JP7734370B2 - Water treatment device and water treatment method - Google Patents
Water treatment device and water treatment methodInfo
- Publication number
- JP7734370B2 JP7734370B2 JP2022015794A JP2022015794A JP7734370B2 JP 7734370 B2 JP7734370 B2 JP 7734370B2 JP 2022015794 A JP2022015794 A JP 2022015794A JP 2022015794 A JP2022015794 A JP 2022015794A JP 7734370 B2 JP7734370 B2 JP 7734370B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- water
- water treatment
- treated
- aeration
- negative electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage
Landscapes
- Biological Treatment Of Waste Water (AREA)
- Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
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。 A variety of water treatment methods have been proposed to remove organic matter from wastewater. Specifically, these methods include the activated sludge process, which utilizes the aerobic respiration of microorganisms, and the anaerobic treatment process, which utilizes the anaerobic respiration of microorganisms.
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 process, wastewater is purified by mixing mud containing microorganisms (activated sludge) with wastewater in a biological reactor, and then sending air into the reactor, which is necessary for the microorganisms to oxidize and decompose the organic matter in the wastewater, and stirring the mixture. However, the activated sludge process requires a huge amount of electricity to aerate the biological reactor. In addition, as the microorganisms breathe oxygen and actively metabolize, large amounts of sludge (dead microorganisms) are generated as industrial waste.
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。 In contrast, anaerobic treatment does not require aeration, so the amount of electricity required can be significantly reduced compared to activated sludge treatment. Furthermore, because the free energy acquired by microorganisms is small, the amount of sludge produced is reduced. Patent Document 1 discloses a microbial fuel cell as an example of a water treatment device that utilizes this type of anaerobic treatment.
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。 A microbial fuel cell has a negative electrode that supports microorganisms and a positive electrode that comes into contact with an oxygen-containing gas phase and wastewater. Wastewater containing organic matter is supplied to the negative electrode, and oxygen-containing gas is supplied to the positive electrode. The negative and positive electrodes are connected to each other via a load circuit to form a closed circuit. At the negative electrode, hydrogen ions and electrons are generated from the wastewater through the catalytic action of the microorganisms. The generated hydrogen ions then move to the positive electrode, and the electrons move to the positive electrode via the load circuit. The hydrogen ions and electrons that move from the negative electrode combine with oxygen at the positive electrode to become water, which is consumed. In this process, the electrical energy flowing through 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。 Patent Document 1 discloses a microbial fuel cell that includes a negative electrode that is immersed in an organic substrate and supports anaerobic microorganisms, and a positive electrode that is enclosed together with an electrolyte in a sealed hollow cassette that has an outer shell formed from an ion-permeable diaphragm and an inlet/outlet hole and is inserted into the organic substrate. In this microbial fuel cell, oxygen is supplied into the cassette via the inlet/outlet hole, while electricity is extracted via a circuit that electrically connects the negative and positive electrodes.
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 systems that use microbial fuel cells can treat organic matter in wastewater to a certain extent. However, there is a demand for water treatment systems that can more efficiently treat organic matter in wastewater and produce water of good 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 was made in consideration of these problems with the prior art. The object of the present invention is to provide a water treatment device and water treatment method that can efficiently remove organic matter from wastewater using anaerobic treatment, thereby achieving 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。 To solve the above problems, a water treatment device according to one aspect of the present invention comprises a water treatment structure including: a negative electrode that contacts the water to be treated inhabited by anaerobic microorganisms, including facultative anaerobes and obligate anaerobes, and to which the anaerobic microorganisms adhere; and a positive electrode that is electrically connected to the negative electrode and contacts an oxygen-containing gas phase and the water to be treated. The water treatment device further comprises an aeration device that intermittently aerates the water to be treated with an oxygen-containing gas. The aeration device alternates between an active aeration state and an inactive aeration state, and during the active aeration state, the oxygen-containing gas 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 device may further include a treatment tank that holds the water treatment structure, the water to be treated, and at least a portion of the aeration device.
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 water treatment devices, it is preferable to bring oxygen-containing gas into contact with anaerobic microorganisms, so that facultative anaerobes remain in the water being treated and obligate anaerobes are removed from the water being treated.
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 alternate between an aeration state and a stopped 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 a water treatment device, the aeration period can be 10 to 20 minutes, and the aeration period 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 have aerobic microorganisms attached thereto 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 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 one aspect of the present invention uses a water treatment structure that includes a negative electrode that contacts water to be treated inhabited by anaerobic microorganisms, including facultative anaerobes and obligate anaerobes, and to which the anaerobic microorganisms adhere, and a positive electrode that is electrically connected to the negative electrode and contacts an oxygen-containing gas phase and the water to be treated. The water treatment method alternates between an aeration state in which an oxygen-containing gas is aerated into the water to be treated, bringing the gas into contact with the anaerobic microorganisms, and an aeration stop state in which aeration of the gas is stopped.
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。 The present invention provides a water treatment device and water treatment method that can efficiently remove organic matter from wastewater using anaerobic treatment, thereby achieving good water quality.
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。 The water treatment device and water treatment method according to this embodiment will be described in detail below using the drawings. Note that the dimensional proportions in the drawings have been exaggerated for the sake of explanation and may differ from the actual proportions.
[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]
1 to 3, the water treatment device 100 according to this embodiment includes a water treatment structure 10 and a treatment tank 20 that holds the water treatment structure 10 and the water to be treated 30 that is purified by the water treatment structure 10. The water treatment device 100 further includes an aeration device 50 that aerates the water to be treated 30 with an oxygen-containing gas.
(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 includes a conductor 1. As shown in Figures 1 to 3, the conductor 1 is made of a conductive material and is a flat plate member having a substantially rectangular parallelepiped shape.
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 region where an oxygen reduction reaction occurs, reducing oxygen in the gas phase 40, and a region where an organic matter oxidation reaction occurs, oxidizing organic matter in the water to be treated 30 to produce hydrogen ions and electrons. Specifically, in the water treatment structure 10, the region where the oxygen reduction reaction occurs is the upper portion (cathode 11) that is in contact with the gas phase 40 and the water to be treated 30, and the region where the organic matter oxidation reaction occurs is the lower portion (negative electrode 12) that is in contact with the water to be treated 30. In this way, in the water treatment structure 10, the positive electrode 11 and negative electrode 12 are integrally configured.
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 where an oxygen reduction reaction occurs and the negative electrode 12 where an organic matter oxidation reaction occurs. Due to the existence of a continuous space inside the conductor 1, as will be described later, hydrogen ions generated at the negative electrode 12 can move to the positive electrode 11 through the internal space.
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 can be, for example, at least one selected from the group consisting of conductive metals, carbon materials, and conductive polymer materials. The conductive metal can be, for example, at least one selected from the group consisting of aluminum, copper, stainless steel, nickel, and titanium. The carbon material can be, for example, at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon felt, carbon cloth, and graphite sheet. The conductive polymer material can be, for example, at least one selected from the group consisting of polyacetylene, polythiophene, polyaniline, poly(p-phenylene vinylene), polypyrrole, and poly(p-phenylene sulfide).
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 mentioned above, the conductor 1 has an internal space between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 for hydrogen ions to move between, so it preferably has a continuous space from the negative electrode 12 to the positive electrode 11. To ensure this internal space, the conductor 1 preferably includes a porous conductive sheet. It is more preferable that the conductor 1 be made of a porous conductive sheet. Such a porous conductive sheet has many pores inside, allowing hydrogen ions to move easily.
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 comprises at least one of a woven conductive sheet and a nonwoven conductive sheet. Woven conductive sheets and nonwoven conductive sheets have numerous pores, which facilitate the movement of hydrogen ions. Alternatively, the conductor 1 may be a metal plate with multiple through-holes extending 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 preferably comprises a nonwoven conductive sheet, and particularly preferably consists of a nonwoven conductive sheet. Because the thickness and porosity of nonwoven fabric can be easily adjusted, as described below, it is easy to achieve a configuration in which anaerobic microorganisms are attached to the negative electrode 12 of the conductor 1 and an oxygen reduction catalyst or aerobic microorganisms are supported on the positive electrode 11. The pore size of the spaces 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 perspective, it is particularly preferable that the conductive material constituting the conductor 1 be 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 Figures 1 to 3, the length L1 of the water treatment structure 10 in the vertical direction Y is preferably longer than the length L2 of the water treatment structure 10 in the width direction Z perpendicular to the vertical direction Y. It is particularly preferable that the water treatment structure 10 be plate-shaped. This increases 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, creating anaerobic conditions around the negative electrode 12. This allows anaerobic microorganisms to adhere to the negative electrode 12 of the water treatment structure 10, allowing efficient oxidation of organic matter. Furthermore, in the water treatment structure 10, a potential difference is generated between the site where the oxygen reduction reaction occurs (positive electrode 11) and the site where the organic matter oxidation reaction occurs (negative electrode 12), allowing electrons to be efficiently conducted from the negative electrode 12 to the positive electrode 11 via the conductor 1.
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 of the water treatment structure 10 is preferably at least twice the length L2 in the width direction Z, more preferably at least five times, even more preferably at least eight times, and particularly preferably at least ten times. There is no particular upper limit to the length L1 in the vertical direction Y of the water treatment structure 10, but it is preferably, for example, no more than 50 times the length L2 in the width direction Z.
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 mentioned above, it is more preferable that the water treatment structure 10 be plate-shaped. However, the shape of the water treatment structure 10 is not limited to this, and it may be rod-shaped or string-shaped as long as the length L1 in the vertical direction Y can be longer than the length L2 in the width direction Z. When the water treatment structure is plate-shaped, rod-shaped, or string-shaped, 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, allowing more anaerobic microorganisms to adhere to the negative electrode 12. Furthermore, in the water treatment structure 10, a potential difference can be generated between the positive electrode 11, where an oxygen reduction reaction occurs, and the negative electrode 12, where an organic matter oxidation reaction occurs, thereby controlling the metabolism of the microorganisms. Note that when the water treatment structure 10 is rod-shaped or string-shaped, the length L2 in the width direction Z, which is perpendicular to the vertical direction Y, refers to the maximum linear distance between two points on the periphery 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, an oxygen reduction catalyst 2 is preferably supported on the site (positive electrode 11) where the oxygen reduction reaction occurs in the water treatment structure 10. Supporting the oxygen reduction catalyst 2 allows the oxygen reduction reaction involving oxygen, hydrogen ions, and electrons to proceed efficiently at the positive electrode 11. The oxygen reduction catalyst 2 may be supported on the surface of the conductor 1 or 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. Alternatively, the oxygen reduction catalyst 2 may include carbon particles doped with at least one non-metallic atom and a metal atom. The atoms doped into the carbon particles are not particularly limited. The non-metallic atom is preferably at least one selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur, and phosphorus atoms. The metal atom is preferably at least one of iron and copper atoms.
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. In other words, the oxygen reduction catalyst 2 may be supported on the surface and inside the pores of the conductor 1 using a binder. This prevents the oxygen reduction catalyst 2 from detaching from the conductor 1 and reducing its oxygen reduction properties. The binder may be, for example, at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), and ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM). NAFION (registered trademark) may 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 to be treated 30 and generate hydrogen ions and electrons are attached to the area (negative electrode 12) in the water treatment structure 10 where the organic matter oxidation reaction occurs. The anaerobic microorganisms 3 do not require oxygen to grow, and do not require air to oxidize and decompose the organic matter in the water to be treated 30. This allows for a significant reduction in the amount of electricity required to supply air. Furthermore, because the free energy acquired by the 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 attached to the negative electrode 12 of the water treatment structure 10 are preferably, for example, electricity-producing bacteria with an extracellular electron transport mechanism. Specific examples of anaerobic microorganisms include bacteria of the genus 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。 A biofilm containing anaerobic microorganisms may be layered and fixed on the negative electrode 12 of the water treatment structure 10, thereby allowing the anaerobic microorganisms to adhere to the negative electrode 12. Note that a biofilm generally refers to a three-dimensional structure containing a microbial population and extracellular polymeric substances (EPS) produced by the microbial population. However, the anaerobic microorganisms may also adhere to the negative electrode 12 without using a biofilm. Furthermore, the anaerobic microorganisms may adhere not only to the surface of the negative electrode 12, but also to the interior thereof.
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。 Anaerobic microorganisms include facultative anaerobes and obligate anaerobes. Facultative anaerobes are anaerobic bacteria that can survive even in the absence of oxygen. Absolute anaerobes are anaerobic bacteria that cannot survive in the presence of oxygen and will die out. Both facultative anaerobes and obligate anaerobes are attached 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 produce water by reacting oxygen in the gas phase 40 with hydrogen ions and electrons may be attached to the site (cathode 11) in the water treatment structure 10 where the oxygen reduction reaction occurs. Examples of such aerobic microorganisms 4 include bacteria of the genus 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。 The water treatment structure 10 may consist only of the conductor 1, without supporting the oxygen reduction catalyst 2 on the positive electrode 11. As described below, when both anaerobic microorganisms 3 and aerobic microorganisms 4 are present in the water to be treated 30, the anaerobic microorganisms 3 will adhere to the positive electrode 11 and the aerobic microorganisms 4 will adhere to the negative electrode 12, causing a local cell reaction and enabling the oxidative decomposition of 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 device 100 includes a substantially rectangular parallelepiped treatment tank 20 that holds organic matter-containing water to be treated 30 inside. A front wall 23 of the treatment tank 20 is provided with an inlet 21 for supplying the water to be treated 30 to the treatment tank 20. A rear wall 24 of the treatment tank 20 is provided with an outlet 22 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 into the treatment tank 20 through the inlet 21. As shown in Figures 1 and 2, the water treatment structure 10 is disposed inside the treatment tank 20 so that the negative electrode 12 and a portion of the positive electrode 11 are immersed in the water to be treated 30. Therefore, the water to be treated 30 supplied from the inlet 21 of the treatment tank 20 flows while coming into contact with the water treatment structure 10, and is 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。
(Aeration device)
Water treatment device 100 further includes an aeration device 50 that intermittently aerates oxygen-containing gas into water to be treated 30. Aeration device 50 includes an aeration member 51 having holes for diffusing the gas, an aeration blower 52 for pressurizing the gas, and piping 53 for supplying the gas from aeration blower 52 to aeration member 51. Aeration device 50 further includes a control unit 54 that is electrically connected to aeration blower 52 and controls the operation of 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 diffusing member 51 is a member with many holes that allow gas to flow through. The diffusing member 51 is not particularly limited, but examples include a porous ceramic diffusing plate made of large ceramic particles bonded together with a binder or a synthetic resin diffusing plate. A membrane diffuser can also be used as the diffusing 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 outside the treatment tank 20 is connected to the air diffuser 51. Specifically, one end of the hollow pipe 53 is connected to the lower part of the air diffuser 51. The pipe 53 penetrates the rear wall 24 of the treatment tank 20 and extends to the outside of the treatment tank 20. An aeration blower 52 for pressurizing the gas is connected to the other end of the pipe 53.
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 consisting of a CPU, RAM, ROM, hard disk, etc., and electronic circuits, etc. The control unit 54 controls the operation and stop of the aeration blower 52, the operation and stop times, and the volume of gas supplied to the aeration 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 aerated from the aeration device 50 into 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, the operation of the water treatment device 100 of this embodiment will be described. In the water treatment device 100, the water treatment structure 10 is installed inside the treatment tank 20, which holds the water to be treated 30. In this case, 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 approximately parallel to the vertical direction Y.
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 Figures 4 and 5, the positive electrode 11 of the water treatment structure 10 is in contact with the gas phase 40 and the water surface 30a of the water to be treated 30. Furthermore, the positive electrode 11 of the water treatment structure 10 is also in contact with the water to be treated 30. Note that the water to be treated 30 in contact with the positive electrode 11 is located near the gas phase 40, and therefore has a high dissolved oxygen concentration.
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 to be treated 30. Note that since the length L1 of the water treatment structure 10 in the vertical direction Y is longer than the length L2 in the width direction Z, the negative electrode 12 is separated from the water surface 30a, resulting in a low dissolved oxygen concentration.
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, the water to be treated 30 that comes into contact with the positive electrode 11 of the water treatment structure 10 has a high dissolved oxygen concentration, so if the water to be treated 30 contains aerobic microorganisms 4, the aerobic microorganisms 4 will adhere to the positive electrode 11. Here, if the conductor 1 is porous, for example, the water to be treated 30 will rise due to capillary action, and the water to be treated 30 can be held up to the upper end of the conductor 1. Therefore, the aerobic microorganisms 4 can adhere to the entire upper part 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。 In addition, the negative electrode 12 of the water treatment structure 10 is located away from the water surface 30a, and since the surrounding oxygen concentration is low, 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 device 100 configured as described above, an oxidation reaction of organic matter contained in the water to be treated 30 progresses due to the metabolism of anaerobic microorganisms 3 at the negative electrode 12 of the water treatment structure 10, producing hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ). The hydrogen ions produced by the oxidation reaction pass through the internal space of the conductor 1 and move to the positive electrode 11. Furthermore, the electrons produced by the oxidation reaction move to the positive electrode 11 via 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, at the positive electrode 11, the electrons and hydrogen ions transferred from the negative electrode 12 react with oxygen molecules through the action of an oxygen reduction catalyst and/or aerobic microorganisms to produce water. In this way, an oxidation reaction of organic matter progresses at the negative electrode 12, and an oxygen reduction reaction progresses at the positive electrode 11, forming a local battery circuit for the entire water treatment structure. In this way, the catalytic action of the anaerobic microorganisms 3 at the negative electrode 12 decomposes organic matter in the water to be treated 30, making it possible to purify the water to be treated 30.
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。 In the water treatment structure 10, a potential difference occurs between the positive electrode 11, where an oxygen reduction reaction occurs, and the negative electrode 12, where an 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, the length L1 of the water treatment structure 10 in the vertical direction Y is longer than the length L2 in the width direction Z, so the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are separated from each other. The conductor 1 between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 has a high electrical resistivity, which creates a potential difference between the positive electrode 11 and the negative electrode 12. In other words, the relatively high electrical resistivity of the conductor 1 between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 allows the positive electrode 11 and the negative electrode 12 to be controlled to an appropriate potential, thereby ensuring a sufficient potential difference between the positive electrode 11 and the negative electrode 12. By ensuring the potential difference, the metabolism of the microorganisms is controlled, allowing electrons to be efficiently conducted from the negative electrode 12 to the positive electrode 11 through the conductor 1, further increasing the efficiency of decomposing organic matter in the water to be treated 30. Furthermore, the water treatment structure 10 does not require the installation of external circuitry such as wiring or a booster system to ensure the potential difference, and since the positive electrode 11 and negative electrode 12 are short-circuited, it can be configured simply.
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。 The water to be treated 30 is inhabited by anaerobic microorganisms, including both facultative anaerobes (Geobacter), which are electricity-generating bacteria, and obligate anaerobes. Therefore, both facultative anaerobes and obligate anaerobes are attached to the negative electrode 12 as anaerobic microorganisms. Facultative anaerobes have a greater ability than obligate anaerobes to decompose organic matter in the water to be treated 30 and generate hydrogen ions and electrons. Therefore, it is preferable that the anaerobic microorganisms inhabiting the water to be treated 30 and the anaerobic microorganisms attached to the negative electrode 12 be 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 this embodiment, the aeration device 50 is used to intermittently aerate the water to be treated 30 with oxygen-containing gas. In other words, the aeration device 50 alternately switches between active and inactive aeration of the water to be treated 30. During the aeration state, the oxygen-containing gas is brought into contact with the facultative anaerobic bacteria and the obligate anaerobic bacteria. As a result, the facultative anaerobic bacteria remain inhabiting the water to be treated 30, but most of the obligate anaerobic bacteria are killed. Furthermore, while the facultative anaerobic bacteria attached to the negative electrode 12 remain, some of the obligate anaerobic bacteria are killed, resulting in a decrease in the amount of obligate anaerobic bacteria. Therefore, facultative anaerobic bacteria can predominate in the water to be treated 30 and the negative electrode 12. This makes it easier for the facultative anaerobic bacteria to decompose organic matter in the water to be treated 30, thereby enabling efficient purification of the water to be treated 30.
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 to be treated 30 is continuously aerated, the amount of dissolved oxygen in the water to be treated 30 increases, making it difficult to maintain an anaerobic atmosphere around the anode 12. Therefore, the water to be treated 30 is aerated intermittently. Specifically, it is preferable for the aeration device 50 to alternate between active and inactive aeration at regular intervals. The duration of the active and inactive aeration states can be adjusted based on the flow rate of the water to be treated 30 and the amount and ratio of facultative anaerobic bacteria and obligate anaerobic bacteria living in the water to be treated 30. However, the duration of the active aeration state can be set to 10 to 20 minutes, and the duration of the inactive aeration state can be set to 40 to 3 hours. For example, it is preferable to set the active aeration state to 20 minutes and the inactive aeration state to 40 minutes, alternating between 20 minutes of aeration and 40 minutes of inactive aeration.
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。 Furthermore, the aeration air volume during aeration is not particularly limited as long as it is an amount that allows facultative anaerobic bacteria to predominate, but it is preferable that it does not exceed the aeration air volume used in general aerobic treatment, for example.
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。 Intermittent aeration of the water to be treated 30 may be performed from the beginning when the water treatment structure 10 begins to purify the water to be treated 30, or may be performed when the purification efficiency of the water to be treated 30 by the water treatment structure 10 has decreased. Furthermore, intermittent aeration of the water to be treated 30 may be performed continuously while the water treatment structure 10 is purifying the water to be treated 30, or may be stopped when the purification efficiency of the water to be treated 30 by the water treatment structure 10 has 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。 As such, the water treatment device 100 of this embodiment includes a water treatment structure 10 having a negative electrode 12 that contacts the water to be treated 30 inhabited by anaerobic microorganisms 3, including facultative anaerobes and obligate anaerobes, and to which the anaerobic microorganisms 3 adhere, and a positive electrode 11 that is electrically connected to the negative electrode 12 and contacts the oxygen-containing gas phase 40 and the water to be treated 30. The water treatment device 100 further includes an aeration device 50 that intermittently aerates the water to be treated 30 with an oxygen-containing gas. The aeration device 50 alternates between an active aeration state and an inactive aeration state, and when in the active aeration state, the oxygen-containing gas 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。 The water treatment method of this embodiment uses a water treatment structure 10 that includes a negative electrode 12 that contacts the water to be treated 30 inhabited by anaerobic microorganisms 3, including facultative anaerobes and obligate anaerobes, and to which the anaerobic microorganisms 3 adhere, and a positive electrode 11 that is electrically connected to the negative electrode 12 and contacts the oxygen-containing gas phase 40 and the water to be treated 30. The water treatment method alternates between an aeration state in which an oxygen-containing gas is aerated into the water to be treated 30, bringing the gas into contact with the anaerobic microorganisms 3, and an aeration stop state in which aeration of the gas is stopped.
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 device 100 and water treatment method of this embodiment, aeration and non-aeration of the water to be treated 30 are alternately repeated. During aeration, oxygen-containing gas is brought into contact with facultative anaerobic bacteria and obligate anaerobic bacteria. As a result, of the anaerobic microorganisms 3 inhabiting the water to be treated 30 in the treatment tank 20, obligate anaerobic bacteria are removed, while facultative anaerobic bacteria remain. Furthermore, while facultative anaerobic bacteria attached to the negative electrode 12 remain, some of the obligate anaerobic bacteria are killed, resulting in a decrease in the amount of obligate anaerobic bacteria. As a result, facultative anaerobic bacteria predominate on the surfaces of the water to be treated 30 and the negative electrode 12, making it easier for the facultative anaerobic bacteria to decompose organic matter in the water to be treated 30, thereby enabling efficient purification of the water to be treated 30.
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 this embodiment, oxygen-containing gas may be aerated throughout the entire water to be treated 30. Alternatively, as shown in Figures 2 and 3, an aeration member 51 may be disposed below the negative electrode 12 to aerate the area around the negative electrode 12. Alternatively, the aeration member 51 may be disposed upstream of the negative electrode 12, for example, near the front wall 23 of the treatment 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 device 100 shown in Figures 1 to 3, one water treatment structure 10 is installed inside one treatment tank 20. However, this embodiment is not limited to this configuration, and multiple water treatment structures 10 may be installed inside the treatment tank 20. By installing multiple water treatment structures 10 inside one treatment tank 20, it is possible to more efficiently purify organic matter in the water to be treated 30.
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 electron transfer mediator molecules. Alternatively, the water to be treated 30 in the treatment tank 20 may contain electron transfer mediator molecules. This promotes electron transfer from the anaerobic microorganisms 3 to the negative electrode 12, enabling more efficient liquid treatment.
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。 The water treatment device of this embodiment is equipped with the water treatment structure 10 and the aeration device 50, which allows for efficient removal of organic matter from wastewater using anaerobic treatment, thereby achieving good water quality. Therefore, the treatment tank 20 is not an essential component of the water treatment device in order to achieve the above-mentioned 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 device 100 according to the first embodiment, the water treatment structure 10 has an integral structure in which the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are integrated. In other words, the water treatment structure 10 is composed of a plate-like member having the positive electrode 11 and the negative electrode 12. However, the water treatment structure is not limited to this structure and may be 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。 As shown in Figures 6 to 8, the water treatment device 200 according to this embodiment includes a water treatment structure 110 having a positive electrode 111 and a negative electrode 112. The water treatment device 200 further includes a treatment tank 120 in which the water treatment structure 110 is arranged so as to be immersed in the water to be treated 130.
(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 having anaerobic microorganisms attached thereto. In the water treatment structure 110, the positive electrode 111 and the negative electrode 112 are disposed so as to face each other, and further, 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 Figure 7, the positive electrode 111 is stacked and fixed on a spacer member 115. The spacer member 115 is a U-shaped frame member that fits along the outer periphery of the surface 111a of the positive electrode 111 and is open at the top. The side surface 115a of the spacer member 115 is joined to the outer periphery of the surface 111a of the positive electrode 111, and the side surface opposite the side surface 115a is joined to the outer periphery of the surface 116a of the 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 Figures 6 and 8, a laminate consisting of a positive electrode 111, a spacer member 115, and a plate member 116 is placed inside a treatment tank 120 so that a gas phase 140 communicating with the atmosphere is formed. 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, and the plate member 116 is made of a flat plate material that is impermeable to the water to be treated 130. As a result, the water to be treated 130 held inside the treatment tank 120 is separated from the internal space formed by the positive electrode 111, spacer member 115, and plate member 116, and this internal space becomes a gas phase 140. The water treatment device 200 is configured so that this gas phase 140 is either released to the outside air, or air is supplied to the gas phase 140 from the outside, for example, by 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 consists of a gas diffusion electrode including a water-repellent layer 113 and a gas diffusion layer 114 that is overlaid so as to be in contact with the water-repellent layer 113. By using such a thin-plate gas diffusion electrode, oxygen in the gas phase 140 can be easily supplied to the catalyst in the positive electrode 111.
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 that is both water-repellent and oxygen-permeable. The water-repellent layer 113 effectively separates the gas phase 140 and the water to be treated 130 in the water treatment structure 110, while allowing oxygen to move from the gas phase 140 to the water to be treated 130. The water-repellent layer 113 is in contact with the oxygen-containing gas phase 140, and supplies oxygen to the gas diffusion layer 114 in a substantially uniform manner.
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。 The water-repellent layer 113 is preferably porous so that the oxygen can diffuse. Furthermore, the material that constitutes the water-repellent layer 113 is not particularly limited as long as it is water-repellent and can diffuse the oxygen in the gas phase 140. For example, the material that constitutes the water-repellent layer 113 can be at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polybutadiene, nylon, polytetrafluoroethylene (PTFE), ethyl cellulose, poly-4-methylpentene-1, butyl rubber, and polydimethylsiloxane (PDMS).
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。 The gas diffusion layer 114 comprises a porous conductive material and an oxygen reduction catalyst supported on the conductive material. By providing such a gas diffusion layer 114 on the positive electrode 111, electrons generated by the local cell reaction (described below) can be conducted 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 one or more materials selected from the group consisting of carbon-based substances, conductive polymers, semiconductors, and metals. Furthermore, the oxygen reduction catalyst in the gas diffusion layer 114 can be the same as that in the first embodiment.
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。 The negative electrode 112 of this embodiment, like the first embodiment, supports anaerobic microorganisms, and further generates hydrogen ions and electrons from organic matter in the water to be treated 130 through 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 with multiple through-holes in the thickness direction. Alternatively, a graphite sheet may be used as the conductive sheet for 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 a proton-permeable ion migration layer (not shown) disposed between the positive electrode 111 and the negative electrode 112. The ion migration layer is electrically insulating and has the function of allowing hydrogen ions generated at the negative electrode 112 to pass through and migrate to the positive electrode 111. For example, an ion exchange membrane using an ion exchange resin can be used as the ion migration layer. Alternatively, a porous membrane with pores that allow hydrogen ions to pass through can also be used as the ion migration layer.
(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)
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, organic matter in the water to be treated 130 is decomposed by the catalytic action of anaerobic microorganisms supported on the negative electrode 112, generating electrons. The electrons generated at the negative electrode 112 move to the external circuit 160 and then move from the external circuit 160 to the positive electrode 111. At this time, the external circuit 160 can recover electrical energy flowing in the closed circuit.
(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 device)
The water treatment device 200 includes a treatment tank 120 having an inlet 121 provided in a front wall 123 and an outlet 122 provided in a rear wall 124, similar to 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。 Furthermore, as in the first embodiment, the water treatment device 200 includes an aeration device 150 that includes an aeration member 151 that diffuses gas, an aeration blower 152 that pressurizes the gas, and a piping 153 that supplies gas from the aeration blower 152 to the aeration member 151. The aeration device 150 further includes a control unit 154 that is electrically connected to the aeration blower 152 and controls the operation of the aeration blower 152. Note that, although the aeration member 51 is disposed below the negative electrode 112 in Figure 8, the aeration member 51 may also be disposed 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 Figures 6 and 8, when a water treatment structure 110 equipped with a positive electrode 111 and a negative electrode 112 is immersed in the water to be treated 130, the gas diffusion layer 114 of the positive electrode 111 and the negative electrode 112 are immersed in the water to be treated 130, and a portion 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。 When the water treatment device 200 is operating, water to be treated 130 containing organic matter is supplied to the negative electrode 112, and air is supplied to the positive electrode 111. At this time, air is continuously supplied through an opening provided at the top 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。 At the positive electrode 111, oxygen diffuses through the water-repellent layer 113 to the gas diffusion layer 114. At the negative electrode 112, the catalytic action of anaerobic microorganisms generates hydrogen ions and electrons from organic matter in the water to be treated 130. The hydrogen ions generated at the negative electrode 112 migrate toward the positive electrode 111 and reach the gas diffusion layer 114 within the positive electrode 111. The generated electrons migrate to the external circuit 160 through the conductive sheet of the negative electrode 112, and then from the external circuit 160 to the gas diffusion layer 114 of the positive electrode 111. The hydrogen ions and electrons then combine with oxygen through the action of the oxygen reduction catalyst in the gas diffusion layer 114, becoming water, which is then consumed. At this time, the external circuit 160 recovers the electrical energy flowing through the closed circuit. In this way, the water treatment structure 110 can decompose organic matter in the water to be treated 130 through the action of anaerobic microorganisms at 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。 In the water treatment device 200 of this embodiment, as in the first embodiment, both facultative anaerobes and obligate anaerobes inhabit the water to be treated 130 as anaerobic microorganisms. Furthermore, both facultative anaerobes and obligate anaerobes are attached to the negative electrode 112 as anaerobic microorganisms. Therefore, the aeration device 150 alternates between active and inactive aeration of the water to be treated 130. During the active aeration state, oxygen-containing gas is brought into contact with the facultative anaerobes and obligate anaerobes. As a result, while the facultative anaerobes remain inhabiting the water to be treated 130, most of the obligate anaerobes are killed, allowing the facultative anaerobes to predominate. Furthermore, while the facultative anaerobes remain attached to the negative electrode 112, some of the obligate anaerobes are killed, resulting in a decrease in the amount of obligate anaerobes. This makes it easier for the facultative anaerobic bacteria to decompose organic matter in the water to be treated 130, allowing the water to be treated 130 to 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。 In this embodiment, it is preferable that the aeration device 150 alternate between an active aeration state and an inactive aeration state at regular intervals. The active aeration state can last for 10 to 20 minutes, and the inactive aeration state can last for 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。 The present embodiment will be described in more detail below using 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。
[Fabrication of water treatment structure]
First, the water treatment structures used in Example 1 and Comparative Example 1, and the water treatment structure used in Example 2 were fabricated.
(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 graphite sheets (conductors) were prepared, each measuring 68 cm in length, 30 cm in width, and 0.5 cm in thickness. A plurality of through holes were formed in the graphite sheets, except for the top 8 cm of each sheet. The through holes were drilled along the thickness direction of the graphite sheets.
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, an iron-based catalyst consisting of iron- and nitrogen-loaded carbon black was dispersed in a mixed solution of Nafion solution and ethanol to prepare a catalyst slurry. The resulting catalyst slurry was then applied to the top 8 cm of a graphite sheet and allowed to dry. This resulted in two water treatment structures with an iron-based catalyst loaded on top of the graphite sheet. Figure 9 shows an example of a water treatment structure in which an iron-based catalyst is loaded on top of a graphite sheet with through-holes, with the upper black area being the area where the iron-based catalyst is loaded.
(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 having through holes formed therein in Example 1 and Comparative Example 1 were used as they were as water treatment structures. In other words, the water treatment structure of Example 2 was the same as the water treatment structures of Example 1 and Comparative Example 1 in that no iron-based catalyst was supported thereon.
[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 a capacity of approximately 20 L was prepared. Furthermore, an aeration device for aerating the water to be treated was installed in the treatment tank. The water treatment structure fabricated as described above was then disposed inside the treatment tank, thereby obtaining a water treatment device 100.
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, a high-speed filtration device 210 for filtering the water to be treated and a high-speed filtration treatment tank 220 for storing the high-speed filtered water to be treated were installed upstream of the water treatment device 100. Furthermore, a sludge storage tank 240 for removing sludge from the treated water purified by the water treatment device 100 was installed downstream of the water treatment device 100. Note that a diaphragm pump 230 was installed between the high-speed filtration treatment tank 220 and the water treatment device 100 to send the high-speed filtered water to be treated from the high-speed filtration treatment tank 220 to the inlet of the water treatment device 100. Note that sewage (actual sewage) was used as the water to be treated. In this way, the experimental device of Example 1 was constructed.
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。 The water to be treated was then sent to the high-speed filtration device 210 to remove solids from the sewage, and the high-speed filtered water was stored in the high-speed filtration treatment tank 220. A diaphragm pump was then used to send the high-speed filtered water to the water treatment device 100 from the high-speed filtration treatment tank 220. The amount of water to be treated sent to the water treatment device 100 was adjusted so that the hydraulic retention time (HRT) in the treatment tank was 4 hours. The water treated in the water treatment device 100 was then 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。 This purification process for the water (sewage) was carried out for approximately four months. During this period, the water treatment device 100 continuously performed intermittent aeration on the water to be treated, intermittently bringing the water into contact with air. The intermittent aeration consisted of alternating periods of 10 minutes of aeration and 50 minutes of no aeration.
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。 During the final 54 days of the purification process, the high-speed filtered water to be treated and the treated water discharged from the water treatment device 100 were sampled approximately once a week, and the biological oxygen demand (SC-BOD) for the dissolved carbonaceous organic matter contained in the water to be treated and the treated water were measured.
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 was calculated from the average value of the SC-BOD concentration of the high-speed filtered water to be treated and the average value of the SC-BOD concentration of the treated water discharged from the water treatment device according to Equation 1. Note that a higher SC-BOD removal rate indicates a higher organic matter purification capability in the water treatment device.
[Equation 1]
[SC-BOD removal rate] = (A-B)/A
A: Average value of SC-BOD concentration in treated water after high-speed filtration. B: Average value of SC-BOD concentration in 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
The SC-BOD concentration of the high-speed filtered treated water and the SC-BOD concentration of the treated water discharged from the water treatment device were measured in the same manner as in Example 1, except that the water treatment structure of Example 2 was used, 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 device 100 of 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 device were measured in the same manner as in Example 1, except that intermittent aeration was not performed at all, 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)
A purification treatment was carried out in the same manner as in Example 1, except that the water treatment structure of Example 1 was replaced with a trical net. The trical net is a non-woven, square-mesh resin net that is not conductive and has no water purification function. In other words, Comparative Example 2 is an example in which only intermittent aeration was performed on the high-speed filtered water to be treated. Then, in the same manner as in Example 1, the SC-BOD concentrations of the high-speed filtered water to be treated and the treated water discharged from the water treatment device 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。 The average SC-BOD concentration of the high-speed filtered treated water and the average SC-BOD concentration of the treated water discharged from the water treatment device 100 for each example, as well as their standard deviations, are shown in Table 1. Furthermore, the SC-BOD removal rate for each example is also shown in Table 1.
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。 Table 1 shows that Examples 1 and 2, which used a water treatment structure and performed intermittent aeration, achieved an SC-BOD removal rate of 74% or more for raw water (high-speed filtered water to be treated). Furthermore, Examples 1 and 2 achieved SC-BOD concentrations of less than 15 mg/L, demonstrating good purification performance. In contrast, Comparative Example 1, which used a water treatment structure but did not perform intermittent aeration, achieved an SC-BOD removal rate of 70%. This demonstrates that intermittent aeration increases the purification efficiency of the water to be treated. Furthermore, Comparative Example 2, which only performed intermittent aeration, achieved an SC-BOD removal rate of 63%. This demonstrates that combining a water treatment structure with intermittent aeration significantly improves purification efficiency.
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。 Note that, from Examples 1 and 2, although the SC-BOD removal rate improves when an oxygen reduction catalyst is supported on the positive electrode, it can also be seen that the SC-BOD removal rate is increased even without the support of an oxygen reduction catalyst. This is thought to be because aerobic microorganisms adhere to the positive electrode and react oxygen in the gas phase with hydrogen ions and electrons to produce water. Therefore, it can be seen that, regardless of the presence or absence of an oxygen reduction catalyst, combining a water treatment structure with intermittent aeration improves purification efficiency. Furthermore, because purification efficiency is improved even without the use of a catalyst, the cost of the water treatment structure can be reduced. Furthermore, the catalyst in the water treatment structure may deteriorate, in which case the water treatment structure must be replaced. However, if a catalyst is not 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。 Figure 11 shows the results of observing the surface of the water treatment structure of each example after purification of the treated water. Figure 11(a) is a photograph showing the surface of the water treatment structure of Example 1, Figure 11(b) is a photograph showing the surface of the water treatment structure of Example 2, and Figure 11(c) is a photograph showing the surface of the water treatment structure of Comparative Example 1. Figure 11 shows that in each example, the water treatment structure had a large amount of microorganisms attached to the entire negative electrode. Furthermore, Figure 11(a) shows that the attached microorganisms in Example 1 were brown. Figure 11(b) shows that the attached microorganisms in Example 2 were gray. In contrast, Figure 11(c) shows that the attached microorganisms in Comparative Example 1, which did not undergo intermittent aeration, were dark green. Thus, the different colors of the attached microorganisms in each example of the water treatment structure indicate that the microbial 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。 In each water treatment structure, the negative electrode is immersed in the water to be treated. Furthermore, as shown in Table 1, microorganisms contribute to the purification of the water to be treated. Therefore, the microorganisms adhering to the entire negative electrode are thought to be anaerobic microorganisms, which are electricity-generating bacteria, and their symbiotic microorganisms. Furthermore, since intermittent aeration was performed in Examples 1 and 2, the anaerobic microorganisms adhering to the negative electrode are thought to be facultative anaerobes, rather than obligate anaerobes. In contrast, since intermittent aeration was not performed in Comparative Example 1, the anaerobic microorganisms adhering to the negative electrode are thought to be both obligate anaerobes 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 oxygen-containing gas, facultative anaerobic bacteria become dominant in the water to be treated and in the negative electrode, making it possible to efficiently purify the water to be treated.
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。 The present embodiment has been described above, but it is not limited to this, 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 aeration device 100, 200 water treatment device
Claims (8)
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、
前記嫌気性微生物は、前記被処理水中の有機物を分解して水素イオンと電子を生成し、さらに細胞外電子伝達機構を有し、
前記水処理構造体は、導電体を備え、
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 water treatment structure including: a negative electrode that contacts water to be treated inhabited by anaerobic microorganisms having facultative anaerobes and obligate anaerobes, and to which the anaerobic microorganisms are attached; and a positive electrode that is electrically connected to the negative electrode and contacts an oxygen-containing gas phase and the water to be treated;
an aeration device that intermittently aerates the water to be treated with an oxygen-containing gas;
Equipped with
the anaerobic microorganisms decompose organic matter in the water to be treated to generate hydrogen ions and electrons, and further have an extracellular electron transport mechanism;
The water treatment structure includes a conductor,
The aeration device alternately repeats an aeration state and a non-aeration state, and in the aeration state, the gas is brought into contact with the anaerobic microorganisms.
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。 the water treatment structure is composed of the negative electrode , the positive electrode, and an internal space existing between the negative electrode and the positive electrode,
The water treatment device according to claim 1 , wherein the water treatment structure has a plate-like, rod-like, or string-like shape.
前記嫌気性微生物は、前記被処理水中の有機物を分解して水素イオンと電子を生成し、さらに細胞外電子伝達機構を有し、
前記水処理構造体は、導電体を備え、
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 water treatment method using a water treatment structure including: a negative electrode that contacts water to be treated inhabited by anaerobic microorganisms having facultative anaerobes and obligate anaerobes, and to which the anaerobic microorganisms are attached; and a positive electrode that is electrically connected to the negative electrode and contacts an oxygen-containing gas phase and the water to be treated,
the anaerobic microorganisms decompose organic matter in the water to be treated to generate hydrogen ions and electrons, and further have an extracellular electron transport mechanism;
The water treatment structure includes a conductor,
A water treatment method that alternately repeats an aeration state in which an oxygen-containing gas is aerated into the water to be treated, thereby bringing the gas into contact with the anaerobic microorganisms, and an aeration stop state in which aeration of the gas is stopped.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022015794A JP7734370B2 (en) | 2022-02-03 | 2022-02-03 | Water treatment device and water treatment method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022015794A JP7734370B2 (en) | 2022-02-03 | 2022-02-03 | Water treatment device and water treatment method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023113427A JP2023113427A (en) | 2023-08-16 |
| JP7734370B2 true JP7734370B2 (en) | 2025-09-05 |
Family
ID=87566310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022015794A Active JP7734370B2 (en) | 2022-02-03 | 2022-02-03 | Water treatment device and water treatment method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7734370B2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120100590A1 (en) | 2009-07-02 | 2012-04-26 | Boris Tartakovsky | Microbially-assisted water electrolysis for improving biomethane production |
| JP2016091805A (en) | 2014-11-05 | 2016-05-23 | 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構 | Microbial fuel cell |
| JP2017170330A (en) | 2016-03-23 | 2017-09-28 | 住友重機械エンバイロメント株式会社 | Oil and fat-containing wastewater treatment system and oil and fat-containing wastewater treatment method |
| WO2019107303A1 (en) | 2017-11-30 | 2019-06-06 | パナソニック株式会社 | Purification device and purification electrode |
-
2022
- 2022-02-03 JP JP2022015794A patent/JP7734370B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120100590A1 (en) | 2009-07-02 | 2012-04-26 | Boris Tartakovsky | Microbially-assisted water electrolysis for improving biomethane production |
| JP2016091805A (en) | 2014-11-05 | 2016-05-23 | 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構 | Microbial fuel cell |
| JP2017170330A (en) | 2016-03-23 | 2017-09-28 | 住友重機械エンバイロメント株式会社 | Oil and fat-containing wastewater treatment system and oil and fat-containing wastewater treatment method |
| WO2019107303A1 (en) | 2017-11-30 | 2019-06-06 | パナソニック株式会社 | Purification device and purification electrode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023113427A (en) | 2023-08-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6364529B2 (en) | Electrode manufacturing method and electrode | |
| EP3270451B1 (en) | Microbial fuel cell system | |
| CN108292756A (en) | Microbiological fuel cell gas-diffusion electrode and the microbiological fuel cell for using the gas-diffusion electrode | |
| JP6902706B2 (en) | Purification unit and purification device | |
| JP2009039705A (en) | Air cell type waste water treatment apparatus | |
| JP7734370B2 (en) | Water treatment device and water treatment method | |
| JP6643642B2 (en) | Purification unit and purification device | |
| EP3442063A1 (en) | Electrode, fuel cell and water treatment device | |
| JP2020099851A (en) | Liquid treatment system | |
| JP2019076833A (en) | Liquid treatment system | |
| JP7010303B2 (en) | Purification device and purification electrode | |
| JP2019160458A (en) | Microorganism power generation device and method | |
| CN106573809A (en) | Liquid processing unit and liquid processing device | |
| JP2017148776A (en) | Water treatment equipment | |
| JP2020163327A (en) | Biological treatment equipment for organic wastewater | |
| JP2020099853A (en) | Liquid treatment system | |
| JP2020082006A (en) | Liquid treatment system | |
| WO2019078003A1 (en) | Microbial fuel cell, liquid processing system, and liquid processing structure | |
| JP2017117584A (en) | Electrode manufacturing method and membrane electrode assembly manufacturing method | |
| WO2017199475A1 (en) | Liquid processing unit and liquid processing device | |
| WO2019064889A1 (en) | Liquid treatment system | |
| JP2024168705A (en) | Method for operating a microbial power generation device | |
| JP2020099854A (en) | Liquid treatment system | |
| JP2020099850A (en) | Liquid treatment system | |
| WO2019078002A1 (en) | Liquid processing system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20220207 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220214 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20230824 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240910 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250428 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250507 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250701 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250729 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250818 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7734370 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |