KR101697144B1 - 미생물 발전 방법 및 미생물 발전 장치 - Google Patents

Abstract

(과제) 간이하고 저렴한 수단으로 미생물 발전 장치의 발전 효율을 향상시킨다.
(해결 수단) 조체 (30) 내에 2 장의 판 형상의 카티온 교환막 (31, 31) 이 서로 평행하게 배치됨으로써, 그 카티온 교환막 (31, 31) 끼리 사이에 부극실 (32) 이 형성되고, 상기 부극실 (32) 과 각각 그 카티온 교환막 (31) 을 사이에 두고 2 개의 정극실 (33, 33) 이 형성되어 있다. 정극실 (33) 에 산소 함유 가스를 유통시키고, 부극실에 부극 용액 (L) 을 공급하고, 바람직하게는 부극 용액을 순환시킨다. 정극실 (33) 에 공급되는 산소 함유 가스로서 생물 처리 배기 가스를 사용한다. 생물 처리 배기 가스 중의 탄산 가스로 Na^＋, K^＋ 이온의 이동을 촉진시킴과 함께 수증기에 의해 이온 투과성을 높이고, 이로써 발전 효율을 높일 수 있다.

Description

미생물 발전 방법 및 미생물 발전 장치{MICROBIAL ELECTRICITY-GENERATING METHOD AND MICROBIAL ELECTRIC GENERATOR}

본 발명은 미생물의 대사 반응을 이용하는 발전 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 유기물을 미생물로 산화 분해시킬 때에 얻어지는 환원력을 전기 에너지로서 취출하는 미생물 발전 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

최근, 지구 환경을 배려한 발전 방법에 대한 요구가 높아져, 미생물 발전의 기술 개발도 진행되고 있다. 미생물 발전은 미생물이 유기물을 자화 (資化) 시킬 때에 얻어지는 전기 에너지를 취출함으로써 발전하는 방법이다.

일반적으로, 미생물 발전에서는 부극이 배치된 부극실 내에 미생물, 미생물에 자화되는 유기물 및 전자 전달 매체 (전자 메디에이터) 를 공존시킨다. 전자 메디에이터는 미생물체 내에 들어가, 미생물이 유기물을 산화시켜 발생하는 전자를 받아 부극에 전달한다. 부극은 외부 저항 (부하) 을 통해 정극과 전기적으로 도통하고 있고, 부극에 전달된 전자는 외부 저항 (부하) 을 통해 정극으로 이동하고, 정극과 접하는 전자 수용체에 전달된다. 이와 같은 전자의 이동에 따라 정극과 부극 사이에 전류가 흐른다.

미생물 발전에서는 전자 메디에이터가 미생물체로부터 직접 전자를 취출하기 때문에, 이론상의 에너지 변환 효율은 높다. 그러나, 실제 에너지 변환 효율은 낮아, 발전 효율의 향상이 요구되고 있다. 이에, 발전 효율을 높이기 위해, 전극의 재료나 구조, 전자 메디에이터의 종류 및 미생물종의 선택 등에 대해 여러가지 검토 및 개발이 실시되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 1, 특허문헌 2).

특허문헌 1 에는, 정극실과 부극실을 고체 전해질로 이루어지는 알칼리 이온 도전체를 사이에 두고, 정극실 내 및 부극실 내를 인산 완충액 (버퍼) 으로 pH 7 로 하고, 정극실 내의 인산 완충액 (캐소드액) 에 공기를 불어넣어 발전을 실시하는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 2 에는, 정극실과 부극실을 구획하는 전해질막에 접하도록 정극판으로서 다공질체를 설치하고, 정극실에 공기를 유통시켜, 다공질체의 공극 중에서 공기와 액을 접촉시키는 것이 기재되어 있다. 이하, 이와 같이 정극실 내에 공기를 유통시켜, 공기 중의 산소를 전자 수용체로서 이용하는 정극을 「에어 캐소드」 라고 칭하는 경우가 있다.

에어 캐소드를 사용하는 미생물 발전 장치이면, 캐소드액이 불필요하고, 또 정극실에 간단히 공기를 유통시키는 것만으로 되고, 캐소드액 중에 대한 폭기 (曝氣) 가 필요없다는 이점이 있다.

종래, 에어 캐소드를 사용한 미생물 발전 장치에 있어서의 발전 효율의 향상을 목적으로 하여,

1) 부극 메디에이터 (예를 들어, 특허문헌 3)

2) 부극실의 pH 조정

3) 정극 촉매의 종류나 촉매 활성 성분의 담지 방법

4) 정극 형상

등에 대한 검토가 이루어지고 있다.

일본 공개특허공보 2000-133326호 일본 공개특허공보 2004-342412호 일본 공개특허공보 2006-331706호

종래의 미생물 발전 장치에서는 발전 효율이 부극 1 ㎥ 당 50 ∼ 150 W/㎥ 로 작아, 더욱 발전 효율의 향상이 요망되고 있다.

본 발명은, 간이하고 저렴한 수단으로 미생물 발전 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 미생물 발전 방법 및 미생물 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제 1 양태의 미생물 발전 방법은 부극을 갖고, 미생물 및 전자 공여체를 함유하는 액을 유지하는 부극실과, 상기 부극실에 대해 이온 투과성 비도전성막을 개재하여 사이를 두고, 상기 이온 투과성 비도전성막에 접하는 정극을 갖는 정극실을 구비한 미생물 발전 장치의 상기 정극실에 산소 함유 가스를 공급하여 발전을 실시하는 미생물 발전 방법에 있어서, 상기 산소 함유 가스가 생물 처리 배기 가스를 함유하는 것을 특징으로 한다.

제 2 양태의 미생물 발전 방법은 제 1 양태에 있어서, 상기 산소 함유 가스로거 호기성 생물 처리 배기 가스를 정극실에 공급하는 것을 특징으로 한다.

제 3 양태의 미생물 발전 방법은 제 1 양태에 있어서, 상기 산소 함유 가스로서 공기와 혐기성 생물 처리 배기 가스를 상기 정극실에 공급하는 것을 특징으로 한다.

제 4 양태의 미생물 발전 방법은 부극을 갖고, 미생물 및 전자 공여체를 함유하는 액을 유지하는 부극실과, 상기 부극실에 대해 이온 투과성 비도전성막을 개재하여 사이를 두고, 상기 이온 투과성 비도전성막에 접하는 정극을 갖는 정극실을 구비한 미생물 발전 장치의 상기 정극실에 산소 함유 가스를 공급하여 발전을 실시하는 미생물 발전 방법에 있어서, 상기 정극실에 공급되는 산소 함유 가스에 탄산 가스와 수증기를 도입하는 것을 특징으로 한다.

제 5 양태의 미생물 발전 방법은, 제 4 양태에 있어서, 상기 정극실에 공기를 수조에 통기시켜 폭기시킨 후, 탄산 가스와 함께 도입하는 것을 특징으로 한다.

제 6 양태의 미생물 발전 장치는, 부극을 갖고, 미생물 및 전자 공여체를 함유하는 액을 유지하는 부극실과, 상기 부극실에 대해 이온 투과성 비도전성막을 개재하여 사이를 두고, 상기 이온 투과성 비도전성막에 접하는 정극을 갖는 정극실과, 상기 정극실에 산소 함유 가스를 공급하는 수단을 구비한 미생물 발전 장치에 있어서, 상기 정극실에 생물 처리 배기 가스를 도입하는 수단을 형성한 것을 특징으로 한다.

제 7 양태의 미생물 발전 장치는, 제 6 양태에 있어서, 상기 정극실에 호기성 생물 처리 배기 가스를 도입하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.

제 8 양태의 미생물 발전 장치는, 제 6 양태에 있어서, 상기 정극실에 공기와 혐기성 생물 처리 배기 가스를 도입하는 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

제 9 양태의 미생물 발전 장치는, 부극을 갖고, 미생물 및 전자 공여체를 함유하는 액을 유지하는 부극실과, 상기 부극실에 대해 이온 투과성 비도전성막을 개재하여 사이를 두고, 상기 이온 투과성 비도전성막에 접하는 정극을 갖는 정극실과, 상기 정극실에 산소 함유 가스를 공급하는 수단을 구비한 미생물 발전 장치에 있어서, 상기 정극실에 공급되는 산소 함유 가스에 탄산 가스와 수증기를 도입하는 수단을 형성한 것을 특징으로 한다.

제 10 양태의 미생물 발전 장치는, 제 9 양태에 있어서, 상기 정극실에 공급되는 산소 함유 가스에 탄산 가스와 수증기를 도입하는 수단이, 공기를 수조에 통기시켜 폭기시킨 후, 탄산 가스와 함께 상기 정극실에 도입하는 수단인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서는, 정극실에 생물 처리 배기 가스를 도입한다는 간이하고 저렴한 수단으로, 미생물 발전 장치의 발전 효율을 높일 수 있다.

즉, 본 발명자들은 미생물 발전 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 예의 검토한 결과, 정극실에 공급하는 산소 함유 가스에 산성 가스를 도입하면, 산성 가스에 의한 이온 투과성 비도전성막의 pH 중화 작용에 의해 Na⁺, K⁺ 이온의 이동을 촉진시키고, 이로써 발전 효율을 향상시킬 수 있음을 알아내어 이미 특허 출원하였다 (일본 특허출원 2008-280104, 이하 「선원」 이라고 한다). 이 산성 가스로는, 탄산 가스를 사용하는 것이 저렴하며 또한 안전성이 높고, 설비 부식의 문제 등도 없는 점에서 바람직하다.

그리고, 이 선원 발명에 기초하여 더욱 검토한 결과, 정극실에 공급하는 산소 함유 가스에 추가로 수증기를 도입함으로써, 한층 더 발전 효율을 높일 수 있음을 알아냈다.

이 수증기에 의한 발전 효율의 향상 효과의 작용 기구의 상세한 것은 명확하지는 않지만, 수증기가 이온 투과성 비도전성막의 이온 투과를 촉진시키는 것이 추정된다. 즉, 이온 교환막 등의 이온 투과성 비도전성막은 수분 함유율에 의해 이온 투과성이 변화하는 것이 알려져 있고, 수분량이 적으면 이온 투과성이 저하된다. 특히, 이온 투과성 비도전성막으로서 아니온 교환막을 사용하는 경우, 생물 발전에서의 이온 투과에는, 정극에서의 물의 해리가 필요하고, 정극실로의 일정량의 물공급이 이온의 투과뿐만 아니라, 수산 이온의 생성에도 유효하게 작용하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 정극실로의 수증기의 도입은 이 정극에서의 물의 해리때문에 유효해진다.

제 4, 5 양태 및 제 9, 10 양태에 관련된 발명은 이와 같은 지견에 기초하여 달성된 것이다.

이와 같이, 정극실에 공급하는 산소 함유 가스에 탄산 가스와 수증기를 도입하면 발전 효율을 대폭 높일 수 있는데, 통상적으로, 생물 발전을 실시하는 현장 (폐수 처리장, 젖은 쓰레기 처리장 등) 에는 탄산 가스 공급원은 없고, 또, 액화 탄산 가스 등은 고가이기 때문에 경제적으로 불리하다. 또, 수증기 공급을 위한 가습도 수고가 든다.

이에 반해, 활성 오니법 생물 처리 배기 가스 등의 생물 처리 배기 가스는, 충분한 산소를 함유하고, 또한 폐수 처리에 의해 생성된 탄산 가스를 함유하고 있기 때문에 탄산 가스의 농도가 높고, 또한 고습도이며 충분한 양의 수증기를 함유한다.

특히, 활성 오니 폭기조의 pH 를 중성 내지 약산성으로 운전했을 경우, 배기 가스의 탄산 가스 농도가 높아져, 정극실에 공급하는 가스로서 바람직하다.

또, 최근 에너지 절약을 목적으로 적용이 확대되고 있는 미세 기포 산기관 등, 산소 용해 효율이 높은 산기 장치를 사용하면, 배기 가스 중의 탄산 가스 농도가 높아져 보다 바람직하다.

한편, 혐기성 생물 처리 배기 가스는 산소를 함유하지 않지만, 탄산 가스 농도가 높고, 또 고습이며 수증기량도 많다. 따라서, 혐기성 생물 처리 배기 가스여도, 공기 등의 산소 함유 가스와 혼합하여 사용함으로써, 정극실 공급 가스로서 유효하게 사용할 수 있다.

그러나, 생물 처리 배기 가스를 배출하는 생물 처리 설비는 폐수나 유기성 폐기물을 에너지원으로 하는 생물 발전을 실시하는 현장에는, 대부분의 경우 생물 발전 설비에 근접하여 병설되는 점에서, 가스의 수송이라는 면에서도 유리하다.

제 1 양태 ∼ 제 3 양태 및 제 6 양태 ∼ 제 8 양태에 관련된 발명은, 이와 같은 지견에 기초하여 달성된 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 미생물 발전 장치의 단면 모식도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 관련된 미생물 발전 장치의 단면 모식도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 미생물 발전 방법 및 미생물 발전 장치의 실시형태를 상세하게 설명한다.

도 2 는 본 발명의 미생물 발전 방법 및 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식적 단면도이다.

도 2 의 미생물 발전 장치에 있어서는, 층체 (1) 안이 이온 투과성 비도전성막 (2) 에 의해 정극실 (3) 과 부극실 (4) 로 구획되어 있다. 정극실 (3) 내에는 이온 투과성 비도전성막 (2) 에 접하도록 정극 (5) 이 배치되어 있다.

부극실 (4) 내에는 도전성 다공질 재료로 이루어지는 부극 (6) 이 배치되어 있다. 이 부극 (6) 은 이온 투과성 비도전성막 (2) 에 직접, 또는 1 ∼ 2 층 정도의 미생물막을 개재하여 접하고 있어 이온 투과성 비도전성막 (2) 이 카티온 투과막이면, 부극 (6) 으로부터 이온 투과성 비도전성막 (2) 에 프로톤 H⁺ 을 주고 받을 수 있게 되어 있다.

정극실 (3) 내는 공실 (空室) 이며, 가스 유입구 (7) 로부터 산소 함유 가스 (본 실시예에 있어서는, 호기성 생물 처리 배기 가스) 가 도입되고, 가스 유출구 (8) 로부터 배출 배관 (25) 을 거쳐 배기 가스가 유출된다.

정극실 (3) 과 부극실 (4) 을 나누는 이온 투과성 비도전성막 (2) 으로는 후술하는 바와 같이, 카티온 투과막이 바람직하지만, 그 밖의 것이어도 된다.

다공질 재료로 이루어지는 부극 (6) 에 미생물이 담지되어 있다. 부극실 (4) 에는 유입구 (4a) 로부터 부극 용액 (L) 을 도입하고, 유출구 (4b) 로부터 폐액를 배출시킨다. 또한, 부극실 (4) 내는 혐기성으로 되어 있다.

부극실 (4) 내의 부극 용액 (L) 은 순환 왕구 (往口) (9), 순환 배관 (10) , 순환용 펌프 (11) 및 순환 복귀구 (12) 를 통해 순환된다. 이 순환 배관 (10) 에는 부극실 (4) 로부터 유출되어 온 액의 pH 를 측정하는 pH 계 (14) 가 형성됨과 함께, 수산화나트륨 수용액 등의 알칼리 첨가용 배관 (13) 이 접속되어, 부극 용액 (L) 의 pH 가 7 ∼ 9 가 되도록 필요에 따라 알칼리가 첨가된다.

정극실 (3) 내에서 발생한 응축수는 도시되지 않은 응축수 유출구로부터 배수된다.

정극 (5) 과 부극 (6) 사이에 발생한 기전력에 의해, 단자 (20, 22) 를 통해 외부 저항 (21) 에 전류가 흐른다.

정극실 (3) 에 산소와 탄산 가스와 수증기를 함유하는 호기성 생물 처리 배기 가스를 통기시킴과 함께, 필요에 따라 펌프 (11) 를 작동시켜 부극 용액 (L) 을 순환시킴으로써, 부극실 (4) 내에서는,

(유기물) + H₂O → CO₂ + H⁺ + e^-

의 반응이 진행된다. 이 전자 e^- 가 부극 (6), 단자 (22), 외부 저항 (21) 및 단자 (20) 를 거쳐 정극 (5) 으로 흐른다.

상기 반응에서 생성된 프로톤 H⁺ 는, 이온 투과성 비도전성막 (5A) 의 카티온 투과막을 통과하여 정극 (5) 으로 이동한다. 정극 (5) 에서는,

O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O

의 반응이 진행된다. 이 정극 반응에서 생성된 H₂O 는 응축하여 응축수가 발생한다. 이 응축수에는, 이온 투과성 비도전성막 (2) 의 카티온 투과막을 투과해 온 K⁺, Na⁺ 등이 용해되어, 이로 인하여 산소 함유 가스로서 공기를 통기시키는 종래의 미생물 발전 장치에 있어서는, 응축수가 pH 9.5 ∼ 12.5 정도의 고알칼리성이 되지만, 본 발명에서는 탄산 가스를 함유하는 생물 처리 배기 가스를 통기시키기 때문에, 탄산 가스에 의한 중화 작용에 의해 이 응축수의 pH 는 7.5 ∼ 9 정도가 된다.

즉, 이온 투과성 비도전성막 (2) 으로서, 예를 들어 카티온 투과막을 사용한 경우, 부극 (6) 에서 생성된 전자는 단자 (22), 외부 저항 (21) 및 단자 (20) 를 거쳐 정극 (5) 으로 흐르는 한편, 프로톤과 함께 부극 (6) 에 도입되는 부극 용액 (L) 중의 Na⁺, K⁺ 가 이온 투과성 비도전성막 (2) 의 카티온 투과막을 투과하여 정극실 (3) 로 이동한다. 이 경우, 정극실 (3) 에 통기시키는 가스가 탄산 가스를 함유하는 것에 의한 pH 중화 작용에 의해, Na⁺, K⁺ 의 이동을 촉진시키고 있는 것으로 추정되고, 이로 인하여 발전 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또, 이 이온 투과성 비도전성막 (5A) 의 프로톤 H⁺ 나 K⁺, Na⁺ 의 투과시에, 정극실 (3) 에 충분한 양의 수증기가 도입됨으로써, 이온 투과성 비도전성막 (5A) 의 이온 투과성을 높일 수 있는 것이어도, 이들 이동이 촉진되어 발전 효율의 향상을 한층 더 도모할 수 있다.

부극실 (4) 에서는, 미생물에 의한 물의 분해 반응에 따라 CO₂ 가 생성됨으로써, pH 가 저하되려 한다. 그래서, pH 계 (14) 의 검출 pH 가 바람직하게는 7 ∼ 9 가 되도록 알칼리가 부극 용액 (L) 에 첨가된다. 이 알칼리는, 부극실 (6) 에 직접 첨가되어도 되는데, 순환수에 첨가함으로써 부극실 (6) 내의 전역을 부분적인 편승 없이 pH 7 ∼ 9 로 유지할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 특히 바람직한 형태에 관련된 미생물 발전 장치의 개략적인 단면도이다.

도 1 의 미생물 발전 장치에 있어서는, 대략 직육면체 형상의 조체 (30) 안에 2 장의 판 형상의 이온 투과성 비도전성막 (31, 31) 이 서로 평행하게 배치됨으로써, 상기 이온 투과성 비도전성막 (31, 31) 끼리의 사이에 부극실 (32) 이 형성되고, 상기 부극실 (32) 과 각각 상기 이온 투과성 비도전성막 (31) 을 사이에 두고 2 개의 정극실 (33, 33) 이 형성되어 있다.

부극실 (32) 내에는, 각 이온 투과성 비도전성막 (31) 과 직접, 또는 1 층 ∼ 2 층 정도의 생물막을 개재하여 접하도록, 다공질 재료로 이루어지는 부극 (34) 이 배치되어 있다. 부극 (34) 은 이온 투과성 비도전성막 (31, 31) 에 대해 가볍게, 예를 들어 0.1 kg/㎠ 이하의 압력으로 눌려지는 것이 바람직하다.

정극실 (33) 내에는, 이온 투과성 비도전성막 (31) 과 접해서 정극 (35) 이 배치되어 있다. 이 정극 (35) 은 패킹 (36) 으로 가압되어 이온 투과성 비도전성막 (31) 에 눌려있다. 정극 (35) 과 이온 투과성 비도전성막 (31) 의 밀착성을 높이기 위해, 양자를 용착시키거나 접착제로 접착시켜도 된다.

정극 (35) 과 조체 (30) 의 측벽 사이는 산소 함유 가스로서 도입되는 생물 처리 배기 가스의 유통 공간으로 되어 있다.

이 정극 (35) 및 부극 (34) 은 단자 (37, 39) 를 통해 외부 저항 (38) 에 접속되어 있다.

부극실 (32) 에는 유입구 (32a) 로부터 부극 용액 (L) 이 도입되고, 유출구 (32b) 로부터 폐액이 유출된다. 부극실 (32) 내는 혐기성으로 되어있다.

부극실 (32) 내의 부극 용액은 순환 왕구 (41), 순환 배관 (42), 순환 펌프 (43) 및 순환 복귀구 (44) 를 통해 순환된다. 각 정극실 (33) 에는 배관 (62) 으로부터의 산소 함유 가스가 가스 유입구 (51) 로부터 유입되고, 배기 가스가 가스 유출구 (52) 로부터 배관 (63) 을 거쳐 유출된다. 산소 함유 가스로서 본 실시예에서는 호기성 생물 처리 배기 가스가 이용되고 있다.

부극 용액의 순환 배관 (42) 에, pH 계 (47) 가 형성됨과 함께, 알칼리 첨가용 배관 (45) 이 접속되어 있다. 부극실 (32) 로부터 유출되는 부극 용액의 pH 를 pH 계 (47) 로 검출하고, 이 pH 가 바람직하게는 7 ∼ 9 가 되도록 수산화나트륨 수용액 등의 알칼리가 첨가된다.

이 도 1 의 미생물 발전 장치에 있어서도, 정극실 (33) 에 산소와 탄산 가스와 수증기를 함유하는 호기성 생물 처리 배기 가스를 유통시키고, 부극실 (32) 에 부극 용액을 유통시키고, 바람직하게는 부극 용액을 순환시킴으로써, 정극 (35) 과 부극 (34) 사이에 전위차가 발생하고 외부 저항 (38) 에 전류가 흐른다.

다음으로, 이 미생물 발전 장치의 미생물, 부극 용액 등 이외에, 생물 처리 배기 가스, 이온 투과성 비도전성막, 부극 및 정극의 바람직한 재료 등에 대해 설명한다.

부극 용액 (L) 중에 함유시킴으로써 전기 에너지를 생산시키는 미생물은 전자 공여체로서의 기능을 갖는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, Saccharomyces, Hansenula, Candida, Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus, Leuconostoa, Lactobacillus, Corynebacterium, Arthrobacter, Bacillus, Clostridium, Neisseria, Escherichia, Enterobacter, Serratia, Achromobacter, Alcaligenes, Flavobacterium, Acetobacter, Moraxella, Nitrosomonas, Nitorobacter, Thiobacillus, Gluconobacter, Pseudomonas, Xanthomonas, Vibrio, Comamonas 및 Proteus (Proteus vulgaris) 의 각 속에 속하는 세균, 사상균, 효모 등을 들 수 있다. 이와 같은 미생물을 함유하는 오니로서 하수 등의 유기물 함유수를 처리하는 생물 처리조로부터 얻어지는 활성 오니, 하수의 최초 침전지로부터의 유출수에 함유되는 미생물, 혐기성 소화 오니 등을 식종으로서 부극실에 공급하여, 미생물을 부극으로 유지시킬 수 있다. 발전 효율을 높이기 위해서는 부극실 내에 유지되는 미생물량은 고농도인 것이 바람직하고, 예를 들어 미생물 농도는 1 ∼ 50 g/ℓ 인 것이 바람직하다.

부극 용액 (L) 으로는, 미생물 또는 세포를 유지하고, 또한 발전에 필요한 조성을 갖는 용액이 사용된다. 예를 들어, 호흡계의 발전을 실시하는 경우에는 부극측 용액으로는, 부용 배지, M9 배지, L 배지, Malt Extract, MY 배지, 질화균 선택 배지 등의 호흡계 대사를 실시하는 데에 필요한 에너지원이나 영양소 등의 조성을 갖는 배지를 이용할 수 있다. 또, 하수, 유기성 산업 배수, 젖은 쓰레기 등의 유기성 폐기물을 사용할 수 있다.

부극 용액 (L) 중에는, 미생물 또는 세포로부터의 전자 뽑아내기를 보다 용이하게 하기 위해 전자 메디에이터를 함유시켜도 된다. 이 전자 메디에이터로서는, 예를 들어 티오닌, 디메틸디술폰화티오닌, 뉴메틸렌블루, 톨루이딘블루-O 등의 티오닌 골격을 갖는 화합물, 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논 등의 2-하이드록시-1,4-나프토퀴논 골격을 갖는 화합물, 브릴리언트크레실블루, 갈로시아닌, 레소루핀, 알리자린브릴리언트블루, 페노티아지논, 페나진에소술페이트, 사프라닌-O, 디클로로페놀인도페놀, 페로센, 벤조퀴논, 프탈로시아닌, 혹은 벤질비올로겐 및 이들의 유도체 등을 들 수 있다.

또한, 미생물의 발전 기능을 증대시키는 재료, 예를 들어 비타민 C 와 같은 항산화제나, 미생물 중의 특정 전자 전달계나 물질 전달계만을 작용시키는 기능 증대 재료를 용해시키면, 더욱 효율적으로 전력을 얻을 수 있으므로 바람직하다.

부극 용액 (L) 은 필요에 따라 인산 버퍼를 함유하고 있어도 된다.

부극 용액 (L) 은 유기물을 함유하는 것이다. 이 유기물로는, 미생물에 의해 분해되는 것이면 특별히 제한은 없고, 예를 들어 수용성 유기물, 수중에 분산되는 유기물 미립자 등이 사용된다. 부극 용액은 하수, 식품 공장 배수 등의 유기성 폐수여도 된다. 부극 용액 (L) 중의 유기물 농도는 발전 효율을 높이기 위해 100 ∼ 10000 ㎎/ℓ 정도의 고농도인 것이 바람직하다.

정극실에 유통시키는 생물 처리 배기 가스로는, 전술한 바와 같이, 산소, 탄산 가스 및 수증기를 함유하는 호기성 생물 처리 배기 가스여도 되고, 탄산 가스 및 수증기를 함유하는 혐기성 생물 처리 배기 가스여도 된다. 생물 처리 배기 가스로서 혐기성 생물 처리 배기 가스를 사용하는 경우에는, 이 생물 처리 배기 가스와 공기 등의 산소 함유 가스를 적당한 비율, 예를 들어 혐기성 생물 처리 배기 가스 : 공기 = 1 : 0.5 ∼ 500 (용량비) 으로 혼합하여 공급하면 된다. 또, 이 공기 대신에 호기성 생물 처리 배기 가스를 혼합해도 된다.

생물 처리 배기 가스의 유래에는 특별히 제한은 없고, 활성 오니법의 배기 가스 이외에, 고정상 (床), 유동상 (床), 질화, 탈질 (脫窒), 컴포스트 등의 각종 생물 처리로 배출되어 탄산 가스 농도가 공기보다 높은 것이면, 어떠한 것이어도 사용할 수 있고, 이들의 생물 처리 배기 가스의 2 종 이상을 혼합하여 사용해도 된다.

전술한 바와 같이, pH 중성 ∼ 약산성으로 운전되고 있는 활성 오니 폭기조로부터의 배기 가스는 탄산 가스 농도가 높아 바람직하다. 또, 최근, 에너지 절약을 목적으로 적용이 확대되고 있는 미세 기포 산기관 등, 산소 용해 효율이 높은 산기 장치를 사용하고 있는 폭기조의 배기 가스도 탄산 가스 농도가 높아 바람직하다.

또한, 이들 생물 처리 배기 가스의 조성은 그 발생 장소에 따라 다양하여 한마디로는 말할 수 없지만, 통상적으로, 호기성 생물 처리 배기 가스에서는 O₂ 농도 : 15 ∼ 19 용량％, CO₂ 농도 1 ∼ 5 용량％, 습도 95 ∼ 100％ 정도이며, 혐기성 생물 처리 배기 가스에서는, CO₂ 농도 20 ∼ 40 중량％, 습도 95 ∼ 100 ％ 정도이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 정극실에 공기 등의 산소 함유 가스를 공급하고 있는 미생물 발전 장치에 있어서, 이 산소 함유 가스에 추가로 탄산 가스 및 수증기를 공급함으로써 실시할 수도 있다. 이 방법은, 예를 들어 산소 함유 가스로서의 공기에 탄산 가스를 유량비로서 공기 : 탄산 가스 = 100 : 0.1 ∼ 20 정도의 비율로 도입함과 함께, 수증기를 불어 넣음으로써 실시할 수 있는데, 수증기 공급은 수증기를 불어 넣는 것 이외에, 정극실에 공급되는 가스를 수조에 통기시켜 폭기시킴으로써, 그 온도에서의 포화 증기압으로서 공급할 수도 있다.

또한, 정극실로부터의 배기 가스는 필요에 따라 탈산소 처리한 후, 부극실에 통기시켜, 부극 용액 (L) 으로부터의 용존 산소의 퍼지에 사용해도 된다.

이온 투과성 비도전성막으로는, 비도전성이며 이온 투과성이 있는 카티온 투과막 또는 아니온 투과막 등의 이온 투과막이면 되고, 각종 이온 교환막이나 역침투막 등을 사용할 수 있다. 이온 교환막으로는, 프로톤 선택성이 높은 카티온 교환막, 또는 아니온 교환막을 바람직하게 사용할 수 있고, 예를 들어 카티온 교환막으로는 듀퐁 주식회사 제조 나피온 (등록 상표), 주식회사 아스톰 제조의 카티온 교환막인 CMB 막 등을 사용할 수 있다. 또, 아니온 교환막으로는, 아스톰 제조 아니온 교환막이나 토쿠야마 제조 아니온형 전해질막 등이 바람직하다. 이온 투과성 비도전성막은, 얇고 튼튼한 것이 바람직하고, 통상적으로 그 막두께는 30 ∼ 300 ㎛, 특히 30 ∼ 200 ㎛ 정도인 것이 바람직하다.

이온 투과성 비도전성막으로는 카티온 교환막을 사용하는 것이, 본 발명에 따른 탄산 가스의 도입 효과가 유효하게 발휘되어 바람직하다. 또, 수증기에 의한 이온 투과성 향상 효과의 면에서는, 아니온 교환막을 사용하는 것이 바람직하다.

부극은 많은 미생물을 유지할 수 있도록, 표면적이 크고 공극이 많이 형성되어 통수성을 갖는 다공체가 바람직하다. 구체적으로는, 적어도 표면이 거칠어진 도전성 물질의 시트나 도전성 물질을 펠트 형상, 그 밖의 다공성 시트로 한 다공성 도전체 (예를 들어 그래파이트 펠트, 발포 티탄, 발포 스테인리스 등) 를 들 수 있다.

이와 같은 다공질의 부극을 직접 또는 미생물층을 개재하여 이온 투과성 비도전성막에 맞닿게 한 경우, 전자 메디에이터를 사용하지 않고, 미생물 반응에 의해 생성된 전자가 부극에 전달되게 되어, 전자 메디에이터가 불필요 할 수 있다.

복수의 시트 형상 도전체를 적층시켜 부극으로 해도 된다. 이 경우, 동종의 도전체 시트를 적층시켜도 되고, 상이한 종류의 도전체 시트끼리 (예를 들어 그래파이트 펠트와 조면 (粗面) 을 갖는 그래파이트 시트) 를 적층시켜도 된다.

부극은 전체의 두께가 3 ㎜ 이상 40 ㎜ 이하, 특히 5 ∼ 20 ㎜ 정도인 것이 바람직하다. 적층 시트에 의해 부극을 구성하였을 경우, 시트끼리의 합심면 (적층면) 을 따라 액이 흐르도록, 적층면을 액의 유입구와 유출구를 연결하는 방향으로 배향시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 부극실을 복수의 분실 (分室) 로 분할하고, 각 분실을 직렬 접속시킴으로써 각 분실에서의 pH 저하를 억제한 후에 부극실 내의 액의 pH 를 조정하도록 해도 된다. 부극실을 분할하면 각 분실에서의 유기물 분해량이 작아지는 결과, 탄산 가스의 생성량도 작아지기 때문에 각 분실에서의 pH 저하를 줄일 수 있다.

정극은 도전성 기재와 그 도전성 기재에 담지된 산소 환원 촉매를 갖는 것이 바람직하다.

도전성 기재로는 도전성이 높고, 내식성이 높고, 두께가 얇아도 충분한 도전성과 내식성, 또한 도전성 기재로서의 기계적 강도를 갖는 것이면 되고, 특별히 제한은 없지만 그래파이트 페이퍼, 그래파이트 펠트, 그래파이트 클로스, 스테인리스 메시, 티탄 메시 등을 사용할 수 있고, 이들 중에서 특히 내구성과 가공 용이성 등의 점에서, 그래파이트 페이퍼, 그래파이트 펠트, 그래파이트 클로스 등의 그래파이트계 기재가 바람직하고, 특히 그래파이트 페이퍼가 바람직하다. 또한, 이들 그래파이트계 기재는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 등의 불소 수지에 의해 소수화된 것이어도 된다.

정극의 도전성 기재의 두께는 지나치게 두꺼우면 산소의 투과가 나빠지고, 지나치게 얇으면 기재에 필요한 강도 등의 요구 특성을 만족시킬수 없다는 점에서, 20 ∼ 3000 ㎛ 정도인 것이 바람직하다.

산소 환원 촉매로는, 백금 등의 귀금속 이외에, 저렴하며 또한 촉매 활성이 양호하다는 점에서, 이산화망간 등의 금속 산화물이 바람직하며, 그 담지량은 0.01 ∼ 2.0 ㎎/㎠ 정도로 하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

설명의 편의상 먼저 비교예를 든다.

[비교예 1]

7 ㎝ × 25 ㎝ × 2 ㎝ (두께) 의 부극실에, 두께 1 ㎝ 의 그래파이트 펠트를 2 장 겹쳐 충전하여 부극을 형성하였다. 이 부극에 대해, 이온 투과성 비도전성막으로서 카티온 교환막 (듀퐁 주식회사 제조 상품명 (등록 상표) 「나피온 115」) 을 개재하여 정극실을 형성하였다. 정극실은 7 ㎝ × 25 ㎝ × 0.5 ㎝ (두께) 이며, 타나카 귀금속사 제조 Pt 촉매 (Pt 담지 카본 블랙, Pt 함유량 50 중량％) 를, 5 중량％ 나피온 (등록 상표) 용액 (듀퐁사 제조) 에 분산시킨 액을 PTFE 로 발수 처리한 두께 160 ㎛ 의 카본 페이퍼 (토요 카본사 제조) 에 Pt 부착량이 0.4 ㎎/㎠ 가 되도록 도포하고, 50 ℃ 에서 건조시켜 얻어진 것을 정극으로 하여 상기 카티온 교환막과 밀착시켰다.

부극의 그래파이트 펠트와 정극의 카본 페이퍼에는 스테인리스선을 도전성 페이스트로 접착시켜 전기 인출선으로 하여, 2 Ω 의 저항으로 접속시켰다.

부극실에는 pH 를 7.5 로 유지하고, 아세트산 1000 ㎎/ℓ 와 인산 및 암모니아를 함유하는 부극 용액을 통액시켰다. 이 부극 용액은 미리 다른 수조에서 35 ℃ 로 가온하고, 이 수조에서 가온한 액을 부극실에 10 ㎖/min 로 통액시킴으로써 부극실의 온도를 35 ℃ 로 가온하였다. 또한, 부극 용액의 통액에 앞서 다른 미생물 발전 장치의 유출액을 식균으로서 통액시켰다.

정극실에는 상온의 건조 공기를 0.5 ℓ/min 의 유량으로 통기하였다.

그 결과, 부극 용액의 통액 개시로부터 3 일 후에는 발전량은 거의 일정해지고, 부극 1 ㎥ 당 발전량은 140 W (발전 효율 140 W/㎥) 가 되었다.

[비교예 2]

비교예 1 에 있어서, 정극실에 공급하는 공기에, 탄산 가스 봄베로부터 탄산 가스를 1 ㎖/min (공기에 대해 0.2 ％) 도입한 것 이외에는 동일하게 하여 발전을 실시한 결과, 탄산 가스 도입 직후부터 발전 효율은 향상되기 시작하여 5 분 후에는 발전 효율 180 W/㎥ 가 되었다.

[실시예 1]

비교예 2 에 있어서, 정극실에 공급하는 공기를 순수 1.5 ℓ 를 넣은 2 ℓ 의 밀폐 수조에 도입하고, 4 분간 폭기시킨 후, 탄산 가스와 함께 정극실에 도입한 것 이외에는 동일하게 하여 발전을 실시한 결과, 발전 효율은 210 W/㎥ 로 증가되었다. 또한, 이 실시예 1 에 있어서, 공기를 수조에서 폭기시킴으로써 공기의 습도는 97 ％ 가 되었다.

[실시예 2]

비교예 1 에 있어서, 공기 대신에 연구소 폐수 처리장에서의 호기성 생물 처리 배기 가스 (용량 40 ㎥ 의 유동상식 생물 처리조, BOD 부하 0.5 kg/㎥·일의 배기 가스 (O₂ 농도 : 19.8 용량％, CO₂ 농도 : 1.3 용량％, 습도 99 ％) 를 정극실에 통기시킨 것 이외에는 동일하게 하여 발전을 실시한 결과, 발전 효율 255 W/㎥ 가 얻어졌다.

[실시예 3]

비교예 1 에 있어서, 공기 대신에 UASB 장치 (10 ㎝ 직경, 60 ㎝ 높이, 메탄올의 합성 기질, 부하 30 kg-COD_Cr/㎥/일) 의 바이오 배스 (CO₂ 농도 32 용량％, 습도 99 ％) 200 ㎖/min 와 공기 400 ㎖/min 의 혼합 가스를 정극실에 통기시킨 것 이외에는 동일하게 하여 발전을 실시한 결과, 발전 효율 248 W/㎥ 가 얻어졌다.

이상의 결과로부터, 정극실에 공급하는 산소 함유 가스에 탄산 가스 및 수증기를 도입함으로써, 혹은 이 산소 함유 가스로서 생물 처리 배기 가스를 사용함으로써, 발전 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

본 발명을 특정한 양태를 이용하여 상세하게 설명했는데, 본 발명의 의도와 범위를 벗어나지 않고 여러가지 변경이 가능한 것은 당업자에게 분명하다.

또한, 본 출원은 2008년 12월 24일자로 출원된 일본 특허 출원 (일본 특허 출원 2008-327988) 을 기초로 하고 있고, 그 전체가 인용에 의해 원용된다.

1, 30 : 조체
2, 31 : 이온 투과성 비도전성막
3, 33 : 정극실
4, 32 : 부극실
5, 35 : 정극
6, 34 : 부극

Claims (10)

1. 부극을 갖고, 미생물 및 전자 공여체를 함유하는 알칼리성인 액을 유지하는 부극실과,
   상기 부극실에 대해 이온 투과성 비도전성막을 개재하여 사이를 두고, 상기 이온 투과성 비도전성막에 접하는 정극을 갖는 정극실을 구비한 미생물 발전 장치의 상기 정극실에 산소 함유 가스를 공급하여 발전을 실시하는 미생물 발전 방법에 있어서,
   상기 정극실 내에 정극이 배치되고, 상기 정극실 내는 공실이며, 상기 정극실 내에 상기 산소 함유 가스를 도입하기 위한 가스 유입구와 상기 정극실 내로부터 산소 함유 가스를 배출하기 위한 가스 유출구를 구비하고,
   상기 산소 함유 가스가 생물 처리 배기 가스를 함유하는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 산소 함유 가스로서 호기성 생물 처리 배기 가스를 정극실에 공급하는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 산소 함유 가스로서 공기와 혐기성 생물 처리 배기 가스를 상기 정극실에 공급하는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 방법.
4. 부극을 갖고, 미생물 및 전자 공여체를 함유하는 알칼리성인 액을 유지하는 부극실과,
   상기 부극실에 대해 이온 투과성 비도전성막을 개재하여 사이를 두고, 상기 이온 투과성 비도전성막에 접하는 정극을 갖는 정극실을 구비한 미생물 발전 장치의 상기 정극실에 산소 함유 가스를 공급하여 발전을 실시하는 미생물 발전 방법에 있어서,
   상기 정극실 내에 정극이 배치되고, 상기 정극실 내는 공실이며, 상기 정극실 내에 상기 산소 함유 가스를 도입하기 위한 가스 유입구와 상기 정극실 내로부터 산소 함유 가스를 배출하기 위한 가스 유출구를 구비하고,
   상기 정극실에 공급되는 산소 함유 가스에 탄산 가스와 수증기를 도입하는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 정극실에 공기를 수조에 통기시켜 폭기시킨 후, 탄산 가스와 함께 도입하는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 방법.
6. 부극을 갖고, 미생물 및 전자 공여체를 함유하는 알칼리성인 액을 유지하는 부극실과,
   상기 부극실에 대해 이온 투과성 비도전성막을 개재하여 사이를 두고, 상기 이온 투과성 비도전성막에 접하는 정극을 갖는 정극실과,
   상기 정극실에 산소 함유 가스를 공급하는 수단을 구비한 미생물 발전 장치에 있어서,
   상기 정극실 내에 정극이 배치되고, 상기 정극실 내는 공실이며, 상기 정극실 내에 상기 산소 함유 가스를 도입하기 위한 가스 유입구와 상기 정극실 내로부터 산소 함유 가스를 배출하기 위한 가스 유출구를 구비하고,
   상기 정극실에 생물 처리 배기 가스를 도입하는 수단을 형성한 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 정극실에 호기성 생물 처리 배기 가스를 도입하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 정극실에 공기와 혐기성 생물 처리 배기 가스를 도입하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
9. 부극을 갖고, 미생물 및 전자 공여체를 함유하는 알칼리성인 액을 유지하는 부극실과,
   상기 부극실에 대해 이온 투과성 비도전성막을 개재하여 사이를 두고, 상기 이온 투과성 비도전성막에 접하는 정극을 갖는 정극실과,
   상기 정극실에 산소 함유 가스를 공급하는 수단을 구비한 미생물 발전 장치에 있어서,
   상기 정극실 내에 정극이 배치되고, 상기 정극실 내는 공실이며, 상기 정극실 내에 상기 산소 함유 가스를 도입하기 위한 가스 유입구와 상기 정극실 내로부터 산소 함유 가스를 배출하기 위한 가스 유출구를 구비하고,
   상기 정극실에 공급되는 산소 함유 가스에 탄산 가스와 수증기를 도입하는 수단을 형성한 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 정극실에 공급되는 산소 함유 가스에 탄산 가스와 수증기를 도입하는 수단이, 공기를 수조에 통기시켜 폭기시킨 후, 탄산 가스와 함께 상기 정극실에 도입하는 수단인 것을 특징으로 하는 미생물 발전 장치.

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