pdf)Kazuki Iida, Ai Umeda, Naoko Yoshida, Basic Research for Application to Sewage Treatment Plant of Microbial Fuel Cell, Koei Forum No. 24/2016 .3 (https://www.n-koei.co.jp /rd/thesis/pdf/201603/forum24_009.pdf)

有機物濃度が低い廃水処理に対して、前記の通りの課題を解決し、低コストで、わずかな改変で既存設備を使用可能であり、高効率で電気エネルギーを獲得でき、有機物除去速度の速い新規な微生物燃料電池技術を提供することを目的とする。 For wastewater treatment with low organic matter concentration, the above problems can be solved, existing equipment can be used at low cost with slight modification, electric energy can be obtained with high efficiency, and organic matter removal speed is fast. To provide a novel microbial fuel cell technology.

本発明では、従来は否定的な報告しかなかった、カソード面積を一定としてアノード面積のみを増加させるという方法を敢えて実行することによって、前記課題を解決しうることを見いだした。 In the present invention, it has been found that the above-mentioned problems can be solved by intentionally executing a method of increasing the anode area while keeping the cathode area constant, which has only been negatively reported.

すなわち、本発明の微生物燃料電池は、少なくとも一対の電極と、有機物等を含む廃水と、廃水処理槽とを有し、前記有機物を分解して電子を放出する細胞外電子伝達能を有する微生物を含むバイオフィルムが前記電極のアノード上に形成され、前記アノードは層状構造、又は廃水を包囲する構造、又は短冊を束ねて垂らした構造を有するとともに、該アノードに囲まれた廃水の体積に対して、前記アノードの表面積(接液面積)が2.5〜18cm/cmである領域を含み、かつ、そのアノードと対になる前記カソードの表面積(接液面積)が、当該アノードの表面積の5〜35%であることを特徴とする。 That is, the microbial fuel cell of the present invention has at least a pair of electrodes, a wastewater containing an organic substance and the like, and a wastewater treatment tank, and a microorganism having an extracellular electron transfer ability to decompose the organic substance and release an electron. A biofilm containing is formed on the anode of the electrode, and the anode has a layered structure, a structure surrounding the wastewater, or a structure in which strips are bundled and hung, and the volume of the wastewater surrounded by the anode is , The surface area (wetted area) of the anode is 2.5 to 18 cm 2 /cm 3 , and the surface area (wetted area) of the cathode paired with the anode is equal to the surface area of the anode. It is characterized by being 5 to 35%.

本発明では、処理槽内の廃水の単位体積に接触するアノードの表面積をできるだけ大きくする一方で、廃水に接触するカソードの表面積を、前記アノードの表面積の5%〜35%以下と小さく設定することとした。アノード側は微生物を保持し得る炭素繊維で形成された不織布などの材料を用いることができ、カソード側のように白金などの触媒を担持する必要がないので、低コストで対応ができるからである。また、アノード側の表面積を大きくすることにより低有機物濃度の廃水であっても高効率で電気エネルギーを獲得することができ、同時に廃水中の有機物をより早く除去することができる。 In the present invention, the surface area of the anode in contact with a unit volume of waste water in the treatment tank is made as large as possible, while the surface area of the cathode in contact with the waste water is set as small as 5% to 35% or less of the surface area of the anode. And This is because it is possible to use a material such as a non-woven fabric formed of carbon fiber capable of retaining microorganisms on the anode side, and it is not necessary to carry a catalyst such as platinum on the cathode side, so that it can be handled at low cost. .. Also, by increasing the surface area on the anode side, it is possible to obtain electric energy with high efficiency even in wastewater having a low organic matter concentration, and at the same time, it is possible to remove organic matter in the wastewater faster.

前記アノード、およびカソードの「表面積」とは、アノードおよびカソードが廃水に接触している部分の面積(接液面積)のことを指す。エアカソードは一方の面のみが廃水と接触し、他方の面は空気と接触している。一方、アノードは基本的に廃水中に浸漬して用いるため両方の面が廃水と接触するが、水面上に出て廃水と接触していない部分に関しては表面積としてカウントしない。 The “surface area” of the anode and the cathode refers to the area of the part where the anode and the cathode are in contact with the wastewater (wetted area). Only one surface of the air cathode is in contact with wastewater, and the other surface is in contact with air. On the other hand, since the anode is basically immersed in the waste water for use, both surfaces come into contact with the waste water, but the part that comes out on the water surface and is not in contact with the waste water is not counted as the surface area.

前記アノードの「層状構造」とは、例えば平板状のアノードが複数枚適当な間隔を持って並列に並べられた状態をいう。各アノード表面が平行或いは均等な間隔を持って離間されている必要はないが、各アノードの表面および裏面にはバイオフィルムが形成されるので、間隔が狭すぎると、相互に形成されたバイオフィルムによってアノードの隙間が消失し、廃水が流入できなくなるため処理効率の観点から好ましくない。 The “layered structure” of the anode means, for example, a state in which a plurality of flat plate-shaped anodes are arranged in parallel at an appropriate interval. The surface of each anode does not have to be parallel or evenly spaced apart, but since biofilms are formed on the front and back surfaces of each anode, if the spacing is too small, biofilms formed on each other will be formed. As a result, the anode gap disappears and wastewater cannot flow in, which is not preferable from the viewpoint of treatment efficiency.

また、アノードが「廃水を包囲する構造」とは、アノードを筒状に形成する他、該筒の一部に窓を設けた構造や、アノード表面に垂直な平面で切断したときの断面がコ字状、U字状、S字状などの各構造をいう。 The term “structure surrounding the wastewater” means that the anode is formed into a tubular shape, a window is provided in a part of the tubular shape, or a cross section taken along a plane perpendicular to the anode surface is It refers to each structure such as a letter shape, a U shape, and an S shape.

また、「短冊を束ねて垂らした構造」とは、短冊状のアノード複数枚を、一方の端は束ねて、もう一方の端は束ねない状態で、束ねた側を上部にして設置した構造をいう。 In addition, "a structure in which strips are bundled and hung" refers to a structure in which multiple strip-shaped anodes are installed with one end bundled and the other end not bundled, with the bundled side facing up. Say.

これらの構造によれば、廃水の単位体積あたりにおけるアノードとの接触面積を大きくすることができるからである。 This is because these structures can increase the contact area with the anode per unit volume of waste water.

前記「アノードに囲まれた廃水の体積」とは、一対の電極としてのアノードを包装紙または風呂敷のような物で包むときに形成される立体の体積をいう。例えば層状または包囲構造を有するアノードの最外表面が、前記立体の一表面となり、或いは前記アノードの周方向における最外端部が前記立体の稜線を形成して、閉じた領域と成したときの仮想立体の体積をいう。要するに廃水処理槽内に配置されたアノードの存在密度の最も高い部分を基準とすることを意味している。なお、前述の「一対の電極としてのアノード」というのは、対応するカソードに対して対になっているかどうかで判断する。すなわち、接続部材等によってつながっていなくても、電気的に接続されていれば同じアノードとみなし、逆に非導電性の接続部材によってのみ繋がっている場合は、別のアノードとみなす。また厳密には、前記体積にはアノードや接続部材の体積も含まれるが、本発明ではこれらを総合して「アノードに囲まれた廃水の体積」と定義する。 The “volume of wastewater surrounded by the anode” means a three-dimensional volume formed when the anode as a pair of electrodes is wrapped with a wrapping paper or furoshiki. For example, when the outermost surface of the anode having a layered or surrounding structure is one surface of the solid, or the outermost end portion in the circumferential direction of the anode forms a ridge line of the solid to form a closed region. The volume of a virtual solid. In short, it means that the highest density of the anodes arranged in the wastewater treatment tank is used as a reference. The above-mentioned "anode as a pair of electrodes" is determined by whether or not it is paired with the corresponding cathode. That is, even if they are not connected by a connecting member or the like, they are regarded as the same anode if they are electrically connected, and conversely if they are connected only by a non-conductive connecting member, they are regarded as another anode. Strictly speaking, the volume includes the volume of the anode and the connecting member, but in the present invention, these are collectively defined as “volume of waste water surrounded by the anode”.

廃水中ではアノードの微生物が有機物を酸化して生成した電子(e-)が、カソード側に移動して、触媒などの作用により酸素を還元する。その過程で電子は、配線上の負荷で仕事を行うことにより、電力が得られる。従って、アノード表面近傍の廃水が電気の発生に直接関係するため、その体積が重要になるからである。 Electrons (e - ) produced by oxidizing microorganisms of the anode in waste water move to the cathode side and reduce oxygen by the action of a catalyst. In the process, the electrons work by the load on the wiring to obtain electric power. Therefore, since the wastewater near the anode surface is directly related to the generation of electricity, its volume becomes important.

微生物燃料電池でバイオフィルムを形成する微生物は、前記アノードに電子を伝達するメディエータの添加が不要である細菌を一種以上含むことを特徴とする。一般的に微生物燃料電池は、微生物の産生する電子を電極が受け取って、外部回路に電気エネルギーとして供給する。その際に直接電極との間で電子授受を行う微生物と、微生物からメディエータと呼ばれる物質(例えば、ニュートラルレッド、メチレンブルー、チオニンなどが挙げられる)が電子を収奪し、これが電極に電子を渡す所謂仲介役を必要とする微生物がある。本発明では、このメディエータの添加が不要である微生物が特に好適である。 The biofilm-forming microorganisms in the microbial fuel cell are characterized by containing one or more bacteria that do not require addition of a mediator that transfers electrons to the anode. In general, in a microbial fuel cell, electrons produced by microorganisms are received by electrodes and supplied to an external circuit as electric energy. At that time, a microorganism that directly exchanges electrons with the electrode and a substance called a mediator (for example, neutral red, methylene blue, thionine, etc.) from the microorganism absorbs the electron, and this is a so-called intermediary that transfers the electron to the electrode. There are microorganisms that need a role. In the present invention, a microorganism that does not require the addition of this mediator is particularly suitable.

多くのメディエータは廃水中にほとんど含まれていないため、これを利用する場合は添加する必要があるが、そのためには手間とコストが必要となり、メディエータの回収という工程も増える結果となるからである。ただし、自らや系内に存在する他の微生物が生産したメディエータを利用して電極に電子を伝達する微生物に関しては、メディエータの添加や回収の工程が不要であるため、この種の微生物もまた好ましい。 This is because many mediators are rarely contained in wastewater, so it is necessary to add them when using them, but this requires labor and cost and results in an increase in the number of mediator recovery processes. .. However, for microorganisms that transfer electrons to the electrode by utilizing mediators produced by themselves or other microorganisms present in the system, this kind of microorganism is also preferable because the step of adding or recovering the mediator is not necessary. ..

前記有機物を分解して電子を放出する細胞外電子伝達能を有する微生物としては、一般的には、Acidobacteria門、Proteobacteria門、Firmicutes門、Cyanobacteria門、Bacteroidetes門のいずれかに属していることが知られ、より具体的には、Gammaproteobanteria綱Shewanella属、およびDeltaproteobacteria綱Geobacter属に属する鉄還元細菌がよく知られている。微生物燃料電池のアノード上に形成されるバイオフィルム中には各種の細菌が存在し得るが、アノード側では電子生産微生物にとって好ましい選択圧がかかるため、主要細菌は、細胞外電子伝達能を有する微生物の割合が多くなる。 As a microorganism having an extracellular electron transfer ability to decompose the organic matter and release an electron, it is generally known that it belongs to any of the phylum Acidobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Cyanobacteria, and Bacteroidetes. More specifically, iron-reducing bacteria belonging to Gammaproteobanteria genus Shewanella and Deltaproteobacteria genus Geobacter are well known. Although various kinds of bacteria may exist in the biofilm formed on the anode of the microbial fuel cell, the main bacteria are those having extracellular electron transfer ability because the selective pressure that is preferable for the electron-producing microorganisms is applied on the anode side. Will increase in proportion.

アノードへのバイオフィルムの形成方法は、例えばカーボンフェルトをアノードとして使用する場合に、該フェルトの表面に実際の廃水処理場で採取した活性汚泥や水田土壌、湖沼底泥などの微生物を多く含む環境試料を塗布すれば良い。これによりフェルト表面には汚泥中の各種の微生物が植種されることになるが、アノードでの選択圧によって主として細胞外電子伝達能を有する微生物の比率が高くなる。もちろん、上記の環境試料から各種微生物を分離または集積培養して、予め細胞外電子伝達能を有する微生物だけを選別した後、アノード表面に塗布する方法でも良い。何れにしても成育環境に適合するものが淘汰されてバイオフィルムを形成することになる。 The method of forming a biofilm on the anode is, for example, when using carbon felt as the anode, an environment containing a large amount of microorganisms such as activated sludge collected in an actual wastewater treatment plant, paddy soil, and lake bottom mud on the surface of the felt. The sample may be applied. As a result, various microorganisms in sludge are inoculated on the felt surface, but the selective pressure at the anode increases the proportion of microorganisms mainly having extracellular electron transfer ability. Of course, a method may be used in which various microorganisms are separated or accumulated from the above environmental sample, only microorganisms having extracellular electron transfer ability are selected in advance, and then applied to the anode surface. In any case, those suitable for the growth environment are selected to form the biofilm.

なお「バイオフィルム」とは、「微生物により形成される構造体」を意味し、「カビや細菌などの微生物が物体の表面に付着して増殖し、分泌物や沈着物とともに表面を覆う膜のこと」を言う。 The term "biofilm" means "a structure formed by microorganisms", in which "microorganisms such as molds and bacteria adhere to the surface of an object and proliferate, and a film covering the surface with secretions and deposits. Say.

本発明で使用するアノードは、適当な隙間を隔てて積層させた構造物が好ましい。面積を大きくする為にアノード全体の体積が嵩張ると、従来の廃水処理槽に対して適用が困難になる可能性があり、処理槽の設計変更が必要になれば、その分コストアップとなるからである。 The anode used in the present invention preferably has a structure in which layers are laminated with an appropriate gap. If the volume of the entire anode is large to increase the area, it may be difficult to apply it to the conventional wastewater treatment tank, and if the design of the treatment tank needs to be changed, the cost will increase accordingly. Is.

また、本発明で使用するカソードは、廃水中の溶存酸素を利用する方式であっても良いが、空気中の酸素を利用する方式(エアカソードと呼ばれる)が好ましい。エアカソードは一方の面は廃水と、他方の面は空気と接触するので、空気を流通させるだけでよいため、曝気の必要がないという利点がある。 Further, the cathode used in the present invention may be a system utilizing dissolved oxygen in wastewater, but a system utilizing oxygen in air (referred to as an air cathode) is preferable. One side of the air cathode is in contact with wastewater, and the other side is in contact with air. Therefore, only air needs to be circulated, and there is an advantage that aeration is not required.

さらに、本発明の微生物燃料電池は、廃水の有機物濃度が低い場合に好適である。有機物濃度が高い場合には従来型(いわゆるアノードとカソードの投影面積が等しい、すなわち表面積(接液面積)はカソードがアノードの50%のタイプなど)を適用すればよく、アノード面積の増加によるコストに見合う程の発電性能の上昇は認めがたいからである。より具体的には有機物濃度が、化学的酸素要求量(CODCr)の値で30〜300mg/L(より好ましくは40〜180mg/L)の範囲の廃水に適用することが望ましい。また、それ以上の有機物濃度の廃水の処理において利用する場合は、処理が進み有機物濃度が30〜300mg/L(より好ましくは40〜180mg/L)まで低くなった箇所(処理槽の下流など)に適用することが望ましい。 Furthermore, the microbial fuel cell of the present invention is suitable when the organic matter concentration of waste water is low. When the organic matter concentration is high, the conventional type (so-called anode and cathode have the same projected area, that is, the surface area (wetted area) is 50% of the anode type) This is because it is difficult to recognize an increase in power generation performance commensurate with. More specifically, it is desirable that the organic matter concentration is applied to wastewater having a chemical oxygen demand (COD Cr ) value of 30 to 300 mg/L (more preferably 40 to 180 mg/L). When used in the treatment of wastewater having a higher organic matter concentration, the location where the treatment proceeds and the organic matter concentration is reduced to 30 to 300 mg/L (more preferably 40 to 180 mg/L) (such as downstream of the treatment tank). It is desirable to apply to.

本発明の微生物燃料電池は、従来適用が困難とされていた有機物濃度の低い廃水であっても、発電量を高めることができ、有機物除去能力も向上させることができる。従って、都市下水のような大量に発生する廃水処理に使用でき、これまでの処理槽に入れ込む形で利用することも可能であるため、技術の適用範囲を大幅に拡大することができる。 The microbial fuel cell of the present invention can increase the amount of power generation and the ability to remove organic matter even with wastewater having a low organic matter concentration, which has been conventionally difficult to apply. Therefore, it can be used for treating a large amount of wastewater such as city sewage, and can also be used by putting it into a conventional treatment tank, so that the scope of application of the technology can be greatly expanded.

しかも、これまでの廃水処理はエネルギーの回収・有効利用は、全くと言ってよいほど考慮されていなかったが、本発明の微生物燃料電池を用いることによって循環型社会構築の一助と成る。 In addition, although the recovery and effective use of energy have not been considered at all in the wastewater treatment so far, the use of the microbial fuel cell of the present invention helps to build a recycling-based society.

図1は、本実施形態に係るアノードの構造(層状構造)の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the structure (layered structure) of the anode according to the present embodiment. 図2は、図1に例示するアノードに「囲まれた体積」を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the “enclosed volume” in the anode illustrated in FIG. 1. 図3は、本実施形態に係るアノードの構造の一例(短冊を束ねて垂らした構造)を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the structure of the anode according to the present embodiment (a structure in which strips are bundled and hung). 図4は、アノードに円筒状のものを採用した場合の構造の一例、および「囲まれた体積」を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a structure in which a cylindrical anode is adopted and the “enclosed volume”. 図5は、本実施形態に係る微生物燃料電池の構成の一例を示す概要図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the microbial fuel cell according to this embodiment. 図6は、実施例における微生物燃料電池の循環型運転システムの模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a circulation type operation system of the microbial fuel cell in the example. 図7は、実施例1における、アノード表面積を増加させたときの、廃水の酢酸濃度とアノード最大電流の関係の変化を表すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the change in the relationship between the acetic acid concentration of waste water and the maximum anode current when the surface area of the anode was increased in Example 1. 図8は、実施例2における、アノード表面積を増加させたときの、廃水中の有機物濃度と電力の関係の変化を表すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a change in the relationship between the organic matter concentration in wastewater and electric power when the anode surface area is increased in Example 2. 図9は、実施例2における、廃水中の有機物濃度が高いときの平均電力、および有機物濃度が低いときの平均電力を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the average power when the organic matter concentration in the wastewater is high and the average power when the organic matter concentration is low in Example 2. 図10は、実施例3における、微生物燃料電池の発電状況を表すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the power generation status of the microbial fuel cell in Example 3.

微生物燃料電池は電気エネルギーの回収を重視するため、これまでは発電にとって好条件である高い有機物濃度の廃水(畜産関係の廃水など)を主たる対象としてきた。しかし、現実には都市下水などの有機物濃度の低い廃水の方が、量としては圧倒的に多大である。そこで、本発明では、このような廃水にも適用できる微生物燃料電池を提供することを目的とした。 Since microbial fuel cells place importance on the recovery of electric energy, until now, wastewater with a high organic matter concentration (such as wastewater related to livestock), which is a favorable condition for power generation, has been the main target. However, in reality, the amount of wastewater with low organic matter concentration such as city sewage is overwhelmingly large. Therefore, an object of the present invention is to provide a microbial fuel cell applicable to such wastewater.

本発明によれば、アノード面積をカソード面積よりも大きく設定することによって、低い有機物濃度の廃水からも十分に電気を回収することができ、有機物除去速度の高い技術を提供できる。より具体的には、少なくとも一対の電極と、有機物等を含む廃水と、廃水処理槽とを有し、前記有機物を分解して電子を放出する細胞外電子伝達能を有する微生物を含むバイオフィルムが前記電極のアノード上に形成され、前記アノードは層状構造、又は廃水を包囲する構造、又は短冊を束ねて垂らした構造を有するとともに、該アノードに囲まれた廃水の体積に対して、前記アノードの表面積が2.5〜18cm/cmである領域、より好ましくは3.1〜12cm/cmである領域を含み、かつ、そのアノードと対になる前記カソードの表面積が、当該アノードの表面積の5〜35%、より好ましくは7.5〜30%である微生物燃料電池に関するものである。 According to the present invention, by setting the anode area larger than the cathode area, it is possible to sufficiently recover electricity from wastewater having a low organic matter concentration, and it is possible to provide a technique with a high organic matter removal rate. More specifically, a biofilm having at least a pair of electrodes, a wastewater containing an organic substance and the like, and a wastewater treatment tank, a biofilm containing a microorganism having an extracellular electron transfer ability to decompose the organic substance and release an electron. It is formed on the anode of the electrode, and the anode has a layered structure, a structure surrounding the wastewater, or a structure in which strips are bundled and hung, and the volume of the wastewater surrounded by the anode is larger than that of the anode. The surface area of the cathode, which includes a region having a surface area of 2.5 to 18 cm 2 /cm 3 , more preferably 3.1 to 12 cm 2 /cm 3 , and which is paired with the anode is The present invention relates to a microbial fuel cell having a surface area of 5 to 35%, more preferably 7.5 to 30%.

さらに、コストと能力のバランスが至適なアノードの表面積は、廃水中の有機物濃度によって異なる。例えば、実際の廃水処理施設では、処理槽における上流(廃水流入口に近い)では有機物濃度が高く、処理槽下流にいくにつれて有機物濃度が低くなっていく。従って、処理槽上流においてはアノード表面積を小さく設定し、下流にいくに従いアノード表面積が大きくなるように設定する方法が好ましいと考えられる。 Furthermore, the surface area of the anode that has the best balance between cost and capacity depends on the organic matter concentration in the wastewater. For example, in an actual wastewater treatment facility, the organic matter concentration is high upstream of the treatment tank (close to the wastewater inlet), and the organic matter concentration becomes lower toward the downstream of the treatment tank. Therefore, it is considered preferable to set the anode surface area small in the upstream of the treatment tank and set the anode surface area to increase in the downstream.

前記電極は双方或いは一方の電極が複数に分割されて存在させても良い。アノード側の電極は微生物の生育環境を形成しやすく、電気を通しやすい素材として、炭素繊維、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素棒などが好適であるが、通電性の良い素材であれば前記に限らない。特にアノードの面積を大きくする上では例えばカーボンペーパーをそれぞれ適当な間隔で並べて層状にした構成とするなどが好ましい。 Both or one of the electrodes may be divided into a plurality of electrodes. Carbon fiber, carbon felt, carbon paper, carbon rod, etc. are suitable as the material on the anode side that easily forms a growth environment for microorganisms and easily conducts electricity, but is not limited to the above as long as it has good electrical conductivity. Absent. Particularly, in order to increase the area of the anode, for example, it is preferable that the carbon papers are arranged at appropriate intervals to form a layer.

図1にはアノードが層状構造である一例が示されている。上側が模式図で、下側が試作品の写真である。この例では、同じ大きさのカーボンペーパー[大](1)を用意し、カーボンペーパー[大]と同じ厚みでサイズの小さいカーボンペーパー[小](2)を8枚重ねたものをカーボンペーパー[大]の両端に載せ、その上にカーボンペーパー[大]を重ねていくことを繰り返してこれらを接続させ、5層構造を形成している。このような構造にすることで、カーボンペーパー[大]の各層間には、バイオフィルムの形成のための空隙と、廃水の流路を確保できる。ただし、前記間隙が1mmより小さいと、バイオフィルムが形成されることによって隙間が減少し、廃水が流入し難くなるために処理効率が低下し、8mmより大きいと、アノード全体の体積が嵩高くなるので、設置場所や既設の処理施設への適用が困難になりやすい。 FIG. 1 shows an example in which the anode has a layered structure. The upper side is a schematic diagram and the lower side is a photograph of the prototype. In this example, a carbon paper [large] (1) of the same size is prepared, and a carbon paper [small] (2) having the same thickness and a small size as the carbon paper [large] is overlaid on the carbon paper [1]. [Large] is placed on both ends, and carbon paper [Large] is repeatedly laid on it to connect them to form a five-layer structure. With such a structure, it is possible to secure a void for forming a biofilm and a wastewater flow path between the layers of the carbon paper [large]. However, if the gap is less than 1 mm, the biofilm is formed to reduce the gap, and it becomes difficult for waste water to flow in, resulting in a decrease in treatment efficiency. If it is greater than 8 mm, the volume of the entire anode becomes bulky. Therefore, it tends to be difficult to apply it to an installation site or an existing treatment facility.

なお、図1における5層構造は、あくまでも例示であって、4層以下または6層以上であっても良い。さらに、両端全体を接続するように形成させたり、カーボンペーパーの四隅または適当な箇所数カ所で接続させたりしてもよく、それらの配置も各カーボンペーパーの間隔毎に一致又は相違させてもよい。但し、各層が廃水の流れに対してできるだけ平行になるように設定することが望ましい。図1の例では紙面の手前から裏面方向またはその逆方向に廃水を流すことで、流れが妨げられることなくアノード全面を有効に活用することができる。 The five-layer structure in FIG. 1 is merely an example, and may be four layers or less or six layers or more. Further, the both ends may be formed so as to be connected to each other, or may be connected at four corners of the carbon paper or at appropriate places, and their arrangement may be the same or different for each interval of each carbon paper. However, it is desirable to set each layer as parallel as possible to the flow of wastewater. In the example of FIG. 1, by flowing the waste water from the front side of the paper surface to the back surface direction or the reverse direction, the entire surface of the anode can be effectively utilized without obstructing the flow.

カーボンペーパー同士が接触する部分にはバイオフィルムが形成されないため、アノードの表面積の計算には基本的には含めない。また、厳密にはカーボンペーパーなどの素材の表面には微細構造による凹凸があるが、表面積の計算にはこれら微細構造は含めず、表面が平らであると仮定する一般的な表面積の計算法に基づいて求める。ただし、アノードの実効的な面積を増やす効果が期待される0.1mm以上の凹凸等がある場合は、それについては平らであるとは扱わずに、表面積の計算を行う。 Since a biofilm is not formed in the part where the carbon papers contact each other, it is basically not included in the calculation of the surface area of the anode. Strictly speaking, the surface of the material such as carbon paper has irregularities due to the fine structure, but the calculation of the surface area does not include these fine structures, and the general surface area calculation method assuming that the surface is flat is used. Seek based on. However, if there is unevenness of 0.1 mm or more, which is expected to increase the effective area of the anode, the surface area is calculated without treating it as being flat.

層状構造アノードの各層の接続には必ずしも導電性の材料を使用する必要はないが、例えばカーボンペーパーをアノード材料として使用した場合、各層のカーボンペーパーが接続部材もしくは外部回路を通じて電気的に接続されていない場合は、一部のカーボンペーパーはアノードとして機能せず、無駄になってしまう。 It is not always necessary to use a conductive material to connect each layer of the layered structure anode, but when carbon paper is used as the anode material, for example, the carbon paper of each layer is electrically connected through a connecting member or an external circuit. If not, some carbon paper will not function as an anode and will be wasted.

同様に層状構造の例としては、アコーディオン状に折りたたまれた構造がある。この構造は前記のように接続部材を必要としないので加工が容易なこと、表面に形成されるバイオフィルムの厚みによって縮小・膨張させることができるので、廃水の状況に応じて調整可能である点で優れている。ただし、伸縮可能ということで、構造が必ずしも安定しないという一面もある。 Similarly, an example of the layered structure is a structure folded in an accordion shape. Since this structure does not require a connecting member as described above, it is easy to process and can be reduced or expanded depending on the thickness of the biofilm formed on the surface, so it can be adjusted according to the situation of wastewater. Is excellent at. However, there is another aspect that the structure is not always stable because it can be expanded and contracted.

廃水を包囲するアノードの構造の例としては、円筒管に代表される筒形状がある。この形状では筒内に廃水を通水させることを考えると、数本の筒をそれぞれ適当な間隔をおいて束ねたような構造、または筒の側面を他の筒の側面と接続或いは接触させて筏を形成するような構造を取り得る(図4には筏を形成した例が示されている)。いずれの場合にも筒の内側だけでなく外表面にもバイオフィルムが形成され、その部分が廃水と接触するようにして、アノード表面の有効活用を図ることが好ましい。なお、筒のいずれか一カ所もしくは複数箇所に窓を設けることにより、廃水の流入排出がより促進されるようにしても良い。 An example of the structure of the anode that surrounds the wastewater is a cylindrical shape represented by a cylindrical tube. Considering that waste water is allowed to pass through the cylinders in this shape, a structure in which several cylinders are bundled at appropriate intervals, or by connecting or contacting the side surface of one cylinder with the side surface of another cylinder, It may have a structure forming a raft (FIG. 4 shows an example of forming a raft). In any case, it is preferable that the biofilm is formed not only on the inner side of the cylinder but also on the outer surface thereof, and that part is brought into contact with the wastewater to effectively utilize the anode surface. It should be noted that the inflow and discharge of wastewater may be further promoted by providing windows at any one or a plurality of locations on the cylinder.

前記廃水を包囲する構造の他の例としては、例えば多角形を底面とする角柱構造のうちの一つ又は隣り合う2以上の側面を除いて形成される、溝状のものをイメージすると良い。側面に垂直な平面で切断すると、切断面が、コ字状、く字状、U字状などの他、S字状などであっても良い。 As another example of the structure for surrounding the wastewater, it is preferable to imagine a groove-shaped structure formed by removing one or more adjacent side surfaces of a prismatic structure having a polygonal bottom surface, for example. When cut along a plane perpendicular to the side surface, the cut surface may be U-shaped, U-shaped, S-shaped or the like.

「アノードに囲まれた廃水の体積」の定義は前記の通りであるが、例えば図1に示すようなアノード(3)の例を使って説明する。図2に示すようにアノードの最上層の四角形の表面と、最下層の四角形の表面を、天面と底面とし、各四角形の四隅をそれぞれ結び形成される四角柱の体積となる。アコーディオン状の形状である場合も前記と同様である。 The definition of the “volume of wastewater surrounded by the anode” is as described above, but it will be described using the example of the anode (3) shown in FIG. 1, for example. As shown in FIG. 2, the surface of the uppermost quadrangle of the anode and the surface of the lowermost quadrangle are the top and bottom surfaces, and the four corners of each quadrangle are connected to form the volume of a quadrangular prism. The same applies to the case of the accordion shape.

一方、例えば図4に示すような筒形状の場合には、どのような体積となるかを、同じ図に示す。間隔を設けて4本の円筒管(4)を並べ、それぞれを接続部材(5)で接続してアノード(6)を構成する。アノード全体を包装紙で包むと線(7)で示すような形状の立体が形成される。この体積が「アノードに囲まれた廃水の体積」となる。図に示す4本の矢印は、廃水の流れる方向を示している。 On the other hand, in the case of a tubular shape as shown in FIG. 4, for example, the same volume shows the volume. Four cylindrical tubes (4) are arranged at intervals and are connected by a connecting member (5) to form an anode (6). When the entire anode is wrapped with wrapping paper, a solid body having the shape shown by the line (7) is formed. This volume is the “volume of waste water surrounded by the anode”. The four arrows shown in the figure indicate the direction in which the wastewater flows.

本発明では、前記アノードに囲まれた廃水の体積に対して、アノードの表面積が2.5〜18cm/cmである領域を含むことが要件である。 The present invention requires that the surface area of the anode is in the range of 2.5 to 18 cm 2 /cm 3 with respect to the volume of waste water surrounded by the anode.

従来技術の所で述べたように、これまでは微生物燃料電池の発電量を増やすためにカソードの面積を増やすことが第一選択であった。確かに、カソード面積を大きくすれば発電量そのものは増えるが、カソードはアノードに比べて触媒などの使用が必要な分コストが高いため、トータルコストが大きく上昇する課題があった。本発明では、前記のようなアノードの面積に対して、カソードの面積を小さく設定することによってコストを抑えつつ有機物濃度が低い廃水から高効率で発電を行い、さらに廃水の浄化効果の向上も実現できる。 As mentioned in the prior art, increasing the area of the cathode has been the first choice so far in order to increase the power generation of the microbial fuel cell. Certainly, if the area of the cathode is increased, the amount of power generation itself is increased, but the cost of the cathode is higher than that of the anode because it requires the use of a catalyst and the like, and there is a problem that the total cost is significantly increased. In the present invention, by setting the area of the cathode smaller than the area of the anode as described above, it is possible to generate power with high efficiency from wastewater having a low organic matter concentration while suppressing the cost, and also to improve the purification effect of wastewater. it can.

カソードの表面積は、アノードの表面積の5〜35%にすることが好ましい。5%よりも小さいと、カソードの反応が律速となるので発電効率が低下してしまい、35%より大きい場合は発電量そのものは増えるが、コスト上昇の面で好ましくないためである。 The surface area of the cathode is preferably 5 to 35% of the surface area of the anode. If it is less than 5%, the reaction of the cathode becomes rate-determining and the power generation efficiency is reduced. If it is more than 35%, the power generation amount itself increases, but this is not preferable in terms of cost increase.

本発明の微生物燃料電池は、廃水の有機物濃度が低い場合に特に好適である。有機物濃度が高い場合には従来型を適用すればよく、コスト面でアノード面積を増加させることに見合う程の発電性能の上昇を求め難いと言える。より具体的には当該アノードに接触するときの有機物濃度が、化学的酸素要求量(CODCr)の値で30〜300mg/L(より好ましくは40〜180mg/L)の範囲の廃水に適用することが望ましい。本発明は、一般的な都市下水から効率よく発電、および有機物除去を行うことができるので、微生物燃料電池の応用範囲を拡大することが期待される。 The microbial fuel cell of the present invention is particularly suitable when the organic matter concentration of waste water is low. When the organic matter concentration is high, the conventional type may be applied, and it can be said that it is difficult to demand the increase in power generation performance commensurate with increasing the anode area in terms of cost. More specifically, it is applied to wastewater having an organic matter concentration of 30 to 300 mg/L (more preferably 40 to 180 mg/L) in terms of chemical oxygen demand (COD Cr ) when contacting the anode. Is desirable. INDUSTRIAL APPLICABILITY Since the present invention can efficiently generate electricity and remove organic matters from general municipal wastewater, it is expected to expand the application range of microbial fuel cells.

以下、本発明を具体的に明らかにするために、幾つかの実施例を示す。 Hereinafter, some examples will be shown in order to specifically clarify the present invention.

(実施例1)
図5に示すような、一槽型エアカソード微生物燃料電池(8)を作成した。アノード槽(廃水処理槽)(9)の容積は100mlとした。アノード(10)は図1の層状構造のものを、2層、5層、10層と3種類作成して、それぞれ別の微生物燃料電池に組み込んだ。アノードの作成方法の詳細は下記の通りである。まず、アノード材料のカーボンペーパーは厚さ0.37mmのもの(Toray Carbon Paper TGP-H-120)を用い、これを切り分けて大小のカーボンペーパー片を作成した。次に、カーボンペーパー同士を張り付ける糊として、カーボンブラックと40%PTFE分散液を1mg:120μLの比率で混合した導電性の混合液を用意した。そして、大小のカーボンペーパーを一定の比率で交互に張り付けて層状構造を形成した。2層のアノードでは、カーボンペーパー大2枚を用い、小片35枚を重ねて張り付けた接続部材を大片2枚の間に挟んで接続した。同様に、5層のアノードでは大片5枚を用い、大片の各層の間に挟む接続部材には小片8枚を重ねたものを用いた。そして、10層のアノードでは10枚の大片を用い、大片の各層の間に挟む接続部材には小片3枚を重ねたものを用いた。これによって、「アノードに囲まれた廃水の体積」は同じであるが、表面積がそれぞれ約160cm(2層)、340cm(5層)、630cm(10層)と異なる3種類のアノードが作成された。これらの「アノードに囲まれた廃水の体積」に対する表面積はそれぞれ、約3.1cm/cm(2層)、6.5cm/cm(5層)、12cm/cm(10層)となった。最後にこれらを焼成してアノードを完成させた。
(Example 1)
A one-tank type air cathode microbial fuel cell (8) as shown in FIG. 5 was prepared. The volume of the anode tank (wastewater treatment tank) (9) was 100 ml. As the anode (10), the layered structure shown in FIG. 1 was prepared in three layers of two layers, five layers, and ten layers, which were respectively incorporated into different microbial fuel cells. The details of the method for producing the anode are as follows. First, a carbon paper having a thickness of 0.37 mm (Toray Carbon Paper TGP-H-120) was used as an anode material, and this was cut into large and small pieces of carbon paper. Next, as a paste for sticking the carbon papers together, a conductive mixed liquid was prepared in which carbon black and 40% PTFE dispersion liquid were mixed at a ratio of 1 mg:120 μL. Then, large and small carbon papers were alternately laminated at a constant ratio to form a layered structure. For the two-layer anode, two large pieces of carbon paper were used, and a connecting member formed by stacking 35 small pieces on each other was sandwiched between the two large pieces for connection. Similarly, five large pieces were used for the five-layer anode, and eight small pieces were stacked as the connecting member sandwiched between the layers of the large piece. For the 10-layer anode, 10 large pieces were used, and as the connecting member sandwiched between the layers of the large piece, 3 small pieces were stacked. As a result, three types of anodes with the same “volume of wastewater surrounded by anodes” but different surface areas of about 160 cm 2 (2 layers), 340 cm 2 (5 layers), and 630 cm 2 (10 layers) were obtained. Was created. The surface areas for these “volumes of wastewater surrounded by the anode” are about 3.1 cm 2 /cm 3 (2 layers), 6.5 cm 2 /cm 3 (5 layers), and 12 cm 2 /cm 3 (10 layers), respectively. ) Became. Finally, these were fired to complete the anode.

さらに、従来のアノードとして、直径7.7cmの円形にカットしたカーボンペーパー1枚のみのアノード(表面積:94cm)も作成した。
アノードと外回路の接続は、10層のアノードの場合は、1cm角にカットしたカーボンフェルト(11)を、炭素棒(12)でアノードに押さえるようにして接触させ、アノード槽の外部に引き出された炭素棒を外部回路のクリップで挟んだ。また、5層、2層のアノードの場合は、アノード層の間に白金線を通して接触させ、アノード槽外部に引き出された白金線を外部回路のクリップで挟んだ。
Further, as a conventional anode, an anode having only one piece of carbon paper (surface area: 94 cm 2 ) cut into a circle with a diameter of 7.7 cm was also prepared.
For the connection between the anode and the external circuit, in the case of a 10-layer anode, a carbon felt (11) cut into 1 cm square was brought into contact with the anode by pressing it with a carbon rod (12) and pulled out to the outside of the anode tank. The carbon rod was sandwiched between clips of the external circuit. In the case of a 5-layer or 2-layer anode, a platinum wire was passed between the anode layers and brought into contact with each other, and the platinum wire drawn out of the anode tank was sandwiched by clips of an external circuit.

エアカソード(13)はカーボンペーパー(Toray Carbon Paper TGP-H-120、 Teflon treated: 5% wt. wet proofing 東レ(株)製)をChengらの手法(Cheng,S.,Liu,H. and Logan,B.E. (2006) Increased performance of single-chamber microbial fuel cells using an improved cathode structure, Electrochemistry Communications,8(3)、489-494.)に従って、廃液に接触する側は白金触媒でコーティング(2.5mg白金/cm)し、外気に接触する側はPTFEを塗布して空気拡散層となるようにした。エアカソードの接液面積は47cm(直径7.7cmの円形)であった。 The air cathode (13) is a carbon paper (Toray Carbon Paper TGP-H-120, Teflon treated: 5% wt. wet proofing manufactured by Toray Industries, Inc.) by the method of Cheng et al. (Cheng, S., Liu, H. and Logan). , BE (2006) Increased performance of single-chamber microbial fuel cells using an improved cathode structure, Electrochemistry Communications, 8(3), 489-494.). /Cm 2 ), and PTFE was applied to the side in contact with the outside air to form an air diffusion layer. The liquid contact area of the air cathode was 47 cm 2 (circular shape having a diameter of 7.7 cm).

これらの微生物燃料電池の馴致は人工廃水を用いて行った。植種源には、既に良好な発電を行っている微生物燃料電池のアノードバイオフィルムを用いた。廃水は微生物燃料電池の底面の廃水流入孔(14)から流入し、上面の流出孔(15)から流出する向きでポンプ(20)を用いて循環させた。人工廃水には、pH6.8のリン酸ベースのバッファー(NaH2PO4: 36 mM, Na2HPO4: 64 mM, NH4Cl: 12 mM, KCl: 3.5 mM)に、複数種類のビタミン(約55mg/L)、ミネラル(約60mg/L)、および基質(酢酸ナトリウム)を加えたものを用いた。ビタミンとミネラルの詳細な組成に関しては、非特許文献3に記載している。リン酸バッファー、ビタミン、ミネラルはあらかじめ混合して微生物燃料電池内部を循環させ、基質はシリンジポンプ(19)を用いて連続的に注入した(負荷は約3mmol/L/日から約8mmol/L/日まで段階的に増加)。また、外部回路上の外部抵抗(18)は運転開始初期で100Ω、その後電圧が0.25Vに達してからは10Ωに取り替えた。この循環型運転システムの模式図は図6に示されている。 The adaptation of these microbial fuel cells was performed using artificial wastewater. As the planting source, the anodic biofilm of the microbial fuel cell, which already produces good power, was used. The waste water was circulated using a pump (20) in such a direction that it was introduced from the waste water inlet hole (14) on the bottom surface of the microbial fuel cell and was discharged from the outflow hole (15) on the upper surface. For artificial wastewater, several types of phosphate-based buffers (NaH 2 PO 4 : 36 mM, Na 2 HPO 4 : 64 mM, NH 4 Cl: 12 mM, KCl: 3.5 mM) with a pH of 6.8 were used. Vitamin (about 55 mg/L), mineral (about 60 mg/L), and substrate (sodium acetate) were added. The detailed composition of vitamins and minerals is described in Non-Patent Document 3. Phosphate buffer, vitamins and minerals were mixed in advance and circulated inside the microbial fuel cell, and the substrate was continuously injected using a syringe pump (19) (load is about 3 mmol/L/day to about 8 mmol/L/day. Increase gradually until day). The external resistance (18) on the external circuit was replaced with 100Ω in the initial stage of the operation, and then with 10Ω after the voltage reached 0.25V. A schematic diagram of this circulation type operation system is shown in FIG.

馴致運転中の微生物燃料電池の電圧はデータ自動収集能力を持つデジタルマルチメータ(17) (midi LOGGER GL200A、 グラフテック株式会社) で行った。電流と電力は数式1に従って計算により求めた。ここで、I:電流(A)、E:電圧(V)、P:電力(W)、R:抵抗(Ω)である。 The voltage of the microbial fuel cell during acclimatization was measured with a digital multimeter (17) (midi LOGGER GL200A, Graphtec Co., Ltd.) having an automatic data collection capability. The electric current and the electric power were calculated according to Equation 1. Here, I: current (A), E: voltage (V), P: power (W), R: resistance (Ω).

上記の馴致運転の結果、良好な発電を行うようになった微生物燃料電池について、発電に関するアノードの能力の評価を行った。評価には、リアニアスイープボルタンメトリー(LSV)という電気化学的手法を用いた。この手法では、ポテンショスタットという装置を用いて、アノードの電位を掃引しながら(変化させながら)電流を測定する。本評価においては、掃引範囲は開回路電位から-0.1V vs. Ag/AgClまで、掃引速度は1mV/sとした。この測定は、それぞれ50mg/L、100 mg/L、1000 mg/Lの有機物濃度(CODCr)の酢酸を添加した3種類の人工廃水で行った。 As a result of the above-mentioned acclimatization operation, the microbial fuel cell that has generated good power generation was evaluated for the ability of the anode for power generation. For the evaluation, an electrochemical method called liania sweep voltammetry (LSV) was used. In this method, a device called a potentiostat is used to measure the current while sweeping (changing) the potential of the anode. In this evaluation, the sweep range was from the open circuit potential to -0.1 V vs. Ag/AgCl, and the sweep speed was 1 mV/s. This measurement was carried out with three kinds of artificial wastewater to which acetic acid having an organic matter concentration (COD Cr ) of 50 mg/L, 100 mg/L, and 1000 mg/L was added.

図7には、LSVの測定結果から得られた、廃水の有機物濃度とアノード最大電流の関係について、アノード表面積を変化させた場合の結果を示している。アノード表面積の増加によって最大電流が増大していることが判る。この効果は、有機物濃度が低い場合に特に顕著である。すなわち、アノード表面積を増加させることにより低い有機物濃度でも相対的に高い発電能力を発揮することができることがわかる。 FIG. 7 shows the relationship between the organic matter concentration of waste water and the maximum anode current obtained from the LSV measurement results when the anode surface area was changed. It can be seen that the maximum current increases as the anode surface area increases. This effect is particularly remarkable when the organic substance concentration is low. That is, it can be seen that by increasing the surface area of the anode, a relatively high power generation capacity can be exhibited even with a low organic matter concentration.

(実施例2)
実施例1と同様の微生物燃料電池を使用して、ポテンショスタットは使わず、代わりに10Ωの外部抵抗を取り付けて人工廃水の処理を行った際の、廃水中の有機物濃度(CODCr)と電力の経時変化を調べる試験を行った。実施例1では特定の有機物濃度(CODCr)におけるアノードの発電能力を評価したのに対して、本評価では、一定(10Ω)の外部抵抗における有機物濃度(CODCr)の減少に伴う発電の変化を明らかにできる。また、この試験においては、人工廃水はpH6.8のリン酸バッファー(NaH2PO4: 36 mM, Na2HPO4: 64 mM)に酢酸ナトリウムのみ(初期濃度:約180mg/L)を添加したものを用いた。
(Example 2)
Using the same microbial fuel cell as in Example 1, without using a potentiostat, instead of attaching an external resistance of 10Ω to treat the artificial wastewater, the organic matter concentration (COD Cr ) and electric power in the wastewater were treated. A test for examining the change with time was performed. In Example 1, the power generation capacity of the anode at a specific organic matter concentration (COD Cr ) was evaluated, whereas in this evaluation, the change in power generation accompanying a decrease in the organic matter concentration (COD Cr ) at a constant (10Ω) external resistance. Can be revealed. Further, in this test, the artificial wastewater was prepared by adding only sodium acetate (initial concentration: about 180 mg/L) to a phosphate buffer (NaH 2 PO 4 : 36 mM, Na 2 HPO 4 : 64 mM) having a pH of 6.8. I used one.

微生物燃料電池の電圧はデータ自動収集能力を持つデジタルマルチメータ (midi LOGGER GL200A、 グラフテック株式会社) で行った。電力は前述の数式1に従って求めた。 The voltage of the microbial fuel cell was measured with a digital multimeter (midi LOGGER GL200A, Graphtec Co., Ltd.) having an automatic data collection capability. The electric power was obtained according to the above-mentioned formula 1.

廃水のCODCr濃度は、Standard Methods (method 5220D)(参考:APHA(1995)Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater(19th ed.),American Public Health Association,Washington D.C.)に従って、HACH COD system(HACH Company)を用いて測定した。 The COD Cr concentration of wastewater is measured according to the Standard Method (method 5220D) (Reference: APHA (1995) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (19th ed.), American Public Health Association, Washington DC). Company).

図8には、人工廃水の処理を行った際の、廃水中の有機物濃度と電力の関係が示されている。従来のアノードでは有機物濃度の減少に伴う電力の減少が、180mg/Lで既にはじまっているが、表面積3.1cm/cm(2層)以上のアノードでは、発電能力は90mg/L程度まで低下せず、表面積6.5cm/cm(5層)、12cm/cm(10層)のアノードではさらに低い有機物濃度においても高い発電能力を発揮した。すなわち、アノード表面積を増加させることによって、有機物濃度が低くなっても高い電力を維持することができることがわかる。 FIG. 8 shows the relationship between the organic matter concentration in the wastewater and the electric power when the artificial wastewater is treated. In the conventional anode, the decrease in the electric power due to the decrease in the organic matter concentration has already started at 180 mg/L, but in the anode with a surface area of 3.1 cm 2 /cm 3 (two layers) or more, the power generation capacity is up to about 90 mg/L. The anode having a surface area of 6.5 cm 2 /cm 3 (5 layers) and 12 cm 2 /cm 3 (10 layers) did not decrease and exhibited high power generation ability even at a lower organic substance concentration. That is, it can be seen that by increasing the surface area of the anode, it is possible to maintain a high electric power even when the organic substance concentration is low.

また、図9は人工廃水中の有機物濃度が高いとき(CODCr:約180mg/L→約130mg/L)と処理が進み低濃度になったとき(CODCr:約130mg/L→約40mg/L)の平均電力の比較である。有機物濃度が高いときに比べて、有機物濃度が低濃度であるときの方が、アノード面積を増加させることによる電力向上の効果が大きいことがわかる。 Further, FIG. 9 shows that when the organic matter concentration in the artificial wastewater is high (COD Cr : about 180 mg/L→about 130 mg/L) and when the treatment progresses to a low concentration (COD Cr : about 130 mg/L→about 40 mg/ It is a comparison of the average power of L). It can be seen that the effect of improving the electric power by increasing the anode area is greater when the organic substance concentration is low than when the organic substance concentration is high.

(実施例3)
実施例1と同様の微生物燃料電池で12cm/cm(10層)のアノードを使用した微生物燃料電池を用いて、実際の下水(溶解性CODCr:200mg/L程度)を処理する運転を行った。植種源には、既に良好な発電を行っている微生物燃料電池のアノードバイオフィルムを用い、馴致運転の段階から下水を用いた。外部抵抗は運転開始時期には100Ωとし、その後電圧が0.25Vに達してからは50Ωに取り替えた。運転システムは図6の循環型システムから酢酸ナトリウムの流入ラインを除いたものを用い、1〜数日ごとに、廃水ボトル(21)に新しい下水を満たしたものと交換した。
(Example 3)
In the same microbial fuel cell as in Example 1, using a microbial fuel cell using an anode of 12 cm 2 /cm 3 (10 layers), an operation of treating actual sewage (soluble COD Cr : about 200 mg/L) was performed. went. As the planting source, the anode biofilm of the microbial fuel cell, which has already generated good power, was used, and sewage was used from the stage of acclimatization operation. The external resistance was set to 100Ω at the start of operation, and was replaced with 50Ω after the voltage reached 0.25V. As the operation system, the circulation system of FIG. 6 from which the inflow line of sodium acetate was removed was used, and the waste water bottle (21) was replaced with a fresh sewage every 1 to several days.

微生物燃料電池の電圧はデータ自動収集能力を持つデジタルマルチメータ (midi LOGGER GL200A、 グラフテック株式会社) で行った。電力は前述の数式1に従って求めた。さらに、LSVにより微生物燃料電池の発電能力の評価も行った。具体的には、ポテンショスタットにより、微生物燃料電池の電圧を掃引しながら電流を測定した。本評価においては、掃引範囲は開回路電圧から0 V vs. Ag/AgClまで、掃引速度は1mV/sとした。 The voltage of the microbial fuel cell was measured with a digital multimeter (midi LOGGER GL200A, Graphtec Co., Ltd.) having an automatic data collection capability. The electric power was obtained according to the above-mentioned formula 1. Furthermore, the power generation capacity of the microbial fuel cell was evaluated by LSV. Specifically, the current was measured with a potentiostat while sweeping the voltage of the microbial fuel cell. In this evaluation, the sweep range was from open circuit voltage to 0 V vs. Ag/AgCl, and the sweep speed was 1 mV/s.

前記微生物燃料電池は、運転開始後約1か月程度で発電量が増加し、安定したサイクルで発電を行うようになった。図10に、運転期間46日目から54日目までの発電状況を示す。結果は、他文献と比較しやすくするためにアノード槽容積あたりの発電量で記載している。アノード槽容積あたりの電力は最大で8.7W/mに達し、この値は、下水を処理する微生物燃料電池におけるこれまでの報告(非特許文献4、0.085W/m:アノード体積あたり発電量および槽容積に占めるアノード体積から算出)に比べて100倍以上であった。下水を満たした廃水ボトルを交換するたびに、アノード槽容積あたりの電力密度は8W/m程度に上昇し、数時間〜1日程度維持したのちに徐々に減少していった。これは下水中の有機物が発電に伴って消費され、有機物濃度が減少したためだと考えられる。また、LSVの結果、下水リアクターの槽容積あたり最大電力密度は約13W/mとさらに高かった。 The microbial fuel cell increased power generation about one month after the start of operation, and started power generation in a stable cycle. FIG. 10 shows the power generation status from the 46th day to the 54th day of the operation period. The results are shown in terms of the amount of power generation per volume of the anode tank for ease of comparison with other literature. The maximum electric power per anode tank volume reaches 8.7 W/m 3, which is the value reported so far in the microbial fuel cell for treating sewage (Non-patent Document 4, 0.085 W/m 3 per anode volume). It was 100 times or more compared to the amount of power generation and calculated from the anode volume in the tank volume). Each time the waste water bottle filled with sewage was replaced, the power density per anode tank volume increased to about 8 W/m 3 , and after being maintained for several hours to 1 day, it gradually decreased. It is considered that this is because the organic matter in the sewage was consumed as the power was generated, and the concentration of organic matter decreased. Further, as a result of LSV, the maximum power density per tank volume of the sewage reactor was even higher at about 13 W/m 3 .

本発明の微生物燃料電池は、都市下水のような有機物濃度の低い廃水の処理に特に有効で、具体的には、自治体での下水処理、有機物濃度の低い工業排水の処理などへの活用が期待される。また、有機物濃度の高い廃水の処理において処理が進み有機物濃度が低くなった箇所においても有効である。さらに、湖沼や海域における堆積物を浄化するタイプの微生物燃料電池においても、有機物濃度が低いことが発電能力の低さの原因であるため、この分野への利用可能性も高いと考えられる。 The microbial fuel cell of the present invention is particularly effective in treating wastewater having a low organic matter concentration such as city sewage, and is expected to be specifically used for municipal wastewater treatment, industrial wastewater treatment having a low organic matter concentration, and the like. To be done. Further, it is also effective in the place where the organic matter concentration becomes low as the treatment progresses in the wastewater treatment with high organic matter concentration. Further, even in a microbial fuel cell of the type that purifies sediments in lakes and marine areas, the low concentration of organic matter is the cause of the low power generation capacity, so it is considered that it is highly applicable to this field.

1 カーボンペーパー[大]
2 カーボンペーパー[小]
3 6 10 アノード
4 4本の円筒管
5 接続部材
7 「アノードに囲まれた廃水の体積」を示す立体
8 16 一槽型エアカソード微生物燃料電池
9 アノード槽(廃水処理槽)
11 カットしたカーボンフェルト
12 炭素棒
13 エアカソード
14 廃水流入孔
15 廃水流出孔
17 デジタルマルチメータ
18 外部抵抗
19 シリンジポンプ
20 循環ポンプ
21 廃水ボトル
1 carbon paper [large]
2 Carbon paper [small]
3 6 10 Anode 4 4 Cylindrical tubes 5 Connection member 7 Solid showing "volume of wastewater surrounded by anode" 8 16 Single-chamber air cathode microbial fuel cell 9 Anode tank (wastewater treatment tank)
11 Cut carbon felt 12 Carbon rod 13 Air cathode 14 Waste water inflow hole 15 Waste water outflow hole 17 Digital multimeter 18 External resistance 19 Syringe pump 20 Circulation pump 21 Waste water bottle

Claims (2)

少なくとも一対の電極と、有機物を含む廃水と、廃水処理槽とを有し、
前記有機物を分解して電子を放出する細胞外電子伝達能を有する微生物を含むバイオフィルムが前記電極のアノード上に形成され、
前記アノードは層状構造又は廃水を包囲する構造を有するとともに、
該アノードに囲まれた廃水の体積に対して、前記アノードの表面積が2.5〜18cm/cmである領域を含み、かつ、そのアノードと対になる前記カソードの表面積が、当該アノードの表面積の5〜35%であることを特徴とする微生物燃料電池。
At least a pair of electrodes, a wastewater containing organic matter, and a wastewater treatment tank,
A biofilm is formed on the anode of the electrode, which contains a microorganism having an extracellular electron transfer ability of decomposing the organic matter and releasing an electron.
The anode has a layered structure or a structure for surrounding wastewater,
With respect to the volume of waste water surrounded by the anode, the surface area of the anode includes a region in which the surface area of the anode is 2.5 to 18 cm 2 /cm 3 , and the surface area of the cathode paired with the anode is the same as that of the anode. A microbial fuel cell characterized by having a surface area of 5 to 35%.
前記廃水が前記アノードに接触するときの有機物濃度が、化学的酸素要求量(CODCr)の値で30〜300mg/Lの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の微生物燃料電池。 The microbial fuel cell according to claim 1, wherein the organic matter concentration when the wastewater comes into contact with the anode is in the range of 30 to 300 mg/L in terms of chemical oxygen demand (COD Cr ).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240061145A (en) 2022-10-31 2024-05-08 건국대학교 산학협력단 Microbial fuel cell for purifying polluted water and method for purifying using the same

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