[일본] 미생물 연료전지의 폐수처리 성능 향상
신에너지산업기술종합개발, 기구활성오니법과 동등한 폐수처리 성능 실현
일본 독립행정법인 신에너지 산업기술 종합개발기구(이하, NEDO)의 기반기술 개발 프로젝트에 참여하고 있는 도쿄(Tokyo) 약과 대학 교수 연구 그룹은 미생물을 이용한 폐수처리에 적절한 미생물 연료전지 장치를 개발, 실험실 사이즈의 장치(용적 약 1리터)를 이용한 모의 폐수 처리 실험에 의해 기존 방식의 폐수 처리법인 활성 오니법과 동등한 처리 속도를 확인하였다. 이 실험 결과는 미생물 연료전지의 폐수 처리 성능이 실용 수준에 도달한 것을 확인할 수 있다.
본 사업의 성과에 의해 오탁(汚濁) 폐수 중의 유기물로부터 전기 에너지가 회수될 뿐만 아니라 활성 오니법보다 적은 에너지로의 처리가 가능해지기 때문에 완전히 새로운 폐수 처리로 연결될 것으로 기대된다.
현재 생활 하수나 공장 폐수의 처리에는 활성오니법이라고 하는 미생물 처리법이 넓게 이용되고 있다. 그러나 활성오니법은 하수 속에 공기를 넣어 배수정화(미생물에 산소를 공급)로 상당한 전기 에너지를 소비하고 또한 전력 공급이 정지되면 처리를 할 수 없게 되는 문제점을 가지고 있다.
한편, 21세기가 되어 유기물을 분해하여 전기를 발생시키는 미생물(발전균)이 발견되어 이러한 미생물을 사용한 미생물 연료전지가 고안되었다. 이 장치를 폐수 처리에 적용하면 오탁 폐수 중의 유기물로부터 전기 에너지가 회수되면서 하수 속에 공기를 넣어 배수정화도 불필요하기 때문에 에너지 절약형 폐수 처리가 가능하게 될 것으로 기대되고 있다. 그러나 지금까지의 기술에서는 기존 활성 오니법에 비해 미생물 연료전지법의 폐수 처리 성능이 낮은 점이 문제가 되고 있었다.
이번에 NEDO의 위탁 사업 `Green Sustainable Chemical Process 기반 기술개발 프로젝트?미생물 촉매에 의한 폐수 처리 기반기술 개발`에서의 도쿄 대학, 도쿄 약과 대학, 세키스이(Sekisui, 積水) 화학공업 주식회사, 파나소닉(Panasonic) 주식회사에 의한 공동 개발에 있어서 도쿄 약과 대학 생명과학부 응용 생명과학과 연구그룹은 폐수 처리에 적절한 새로운 미생물 연료전지 장치를 개발하였다.
구체적으로는 절연막(플로톤 교환막)을 사이에 두어 정극과 음극을 일체화한 "카세트 전극"을 제작하여 이 카세트 전극을 미생물 반응조에 복수 삽입하는 것으로 유로를 형성한 미생물 연료전지이다.
실험실 사이즈의 본 형식의 장치(용적 약 1L)를 이용한 모의 폐수 처리 실험에서 물 체류 시간 9시간, 유기물 처리 속도 1.3 kg-COD m-3 day-1이라는 효율을 달성하였다. 이 효율은 병행하여 실험한 활성 오니법에 따르는 모의 폐수 처리 실험의 효율과 동등하여 미생물 연료전지의 폐수 처리 성능이 실용 수준에 이른 것을 알 수 있었다.
향후 스케일 업 기술개발, 저비용 전극 제조 기술의 개발, 벤치 스케일에서의 실증 실험 등 본 기술의 실용화를 위한 기술 개발을 진행시킬 예정이라고 한다.
미생물 연료전지
미생물의 대사 능력을 이용하여 유기물 등의 연료를 전기 에너지로 변환하는 장치로 정극과 음극을 설치해 음극에서는 투입된 연료(주로 유기물)가 미생물에 의해 산화 분해되어 발생하는 전자를 전극으로 회수한다.
그 전자는 외부 회로를 경유하여 정극으로 이동해 정극에서의 산화제(주로 산소)의 환원 반응에 의해 소비된다. 음극의 화학반응과 정극의 화학반응의 전위차에 따라 전자가 흐르므로 이때의 전위차와 전자 유량(전류량)에 상당하는 에너지가 외부 회로에 대해 얻을 수 있다.
[원문보기]
微生物燃料電池の廃水処理性能向上、実用レベルに
―活性汚泥法と同等の廃水処理性能を実現―
NEDOの基盤技術開発プロジェクトに取り組んでいる、渡邉一哉東京薬科大学教授らのグループは、微生物を利用した創電型の廃水処理に適した微生物燃料電池装置を開発、実験室サイズの装置（容積約1リットル）を用いた模擬廃水処理実験により、従来方式の廃水処理法である活性汚泥法と同等の処理速度を確認しました。この実験結果は、微生物燃料電池※の廃水処理性能が実用レベルに達したことを示すものです。
本事業の成果により、汚濁廃水中の有機物から電気エネルギーが回収されるだけでなく、活性汚泥法よりも少ないエネルギーでの処理が可能となることから、まったく新しい創電型の廃水処理に繋がることが期待されます。
1.背景
現在、生活下水や工場廃水の処理には活性汚泥法という微生物処理法が広く用いられています。しかし、活性汚泥法は、曝気（微生物に酸素を供給すること）に多大な電気エネルギーを消費し、また電力供給が止まると処理ができなくなるという問題を抱えています。一方、21世紀になって有機物を分解して電気を発生させる微生物（発電菌）が発見され、このような微生物を使った微生物燃料電池が考案されました。この装置を廃水処理に適用すると、汚濁廃水中の有機物から電気エネルギーが回収され、また曝気も不要であるため、省エネ型の廃水処理が可能になると期待されています。しかしこれまでの技術では、従来の活性汚泥法に比べ、微生物燃料電池法の廃水処理性能が低い（数分の1程度）ことが問題となっていました。
2.今回の成果
今回、NEDOの委託事業「グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発プロジェクト・微生物触媒による創電型廃水処理基盤技術開発（PL:東京大学橋本和仁教授）」における、東京大学、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による共同開発において、東京薬科大学生命科学部応用生命科学科の渡邉一哉教授らは、廃水処理に適した新たな微生物燃料電池装置を開発しました。具体的には、絶縁膜(プロトン交換膜)を挟んで正極と負極を一体化した"カセット電極"を作成し、このカセット電極を微生物反応槽に複数挿入することで、スラローム型流路を形成した微生物燃料電池です（図2）。
実験室サイズの本形式の装置（容積約1L）を用いた模擬廃水処理実験において、水滞留時間9時間、有機物処理速度1.3kg-COD m-3 day-1という効率を達成しました。この効率は、並行して行った活性汚泥法による模擬廃水処理実験の効率と同等のものであり、微生物燃料電池式の廃水処理性能が実用レベルに達したことを示すものです。
3.今後の予定
今後、スケールアップ技術開発、低コスト電極製造技術の開発、ベンチスケールでの実証実験など、本技術の実用化に向けた技術開発を進めて参ります。
4.お問い合わせ先
（研究内容に関する問い合わせ先）
東京薬科大学 生命科学部 生命エネルギー工学研究室 教授 渡邉一哉
TEL：042（676）7079 FAX：042（676）5190 Email：kazuyaw@toyaku.ac.jp
研究室URL：http://logos.ls.toyaku.ac.jp/~bioenergy1/
（本プレスリリースについての問い合わせ先）
NEDO 環境部 担当：山野、高木 TEL：044-520-5252 E-mail：green@ml.nedo.go.jp
東京薬科大学 総務課（法人・広報担当）大坪、松本、葛西
TEL：042-676-1649 FAX：042-677-1639 E-mail：kouho@toyaku.ac.jp
（その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先）
NEDO 広報室 担当：遠藤 TEL：044-520-5151 E-mail：nedo_press@ml.nedo.go.jp
【参考：用語解説】
※微生物燃料電池（図1）
微生物の代謝能力を利用して有機物などの燃料を電気エネルギーに変換する装置。正極(カソード）と負極(アノード）を設置し、負極では投入された燃料（主に有機物）が微生物により酸化分解されて発生する電子を電極で回収する。その電子は外部回路を経由して正極に移動し、正極での酸化剤（主に酸素）の還元反応により消費される。負極の化学反応と正極の化学反応の電位差に従い電子が流れるので、その際の電位差と電子流量（電流量）の積に相当するエネルギーが外部回路において得られる。
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