(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，１Ｂ，１Ｃは、有機性物質を含む電解液６０を収容する電解液槽７０と、電解液と接触し、微生物を担持する負極３０と、酸素を含む気相Ｇと接触し、負極と電気的に接続される正極２０と、負極及び正極の一方又は両方で生じる数値を測定する測定部８０と、測定部により測定された数値と設定値とを比較判断する比較判断部１０１を備える制御部１００と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性物質を含む電解液を収容する電解液槽と、
前記電解液と接触し、微生物を担持する負極と、
酸素を含む気相と接触し、前記負極と電気的に接続される正極と、
前記負極及び前記正極の一方又は両方で生じる数値を測定する測定部と、
前記測定部により測定された前記数値と設定値とを比較判断する比較判断部を備える制御部と、
を備える、液体処理システム。
【請求項２】
前記負極及び前記正極に生じる電位を制御する電位制御部をさらに備える、請求項１に記載の液体処理システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記比較判断部による前記数値と前記設定値との比較結果に基づいて、前記負極と前記正極との間の電圧を反転させるように前記電位制御部を制御する、請求項２に記載の液体処理システム。
【請求項４】
前記負極と前記正極との間の電圧が反転しているときに、前記電解液にマイクロバブルを供給する、請求項３に記載の液体処理システム。
【請求項５】
前記負極の表面を洗浄する洗浄部をさらに備え、
前記制御部は、前記比較判断部による前記数値と前記設定値との比較結果に基づいて、前記負極の表面を洗浄するように前記洗浄部を制御する、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。
【請求項６】
前記測定部により測定された前記数値は、前記負極と前記正極との間の電位差、前記負極と前記正極との間に流れる電流値、前記正極の電位、及び前記負極の重量からなる群より選ばれる少なくとも一つである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体処理システム。
【請求項７】
前記比較判断部による前記数値と前記設定値との比較結果に基づいて、警報を報知する報知部をさらに備える、請求項１乃至６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液体処理システムである。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。また、特許文献１の微生物燃料電池では、負極の劣化度合いを適切に把握することが困難であるという問題もあった。
【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、有機性物質を含む電解液を収容する電解液槽と、電解液と接触し、微生物を担持する負極と、酸素を含む気相と接触し、負極と電気的に接続される正極と、負極及び正極の一方又は両方で生じる数値を測定する測定部と、測定部により測定された数値と設定値とを比較判断する比較判断部を備える制御部と、を備える。
【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】第一実施形態に係る液体処理システムを概略的に示す斜視図である。
【図２】第一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、図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】第一実施形態に係る液体処理システムにおける電極ユニットの一例を示す分解斜視図である。
【図４】第一実施形態に係る液体処理システムにおいて、電位制御部の制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】第一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】第二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断面図である。
【図７】第二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８】第二実施形態に係る液体処理システムにおいて、洗浄部の制御を説明するためのフローチャートである。
【図９】本実施形態に係る液体処理システムを概略的に示す断面図である。
【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】
［第一実施形態］
本実施形態の液体処理システム１は、図１に示すように、微生物を担持する負極３０と、負極３０と電気的に接続される正極２０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、有機性物質を含む電解液６０を収容し、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乃至図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、正極２０及び負極３０は、それぞれ図示しない外部回路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に貫通する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】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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、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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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中の有機性物質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。
【００４３】
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。
【００４４】
当該導電体シートは、厚さ方向に貫通する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。
【００４５】
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。
【００４６】
負極３０に担持される微生物としては、電解液６０中の有機性物質を分解して、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中の有機性物質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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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における有機性物質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。
【００５１】
（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図示しないイオン移動層をさらに備えていてもよい。イオン移動層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。
【００５２】
イオン移動層としては、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。
【００５３】
また、イオン移動層として、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。
【００５４】
上述のように、イオン移動層は、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１において、イオン移動層は必須の構成要素ではない。ただ、イオン移動層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を設けることが好ましい。
【００５５】
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。
【００５６】
正極２０及び負極３０には、図示しない外部回路が電気的に接続されている。負極３０に担持された微生物の触媒作用により、電解液６０中の有機性物質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へ移動し、さらに外部回路から正極２０に移動する。このとき、外部回路によって、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。
【００５７】
具体的には、例えば電解液６０が有機物としてグルコースを含有する場合、以下の局部電池反応により、二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成している。
・負極３０（アノード）：Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｈ２Ｏ→６ＣＯ２＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−
・正極２０（カソード）：６Ｏ２＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−→１２Ｈ２Ｏ
このように、電解液６０中の有機性物質が負極３０に接触して酸化分解されるため、液体処理システム１は、電解液６０中の有機性物質から電気エネルギーを回収しつつ、電解液６０を浄化することができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、正極２０がスペーサ部材４０に積層して固定された電極ユニット１０を電解液６０に浸漬させた例について説明している。しかしながら、液体処理システム１は、電解液６０と接触し、微生物を担持する負極３０と、気相Ｇと接触し、負極３０と電気的に接続される正極２０と、を備えていれば、電気エネルギーを回収し、電解液６０を浄化することができる。したがって、本実施形態の液体処理システム１において、スペーサ部材４０は必須の構成要素でない。例えば、正極２０を電解液６０の水面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。また、正極２０が電解液槽７０の壁の一部を構成しており、正極２０の一方の面２０ａが電解液槽７０の外側の気相Ｇと接触し、正極２０における面２０ａと反対側の面が電解液６０と接触していてもよい。
【００５９】
また、図面において、電極ユニット１０における正極２０、負極３０及びイオン移動層、並びに板部材５０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の大きさ、及び所望の浄化性能等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。
【００６０】
〔電解液槽〕
液体処理システム１は、有機性物質を含む電解液６０を収容する電解液槽７０を備える。電解液槽７０は略直方体状の形状をしており、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部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部７２が設けられている。
【００６１】
電解液６０は、流入部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の流入部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、流出部７２から排出される。
【００６２】
〔測定部〕
液体処理システムにおいて、電気生産細菌である微生物は、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、電気エネルギー回収効率及び処理水質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電気エネルギー回収効率が低下する原因は十分に解明されていないが、電気生産細菌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。
【００６３】
本実施形態の液体処理システム１は、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を測ることにより、負極３０に付着した付着物の付着の程度を測定する測定部８０を備えている。さらに液体処理システム１は、後述するように、負極３０及び正極２０に生じる電位を制御することにより、バイオフィルムなどの付着物を除去する電位制御部９０と、電位制御部９０を制御する制御部１００とを備えている。そのため、液体処理システム１によれば、長期運転に伴い、電気エネルギー回収効率及び処理水質が低下し始めても、測定部８０により測定された測定結果に基づいて負極３０の表面が洗浄され、負極３０に付着した付着物が除去される。したがって、電気エネルギー回収効率及び処理水質が大きく低下する前に、負極３０から付着物を除去することが可能となる。
【００６４】
上述のように、測定部８０は、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を測ることにより、負極３０に付着した付着物の付着の程度を測定する。また、測定部８０は、測定された数値を制御部１００に送信する機能を有する。本実施形態では、液体処理システム１が備えている負極３０及び正極２０の少なくともいずれか一方を利用することによって、簡易な構成で付着物の付着の程度を測定することができる。
【００６５】
測定部８０による測定方法は、負極３０及び正極２０の少なくともいずれか一方が利用されていれば特に限定されない。すなわち、測定部８０は、負極３０及び正極２０を利用して付着の程度を測定してもよく、正極２０のみを利用して付着の程度を測定してもよい。
【００６６】
測定部８０は、図２に示すように、例えば、負極３０及び正極２０を利用し、負極３０と正極２０との間の電位差（電圧値）を測定してもよい。測定部８０が電位差を測定する場合、測定部８０は例えば電圧計などであってもよい。負極３０に付着した付着物の付着の程度が大きくなると、負極３０での酸化反応が抑制され、電位差が小さくなる傾向にある。そのため、電位差を測定することで、負極３０に付着する付着物の付着の程度を測定することができる。なお、測定部８０が電位差を測定する場合、後述のような正極２０の電位を測定する場合のように、銀−塩化銀電極のような参照電極を設置する必要がなく、当該参照電極のメンテナンスの必要性もない。そのため、簡易な構成により、付着物の付着の程度を測定することができる。
【００６７】
測定部８０は、例えば、負極３０及び正極２０を利用し、負極３０と正極２０との間に流れる電流値を測定してもよい。なお、負極３０と正極２０との間に流れる電流は、負極３０又は正極２０に流れる電流であってもよい。測定部８０が電流を測定する場合、測定部８０は例えば電流計などであってもよい。負極３０に付着した付着物の付着の程度が大きくなると、負極３０での酸化反応が抑制され、電流が小さくなる傾向にある。そのため、電流値を測定することで、負極３０に付着する付着物の付着の程度を測定することができる。測定部８０が電流値を測定する場合、後述のような正極２０の電位を測定する場合のように、参照電極を設置する必要がなく、当該参照電極のメンテナンスの必要性もない。そのため、簡易な構成により、付着物の付着の程度を測定することができる。
【００６８】
なお、測定部８０は、図２に示す形態に限定されず、以下のような形態であってもよい。測定部８０は、例えば、正極２０を利用し、正極２０の電位を測定してもよい。測定部８０が正極２０の電位を測定する場合、測定部８０は例えば電位計などであってもよい。電位計は銀−塩化銀電極のような参照電極を備えており、参照電極を電解液６０に浸漬させ、正極２０を作用電極とすることで、正極２０の電位を測定することができる。負極３０に付着した付着物の付着の程度が大きくなると、負極３０での酸化反応が抑制され、負極３０の電位が正にシフトする傾向にある。負極３０の電位が正にシフトした場合、正極２０の電位は負にシフトする。そのため、正極２０の電位を測定することで、負極３０に付着する付着物の付着の程度を測定することができる。
【００６９】
測定部８０は、例えば、負極３０を利用し、負極３０の重量を測定してもよい。測定部８０が負極３０の重量を測定する場合、測定部８０は例えば重量計などであってもよい。負極３０の重量を測定する際には、電解液６０に浸漬した際の負極３０の浮力を算出し、その算出結果に基づいて負極３０の重量を求めてもよい。負極３０に付着した付着物の付着の程度が大きくなると、負極３０の重量が大きくなるため、負極３０の重量を測定することで、負極３０に付着する付着物の付着の程度を測定することができる。測定部８０が、負極３０の重量を測定する場合、正極２０と負極３０とが分離されていると、負極３０における付着物の付着の程度をより正確に測定することができる。
【００７０】
このように、測定部８０は、負極３０と正極２０との間の電位差、負極３０と正極２０との間に流れる電流値、正極２０の電位、及び負極３０の重量からなる群より選ばれる少なくとも一つを測定してもよい。具体的には、測定部８０は、電圧計、電流計、電位計、及び重量計からなる群より選ばれる少なくとも一種の測定器であってもよい。そして、測定部８０により測定される数値は、負極３０と正極２０との間の電位差、負極３０と正極２０との間に流れる電流値、正極２０の電位、及び負極３０の重量からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
【００７１】
〔制御部〕
液体処理システム１は、図２及び図４に示すように、制御部１００を備えている。制御部１００は、測定部８０により測定された数値と設定値とを比較判断する比較判断部１０１を備えており、当該設定値は、制御部１００における記憶部に記録されている。また、制御部１００は、測定部８０と電気的に接続されており、測定部８０で測定された数値を受信する。制御部１００は、ＣＰＵを備えていてもよく、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さらに備えていてもよい。
【００７２】
〔電位制御部〕
本実施形態の液体処理システム１は、負極３０及び正極２０に電気的に接続され、負極３０及び正極２０に生じる電位を制御する電位制御部９０をさらに備えている。電位制御部９０は、制御部１００と電気的に接続されており、制御部１００から指令に基づき、負極３０及び正極２０に生じる電位を調整する。そして、液体処理システム１が稼働している場合、通常、電位制御部９０は、負極３０で生じる有機物酸化反応の理論電位に近似するように、負極３０の電位を制御する。電位制御部９０は、さらに、正極２０で生じる酸素還元反応の理論電位に近似するように、正極２０の電位を制御する。これにより、負極３０における有機物酸化反応及び正極２０における酸素還元反応が進行しやすくなり、電解液６０中の有機物を効率的に分解することが可能となる。
【００７３】
ここで、後述するように、制御部１００の比較判断部１０１は、測定部８０により測定された数値と設定値とを比較判断し、当該数値が設定値未満の場合には、負極３０に肥大化したバイオフィルムなどの付着物が付着していると判断する。そして、制御部１００は、電位制御部９０に対して、肥大化したバイオフィルムが剥離するような電位制御を実行する指令を送信する。指令を受信した電位制御部９０は、肥大化したバイオフィルムが剥離するように、次のような制御を行う。
【００７４】
例えば、電位制御部９０は、負極３０の電位を、負極３０で生じる有機物酸化反応の理論電位から大きく乖離するように調整する。これにより、有機物酸化反応により生じた電子が、微生物から負極３０に移動し難くなることから、微生物の活動が低下して微生物の生育が困難となる。その結果、肥大化したバイオフィルムを負極３０の表面から剥離することが可能となる。
【００７５】
また、電位制御部９０は、負極３０の電位を、水の電気分解が生じるように調整する。具体的には、電位制御部９０は、正極２０と負極３０との間に逆電圧負荷を付与し、正極２０と負極３０との間の電圧を反転させる。つまり、通常運転では、負極３０から正極２０へ電子移動が起こるが、逆電圧負荷を付与して電圧を反転させることにより、正極２０から負極３０へ電子移動が起こる。これにより、負極３０の周囲で水の電気分解が生じてアルカリ性になることから、微生物の活動が低下して微生物の生育が困難となる。その結果、肥大化したバイオフィルムを負極３０の表面から剥離することが可能となる。
【００７６】
電位制御部９０が正極２０と負極３０との間に逆電圧負荷を付与し、正極２０と負極３０との間の電圧を反転させることにより、負極３０を正に帯電させることができる。この際、後述するように、負極３０を正に帯電させた状態で、負極３０の周囲にマイクロバブルを発生させることが好ましい。マイクロバブルは、ＩＳＯ  ２０４８０−１：２０１７より、直径が１μｍ以上１００μｍ未満の気泡と定義される。そして、マイクロバブルは、気泡表面が負に帯電していることが知られている。これは、マイクロバブルが発生する過程に起きる静電摩擦力の効果や，水分子から分離したＯＨ−イオンが気泡表面に集積するためとされている。そのため、負に帯電したマイクロバブルは、正に帯電した負極３０の表面に引き寄せられ、負極３０の表面で破壊される。マイクロバブルが破壊された際には衝撃波が発生することから、その衝撃波により、肥大化したバイオフィルムを負極３０の表面から剥離することが可能となる。
【００７７】
電位制御部９０は、負極３０及び正極２０に生じる電位を制御するための可変抵抗器を備えることが好ましい。また、正極２０と負極３０との間に逆電圧負荷を付与して、正極２０と負極３０との間の電圧を反転させるために、電位制御部９０は、スイッチング素子及び反転回路を備えることが好ましい。
【００７８】
次に、本実施形態の液体処理システム１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。
【００７９】
液体処理システム１の稼働時には、負極３０に有機物を含有する電解液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。
【００８０】
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。電極ユニット１０がイオン移動層を有する場合には、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（測定部、電位制御部）へ移動し、さらに外部回路から正極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中の有機物を分解することができる。
【００８１】
液体処理システム１の稼働時において、測定部８０は、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を連続的又は断続的に測定する。具体的には、測定部８０は、負極３０と正極２０との間の電位差、負極３０と正極２０との間に流れる電流値、正極２０の電位、及び負極３０の重量からなる群より選ばれる少なくとも一つを測定する。測定部８０は、測定して得られた数値を制御部１００に送信する。数値を受信した制御部１００は、図４に示すように、比較判断部１０１において、測定部８０により測定された数値と設定値とを比較する（ステップＳ１）。なお、当該設定値は、負極３０と正極２０との間の電位差、負極３０と正極２０との間に流れる電流値、正極２０の電位、及び負極３０の重量に対して、個々に設定され、予め記憶部に記録されている。
【００８２】
比較判断部１０１は、受信した数値が当該設定値未満の場合には、電気エネルギー回収効率が低下しており、電位制御部９０を作動させる必要があると判断する。逆に、比較判断部１０１は、受信した数値が当該設定値以上の場合には、正常な発電が行われており、電位制御部９０を作動させる必要がないと判断する。
【００８３】
比較判断部１０１が、電位制御部９０を作動させる必要がある判断した場合、制御部１００は、電位制御部９０に対して作動する指令を送信する（ステップＳ２）。電位制御部９０は、制御部１００から指令に基づき、負極３０及び正極２０に生じる電位を調整する。具体的には、上述のように、電位制御部９０は、負極３０の電位を、負極３０で生じる有機物酸化反応の理論電位から大きく乖離するように調整する。または、電位制御部９０は、正極２０と負極３０との間に逆電圧負荷を付与し、正極２０と負極３０との間の電圧を反転させる。これにより、肥大化したバイオフィルムを負極３０の表面から剥離することが可能となる。なお、この際、電位制御部９０は、負極３０及び正極２０に生じる電位をパルス的又は高周波的に変動させてもよい。また、電位制御部９０は、負極３０及び正極２０に生じる電位の変動を、パルス的な変動と高周波的な変動とを組み合わせて行ってもよい。
【００８４】
電位制御部９０が作動して負極表面の付着物の除去が進んだ場合、制御部１００は、電位制御部９０の作動がさらに必要か否かを判断する（ステップＳ３）。具体的には、制御部１００は、測定部８０により再度測定された数値を受信し、比較判断部１０１は、測定部８０により測定された数値と、記憶部に記録された設定値とを比較する。比較判断部１０１は、測定部８０により測定された数値が設定値未満の場合には、電位制御部９０の作動がさらに必要と判断し、逆に、当該数値が設定値以上の場合には、これ以上の電位制御部９０の作動は不要と判断する。
【００８５】
比較判断部１０１が、これ以上の電位制御部９０の作動は不要と判断した場合、制御部１００は、電位制御部９０に対して作動を停止する指令を送信する（ステップＳ４）。このように、電位制御部９０が作動した場合、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、流出部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、負極表面におけるバイオフィルムなどの付着物を除去することができる。
【００８６】
このように、本実施形態の液体処理システム１は、有機性物質を含む電解液６０を収容する電解液槽７０を備える。液体処理システム１は、さらに、電解液６０と接触し、微生物を担持する負極３０と、酸素を含む気相Ｇと接触し、負極３０と電気的に接続される正極２０とを備える。液体処理システム１は、さらに、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を測定する測定部８０と、測定部８０により測定された数値と設定値とを比較判断する比較判断部１０１を備える制御部１００とを備える。液体処理システム１では、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を測定部８０で測定し、さらに測定部８０で測定された数値と設定値とを比較判断部１０１で比較判断している。そのため、電気エネルギー回収効率及び処理水質が大きく低下する前に、負極３０から付着物を除去することが可能となる。また、電気エネルギー回収効率が大きく低下した場合には、負極３０の表面には既に多くの付着物が付着して、付着物の除去に手間を要することになる。しかし、本実施形態の液体処理システム１では、負極３０の表面には多くの付着物が付着する前に、負極３０の異常を把握し、付着物を除去することができる。そのため、液体処理システム１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。
【００８７】
本実施形態の液体処理システム１において、負極３０及び正極２０に生じる電位を制御する電位制御部９０をさらに備えることが好ましい。さらに、制御部１００は、比較判断部１０１による当該数値と設定値との比較結果に基づいて、負極３０と正極２０との間の電圧を反転させるように電位制御部を制御することがより好ましい。これにより、有機物酸化反応により生じた電子が微生物から負極３０に移動し難くなる。さらに、負極３０で水の電気分解が生じて、負極３０の周囲がアルカリ性になる。その結果、微生物の活動が低下して微生物の生育が困難となることから、肥大化したバイオフィルムなどの付着物を負極３０の表面から剥離することが可能となる。
【００８８】
本実施形態の液体処理システムにおいて、負極３０と正極２０との間の電圧が反転しているときには、電解液６０にマイクロバブルを供給することが好ましい。具体的には、図５に示す液体処理システム１Ａは、負極３０及び正極２０を有する電極ユニット１０と、電極ユニット１０を内部に配置する電解液槽７０と、測定部８０と、比較判断部１０１を備える制御部１００とを備えている。液体処理システム１Ａは、さらに、マイクロバブルを発生させて電解液６０にマイクロバブルを供給する微小気泡発生器１１０を備える。微小気泡発生器１１０は、制御部１００と電気的に接続されており、制御部１００からの指令に沿って、電解液６０中にマイクロバブルを発生させる。
【００８９】
微小気泡発生器１１０によりマイクロバブルを発生させる方式は特に限定されないが、エジェクター方式、キャビテーション方式、旋回流方式及び加圧溶解方式の少なくとも一つであることが好ましい。また、微小気泡発生器１１０で発生するマイクロバブルの粒径（直径）は、負極表面に付着している付着物の量を考慮して決めることが好ましい。なお、マイクロバブルが含む気体は、空気又は窒素であることが好ましい。また、マイクロバブルが含む気体が、酸素又は酸素混合気体である場合、電解液６０中の溶存酸素量を向上させる副効果を与えることができる。
【００９０】
ここで、液体処理システム１Ａにおいて、電解液６０は、流入部７１を通じて電解液槽７０の内部に供給される。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、流出部７２から排出される。そして、微小気泡発生器１１０は、電解液６０が流入部７１から流出部７２へと流れる際、負極３０よりも上流側に設けられることが好ましい。マイクロバブルは、気泡が電解液６０に接している表面積が大きく、気泡の上昇速度が遅いことから、電解液６０中に長時間滞在し続ける。そのため、微小気泡発生器１１０を負極３０よりも上流側に設けることにより、微小気泡発生器１１０から発生したマイクロバブルと負極３０との接触性を高めることが可能となる。
【００９１】
図２の液体処理システム１と同様に、液体処理システム１Ａにおいて、測定部８０は、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を連続的又は断続的に測定する。そして、制御部１００は、比較判断部１０１において、測定部８０により測定された数値と設定値とを比較する。その結果、比較判断部１０１が、電位制御部９０を作動させる必要がある判断した場合、制御部１００は、電位制御部９０に対して作動する指令を送信する。
【００９２】
そして、電位制御部９０が作動して負極３０と正極２０との間の電圧が反転しているときに、制御部１００は、微小気泡発生器１１０に対して作動する指令を送信する。微小気泡発生器１１０が作動することにより、電解液６０にマイクロバブルが供給される。上述のように、負極３０と正極２０との間の電圧が反転しているとき、負極３０は正に帯電していることから、負に帯電したマイクロバブルは負極３０の表面に引き寄せられる。そして、マイクロバブルは、負極３０の表面で破壊される。マイクロバブルが破壊された際には衝撃波が発生することから、その衝撃波により付着物を負極３０の表面から剥離することが可能となる。このように、液体処理システム１Ａにおいて、負極３０と正極２０との間の電圧が反転しているときに電解液６０にマイクロバブルを供給することで、マイクロバブルのキャビテーションにより、負極３０の表面から付着物を剥離することができる。
【００９３】
本実施形態の液体処理システム１Ａは、比較判断部１０１における、測定部８０により測定された数値と設定値との比較判断結果に基づき、電位制御部９０及び微小気泡発生器１１０を作動させている。ただ、液体処理システム１Ａは、比較判断部１０１における比較判断結果に基づかずに、電位制御部９０及び微小気泡発生器１１０を作動させてもよい。つまり、液体処理システム１Ａは、定期的に電位制御部９０及び微小気泡発生器１１０を作動させて、負極表面の付着物を除去したり、負極表面に付着物を付着し難くしてもよい。
【００９４】
そして、電位制御部９０により負極３０と正極２０との間の電圧が反転しているとき、反転による汚れ防止能力は、反転電圧及び反転電流を、どのくらいの時間かけたかで評価して決定することができる。また、電圧の反転は、単数若しくは複数のパルス的、又は高周波的に行ってもよく、またそれぞれを組み合わせて行ってもよい。さらに、微小気泡発生器１１０から発生させるマイクロバブルの粒径は、負極３０に対する汚れ防止機能を考慮して決定することが好ましい。
【００９５】
本実施形態の液体処理システム１，１Ａは、比較判断部１０１による数値と設定値との比較結果に基づいて、警報を報知する報知部１２０をさらに備えていてもよい。警報は、例えば、負極３０に付着した付着物の付着の程度が強いことをユーザーに知らせるための警報である。
【００９６】
具体的には、図２及び図５に示すように、報知部１２０は、制御部１００と電気的に接続されている。そして、比較判断部１０１は、測定部８０により測定された数値が設定値未満の場合には、負極３０に付着した付着物の付着の程度が強いと判断する。その後、制御部１００は、報知部１２０に対して、警報を発するための指令を送信する。ユーザーは、この警報によって、液体処理システム１，１Ａの長期運転に伴う電気エネルギー回収効率及び処理水質の大きな低下に気付くことができる。そして、ユーザーは、例えば薬液によって負極３０の表面を洗浄するなど、強力な方法によって負極３０の表面を洗浄し、電気エネルギー回収効率及び処理水質の大きな低下を抑制することができる。
【００９７】
報知部１２０には、スピーカーなどの音声出力部、ＬＥＤ（light  emitting  diode）などの光源を有する表示装置、又はこれらの組み合わせが含まれる。報知部１２０が音声出力部の場合には、報知部１２０からの音声メッセージ及びブザー音などによって、ユーザーに警報が報知される。報知部１２０が表示装置の場合には、報知部１２０の光源の色並びに点灯及び点滅の時間間隔などによって、ユーザーに警報が報知される。また、報知部１２０が表示装置の場合には、ディスプレイなどにメッセージが表示されていてもよい。
【００９８】
［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る液体処理システムについて、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９９】
図６に示すように、本実施形態の液体処理システム１Ｂは、第一実施形態と同様に、有機性物質を含む電解液６０を収容する電解液槽７０を備える。液体処理システム１Ｂは、さらに、電解液６０と接触し、微生物を担持する負極３０と、気相Ｇと接触し、負極３０と電気的に接続される正極２０とを備える。液体処理システム１Ｂは、さらに、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を測定する測定部８０と、測定部８０により測定された数値と設定値とを比較判断する比較判断部１０１を備える制御部１００とを備える。そして、液体処理システム１Ｂも第一実施形態と同様に、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を測定部８０で測定し、さらに測定部８０で測定された数値と設定値とを比較判断部１０１で比較判断している。
【０１００】
ここで、液体処理システム１Ｂは、負極３０の表面を洗浄する洗浄部１３０をさらに備えている。洗浄部１３０は、制御部１００と電気的に接続されており、制御部１００から指令に基づき、負極３０の表面を洗浄して、付着物を除去する。
【０１０１】
洗浄部１３０は、少なくとも負極３０の周囲の電解液６０を攪拌して負極３０の表面を洗浄してもよく、薬液洗浄によって負極３０の表面を洗浄してもよく、又はこれらの組み合わせであってもよい。
【０１０２】
負極３０の周囲の電解液６０を攪拌して負極３０の表面を洗浄する場合、洗浄部１３０は、図６に示すように、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であることが好ましい。電解液攪拌部は、負極３０の周囲に存在する電解液６０を攪拌することができる。このような電解液攪拌部によって、簡易な方法で負極３０に付着した付着物を除去することができる。
【０１０３】
電解液攪拌部の構成は、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６０の水流及び／又は水圧により、負極３０の表面に付着した付着物を剥離することが可能となる。なお、電解液攪拌部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。
【０１０４】
なお、電解液攪拌部は、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。
【０１０５】
電解液攪拌部は、上述のポンプに限定されない。例えば、電解液攪拌部は、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７に示すように、散気装置１３１は、気体を散気するための孔部を有する散気部材１３２と、孔部に気体を供給する気体供給部材１３３とを備えていてもよい。
【０１０６】
散気部材１３２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１３２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１３２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。
【０１０７】
気体供給部材１３３は散気部材１３２を保持し、さらに散気部材１３２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１３３から供給された気体は、散気部材１３２の孔部を通過して気泡となり、電解液６０中に拡散する。
【０１０８】
気体供給部材１３３には、電解液槽７０の外部から気体を供給するための配管１３４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１３３の下部に、中空の配管１３４が接続されていることが好ましい。配管１３４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１３４の端部には、気体を圧送するための圧縮機１３５が接続されており、圧縮機１３５は制御部１００と電気的に接続されている。
【０１０９】
散気装置１３１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。
【０１１０】
電解液攪拌部は、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６に示すように、電解液攪拌部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の下端から付着物が剥離し、当該付着物を効率的に除去することが可能となる。
【０１１１】
電解液攪拌部が、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。
【０１１２】
電解液攪拌部が負極３０に対して散気する散気装置１３１を備えている場合には、図７に示すように、散気部材１３２及び気体供給部材１３３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１３２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の表面の近傍に旋回流が生じる。この負極３０の振動と旋回流により、負極３０の表面の付着物を除去することができる。
【０１１３】
薬液洗浄によって負極３０の表面を洗浄する場合、負極３０を電解液６０から取り出して薬液を塗布するか、電解液槽７０とは異なる槽に収容された薬液に負極３０を移動させて浸漬させてもよい。薬液を塗布する場合には、洗浄部１３０は、負極３０の表面に薬液を塗布する塗布部を備えていてもよい。薬液を塗布する方法は特に限定されず、スプレー等で噴霧してもよく、刷毛等で負極３０の表面に直接塗布してもよい。
【０１１４】
薬液は特に限定されないが、酸性溶液であってもよく、アルカリ性溶液であってもよい。薬液として酸性溶液を用いた場合には、負極３０の表面に付着し、強固に固着したスケールを除去することが容易になる。薬液としてアルカリ性溶液を用いた場合には、負極３０の表面に付着し、強固に固着したバイオフィルムを除去することが容易になる。酸性溶液は、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、フッ化水素酸、酢酸、クエン酸、シュウ酸、リン酸、スルファミン酸、次亜塩素酸及び乳酸からなる群より選択される少なくとも１つを含有する水溶液などを含んでいてもよい。また、アルカリ性溶液は、例えば、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム及びケイ酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも１つを含有する水溶液などを含んでいてもよい。薬液は、負極３０に付着する付着物の種類、量及び付着強度などによって適宜選択すればよい。
【０１１５】
洗浄部１３０の構成は、負極周囲の電解液６０を攪拌する構成、及び薬液により洗浄する構成に限定されない。洗浄部１３０は、例えばマイクロバブルを発生させる微小気泡発生器であってもよい。洗浄部１３０として微小気泡発生器を用いることにより、マイクロバブルのキャビテーションで、負極３０の表面に付着した付着物を除去することができる。また、洗浄部１３０は、ブラシを備え、ブラシにより負極３０の表面に付着した付着物を物理的に除去するような構成であってもよい。
【０１１６】
次に、本実施形態の液体処理システム１Ｂの動作について説明する。第一実施形態と同様に、液体処理システム１の稼働時には、負極３０に有機物を含有する電解液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。
【０１１７】
液体処理システム１の稼働時において、測定部８０は、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を連続的又は断続的に測定する。具体的には、測定部８０は、負極３０と正極２０との間の電位差、負極３０と正極２０との間に流れる電流値、正極２０の電位、及び負極３０の重量からなる群より選ばれる少なくとも一つを測定する。測定部８０は、測定して得られた数値を制御部１００に送信する。数値を受信した制御部１００は、図８に示すように、比較判断部１０１において、測定部８０により測定された数値と設定値とを比較する（ステップＳ１）。なお、当該設定値は、負極３０と正極２０との間の電位差、負極３０と正極２０との間に流れる電流値、正極２０の電位、及び負極３０の重量に対して、個々に設定され、予め記憶部に記録されている。
【０１１８】
比較判断部１０１は、受信した数値が当該設定値未満の場合には、電気エネルギー回収効率が低下しており、洗浄部１３０を作動させる必要があると判断する。逆に、比較判断部１０１は、受信した数値が当該設定値以上の場合には、正常な発電が行われており、洗浄部１３０を作動させる必要がないと判断する。比較判断部１０１が、洗浄部１３０を作動させる必要がある判断した場合、制御部１００は、洗浄部１３０に対して作動する指令を送信する（ステップＳ２）。
【０１１９】
洗浄部１３０が作動して負極表面の付着物の除去が進んだ場合、制御部１００は、洗浄部１３０の作動がさらに必要か否かを判断する（ステップＳ３）。具体的には、制御部１００は、測定部８０により再度測定された数値を受信し、比較判断部１０１は、測定部８０により測定された数値と、記憶部に記録された設定値とを比較する。比較判断部１０１は、測定部８０により測定された数値が設定値未満の場合には、洗浄部１３０の作動がさらに必要と判断し、逆に、当該数値が設定値以上の場合には、これ以上の洗浄部１３０の作動は不要と判断する。
【０１２０】
比較判断部１０１が、これ以上の洗浄部１３０の作動は不要と判断した場合、制御部１００は、洗浄部１３０に対して作動を停止する指令を送信する（ステップＳ４）。洗浄部１３０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、流出部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、負極表面におけるバイオフィルムなどの付着物を除去することができる。
【０１２１】
このように、本実施形態の液体処理システム１Ｂは、有機性物質を含む電解液６０を収容する電解液槽７０を備える。液体処理システム１Ｂは、さらに、電解液６０と接触し、微生物を担持する負極３０と、酸素を含む気相Ｇと接触し、負極３０と電気的に接続される正極２０とを備える。液体処理システム１Ｂは、さらに、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を測定する測定部８０と、測定部８０により測定された数値と設定値とを比較判断する比較判断部１０１を備える制御部１００とを備える。液体処理システム１Ｂでは、負極３０及び正極２０の一方又は両方で生じる数値を測定部８０で測定し、さらに測定部８０で測定された数値と設定値とを比較判断部１０１で比較判断している。そのため、電気エネルギー回収効率及び処理水質が大きく低下する前に、負極３０から付着物を除去することが可能となる。さらに、液体処理システム１Ｂでは、負極３０のメンテナンスを容易に行うことができる。
【０１２２】
液体処理システム１Ｂは、負極３０の表面を洗浄する洗浄部１３０をさらに備えている。そして、制御部１００は、比較判断部１０１による当該数値と設定値との比較結果に基づいて、負極３０の表面を洗浄するように洗浄部１３０を制御する。このため、長期運転に伴い、電気エネルギー回収効率及び処理水質が低下し始めても、測定部８０で測定された測定結果に基づいて、洗浄部１３０により負極３０の表面が洗浄され、負極３０に付着した付着物が洗い流される。したがって、電気エネルギー回収効率及び処理水質が、負極３０に付着した付着物によって大きく低下する前に、負極３０から付着物を除去することができる。したがって、液体処理システム１Ｂは、長期運転に伴う電気エネルギー回収効率及び処理水質の大きな低下を抑制することができる。
【０１２３】
なお、液体処理システム１Ｂは、第一実施形態と同様に、比較判断部１０１による数値と設定値との比較結果に基づいて、警報を報知する報知部１２０をさらに備えていてもよい。
【０１２４】
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。具体的には、図９に示すように、第一実施形態の液体処理システム１，１Ａに、第二実施形態で詳述した洗浄部１３０を組み合わせてもよい。そして、図９に示す液体処理システム１Ｃにおいて、制御部１００は、比較判断部１０１による、測定部８０により測定された数値と設定値との比較結果に基づいて、電位制御部９０及び洗浄部１３０の両方を制御することが好ましい。これにより、電気エネルギー回収効率及び処理水質が大きく低下する前に、電位制御部９０及び洗浄部１３０の両方により、負極３０から付着物を除去することが可能となる。
【符号の説明】
【０１２５】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  液体処理システム
２０  正極
３０  負極
６０  電解液
７０  電解液槽
８０  測定部
９０  電位制御部
１００  制御部
１０１  比較判断部
１２０  報知部
１３０  洗浄部
Ｇ  気相
【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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【図７】
2020116505.tif 000009
【図８】
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【図９】
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