JP2020099853A - 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. The 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. Further, the microbial fuel cell has the characteristics that the generation of sludge 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、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する。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、微生物燃料電池は、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 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 microbial fuel cell recovers the electric energy flowing in the closed circuit.
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に記載の微生物燃料電池は、有機性基質に浸漬して嫌気性微生物を担持させる負電極を備えている。また、微生物燃料電池は、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し又は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む正電極を備えている。そして、微生物燃料電池は、入出孔経由で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いる。 As the microbial fuel cell as described above, the microbial fuel cell described in Patent Document 1 is known. The microbial fuel cell described in Patent Document 1 is equipped with a negative electrode that is immersed in an organic substrate to carry anaerobic microorganisms. In addition, the microbial fuel cell is an organic substrate that is enclosed with an electrolytic solution in a closed hollow cassette having an outer shell and an inlet/outlet hole, at least a part of which is formed of an ion-permeable diaphragm, or is bound to the inside of the diaphragm of the cassette. It has a positive electrode that plugs into it. Then, the microbial fuel cell takes out electricity through a circuit that electrically connects the negative electrode and the positive electrode while supplying oxygen into the cassette through the inlet/outlet hole.
特許文献1に記載の微生物燃料電池は、エネルギー回収効率を低下させずに、劣化した隔膜及び/又は正電極を交換している。しかしながら、微生物によって廃水を処理する場合、微生物に由来する汚泥が発生するおそれがある。 The microbial fuel cell described in Patent Document 1 replaces the deteriorated diaphragm and/or the positive electrode without lowering the energy recovery efficiency. However, when treating wastewater with microorganisms, sludge derived from microorganisms may be generated.
一方、特許文献2には、汚泥返流水の処理方法が記載されている。特許文献2に記載の汚泥返流水の処理方法では、汚泥返流水中の有機物を微生物燃料電池の燃料源とすることにより除去するに際し、微生物燃料電池の正極側に、酸素ガス又は空気中に含まれる酸素と硝化菌とを導入している。そして、微生物燃料電池で処理された溶液は、脱窒槽で窒素ガスが放出及び除去された後、凝集剤が添加され、凝集沈殿槽においてリン除去とともに固液分離される。 On the other hand, Patent Document 2 describes a method for treating sludge return water. In the method for treating sludge return water described in Patent Document 2, when the organic matter in the sludge return water is removed by using it as a fuel source for the microbial fuel cell, it is contained in oxygen gas or air on the positive electrode side of the microbial fuel cell. Oxygen and nitrifying bacteria are introduced. Then, the solution treated by the microbial fuel cell is subjected to nitrogen gas release and removal in a denitrification tank, and then a coagulant is added to the solution for solid-liquid separation along with phosphorus removal in the coagulation sedimentation tank.
しかしながら、特許文献2に記載の方法であっても、微生物燃料電池を長期間稼働させた場合、電解液槽の底部に汚泥が蓄積し、電極が埋もれてしまうため、電気エネルギー回収効率の低下及び処理水質の低下のおそれがある。また、汚泥の蓄積量は種々の条件に依存するため、汚泥の蓄積量に応じて効果的に汚泥を除去することが求められている。 However, even with the method described in Patent Document 2, when the microbial fuel cell is operated for a long period of time, sludge accumulates at the bottom of the electrolytic solution tank and the electrode is buried. There is a risk of deterioration of treated water quality. Further, since the amount of accumulated sludge depends on various conditions, it is required to effectively remove sludge according to the amount of accumulated sludge.
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、長期運転に伴う電気エネルギー回収効率の低下及び処理水質の大きな低下を抑制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 problems of the related art. An object of the present invention is to provide a liquid treatment system capable of suppressing a decrease in electric energy recovery efficiency and a great decrease in treated water quality due to long-term operation.
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、有機性物質を含む電解液を収容する電解液槽と、電解液と接触し、微生物を担持する負極と、気相と接触し、負極と電気的に接続される正極と、を備える。液体処理システムは、電解液槽内の汚泥の蓄積の程度を測定する測定部と、電解液槽に蓄積された汚泥を電解液槽から移送させる移送部と、を備える。液体処理システムは、測定部により測定された測定結果に基づいて、汚泥を電解液槽から移送させるよう移送部を制御する制御部を備える。 In order to solve the above problems, a liquid treatment system according to an aspect of the present invention is an electrolytic solution tank that stores an electrolytic solution containing an organic substance, a negative electrode that is in contact with the electrolytic solution and carries microorganisms, and a gas phase. A positive electrode in contact with and electrically connected to the negative electrode. The liquid treatment system includes a measuring unit that measures the degree of sludge accumulation in the electrolytic solution tank, and a transfer unit that transfers the sludge accumulated in the electrolytic solution tank from the electrolytic solution tank. The liquid treatment system includes a control unit that controls the transfer unit to transfer the sludge from the electrolytic solution tank based on the measurement result measured by the measurement unit.
本開示によれば、長期運転に伴う電気エネルギー回収効率の低下及び処理水質の大きな低下を抑制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 suppressing a decrease in electric energy recovery efficiency and a large decrease in treated water quality due to long-term operation.
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. It should be noted that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
本実施形態に係る液体処理システム1は、図1に示すように、微生物を担持する負極30と、負極30と電気的に接続される正極20と、を有する電極ユニット10を備えている。また、液体処理システム1は、有機性物質を含む電解液60を収容し、さらに電極ユニット10が電解液60に浸漬するように配置される電解液槽70を備えている。
As shown in FIG. 1, the liquid treatment system 1 according to the present embodiment includes an
[電極ユニット]
電極ユニット10は、図1〜図3に示すように、正極20、負極30及びイオン移動層25を有する電極接合体55を備えている。電極ユニット10において、イオン移動層25の一方の面25aに正極20が接触するように配置されており、イオン移動層25の面25aと反対側の面25bに負極30が接触するように配置されている。
[Electrode unit]
As shown in FIGS. 1 to 3, the
図3に示すように、電極接合体55は、スペーサ部材40に積層して固定されている。スペーサ部材40は、正極20における面20a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、スペーサ部材40は、2本の第一柱状部材41の底面を第二柱状部材42で連結した枠部材である。そして、図2に示すように、スペーサ部材40の側面43は、正極20の面20aの外周部と接合されており、側面43の反対側の側面44は、板部材50の面50aの外周部と接合されている。
As shown in FIG. 3, the
図1及び図2に示すように、電極接合体55とスペーサ部材40と板部材50とを積層してなる電極ユニット10は、大気と連通した気相Gが形成されるように、電解液槽70の内部に配置される。電解液槽70の内部には廃水である電解液60が保持されており、正極20のガス拡散層22、負極30及びイオン移動層25は電解液60に浸漬されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
後述するように、正極20は撥水性を有する撥水層21を備えており、板部材50は電解液60を透過しない平板状の板材からなる。そのため、電解液槽70の内部に保持された電解液60と、電極接合体55、スペーサ部材40及び板部材50により形成された内部空間とは隔てられ、当該内部空間は気相Gとなっている。そして、液体処理システム1では、この気相Gが外気に開放されるか、あるいは気相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。さらに、正極20及び負極30は、それぞれ図示しない外部回路と電気的に接続されている。
As will be described later, the
(正極)
本実施形態に係る正極20は、図2に示すように、撥水層21と、撥水層21に接触するように重ねられているガス拡散層22とを備えるガス拡散電極からなる。そして、正極20のガス拡散層22がイオン移動層25と接触し、撥水層21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20中の触媒に容易に供給することが可能になる。
(Positive electrode)
As shown in FIG. 2, the
<撥水層>
正極20における撥水層21は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層21は、電極ユニット10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21は、気相G中の酸素を透過してガス拡散層22へ移動させつつも、電解液60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
撥水層21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21は、図2に示す構成では、ガス拡散層22に対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層21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21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21の内部に電解液60が染み込み難いため、撥水層21における気相Gと接触する面からガス拡散層22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-
撥水層21は、シート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層21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21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)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21は、撥水層21及びガス拡散層22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
撥水層21としては、例えば防水透湿シートを使用することができる。防水透湿シートとしては、例えば、積水化学工業株式会社製のセルポア(登録商標)、及び株式会社ニトムズ製のブレスロン(登録商標)を用いることができる。
As the
撥水層21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21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-
<ガス拡散層>
正極20におけるガス拡散層22は、多孔質な導電性材料と、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22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20にこのようなガス拡散層22を備えることで、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22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、電子が外部回路からガス拡散層22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
正極20では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層21及びガス拡散層22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22は、撥水層21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22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22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20において、ガス拡散層22に効率的に酸素を供給するために、撥水層21は、接着剤を介してガス拡散層22と接合していることが好ましい。これにより、ガス拡散層22に対し、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21とガス拡散層22との間の接着性を確保する観点から、撥水層21とガス拡散層22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21とガス拡散層22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22に供給する観点から、接着剤は撥水層21とガス拡散層22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20のガス拡散層22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22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
ガス拡散層22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。
The conductive material in the
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、ステンレスメッシュが挙げられる。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. Specifically, 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 a stainless mesh. 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。 The shape of the conductive material is preferably a powder shape or a fiber shape. Moreover, the conductive material may be supported by a support. The support means a member which has rigidity 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 papers, carbon fibers, carbon-based substances such as carbon rods, metals, and conductive polymers.
ガス拡散層22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
ガス拡散層22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
炭素系材料には、更に窒素、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 at least one non-metal atom selected from the group consisting of 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、例えばこの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22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 the carbon-based material may have a minute size, for example. 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
ガス拡散層22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
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, for example, so that the ratio of the metal atom in the metal compound to the carbon source material is in the range of 5 to 30% by mass, and further, this 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), triphenyl phosphite, and benzyl disulfide. 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.
ガス拡散層22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
(負極)
本実施形態に係る負極30は、後述する微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、電解液60中の有機性物質及び窒素含有化合物の少なくとも一方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30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30は、導電性を有する導電体シートに微生物を担持した構造を有する。導電体シートは、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備えることが好ましい。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30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正極20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30の導電体シートは、正極20、イオン移動層25及び負極30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30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30の導電体シートとして、黒鉛シートを用いてもよい。また、負極30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20、イオン移動層25及び負極30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30の局部電池反応により生成した電子を外部回路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 may be used as the conductor sheet of the
負極30に担持される微生物としては、電解液60中の有機性物質又は窒素含有化合物を分解して、水素イオン及び電子を生成する微生物であれば特に限定されない。このような微生物としては、例えば、増殖に酸素を必要とする好気性微生物、又は増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することができるが、嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、電解液60中の有機性物質を酸化分解するための空気を必要としない。そのため、空気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、微生物が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 microorganisms supported on the
負極30に担持される微生物が嫌気性微生物である場合には、嫌気性微生物の活動を高めるため、負極30の周囲を嫌気性雰囲気に保つことが好ましい。また、負極30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。
When the microorganisms carried on the
負極30に、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30に微生物が保持されていてもよい。具体的には、負極30における電解液60と直接接触する面30a及び面30bに対して、微生物を含むバイオフィルムが固定されていてもよい。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、微生物は、バイオフィルムによらずに負極30に保持されていてもよい。また、微生物は、負極30の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
The microorganisms may be retained in the
負極30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、電解液槽70内の電解液60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、微生物から負極30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、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60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30へと受け渡す。この結果、電解液60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 microorganisms, electrons are exchanged intracellularly or with the final electron acceptor. When the mediator molecule is introduced into the
(イオン移動層)
電極ユニット10は、正極20と負極30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25をさらに備えていてもよい。そして、図1及び図2に示すように、負極30は、イオン移動層25を介して正極20と隔てられている。イオン移動層25は、負極30で生成した水素イオンを透過し、正極20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25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25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25は、負極30から正極20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25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25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25の細孔径は、負極30から正極20に水素イオンが移動できれば特に限定されない。
Further, as the
上述のように、イオン移動層25は、負極30で生成した水素イオンを透過し、正極20側へ移動させる機能を有する。そのため、例えば、負極30と正極20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30から正極20へ移動することができる。したがって、本実施形態の液体処理システム1において、イオン移動層25は必須の構成要素ではない。ただ、イオン移動層25を設けることにより、負極30から正極20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25を設けることが好ましい。なお、正極20とイオン移動層25との間に空隙が設けられていてもよく、負極30とイオン移動層25との間に空隙が設けられていてもよい。
As described above, the
電極ユニット10において、スペーサ部材40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。
In the
正極20及び負極30には、図示しない外部回路が電気的に接続されている。負極30に担持された微生物の触媒作用により、電解液60中の有機性物質が分解されて電子が生成する。負極30で生成した電子は外部回路へ移動し、さらに外部回路から正極20に移動する。このとき、外部回路によって、閉回路に流れる電気エネルギーを回収することができる。
An external circuit (not shown) is electrically connected to the
具体的には、例えば電解液60が有機物としてグルコースを含有する場合、以下の局部電池反応により、二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成している。
・負極30(アノード):C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e−
・正極20(カソード):6O2+24H++24e−→12H2O
このように、電解液60中の有機性物質が負極30に接触して酸化分解されるため、液体処理システム1は、電解液60中の有機性物質から電気エネルギーを回収し、電解液60を浄化することができる。
Specifically, for example, when the
·
・Positive electrode 20 (cathode): 6O 2 +24H + +24e − →12H 2 O
In this way, since the organic substance in the
なお、本実施形態では、電極接合体55がスペーサ部材40に積層して固定された電極ユニット10を電解液60に浸漬させた例について説明している。しかしながら、液体処理システム1は、電解液60と接触し、微生物を担持する負極30と、気相Gと接触し、負極30と電気的に接続される正極20と、を備えていれば、電気エネルギーを回収し、電解液60を浄化することができる。したがって、本実施形態の液体処理システム1において、スペーサ部材40は必須の構成要素でない。例えば、正極20を電解液60の水面61に浮かべ、負極30を電解液60に沈ませることによっても、正極20の一部は気相G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20は撥水層21を備えなくてもよい。また、正極20がスペーサ部材40に積層されておらず、正極20の鉛直方向において、下半分が電解液60に浸漬され、上半分が電解液60の液面61上の気相Gと接触していてもよい。また、正極20が電解液槽70の壁の一部を構成しており、正極20の一方の面20aが電解液槽70の外側の気相Gと接触し、正極20における面20aと反対側の面が電解液60と接触していてもよい。
In the present embodiment, an example is described in which the
また、図面において、電極ユニット10における正極20、負極30及びイオン移動層25、並びに板部材50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1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。
Further, in the drawings, the
[電解液槽]
液体処理システム1は、有機性物質を含む電解液60を収容する電解液槽70を備えている。電解液槽70は略直方体状の形状をしており、電解液槽70の前壁73には、電解液60を電解液槽70に供給するための流入部71が設けられている。電解液槽70の後壁74には、処理後の電解液60を電解液槽70から排出するための流出部72が設けられている。
[Electrolyte tank]
The liquid processing system 1 includes an
電解液60は、流入部71を通じて電解液槽70の内部に連続的に供給される。また、図1及び図2に示すように、電極ユニット10は、電解液60に浸漬するように電解液槽70の内部に配置されている。そのため、電解液槽70の流入部71から供給された電解液60は、電極ユニット10に接触しながら流れ、その後、流出部72から排出される。
The
[測定部]
液体処理システム1を長期間稼働させた場合、電解液槽70の底部に汚泥が蓄積し、電極が埋もれてしまうため、電気エネルギー回収効率の低下及び処理水質の低下のおそれがある。このような汚泥が電解液槽70の底部に蓄積し、正極20及び負極30の少なくともいずれか一方が汚泥で覆われてしまうと、液体処理システム1による電気化学反応が阻害される場合がある。そのため、電気エネルギー回収効率の低下及び処理水質の大きな低下のおそれがある。
[Measuring section]
When the liquid treatment system 1 is operated for a long period of time, sludge accumulates at the bottom of the
そこで、本実施形態に係る液体処理システム1は、電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度を測定する測定部80と、電解液槽70に蓄積された汚泥を電解液槽70から移送させる移送部90と、を備えている。そして、液体処理システム1は、後述するように、測定部80により測定された測定結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御する制御部100を備えている。そのため、本実施形態に係る液体処理システム1によれば、長期運転に伴う電気エネルギー回収効率の低下及び処理水質の大きな低下を抑制することができる。
Therefore, in the liquid processing system 1 according to the present embodiment, a measuring
上述のように、測定部80は、電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度を測定する。具体的な測定方法は特に限定されないが、負極30及び正極20の少なくともいずれか一方が測定部80による測定に利用されていることが好ましい。液体処理システム1が備えている負極30及び正極20の少なくともいずれか一方を利用することによって、簡易な構成によって、汚泥の蓄積の程度を測定することができる。すなわち、測定部80は、正極20のみ又は負極30のみを利用して汚泥の蓄積の程度を測定してもよく、負極30及び正極20を利用して汚泥の蓄積の程度を測定してもよい。
As described above, the measuring
汚泥には、例えば、電解液60中に含まれる微小な浮遊物、及び、負極30に担持されている微生物を含む微生物の死骸などが含まれている。汚泥の蓄積の程度は、例えば、蓄積した汚泥の体積、重量及び高さなどからなる群より選択される少なくとも1つである。
The sludge contains, for example, minute suspended matter contained in the
測定部80は、図2に示すように、例えば、負極30及び正極20を利用し、負極30と正極20との間の電位差を測定してもよい。測定部80が電位差を測定する場合、測定部80は例えば電圧計などであってもよい。電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度が大きくなり、正極20及び負極30の少なくともいずれか一方が汚泥で覆われてしまうと、正極20及び負極30での化学反応が抑制され、電位差が小さくなる傾向にある。そのため、電位差を測定することで、電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度を測定することができる。測定部80が電位差を測定する場合、後述のような負極30又は正極20の電位を測定する場合のように、銀−塩化銀電極のような参照電極を設置する必要がなく、当該参照電極のメンテナンスの必要性もない。そのため、簡易な構成により、汚泥の蓄積の程度を測定することができる。
As shown in FIG. 2, the
測定部80は、図2に示す形態に限定されず、以下のような形態であってもよい。測定部80は、例えば、負極30及び正極20を利用し、負極30と正極20との間に流れる電流を測定してもよい。なお、負極30と正極20との間に流れる電流は、負極30又は正極20に流れる電流であってもよい。測定部80が電流を測定する場合、測定部80は例えば電流計などであってもよい。電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度が大きくなり、正極20及び負極30の少なくともいずれか一方が汚泥で覆われてしまうと、正極20及び負極30での化学反応が抑制され、電流が小さくなる傾向にある。そのため、電流を測定することで、電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度を測定することができる。測定部80が、電流を測定する場合、後述のような電位を測定する場合のように、参照電極を設置する必要がなく、当該参照電極のメンテナンスの必要性もない。そのため、簡易な構成により、汚泥の蓄積の程度を測定することができる。
The
測定部80は、例えば、負極30又は正極20を利用し、負極30又は正極20の電位を測定してもよい。測定部80が負極30又は正極20の電位を測定する場合、測定部80は例えば電位計などであってもよい。電位計は銀−塩化銀電極のような参照電極を備えており、参照電極を電解液60に浸漬させ、負極30又は正極20を作用電極とすることで、負極30又は正極20の電位を測定することができる。電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度が大きくなり、正極20又は負極30が汚泥で覆われてしまうと、正極20又は負極30での化学反応が抑制され、負極30の電位が正にシフト又は正極20の電位が負にシフトする傾向にある。そのため、負極30又は正極20の電位を測定することで、電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度を測定することができる。
The
測定部80は、例えば、負極30及び正極20を利用し、負極30と正極20との間に流れる電流、及び、負極30と正極20との間に電流が流れた時間を測定してもよい。測定部80が電流を測定する場合、測定部80は例えば電流計などであってもよい。測定部80が電流の流れた時間を測定する場合、測定部80は例えば電流の流れる時間を計測可能なタイマなどであってもよい。電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度が大きくなり、正極20及び負極30の少なくともいずれか一方が汚泥で覆われてしまうと、正極20及び負極30での化学反応が抑制される傾向にある。そして、上記電流と時間の積であるクーロンが、汚泥で覆われる前に比べて小さくなる傾向にある。そのため、電流及び時間を測定することで、電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度を測定することができる。
The
本実施形態に係る液体処理システム1では、負極30及び正極20の少なくともいずれか一方が測定部80による測定に必ずしも利用されている必要はない。測定部80は、例えば、経過時間を測定してもよい。経過時間は、例えば、液体処理システム1の運転時間、負極30と正極20との間に電流が流れた時間、又は、後述する移送部90によって汚泥を電解液槽70から移送させてからの時間などである。ただし、測定部80が、負極30及び正極20の少なくともいずれか一方を利用するという観点からは、経過時間は、負極30と正極20との間に電流が流れた時間であることが好ましい。測定部80が経過時間を測定する場合、測定部80は例えばタイマなどであってもよい。汚泥の蓄積の程度は、微生物の種類、電解液60に含まれる有機性物質などの種類及び濃度、並びに電解液60の滞留時間などによって、ある程度予測可能である場合がある。そのため、予備試験などによって汚泥が所定の程度蓄積するまでの時間を求め、上記時間と測定部80が測定した経過時間とを比較することによって、簡易な方法により、汚泥の蓄積の程度を測定することができる。
In the liquid processing system 1 according to this embodiment, at least one of the
また、測定部80は、例えば、蓄積した汚泥と電解液60との界面の高さを測定してもよい。界面の高さは、例えば、電解液槽70の底面から界面までの高さである。測定部80が界面の高さを測定する場合、測定部80は例えば汚泥界面計などであってもよい。汚泥界面計は、界面の高さを測定することができれば特に限定されないが、例えば超音波式汚泥界面計であってもよい。超音波式汚泥界面計は、例えば、超音波を送信可能な送信部と、界面で反射された超音波を受信可能な受信部とを備えていてもよい。そして、超音波式汚泥界面計は、送信した超音波が蓄積した汚泥との界面で反射されて戻ってくるまでの時間を計測することにより、界面の高さを測定することができる。
The
したがって、測定部80は、負極30と正極20との間の電位差、負極30と正極20との間に流れる電流、負極30又は正極20の電位、負極30と正極20との間に電流が流れた時間、経過時間、及び蓄積した汚泥と電解液60との界面の高さからなる群より選択される少なくとも一つを測定してもよい。具体的には、測定部80は、電圧計、電流計、電位計、タイマ、及び汚泥界面計からなる群より選択される少なくとも一種の測定器であってもよい。
Therefore, in the measuring
[移送部]
移送部90は、電解液槽70に蓄積された汚泥を電解液槽70から移送させる。移送部90は、例えば、電解液槽70の底部から蓄積した汚泥を引き抜いて電解液槽70から電解液槽70の外部へ移送させてもよく、少なくとも電解液槽70の底部の電解液60を攪拌して蓄積した汚泥を電解液槽70から電解液槽70の外部へ移送させてもよく、又はこれらの組合せであってもよい。
[Transportation part]
The
電解液槽70の底部から蓄積した汚泥を引き抜いて電解液槽70から移送させる場合、移送部90は、図2に示すような、電解液槽70に蓄積した汚泥を排出するポンプ91であってもよい。
When the sludge accumulated from the bottom of the
図2において、ポンプ91は、電解液槽70の底壁75と接続された排出部76に設けられており、ポンプ91を稼働させることにより、電解液槽70の底部に蓄積した汚泥を電解液槽70から排出する。排出部76は、流入部71よりも汚泥が蓄積しやすい電解液槽70の下流側である流出部72側に設けられることが好ましいが、汚泥を排出することができる位置であれば特に限定されない。
In FIG. 2, the
図2の形態では、電解液槽70の底壁75は、水面61と平行な平面となっているが、排出部76の周辺に汚泥が集まりやすいように、排出部76の周辺において、鉛直方向Yにおいて下方に向かって傾斜するように形成されていてもよい。また、排出部76の周辺に汚泥が集まりやすいように、汚泥を排出部76の周辺に移送するベルトコンベアのようなものが底壁75に設けられていてもよい。
In the form of FIG. 2, the
また、電解液60を攪拌する場合、移送部90は、図5及び図6に示すように、電解液攪拌部であってもよい。電解液攪拌部は、少なくとも電解液槽70の底部に存在する電解液60を攪拌することができる。少なくとも電解液槽70の底部に存在する電解液60を攪拌することによって、汚泥が電解液槽70の底部から舞い上がり、電解液60内で拡散される。拡散された汚泥は、流出部72を通過し、例えば後述する沈殿槽110など、電解液槽70の外部に排出される。
When stirring the
電解液攪拌部の構成は、少なくとも電解液槽70の底部の電解液60を攪拌できるならば特に限定されない。電解液攪拌部は、例えば、図5に示すように、電解液槽70の底部に電解液60の流れを発生させるポンプを備えることが好ましい。このようなポンプを用いることにより、電解液槽70の底部に電解液60の流れを発生させ、電解液60の水流及び/又は水圧により、電解液槽70の底部に蓄積した汚泥を電解液60内に拡散させて電解液槽70から移送することが可能となる。なお、電解液攪拌部を構成するポンプは特に限定されないが、水中ポンプ又は水中モーターポンプを使用することができる。水中ポンプは、通常の使用中に、全面的に又は部分的に電解液60中に沈める電気部品をもつポンプである。水中モーターポンプは、ポンプ全体を電動機ごと電解液60中につけて使用するポンプである。
The configuration of the electrolytic solution stirring unit is not particularly limited as long as the
なお、電解液攪拌部は、電解液槽70の外部に配設したポンプと、当該ポンプに接続した配管とを備え、配管の端部から電解液60を吐出することにより、電解液槽70の底部に電解液60の流れを発生させるような構成であってもよい。
The electrolytic solution stirring unit includes a pump arranged outside the
電解液攪拌部は、上述のポンプに限定されない。例えば、電解液攪拌部は、正極20に対して散気する散気装置を備えることも好ましい。具体的には、図6に示すように、散気装置93(移送部90)は、気体を散気するための孔部を有する散気部材94と、孔部に気体を供給する気体供給部材95とを備えていてもよい。
The electrolytic solution stirring unit is not limited to the pump described above. For example, it is also preferable that the electrolytic solution stirring unit includes an air diffuser that diffuses the
散気部材94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94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94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 diffusing
気体供給部材95は散気部材94を保持し、さらに散気部材94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95から供給された気体は、散気部材94の孔部を通過して気泡となり、電解液60中に拡散する。
The
気体供給部材95には、電解液槽70の外部から気体を供給するための配管96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95の下部に、中空の配管96が接続されていることが好ましい。配管96は、電解液槽70の前壁73を貫通し、電解液槽70の外部に延出している。そして、配管96の端部には、気体を圧送するための圧縮機97が接続されている。
It is preferable that a
散気装置93から電解液60に散気する気体は特に限定されない。例えば、気体としては空気を用いることができる。ただ、上述のように、嫌気性微生物の活動を高めるためには、負極30の周囲を嫌気性雰囲気に保つことが好ましい。そのため、散気する気体は酸素を含まないガスであることが好ましく、例えば窒素を用いることが好ましい。
The gas diffused from the
電解液攪拌部は、電解液槽70の底部において、流入部71よりも汚泥が蓄積しやすい電解液槽70の下流側である流出部72側に設けられることが好ましい。ただし、電解液攪拌部が設けられる位置は、汚泥を排出することができる位置であれば特に限定されない。また、電解液攪拌部は、鉛直方向Yにおいて、正極20及び負極30よりも下方に設けられていることが好ましい。
It is preferable that the electrolytic solution stirring section is provided at the bottom of the
具体的には、図5に示すように、電解液攪拌部が水中ポンプ又は水中モーターポンプを備えている場合には、当該ポンプは、鉛直方向Yにおいて、正極20及び負極30よりも下方に設けられていることが好ましい。これにより、電解液攪拌部が稼働したときに、電解液槽70の底部から上方に向かう水流が発生するため、汚泥が電解液60中に拡散され、電解液槽70に蓄積した汚泥を効果的に除去することが可能となる。電解液攪拌部が、電解液槽70の外部に配設したポンプと、当該ポンプに接続した配管とを備える場合には、電解液60が吐出する配管の端部を、鉛直方向Yにおいて、正極20及び負極30よりも下方に設けられていることが好ましい。
Specifically, as shown in FIG. 5, when the electrolytic solution stirring unit includes a submersible pump or a submersible motor pump, the pump is provided below the
電解液攪拌部が正極20に対して散気する散気装置93を備えている場合には、図6に示すように、散気部材94及び気体供給部材95が、鉛直方向Yにおいて、正極20及び負極30よりも下方に設けられていることが好ましい。これにより、気泡は、電解液槽70の底部から上方に浮上し、電解液60の水面61に到達する。この際、気泡は、汚泥を撹拌しながら上昇させる。そのため、散気部材94から発生した気泡が、汚泥を電解液槽70の底部から舞い上げ、電解液60内で拡散させる。したがって、汚泥が、例えば、電解液60の流れに乗って、流出部72を通じ、後述する沈殿槽110など、電解液槽70の外部に移送され、電解液槽70から除去される。
When the electrolytic solution stirring unit includes the
[制御部]
制御部100は、測定部80により測定された測定結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御する。制御部100は、図2、図5及び図6に示すように、測定部80及び移送部90と電気的に接続されており、測定結果と設定値との比較結果に基づいて、移送部90の作動状態を制御している。具体的には、制御部100は、測定結果が設定値よりも大きい場合、又は、測定値が設定値よりも小さい場合に、移送部90を制御している。なお、設定値は、電解液60中の有機性物質の濃度及び微生物の種類などの条件に応じて最適な値は変動するため、任意の所定値(閾値)である。また、制御部100は、CPUを備えていてもよく、RAM、ROM及びハードディスクからなる群より選ばれる少なくとも一つをさらに備えていてもよい。
[Control part]
The
制御部100は、ON/OFFで移送部90を制御してもよく、切/弱/強などのように多段階の調節により移送部90を制御してもよい。ON/OFF制御の場合、例えば、0の電気信号でOFF、1の電気信号でONとなるように移送部90を制御してもよい。移送部90が上述した電解液攪拌部である場合、例えば、ONで電解液60を撹拌し、OFFで電解液60の撹拌を停止してもよい。
The
なお、上述のように、測定結果は、負極30と正極20との間の電位差の測定値、負極30と正極20との間に流れる電流の測定値、負極30又は正極20の電位の測定値、負極30と正極20との間に電流が流れた時間の測定値、経過時間の測定値、及び蓄積した汚泥と電解液60との界面の高さの測定値からなる群より選択される少なくとも1つであってもよい。
Note that, as described above, the measurement result is the measured value of the potential difference between the
すなわち、測定結果は、負極30と正極20との間の電位差の測定値であってもよい。そして、制御部100は、測定値と設定値との比較結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御してもよい。また、上述のように、測定結果は、負極30と正極20との間に流れる電流の測定値であってもよい。そして、制御部100は、測定値と設定値との比較結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御してもよい。また、上述のように、測定結果は、負極30又は正極20の電位の測定値であってもよい。そして、制御部100は、測定値と設定値との比較結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御してもよい。
That is, the measurement result may be a measured value of the potential difference between the
また、上述のように、測定結果は、経過時間の測定値であってもよい。具体的には、測定結果は、負極30と正極20との間に電流が流れた時間の測定値であってもよい。そして、制御部100は、測定値と設定値との比較結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御してもよい。また、上述のように、測定結果は、負極30と正極20との間に流れる電流の測定値、及び、負極30と正極20との間に電流が流れた時間の測定値であってもよい。そして、制御部100は、電流の測定値と時間の測定値との積と設定値との比較結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御してもよい。また、上述のように、測定結果は、蓄積した汚泥と電解液60との界面の高さの測定値であってもよい。そして、制御部100は、測定値と設定値との比較結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御してもよい。
Further, as described above, the measurement result may be a measurement value of elapsed time. Specifically, the measurement result may be a measured value of the time during which the current flows between the
次に、図7に示すフローチャートを用いて、汚泥を電解液槽70から移送する方法の一例について説明する。図7に示すように、ステップS1において、制御部100は、測定部80によって測定された測定結果に基づいて得られる値が設定値よりも小さいか否かを比較して判断する。制御部100は、上記値が設定値よりも小さい値となった場合(YES)には処理をステップS2に進め、移送部90に汚泥を電解液槽70から移送させるよう指示をする。一方、上記値が設定値よりも大きい値となった場合(NO)には、制御部100は、ステップS1に処理を戻す。なお、本実施形態では、上記値が設定値よりも小さい値となった場合に制御部100は移送部90に汚泥を電解液槽70から移送させるよう指示をした。ただし、上記値が設定値よりも大きい値となった場合に制御部100が移送部90に汚泥を電解液槽70から移送させるよう指示してもよい。
Next, an example of a method for transferring sludge from the
具体的には、負極30と正極20との間の電位差の測定値、負極30と正極20との間に流れる電流の測定値、負極30又は正極20の電位の測定値、及び上記電流の測定値と負極30と正極20との間に電流が流れた時間の測定値との積からなる群より選択される少なくとも1つが、設定値よりも小さくなった場合に、制御部100は汚泥を電解液槽70から移送させるように移送部90を制御してもよい。また、経過時間の測定値及び蓄積した汚泥と電解液60との界面の高さの測定値の少なくともいずれか一方が、設定値よりも大きくなった場合に、制御部100は汚泥を電解液槽70から移送させるように移送部90を制御してもよい。
Specifically, the measured value of the potential difference between the
[沈殿槽]
図4〜図6に示すように、液体処理システム1は、電解液槽70よりも下流側に配置される沈殿槽110をさらに備えていてもよい。そして、制御部100は、測定結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から沈殿槽110へ移送させるよう移送部90を制御してもよい。移送部90は、例えば、上述したような電解液攪拌部である。また、液体処理システム1は、電解液槽70から排出された電解液60を供給する連結管111を備えている。図5及び図6に示す形態において、連結管111は、電解液槽70の電解液60を排出するため、流出部72にも相当する。すなわち、連結管111の一方は電解液槽70の後壁74の上部に接続され、連結管111のもう一方は沈殿槽110の前側の前壁117の上部に接続されている。また、液体処理システム1は、沈殿槽110の後方の後壁118の上部に、沈殿槽110で保持された電解液60を排出する流出部112を備えている。
[Settling tank]
As shown in FIGS. 4 to 6, the liquid treatment system 1 may further include a
電解液60は、連結管111、沈殿槽110及び流出部112を順番に通過するように、液体処理システム1が構成されている。そして、移送部90によって移送された汚泥も、連結管111を通じて電解液槽70から沈殿槽110に供給される。汚泥は、電解液60と比較して密度が大きいため、沈殿物114として沈殿槽110の底部に沈殿する。そのため、沈殿槽110では、電解液槽70で処理された電解液60と汚泥とが分離される。
The liquid treatment system 1 is configured such that the
沈殿槽110は、沈殿物114が一部に集まりやすいよう、底壁119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。そして、沈殿槽110の底壁119には排出部115が接続されており、排出部115には、沈殿物114を沈殿槽110から排出可能なポンプ116が接続されている。沈殿槽110に沈殿した沈殿物114は、制御部100の制御によってポンプ116を稼働させることにより、底壁119に形成された流出口113及び排出部115を介して沈殿物114が沈殿槽110から排出してもよい。
The
なお、液体処理システム1は、一端が排出部115と接続され、もう一端が流入部71と接続され、沈殿槽110で沈殿した沈殿物114を電解液槽70へ返流させる図示しない返流管をさらに備えていてもよい。このような返流管により、沈殿物114の少なくとも一部が沈殿槽110から電解液槽70に返流され、電解液槽70における電解液60の処理に利用することができる。
The liquid processing system 1 has one end connected to the
図5及び図6に示す形態では、移送部90として電解液攪拌部を用い、沈殿槽110が電解液槽70の下流に設けられている。しかしながら、汚泥を電解液槽70から移送させることができれば、液体処理システム1は、長期運転に伴う電気エネルギー回収効率の低下及び処理水質の大きな低下を抑制することができる。したがって、移送部90として電解液攪拌部を用いた場合であっても、沈殿槽110は必須の構成ではない。
In the embodiment shown in FIGS. 5 and 6, an electrolytic solution stirring section is used as the
以上の通り、本実施形態に係る液体処理システム1は、有機性物質を含む電解液60を収容する電解液槽70と、電解液60と接触し、微生物を担持する負極30と、気相Gと接触し、負極30と電気的に接続される正極20と、を備える。液体処理システム1は、電解液槽70内の汚泥の蓄積の程度を測定する測定部80と、電解液槽70に蓄積された汚泥を電解液槽70から移送させる移送部90と、を備える。液体処理システム1は、測定部80により測定された測定結果に基づいて、汚泥を電解液槽70から移送させるよう移送部90を制御する制御部100を備える。
As described above, the liquid treatment system 1 according to the present embodiment includes the
そのため、本実施形態に係る液体処理システム1によれば、長期運転に伴って汚泥が蓄積し、電解エネルギーの回収効率及び処理水質が低下しはじめても、測定部80により測定された測定結果に基づいて汚泥が電解液槽70から移送される。したがって、電気エネルギー回収効率及び処理水質が、汚泥によって大きく低下する前に、電解液槽70に蓄積した汚泥を除去することができ、電解液槽70内の汚泥の状態を維持することができる。したがって、液体処理システム1は、長期運転に伴う電気エネルギー回収効率の低下及び処理水質の大きな低下を抑制することができる。
Therefore, according to the liquid treatment system 1 according to the present embodiment, even if sludge accumulates due to long-term operation and the efficiency of collecting electrolytic energy and the quality of treated water start to deteriorate, based on the measurement result measured by the measuring
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。 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.
1 液体処理システム
20 正極
30 負極
60 電解液
70 電解液槽
80 測定部
90 移送部
100 制御部
110 沈殿槽
G 気相
1
Claims (8)
前記電解液と接触し、微生物を担持する負極と、
気相と接触し、前記負極と電気的に接続される正極と、
前記電解液槽内の汚泥の蓄積の程度を測定する測定部と、
前記電解液槽に蓄積された汚泥を前記電解液槽から移送させる移送部と、
前記測定部により測定された測定結果に基づいて、前記汚泥を前記電解液槽から移送させるよう前記移送部を制御する制御部と、
を備える、液体処理システム。 An electrolytic solution tank containing an electrolytic solution containing an organic substance,
A negative electrode that is in contact with the electrolytic solution and carries microorganisms,
A positive electrode that is in contact with the gas phase and is electrically connected to the negative electrode;
A measuring unit for measuring the degree of accumulation of sludge in the electrolytic solution tank,
A transfer unit for transferring the sludge accumulated in the electrolytic solution tank from the electrolytic solution tank,
Based on the measurement result measured by the measuring unit, a control unit that controls the transfer unit to transfer the sludge from the electrolytic solution tank,
A liquid processing system comprising:
前記制御部は、前記測定値と設定値との比較結果に基づいて、前記汚泥を前記電解液槽から移送させるよう前記移送部を制御する、請求項1又は2に記載の液体処理システム。 The measurement result is a measurement value of a potential difference between the negative electrode and the positive electrode,
The liquid processing system according to claim 1, wherein the control unit controls the transfer unit to transfer the sludge from the electrolytic solution tank based on a comparison result between the measured value and the set value.
前記制御部は、前記測定値と設定値との比較結果に基づいて、前記汚泥を前記電解液槽から移送させるよう前記移送部を制御する、請求項1又は2に記載の液体処理システム。 The measurement result is a measurement value of a current flowing between the negative electrode and the positive electrode,
The liquid processing system according to claim 1, wherein the control unit controls the transfer unit to transfer the sludge from the electrolytic solution tank based on a comparison result between the measured value and the set value.
前記制御部は、前記測定値と設定値との比較結果に基づいて、前記汚泥を前記電解液槽から移送させるよう前記移送部を制御する、請求項1又は2に記載の液体処理システム。 The measurement result is a measured value of the potential of the negative electrode or the positive electrode,
The liquid processing system according to claim 1, wherein the control unit controls the transfer unit to transfer the sludge from the electrolytic solution tank based on a comparison result between the measured value and the set value.
前記制御部は、前記測定値と設定値との比較結果に基づいて、前記汚泥を前記電解液槽から移送させるよう前記移送部を制御する、請求項1又は2に記載の液体処理システム。 The measurement result is a measurement value of a time during which a current flows between the negative electrode and the positive electrode,
The liquid processing system according to claim 1, wherein the control unit controls the transfer unit to transfer the sludge from the electrolytic solution tank based on a comparison result between the measured value and the set value.
前記制御部は、前記電流の測定値と前記時間の測定値との積と設定値との比較結果に基づいて、前記汚泥を前記電解液槽から移送させるよう前記移送部を制御する、請求項1又は2に記載の液体処理システム。 The measurement result is a measurement value of a current flowing between the negative electrode and the positive electrode, and a measurement value of a time during which a current flows between the negative electrode and the positive electrode,
The control unit controls the transfer unit to transfer the sludge from the electrolytic solution tank based on a comparison result of a product of a measured value of the current and a measured value of the time and a set value, 3. The liquid processing system according to 1 or 2.
前記制御部は、前記測定結果に基づいて、前記汚泥を前記電解液槽から前記沈殿槽へ移送させるよう前記移送部を制御する、請求項1〜7のいずれか一項に記載に液体処理システム。 Further comprising a settling tank arranged on the downstream side of the electrolytic solution tank,
The liquid processing system according to claim 1, wherein the control unit controls the transfer unit to transfer the sludge from the electrolytic solution tank to the settling tank based on the measurement result. ..
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