JP5114612B2 - 汚泥処理用微生物電池およびそれを用いた汚泥浄化装置 - Google Patents
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Description
しかし近年、Lovely等は海洋堆積物中に特殊加工したグラファイト負極を、直上の海水中に白金処理したグラファイト正極を挿入して、ジオバクターの作用により電気を取り出すことに成功した(非特許文献1)。又、Logan等は、白金処理したカーボンクロス電極を使用して実験的に家庭廃水からイオン交換膜なしで最大146mW/m2 の電力を取り出したと報告している(非特許文献2)。
しかしながら、これらの方法は電極に高価な材料を使用していること、及び、電池システムとして複雑な構造となっているためコスト高であり、実用化には更なる改善が必要であった。
正極には正極用導電性材料を用い、負極には、電気抵抗率が20Ω・cm以下の樹木およ
び/又は竹類の炭化物から成る微生物担体を用いる。
また、前記正極と、前記負極とは導電体で接続される。
ここで微生物電池は、図1の概要図に示すように、微生物と有機物を含む水溶液において、有機物を多量に含む酸素欠損部分に負極(酸化反応側:アノード)を、酸素分に富む清澄水部分に正極(還元反応側:カソード)を挿入して構成されており、負極と正極を導電体(例えば銅線、ステンレス線等の金属線、カーボンファイバー)によって結合することにより電力を外部回路を通じて取り出すことが可能である。
上述の微生物電池の負極においては、有機物を分解して電子を取り出すと共にプロトンを
水溶液中に放出する。一方、正極においては酸素とプロトン及び負極から外部回路を通じ
て供給された電子の反応により水が生成される。ここで、電極反応の効率を高めるために、
正極と負極間にプロトン透過膜(イオン交換膜)を設置することもできるが、コスト高と
なるため省略することもある。
中でも竹炭の孔内部の表面積は、竹炭1g当り約300m2と備長炭の2倍以上ある上に、孔の形状が空気や水を通しやすい構造となっていて、微生物の栄養分を取り入れやすく微生物の増殖に適しているため、本発明の微生物担体として好適に用いられる。
更に、竹類は里山に密生して生育しており、従来からその有効活用が探索されていたこと、及び、生育が早いため原料供給の点では問題がないなど、経済的環境も竹炭を汚泥浄化用の微生物担体として使用するのに有利な条件となっている。
又、木炭及び竹炭は正極として用いることもできる。正極としては、この他にグラファイト、活性炭、カーボンクロス、白金等のイオン化傾向の小さい金属又はシリコン等の半導体、が用いられるが、耐久性が良く特性が劣化せず且つコスト的に優れているものが好適である。
次に、上述の汚泥処理装置の用途としては、特に排水溝に設置された汚水枡に上記の微生物電池を汚泥浄化装置として設置する用途に好適に用いられる。
なお外部回路を通じて取り出された電力は、蓄電池への電力保存、加熱又は照明等に利用される。
所定の形状への組合せ・配列は、結合材を用いても良いし、枠又はネットに収容することによっても達成される。上記の結合材、枠およびネットは鉄製の導電性のあるものが好ましいが、必ずしもこれに限定されない。そして、負極の形状は図2の概要図に示すように、一般的には板状のもの(図2−1)や、折板状(図2−2)のものが用いられるが必ずしもこれに限定されない。
又、前述のように所定形状に組み合わされた炭化物は、断面を貫通する孔等の隙間を有しているほうが望ましい。その理由は、水平に設置された負極において、砂礫等の無機物が負極表面に堆積し、微生物による有機物分解の効率を低下させることを防止するためである。これにより、比重が1以上の重い無機物は底部に沈殿する。
さらに、竹炭の表面は、表皮等により孔部が覆われていることがあるので、孔部が露出するように表面加工することが望ましい。
なお、正極材は負極材と同様に竹炭又は木炭を使用を使用するか、グラファイトや金属等のうち、品質が良く、低コストのものを使用する。
微生物が活動する温度範囲は、微生物の種類により様々であるが、一般的には20℃〜45℃、特には30℃〜40℃が望ましい。従って、寒冷期には、発生する電力を活用して加熱することも有効である。又、負極と正極の間にプロトン交換膜(イオン交換膜)を設置しても良いが、低コスト化のために省略することが一般的である。
更に、砂礫、木片、金属片等の異物が汚水枡に混入することを防止するため、排水溝にフィルターを設置することが望ましい。
岡山産の竹炭(長さ12cm、幅3cm、厚さ5mm)の中から、電気抵抗率が20Ω・cm以下のもの(A群とする)と25Ω・cm以上のもの(B群とする)を選別し、各群の竹炭6枚を幅方向に接合して、12cm×18cmとなるように組合せ、プラスチック容器(長さ25cm、幅15cm、高さ15cm)の底部に設置し負極とした。ここでA群の平均電気抵抗率は10Ω・cmであり、B群の平均電気抵抗率は100Ω・cmであった。
なお、図4に電気抵抗率が10Ω・cmの竹炭の厚み方向断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した微細組織を示すが、孔部の長手方向は20ミクロン〜80ミクロン、短手方向は10ミクロン〜50ミクロンであった。
次に、三重県河芸町の生活排水が流れ込むどぶ川(伊勢湾から約500m上流にある)から汚泥混じりの汚水約5000cm3を採取し、該汚泥をプラスチック容器に注入した後、深さが約13cmとなるまで水道水を加えた。ここで沈殿汚泥高さは約8cmであった。正極には、面積75cm2の備長炭を用いて上澄み水部に設置し、負極と正極をステンレス線で結線した。
上記のように構成されたプラスチック容器を、昼間の最高温度36℃、夜間の最低温度23℃の室内に放置し電池性能を調査した。
上述の外部回路となるステンレス線に流れる電流を測定した。A群を負極とした場合の電流−電圧曲線(I−V)及び電流−電力曲線(I−W)を図6に示す。ここで、汚泥量は3週間後に約20%減少した。
図5に3週間後のA群の負極を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した微細組織を示すが、竹炭の孔部で増殖した棒状のバクテリアが観察された。該バクテリアの詳細観察から、Caulobacter属に近い形状を有していると判断されたが特定はできなかった。
一方、B群を負極とする微生物電池は、3週間後においても発生電力量は20%以下であった。
Claims (8)
- 微生物による有機物の分解作用を利用する微生物電池であって、正極用導電性材料を
正極とし、
樹木および/又は竹類の炭化物から成り、電気抵抗率が20Ω・cm以下の微生物担体
を負極とし、
前記正極と、前記負極とが導電体で接続されて構成される汚泥処理用微生物電池。 - 前記の炭化物が竹炭であることを特長とする請求項1に記載の汚泥処理用微生物電池。
- 前記の負極材が、その厚み方向を貫通する複数の空洞部を有することを特長とする請求項1又は請求項2の何れかに記載の汚泥処理用微生物電池。
- 前記の負極材が、金属還元剤と組み合わされていることを特長とする請求項1〜3に記載の汚泥処理用微生物電池。
- 前記の金属還元剤が鉄合金であることを特長とする請求項4に記載の汚泥処理用微生物電池。
- 前記正極用導電性材料が、
樹木および/又は竹類の炭化物から成り、電気抵抗率が20Ω・cm以下の微生物担体である請求項1〜5の何れかに記載の汚泥処理用微生物電池。 - 前記汚泥処理用微生物電池の前記負極を汚泥浄化装置内汚水の汚泥部に、又前記正極を前記汚泥浄化装置内汚水の上澄み水部に配設したことを特長とする請求項1〜6の何れか1項に記載の汚泥処理用微生物電池。
- 前記汚泥処理用微生物電池の前記負極を排水溝に配設される汚水枡汚水の汚泥部に、又前記正極を前記排水溝に配設される前記汚水枡汚水の上澄み水部に配設したことを特長とする請求項1〜6の何れか1項に記載の汚泥処理用微生物電池。
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