JP2023113427A - Water treatment equipment and water treatment method - Google Patents

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Abstract

To provide water treatment equipment and a water treatment method capable of efficiently removing organic matter from wastewater and obtaining good water quality through an anaerobic treatment method.SOLUTION: A water treatment equipment 100 has a water treatment structure 10 with an anode 12 that contacts treated water 30 inhabited by anaerobic microorganisms 3 with facultative and absolute anaerobes and to which the anaerobic microorganisms attach, and a cathode 11 that is electrically connected to the anode and that contacts gas phase 40 containing oxygen and treated water. The water treatment equipment is further provided with an aeration device 50 that intermittently aerates the treated water with oxygen-containing gas. The aeration device alternately repeats the state of performing aeration and the state of stopping aeration, and in the state of performing aeration, the gas is brought into contact with anaerobic microorganisms. The water treatment method is a method using the water treatment structure, and alternately repeats an aeration state in which the gas is brought into contact with anaerobic microorganisms by aerating the treated water with oxygen-containing gas, and an aeration stop state in which the aeration of the gas is stopped.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、水処理装置及び水処理方法に関する。 The present invention relates to a water treatment device and a water treatment method.

従来より、廃水中に含まれる有機物を除去するために、種々の水処理方法が提供されている。具体的には、微生物の好気呼吸を利用する活性汚泥法や、微生物の嫌気呼吸を利用する嫌気性処理法などの水処理方法が提供されている。 BACKGROUND ART Conventionally, various water treatment methods have been provided to remove organic matter contained in waste water. Specifically, water treatment methods such as an activated sludge method using aerobic respiration of microorganisms and an anaerobic treatment method using anaerobic respiration of microorganisms are provided.

活性汚泥法では、微生物を含んだ泥(活性汚泥)と廃水とを生物反応槽で混合し、微生物が廃水中の有機物を酸化分解するために必要な空気を生物反応槽に送り込んで攪拌することで、廃水を浄化している。しかし、活性汚泥法は、生物反応槽のエアレーションに莫大な電力を要する。また、微生物が酸素呼吸をして活発に代謝を行う結果、産業廃棄物である大量の汚泥(微生物の死骸)が発生してしまう。 In the activated sludge method, sludge containing microorganisms (activated sludge) and wastewater are mixed in a bioreactor, and the air necessary for the microorganisms to oxidatively decompose the organic matter in the wastewater is sent into the bioreactor and agitated. and purify wastewater. However, the activated sludge process requires a huge amount of electric power for aeration of the bioreactor. In addition, as a result of the active metabolism of microorganisms through oxygen respiration, a large amount of sludge (dead microorganisms), which is industrial waste, is generated.

これに対し、嫌気性処理法ではエアレーションが不要となることから、活性汚泥法に比べて必要電力量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、汚泥発生量が減少する。このような嫌気性処理法を利用した水処理装置としては、特許文献1に記載の微生物燃料電池が開示されている。 On the other hand, since the anaerobic treatment method does not require aeration, it is possible to greatly reduce the amount of electric power required compared to the activated sludge method. In addition, since the free energy acquired by microorganisms is small, the amount of sludge generated is reduced. A microbial fuel cell described in Patent Document 1 is disclosed as a water treatment apparatus using such an anaerobic treatment method.

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廃水に接触する正極とを有する。そして、有機物などを含有する廃水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廃水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正極へ移動し、電子は負荷回路を介して正極へ移動する。負極から移動した水素イオン及び電子は正極において酸素と結合し、水となって消費される。その際に、閉回路に流れる電気エネルギーを回収することができる。 Microbial fuel cells have a negative electrode carrying microorganisms and a positive electrode in contact with an oxygen-containing gas phase and wastewater. Then, waste water containing organic substances and the like is supplied to the negative electrode, and a gas containing oxygen is supplied to the positive electrode. The negative and positive electrodes form a closed circuit by connecting them together through a load circuit. At the negative electrode, hydrogen ions and electrons are produced from the wastewater by catalytic action of microorganisms. Then, the generated hydrogen ions move to the positive electrode, and the electrons move to the positive electrode through the load circuit. The hydrogen ions and electrons transferred from the negative electrode combine with oxygen at the positive electrode and are consumed as water. At that time, the electrical energy flowing in the closed circuit can be recovered.

そして、特許文献1では、有機性基質に浸漬して嫌気性微生物を担持させる負極と、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て有機性基質中に差し込む正極と、を備える微生物燃料電池を開示している。そして、当該微生物燃料電池では、入出孔経由でカセット内に酸素を供給しつつ、負極及び正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。 In Patent Literature 1, a negative electrode that is immersed in an organic substrate to support anaerobic microorganisms, an outer shell formed of an ion-permeable diaphragm, and an inlet/outlet hole are enclosed together with an electrolytic solution in a sealed hollow cassette. A microbial fuel cell is disclosed that includes a positive electrode that is inserted into an organic substrate by means of a In the microbial fuel cell, electricity is taken out through a circuit electrically connecting the negative electrode and the positive electrode while supplying oxygen into the cassette through the inlet/outlet holes.

特開2009-93861号公報JP-A-2009-93861

微生物燃料電池を利用した従来の水処理装置でも、廃水中の有機物をある程度処理することはできる。ただ、廃水中の有機物をより効率的に処理し、良好な水質を得ることが可能な水処理装置が求められている。 Conventional water treatment equipment using microbial fuel cells can also treat organic matter in wastewater to some extent. However, there is a demand for a water treatment apparatus capable of more efficiently treating organic matter in wastewater and obtaining good water quality.

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、嫌気性処理法により廃水中の有機物を効率的に除去し、良好な水質を得ることが可能な水処理装置及び水処理方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. It is another object of the present invention to provide a water treatment apparatus and a water treatment method capable of efficiently removing organic substances in wastewater by an anaerobic treatment method to obtain good water quality.

上記課題を解決するために、本発明の態様に係る水処理装置は、通性嫌気性菌及び絶対嫌気性菌を有する嫌気性微生物が生息する被処理水に接触し、かつ、当該嫌気性微生物が付着する負極と、当該負極と電気的に接続し、かつ、酸素を含む気相及び被処理水に接触する正極と、を備える水処理構造体を備える。水処理装置は、さらに、被処理水に対して、酸素を含む気体を間欠的に曝気する曝気装置を備える。曝気装置は曝気の実施状態と停止状態を交互に繰り返し、曝気の実施状態では酸素を含む気体を嫌気性微生物に接触させる。 In order to solve the above problems, a water treatment apparatus according to an aspect of the present invention contacts water to be treated in which anaerobic microorganisms having facultative anaerobes and obligate anaerobes live, and the anaerobic microorganisms and a positive electrode electrically connected to the negative electrode and in contact with the gas phase containing oxygen and the water to be treated. The water treatment apparatus further includes an aeration device that intermittently aerates the water to be treated with gas containing oxygen. The aeration device alternates between running and stopping aeration, and in the running state of aeration the gas containing oxygen is brought into contact with the anaerobic microorganisms.

水処理装置は、水処理構造体と、被処理水と、曝気装置の少なくとも一部と、を内部に保持する処理槽をさらに備えてもよい。 The water treatment apparatus may further include a treatment tank that holds therein the water treatment structure, the water to be treated, and at least part of the aerator.

水処理装置では、酸素を含む気体を嫌気性微生物に接触させることにより、通性嫌気性菌は被処理水中に残存し、絶対嫌気性菌は被処理水から除去されることが好ましい。 In the water treatment apparatus, it is preferable that the facultative anaerobes remain in the water to be treated and the obligate anaerobes are removed from the water to be treated by contacting the anaerobic microorganisms with a gas containing oxygen.

水処理装置において、曝気装置は、曝気の実施状態と停止状態を一定時間ごとに交互に繰り返してもよい。 In the water treatment device, the aeration device may alternately repeat the aeration state and stop state at regular intervals.

水処理装置において、曝気の実施状態の時間は10~20分であり、曝気の停止状態の時間は40分~3時間とすることができる。 In the water treatment system, the aeration on-state time can be 10-20 minutes and the aeration off-state time can be 40 minutes to 3 hours.

水処理装置において、正極には、好気性微生物が付着している、又は、酸素還元触媒が担持されていてもよい。 In the water treatment device, the positive electrode may be attached with aerobic microorganisms or may carry an oxygen reduction catalyst.

水処理構造体において、負極と正極とは一体的であり、水処理構造体の形状は、板状、棒状又は紐状であってもよい。 In the water treatment structure, the negative electrode and the positive electrode are integrated, and the shape of the water treatment structure may be plate-like, rod-like, or string-like.

本発明の態様に係る水処理方法は、通性嫌気性菌及び絶対嫌気性菌を有する嫌気性微生物が生息する被処理水に接触し、かつ、当該嫌気性微生物が付着する負極と、当該負極と電気的に接続し、かつ、酸素を含む気相及び被処理水に接触する正極と、を備える水処理構造体を用いた水処理方法である。水処理方法は、被処理水に対して酸素を含む気体を曝気することにより、当該気体を嫌気性微生物に接触させる曝気実施状態と、当該気体の曝気を停止する曝気停止状態と、を交互に繰り返す。 A water treatment method according to an aspect of the present invention is in contact with water to be treated in which anaerobic microorganisms having facultative anaerobes and obligate anaerobes live, and to which the anaerobic microorganisms adhere; and a positive electrode in contact with a vapor phase containing oxygen and the water to be treated. In the water treatment method, by aerating a gas containing oxygen to the water to be treated, an aeration execution state in which the gas is brought into contact with anaerobic microorganisms and an aeration stop state in which the aeration of the gas is stopped are alternately performed. repeat.

本発明によれば、嫌気性処理法により廃水中の有機物を効率的に除去し、良好な水質を得ることが可能な水処理装置及び水処理方法を提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a water treatment apparatus and a water treatment method capable of efficiently removing organic substances in wastewater by an anaerobic treatment method and obtaining good water quality.

第一実施形態に係る水処理装置の一例を示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a perspective view which shows an example of the water treatment apparatus which concerns on 1st embodiment. 図1中のA-A線に沿った断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1; 図1中のB-B線に沿った断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1; 水処理構造体により被処理水を浄化するメカニズムを説明するための断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a mechanism for purifying water to be treated by the water treatment structure; 水処理構造体により被処理水を浄化するメカニズムを説明するための断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a mechanism for purifying water to be treated by the water treatment structure; 第二実施形態に係る水処理装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the water treatment apparatus which concerns on 2nd embodiment. 第二実施形態に係る水処理装置における正極とスペーサ部材と板部材とを積層してなる積層体を示す分解斜視図である。FIG. 6 is an exploded perspective view showing a laminate formed by laminating a positive electrode, a spacer member, and a plate member in the water treatment device according to the second embodiment. 図6中のC-C線に沿った断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 6; 実施例1の水処理構造体において、被処理水を処理する前の状態を示す写真である。4 is a photograph showing a state before treating water to be treated in the water treatment structure of Example 1. FIG. 実施例及び比較例の水処理システムを示す概略図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the schematic which shows the water-treatment system of an Example and a comparative example. (a)は、実施例1の水処理構造体において、被処理水を処理した後の負極表面の状態を示す写真である。(b)は、実施例2の水処理構造体において、被処理水を処理した後の負極表面の状態を示す写真である。(c)は、比較例1の水処理構造体において、被処理水を処理した後の負極表面の状態を示す写真である。(a) is a photograph showing the state of the negative electrode surface after treating the water to be treated in the water treatment structure of Example 1. FIG. (b) is a photograph showing the state of the negative electrode surface after treating the water to be treated in the water treatment structure of Example 2. FIG. (c) is a photograph showing the state of the negative electrode surface after treating the water to be treated in the water treatment structure of Comparative Example 1. FIG.

以下、図面を用いて本実施形態に係る水処理装置及び水処理方法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、実際の比率と異なる場合がある。 Hereinafter, the water treatment apparatus and the water treatment method according to this embodiment will be described in detail with reference to the drawings. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.

[第一実施形態]
本実施形態に係る水処理装置100は、図1から図3に示すように、水処理構造体10と、水処理構造体10及び水処理構造体10により浄化される被処理水30を内部に保持する処理槽20と、を備えている。水処理装置100は、さらに、酸素を含む気体を被処理水30に曝気する曝気装置50を備えている。
[First embodiment]
As shown in FIGS. 1 to 3, the water treatment apparatus 100 according to the present embodiment contains a water treatment structure 10, the water treatment structure 10, and water to be treated 30 to be purified by the water treatment structure 10. and a processing tank 20 for holding the same. The water treatment device 100 further includes an aeration device 50 for aerating gas containing oxygen to the water 30 to be treated.

(水処理構造体)
本実施形態において、水処理構造体10は導電体1を備えている。図1から図3に示すように、導電体1は、導電性材料により構成され、さらに略直方体状で扁平の板部材からなる。
(water treatment structure)
In this embodiment, the water treatment structure 10 comprises an electrical conductor 1 . As shown in FIGS. 1 to 3, the conductor 1 is made of a conductive material and is a substantially rectangular parallelepiped flat plate member.

水処理構造体10は、気相40中の酸素を還元する酸素還元反応が生じる部位と、被処理水30中の有機物を酸化して水素イオンと電子を生成する有機物酸化反応が生じる部位とを有している。具体的には、水処理構造体10において、酸素還元反応が生じる部位は、気相40及び被処理水30と接触している上部(正極11)であり、有機物酸化反応が生じる部位は、被処理水30と接触している下部(負極12)である。このように、水処理構造体10では、正極11と負極12は一体的な構成となっている。 The water treatment structure 10 has a site where an oxygen reduction reaction for reducing oxygen in the gas phase 40 occurs, and a site where an organic matter oxidation reaction for generating hydrogen ions and electrons by oxidizing organic matter in the water 30 to be treated occurs. have. Specifically, in the water treatment structure 10, the site where the oxygen reduction reaction occurs is the upper part (positive electrode 11) in contact with the gas phase 40 and the water to be treated 30, and the site where the organic substance oxidation reaction occurs is the It is the lower part (negative electrode 12 ) in contact with the treated water 30 . Thus, in the water treatment structure 10, the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are integrated.

水処理構造体10を構成する導電体1は、酸素還元反応が生じる正極11と有機物酸化反応が生じる負極12との間に、水素イオン(H)が移動するための内部空間を有している。導電体1の内部に連続した空間が存在していることにより、後述するように、負極12で生成した水素イオンが内部空間を通じて正極11へ移動することができる。 The conductor 1 constituting the water treatment structure 10 has an internal space for hydrogen ions (H + ) to move between the positive electrode 11 in which oxygen reduction reaction occurs and the negative electrode 12 in which organic material oxidation reaction occurs. there is The presence of a continuous space inside the conductor 1 allows hydrogen ions generated in the negative electrode 12 to move to the positive electrode 11 through the internal space, as will be described later.

導電体1の材料は、導電性を確保できるならば特に限定されないが、例えば導電性金属、炭素材料及び導電性ポリマー材料からなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。導電性金属としては、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からなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。炭素材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス及び黒鉛シートからなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。導電性ポリマー材料としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ(p-フェニレンビニレン)、ポリピロール及びポリ(p-フェニレンスルフィド)からなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。 The material of the conductor 1 is not particularly limited as long as it can ensure conductivity, but at least one selected from the group consisting of conductive metals, carbon materials and conductive polymer materials can be used, for example. As the conductive metal, for example, at least one selected from the group consisting of aluminum, copper, stainless steel, nickel and titanium can be used. As the carbon material, for example, at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon felt, carbon cloth and graphite sheet can be used. At least one selected from the group consisting of polyacetylene, polythiophene, polyaniline, poly(p-phenylene vinylene), polypyrrole and poly(p-phenylene sulfide) can be used as the conductive polymer material.

上述のように、導電体1は、正極11と負極12との間に水素イオンが移動するための内部空間を有することから、負極12から正極11に向かって連続した空間を有することが好ましい。このような内部空間を確保するために、導電体1は、多孔質の導電性シートを備えることが好ましい。また、導電体1は、多孔質の導電性シートからなることがより好ましい。このような多孔質の導電性シートは、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できる。 As described above, since the conductor 1 has an internal space between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 for hydrogen ions to move, it is preferable to have a continuous space from the negative electrode 12 toward the positive electrode 11 . In order to secure such an internal space, the conductor 1 preferably comprises a porous conductive sheet. Moreover, the conductor 1 is more preferably made of a porous conductive sheet. Since such a porous conductive sheet has a large number of pores inside, hydrogen ions can easily move.

導電体1は、織布状の導電性シート及び不織布状の導電性シートの少なくとも一方を備えることが好ましい。織布状の導電性シート及び不織布状の導電性シートは、多数の細孔を有しているため、水素イオンの移動を容易にすることができる。また、導電体1は、負極12から正極11にかけて、複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。 The conductor 1 preferably includes at least one of a woven conductive sheet and a nonwoven conductive sheet. A woven fabric-like conductive sheet and a non-woven fabric-like conductive sheet have a large number of pores, and therefore can facilitate the movement of hydrogen ions. Also, the conductor 1 may be a metal plate having a plurality of through holes from the negative electrode 12 to the positive electrode 11 .

導電体1は、不織布状の導電性シートを備えることがより好ましく、不織布状の導電性シートからなることが特に好ましい。不織布はその厚みや空隙率を変更しやすいため、後述するように、導電体1の負極12に嫌気性微生物が付着し、正極11に酸素還元触媒又は好気性微生物を担持した構成を容易に得ることができる。なお、導電体1における空間の細孔径は、負極12から正極11に水素イオンが移動できれば特に限定されない。 The conductor 1 more preferably comprises a non-woven conductive sheet, particularly preferably a non-woven conductive sheet. Since the thickness and porosity of the non-woven fabric can be easily changed, a configuration in which anaerobic microorganisms adhere to the negative electrode 12 of the conductor 1 and the positive electrode 11 carries an oxygen reduction catalyst or aerobic microorganisms can be easily obtained, as described later. be able to. The pore diameter of the space in the conductor 1 is not particularly limited as long as hydrogen ions can move from the negative electrode 12 to the positive electrode 11 .

上述の観点から、導電体1を構成する導電性材料は、黒鉛シート、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト及びステンレス鋼(SUS)からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが特に好ましい。 From the above point of view, it is particularly preferable that the conductive material constituting the conductor 1 is at least one selected from the group consisting of graphite sheet, carbon paper, carbon cloth, carbon felt and stainless steel (SUS).

図1から図3に示すように、水処理構造体10における鉛直方向Yの長さL1は、鉛直方向Yに垂直な幅方向Zの長さL2よりも長いことが好ましい。また、水処理構造体10は板状であることが特に好ましい。これにより、水処理構造体10における負極12と被処理水30の水面30aとの間の距離が大きくなり、負極12の周囲が嫌気条件となる。そのため、水処理構造体10の負極12に嫌気性微生物が付着し、有機物の酸化を効率的に行うことができる。また、水処理構造体10において、酸素還元反応が生じる部位(正極11)と、有機物酸化反応が生じる部位(負極12)との間に電位差を生じさせ、導電体1を通じて負極12から正極11へ電子を効率的に伝導することができる。 As shown in FIGS. 1 to 3, the length L1 in the vertical direction Y in the water treatment structure 10 is preferably longer than the length L2 in the width direction Z perpendicular to the vertical direction Y. As shown in FIGS. Moreover, it is particularly preferable that the water treatment structure 10 has a plate shape. As a result, the distance between the negative electrode 12 in the water treatment structure 10 and the water surface 30a of the water to be treated 30 increases, and the surroundings of the negative electrode 12 become anaerobic. Therefore, anaerobic microorganisms adhere to the negative electrode 12 of the water treatment structure 10, and organic substances can be efficiently oxidized. In addition, in the water treatment structure 10 , a potential difference is generated between the site (positive electrode 11 ) where the oxygen reduction reaction occurs and the site (negative electrode 12 ) where the organic matter oxidation reaction occurs. It can conduct electrons efficiently.

なお、水処理構造体10における鉛直方向Yの長さL1は、幅方向Zの長さL2の2倍以上であることが好ましく、5倍以上であることがより好ましく、8倍以上であることがさらに好ましく、10倍以上であることが特に好ましい。水処理構造体10における鉛直方向Yの長さL1の上限は特に限定されないが、例えば、幅方向Zの長さL2の50倍以下であることが好ましい。 The length L1 in the vertical direction Y in the water treatment structure 10 is preferably twice or more the length L2 in the width direction Z, more preferably 5 times or more, and 8 times or more. is more preferable, and 10 times or more is particularly preferable. Although the upper limit of the length L1 in the vertical direction Y in the water treatment structure 10 is not particularly limited, it is preferably 50 times or less the length L2 in the width direction Z, for example.

上述のように、水処理構造体10の形状は板状であることがより好ましい。しかしながら、水処理構造体10の形状はこのような態様に限定されず、鉛直方向Yの長さL1を幅方向Zの長さL2よりも長くすることが可能ならば、棒状又は紐状であってもよい。水処理構造体の形状が、板状、棒状又は紐状であることにより、水処理構造体10における負極12と被処理水30の水面30aとの間の距離が大きくなるため、負極12に多くの嫌気性微生物を付着させることができる。また、水処理構造体10において、酸素還元反応が生じる正極11と、有機物酸化反応が生じる負極12との間に電位差を生じさせ、微生物の代謝を制御することが可能となる。なお、水処理構造体10の形状が棒状又は紐状である場合、鉛直方向Yに垂直な幅方向Zの長さL2は、水処理構造体10の外周における2点間の最大直線距離をいう。 As described above, the shape of the water treatment structure 10 is more preferably plate-like. However, the shape of the water treatment structure 10 is not limited to such an aspect, and may be rod-like or cord-like as long as the length L1 in the vertical direction Y can be made longer than the length L2 in the width direction Z. may Since the shape of the water treatment structure is plate-like, rod-like, or string-like, the distance between the negative electrode 12 in the water treatment structure 10 and the water surface 30a of the water to be treated 30 is increased. of anaerobic microorganisms can adhere. Moreover, in the water treatment structure 10, it is possible to control the metabolism of microorganisms by generating a potential difference between the positive electrode 11 in which an oxygen reduction reaction occurs and the negative electrode 12 in which an organic matter oxidation reaction occurs. When the shape of the water treatment structure 10 is rod-like or string-like, the length L2 in the width direction Z perpendicular to the vertical direction Y refers to the maximum linear distance between two points on the outer circumference of the water treatment structure 10. .

図4に示すように、水処理構造体10における酸素還元反応が生じる部位(正極11)には、酸素還元触媒2が担持されていることが好ましい。酸素還元触媒2が担持されていることにより、正極11において酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を効率的に進行させることが可能となる。なお、酸素還元触媒2は、導電体1の表面に担持されていてもよく、導電体1の内部に担持されていてもよい。 As shown in FIG. 4 , it is preferable that the oxygen reduction catalyst 2 is supported on the site (positive electrode 11 ) where the oxygen reduction reaction occurs in the water treatment structure 10 . By supporting the oxygen reduction catalyst 2 , the oxygen reduction reaction by oxygen, hydrogen ions and electrons can be efficiently advanced in the positive electrode 11 . The oxygen reduction catalyst 2 may be supported on the surface of the conductor 1 or may be supported inside the conductor 1 .

導電体1に担持され得る酸素還元触媒2は特に限定されないが、白金を含有してもよい。また、酸素還元触媒2は、少なくとも一種の非金属原子と金属原子とがドープされた炭素粒子を含んでもよい。炭素粒子にドープされる原子は特に限定されない。非金属原子は、例えば窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子及びリン原子からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。また、金属原子は、例えば鉄原子及び銅原子の少なくとも一方であることが好ましい。 The oxygen reduction catalyst 2 that can be supported on the conductor 1 is not particularly limited, but may contain platinum. The oxygen reduction catalyst 2 may also contain carbon particles doped with at least one kind of nonmetallic atoms and metal atoms. Atoms with which the carbon particles are doped are not particularly limited. The nonmetallic atom is preferably at least one selected from the group consisting of, for example, nitrogen, boron, sulfur and phosphorus atoms. Also, the metal atom is preferably at least one of, for example, an iron atom and a copper atom.

酸素還元触媒2はバインダーを用いて導電体1に結着していてもよい。つまり、酸素還元触媒2はバインダーを用いて導電体1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、酸素還元触媒2が導電体1から脱離し、酸素還元特性が低下することを抑制できる。バインダーとしては、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できる。また、バインダーとしては、NAFION(登録商標)を用いることもできる。 The oxygen reduction catalyst 2 may be bound to the conductor 1 using a binder. That is, the oxygen reduction catalyst 2 may be supported on the surface and inside the pores of the conductor 1 using a binder. As a result, it is possible to prevent the oxygen reduction catalyst 2 from being detached from the conductor 1 and the deterioration of the oxygen reduction characteristics. As the binder, for example, at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), and ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM) can be used. NAFION (registered trademark) can also be used as the binder.

水処理構造体10における有機物酸化反応が生じる部位(負極12)には、被処理水30中の有機物を分解して水素イオンと電子を生成する嫌気性微生物が付着している。嫌気性微生物3は、増殖に酸素を必要とせず、さらに被処理水30中の有機物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。 Anaerobic microorganisms that decompose organic matter in the water 30 to be treated to generate hydrogen ions and electrons adhere to the site (negative electrode 12 ) in the water treatment structure 10 where an organic matter oxidation reaction occurs. The anaerobic microorganisms 3 do not require oxygen for growth, and further do not require air for oxidatively decomposing organic matter in the water 30 to be treated. Therefore, it is possible to greatly reduce the electric power required for sending air. In addition, since the free energy acquired by microorganisms is small, it is possible to reduce the amount of sludge generated.

水処理構造体10の負極12に付着する嫌気性微生物は、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌であることが好ましい。具体的には、嫌気性微生物として、例えばGeobacter属細菌、Shewanella属細菌、Aeromonas属細菌、Geothrix属細菌、Saccharomyces属細菌が挙げられる。 The anaerobic microorganisms adhering to the negative electrode 12 of the water treatment structure 10 are preferably electroproducing bacteria having an extracellular electron transfer mechanism, for example. Specific examples of anaerobic microorganisms include Geobacter, Shewanella, Aeromonas, Geothrix, and Saccharomyces.

水処理構造体10の負極12に、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、負極12に嫌気性微生物が付着してもよい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質(extracellular polymeric substance、EPS)とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極12に付着していてもよい。また、嫌気性微生物は、負極12の表面だけでなく、内部に付着していてもよい。 Anaerobic microorganisms may adhere to the negative electrode 12 by stacking and fixing a biofilm containing anaerobic microorganisms on the negative electrode 12 of the water treatment structure 10 . A biofilm generally refers to a three-dimensional structure containing a microbial population and an extracellular polymeric substance (EPS) produced by the microbial population. However, the anaerobic microorganisms may adhere to the negative electrode 12 without depending on the biofilm. In addition, the anaerobic microorganisms may adhere not only to the surface of the negative electrode 12 but also to the inside.

ここで、嫌気性微生物としては、通性嫌気性菌と絶対嫌気性菌が存在する。通性嫌気性菌は、酸素が存在しなくても生息できる嫌気性菌である。絶対嫌気性菌は、酸素が存在する条件では生息できず、死滅してしまう嫌気性菌である。そして、負極12には、通性嫌気性菌と絶対嫌気性菌の両方が付着している。 Here, anaerobic microorganisms include facultative anaerobes and obligate anaerobes. Facultative anaerobes are anaerobes that can live without the presence of oxygen. Obligatory anaerobes are anaerobes that cannot live in the presence of oxygen and die out. Both facultative anaerobes and obligate anaerobes adhere to the negative electrode 12 .

水処理構造体10における酸素還元反応が生じる部位(正極11)には、気相40中の酸素と水素イオン及び電子とを反応させて水を生成する好気性微生物が付着していてもよい。このような好気性微生物4としては、例えばSphingobacterium属細菌、Acinetobacterium属細菌、Acinetobacter属細菌が挙げられる。 Aerobic microorganisms that generate water by reacting oxygen in the gas phase 40 with hydrogen ions and electrons may be attached to the site (positive electrode 11) where the oxygen reduction reaction occurs in the water treatment structure 10. Examples of such aerobic microorganisms 4 include Sphingobacterium, Acinetobacterium, and Acinetobacter.

なお、水処理構造体10は、正極11に酸素還元触媒2を担持せず、導電体1のみからなるものであってもよい。後述するように、被処理水30に嫌気性微生物3及び好気性微生物4の両方が存在している場合には、正極11に嫌気性微生物3が付着し、負極12に好気性微生物4が付着することで局部電池反応が生じ、有機物を酸化分解することが可能となる。 It should be noted that the water treatment structure 10 may be composed only of the conductor 1 without supporting the oxygen reduction catalyst 2 on the positive electrode 11 . As will be described later, when both the anaerobic microorganisms 3 and the aerobic microorganisms 4 are present in the water 30 to be treated, the anaerobic microorganisms 3 adhere to the positive electrode 11 and the aerobic microorganisms 4 adhere to the negative electrode 12. By doing so, a local cell reaction occurs, and it becomes possible to oxidatively decompose the organic matter.

(処理槽)
水処理装置100は、有機物を含む被処理水30を内部に保持する、略直方体状の処理槽20を備える。処理槽20の前壁23には、被処理水30を処理槽20に供給するための流入口21が設けられている。また、処理槽20の後壁24には、処理後の被処理水30を処理槽20から排出するための流出口22が設けられている。
(Treatment tank)
The water treatment apparatus 100 includes a substantially rectangular parallelepiped treatment tank 20 that holds therein water to be treated 30 containing organic matter. A front wall 23 of the treatment tank 20 is provided with an inlet 21 for supplying the water 30 to be treated to the treatment tank 20 . An outflow port 22 is provided in the rear wall 24 of the treatment tank 20 for discharging the treated water 30 from the treatment tank 20 .

被処理水30は、流入口21を通じて処理槽20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、水処理構造体10は、負極12及び正極11の一部が被処理水30に浸漬するように処理槽20の内部に配置されている。そのため、処理槽20の流入口21から供給された被処理水30は、水処理構造体10に接触しながら流れ、その後、流出口22から排出される。 The water to be treated 30 is continuously supplied to the inside of the treatment tank 20 through the inflow port 21 . Moreover, as shown in FIGS. 1 and 2, the water treatment structure 10 is arranged inside the treatment tank 20 so that the negative electrode 12 and the positive electrode 11 are partly immersed in the water 30 to be treated. Therefore, the water to be treated 30 supplied from the inlet 21 of the treatment tank 20 flows while being in contact with the water treatment structure 10 and then discharged from the outlet 22 .

(曝気装置)
水処理装置100は、さらに、被処理水30に対して、酸素を含む気体を間欠的に曝気する曝気装置50を備えている。曝気装置50は、気体を散気するための孔部を有する散気部材51と、気体を圧送するための曝気用ブロア52と、曝気用ブロア52から散気部材51に気体を送給するための配管53とを備えている。曝気装置50は、さらに、曝気用ブロア52と電気的に接続し、曝気用ブロア52の動作を制御する制御部54を備えている。
(Aerator)
The water treatment device 100 further includes an aeration device 50 that intermittently aerates the water 30 to be treated with gas containing oxygen. The aeration device 50 includes an air diffusion member 51 having a hole for diffusing gas, an aeration blower 52 for pressure-feeding the gas, and an aeration blower 52 for feeding the gas to the air diffusion member 51. and a pipe 53 of . The aeration device 50 further includes a controller 54 electrically connected to the aeration blower 52 and controlling the operation of the aeration blower 52 .

散気部材51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51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ー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51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 diffuser member 51 is a member having a large number of holes through which gas can flow. The diffuser member 51 is not particularly limited, but for example, a porous ceramic diffuser plate in which coarse ceramic particles are bonded with a binder or the like, or a synthetic resin diffuser plate can be used. A membrane diffuser can also be used as the diffuser member 51 .

散気部材51には、処理槽20の外部から気体を送給するための配管53が接続されている。具体的には、散気部材51の下部に、中空の配管53における一方の端部が接続されている。配管53は、処理槽20の後壁24を貫通し、処理槽20の外部に延出している。そして、配管53の他方の端部には、気体を圧送するための曝気用ブロア52が接続されている。 A pipe 53 for supplying gas from the outside of the processing tank 20 is connected to the air diffusion member 51 . Specifically, one end of a hollow pipe 53 is connected to the lower portion of the diffuser member 51 . The pipe 53 penetrates the rear wall 24 of the processing bath 20 and extends outside the processing bath 20 . The other end of the pipe 53 is connected to an aeration blower 52 for pumping gas.

制御部54は、曝気用ブロア52と電気的に接続されており、CPU、RAM、ROM、ハードディスク等で構成されるマイクロコンピュータと、電子回路等で構成される。制御部54は、曝気用ブロア52の作動及び停止、当該作動及び停止の時間、並びに散気部材51に送給する気体の風量を制御する。 The control unit 54 is electrically connected to the aeration blower 52, and is composed of a microcomputer including a CPU, RAM, ROM, hard disk, etc., and an electronic circuit. The control unit 54 controls the operation and stoppage of the aeration blower 52 , the time of the operation and stoppage, and the air volume of the gas supplied to the air diffusion member 51 .

曝気装置50から被処理水30に曝気する気体は、酸素を含む気体であり、例えば空気を用いる。 The gas to be aerated from the aeration device 50 to the water to be treated 30 is an oxygen-containing gas, such as air.

次に、本実施形態の水処理装置100の動作について説明する。水処理装置100では、被処理水30を保持した処理槽20の内部に水処理構造体10を設置する。この際、図2に示すように、水処理構造体10は、導電体1の主面1aが鉛直方向Yと略平行になるように処理槽20の内部に設置される。 Next, operation|movement of the water treatment apparatus 100 of this embodiment is demonstrated. In the water treatment apparatus 100, the water treatment structure 10 is installed inside the treatment tank 20 holding the water 30 to be treated. At this time, as shown in FIG. 2, the water treatment structure 10 is installed inside the treatment tank 20 so that the main surface 1a of the conductor 1 is substantially parallel to the vertical direction Y. As shown in FIG.

処理槽20の内部に水処理構造体10を設置した場合、図4及び図5に示すように、水処理構造体10の正極11は、気相40及び被処理水30の水面30aに接触している。さらに、水処理構造体10の正極11は、被処理水30にも接触している。なお、正極11と接触する被処理水30は気相40の近傍に位置するため、溶存する酸素濃度が高い状態となっている。 When the water treatment structure 10 is installed inside the treatment tank 20, as shown in FIGS. ing. Furthermore, the positive electrode 11 of the water treatment structure 10 is also in contact with the water 30 to be treated. Since the water 30 to be treated that contacts the positive electrode 11 is located near the gas phase 40, the dissolved oxygen concentration is high.

水処理構造体10の負極12は、被処理水30の内部に浸漬している。なお、水処理構造体10における鉛直方向Yの長さL1は幅方向Zの長さL2よりも長いことから、負極12は水面30aから離れており、溶存する酸素濃度が低い状態となっている。 The negative electrode 12 of the water treatment structure 10 is immersed inside the water 30 to be treated. Since the length L1 in the vertical direction Y in the water treatment structure 10 is longer than the length L2 in the width direction Z, the negative electrode 12 is away from the water surface 30a, and the dissolved oxygen concentration is low. .

そして、上述のように、水処理構造体10の正極11と接触する被処理水30は溶存する酸素濃度が高いことから、被処理水30に好気性微生物4が含まれている場合には、正極11に好気性微生物4が付着する。ここで、例えば導電体1が多孔質体である場合には、毛管現象により被処理水30が上昇し、導電体1の上端まで被処理水30を保持することができる。そのため、水処理構造体10の上部全体に好気性微生物4を付着させることができる。 As described above, since the water to be treated 30 in contact with the positive electrode 11 of the water treatment structure 10 has a high dissolved oxygen concentration, when the water to be treated 30 contains the aerobic microorganisms 4, Aerobic microorganisms 4 adhere to the positive electrode 11 . Here, for example, when the conductor 1 is a porous body, the water 30 to be treated rises due to capillary action, and the water 30 to be treated can be held up to the upper end of the conductor 1 . Therefore, the aerobic microorganisms 4 can adhere to the entire upper portion of the water treatment structure 10 .

また、水処理構造体10の負極12は水面30aから離れており、周囲の酸素濃度が低いことから、負極12には嫌気性微生物3が付着する。 Further, since the negative electrode 12 of the water treatment structure 10 is away from the water surface 30a and the surrounding oxygen concentration is low, the anaerobic microorganisms 3 adhere to the negative electrode 12 .

このような構成の水処理装置100では、水処理構造体10の負極12において、嫌気性微生物3の代謝により被処理水30に含まれる有機物の酸化反応が進行し、水素イオン(H)と電子(e)が生成する。酸化反応により生成した水素イオンは、導電体1の内部空間を通って正極11に移動する。さらに酸化反応により生成した電子は、導電体1を介して正極11に移動する。 In the water treatment apparatus 100 having such a configuration, at the negative electrode 12 of the water treatment structure 10, the oxidation reaction of organic matter contained in the water to be treated 30 progresses due to the metabolism of the anaerobic microorganisms 3, and hydrogen ions (H + ) and Electrons (e ) are produced. Hydrogen ions generated by the oxidation reaction move to the positive electrode 11 through the internal space of the conductor 1 . Furthermore, electrons generated by the oxidation reaction move to the positive electrode 11 through the conductor 1 .

そして、正極11において、負極12から移動した電子及び水素イオンが、酸素還元触媒及び/又は好気性微生物の作用により酸素分子と反応して水が生成する。このように、負極12で有機物の酸化反応が進行し、正極11で酸素の還元反応が進行することから、水処理構造体全体として局部電池回路が形成される。このように、負極12における嫌気性微生物3の触媒作用により、被処理水30中の有機物を分解し、被処理水30を浄化することが可能となる。 Then, in the positive electrode 11, the electrons and hydrogen ions transferred from the negative electrode 12 react with oxygen molecules through the action of the oxygen reduction catalyst and/or the aerobic microorganisms, thereby producing water. In this manner, the oxidation reaction of organic matter proceeds at the negative electrode 12 and the reduction reaction of oxygen proceeds at the positive electrode 11, so that the water treatment structure as a whole forms a local battery circuit. As described above, the catalytic action of the anaerobic microorganisms 3 in the negative electrode 12 decomposes the organic substances in the water 30 to be treated, and the water 30 to be treated can be purified.

ここで、水処理構造体10では、酸素還元反応が生じる正極11と、有機物酸化反応が生じる負極12との間に電位差が生じている。その結果、導電体1を通じて負極12から正極11へ電子が伝導する。具体的には、水処理構造体10における鉛直方向Yの長さL1は、幅方向Zの長さL2よりも長いことから、正極11と負極12は離間する。そして、正極11と負極12との間に存在する導電体1が高い電気抵抗率を有することにより、正極11と負極12との間に電位差が生じる。つまり、正極11と負極12との間における導電体1の電気抵抗率が比較的高くなることにより、正極11と負極12とを適切な電位に制御できることから、正極11と負極12との間の電位差を確保することが可能となる。そして、電位差が確保されることにより、微生物の代謝が制御されることから、導電体1を通じて負極12から正極11へ効率的に電子が伝導し、被処理水30中の有機物の分解効率をより高めることが可能となる。さらに水処理構造体10では、電位差を確保するための外部回路などの配線及び昇圧システムなどを設ける必要がなく、正極11と負極12が短絡していることから、簡易な構成とすることができる。 Here, in the water treatment structure 10, a potential difference is generated between the positive electrode 11 where the oxygen reduction reaction occurs and the negative electrode 12 where the organic matter oxidation reaction occurs. As a result, electrons are conducted from the negative electrode 12 to the positive electrode 11 through the conductor 1 . Specifically, since the length L1 in the vertical direction Y in the water treatment structure 10 is longer than the length L2 in the width direction Z, the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are spaced apart. Since the conductor 1 present between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 has high electrical resistivity, a potential difference is generated between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 . That is, the electrical resistivity of the conductor 1 between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 is relatively high, so that the positive electrode 11 and the negative electrode 12 can be controlled to have appropriate potentials. It becomes possible to secure a potential difference. Since the metabolism of microorganisms is controlled by ensuring the potential difference, electrons are efficiently conducted from the negative electrode 12 to the positive electrode 11 through the conductor 1, and the decomposition efficiency of organic matter in the water 30 to be treated is improved. can be increased. Furthermore, in the water treatment structure 10, there is no need to provide wiring such as an external circuit and a boosting system for securing a potential difference, and the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are short-circuited, so that the structure can be simplified. .

ここで、被処理水30には、嫌気性微生物として、発電菌である通性嫌気性菌(ジオバクター)と絶対嫌気性菌との両方が生息している。そのため、負極12には、嫌気性微生物として、通性嫌気性菌と絶対嫌気性菌との両方が付着している。通性嫌気性菌は、絶対嫌気性菌よりも、被処理水30中の有機物を分解して水素イオンと電子を生成する能力が高い。そのため、被処理水30に生息している嫌気性微生物及び負極12に付着している嫌気性微生物は、絶対嫌気性菌よりも通性嫌気性菌の方が多い方が好ましい。 Here, in the water to be treated 30, both facultative anaerobes (geobacter) and obligate anaerobes, which are power generating bacteria, live as anaerobic microorganisms. Therefore, both facultative anaerobes and obligate anaerobes adhere to the negative electrode 12 as anaerobic microorganisms. Facultative anaerobes have a higher ability to decompose organic substances in the water 30 to be treated and generate hydrogen ions and electrons than obligate anaerobes. Therefore, it is preferable that the anaerobic microorganisms living in the water 30 to be treated and the anaerobic microorganisms adhering to the negative electrode 12 are more facultative anaerobes than obligate anaerobes.

そのため、本実施形態では、曝気装置50を用いて、被処理水30に対し、酸素を含む気体を間欠的に曝気している。つまり、曝気装置50を用いて、被処理水30に対する曝気の実施状態と停止状態を交互に繰り返し、曝気の実施状態では、酸素を含む気体を通性嫌気性菌と絶対嫌気性菌に接触させている。これにより、通性嫌気性菌は被処理水30中に生息した状態で残存するが、絶対嫌気性菌の多くは死滅する。また、負極12に付着した通性嫌気性菌は残存するが、絶対嫌気性菌の一部は死滅し、絶対嫌気性菌の量が減少する。そのため、被処理水30及び負極12では、通性嫌気性菌を優占化させることができる。これにより、被処理水30中の有機物が通性嫌気性菌により分解されやすくなるため、被処理水30の浄化を効率的に行うことができる。 Therefore, in the present embodiment, the water to be treated 30 is intermittently aerated with an oxygen-containing gas using the aerator 50 . That is, the aeration device 50 is used to alternately repeat the aeration state and stop state of the water to be treated 30, and in the aeration state, the oxygen-containing gas is brought into contact with the facultative anaerobes and the obligate anaerobes. ing. As a result, the facultative anaerobes remain inhabiting the water 30 to be treated, but most of the obligate anaerobes die. Moreover, although the facultative anaerobes adhering to the negative electrode 12 remain, some of the obligate anaerobes die, and the amount of the obligate anaerobes decreases. Therefore, in the water to be treated 30 and the negative electrode 12, facultative anaerobes can be made dominant. As a result, the organic substances in the water 30 to be treated are easily decomposed by the facultative anaerobic bacteria, so that the water to be treated 30 can be purified efficiently.

ここで、被処理水30に対する曝気を連続的に行った場合、被処理水30中の溶存酸素量が増加するため、負極12の周囲を嫌気性雰囲気に保つことが困難となる。そのため、被処理水30に対する曝気は、間欠的に行う。具体的には、曝気装置50は、曝気の実施状態と停止状態を一定時間ごとに交互に繰り返すことが好ましい。なお、曝気の実施状態の時間及び停止状態の時間は、被処理水30の流量、並びに被処理水30に生息している通性嫌気性菌及び絶対嫌気性菌の量及び比率等により調整することができる。ただ、曝気の実施状態の時間は10~20分とし、曝気の停止状態の時間は40分~3時間とすることができる。例えば、曝気の実施状態の時間を20分とし、曝気の停止状態の時間を40分とし、20分間の曝気と40分間の停止を交互に繰り返すことが好ましい。 Here, if the water 30 to be treated is continuously aerated, the amount of dissolved oxygen in the water 30 to be treated increases, making it difficult to maintain the anaerobic atmosphere around the negative electrode 12 . Therefore, the water to be treated 30 is intermittently aerated. Specifically, it is preferable that the aeration device 50 alternately repeats the aeration operation state and the aeration stop state at regular intervals. The time during which aeration is performed and the time during which the aeration is stopped are adjusted according to the flow rate of the water to be treated 30, the amount and ratio of facultative anaerobes and obligate anaerobes living in the water to be treated 30, and the like. be able to. However, the duration of the aeration state can be 10 to 20 minutes, and the duration of the non-aeration state can be 40 minutes to 3 hours. For example, it is preferred that the aeration is performed for 20 minutes and the aeration is stopped for 40 minutes, alternating between 20 minutes of aeration and 40 minutes of suspension.

また、曝気の実施状態における曝気風量は、通性嫌気性菌を優占化させることが可能な量であれば特に限定されないが、例えば一般的な好気性処理における曝気風量を超えないことが好ましい。 In addition, the aeration air volume in the aeration state is not particularly limited as long as it is an amount that allows facultative anaerobes to dominate, but for example, it is preferable not to exceed the aeration air volume in general aerobic treatment. .

被処理水30に対する間欠曝気は、水処理構造体10により被処理水30の浄化を開始した当初から実施してもよく、水処理構造体10による被処理水30の浄化効率が低下した段階から実施してもよい。また、被処理水30に対する間欠曝気は、水処理構造体10が被処理水30を浄化している期間中は連続して行ってもよく、水処理構造体10による被処理水30の浄化効率が向上した段階で停止してもよい。 The intermittent aeration of the water to be treated 30 may be performed from the beginning of purification of the water to be treated 30 by the water treatment structure 10, or from the stage when the efficiency of purification of the water to be treated 30 by the water treatment structure 10 is lowered. may be implemented. Further, the intermittent aeration of the water 30 to be treated may be performed continuously while the water treatment structure 10 is purifying the water 30 to be treated. You can stop when you have improved.

このように、本実施形態の水処理装置100は、通性嫌気性菌及び絶対嫌気性菌を有する嫌気性微生物3が生息する被処理水30に接触し、かつ、当該嫌気性微生物3が付着する負極12と、当該負極12と電気的に接続し、かつ、酸素を含む気相40及び被処理水30に接触する正極11と、を有する水処理構造体10を備える。水処理装置100は、さらに、被処理水30に対して、酸素を含む気体を間欠的に曝気する曝気装置50を備える。曝気装置50は曝気の実施状態と停止状態を交互に繰り返し、曝気の実施状態では、酸素を含む気体を嫌気性微生物3に接触させる。 Thus, the water treatment apparatus 100 of the present embodiment contacts the water to be treated 30 inhabited by the anaerobic microorganisms 3 having facultative anaerobes and obligate anaerobes, and the anaerobic microorganisms 3 adhere to the water. and a positive electrode 11 electrically connected to the negative electrode 12 and in contact with the gas phase 40 containing oxygen and the water 30 to be treated. The water treatment device 100 further includes an aeration device 50 that intermittently aerates the water 30 to be treated with gas containing oxygen. The aeration device 50 alternately repeats the active state and the stopped state of aeration, and in the active state of aeration, the gas containing oxygen is brought into contact with the anaerobic microorganisms 3 .

本実施形態の水処理方法は、通性嫌気性菌及び絶対嫌気性菌を有する嫌気性微生物3が生息する被処理水30に接触し、かつ、当該嫌気性微生物3が付着する負極12と、負極12と電気的に接続し、かつ、酸素を含む気相40及び被処理水30に接触する正極11と、を備える水処理構造体10を用いた水処理方法である。水処理方法では、被処理水30に対して酸素を含む気体を曝気することにより、当該気体を嫌気性微生物3に接触させる曝気実施状態と、当該気体の曝気を停止する曝気停止状態と、を交互に繰り返す。 In the water treatment method of the present embodiment, the negative electrode 12 is in contact with the water to be treated 30 in which anaerobic microorganisms 3 having facultative anaerobes and obligate anaerobes live, and to which the anaerobic microorganisms 3 adhere; This is a water treatment method using a water treatment structure 10 electrically connected to a negative electrode 12 and having a gas phase 40 containing oxygen and a positive electrode 11 in contact with water to be treated 30 . In the water treatment method, by aerating a gas containing oxygen to the water 30 to be treated, an aeration execution state in which the gas comes into contact with the anaerobic microorganisms 3, and an aeration stop state in which the aeration of the gas is stopped. Repeat alternately.

本実施形態の水処理装置100及び水処理方法では、被処理水30に対する曝気の実施状態と停止状態を交互に繰り返し、曝気の実施状態では、酸素を含む気体を通性嫌気性菌と絶対嫌気性菌とに接触させている。これにより、処理槽20内の被処理水30に生息する嫌気性微生物3のうち、絶対嫌気性菌は除去され、通性嫌気性菌は残存する。さらに、負極12に付着した通性嫌気性菌は残存するが、絶対嫌気性菌の一部は死滅し、絶対嫌気性菌の量が減少する。このため、被処理水30及び負極12の表面では、通性嫌気性菌が優占化するため、被処理水30中の有機物が通性嫌気性菌により分解されやすくなり、被処理水30の浄化を効率的に行うことができる。 In the water treatment apparatus 100 and the water treatment method of the present embodiment, the aeration state and stop state of the water to be treated 30 are alternately repeated. contact with sexually transmitted organisms. As a result, among the anaerobic microorganisms 3 living in the water 30 to be treated in the treatment tank 20, the obligate anaerobes are removed and the facultative anaerobes remain. Furthermore, although the facultative anaerobes adhering to the negative electrode 12 remain, some of the obligate anaerobes are killed and the amount of the obligate anaerobes is reduced. Therefore, since facultative anaerobes are dominant on the surface of the water 30 to be treated and the surface of the negative electrode 12, the organic matter in the water 30 to be treated is easily decomposed by the facultative anaerobes. Purification can be performed efficiently.

なお、本実施形態では、被処理水30の全体に酸素を含む気体を曝気させてもよい。また、図2及び図3に示すように、散気部材51を負極12の下部に配設し、負極12の周囲に曝気してもよい。また、散気部材51は、負極12よりも上流側、例えば処理槽20の前壁23の近傍に配設してもよい。 In addition, in this embodiment, the whole water 30 to be treated may be aerated with an oxygen-containing gas. Alternatively, as shown in FIGS. 2 and 3, an aeration member 51 may be provided under the negative electrode 12 to aerate the surroundings of the negative electrode 12 . Also, the diffuser member 51 may be arranged upstream of the negative electrode 12 , for example, in the vicinity of the front wall 23 of the processing tank 20 .

図1から図3に示す水処理装置100では、一つの処理槽20の内部に一つの水処理構造体10が設置されている。しかし、本実施形態はこのような態様に限定されず、複数の水処理構造体10が処理槽20の内部に設置されていてもよい。一つの処理槽20の内部に複数の水処理構造体10が設置されていることにより、被処理水30中の有機物をより効率的に浄化することが可能となる。 In the water treatment apparatus 100 shown in FIGS. 1 to 3, one water treatment structure 10 is installed inside one treatment tank 20 . However, the present embodiment is not limited to such an aspect, and a plurality of water treatment structures 10 may be installed inside the treatment tank 20 . By installing a plurality of water treatment structures 10 inside one treatment tank 20, it is possible to purify organic substances in the water 30 to be treated more efficiently.

水処理構造体10の負極12には、電子伝達メディエーター分子が修飾されていてもよい。または、処理槽20内の被処理水30は、電子伝達メディエーター分子を含んでいてもよい。これにより、嫌気性微生物3から負極12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 negative electrode 12 of the water treatment structure 10 may be modified with an electron transfer mediator molecule. Alternatively, the water to be treated 30 in the treatment tank 20 may contain electron transfer mediator molecules. As a result, electron transfer from the anaerobic microorganisms 3 to the negative electrode 12 is promoted, and more efficient liquid treatment can be achieved.

なお、本実施形態の水処理装置は、水処理構造体10と曝気装置50とを備えることにより、嫌気性処理法により廃水中の有機物を効率的に除去し、良好な水質を得ることができる。そのため、水処理装置において、処理槽20は上記効果を得るための必須の構成要素ではない。 It should be noted that the water treatment apparatus of the present embodiment is provided with the water treatment structure 10 and the aeration apparatus 50, thereby efficiently removing organic substances in the waste water by an anaerobic treatment method, and obtaining good water quality. . Therefore, in the water treatment apparatus, the treatment tank 20 is not an essential component for obtaining the above effects.

[第二実施形態]
次に、第二実施形態に係る水処理装置について説明する。第一実施形態の水処理装置100において、水処理構造体10は、正極11と負極12とが一体的な構成となっている。つまり、水処理構造体10は、正極11と負極12とを有する板状部材で構成されている。ただ、水処理構造体はこのような構成に限定されず、いわゆるカセット型であってもよい。
[Second embodiment]
Next, a water treatment device according to a second embodiment will be described. In the water treatment apparatus 100 of the first embodiment, the water treatment structure 10 has a structure in which the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are integrated. That is, the water treatment structure 10 is composed of a plate member having a positive electrode 11 and a negative electrode 12 . However, the water treatment structure is not limited to such a structure, and may be of a so-called cassette type.

本実施形態に係る水処理装置200は、図6から図8に示すように、正極111及び負極112を有する水処理構造体110を備えている。水処理装置200は、さらに、水処理構造体110が被処理水130に浸漬するように配置される処理槽120を備えている。 A water treatment apparatus 200 according to this embodiment includes a water treatment structure 110 having a positive electrode 111 and a negative electrode 112, as shown in FIGS. The water treatment apparatus 200 further includes a treatment tank 120 arranged such that the water treatment structure 110 is immersed in the water 130 to be treated.

(水処理構造体)
水処理構造体110は、正極111と、正極111と電気的に接続され、嫌気性微生物が付着した負極112とを備えている。水処理構造体110において、正極111及び負極112は、互いに対向するように配設されており、さらに、正極111と負極112との間には空隙が存在する。
(water treatment structure)
The water treatment structure 110 includes a positive electrode 111 and a negative electrode 112 electrically connected to the positive electrode 111 and attached with anaerobic microorganisms. In the water treatment structure 110 , the positive electrode 111 and the negative electrode 112 are arranged so as to face each other, and a gap exists between the positive electrode 111 and the negative electrode 112 .

図7に示すように、正極111は、スペーサ部材115に積層して固定されている。スペーサ部材115は、正極111における面111a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。そして、スペーサ部材115の側面115aは、正極111の面111aの外周部と接合しており、側面115aの反対側の側面は、板部材116の面116aの外周部と接合している。 As shown in FIG. 7, the positive electrode 111 is laminated and fixed to the spacer member 115 . The spacer member 115 is a U-shaped frame member along the outer periphery of the surface 111a of the positive electrode 111, and has an open top. Side surface 115 a of spacer member 115 is joined to the outer peripheral portion of surface 111 a of positive electrode 111 , and the opposite side surface of side surface 115 a is joined to the outer peripheral portion of surface 116 a of plate member 116 .

図6及び図8に示すように、正極111とスペーサ部材115と板部材116とを積層してなる積層体は、大気と連通した気相140が形成されるように、処理槽120の内部に配置される。処理槽120の内部には被処理水130が保持されており、正極111のガス拡散層114及び負極112が被処理水130に浸漬されている。 As shown in FIGS. 6 and 8, the laminate formed by laminating the positive electrode 111, the spacer member 115, and the plate member 116 is placed inside the processing bath 120 so as to form a gas phase 140 communicating with the atmosphere. placed. Water to be treated 130 is held inside the treatment tank 120 , and the gas diffusion layer 114 of the positive electrode 111 and the negative electrode 112 are immersed in the water to be treated 130 .

正極111は撥水性を有する撥水層113を備えており、板部材116は被処理水130を透過しない平板状の板材からなる。そのため、処理槽120の内部に保持された被処理水130と、正極111、スペーサ部材115及び板部材116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140となっている。そして、水処理装置200では、この気相140が外気に開放されるか、あるいは気相140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。 The positive electrode 111 is provided with a water-repellent layer 113 having water repellency, and the plate member 116 is made of a flat plate material that does not allow the water 130 to be treated to pass therethrough. Therefore, the water to be treated 130 held inside the treatment tank 120 is separated from the internal space formed by the positive electrode 111 , the spacer member 115 and the plate member 116 , and the internal space is in the gas phase 140 . The water treatment apparatus 200 is configured such that the gas phase 140 is exposed to the outside air, or air is supplied to the gas phase 140 from the outside by, for example, a pump.

正極111は、撥水層113と、撥水層113に接触するように重ねられているガス拡散層114とを備えるガス拡散電極からなる。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140中の酸素を正極111中の触媒に容易に供給することができる。 The positive electrode 111 is composed of a gas diffusion electrode including a water-repellent layer 113 and a gas diffusion layer 114 superimposed so as to be in contact with the water-repellent layer 113 . Oxygen in the gas phase 140 can be easily supplied to the catalyst in the positive electrode 111 by using such a thin-plate gas diffusion electrode.

撥水層113は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層113は、水処理構造体110における気相140と被処理水130とを良好に分離しながら、気相140から被処理水130へ向かう酸素の移動を許容している。そして、撥水層113は、酸素を含む気相140と接触しており、ガス拡散層114に対し酸素を略均一に供給している。 The water repellent layer 113 is a layer having both water repellency and oxygen permeability. The water-repellent layer 113 allows the movement of oxygen from the gas phase 140 toward the water 130 to be treated while satisfactorily separating the gas phase 140 and the water 130 to be treated in the water treatment structure 110 . The water-repellent layer 113 is in contact with the gas phase 140 containing oxygen, and supplies oxygen to the gas diffusion layer 114 substantially uniformly.

撥水層113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。また、撥水層113を構成する材料は、撥水性を有し、気相140中の酸素を拡散できれば特に限定されない。撥水層113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。 It is preferable that the water-repellent layer 113 be a porous material so that the oxygen can diffuse. Also, the material forming the water-repellent layer 113 is not particularly limited as long as it has water repellency and can diffuse oxygen in the gas phase 140 . Materials constituting the water-repellent layer 113 include, for example, polyethylene, polypropylene, polybutadiene, nylon, polytetrafluoroethylene (PTFE), ethyl cellulose, poly-4-methylpentene-1, butyl rubber, and polydimethylsiloxane (PDMS). At least one selected from the group can be used.

ガス拡散層114は、多孔質な導電性材料と、導電性材料に担持されている酸素還元触媒とを備える。正極111にこのようなガス拡散層114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160との間で導通させることが可能となる。 Gas diffusion layer 114 comprises a porous conductive material and an oxygen reduction catalyst carried on the conductive material. By providing the positive electrode 111 with such a gas diffusion layer 114 , it becomes possible to conduct electrons generated by a local cell reaction, which will be described later, between the catalyst and the external circuit 160 .

ガス拡散層114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。また、ガス拡散層114における酸素還元触媒は、第一実施形態と同じものを使用することができる。 The conductive material in the gas diffusion layer 114 can be composed of, for example, one or more materials selected from the group consisting of carbonaceous substances, conductive polymers, semiconductors and metals. Also, the same oxygen reduction catalyst as in the first embodiment can be used in the gas diffusion layer 114 .

本実施形態に係る負極112は、第一実施形態と同様に、嫌気性微生物を担持し、さらに嫌気性微生物の触媒作用により、被処理水130中の有機物から水素イオン及び電子を生成する。 As in the first embodiment, the negative electrode 112 according to the present embodiment supports anaerobic microorganisms and produces hydrogen ions and electrons from organic matter in the water 130 to be treated by the catalytic action of the anaerobic microorganisms.

負極112は、導電性シートに嫌気性微生物を担持した構造を有する。当該導電性シートは、厚さ方向に複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。また、負極112の導電性シートとして、黒鉛シートを用いてもよい。 The negative electrode 112 has a structure in which anaerobic microorganisms are supported on a conductive sheet. The conductive sheet may be a metal plate having a plurality of through holes in the thickness direction. Alternatively, a graphite sheet may be used as the conductive sheet of the negative electrode 112 .

水処理構造体110は、正極111と負極112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(図示せず)をさらに備えてもよい。イオン移動層は電気絶縁性を有し、さらに負極112で生成した水素イオンを透過して正極111側へ移動させる機能を有している。イオン移動層としては、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。また、イオン移動層として、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。 The water treatment structure 110 may further include an ion transfer layer (not shown) provided between the positive electrode 111 and the negative electrode 112 and having proton permeability. The ion migration layer has electrical insulation properties and also has a function of allowing hydrogen ions generated at the negative electrode 112 to pass through and move to the positive electrode 111 side. As the ion migration layer, for example, an ion exchange membrane using an ion exchange resin can be used. Also, as the ion transfer layer, a porous membrane having pores through which hydrogen ions can pass may be used.

(外部回路)
図6及び図8に示すように、正極111及び負極112は、外部回路160を介して電気的に接続されている。後述するように、負極112に担持された嫌気性微生物の触媒作用により、被処理水130中の有機物が分解されて電子が生成する。負極112で生成した電子は外部回路160へ移動し、さらに外部回路160から正極111に移動する。このとき、外部回路160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。
(external circuit)
As shown in FIGS. 6 and 8 , the positive electrode 111 and the negative electrode 112 are electrically connected via an external circuit 160 . As will be described later, the catalytic action of the anaerobic microorganisms supported on the negative electrode 112 decomposes organic matter in the water 130 to be treated to generate electrons. Electrons generated at the negative electrode 112 move to the external circuit 160 and from the external circuit 160 to the positive electrode 111 . At this time, the electrical energy flowing in the closed circuit can be recovered by the external circuit 160 .

(処理槽及び曝気装置)
水処理装置200は、第一実施形態と同様に、前壁123に流入口121が設けられ、後壁124に流出口122が設けられた処理槽120を備えている。
(Treatment tank and aeration equipment)
The water treatment apparatus 200 includes a treatment tank 120 having an inlet 121 provided in the front wall 123 and an outlet 122 provided in the rear wall 124, as in the first embodiment.

また、水処理装置200は、第一実施形態と同様に、気体を散気する散気部材151と、気体を圧送する曝気用ブロア152と、曝気用ブロア52から散気部材151に気体を送給する配管153とを備えた曝気装置150を備えている。曝気装置150は、さらに、曝気用ブロア152と電気的に接続し、曝気用ブロア152の動作を制御する制御部154を備えている。なお、図8において、散気部材51を負極112の下部に配設しているが、散気部材51は負極112よりも上流側に配設してもよい。 Further, the water treatment apparatus 200 includes an air diffusion member 151 for diffusing gas, an aeration blower 152 for pumping the gas, and the air from the aeration blower 52 to the air diffusion member 151, as in the first embodiment. It comprises an aeration system 150 with a supply line 153 . The aeration device 150 further includes a controller 154 electrically connected to the aeration blower 152 and controlling the operation of the aeration blower 152 . In addition, in FIG. 8 , the air diffusion member 51 is arranged below the negative electrode 112 , but the air diffusion member 51 may be arranged upstream of the negative electrode 112 .

次に、本実施形態の水処理装置200の動作について説明する。図6及び図8に示すように、正極111及び負極112を備える水処理構造体110が被処理水130に浸漬した場合、正極111のガス拡散層114及び負極112が被処理水130に浸漬し、撥水層113の一部が気相140に露出する。 Next, the operation of the water treatment device 200 of this embodiment will be described. As shown in FIGS. 6 and 8, when the water treatment structure 110 including the positive electrode 111 and the negative electrode 112 is immersed in the water 130 to be treated, the gas diffusion layer 114 and the negative electrode 112 of the positive electrode 111 are immersed in the water 130 to be treated. , part of the water-repellent layer 113 is exposed to the gas phase 140 .

水処理装置200の稼働時には、負極112に、有機物を含有する被処理水130を供給し、正極111に空気を供給する。この際、空気は、スペーサ部材115の上部に設けられた開口部を通じて連続的に供給される。 During operation of the water treatment apparatus 200 , the negative electrode 112 is supplied with the water to be treated 130 containing organic matter, and the positive electrode 111 is supplied with air. At this time, air is continuously supplied through an opening provided in the upper portion of the spacer member 115 .

そして、正極111では、撥水層113を透過してガス拡散層114に酸素が拡散する。負極112では、嫌気性微生物の触媒作用により、被処理水130中の有機物から水素イオン及び電子を生成する。負極112で生成した水素イオンは、正極111側へ移動し、正極111中のガス拡散層114に到達する。生成した電子は負極112の導電性シートを通じて外部回路160へ移動し、さらに外部回路160から正極111のガス拡散層114に移動する。そして、水素イオン及び電子は、ガス拡散層114中の酸素還元触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。このとき、外部回路160によって、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。このように、水処理構造体110は、負極112における嫌気性微生物の作用により、被処理水130中の有機物を分解することができる。 Then, in the positive electrode 111 , oxygen permeates the water-repellent layer 113 and diffuses into the gas diffusion layer 114 . At the negative electrode 112, hydrogen ions and electrons are generated from organic matter in the water 130 to be treated by the catalytic action of the anaerobic microorganisms. The hydrogen ions generated at the negative electrode 112 move toward the positive electrode 111 and reach the gas diffusion layer 114 in the positive electrode 111 . The generated electrons move to the external circuit 160 through the conductive sheet of the negative electrode 112 and then move from the external circuit 160 to the gas diffusion layer 114 of the positive electrode 111 . Then, the hydrogen ions and electrons combine with oxygen due to the action of the oxygen reduction catalyst in the gas diffusion layer 114 and are consumed as water. At this time, the electric energy flowing in the closed circuit is recovered by the external circuit 160 . Thus, the water treatment structure 110 can decompose organic matter in the water 130 to be treated by the action of anaerobic microorganisms in the negative electrode 112 .

ここで、本実施形態の水処理装置200では、第一実施形態と同様に、被処理水130に、嫌気性微生物として通性嫌気性菌と絶対嫌気性菌との両方が生息している。また、負極112には、嫌気性微生物として通性嫌気性菌と絶対嫌気性菌との両方が付着している。そのため、曝気装置150を用いて、被処理水130に対する曝気の実施状態と停止状態を交互に繰り返し、曝気の実施状態では、酸素を含む気体を通性嫌気性菌と絶対嫌気性菌とに接触させている。これにより、通性嫌気性菌は被処理水130中に生息した状態で残存するが、絶対嫌気性菌の多くは死滅するため、通性嫌気性菌を優占化させることができる。さらに、通性嫌気性菌は負極112に付着した状態で残存するが、絶対嫌気性菌の一部は死滅し、絶対嫌気性菌の量が減少する。これにより、被処理水130中の有機物が通性嫌気性菌により分解されやすくなるため、被処理水130の浄化を効率的に行うことができる。 Here, in the water treatment apparatus 200 of this embodiment, both facultative anaerobes and obligate anaerobes live in the water to be treated 130 as anaerobic microorganisms, as in the first embodiment. Both facultative anaerobes and obligate anaerobes are attached to the negative electrode 112 as anaerobic microorganisms. Therefore, the aeration device 150 is used to alternately repeat the aeration state and stop state of the water to be treated 130, and in the aeration state, the oxygen-containing gas comes into contact with the facultative anaerobes and the obligate anaerobes. I am letting As a result, although the facultative anaerobes remain inhabiting the water 130 to be treated, most of the obligate anaerobes are killed, so that the facultative anaerobes can be made dominant. Furthermore, although the facultative anaerobes remain attached to the negative electrode 112, some of the obligate anaerobes die and the amount of the obligate anaerobes decreases. As a result, the organic matter in the water 130 to be treated is easily decomposed by the facultative anaerobic bacteria, so the water to be treated 130 can be purified efficiently.

なお、本実施形態でも、曝気装置150は、曝気の実施状態と停止状態を一定時間ごとに交互に繰り返すことが好ましい。また、曝気の実施状態の時間は10~20分とし、曝気の停止状態の時間は40分~3時間とすることができる。 Also in the present embodiment, it is preferable that the aeration device 150 alternately repeats the aeration operation state and the aeration stop state at regular intervals. Also, the duration of the aeration state can be 10 to 20 minutes, and the duration of the aeration stopped state can be 40 minutes to 3 hours.

以下、本実施形態を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited to these examples.

[水処理構造体の作製]
最初に、実施例1及び比較例1で使用する水処理構造体、並びに実施例2で使用する水処理構造体を作製した。
[Production of water treatment structure]
First, a water treatment structure used in Example 1 and Comparative Example 1 and a water treatment structure used in Example 2 were produced.

(実施例1及び比較例1)
まず、縦68cm、横30cm、厚み0.5cmである板状の黒鉛シート(導電体)を2枚準備した。そして、当該黒鉛シートにおける上部8cm以外の部分に、複数の貫通孔を形成した。なお、当該貫通孔は、黒鉛シートの厚み方向に沿って穿孔してなるものである。
(Example 1 and Comparative Example 1)
First, two plate-shaped graphite sheets (conductors) having a length of 68 cm, a width of 30 cm, and a thickness of 0.5 cm were prepared. Then, a plurality of through-holes were formed in a portion of the graphite sheet other than the upper 8 cm. In addition, the said through-hole is pierced along the thickness direction of a graphite sheet.

次に、鉄及び窒素を担持したカーボンブラックからなる鉄系触媒を、ナフィオン溶液及びエタノールの混合溶液に分散させることにより、触媒スラリーを調製した。そして、黒鉛シートの上部8cmの部分に、得られた触媒スラリーを塗布して乾燥させた。これにより、黒鉛シートの上部に鉄系触媒を担持した水処理構造体を2枚得た。なお、図9では、貫通孔を有した黒鉛シートの上部に、鉄系触媒を担持した水処理構造体の例を示しており、上部の黒色部が鉄系触媒を担持した部位である。 Next, a catalyst slurry was prepared by dispersing an iron-based catalyst composed of carbon black supporting iron and nitrogen in a mixed solution of a Nafion solution and ethanol. Then, the obtained catalyst slurry was applied to the upper 8 cm portion of the graphite sheet and dried. As a result, two water treatment structures carrying an iron-based catalyst on the upper part of the graphite sheet were obtained. In addition, FIG. 9 shows an example of a water treatment structure in which an iron-based catalyst is supported on the upper part of a graphite sheet having through holes, and the upper black part is the part where the iron-based catalyst is supported.

(実施例2)
実施例1及び比較例1における貫通孔を形成した黒鉛シートを、そのまま水処理構造体として使用した。つまり、実施例2の水処理構造体は、実施例1及び比較例1の水処理構造体に対して、鉄系触媒を担持しなかったものである。
(Example 2)
The graphite sheets with through holes formed in Example 1 and Comparative Example 1 were used as they were as water treatment structures. That is, unlike the water treatment structures of Example 1 and Comparative Example 1, the water treatment structure of Example 2 did not carry an iron-based catalyst.

[評価]
(実施例1)
流入口及び流出口を備え、容量が約20Lの処理槽を準備した。さらに、当該処理槽には、被処理水に対して空気を曝気するための曝気装置を設置した。そして、当該処理槽の内部に、上述のように作製した水処理構造体を配設することにより、水処理装置100を得た。
[evaluation]
(Example 1)
A treatment tank having an inlet and an outlet and having a capacity of about 20 L was prepared. Furthermore, an aerator for aerating the water to be treated with air was installed in the treatment tank. And the water treatment apparatus 100 was obtained by arrange|positioning the water-treatment structure produced as mentioned above in the inside of the said treatment tank.

次に、図10に示すように、水処理装置100の上流側に、被処理水をろ過する高速ろ過装置210と、高速ろ過された被処理水を貯留する高速ろ過処理水槽220とを設置した。さらに、水処理装置100の下流側には、水処理装置100で浄化された処理水中の汚泥を除去する汚泥貯留槽240を設置した。なお、高速ろ過処理水槽220と水処理装置100との間には、高速ろ過された被処理水を高速ろ過処理水槽220から水処理装置100の流入口に送給するダイヤフラムポンプ230を設置した。なお、被処理水としては、下水(実下水)を使用した。このようにして、実施例1の実験装置を作製した。 Next, as shown in FIG. 10, on the upstream side of the water treatment device 100, a high-speed filtration device 210 for filtering the water to be treated and a high-speed filtration water tank 220 for storing the high-speed filtered water to be treated were installed. . Further, on the downstream side of the water treatment device 100, a sludge storage tank 240 for removing sludge in the treated water purified by the water treatment device 100 is installed. A diaphragm pump 230 was installed between the high-speed filtration water tank 220 and the water treatment apparatus 100 to supply the high-speed filtered water to be treated from the high-speed filtration treatment water tank 220 to the inlet of the water treatment apparatus 100 . Sewage (actual sewage) was used as the water to be treated. Thus, the experimental device of Example 1 was produced.

次いで、被処理水を高速ろ過装置210に送給することにより、下水中の固形分を除去し、さらに高速ろ過された被処理水を高速ろ過処理水槽220に貯留した。そして、ダイヤフラムポンプを用いて、高速ろ過された被処理水を高速ろ過処理水槽220から水処理装置100に送給した。なお、水処理装置100への当該被処理水の送給量は、処理槽内での水理学的滞留時間(HRT)が4時間となるように調整した。その後、水処理装置100で処理された処理水を汚泥貯留槽に排出した。 Next, the water to be treated was sent to the high-speed filtration device 210 to remove solids in the sewage, and the water to be treated that had undergone high-speed filtration was stored in the high-speed filtration water tank 220 . Then, the high-speed filtered water to be treated was fed from the high-speed filtration water tank 220 to the water treatment apparatus 100 using a diaphragm pump. The amount of water to be treated supplied to the water treatment apparatus 100 was adjusted so that the hydraulic retention time (HRT) in the treatment tank was 4 hours. After that, the treated water treated by the water treatment device 100 was discharged into the sludge storage tank.

このような被処理水(下水)の浄化処理を約4ヶ月間実施した。また、この期間中、水処理装置100では、被処理水に対して間欠曝気を継続して行い、空気を間欠的に接触させた。なお、間欠曝気は、10分間の曝気実施と50分間の曝気停止とを交互に繰り返した。 Such purification treatment of the water to be treated (sewage) was carried out for about four months. Moreover, during this period, in the water treatment apparatus 100, the water to be treated was continuously aerated intermittently, and the water was intermittently brought into contact with the air. In the intermittent aeration, 10 minutes of aeration and 50 minutes of aeration stop were alternately repeated.

そして、上記浄化処理の最後の54日間では、高速ろ過された被処理水と水処理装置100から排出された処理水とを週に1回程度採取し、当該被処理水及び処理水に含まれる溶解性炭素系有機物に対する生物学的酸素要求量(SC-BOD)をそれぞれ測定した。 Then, in the last 54 days of the purification treatment, the water to be treated that has undergone high-speed filtration and the treated water discharged from the water treatment apparatus 100 are sampled about once a week, and Biological oxygen demand (SC-BOD) for soluble carbonaceous organics was measured respectively.

さらに、高速ろ過された被処理水のSC-BOD濃度の平均値と、水処理装置から排出された処理水のSC-BOD濃度の平均値から、数式1に沿ってSC-BOD除去率を算出した。なお、SC-BOD除去率が大きいほど、水処理装置での有機物の浄化能力が高いことを示している。
[数1]
[SC-BOD除去率]=(A-B)/A
A:高速ろ過された被処理水のSC-BOD濃度の平均値
B:水処理装置から排出された処理水のSC-BOD濃度の平均値
Furthermore, the SC-BOD removal rate is calculated according to Equation 1 from the average SC-BOD concentration of the high-speed filtered water to be treated and the average SC-BOD concentration of the treated water discharged from the water treatment equipment. did. It should be noted that the larger the SC-BOD removal rate, the higher the ability of the water treatment apparatus to purify organic matter.
[Number 1]
[SC-BOD removal rate] = (AB) / A
A: Average value of SC-BOD concentration of water to be treated that has undergone high-speed filtration B: Average value of SC-BOD concentration of treated water discharged from water treatment equipment

(実施例2)
実施例2の水処理構造体を用いたこと以外は実施例1と同様にして、高速ろ過された被処理水のSC-BOD濃度と、水処理装置から排出された処理水のSC-BOD濃度を測定し、SC-BOD除去率を算出した。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1 except that the water treatment structure of Example 2 was used, the SC-BOD concentration of the water to be treated that was high-speed filtered and the SC-BOD concentration of the treated water discharged from the water treatment apparatus was measured and the SC-BOD removal rate was calculated.

(比較例1)
実施例1の水処理装置100において、間欠曝気を全く行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、高速ろ過された被処理水のSC-BOD濃度と、水処理装置から排出された処理水のSC-BOD濃度を測定し、SC-BOD除去率を算出した。
(Comparative example 1)
In the water treatment apparatus 100 of Example 1, in the same manner as in Example 1 except that intermittent aeration was not performed at all, the SC-BOD concentration of the water to be treated that was high-speed filtered and the treatment discharged from the water treatment apparatus The SC-BOD concentration of water was measured and the SC-BOD removal rate was calculated.

(比較例2)
実施例1の水処理構造体をトリカルネットに置換したこと以外は実施例1と同様に、浄化処理を行った。トリカルネットは、編んでいない角目タイプの樹脂製ネットであり、導電性を有しておらず、水浄化機能もない。つまり、比較例2は、高速ろ過された被処理水に対して間欠曝気のみを施した例である。そして、実施例1と同様にして、高速ろ過された被処理水のSC-BOD濃度と、水処理装置から排出された処理水のSC-BOD濃度を測定し、SC-BOD除去率を算出した。
(Comparative example 2)
Purification treatment was performed in the same manner as in Example 1, except that the water treatment structure of Example 1 was replaced with tricarnet. The trical net is a non-knit square-mesh type resin net that is neither electrically conductive nor has a water purification function. In other words, Comparative Example 2 is an example in which only intermittent aeration was performed on water to be treated that had been subjected to high-speed filtration. Then, in the same manner as in Example 1, the SC-BOD concentration of the high-speed filtered water to be treated and the SC-BOD concentration of the treated water discharged from the water treatment apparatus were measured, and the SC-BOD removal rate was calculated. .

各例における、高速ろ過された被処理水のSC-BOD濃度の平均値及び水処理装置100から排出された処理水のSC-BOD濃度の平均値、並びにそれらの標準偏差を表1に示す。さらに、各例のSC-BOD除去率も表1に合わせて示す。 Table 1 shows the average SC-BOD concentration of the high-speed filtered water to be treated, the average SC-BOD concentration of the treated water discharged from the water treatment apparatus 100, and their standard deviations in each example. Table 1 also shows the SC-BOD removal rate of each example.

Figure 2023113427000002
Figure 2023113427000002

表1より、水処理構造体を使用し、かつ、間欠曝気を行った実施例1及び2は、原水(高速ろ過された被処理水)に対して、74%以上のSC-BOD除去率となった。また、実施例1及び2はSC-BOD濃度が15mg/L未満となり、良好な浄化性能を発揮することができた。これに対して、水処理構造体を使用したが、間欠曝気を行わなかった比較例1は、SC-BOD除去率が70%となった。このため、間欠曝気を行うことにより、被処理水の浄化効率が高まることが分かる。また、間欠曝気のみを行った比較例2は、SC-BOD除去率が63%となった。このことから、水処理構造体と間欠曝気とを組み合わせることにより、浄化効率が大きく向上することが分かる。 From Table 1, Examples 1 and 2 using the water treatment structure and performing intermittent aeration have an SC-BOD removal rate of 74% or more for raw water (water to be treated that has been subjected to high-speed filtration). became. Moreover, in Examples 1 and 2, the SC-BOD concentration was less than 15 mg/L, and good purification performance could be exhibited. On the other hand, in Comparative Example 1 in which a water treatment structure was used but intermittent aeration was not performed, the SC-BOD removal rate was 70%. Therefore, it can be seen that the purification efficiency of the water to be treated is improved by performing intermittent aeration. Further, in Comparative Example 2 in which only intermittent aeration was performed, the SC-BOD removal rate was 63%. From this, it can be seen that the purification efficiency is greatly improved by combining the water treatment structure and the intermittent aeration.

なお、実施例1及び2より、正極に酸素還元触媒を担持することによりSC-BOD除去率は向上するものの、酸素還元触媒を担持しなくてもSC-BOD除去率が高まることが分かる。これは、正極に好気性微生物が付着し、気相中の酸素と水素イオン及び電子とを反応させて水を生成しているためと考えられる。そのため、酸素還元触媒の有無に関わらず、水処理構造体と間欠曝気とを組み合わせることで、浄化効率が高まることが分かる。また、触媒を使用しなくても浄化効率が高まることから、水処理構造体のコストを下げることができる。さらに、水処理構造体の触媒は劣化する場合があり、その際には水処理構造体を交換する必要がある。しかしながら、触媒を使用しない場合には水処理構造体を交換する必要がないため、更にコストを下げることができる。 From Examples 1 and 2, it can be seen that although the SC-BOD removal rate is improved by supporting the oxygen reduction catalyst on the positive electrode, the SC-BOD removal rate increases even if the oxygen reduction catalyst is not supported. This is probably because aerobic microorganisms adhere to the positive electrode and react oxygen in the gas phase with hydrogen ions and electrons to produce water. Therefore, regardless of the presence or absence of the oxygen reduction catalyst, it can be seen that the purification efficiency is enhanced by combining the water treatment structure and the intermittent aeration. Moreover, since purification efficiency is increased without using a catalyst, the cost of the water treatment structure can be reduced. Additionally, the catalyst in the water treatment structure may degrade, requiring replacement of the water treatment structure. However, if no catalyst is used, there is no need to replace the water treatment structure, further reducing costs.

図11では、被処理水の浄化処理後における各例の水処理構造体の表面を観察した結果を示している。図11(a)は実施例1の水処理構造体の表面を示す写真であり、図11(b)は実施例2の水処理構造体の表面を示す写真であり、図11(c)は比較例1の水処理構造体の表面を示す写真である。図11より、各例の水処理構造体は、いずれも、負極の全体に微生物が多量に付着していることが分かる。また、図11(a)より、実施例1は、付着した微生物が茶色であった。図11(b)より、実施例2は、付着した微生物が灰色であった。これに対して、図11(c)より、間欠曝気を行わない比較例1は、付着した微生物が深緑色であった。このように、各例の水処理構造体では、付着している微生物の色が異なることから、それぞれ微生物種が異なることが分かる。 FIG. 11 shows the result of observation of the surface of the water treatment structure of each example after purification treatment of the water to be treated. 11(a) is a photograph showing the surface of the water treatment structure of Example 1, FIG. 11(b) is a photograph showing the surface of the water treatment structure of Example 2, and FIG. 4 is a photograph showing the surface of the water treatment structure of Comparative Example 1. FIG. From FIG. 11, it can be seen that a large amount of microorganisms adhere to the entire negative electrode of each water treatment structure. Moreover, from FIG. 11(a), in Example 1, the attached microorganisms were brown. From FIG. 11(b), in Example 2, the adhering microorganisms were gray. On the other hand, from FIG. 11(c), in Comparative Example 1 in which intermittent aeration was not performed, the adhering microorganisms were dark green. As described above, in the water treatment structure of each example, since the color of the attached microorganisms is different, it can be understood that the microorganism species are different.

ここで、各例の水処理構造体において、負極は被処理水に浸漬しており、さらに表1より微生物が被処理水の浄化に寄与していることから、負極全体に付着した微生物は、発電菌である嫌気性微生物とその共生微生物と考えられる。そして、実施例1及び2では間欠曝気を行っていることから、負極に付着している嫌気性微生物は、絶対嫌気性菌ではなく、通性嫌気性菌であると考えられる。これに対して、比較例1では間欠曝気を行っていないことから、負極に付着している嫌気性微生物は、絶対嫌気性菌と通性嫌気性菌の両方であると考えられる。 Here, in the water treatment structure of each example, the negative electrode is immersed in the water to be treated, and from Table 1, the microorganisms contribute to the purification of the water to be treated. It is considered to be anaerobic microorganisms, which are power-generating bacteria, and their symbiotic microorganisms. Since intermittent aeration was performed in Examples 1 and 2, the anaerobic microorganisms adhering to the negative electrode are considered to be facultative anaerobes rather than obligatory anaerobes. On the other hand, since intermittent aeration was not performed in Comparative Example 1, the anaerobic microorganisms adhering to the negative electrode are considered to be both obligatory and facultative anaerobes.

このように、被処理水に対して、酸素を含む気体を間欠的に曝気することにより、被処理水及び負極で通性嫌気性菌を優占化させ、被処理水の浄化を効率的に行うことが可能となる。 In this way, by intermittently aerating the water to be treated with a gas containing oxygen, facultative anaerobes are dominant in the water to be treated and the negative electrode, and purification of the water to be treated is efficiently performed. can be done.

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 are possible within the scope of the gist of the present embodiment.

2 酸素還元触媒
3 嫌気性微生物
4 好気性微生物
10,110 水処理構造体
11,111 正極
12,112 負極
20,120 処理槽
30,130 被処理水
40,140 気相
50,150 曝気装置
100,200 水処理装置
2 Oxygen reduction catalyst 3 Anaerobic microorganism 4 Aerobic microorganism 10,110 Water treatment structure 11,111 Positive electrode 12,112 Negative electrode 20,120 Treatment tank 30,130 Water to be treated 40,140 Gas phase 50,150 Aerator 100, 200 water treatment equipment

Claims (8)

通性嫌気性菌及び絶対嫌気性菌を有する嫌気性微生物が生息する被処理水に接触し、かつ、当該嫌気性微生物が付着する負極と、前記負極と電気的に接続し、かつ、酸素を含む気相及び前記被処理水に接触する正極と、を備える水処理構造体と、
前記被処理水に対して、酸素を含む気体を間欠的に曝気する曝気装置と、
を備え、
前記曝気装置は曝気の実施状態と停止状態を交互に繰り返し、前記曝気の実施状態では前記気体を前記嫌気性微生物に接触させる、水処理装置。
A negative electrode in contact with water to be treated in which anaerobic microorganisms having facultative anaerobes and obligate anaerobes live, and to which the anaerobic microorganisms adhere, is electrically connected to the negative electrode, and oxygen is supplied. a water treatment structure comprising: a gas phase containing
an aeration device for intermittently aerating gas containing oxygen to the water to be treated;
with
The water treatment apparatus, wherein the aeration device alternates between an active state and a stopped state of aeration, and in the active state of aeration, the gas is brought into contact with the anaerobic microorganisms.
前記水処理構造体と、前記被処理水と、前記曝気装置の少なくとも一部と、を内部に保持する処理槽をさらに備える、請求項1に記載の水処理装置。 2. The water treatment apparatus according to claim 1, further comprising a treatment tank that holds therein said water treatment structure, said water to be treated, and at least part of said aerator. 前記気体を前記嫌気性微生物に接触させることにより、前記通性嫌気性菌は前記被処理水中に残存し、前記絶対嫌気性菌は前記被処理水から除去される、請求項1又は2に記載の水処理装置。 3. The method according to claim 1, wherein said facultative anaerobes remain in said water to be treated and said obligate anaerobes are removed from said water to be treated by bringing said gas into contact with said anaerobic microorganisms. water treatment equipment. 前記曝気装置は、前記曝気の実施状態と停止状態を一定時間ごとに交互に繰り返す、請求項1から3のいずれか一項に記載の水処理装置。 4. The water treatment apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein said aeration device alternately repeats an operation state and a stop state of said aeration at regular intervals. 前記曝気の実施状態の時間は10~20分であり、前記曝気の停止状態の時間は40分~3時間である、請求項1から4のいずれか一項に記載の水処理装置。 A water treatment apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the duration of the active state of aeration is 10-20 minutes and the duration of the non-aeration state is 40 minutes to 3 hours. 前記正極には、好気性微生物が付着している、又は、酸素還元触媒が担持されている、請求項1から5のいずれか一項に記載の水処理装置。 The water treatment device according to any one of claims 1 to 5, wherein the positive electrode has aerobic microorganisms adhered thereto, or carries an oxygen reduction catalyst. 前記水処理構造体において、前記負極と前記正極とは一体的であり、
前記水処理構造体の形状は、板状、棒状又は紐状である、請求項1から6のいずれか一項に記載の水処理装置。
In the water treatment structure, the negative electrode and the positive electrode are integrated,
The water treatment apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the water treatment structure has a plate-like, bar-like or string-like shape.
通性嫌気性菌及び絶対嫌気性菌を有する嫌気性微生物が生息する被処理水に接触し、かつ、当該嫌気性微生物が付着する負極と、前記負極と電気的に接続し、かつ、酸素を含む気相及び前記被処理水に接触する正極と、を備える水処理構造体を用いた水処理方法であって、
前記被処理水に対して酸素を含む気体を曝気することにより、前記気体を前記嫌気性微生物に接触させる曝気実施状態と、前記気体の曝気を停止する曝気停止状態と、を交互に繰り返す、水処理方法。
A negative electrode in contact with water to be treated in which anaerobic microorganisms having facultative anaerobes and obligate anaerobes live, and to which the anaerobic microorganisms adhere, is electrically connected to the negative electrode, and oxygen is supplied. A water treatment method using a water treatment structure comprising a gas phase containing and a positive electrode that contacts the water to be treated,
By aerating a gas containing oxygen to the water to be treated, an aeration execution state in which the gas is brought into contact with the anaerobic microorganisms and an aeration stop state in which the aeration of the gas is stopped are alternately repeated. Processing method.
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