(57)【要約】【課題】負極のメンテナンスを容易に行うことが可能な液体処理システムを提供する。【解決手段】液体処理システム１，１Ａは、有機物を含む電解液６０を保持し、電解液が流出する流出口７２を備える電解液槽７０と、嫌気性微生物を保持し、かつ、電解液に接触する負極３０と、負極と電気的に接続された正極２０とを備える。液体処理システムは、さらに、少なくとも負極の周囲の電解液を攪拌する電解液攪拌部１００と、流出口に設けられ、流出口を開閉する開閉部９０と、開閉部の開閉状態を制御する制御部１１０とを備える。制御部は、電解液攪拌部が作動状態では開閉部を閉状態とし、電解液攪拌部が停止状態では開閉部を開状態とする制御を行う。【選択図】図２
2020099851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を含む電解液を保持し、前記電解液が流出する流出口を備える電解液槽と、
嫌気性微生物を保持し、かつ、前記電解液に接触する負極と、
前記負極と電気的に接続された正極と、
少なくとも前記負極の周囲の電解液を攪拌する電解液攪拌部と、
前記流出口に設けられ、前記流出口を開閉する開閉部と、
前記開閉部の開閉状態を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電解液攪拌部が作動状態では前記開閉部を閉状態とし、前記電解液攪拌部が停止状態では前記開閉部を開状態とする制御を行う、液体処理システム。
【請求項２】
前記電解液攪拌部は、前記負極の周囲に前記電解液の流れを発生させるポンプを備える、請求項１に記載の液体処理システム。
【請求項３】
前記電解液攪拌部は、前記負極に対して散気する散気装置を備える、請求項１に記載の液体処理システム。
【請求項４】
前記電解液攪拌部は、鉛直方向において、前記負極の下部側に設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体処理システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記電解液攪拌部により前記負極に付着した異物を除去するタイミングを制御する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、持続可能なエネルギーとして、バイオマスを利用して発電をする微生物燃料電池が注目されている。微生物燃料電池は、生活廃水や工場廃水に含まれる有機物の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機物を酸化分解して処理する廃水処理装置である。そして、微生物燃料電池は、汚泥の発生が少なく、さらにエネルギー消費が少ない特徴を有する。
【０００３】
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電解液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電解液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電解液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。
【０００４】
例えば、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電極と、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電極と、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、負電極及び正電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。
【０００５】
ここで、微生物燃料電池を長期間稼働させた場合、負極の劣化に伴い、回収できる電気エネルギー量が低下してしまう。具体的には、嫌気性微生物は、バイオフィルムにより負極に担持されている。そして、微生物燃料電池を長期間稼働させた場合、負極上のバイオフィルムが肥大化し、回収できる電気エネルギー量が低下してしまう。そのため、電気エネルギーを長期間に亘り安定的に回収するためには、負極のメンテナンスを行う必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５１６４５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の微生物燃料電池では、メンテナンスのたびに微生物燃料電池の外に負極を取り出す必要が生じる。そのため、従来の微生物燃料電池は、負極のメンテナンスが煩雑であるという問題があった。
【０００８】
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、負極のメンテナンスを容易に行うことが可能な液体処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の態様に係る液体処理システムは、有機物を含む電解液を保持し、電解液が流出する流出口を備える電解液槽と、嫌気性微生物を保持し、かつ、電解液に接触する負極と、負極と電気的に接続された正極と、少なくとも負極の周囲の電解液を攪拌する電解液攪拌部と、流出口に設けられ、流出口を開閉する開閉部と、開閉部の開閉状態を制御する制御部と、を備える。制御部は、電解液攪拌部が作動状態では開閉部を閉状態とし、電解液攪拌部が停止状態では開閉部を開状態とする制御を行う。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、負極のメンテナンスを容易に行うことが可能な液体処理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る液体処理システムの一例を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】本実施形態に係る液体処理システムにおける正極とスペーサ部材と板部材とを積層してなる積層体を示す分解斜視図である。
【図４】本実施形態に係る液体処理システムの他の例を概略的に示す断面図である。
【図５】本実施形態に係る液体処理システムの他の例を概略的に示す断面図である。
【図６】本実施形態に係る液体処理システムにおける電解液攪拌部と開閉部の制御を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本実施形態に係る液体処理システム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、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
本実施形態に係る液体処理システム１は、図１に示すように、正極２０と、微生物を担持し、正極２０と電気的に接続された負極３０とを有する電極ユニット１０を備えている。また、液体処理システム１は、有機物を含む電解液６０を内部に保持し、さらに電極ユニット１０が電解液６０に浸漬するように配置される電解液槽７０を備えている。
【００１４】
［電極ユニット］
電極ユニット１０は、図１〜図３に示すように、正極２０及び負極３０を備えている。電極ユニット１０において、正極２０及び負極３０は、正極２０の面２０ｂと負極３０の面３０ａとが対向するように配設されており、さらに、正極２０の面２０ｂと負極３０の面３０ａとの間には空隙が存在する。
【００１５】
図３に示すように、正極２０は、スペーサ部材４０に積層して固定されている。スペーサ部材４０は、正極２０における面２０ａ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。つまり、スペーサ部材４０は、２本の第一柱状部材４１の底面を第二柱状部材４２で連結した枠部材である。そして、図２に示すように、スペーサ部材４０の側面４３は、正極２０の面２０ａの外周部と接合されており、側面４３の反対側の側面４４は、板部材５０の面５０ａの外周部と接合されている。
【００１６】
図１及び図２に示すように、正極２０とスペーサ部材４０と板部材５０とを積層してなる積層体は、大気と連通した気相Ｇが形成されるように、電解液槽７０の内部に配置される。電解液槽７０の内部には廃水である電解液６０が保持されており、正極２０のガス拡散層２２及び負極３０は電解液６０に浸漬されている。
【００１７】
後述するように、正極２０は撥水性を有する撥水層２１を備えており、板部材５０は電解液６０を透過しない平板状の板材からなる。そのため、電解液槽７０の内部に保持された電解液６０と、正極２０、スペーサ部材４０及び板部材５０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Ｇとなっている。そして、液体処理システム１では、この気相Ｇが外気に開放されるか、あるいは気相Ｇ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。さらに、図２に示すように、正極２０及び負極３０は、それぞれ外部回路８０と電気的に接続されている。
【００１８】
（正極）
本実施形態に係る正極２０は、図２に示すように、撥水層２１と、撥水層２１に接触するように重ねられているガス拡散層２２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Ｇ中の酸素を正極２０中の触媒に容易に供給することが可能になる。
【００１９】
＜撥水層＞
正極２０における撥水層２１は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層２１は、電極ユニット１０における電気化学系中の気相Ｇと液相とを良好に分離しながら、気相Ｇから液相へ向かう酸素の移動を許容するように構成される。つまり、撥水層２１は、気相Ｇ中の酸素を透過してガス拡散層２２へ移動させつつも、電解液６０が気相Ｇ側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。
【００２０】
撥水層２１は、酸素を含む気相Ｇと接触しており、気相Ｇ中の酸素を拡散している。そして、撥水層２１は、図２に示す構成では、ガス拡散層２２に対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層２１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。なお、撥水層２１は撥水性を有するため、結露等により多孔質体の細孔が閉塞し、酸素の拡散性が低下することを抑制できる。また、撥水層２１の内部に電解液６０が染み込み難いため、撥水層２１における気相Ｇと接触する面からガス拡散層２２と対向する面にかけて、酸素を効率的に流通させることが可能となる。
【００２１】
撥水層２１は、シート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層２１を構成する材料は、撥水性を有し、気相Ｇ中の酸素を拡散できれば特に限定されない。撥水層２１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。これらの材料は多孔質体を形成しやすく、さらに撥水性も高いため、細孔の閉塞を抑制してガス拡散性を向上させることができる。なお、撥水層２１は、撥水層２１及びガス拡散層２２の積層方向Ｘに複数の貫通孔を有することが好ましい。
【００２２】
撥水層２１としては、例えば防水透湿シートを使用することができる。防水透湿シートとしては、例えば、積水化学工業株式会社製のセルポア（登録商標）、及び株式会社ニトムズ製のブレスロン（登録商標）を用いることができる。
【００２３】
撥水層２１は、撥水性を高めるために、必要に応じて撥水剤を用いて撥水処理を施してもよい。具体的には、撥水層２１を構成する多孔質体にポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を付着させ、撥水性を向上させてもよい。
【００２４】
＜ガス拡散層＞
正極２０におけるガス拡散層２２は、多孔質な導電性材料と、導電性材料に担持されている触媒とを備えることが好ましい。なお、ガス拡散層２２が、多孔質かつ導電性を有する触媒から構成されてもよい。正極２０にこのようなガス拡散層２２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８０との間で導通させることが可能となる。つまり、後述するように、ガス拡散層２２には触媒が担持されており、さらに触媒は酸素還元触媒である。そして、電子が外部回路８０からガス拡散層２２を通じて触媒に移動することにより、触媒によって、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を進行させることが可能となる。
【００２５】
正極２０では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層２１及びガス拡散層２２を効率よく透過し、触媒に供給されることが好ましい。そのため、ガス拡散層２２は、撥水層２１と対向する面から反対側の面にかけて、酸素が透過する細孔を多数有する多孔質体であることが好ましい。また、ガス拡散層２２の形状は、三次元のメッシュ状であることが特に好ましい。このようなメッシュ状であることにより、ガス拡散層２２に対し、高い酸素透過性及び導電性を付与することが可能となる。
【００２６】
正極２０において、ガス拡散層２２に効率的に酸素を供給するために、撥水層２１は、接着剤を介してガス拡散層２２と接合していることが好ましい。これにより、ガス拡散層２２に対し、拡散した酸素が直接供給され、酸素還元反応を効率的に行うことができる。接着剤は、撥水層２１とガス拡散層２２との間の接着性を確保する観点から、撥水層２１とガス拡散層２２との間の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。ただ、撥水層２１とガス拡散層２２との間の接着性を高め、長期間に亘り安定的に酸素をガス拡散層２２に供給する観点から、接着剤は撥水層２１とガス拡散層２２との間の全面に設けられていることがより好ましい。
【００２７】
接着剤としては酸素透過性を有するものが好ましく、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。
【００２８】
ここで、本実施形態における正極２０のガス拡散層２２について、さらに詳しく説明する。上述のように、ガス拡散層２２は、多孔質な導電性材料と、当該導電性材料に担持されている触媒とを備えるような構成とすることができる。
【００２９】
ガス拡散層２２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。ここで、炭素系物質とは、炭素を構成成分とする物質をいう。炭素系物質の例としては、例えば、グラファイト、活性炭、カーボンブラック、バルカン（登録商標）ＸＣ−７２Ｒ、アセチレンブラック、ファーネスブラック、デンカブラックなどのカーボンパウダー、グラファイトフェルト、カーボンウール、カーボン織布などのカーボンファイバー、カーボンプレート、カーボンペーパー、カーボンディスク、カーボンクロス、カーボンホイル、炭素粒子を圧縮成形した炭素系材料が挙げられる。また、炭素系物質の例として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスターのような微細構造物質も挙げられる。
【００３０】
導電性ポリマーとは、導電性を有する高分子化合物の総称である。導電性ポリマーとしては、例えば、アニリン、アミノフェノール、ジアミノフェノール、ピロール、チオフェン、パラフェニレン、フルオレン、フラン、アセチレン若しくはそれらの誘導体を構成単位とする単一モノマー又は二種以上のモノマーの重合体が挙げられる。具体的には、導電性ポリマーとして、例えば、ポリアニリン、ポリアミノフェノール、ポリジアミノフェノール、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリフルオレン、ポリフラン、ポリアセチレン等が挙げられる。金属製の導電性材料としては、例えば、ステンレスメッシュが挙げられる。入手の容易性、コスト、耐食性、耐久性等を考慮した場合、導電性材料は炭素系物質であることが好ましい。
【００３１】
導電性材料の形状は、粉末形状又は繊維形状であることが好ましい。また、導電性材料は、支持体に支持されていてもよい。支持体とは、それ自身が剛性を有し、ガス拡散電極に一定の形状を付与することのできる部材をいう。支持体は絶縁体であっても導電体であってもよい。支持体が絶縁体である場合、支持体としては、例えばガラス、プラスチック、合成ゴム、セラミックス、耐水又は撥水処理した紙、木片などの植物片、骨片、貝殻などの動物片等が挙げられる。多孔質構造の支持体としては、例えば多孔質セラミック、多孔質プラスチック、スポンジ等が挙げられる。支持体が導電体である場合、支持体としては、例えばカーボンペーパー、カーボンファイバー、炭素棒などの炭素系物質、金属、導電性ポリマー等が挙げられる。
【００３２】
ガス拡散層２２における触媒は、白金系触媒、鉄又はコバルトを用いた炭素系触媒、部分酸化したタンタル炭窒化物（ＴａＣＮＯ）及びジルコニウム炭窒化物（ＺｒＣＮＯ）等の遷移金属酸化物系触媒、タングステン又はモリブデンを用いた炭化物系触媒、活性炭等を用いることができる。
【００３３】
ガス拡散層２２における触媒は、金属原子がドープされている炭素系材料であることが好ましい。金属原子としては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金及び金からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の原子であることが好ましい。この場合、炭素系材料が、特に酸素還元反応を促進させるための触媒として優れた性能を発揮する。炭素系材料が含有する金属原子の量は、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。
【００３４】
炭素系材料には、更に窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属原子がドープされていることが好ましい。炭素系材料にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。
【００３５】
炭素系材料は、例えばグラファイト及び無定形炭素等の炭素源原料をベースとし、この炭素源原料に金属原子と、窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子とをドープすることで得られる。
【００３６】
炭素系材料にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、非金属原子が窒素を含み、金属原子が鉄を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよく、金属原子が鉄のみであってもよい。
【００３７】
非金属原子が窒素を含み、金属原子がコバルトとマンガンとのうち少なくとも一方を含んでもよい。この場合も、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子がコバルトのみ、マンガンのみ、あるいはコバルト及びマンガンのみであってもよい。
【００３８】
炭素系材料の形状は特に制限されない。例えば、炭素系材料は、粒子状の形状を有してもよく、またシート状の形状を有してもよい。シート状の形状を有する炭素系材料の寸法は特に制限されず、例えばこの炭素系材料が微小な寸法であってもよい。シート状の形状を有する炭素系材料は、多孔質であってもよい。シート状の形状を有し、かつ、多孔質な炭素系材料は、例えば織布状、不織布状等の形状を有することが好ましい。このような炭素系材料は、導電性材料が無くても、ガス拡散層２２を構成することができる。
【００３９】
ガス拡散層２２における触媒として構成される炭素系材料は、次のように調製することができる。まず、例えば窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属を含む非金属化合物と、金属化合物と、炭素源原料とを含有する混合物を準備する。そして、この混合物を、８００℃以上１０００℃以下の温度で、４５秒以上６００秒未満加熱する。これにより、触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。
【００４０】
ここで、炭素源原料としては、上述の通り、例えばグラファイト又は無定形炭素を使用することができる。さらに、金属化合物としては、炭素源原料にドープされる非金属原子と配位結合し得る金属原子を含む化合物であれば、特に制限されない。金属化合物は、例えば金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、ヨウ化物、フッ化物などのような無機金属塩、酢酸塩などの有機金属塩、無機金属塩の水和物、及び有機金属塩の水和物からなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。例えばグラファイトに鉄がドープされる場合には、金属化合物は塩化鉄（III）を含有することが好ましい。また、グラファイトにコバルトがドープされる場合には、金属化合物は塩化コバルトを含有することが好ましい。また、炭素源原料にマンガンがドープされる場合には、金属化合物は酢酸マンガンを含有することが好ましい。金属化合物の使用量は、例えば炭素源原料に対する金属化合物中の金属原子の割合が５〜３０質量％の範囲内となるように決定されることが好ましく、更にこの割合が５〜２０質量％の範囲内となるように決定されることがより好ましい。
【００４１】
非金属化合物は、上記の通り、窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属の化合物であることが好ましい。非金属化合物としては、例えば、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、エチレンジアミン、オクチルボロン酸、１，２−ビス（ジエチルホスフィノエタン）、亜リン酸トリフェニル、ベンジルジサルフィドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を使用することができる。非金属化合物の使用量は、炭素源原料への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、１：１〜１：２の範囲内となるように決定されることが好ましく、１：１．５〜１：１．８の範囲内となるように決定されることがより好ましい。
【００４２】
ガス拡散層２２において、触媒は結着剤を用いて導電性材料に結着していてもよい。つまり、触媒は結着剤を用いて導電性材料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、触媒が導電性材料から脱離し、酸素還元特性が低下することを抑制できる。結着剤としては、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好ましい。また、結着剤としては、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）を用いることも好ましい。
【００４３】
（負極）
本実施形態に係る負極３０は、後述する微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、電解液６０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する機能を有する。そのため、負極３０は、このような機能を生じさせる構成ならば特に限定されない。
【００４４】
負極３０は、導電性を有する導電体シートに微生物を担持した構造を有する。導電体シートは、多孔質の導電体シート、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、導電体シートは複数のシートを積層した積層体でもよい。負極３０の導電体シートとして、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、後述する局部電池反応で生成した水素イオンが正極２０の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。また、イオン透過性を向上させる観点から、負極３０の導電体シートは、正極２０及び負極３０の積層方向Ｘ、つまり厚さ方向に連続した空間（空隙）を有していることが好ましい。
【００４５】
当該導電体シートは、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。そのため、負極３０の導電体シートを構成する材料としては、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などの導電性金属、並びにカーボンペーパー、カーボンフェルト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。
【００４６】
負極３０の導電体シートとして、黒鉛シートを用いてもよい。また、負極３０は黒鉛を含有し、さらに黒鉛におけるグラフェン層は、正極２０及び負極３０の積層方向Ｘに垂直な方向ＹＺの面に沿って配列していることが好ましい。グラフェン層がこのように配列していることにより、積層方向Ｘの導電性よりも、積層方向Ｘに垂直な方向ＹＺの導電性が向上する。そのため、負極３０の局部電池反応により生成した電子を外部回路８０へ導通させやすくなり、電池反応の効率をより向上させることが可能となる。
【００４７】
本実施形態に係る負極３０の形状は、特に限定されない。また、負極３０に担持される微生物としては、電解液６０中の有機物又は窒素含有化合物を分解して、水素イオン及び電子を生成する微生物であれば特に限定されない。このような微生物としては、例えば、増殖に酸素を必要とする好気性微生物、又は増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することができるが、嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、電解液６０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。
【００４８】
負極３０に担持される微生物が嫌気性微生物である場合には、嫌気性微生物の活動を高めるため、負極３０の周囲を嫌気性雰囲気に保つことが好ましい。また、負極３０に保持される嫌気性微生物は、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。
【００４９】
負極３０に、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３０に微生物が保持されていてもよい。具体的には、負極３０における電解液６０と直接接触する面３０ａ及び面３０ｂに対して、微生物を含むバイオフィルムが固定されていてもよい。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、微生物は、バイオフィルムによらずに負極３０に保持されていてもよい。また、微生物は、負極３０の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
【００５０】
負極３０には、例えば、電子伝達メディエーター分子が修飾されていてもよい。あるいは、電解液槽７０内の電解液６０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、微生物から負極３０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。
【００５１】
具体的には、微生物による代謝機構では、細胞内又は最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。電解液６０中にメディエーター分子を導入すると、メディエーター分子が代謝の最終電子受容体として作用し、かつ、受け取った電子を負極３０へと受け渡す。この結果、電解液６０における有機物などの酸化分解速度を高めることが可能になる。このような電子伝達メディエーター分子は、特に限定されない。電子伝達メディエーター分子としては、例えばニュートラルレッド、アントラキノン−２，６−ジスルホン酸（ＡＱＤＳ）、チオニン、フェリシアン化カリウム、及びメチルビオローゲン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。
【００５２】
（イオン移動層）
電極ユニット１０は、正極２０と負極３０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２５をさらに備えてもよい。図４に示すように、液体処理システム１Ａにおいて、イオン移動層２５の一方の面２５ａには正極２０が接触するように配置されており、イオン移動層２５の面２５ａと反対側の面２５ｂには負極３０が接触するように配置されている。そして、負極３０は、イオン移動層２５を介して正極２０と隔てられている。イオン移動層２５は電気絶縁性を有し、さらに負極３０で生成した水素イオンを透過し、正極２０側へ移動させる機能を有している。
【００５３】
イオン移動層２５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。イオン交換樹脂としては、例えばデュポン株式会社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）、並びに旭硝子株式会社製のフレミオン（登録商標）及びセレミオン（登録商標）を用いることができる。
【００５４】
また、イオン移動層２５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。つまり、イオン移動層２５は、負極３０から正極２０へ水素イオンが移動するための空間（空隙）を有するシートであってもよい。そのため、イオン移動層２５は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、イオン移動層２５は、ガラス繊維膜、合成繊維膜、及びプラスチック不織布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、これらを複数積層してなる積層体でもよい。このような多孔質のシートは、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可能となる。なお、イオン移動層２５の細孔径は、負極３０から正極２０に水素イオンが移動できれば特に限定されない。
【００５５】
上述のように、イオン移動層２５は、負極３０で生成した水素イオンを透過し、正極２０側へ移動させる機能を有する。そのため、例えば、負極３０と正極２０とが接触しない状態で近接していれば、水素イオンが負極３０から正極２０へ移動することができる。したがって、本実施形態の液体処理システムにおいて、イオン移動層２５は必須の構成要素ではない。ただ、イオン移動層２５を設けることにより、負極３０から正極２０へ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、出力向上の観点からイオン移動層２５を設けることが好ましい。なお、正極２０とイオン移動層２５との間に空隙が設けられていてもよく、また負極３０とイオン移動層２５との間も空隙が設けられていてもよい。
【００５６】
電極ユニット１０において、スペーサ部材４０は、上部の全体が開口しているが、内部に空気（酸素）を導入することが可能ならば部分的に開口していてもよく、また閉口していてもよい。
【００５７】
［電解液槽］
液体処理システム１は、有機物を含む電解液６０を内部に保持する、略直方体状の電解液槽７０を備える。電解液槽７０の前壁７３には、電解液６０を電解液槽７０に供給するための流入口７１が設けられている。電解液槽７０の後壁７４には、処理後の電解液６０を電解液槽７０から排出するための流出口７２が設けられている。
【００５８】
電解液６０は、流入口７１を通じて電解液槽７０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、電極ユニット１０は、電解液６０に浸漬するように電解液槽７０の内部に配置されている。そのため、電解液槽７０の流入口７１から供給された電解液６０は、電極ユニット１０に接触しながら流れ、その後、流出口７２から排出される。
【００５９】
［外部回路］
図２及び図４に示すように、正極２０及び負極３０には、外部回路８０が電気的に接続されている。後述するように、負極３０に担持された嫌気性微生物の触媒作用により、電解液６０中の有機物が分解されて電子が生成する。負極３０で生成した電子は外部回路８０へ移動し、さらに外部回路８０から正極２０に移動する。このとき、外部回路８０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。また、外部回路８０は、正極２０と負極３０の間の電流及び電圧の少なくとも一方を測定し、その測定結果を後述する制御部１１０に送信する機能を有する。
【００６０】
［開閉部］
上述のように、電解液槽７０は、処理後の電解液６０を電解液槽７０の内部から排出するための流出口７２を備える。そして、液体処理システム１は、電解液槽７０の流出口７２に設けられ、流出口７２を開閉する開閉部９０を備えている。開閉部９０は、後述するように、制御部１１０からの指令に基づき、流出口７２を通じた電解液６０の排出を調整する。開閉部９０が開いた場合には、電解液槽７０の内部から外部に電解液６０が排出され、開閉部９０が閉じた場合には、電解液槽７０の内部から外部に電解液６０が排出されなくなる。開閉部９０の構成は特に限定されないが、例えば電動弁又は電磁弁を用いることができる。
【００６１】
［電解液攪拌部］
液体処理システムにおいて、嫌気性微生物は、バイオフィルムにより負極に担持されていてもよい。ただ、液体処理システムを長期間稼働させた場合、負極上のバイオフィルムが肥大化するため、液体処理システムの発電効率が低下する場合がある。バイオフィルムにより液体処理システムの発電効率が低下する原因は十分に解明されていないが、嫌気性微生物以外の他の微生物により形成されたバイオフィルムによって発電が阻害される可能性がある。
【００６２】
このような、肥大化したバイオフィルムなどの異物を除去するには、電解液槽から負極を取り出し、電解液槽の外で異物を剥がす方法がある。ただ、この方法では、負極を外部に取り出すために液体処理システムの発電を停止する必要がある。また、負極の面積が大きい場合には、メンテナンスを実施するスペースを外部に確保する必要がある。
【００６３】
本実施形態の液体処理システムは、簡易な方法で負極３０に付着した異物を除去するために、少なくとも負極３０の周囲の電解液６０を攪拌する電解液攪拌部１００を備えている。電解液攪拌部１００は、負極３０の周囲、例えば負極３０における正極２０と対向する面３０ａ、及び／又は、面３０ａと反対側の面３０ｂの周囲に存在する電解液６０を攪拌することができる。電解液攪拌部１００は、後述するように、制御部１１０からの指令に基づき、電解液６０の攪拌を調整する。
【００６４】
電解液攪拌部１００の構成は、負極３０の周囲の電解液６０を攪拌できるならば特に限定されない。例えば、電解液攪拌部１００は、負極３０の周囲に電解液６０の流れを発生させるポンプを備えることが好ましい。このようなポンプを用いることにより、負極３０の周囲に電解液６０の流れを発生させ、電解液の水流及び／又は水圧により、負極３０の表面に付着した異物を剥離することが可能となる。なお、電解液攪拌部１００を構成するポンプは特に限定されないが、水中ポンプ又は水中モーターポンプを使用することができる。水中ポンプは、通常の使用中に、全面的に又は部分的に電解液６０中に沈める電気部品をもつポンプである。水中モーターポンプは、ポンプ全体を電動機ごと電解液６０中につけて使用するポンプである。
【００６５】
なお、電解液攪拌部１００は、電解液槽７０の外部に配設したポンプと、当該ポンプに接続した配管とを備え、配管の端部から電解液６０を吐出することにより、負極３０の周囲に電解液６０の流れを発生させるような構成であってもよい。
【００６６】
電解液攪拌部１００は、上述のポンプに限定されない。例えば、電解液攪拌部１００は、負極３０に対して散気する散気装置を備えることも好ましい。具体的には、図５に示すように、散気装置１０１は、気体を散気するための孔部を有する散気部材１０２と、孔部に気体を供給する気体供給部材１０３とを備えることができる。
【００６７】
散気部材１０２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１０２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１０２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。
【００６８】
気体供給部材１０３は散気部材１０２を保持し、さらに散気部材１０２の孔部に気体を供給する中空部材である。そして、気体供給部材１０３から供給された気体は、散気部材１０２の孔部を通過して気泡となり、電解液６０中に拡散する。
【００６９】
気体供給部材１０３には、電解液槽７０の外部から気体を供給するための配管１０４が接続されていることが好ましい。具体的には、気体供給部材１０３の下部に、中空の配管１０４が接続されていることが好ましい。配管１０４は、電解液槽７０の後壁７４を貫通し、電解液槽７０の外部に延出している。そして、配管１０４の端部には、気体を圧送するための圧縮機１０５が接続されている。
【００７０】
散気装置１０１から電解液６０に散気する気体は特に限定されない。例えば、気体としては空気を用いることができる。ただ、上述のように、嫌気性微生物の活動を高めるためには、負極３０の周囲を嫌気性雰囲気に保つことが好ましい。そのため、散気する気体は酸素を含まないガスであることが好ましく、例えば窒素を用いることが好ましい。
【００７１】
電解液攪拌部１００は、鉛直方向Ｙにおいて、負極３０の下部側に設けられていることが好ましい。具体的には、図２及び図４に示すように、電解液攪拌部１００が水中ポンプ又は水中モーターポンプを備えている場合には、当該ポンプは、鉛直方向Ｙにおいて、負極３０の下部側に設けられていることが好ましい。これにより、電解液攪拌部１００が稼働したときに、負極３０の下部から上方に向かう水流が発生するため、負極３０の下端からバイオフィルムが剥離し、当該バイオフィルムを効率的に除去することが可能となる。
【００７２】
電解液攪拌部１００が、電解液槽７０の外部に配設したポンプと、当該ポンプに接続した配管とを備える場合には、電解液６０が吐出する配管の端部を、鉛直方向Ｙにおいて、負極３０の下部側に設けることが好ましい。
【００７３】
電解液攪拌部１００が負極３０に対して散気する散気装置を備えている場合には、図５に示すように、散気部材１０２及び気体供給部材１０３が、鉛直方向Ｙにおいて、負極３０の下部側に設けられていることが好ましい。これにより、散気部材１０２から発生した気泡が負極３０の表面に沿って浮上し、電解液６０の水面６１に到達する。この際、気泡は、負極３０の表面に接触するため、負極３０上の異物を除去することができる。
【００７４】
［制御部］
本実施形態の液体処理システムは、開閉部９０の開閉状態を制御する制御部１１０を備えている。図２、図４及び図５に示すように、制御部１１０は、電解液槽７０の流出口７２に設けられた開閉部９０と電気的に接続されており、開閉部９０の開閉を制御する。また、制御部１１０は、電解液攪拌部１００と電気的に接続されており、電解液攪拌部１００の作動状態を制御することが好ましい。制御部１１０は、液体処理システムが外部回路８０を備えている場合には、外部回路８０と電気的に接続されていることが好ましい。制御部１１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びハードディスクからなる群より選ばれる少なくとも一つを備える。
【００７５】
次に、本実施形態の液体処理システム１，１Ａの動作について説明する。図１及び図２に示すように、正極２０及び負極３０を備える電極ユニット１０が電解液６０に浸漬した場合、正極２０のガス拡散層２２及び負極３０が電解液６０に浸漬し、撥水層２１の少なくとも一部が気相Ｇに露出する。
【００７６】
液体処理システム１，１Ａの稼働時には、負極３０に、有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する電解液６０を供給し、正極２０に空気を供給する。この際、空気は、スペーサ部材４０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。
【００７７】
そして、正極２０では、撥水層２１を透過してガス拡散層２２に酸素が拡散する。負極３０では、微生物の触媒作用により、電解液６０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する。負極３０で生成した水素イオンは、正極２０側へ移動し、正極２０中のガス拡散層２２に到達する。図４に示すように、電極ユニット１０がイオン移動層２５を有する場合には、負極３０で生成した水素イオンは、イオン移動層２５を透過して正極２０側へ移動し、正極２０中のガス拡散層２２に到達する。また、生成した電子は負極３０の導電体シートを通じて外部回路８０へ移動し、さらに外部回路８０から正極２０のガス拡散層２２に移動する。そして、水素イオン及び電子は、ガス拡散層２２中の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８０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、電極ユニット１０は、負極３０における微生物の作用により、電解液６０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を分解することができる。
【００７８】
なお、上述のように、液体処理システム１，１Ａが稼働している場合には、通常、電解液６０は流入口７１を通じて電解液槽７０の内部に連続的に供給される。さらに、電解液攪拌部１００は停止状態であり、開閉部９０は開状態である。
【００７９】
ここで、液体処理システム１，１Ａが長期間稼働し、バイオフィルムなどの異物が負極３０の表面に増加した場合、制御部１１０は、電解液攪拌部１００と開閉部９０を作動させる制御を行う。具体的には、図６に示すように、制御部１１０は、負極３０の周囲の電解液６０を攪拌する必要があるか否かを判断する（ステップＳ１）。具体的には、外部回路８０は、正極２０と負極３０の間の電流及び電圧の少なくとも一方を測定し、その測定結果を制御部１１０に送信する。制御部１１０は、受信した電流及び電圧の少なくとも一方と、記憶部に記録された基準値とを比較する。制御部１１０は、受信した電流及び電圧の少なくとも一方が当該基準値未満の場合には発電効率が悪化していると判断し、電解液６０の攪拌が必要と判断する。逆に、制御部１１０は、受信した電流及び電圧の少なくとも一方が基準値以上の場合には、正常な発電が行われていると判断し、攪拌は不要と判断する。攪拌が不要と判断した場合、制御部１１０は、電解液攪拌部１００を停止状態のままとし、開閉部９０を開状態のままとする制御を行う。
【００８０】
制御部１１０が、電解液６０の攪拌が必要と判断した場合、制御部１１０は、電解液攪拌部１００に対して作動する指令を送信する（ステップＳ２）。制御部１１０は、さらに、開閉部９０に対して閉状態とする指令を送信する（ステップＳ３）。つまり、制御部１１０は、電解液攪拌部１００が作動状態では開閉部９０を閉状態とする制御を行う。
【００８１】
電解液攪拌部１００が作動した場合、少なくとも負極の周囲の電解液６０が攪拌され、電解液６０の水流及び／又は水圧により、負極３０の表面に付着した異物を剥離する。電解液攪拌部１００が散気装置を備える場合には、散気装置から電解液６０に気泡を放出する。具体的には、圧縮機１０５を作動させて配管１０４に気体を圧送する。圧送された気体は、配管１０４の内部を通過して、気体供給部材１０３に到達する。気体供給部材１０３に供給された気体は、散気部材１０２の孔部を通過して気泡となり、電解液６０に拡散する。
【００８２】
散気部材１０２から電解液６０に拡散した気泡は、負極３０の面３０ａ，３０ｂに沿って浮上し、電解液６０の水面６１に到達する。この際、気泡は、負極３０の面３０ａ，３０ｂに接触するため、負極３０を振動させることができる。また、気泡の上昇により、負極３０の面３０ａ，３０ｂの近傍に旋回流が生じる。この負極３０の振動と、負極３０の面３０ａ，３０ｂの近傍に生じる旋回流とにより、負極３０の表面の異物、つまり肥大化したバイオフィルムを剥離する。
【００８３】
電解液攪拌部１００が作動して電解液６０が攪拌されることにより、負極の下端から、肥大化したバイオフィルムが徐々に剥離して、電解液６０中にバイオフィルムが浮遊する。この際、電解液６０中には、塊状のバイオフィルムと、微細化したバイオフィルムの両方が浮遊する。微細化したバイオフィルムは、電解液槽７０の流出口７２の孔径に比べて体積が小さいため、流出口７２を閉塞し難い。そのため、微細化したバイオフィルムは、開閉部９０が開状態の場合には、有機物が低減した電解液６０と共に、電解液槽７０の外部に排出される。ただ、塊状のバイオフィルムは体積が大きいため、開閉部９０が開状態の場合には、塊状のバイオフィルムが流出口７２に流れ着き、流出口７２を閉塞してしまう可能性がある。
【００８４】
そのため、本実施形態において、制御部１１０は、電解液攪拌部１００が作動状態では開閉部９０を閉状態とする制御を行う（ステップＳ２，Ｓ３）。これにより、電解液攪拌部１００が作動して電解液６０中にバイオフィルムが浮遊した場合でも、塊状のバイオフィルムは電解液槽７０の内部に滞留し、流出口７２に流れ着き難くなる。そのため、塊状のバイオフィルムによる流出口７２の閉塞を抑制することができる。
【００８５】
電解液攪拌部１００が作動して負極表面の異物の除去が進んだ場合、制御部１１０は、電解液６０の攪拌がさらに必要か否かを判断する（ステップＳ４）。具体的には、制御部１１０は、外部回路８０から受信した電流及び電圧の少なくとも一方と、記憶部に記録された基準値と比較する。制御部１１０は、受信した電流及び電圧の少なくとも一方が当該基準値未満の場合には、電解液６０の攪拌がさらに必要と判断し、電解液攪拌部１００の作動状態と開閉部９０の閉状態とを維持する。逆に、制御部１１０は、受信した電流及び電圧の少なくとも一方が基準値以上の場合には、これ以上の電解液６０の攪拌は不要と判断する。
【００８６】
制御部１１０が、これ以上の電解液６０の攪拌は不要と判断した場合、制御部１１０は、電解液攪拌部１００に対して作動を停止する指令を送信する（ステップＳ５）。制御部１１０は、さらに、開閉部９０に対して開状態とする指令を送信する（ステップＳ６）。つまり、制御部１１０は、電解液攪拌部１００が停止状態では開閉部９０を開状態とする制御を行う。
【００８７】
電解液攪拌部１００が停止した場合、塊状のバイオフィルムは速やかに沈降し、電解液槽７０の底壁７５に沈殿する。そして、微細化したバイオフィルムは、有機物が低減した電解液６０と共に、流出口７２を通じて電解液槽７０の外部に排出される。このようなステップにより、電解液槽７０の流出口７２の閉塞を抑制しつつ、負極表面の異物を除去することができる。
【００８８】
このように、液体処理システム１，１Ａは、有機物を含む電解液６０を保持し、電解液６０が流出する流出口７２を備える電解液槽７０と、嫌気性微生物を保持し、かつ、電解液６０に接触する負極３０と、負極３０と電気的に接続された正極２０とを備える。液体処理システム１，１Ａは、さらに、少なくとも負極３０の周囲の電解液６０を攪拌する電解液攪拌部１００と、流出口７２に設けられ、流出口７２を開閉する開閉部９０と、開閉部の開閉状態を制御する制御部１１０とを備える。制御部１１０は、電解液攪拌部１００が作動状態では開閉部９０を閉状態とし、電解液攪拌部１００が停止状態では開閉部９０を開状態とする制御を行う。
【００８９】
液体処理システム１，１Ａでは、電解液攪拌部１００により負極３０の周囲の電解液６０を攪拌することによって、負極３０の表面の異物を除去することができる。そのため、メンテナンスのたびに液体処理システム１，１Ａの外に負極３０を取り出す必要が無く、さらに液体処理システムの発電を停止する必要もない。また、負極表面の異物の除去は電解液槽７０の内部で行うことから、負極３０を好気条件に晒すことがない。そのため、液体処理システム１，１Ａの出力特性を低下させずにメンテナンスを行うことができる。さらに、負極表面の異物の除去は電解液槽７０の内部で行うことから、メンテナンスを実施するスペースを外部に確保する必要もない。そのため、液体処理システム１，１Ａでは、負極３０のメンテナンスを容易に行うことが可能となる。
【００９０】
また、液体処理システム１，１Ａでは、電解液攪拌部１００が作動状態では開閉部９０を閉状態とし、電解液攪拌部１００が停止状態では開閉部９０を開状態とする制御を行う。そのため、塊状の異物が電解液槽７０の流出口７２に詰まることが抑制されることから、電解液６０を効率的に排出することが可能となる。
【００９１】
液体処理システム１，１Ａにおいて、制御部１１０は、電解液攪拌部１００により負極３０に付着した異物を除去するタイミングを制御することが好ましい。図２、図４及び図５において、制御部１１０は、外部回路８０と電気的に接続されている。そして、制御部１１０は、外部回路８０から受信した電流及び電圧の少なくとも一方の値を基に、開閉部９０及び電解液攪拌部１００を作動させ、負極３０に付着した異物を除去している。つまり、制御部１１０は、外部回路８０から受信した電流及び電圧の少なくとも一方の値を基に、電解液攪拌部１００により負極３０に付着した異物を除去するタイミングを調整している。
【００９２】
なお、液体処理システム１，１Ａにおいて、制御部１１０は、外部回路８０と電気的に接続していなくてもよく、さらに外部回路８０で測定した値を基に、電解液攪拌部１００により負極３０に付着した異物を除去するタイミングを制御する必要はない。例えば、液体処理システム１，１Ａを一定期間稼働させたとき、負極３０の表面には、肥大化したバイオフィルムが生成することが予め分かっている場合がある。その場合には、制御部１１０は、液体処理システム１，１Ａの稼働時間を積算し、その積算値を基に、電解液攪拌部１００により負極３０に付着した異物を除去するタイミングを調整してもよい。
【００９３】
本実施形態の液体処理システム１，１Ａは上述の構成に限定されず、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、図２及び図４では、電解液攪拌部１００を、鉛直方向Ｙにおいて負極３０の下部側に設けることにより、負極３０の下部から上方に向かう水流を発生させている。ただ、電解液攪拌部１００を負極３０の面３０ｂに対向するように配置し、負極３０の面３０ｂに向かって水流を当てるような構成であってもよい。このような構成とした場合でも負極表面の異物を効率的に除去することが可能となる。
【００９４】
また、図６において、制御部１１０は、電解液攪拌部１００に対して作動する指令を送信した後に、開閉部９０に対して閉状態とする指令を送信している（ステップＳ２，Ｓ３）。ただ、本実施形態の液体処理システム１，１Ａにおいて、制御部１１０は、電解液攪拌部１００が作動状態では開閉部９０を閉状態とし、電解液攪拌部１００が停止状態では開閉部９０を開状態とする制御を行えばよい。そのため、制御部１１０は、開閉部９０に対して閉状態とする指令を送信した後に、電解液攪拌部１００に対して作動する指令を送信してもよい。また、制御部１１０は、開閉部９０に対して閉状態とする指令を送信すると同時に、電解液攪拌部１００に対して作動する指令を送信してもよい。
【００９５】
図６において、制御部１１０は、電解液攪拌部１００に対して作動を停止する指令を送信した後、開閉部９０に対して開状態とする指令を送信している（ステップＳ５，Ｓ６）。ただ、上述と同様に、制御部１１０は、開閉部９０に対して開状態とする指令を送信した後、電解液攪拌部１００に対して作動を停止する指令を送信してもよい。また、制御部１１０は、開閉部９０に対して開状態とする指令を送信すると同時に、電解液攪拌部１００に対して作動を停止する指令を送信してもよい。
【００９６】
本実施形態の液体処理システム１，１Ａにおいて、電解液６０は、流入口７１を通じて電解液槽７０の内部に連続的に供給されることが好ましい。また、開閉部９０が閉状態であっても、電解液槽７０の内部に電解液６０が供給され続けてもよい。ただ、開閉部９０が閉状態のときには、電解液６０の供給を停止するような制御を行ってもよい。
【００９７】
液体処理システム１，１Ａにおいて、電極ユニット１０は、正極２０と接触する気相Ｇを形成するスペーサ部材４０を備えている。ただ、本実施形態の液体処理システム１，１Ａにおいて、スペーサ部材４０は必須の構成要素でない。つまり、正極２０が気相Ｇと接触し、負極３０が電解液６０に浸漬していれば、電解液６０中の有機物及び／又は窒素含有化合物を分解しつつ電気エネルギーを得ることができる。例えば、正極２０を水面６１に浮かべ、負極３０を電解液６０に沈ませることによっても、正極２０の一部は気相Ｇと接触し、負極３０は電解液６０と接触することができる。なお、このような構成の場合、正極２０は撥水層２１を備えなくてもよい。
【００９８】
図面において、正極２０、負極３０及びイオン移動層２５は、矩形状に形成されている。しかし、これらの形状は特に限定されず、液体処理システム１，１Ａの大きさ、及び所望の発電性能や浄化性能により任意に変更することができる。また、各層の面積も所望の機能が発揮できるならば、それぞれ任意に変更することができる。
【実施例】
【００９９】
以下、本実施形態を実施例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１００】
まず、ポリオレフィン製撥水層に、接着剤であるシリコーン樹脂を塗布した後、ガス拡散層であるグラファイトホイルを接合することにより、撥水層／シリコーン接着剤／ガス拡散層からなる積層シートを作製した。なお、撥水層は、積水化学工業株式会社製セルポア（登録商標）を使用した。シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製の一液型ＲＴＶゴムＫＥ−３４７５−Ｔを使用した。グラファイトホイルは、日立化成工業株式会社製のものを使用した。
【０１０１】
次に、グラファイトホイルにおける撥水層とは反対側の面に、酸素還元触媒とＰＴＦＥ（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）とを混合してなる触媒層をプレス成形することにより、ガス拡散電極を作製した。なお、酸素還元触媒は、目付け量が２ｍｇ／ｃｍ２となるようにプレス成形した。
【０１０２】
上述の酸素還元触媒は、次のように調製した。まず、容器内に、３ｇのカーボンブラック、０．１Ｍの塩化鉄（III）水溶液、及び０．１５Ｍのペンタエチレンヘキサミンのエタノール溶液を入れることで、混合液を調製した。なお、カーボンブラックとしては、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックＥＣＰ６００ＪＤを使用した。０．１Ｍ塩化鉄（III）水溶液の使用量は、カーボンブラックに対する鉄原子の割合が１０質量％になるように調整した。この混合液に更にエタノールを加えることで、全量を９ｍＬに調整した。そして、この混合液を超音波分散してから乾燥機で６０℃の温度で乾燥させた。これにより、カーボンブラック、塩化鉄（III）、及びペンタエチレンヘキサミンを含有するサンプルを得た。
【０１０３】
そして、このサンプルを、石英管の一端部内に詰め入れ、続いてこの石英管内をアルゴンで置換した。この石英管を９００℃の炉に入れてから４５秒で引き抜いた。石英管を炉に挿入する際には、石英管を炉に３秒間かけて挿入することで、加熱開始時のサンプルの昇温速度を３００℃／ｓに調整した。続いて、石英管内にアルゴンガスを流通させることでサンプルを冷却させた。このようにして酸素還元触媒を得た。
【０１０４】
次に、図４に示すように、得られたガス拡散電極からなる正極、イオン移動層、及び炭素材料からなる負極を、Ｕ字状のスペーサ部材に積層することにより、電極ユニットを得た。なお、負極を構成する炭素材料としては、グラファイトホイルを用いた。また、イオン移動層としては、ポリオレフィン製の不織布を用いた。
【０１０５】
流入口及び流出口を備え、容量が３００ｃｃの電解液槽を用意し、当該電解液槽の底面にチューブを設置した。そして、チューブの一方の端部は、負極の下方に配設し、他方の端部は送液装置であるケミカルトランスファーポンプ（サーモフィッシャーサイエンティフィック社製）と接続した。そして、チューブの一方の端部は、送液装置を用いて送液した電解液が負極の表面に触れるように、電解液槽の底面に固定した。
【０１０６】
次に、正極、負極及びイオン移動層に接触するように、電解液を電解液槽内に満たした。電解液は、全有機体炭素（ＴＯＣ）が８００ｍｇ／Ｌであるモデル廃液を使用した。さらに、発電を行う嫌気性微生物源として、負極に土壌微生物を植種した。そして、水理学的滞留時間が２４時間となるように、電解液槽に電解液を連続的に供給した。さらに、電解液は、水温が３０℃となるように調整した。そして、正極と負極を負荷回路（外部回路）に接続することにより、本例の液体処理システムを得た。
【０１０７】
得られた液体処理システムを１６５日間稼働した結果、負極の表面には、肥大化したバイオフィルムが目視により確認された。そして、電解液槽の流出口に、開閉部としてアクリル樹脂製の遮断板を設置した後、送液装置を稼働し、電解液を１Ｌ／ｍｉｎの流量で負極表面にフローした。その後、送液装置を停止した後、遮断板を開放した。
【０１０８】
［評価］
（目視観察）
上述の液体処理システムに関し、電解液槽の流出口に開閉部を設置した直後からの様子を目視で観察した。
【０１０９】
まず、電解液槽の流出口に、開閉部としてのアクリル樹脂製の遮断板を設置した後に、送液装置を稼働した結果、チューブにおける一方の端部から電解液が吐出し、負極の周囲の電解液が攪拌された。そして、当該電解液が攪拌されることにより、負極の下端から肥大化したバイオフィルムが徐々に剥離して、電解液中にバイオフィルムが浮遊した。この際、電解液中には、塊状のバイオフィルムと、微細化したバイオフィルムの両方が浮遊していることが確認された。
【０１１０】
そして、送液装置を停止し、さらに開閉部としての遮断板を開放した結果、塊状のバイオフィルムは速やかに沈殿したが、微細化したバイオフィルムは流出口に向かって移動し、電解液と共に流出口から排出された。この際、塊状のバイオフィルムは流出口に向かって移動せず、下方に向かって移動しているため、流出口はバイオフィルムにより閉塞されない結果となった。
【０１１１】
（出力特性）
上述の液体処理システムを１６５日間稼働した後、送液装置を用いて電解液を攪拌する前と攪拌した後の出力特性を調べた。つまり、最初に、送液装置を用いて負極周囲の電解液を攪拌する前に、液体処理システムの負荷回路の両端における電位差を測定した。次に、送液装置を用いて負極周囲の電解液を攪拌した後、液体処理システムの負荷回路の両端における電位差を測定した。そして、次の数式１に基づき、液体処理システムの出力を求めた。
［数１］
Ｐ＝Ｖ２／Ｒ
（Ｐ：出力、Ｖ：負荷回路の両端における電位差、Ｒ：負荷回路の抵抗値）
【０１１２】
その結果、負極周囲の電解液を攪拌する前の出力は、０．１５ｍＷ／ｍ２であった。これに対して、負極周囲の電解液を攪拌した後の出力は、２．１ｍＷ／ｍ２であった。これにより、負極周囲の電解液を攪拌し、肥大化したバイオフィルムを剥離することにより、液体処理システムの発電効率が大きく向上することが分かる。
【０１１３】
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。
【符号の説明】
【０１１４】
１，１Ａ  液体処理システム
２０  正極
３０  負極
６０  電解液
７０  電解液槽
７２  流出口
８０  外部回路
９０  開閉部
１００  電解液攪拌部
１０１  散気装置
１１０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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