微生物燃料電池と間欠通気生物フィルターを組み合わせたエネルギー自己生成システム

Scientific Reports volume 5、記事番号: 18070 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

エネルギーの自給自足は、持続可能な廃水処理の非常に望ましい目標です。 ここでは、微生物燃料電池と間欠通気生物学的フィルター (MFC-IABF) を組み合わせたシステムを設計し、エネルギー自給自足方式で動作させました。 このシステムには、室温 (約 25 °C) で 3 か月以上連続モードで合成廃水 (COD = 1000 mg L−1) が供給されました。 電圧出力は、コンデンサベースの回路を使用して 5 ± 0.4 V に増加しました。 MFC は、IABF のポンプおよび曝気システムに電力を供給するための電力を生成し、同時に COD を除去しました。 間欠曝気モード (曝気速度 1000 ± 80 mL h-1) で動作する IABF は残留栄養素を除去し、HRT = 7.2 時間で水質を改善しました。 この 2 段階の組み合わせシステムにより、93.9% の SCOD 除去と 91.7% の TCOD 除去が得られました (流出液 SCOD = 61 mg L-1、TCOD = 82.8 mg L-1)。 エネルギー分析では、MFC ユニットがポンプ システム (0.014 kWh m-3) と曝気システム (0.22 kWh m-3) をサポートするのに十分なエネルギー (0.27 kWh m-3) を生成したことが示されました。 これらの結果は、MFC-IABF を組み合わせたシステムがエネルギー自給自足の方法で動作し、高品質の排水が得られることを実証しました。

エネルギー危機と環境汚染は、今日世界が直面している 2 つの大きな課題です。 微生物燃料電池 (MFC) は、まだ初期段階ではありますが、これらの課題の部分的な解決に役立つ有望な技術です1。 これは、外部電子 2、電極材料 3、反応器構成 4 などで広く研究されています。 MFC テクノロジーの主な機能は廃水処理です。 しかし、MFC の排水品質をめぐる問題はまだ十分に解決されていません。 MFC だけでは、厳しい排水品質要件を満たす実現可能な手段ではない可能性があるため、処理済み排水をさらに浄化するには、MFC と膜技術 5 または従来の処理技術 6 を統合するなど、別のステップが必要です。 さらに、直接発電は MFC の不可欠な特徴です。 典型的な MFC システムは、流入液の特性、反応器の構成、および動作パラメーターに応じて、ミリワット (mW) レベルで電力を生成することが知られています。 この低くて不安定な電力出力は、再生可能電源としてMFCが従来の発電の設備容量のkWまたはMWレベルの送電網にアクセスすることを妨げる大きな障害となっていた。 そのため、発電に対する適切な説明責任の欠如が近年さらに注目を集めています。

可能な戦略は、MFC ベースの複合システムによるエネルギー自給自足の廃水処理プロセスのための発電された電力の現場利用に基づいて提案されました7。 さまざまな廃水内に蓄えられる位置エネルギーは、4.92 ～ 7.97 kWh kgCOD–1 の範囲で変化し、処理に必要なエネルギーを超えています8。 したがって、MFC ベースのシステムが自給自足の廃水処理プロセスに十分なエネルギーを生成できる可能性を提供できれば、非常に興味深いでしょう。 過去には、電気化学膜バイオリアクター 9、膜生物電気化学リアクター 10、二段階微生物燃料電池や嫌気性流動床膜バイオリアクター 11 など、多くの反応器における廃水処理プロセスにおいて中性または正のエネルギーバランスが理論的に実証されてきました。 しかし、エネルギー自給自足のMFCをベースとした廃水処理複合システムは実際に運用されていない。

MFCベースの複合システムで実際のエネルギー自給自足の廃水処理プロセスを実現するには、MFCの電圧を高める効果的な方法が必要です。 過去には、MFC 電圧をブーストするためにさまざまなアプローチが使用されてきました。 これには、複数の MFC を直列に接続するか、DC-DC コンバータを使用することが含まれます12。 このアプリケーションのもう 1 つの方法は、MFC の直列スタッキングですが、これは電圧反転による電圧上昇には効果がないことが証明されており、システム全体の故障につながる可能性があります 13。 DC-DC コンバータは MFC 電圧を効果的に昇圧することが示されましたが、複雑な回路とデュアル昇圧システムにおける大幅なエネルギー損失という限界もありました。 しかし、コンデンサベースの回路を使用する別のアプローチが電力増加に役立つことが判明しました14。 この方法では、電気エネルギーがまずコンデンサに集められ、次に高電圧出力で断続的に供給されます。 複数の MFC を使用してコンデンサを並列に充電し、直列に放電することで、エネルギー損失を無視して電圧出力を向上させました12。