成果報告書詳細
管理番号20160000000867
タイトル平成24年度ー平成27年度成果報告書 「グリーン・サスティナブルケミカルプロセス基盤技術開発 資源生産性を向上できる革新的プロセス及び化学品の開発」 微生物触媒による創電型廃水処理基盤技術開発
公開日2016/11/12
報告書年度2012 - 2015
委託先名国立大学法人東京大学 学校法人東京薬科大学 積水化学工業株式会社 パナソニック株式会社
プロジェクト番号P09010
部署名環境部
和文要約1) 触媒の開発
アノード微生物触媒に関し、実廃水から採取した汚泥を微生物源とした3電極方式の実験系で、アノード上の微生物群集の電流生成能がアノード電位に依存することを確認。これを踏まえ、アノード/カソード面積比を変えてアノード電位を制御し、微生物燃料電池(MFC)系のアノード出力を向上できることを確認。カソード酸素還元触媒では、鉄/窒素共ドープ炭素材料の触媒機構を解明すると共に、中性溶液中で0.85 V vs. RHEの酸素還元開始電位を達成。
2) カソードの開発
鉄/窒素共ドープ炭素材料から成る酸素還元触媒のスケールアップ合成に取り組み、1kg/月のベンチスケール量産化プロセスを構築。本触媒を適用したカソード電極において白金触媒適用時同等の酸素還元電極特性を確認。更に電極の構造と材料を見直し、電極材料コストを当初の1/20程度まで低減することに成功。本電極を適用したMFCで100 mW/m2以上の高い出力特性を達成。
3) アノードの開発
材料コストが従来のカーボン材料の1/3程度のアノード材料を開発し、MFCでの同等の発電性能を確認。製造方法の検討では、コーターによる機械的塗装方式により実証サイズのアノードを試作し、実証試験に使用。
MFC系において、適切な鉄(III)イオン存在下、バイオミネラリゼーションによる導電性硫化鉄の形成を確認。従来の高導電性カーボンフェルトの1/10程度の市場価格である低導電性カーボンフェルトを電極に用いた場合でも、バイオミネラリゼーションにより高導電性カーボンフェルトと同様の出力を達成。
発電菌はメッシュ電極上のへりや交差のくぼみの中に多く存在することを確認。これより、発電量向上への、メッシュのピッチ(1インチ当たり繊維本数)増加の有効性を確認。
4) 微生物制御技術の開発
工場廃水からの発電に直接関与するのはGeobacter属細菌であることを確認。この細菌をモニタリングする定量的PCR法を確立し、実証実験などで微生物解析に利用。
発電の安定化、高効率化のために利用可能な添加剤(性能改善のために廃水に添加する薬剤)を検討し、ポリ硫酸鉄が廃水処理用MFCの出力向上に有用であることを確認。
5) システム高効率化の検討
実験室規模(容積1L程度)のスラローム型リアクターを用いた廃水処理・発電実験を行い、十分な廃水処理性能を確認。また、廃水処理設備の活性汚泥を微生物植種源に利用可能であることを実証。
カセット電極型MFCを用いた廃水処理実験で発生する汚泥量は活性汚泥槽の約1/3程度となり、MFCによる汚泥削減効果を確認。
MFC処理水のUF膜分離への適用性評価を行い、良好な膜ろ過水質と下水処理と同等の透過流束を確認。また、MFCの後段にUF膜分離装置を付加することによる、BOD除去率や発電性能の向上を実現。
アノードにフィンを付加しマクロな比表面積を増加させ、効率良く廃水と微生物とを接触させることで、発電性能の向上を実現。さらに発電性能を効率良く引き出すリアクター形状として、平行流型の流路を開発し、これにより槽内の全電極における発電量のが均一化することを確認。
6) 実証試験
各要素技術を適用した槽容積1.2 m3の実証設備を積水化学工業H工場に設置。パナソニック開発のカソードと積水化学工業開発のアノードとを組み合わせ実証試験サイズのカセット電極を作製し、実工場廃水を用いた運転・評価を実施。最大で84%の消費エネルギー削減、活性汚泥法同等の処理性能を確認し、プロジェクトの目標を達成。
英文要約1) Development of catalysts
As for the anode microbial catalyst, it was revealed that the anode potential influenced the electricity generation from microbial consortia. Based on the finding, the anode potential of the MFC was controlled via the tuning of the ratio of anode/cathode area, resulting in the improvement of the electricity generation. Regarding the cathode catalyst, we achieved the onset potential of +0.85 V vs. RHE through the clarification of the catalytic reaction mechanism.
2) Development of cathodes
A mass-production process for the cathode catalysts which exhibited equivalent performance to Pt-based catalysts was developed. In addition, a low-cost air-cathode was also developed. The MFC equipped with the low-cost electrode exhibited the power density of over 100 mW/m2.
3) Development of anodes
A new low-cost anode exhibiting comparable performance to the conventional carbon anode was developed. Large-size anodes for bench-scale verification tests were also manufactured by a mass-production coating process.
It was confirmed that hybrids of microbes and conductive iron sulfides was formed on MFC anodes through a biomineralization process, which could enhance the MFC output even when the low-cost anode with low electrical conductivity was used.
Electricity-generating bacteria were locally present at the edges and dips at crossings on carbon-mesh anodes, suggesting that the increase of the mesh pitch is beneficial for increasing power outputs of MFCs.
4) Development of technologies for controlling microbes
Geobacter was found to be responsible for generating electricity from industrial wastewater. A quantitative-PCR method was developed for monitoring this bacterium in anode biofilms.
In addition, poly-iron sulfate was found to be an effective additive for stimulating Geobacter and improving the performance of wastewater-treatment MFCs.
5) Development of efficient systems
Laboratory-scale (approx. 1 L) slalom reactors were shown to exhibit sufficient performances for wastewater treatment. It was also demonstrated that aerobic sludge could be used as an inoculum.
Amounts of sludge generated during wastewater treatment in MFCs were confirmed to be approximately one third of those in conventional activated-sludge reactors.
Post treatments using ultrafiltration (UF) was revealed to be effective as a secondary processing of the MFC system, which exhibited permeation flux rate equivalent to general sewage treatment processes and improved MFC power generation. Application of side fins for anodes could enhance the MFC power output due to the improved anode/waste-water contact efficiency. It was also confirmed that parallel-flow reactors was beneficial for uniformizing the electricity generations among the multiple electrodes.
6) Bench-scale verification test
Industrial wastewater was treated with the bench-scale 1.2 m3 MFC placed in a Sekisui Chemical's factory. The energy consumption of MFC was 84% lower than the standard activated-sludge method.
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