こ う えい フ ォ ー ラ ム第 24 号 / 2016 .3

微生物燃料電池の下水処理施設への適用に向けた基礎的研究
BASIC STUDY ON APPLICABILITY OF MICROBIAL FUEL CELL TO SEWAGE TREATMENTFACILITY
飯田 和輝 * ・ 麦田 藍 * ・ 吉田 奈央子 **Kazuki IIDA, Ai MUGITA and Naoko YOSHIDAThis study examines applicability of Microbial Fuel Cell (MFC) to sewage treatment plant byusing sewage wastewater. As an anode in the MFC, graphite felt (GF) and microbially reduced
graphene oxide (rGO) were compared in the recoveries of electricity from sewage water byelectrochemical cultivation using those electrodes as anode. The rGO was found to produce higher
electricity than GF. Then rGO was applied in the ﬂoating MFC and polarized in a channel fromprimary sed-imentation tank in the sewage treatment plant.
The result of this study shows that rGO produces almost two times as much electricity as
GF using sewage water. In addition, the study indicates that applicability of MFC to seweragetreatment facilities and MFC using rGO has potential for new treatment technology.

Keywords ： microbial fuel cell (MFC), reduced graphene oxide (rGO), sewage treatment,electric current recovery test

2. 実験方法

1. はじめに
微生物燃料電池 （以下、 MFC） は、 下水道で通常用いら(1) 還元 GO および GF 電極の調製れている活性汚泥法のように空気曝気を必要とせず、 余剰汚GO 還元のための微生物接種源として、 横浜市港北水再生

泥の発生が少ない特性を持っているため、 下水道処理施設にセンターより採取した嫌気槽水 （汚泥を含む） を用いた。 嫌適用することにより、 省エネルギー化が可能となり低炭素社会気槽水 1 ℓ に対し 0.6g•L-1 の GO を添加し、 900m ℓ 容量ガへの貢献につながる技術である。 MFC の実用化に向けた研ラス瓶に満たした後に密閉し、 28℃で 2 ～ 3 週間静置培養を

究では、 下水処理場の実廃水を用いた基礎的な研究が重要行った。 GF は、 厚さ 2.0cm、 直径 3.0cm にカットし、 1 ℓ のである。 また、 MFC は、 燃料電池の理論を応用したものであ嫌気槽水の汚泥を遠心分離機で濃縮したものを染み込ませ、るが、 図－ 1 に示すように触媒として微生物を用いるため、 微還元 GO とバイオマス量をそろえた。

生物を活きながらアノード上に補足し有機物分解を促進する技(2) 定電圧培養試験

術革新が求められている。
本研究では、 アノードに着目し、 代表的なアノード素材であ900m ℓ 容積の蓋付きガラス瓶の蓋に、 塩化銀参照電極、る黒鉛フェルト （以下、 GF） と微生物により酸化グラフェンを白金線対電極、 および集電体として直径 3.0cm、 高さ 1.0cm

導電性の還元体へと還元することで微生物を効率的に担持しの 白 金 線 の 籠 を 作 成 し、 還 元 GO ま た は GF を 取 り 付 け た

た電極 （以下、 還元 GO）

1）, 2）を用いた定電圧培養試験を実施し、 電流生産能を比較した。 また、 浮遊型 MFC を直接下水処理場へ浸漬することにより電流生産能および耐久性を確認した。 さらに、 還元 GO を用いた MFC における電流生産

Ｈᵉ

陽極
カソードᵭᵐᵦ ᵐᵭ㻕㻕㻯㻻㻞プロトン
交換膜

㻔有機物㻔

試験より、 除去 COD を算定し、 下水処理能力を確認した。

細胞外電子 陰極
伝達微生物
アノード

* コンサルタント国内事業本部 流域 ・ 都市事業部 上下水道部** 名古屋工業大学 若手研究イノベータ養成センター

図－１ 微生物燃料電池の原理

図－１ 微生物燃料電池の原理
59

微生物燃料電池の下水処理施設への適用に向けた基礎的研究（図－ 2）。 容器内を横浜市北部資源化センターで採水した汚を仕切るメッシュシートを設置した後、 横浜市港北水再生セン

泥分離液 （以下、 分離液） で満たし、 ポテンショスタットを用ター最初沈殿池流出水路に設置した。 アノード槽とカソードをいて参照電極とアノード間の電圧を常に +0.2V に保ち培養を47 －100Ωの外部抵抗を介して接続し、発電量をデータロガー行った。 発生電流は 1 時間に 1 度データロガーで記録した。

により記録した。 また、 還元 GO を充填したリアクター装置に

培 養 物 中 の 化 学 的 酸 素 要 求 量 （CODcr） に つ い て、standard method for wastewater treatment CODCr

実廃水を通水し算出された COD 除去量と電力量から、 処理場に設置した MFC の COD 除去量を算出した。

（5220D） に準拠した比色法により測定した。 さらに定電圧培養終了後の GF または還元 GO を取り出し、 120m ℓ バイアル瓶に添加した。 ここへ、 定電圧培養を行った培養容器内のすべての培養液を遠心 （10,000 × g、 10 分間、 室温） することで回収した汚泥ペレットを添加した。 このバイアル瓶に新た

3. 結果および考察(1)	還元 GO および GF が定電圧培養試験による電流生産に与


100mm

える影響評価に 50m ℓ の各補填廃水を添加し、 ヘッドスペースを 100%N2

本実験では、 14 日以上培養し形成した還元 GO 塊を用いガスで置換した後、 アルミシールで密閉し、 28℃インキュベーて定電圧培養を行った。 還元 GO および GF をアノードとしてターで培養した。 3 時間後、 ヘッドスペースのガス組成を GC-用いた定電圧培養試験における発生電流値を図－ 4 に示す。

FID により測定し、 メタン濃度を測定した。

GO 電極の方がアノード 1cm 3 あたり最大で 1300 µ A の電流250mm
200mm
生産が観察され、 GF 電極より高い値を示した。
(3) 下水処理場での浮遊型 MFC の運転試験

これは、 還元 GO は、 GF と比較し比表面積が大きく、 電図－ 3 に示すような縦 100mm、 横 200mm、 高さ 250mmの浮遊型 MFC を作成した。 MFC は、 カソードとしてカーボ

図－ 浮遊型 0)& の外観写真

流生産菌の付着状況が良いことによるものと考えられた。

ンクロスに 0.5mg•cm -2 の白金を担持したエアカソードを用いた単槽装置とした。 本 MFC のアノード槽の容積は 5 ℓ 、 カソード面積は 182cm 2 と し た。 こ の アノード 槽 に 約 50% の充
填率 （v/v） で還元 GO を充填した後に外部廃水とアノード槽(2)	下水道処理施設における還元 GO 電極からの電流回収シ
ステムの性能評価
還元 GO を充填した浮遊型装置を港北水再生センターの最初沈澱池流出水路に平成 26 年 12 月 15 日～平成 27 年 2月 27 日に設置し、 運転を行った。 培養開始より 21 日まで、
100 Ωの外部抵抗に接続し、 その後 82 日まで 47 Ωの外部抵抗に接続し、 運転を行った。 現地設置した装置の電圧測定値から換算できたアノード体積当たりの電力量は、 最大で

1400：還元GO：GF

電流 （μA·cm-3）1200
図－定電圧培養装置の概略図と外観写真
2 定電圧培養装置の概略図と外観写真
図－2






100mm
図－㻞㻌 定電圧培養装置の概略図と外観写真


1000

800
600
400



2000250mm0



200mm
図－
浮遊型0)&の外観写真の外観写真
図－ 3 浮遊型
MFC60



1015

培養時間 (d)5図㻟 還元㻳㻻および㻳㻲を用いた定電圧培養における生産電流

図－
図－ 4還元
還元*2GOおよびおよび *)GF を用いた定電圧培養におけるを用いた定電圧培養における生産電流

生産電流

こ う えい フ ォ ー ラ ム第 24 号 / 2016 .3

170mW/m 3、 平 均 で 62mW/m 3 で あ っ た （ 図 － 5）。 ま た、の微生物を利用した電力生産および COD 除去が可能である

充填していた還元 GO は、 82 日目に確認したところ、 ブロックことから、 下水処理場における新たな処理技術としての可能性塊の崩れが確認された （図－ 6）。

を見出す結果が得られた。
ただし、 定電圧培養試験に比べ MFC での電流転換効率が低く留まったことから、 MFC を構成する電極と電流生産菌(3) 還元 GO 投入による COD 除去の検討
アクリル製の 0.5 ℓ 容量の筒状微生物燃料電池リアクターに、の接触効率等を改善した装置構造の検討が必要である。 また、嫌気槽水で培養した還元 GO を充填し、 滞留時間 1 日で最還元 GO のブロック塊の崩れが確認されたため、 実用化にあ初沈殿池流出水を連続投入し、 COD 除去量と生産電流を計

たっては、 より耐久性のあるものに改良することや安定した電測した。 流入水と処理水の COD 値から算出した COD 除去力量を得るための検討が今後の課題として挙げられる。

量は 400g/d/m 、 リアクターの累積電荷量は 160,000C/d/m 、
33

電流転換効率は 3.2％であった。 下水処理施設で、 同様の除謝辞：本研究は、国土交通省・下水道技術研究開発（GAIAプ

去 COD からの電流転換効率が得られると仮定した場合、 （2）ロジェクト）による助成のもとで行ったものである。また、下水ので計測された累積電荷量の平均値、 51,000c/d/m より、 本提供、微生物燃料電池の設置に、横浜市の港北水再生セン浮遊型 MFC リアクターを設置した場合の 1 日あたりの COD

ターおよび北部資源化センターに協力いただいた。ここに感謝除去量は、 130g/d/m と算出された。

申し上げる。

33

参考文献

4. まとめ1） 吉田奈央子 ： 電流生産微生物を集積 ・ パッケージングする炭素

下水実廃水を用いた定電圧培養を行った結果、 MFC のア

分子アノード 『微生物燃料電池による発電 ・ 省エネ型廃棄物 ・ノード電極として還元 GO が GF に比べて電流生産を促進す

廃水処理技術最前線』 渡邊一哉監修、 第 2 編微生物燃料電池ることが示された。 また、 本アノードを用いた浮遊型 MFC を効率化技術、 NTS 出版、 2013

下水処理場に設置した結果、 回収された電力は、 アノード体

2） Yoshida et al.: (2016) Graphene oxide-dependent growth and

積当たり最大で 170mW/m 、 1 日あたりの COD 除去量は、

self-aggregation into a hydrogel complex of exoelectrogenic

130g/d/m 3 と算出された。

bacteria., Scientiﬁc Reports, 6:21867, pp.1-113

還元 GO をアノードとした微生物燃料電池は、 下水廃水中 200100Ω

100Ω 180200 160
180

電力量（mW・m-3）
電力量（mW・m-3）

100Ω



140
160
120140
47Ω

100Ω
47Ω
電力量の変動は、抵抗値の変更、流入下水の濃度、温度の変動、還元 *2 の電力量の変動は、抵抗値の変更、流入劣化等の要因が考えられる。
下水の濃度、温度の変動、還元 *2 の劣化等の要因が考えられる。

12/26～1/5
装置撤去
12/26～1/5
装置撤去

100

  120100
  80  6080
  4060
  2040
 020  㻞㻜㻝㻠㻛㻝㻞㻛㻝㻡㻞㻜㻝㻠㻛㻝㻞㻛㻞㻡㻞㻜㻝㻡㻛㻝㻛㻠

㻞㻜㻝㻡㻛㻝㻛㻝㻠㻞㻜㻝㻡㻛㻝㻛㻞㻠㻞㻜㻝㻡㻛㻞㻛㻟

0㻞㻜㻝㻠㻛㻝㻞㻛㻝㻡㻞㻜㻝㻠㻛㻝㻞㻛㻞㻡㻞㻜㻝㻡㻛㻝㻛㻠
㻞㻜㻝㻡㻛㻝㻛㻝㻠㻞㻜㻝㻡㻛㻝㻛㻞㻠㻞㻜㻝㻡㻛㻞㻛㻟
図－㻡㻌
浮遊型
㻹㻲㻯
におけるアノード体積当たりの電力量㻌
図－
5 浮遊型
MFC
におけるアノード体積当たりの電力量

図－㻡㻌 浮遊型 㻹㻲㻯 におけるアノード体積当たりの電力量㻌㻞㻜㻝㻡㻛㻞㻛㻝㻟㻞㻜㻝㻡㻛㻞㻛㻝㻟図－㻢㻌 㻌 リアクター内の還元 㻳㻻 の様子㻌㻌 㻌図－㻢㻌㻌 㻌 㻌 㻌 6㻌 上：装置設置初日㻌
図－
㻌 リアクター内の還元
リアクター内の還元GO
㻳㻻の様子の様子㻌
上 ： 装置設置初日
㻌 㻌㻌 㻌㻌 㻌㻌 㻌㻌 㻌㻌 㻌㻌 下：装置設置
㻤㻞 日目㻌
㻌 上：装置設置初日㻌
下 ： 装置設置 82 日目㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 下：装置設置 㻤㻞 日目㻌61