(57)【要約】【課題】微生物燃料電池によって効率よく液体の処理や発電をする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１００は、第１の被処理液１ａを処理して第１の処理水１ｂを排出する液体処理槽１３と、第１の被処理液１ａを液体処理槽１３まで流通させる第１の流路３１と、第１の流路３１において、液体処理槽１３の上流側に配置され、第１の被処理液１ａ中の有機物から有機酸を生成する有機酸生成槽１１とを備え、液体処理槽１３は、第１の被処理液１ａと接するように配置され、かつ、嫌気性微生物を保持する負極と、気体相に接触可能に配置された正極とを有する少なくとも１つの電極ユニットを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の被処理液を処理して第１の処理水を排出する液体処理槽と、
前記第１の被処理液を前記液体処理槽まで流通させる第１の流路と、
前記第１の流路において、前記液体処理槽の上流側に配置され、前記第１の被処理液中の有機物から有機酸を生成する有機酸生成槽と
を備え、
前記液体処理槽は、前記第１の被処理液と接するように配置され、かつ、嫌気性微生物を保持する負極と、気体相に接触可能に配置された正極とを有する少なくとも１つの電極ユニットを含む、液体処理システム。
【請求項２】
前記第１の流路において、前記有機酸生成槽と前記液体処理槽との間に配置され、前記第１の被処理液のｐＨを調整するｐＨ調整槽をさらに備える、請求項１に記載の液体処理システム。
【請求項３】
前記第１の流路において、前記有機酸生成槽の上流に配置され、前記第１の被処理液を希釈する第１希釈槽をさらに備える、請求項１または２に記載の液体処理システム。
【請求項４】
前記有機酸生成槽は、前記第１の被処理液中のエタノールから酢酸を生成する菌を有する、請求項１から３のいずれかに記載の液体処理システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の液体処理システムを含む第１の処理システムと、
第２の被処理液を処理して第２の処理水を排出する第２の液体処理槽と、前記第２の被処理液を前記液体処理槽まで流通させる第２の流路とを有する第２の処理システムと、
前記第１の処理水の少なくとも一部を、前記第２の液体処理槽または前記第２の流路における前記第２の液体処理槽の上流側に供給する第３の流路と
を備えた、液体処理複合システム。
【請求項６】
前記第２の液体処理槽は、
酸素を含む気体を噴出する散気管を備える曝気槽と、
前記曝気槽から排出された前記第２の被処理液を、前記第２の処理水と汚泥とに分離する沈殿槽と
を含み、
前記第３の流路は、前記第１の処理水の少なくとも一部を前記曝気槽に供給する、請求項５に記載の液体処理複合システム。
【請求項７】
前記第１の流路において、前記第１の被処理液を希釈する少なくとも１つの希釈槽と、
前記第２の処理水の少なくとも一部を、前記少なくとも１つの希釈槽に供給する第４の流路と
をさらに備える請求項５または６に記載の液体処理複合システム。
【請求項８】
前記第１の流路において、前記有機酸生成槽の上流に配置され、前記第１の被処理液を希釈する第１希釈槽と、
前記第２の処理水の少なくとも一部を、前記第１希釈槽に供給する第４の流路と、
前記第４の流路において、前記第１希釈槽の上流に配置されたろ過槽と
をさらに備える請求項５または６に記載の液体処理複合システム。
【請求項９】
前記第１の流路には、前記第１の被処理液として、エタノールを含む第１の原水が供給され、
前記第２の流路には、前記第２の被処理液として、前記第１の原水よりもエタノール濃度の低い第２の原水が供給される、請求項５から８のいずれかに記載の液体処理複合システム。
【請求項１０】
（Ａ）第１の被処理液として、エタノールを含む第１の原水を準備する工程と、
（Ｂ）前記第１の被処理液に含まれるエタノールから酢酸を生成する有機酸生成工程と、
（Ｃ）前記工程（Ｂ）で生成された有機酸を含む前記第１の被処理液を、嫌気性微生物により処理して、第１の処理水を得る処理工程と
を包含する液体処理方法。
【請求項１１】
前記工程（Ｂ）と前記工程（Ｃ）との間に、前記工程（Ｂ）で生成された有機酸を含む前記第１の被処理液のｐＨを調整するｐＨ調整工程をさらに包含する請求項１０に記載の液体処理方法。
【請求項１２】
前記工程（Ａ）と前記工程（Ｂ）との間に、前記第１の被処理液を希釈する工程をさらに包含する請求項１０または１１に記載の液体処理方法。
【請求項１３】
前記第１の原水におけるエタノール濃度は１０％以上である、請求項１０から１２のいずれかに記載の液体処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液体処理システムおよび液体処理方法、特に微生物燃料電池を用いた液体処理システムおよび液体処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物燃料電池は、廃水（生活廃水・工場廃水）中に含まれる有機性物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、その有機性物質を酸化分解処理するエネルギー自立型の廃水処理装置である。
【０００３】
微生物燃料電池は、微生物を担持する負極と、電解液および酸素を含む気相に接触させる正極とを有し、負極に有機性物質などを含有する電解液を供給すると共に、正極に酸素を含んだ水を供給する。負極及び正極は、外部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（Ｈ+）及び電子（ｅ-）が生成され、水素イオンは正極へ移動し、電子は外部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（Ｏ2）と結合し、水（Ｈ2Ｏ）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】
微生物燃料電池は、余剰汚泥の発生が低減された、低エネルギー消費の液体処理システムを構築できる技術として期待されている。
【０００５】
特許文献１は、微生物燃料電池を用いて廃水を処理する液体処理システムを開示している。特許文献１は、微生物燃料電池の発電電力を安定的に回収するために、微生物燃料電池に供給する廃水の酸化還元電位を嫌気性処理によってあらかじめ低下させることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−３１７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示の、限定的ではない例示的なある実施形態は、微生物燃料電池によって効率よく液体の処理や発電をすることが可能な液体処理システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一実施形態の液体処理システムは、第１の被処理液を処理して第１の処理水を排出する液体処理槽と、第１の被処理液を液体処理槽まで流通させる第１の流路と、第１の流路において、液体処理槽の上流側に配置され、第１の被処理液中の有機物から有機酸を生成する有機酸生成槽とを備え、液体処理槽は、第１の被処理液と接するように配置され、かつ、嫌気性微生物を保持する負極と、気体相に接触可能に配置された正極とを有する少なくとも１つの電極ユニットを含む。
【０００９】
本開示の一実施形態の液体処理方法は、（Ａ）第１の被処理液として、エタノールを含む第１の原水を準備する工程と、（Ｂ）前記第１の被処理液に含まれるエタノールから酢酸を生成する有機酸生成工程と、（Ｃ）前記工程（Ｂ）で生成された有機酸を含む前記第１の被処理液を、嫌気性微生物により処理して、第１の処理水を得る処理工程とを包含する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一実施形態によると、微生物燃料電池によって効率よく液体の処理や発電をすることが可能な液体処理システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の液体処理システム１００を例示する模式図である。
【図２】液体処理システム１００における液体処理槽を例示する模式的な断面図である。
【図３】第２の実施形態の液体処理複合システム２００を例示する模式図である。
【図４】第２の実施形態の他の液体処理複合システム３００を示す模式図である。
【図５】エタノール含有排水の酢酸発酵の経過時間と培養液の酢酸濃度との関係を示す図である。
【図６】エタノール含有排水のＭＦＣ槽１３による処理時間と、ＭＦＣ槽１３の出力およびＴＯＣ処理率との関係を示す図である。
【図７】酢酸発酵培養液ＡのＭＦＣ槽１３による処理時間と、ＭＦＣ槽１３の出力およびＴＯＣ処理率との関係を示す図である。
【図８】実施例の液体処理システムを示す模式図である。
【図９】比較例の液体処理システムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の基礎となった知見は以下のとおりである。
【００１３】
＜電流生成菌に適した条件について＞
微生物燃料電池は、有機物を分解して電子（ｅ-）と水素イオン（Ｈ+）とを放出する性質を有する電流生成菌を利用している。このため、微生物燃料電池の発電特性を高めるためには、電解液（廃水などの被処理液）を電流生成菌に適した条件に調整することが求められる。例えば、電解液のｐＨを電流生成菌に適した値に制御することなどが挙げられる。
【００１４】
特に、下水等廃水中の溶存酸素濃度は高く、酸化還元電位が高いため、電流生成菌の生育環境に適していない。そこで、廃水中の酸化還元電位を下げるために、微生物燃料電池の１次側（上流側）に嫌気槽を設けることが提案されている（特許文献１）。
【００１５】
しかしながら、微生物燃料電池の処理能力を向上させるためには、酸化還元電位の制御だけでは不十分である。例えば、電解液における、電流生成菌によって分解可能な基質である有機酸の濃度を適切に調整することが望ましい。このためには、廃水中の有機物を有機酸に分解し、分解した有機酸を電流生成菌に供給するプロセス全体を考慮した液体処理システムの構築が求められている。以下、詳しく説明する。
【００１６】
微生物燃料電池で活用されるＧｅｏｂａｃｔｅｒやＳｈｅｗａｎｅｌｌａ等の電流生成菌は、ｐＨ中性近傍の環境下にて、主に有機酸（酢酸など）を電子供与体（エネルギー源）として、嫌気的酸化を行い、電流を生成する。このため、微生物燃料電池に供給する廃水の酸化還元電位を下げるだけでは不十分で、廃水中に含まれる各種の有機物（基質）を低分子化することで最終的には有機酸に変換し、ｐＨ中性近傍で微生物燃料電池に供給する必要がある。
【００１７】
従来の微生物燃料電池システムでは、廃水中の基質（タンパク質、脂質、炭水化物など）が無酸素環境下の１つの水槽内で、各種微生物の働きによって、加水分解を経て代謝され、低級脂肪酸、ケトン類やアルコールといった低分子有機物が生成される。これらの低分子有機物は更にプロピオン酸、酪酸、乳酸、吉草酸、酢酸などの有機酸にまで分解されて、電流生成菌に供給される。１つの水槽内でこれらの複雑な代謝反応を滞りなく進めるためには、微生物同士の複雑な共生が必要である。有機酸生成から電流生成に至る全プロセスがバランスよく機能するかどうかは、廃水に含まれる基質の種類や廃水中に含まれる微生物などによって影響を受けるため、事前にテストを行い、微生物燃料電池に適した廃水かどうかを慎重に評価する必要がある。このように、従来未経験の廃水に対する事前評価の難しさは、微生物燃料電池の実用化に向けて大きな課題となっている。前述したように、特許文献１は、微生物燃料電池の１次側に嫌気槽を設けることを提案しているが、上述したような、廃水中の基質の分解から電流生成菌への有機酸供給に至る複雑な代謝プロセスの課題を想定したものではない。
【００１８】
＜高濃度エタノールの処理について＞
一方、食品工場では、食品のパッキング直前の殺菌や包丁・まな板などの殺菌に２０％以上の高濃度エタノール溶液が使用されている。また、飲料工場では、飲料へ香料を添加するために、香料の溶剤として高濃度エタノールが使用されている。医薬品工場においても、薬効成分の抽出や錠剤の成形用として高濃度エタノールが使用されている。このように、様々な生産工場においてエタノールが使用されている。このため、高濃度でエタノールを含む廃液（以下、高濃度エタノール廃液）に適用可能な処理方法が求められている。しかしながら、高濃度エタノール廃液の処理方法については、実用的な方法は見出されておらず、産業廃棄物として廃棄されることが多いのが現状である。
【００１９】
なお、微生物燃料電池は、一般廃水の処理に適用可能であることは知られているものの、高濃度エタノール廃液の処理には適用されていない。そもそも高濃度エタノール廃液の処理に微生物燃料電池を用いるという発想自体、従来には無かったと思われる。この理由は、大きく２つ考えられる。第１の理由は、高濃度エタノールは微生物にとって有機物としての負荷が大きすぎるということである。例えば、２０％エタノール溶液のＢＯＤは約３００，０００ｍｇ／Ｌにもなり、一般的な生活排水のＢＯＤ２００ｍｇ／Ｌや食品工場排水などのＢＯＤ１，０００ｍｇ／Ｌと比較すると桁違いに大きな負荷であることが分かる。第２の理由は、高濃度エタノールを水で数％オーダーまで希釈したとしても、殺菌剤として微生物に作用してしまうということである。これらの理由から、微生物燃料電池を利用した従来の液体処理システムを用いても、高濃度エタノール廃液の処理を効率よく行うことは困難であると考えられる。
【００２０】
＜本発明者の検討結果および本開示の実施形態の概要＞
本発明者は、嫌気性微生物を利用した微生物燃料電池を用いて、廃水を効率よく処理し、かつ、発電することが可能であり、例えば高濃度エタノール廃液の処理にも適用し得る液体処理システムの構成を検討した。
【００２１】
本発明者は、実験によって、微生物燃料電池で高濃度エタノール廃液の処理を行うと高い発電出力が得られないことを確認した。この要因について、様々の方向から検討を重ねた。この結果、高濃度エタノール廃水中のエタノールから、電流生成菌が利用可能な基質である有機酸（例えば酢酸）への代謝経路が形成されていないことが要因と推察された。
【００２２】
本発明者は、上記知見に基づいて、微生物燃料電池の上流側に有機酸生成槽（例えば酢酸菌を利用した好気発酵槽）を配置し、有機酸の濃度を増加させた被処理液を微生物燃料電池に供給することで、処理効率および発電特性を向上できることを見出した。本願発明の一実施形態によると、微生物燃料電池の上流側で、電流生成菌が効率よく分解できない被処理液中の基質を、電流生成菌が効率よく分解可能な有機酸（例えば酢酸）に変換する。このため、例えば高濃度エタノール廃液などの有機物を高濃度で含む廃水にも適用可能であり、高い処理効率および発電特性を有し得る実用的な液体処理システムを実現できる。
【００２３】
本開示の一実施形態の概要は以下のとおりである。
【００２４】
本開示の一実施形態の液体処理システムは、第１の被処理液を処理して第１の処理水を排出する液体処理槽と、前記第１の被処理液を前記液体処理槽まで流通させる第１の流路と、前記第１の流路において、前記液体処理槽の上流側に配置され、前記第１の被処理液中の有機物から有機酸を生成する有機酸生成槽とを備え、前記液体処理槽は、前記第１の被処理液と接するように配置され、かつ、嫌気性微生物を保持する負極と、気体相に接触可能に配置された正極とを有する少なくとも１つの電極ユニットを含む。
【００２５】
上記液体処理システムは、例えば、前記第１の流路において、前記有機酸生成槽と前記液体処理槽との間に配置され、前記第１の被処理液のｐＨを調整するｐＨ調整槽をさらに備えてもよい。
【００２６】
上記液体処理システムは、例えば、前記第１の流路において、前記有機酸生成槽の上流に配置され、前記第１の被処理液を希釈する第１希釈槽をさらに備えてもよい。
【００２７】
前記有機酸生成槽は、例えば、前記第１の被処理液中のエタノールから酢酸を生成する菌を有してもよい。
【００２８】
本開示の一実施形態の液体処理複合システムは、上記のいずれかに記載の液体処理システムを含む第１の処理システムと、第２の被処理液を処理して第２の処理水を排出する第２の液体処理槽と、前記第２の被処理液を前記液体処理槽まで流通させる第２の流路とを有する第２の処理システムと、前記第１の処理水の少なくとも一部を、前記第２の液体処理槽または前記第２の流路における前記第２の液体処理槽の上流側に供給する第３の流路とを備える。
【００２９】
前記第２の液体処理槽は、例えば、酸素を含む気体を噴出する散気管を備える曝気槽と、前記曝気槽から排出された前記第２の被処理液を、前記第２の処理水と汚泥とに分離する沈殿槽とを含み、前記第３の流路は、前記第１の処理水の少なくとも一部を前記曝気槽に供給してもよい。
【００３０】
上記液体処理複合システムは、例えば、前記第１の流路において、前記第１の被処理液を希釈する少なくとも１つの希釈槽と、前記第２の処理水の少なくとも一部を、前記少なくとも１つの希釈槽に供給する第４の流路とをさらに備えてもよい。
【００３１】
上記液体処理複合システムは、例えば、前記第１の流路において、前記有機酸生成槽の上流に配置され、前記第１の被処理液を希釈する第１希釈槽と、前記第２の処理水の少なくとも一部を、前記第１希釈槽に供給する第４の流路と、前記第４の流路において、前記第１希釈槽の上流に配置されたろ過槽とをさらに備えてもよい。
【００３２】
前記第１の流路には、前記第１の被処理液として、例えば、エタノールを含む第１の原水が供給され、前記第２の流路には、前記第２の被処理液として、例えば、前記第１の原水よりもエタノール濃度の低い第２の原水が供給されてもよい。
【００３３】
本開示の一実施形態の液体処理方法は、（Ａ）第１の被処理液として、エタノールを含む第１の原水を準備する工程と、（Ｂ）前記第１の被処理液に含まれるエタノールから酢酸を生成する有機酸生成工程と、（Ｃ）前記工程（Ｂ）で生成された有機酸を含む前記第１の被処理液を、嫌気性微生物により処理して、第１の処理水を得る処理工程とを包含する。
【００３４】
上記液体処理方法は、前記工程（Ｂ）と前記工程（Ｃ）との間に、前記工程（Ｂ）で生成された有機酸を含む前記第１の被処理液のｐＨを調整するｐＨ調整工程をさらに包含してもよい。
【００３５】
上記液体処理方法は、前記工程（Ａ）と前記工程（Ｂ）との間に、前記第１の被処理液を希釈する工程をさらに包含してもよい。
【００３６】
前記第１の原水におけるエタノール濃度は、例えば、１０％以上であってもよい。
【００３７】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の液体処理システム１００を例示する模式図である。
【００３８】
液体処理システム１００は、有機物を含む液体（以下、「第１の被処理液」）１ａを処理して、第１の被処理液１ａよりも有機物の濃度が低減された液体を第１の処理水１ｂとして排出する。第１の被処理液１ａは、有機物を含む液体であればよく、食品工場等の製造廃水、化学工場等の有機性廃水、一般下水等の生活廃水を広く含む。第１の被処理液１ａは、工場などから排出された原水であってもよいし、原水を希釈またはｐＨ調整した調整液であってもよい。なお、本実施形態では、液体処理システム１００に導入された後、微生物燃料電池に供給される前の水を「被処理液」、微生物燃料電池から排出された後の水を「処理水」と呼んで区別する。
【００３９】
液体処理システム１００は、有機酸生成槽１１と、第１の液体処理槽１３と、第１の流路３１とを備える。
【００４０】
第１の流路３１は、第１の被処理液１ａを第１の液体処理槽１３まで流通させる。
【００４１】
有機酸生成槽１１は、第１の流路３１において、第１の液体処理槽１３の上流側に配置されており、第１の被処理液１ａ中の有機物から有機酸を生成する。有機酸生成槽１１は、例えば酢酸菌などの有機酸生成菌を含む。有機酸生成槽１１では、廃水などの第１の被処理液１ａ中に含まれる有機物を、有機酸生成菌の働きによって加水分解、好気性酸化又は嫌気性酸化することで各種の有機酸を生成する。有機酸生成槽１１は、例えば酢酸菌を利用した好気発酵槽であってもよい。
【００４２】
第１の液体処理槽１３は、有機酸生成槽１１によって生成された有機酸を含む第１の被処理液１ａを処理して、第１の処理水１ｂを排出する。第１の液体処理槽１３は、微生物燃料電池の電極ユニットを少なくとも１つ含む微生物燃料電池槽（ＭＦＣ槽）である。以下、第１の液体処理槽１３を「ＭＦＣ槽」と呼ぶ。
【００４３】
本実施形態では、有機物を含む第１の被処理液１ａを、有機酸生成槽１１を経てＭＦＣ槽１３に供給する。有機酸生成槽１１において、第１の被処理液１ａに含まれる有機物のうち電流生成菌が十分に利用できない基質（例えばエタノールなど）は、電流生成菌が高効率で分解可能な有機酸に変換される。この結果、電解液（第１の被処理液１ａ）中には、電流生成菌が利用可能な基質（すなわち電流生成菌の栄養塩）である有機酸の濃度が増加する。従って、ＭＦＣ槽１３における処理効率を高め、発電特性を向上させることができる。
【００４４】
液体処理システム１００は、第１の流路３１において、有機酸生成槽１１とＭＦＣ槽１３との間に配置されたｐＨ調整槽１２をさらに備えてもよい。ｐＨ調整槽１２は、有機酸生成槽１１から排出された第１の被処理液１ａのｐＨを調整する。ｐＨ調整槽１２では、例えば第１の被処理液１ａをｐＨ検知し、検知した値に応じてｐＨ調整剤を第１の被処理液１ａに付与することで、第１の被処理液１ａのｐＨを所定値に調整してもよい。
【００４５】
例えば、ｐＨ６〜７程度の第１の被処理液１ａを第１の流路３１に供給しても、有機酸生成槽１１において第１の被処理液１ａ中の有機物を有機酸に変換すると、第１の被処理液１ａのｐＨが低下する場合がある。有機酸生成槽１１の下流側では、第１の被処理液１ａのｐＨは、例えばｐＨ２〜３になる。この第１の被処理液１ａのｐＨを、ｐＨ調整槽１２において電流生成菌に適した値（ｐＨ６〜７）に調整した後、ＭＦＣ槽１３に供給することで、ＭＦＣ槽１３における発電特性をさらに高めることができる。
【００４６】
図示していないが、第１の流路３１において、第１の被処理液１ａを希釈する少なくとも１つの希釈槽をさらに備えていてもよい。例えば、有機酸生成槽１１の上流に、第１の被処理液１ａを希釈する第１希釈槽をさらに備えていてもよい。これにより、第１の被処理液１ａにおける有機物の濃度を、有機酸生成菌に適した濃度に調整できるので、効率よく有機酸を生成することが可能になる。なお、有機酸生成槽１１の下流側、例えば有機酸生成槽１１とｐＨ調整槽１２との間、および／またはｐＨ調整槽１２とＭＦＣ槽１３との間にも希釈槽が配置されていてもよい。
【００４７】
有機酸生成槽１１は、エタノールから酢酸を生成する酢酸菌を有していてもよい。第１の被処理液１ａとして、エタノールを含む原水が第１の流路３１に供給される場合、有機酸生成槽１１において、第１の被処理液１ａ中のエタノールの少なくとも一部が酢酸に変換される。この後、生成された酢酸を含む第１の被処理液１ａがＭＦＣ槽１３に導入される。ＭＦＣ槽１３に含まれる電流生成菌は、有機酸のなかでも特に酢酸を効率よく分解し得るため、発電特性をさらに向上できる。
【００４８】
本実施形態の液体処理システム１００は、電流生成菌が十分に利用できない基質を高い濃度で含む被処理液の処理にも適用され得る。例えば、エタノールを高濃度で含む高濃度エタノール廃水の処理に好適に用いられ得る。高濃度エタノール廃水のエタノール濃度は１０％以上３０％以下、例えば２０％以上３０％以下であってもよい。高濃度エタノール廃水は、上述した希釈槽でエタノール濃度が例えば５％以下になるまで希釈されてから、有機酸生成槽１１に供給されてもよい。液体処理システム１００を高濃度エタノール廃水などの濃厚廃液の処理に適用することにより、濃厚廃液が環境中にリークすることを抑制できる。
【００４９】
＜ＭＦＣ槽１３の構成＞
以下、図面を参照しながら、液体処理システム１００におけるＭＦＣ槽１３の構造を説明する。
【００５０】
図２は、ＭＦＣ槽１３の一例を示す模式的な断面図である。
【００５１】
ＭＦＣ槽１３は、容器４８と、電極ユニットＵとを備える。電極ユニットＵは、容器４８内に配置され、第１の被処理液１ａである電解液に浸漬されている。容器４８は、第１の被処理液１ａを容器４８内に供給するための流入口４４と、微生物によって処理された後の第１の処理水１ｂを容器４８から排出するための流出口４５とを有する。流入口４４は、第１の流路３１（図１）に接続されている。
【００５２】
電極ユニットＵは、嫌気性微生物（電流生成菌）を保持する負極４２と、負極４２と対向するように配置された正極４３とを有する。負極４２と正極４３との間に位置するイオン移動層４９をさらに有していてもよい。負極４２は、第１の被処理液１ａと接するように配置されている。正極４３は、気体相４６と接触可能に配置されている。
【００５３】
図示する例では、２枚の正極４３がスペーサ４７を挟むように配置されており、各正極４３のスペーサ４７の反対側には、イオン移動層４９と負極４２とがこの順で配置されている。スペーサ４７および２枚の正極４３で囲まれた空間は電解液とは接しておらず、酸素を含有する空気が存在する気体相４６である。本明細書では、このような電極ユニットＵを「カセット型電極ユニット」と呼ぶ。カセット型電極ユニットでは、スペーサ４７を挟んで２組の電極構造体ｕ１、ｕ２が配置されており、それぞれで発電が行われる。
【００５４】
正極４３は、ガス拡散電極を有していてもよい。ガス拡散電極は、撥水層及びガス拡散層を備える。撥水層は、気体相６側に配置され、撥水性と気体透過性とを併せ持つ層である。ガス拡散層は、例えば多孔質な導電性材料から構成されていてもよい。導電性材料には酸素還元触媒が担持されていてもよい。
【００５５】
負極４２は、多孔質または織布状のシートなど、内部に空隙を有する導電体シートであってもよい。
【００５６】
負極４２の表面上に存在する微生物は、嫌気性微生物であることが好ましい。負極４２の表面に嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されていてもよい。負極４２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。
【００５７】
イオン移動層４９は、負極４２で発生したプロトンに対して透過性を有する膜である。イオン移動層４９としては、例えば、イオン交換膜、ガラス繊維膜、合成繊維膜、プラスチック不織布などが用いられ得る。
【００５８】
スペーサ４７は、正極４３が接触する空間に気体相４６を確保するためのスペーサ部材である。スペーサ４７の材料としては、例えば、塩化ビニルが用いられ得る。
【００５９】
なお、電極ユニットの構造は図示する例に限定されない。例えば、中空の筒状構造を有していてもよい。また、負極４２、正極４３、イオン移動層４９の構造、材料なども特に限定されず、公知のものを適用することができる。
【００６０】
＜液体処理方法＞
次いで、本実施形態の液体処理方法の一例を説明する。本実施形態の液体処理方法は、例えば図１に示す液体処理システム１００を用いて実施され得る。
【００６１】
まず、有機物を含む第１の被処理液を準備する。ここでは、第１の被処理液として、エタノールを含む原水を準備する。
【００６２】
次いで、第１の被処理液に含まれる有機物から、嫌気性微生物（電流生成菌）が利用可能な基質である有機酸を生成する。必要に応じて、第１の被処理液を希釈した後、有機酸の生成を行ってもよい。第１の被処理液がエタノールを含む場合、本工程でエタノールから酢酸を生成する。これにより、第１の被処理液における有機酸の濃度を増加させることができる。この後、第１の被処理液のｐＨを調整してもよい。
【００６３】
続いて、有機酸の濃度を増加させた第１の被処理液を、嫌気性微生物により処理して、第１の処理水を得る。
【００６４】
第１の被処理液として、エタノールを例えば１０％以上の濃度で含む原水を用いてもよい。その場合、エタノール濃度が５％以下になるように原水を希釈してから、有機酸生成工程を行ってもよい。
【００６５】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、微生物燃料電池を用いた液体処理システムと、他の液体処理システムとを備えた複合システム（以下、「液体処理複合システム」と称する）である。
【００６６】
図３は、本実施形態の液体処理複合システム２００を例示する模式図である。
【００６７】
液体処理複合システム２００は、第１の処理システム１０１と、第２の処理システム２０１とを備える。
【００６８】
第１の処理システム１０１は、図１および図２を参照しながら前述した液体処理システム１００と同様の構成を有していてもよい。この例では、第１の処理システム１０１は、第１希釈槽１０、有機酸生成槽１１、ｐＨ調整槽１２、ＭＦＣ槽１３および第１の処理水槽１４を備える。有機酸生成槽１１、ｐＨ調整槽１２、ＭＦＣ槽１３の構造は、前述した構造と同様である。
【００６９】
第１希釈槽１０は、第１の処理システム１０１において有機酸生成槽１１の上流側に配置され、第１の被処理液１ａを希釈する。
【００７０】
第１の処理水槽１４は、ＭＦＣ槽１３の下流側に配置され、ＭＦＣ槽１３から排出された第１の処理水１ｂを溜める。
【００７１】
図示していないが、第１の処理システム１０１は、第１の流路３１において、有機酸生成槽１１の下流側に、１または複数の第２希釈槽をさらに備えていてもよい。第２希釈槽は、有機酸生成槽１１とｐＨ調整槽１２との間、および／またはｐＨ調整槽１２とＭＦＣ槽１３との間に配置されていてもよい。
【００７２】
一方、第２の処理システム２０１は、第１の被処理液１ａとは異なる第２の被処理液２ａを処理し、第２の被処理液２ａよりも有機物の濃度が低減された第２の処理水２ｂを排出する液体処理システムである。
【００７３】
第２の処理システム２０１は、第２の液体処理槽２２と、第２の被処理液２ａを第２の液体処理槽２２まで流通させる第２の流路３２とを備える。
【００７４】
第２の液体処理槽２２は、第２の被処理液２ａを処理して、第２の処理水２ｂを排出する。本実施形態では、第２の液体処理槽２２は、酸素を含む気体を噴出する散気管を有する曝気槽を備える。第２の液体処理槽２２は、曝気槽と活性汚泥槽とを備えていてもよい。あるいは、第２の液体処理槽２２は、オキシデーションディッチ法、膜分離法、活性汚泥法などによる処理を行う槽であってもよい。
【００７５】
第２の処理システム２０１は、第２の流路３２において、第２の液体処理槽２２の上流に配置された調整槽２１と、第２の液体処理槽２２の下流に配置された沈殿槽２３、汚泥貯留槽２４および第２の処理水槽２５とをさらに備えてもよい。
【００７６】
調整槽２１は、第２の被処理液２ａの流量を調整する。これにより、例えば排水量が時間帯によって変動する場合でも、一定量の排水を第２の液体処理槽２２に供給することができる。
【００７７】
沈殿槽２３は、第２の液体処理槽２２から排出された第２の被処理液２ａを、第２の処理水２ｂと汚泥とに分離する。沈殿槽２３で分離された第２の処理水２ｂは第２の処理水槽２５で溜められ、公共の下水路などに廃棄される。沈殿槽２３で分離された汚泥は汚泥貯留槽２４で貯蔵される。沈殿槽２３で分離された汚泥の一部を、再度第２の液体処理槽２２に供給し、嫌気性処理に再利用してもよい。
【００７８】
液体処理複合システム２００は、また、第１の処理システム１０１から排出された第１の処理水１ｂの少なくとも一部を、第２の処理システム２０１の第２の液体処理槽２２に流通させる第３の流路３３をさらに備える。これにより、第１の処理水１ｂを第２の液体処理槽２２でさらに処理することが可能になるので、有機物濃度がより低減された処理水が得られる。
【００７９】
第３の流路３３は、第１の処理システム１０１で排出される第１の処理水１ｂの少なくとも一部を、第２の液体処理槽２２に直接供給するか、または、第２の流路３２における第２の液体処理槽２２よりも上流側に供給する。供給された第１の処理水１ｂは、第２の被処理液２ａとして第２の液体処理槽２２で処理される。
【００８０】
図示するように、第３の流路３３は、第１の処理システム１０１の第１の処理水槽１４と、第２の処理システム２０１の調整槽２１とを接続するように構成されていてもよい。あるいは、第１の処理水槽１４と、第２の処理システム２０１の第２の液体処理槽２２とを接続するように構成されていてもよい。第２の液体処理槽２２は曝気槽を含み、第３の流路３３は、第１の処理水１ｂまたは第１の処理水１ｂを調整した調整液を曝気槽に流通させるように構成されていてもよい。
【００８１】
本実施形態によると、第１の被処理液１ａを、第１の処理システム１０１および第２の処理システム２０１によって２段階で処理することが可能になる。このため、第１の被処理液１ａの有機物濃度をより効果的に低減できる。
【００８２】
液体処理複合システム２００は、第２の処理システム２０１から排出された第２の処理水２ｂの少なくとも一部を、第１の処理システム１０１の第１希釈槽１０または第２希釈槽（図示せず）に供給する第４の流路３４をさらに備えていてもよい。これにより、第２の処理水２ｂを第１の処理システム１０１の処理で再利用できるので、希釈水を節約できる。
【００８３】
第２の処理システム２０１は、工場の一般廃水の処理に適したメイン処理システムであり、第１の処理システム１０１は有機物を高濃度で含む廃水の処理を行うサブ処理システムであってもよい。一例として、第１の処理システム１０１の第１の流路３１には、第１の被処理液１ａとして、エタノールを含む第１の原水が供給され、第２の処理システム２０１の第２の流路３２には、第２の被処理液２ａとして、第１の原水よりもエタノール濃度の低い第２の原水が供給されてもよい。第１の原水は、高濃度エタノール廃水であってもよい。第２の原水は、実質的にエタノールを含まない（エタノール濃度：１％未満）廃水であってもよい。例えば、工場内の既存の廃水処理システムを第２の処理システム２０１として利用し、第１の処理システム１０１のみ新たに製造することで、より容易に液体処理複合システム２００を構築できる。
【００８４】
（変形例）
有機酸生成槽１１では有機酸生成菌の優先培養を行うために、細菌などによるコンタミネーションを低減することが好ましい。しかしながら、第４の流路３４によって、第２の処理水２ｂが有機酸生成槽１１の上流側に供給される場合、第２の処理システム２０１で利用した細菌で汚染された被処理液が有機酸生成槽１１に供給されてしまう可能性がある。これを避けるため、第４の流路３４に、第２の処理水２ｂのろ過処理を行うろ過槽を設けてもよい。
【００８５】
図４は、本実施形態の液体処理システムの変形例を示す模式図である。
【００８６】
液体処理複合システム３００は、第１の処理システム１０２と、第２の処理システム２０２とを備える。第１の処理システム１０２は、図３を参照しながら前述した第１の処理システム１０１と同様である。
【００８７】
第２の処理システム２０２は、ろ過槽２６および第５の流路３５を備える。その他の構成は、図３を参照しながら前述した第２の処理システム２０１と同様である。
【００８８】
ろ過槽２６は、第４の流路３４において第２の処理水槽２５の下流側に配置されている。ろ過槽２６では、第２の処理水２ｂのろ過を行い、第２の処理水２ｂから細菌などの汚染物質を除去する。ろ過槽２６には、例えば、限外ろ過膜（ＵＦ膜）が用いられている。ＵＦ膜の孔径は概ね０．０１〜０．００１μｍであり、細菌などを除去することが可能である。
【００８９】
ろ過槽２６を通過した後の水（ろ液）は、第４の流路３４によって、第１の処理システム１０２の第１希釈槽１０に送られ、希釈水として再利用される。一方、ろ過槽２６で得られた固形物（残渣）は、第５の流路３５によって第２の処理水槽２５に戻される。
【００９０】
本変形例によると、第２の処理水２ｂをろ過してから第１の処理システム１０２で再利用するため、有機酸生成槽１１における細菌によるコンタミネーションを抑制できる。
【００９１】
（有機酸生成処理の有無とＭＦＣ出力との関係）
有機酸生成処理による効果を確認するため、エタノールを含む排水、および、エタノールを含む排水を酢酸発酵させた培養液をそれぞれＭＦＣ槽に供給し、発電特性およびＴＯＣ処理率を評価した（実験１、実験２）。以下、その方法および結果を説明する。
【００９２】
＜被処理液の準備＞
まず、エタノールを含む排水（以下、「エタノール含有排水」）を準備した。本実験で使用したエタノール含有排水のＴＯＣ（Ｔｏｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃａｒｂｏｎ）およびｐＨを表１に示す。
【００９３】
次いで、上記エタノール含有排水に対して酢酸菌を用いて酢酸発酵を行うことにより、有機酸濃度（酢酸濃度）が高められた酢酸発酵培養液を作製した。
【００９４】
具体的には、エタノール含有排水を５倍希釈してエタノール濃度を５％以下にした後、酢酸発酵を行い、酢酸発酵培養液を作製した。ここでは、エタノール含有排水に対し、同じ条件で酢酸発酵を行うことにより、２つのサンプル（以下、「培養液Ａ」、「培養液Ｂ」とする）を得た。各培養液の酢酸発酵の経過時間と酢酸濃度との関係を図５に示す。図５から、酢酸濃度の経時変化にばらつきは見られるものの、日数の経過とともに酢酸濃度が３．５％程度まで増加し、その後は酢酸濃度の変化が小さくなることが分かる。さらに、図示していないが、エタノール濃度は、酢酸発酵が進むにつれて１％程度まで減少し、その後はエタノール濃度の変化が小さくなる。このことから、酢酸発酵により、酢酸濃度３．５％程度の培養液が得られることが確認された。なお、酢酸濃度が所定の値（ここでは３．５％程度）に達するまでの経過時間は、水温、攪拌の有無などの条件によって異なり、図５に示す結果に限定されない。
【００９５】
培養液ＡのＴＯＣおよびｐＨの測定結果を表１に併せて示す。
【００９６】
【表１】
2020054932.tif 000003
【００９７】
＜ＭＦＣ槽の作製＞
ＭＦＣ槽として、図２に示すカセット型の電極ユニットＵを備えたＭＦＣ槽１３を作製した。
【００９８】
まず、正極４３のガス拡散電極を形成した。ここでは、ポリオレフィン製撥水層（積水化学工業（株）社製「セルポア」）に、シリコーン樹脂（信越化学工業（株）社製「一液型ＲＴＶゴムＫＥ−３４７５−Ｔ」）を塗布し、グラファイトホイル（日立化成工業（株）製、密度：０．５ｇ／ｃｍ3））を接着した。次に、グラファイトホイルの上面に、酸素還元触媒（Ｆｅ／Ｎ／Ｃ系触媒）およびＰＴＦＥ（Ａｌｄｒｉｃｈ）を含む触媒層を形成した。酸素還元触媒は目付け量が６ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布した。触媒層の形成はプレス成型で行った。このようにして、ガス拡散電極を作製した。次いで、ガス拡散電極の撥水層に空気取り入れ部を設けることで、正極４３を得た。
【００９９】
続いて、正極４３と、炭素材料を用いて形成された負極４２とを容器４８内に設置した。さらに、正極４３と負極４２との間に、イオン移動層４９として不織布を設置した。この後、正極４３、負極４２および不織布に接するように第１の被処理液１ａを容器４８内に満たすことで、ＭＦＣ槽１３を得た。ＭＦＣ槽１３には、発電を行う嫌気性微生物源として土壌微生物を植種した。後述するように、本実験では、第１の被処理液１ａとして、表１に示すエタノール含有排水または培養液Ａを用いた。
【０１００】
＜ＴＯＣ処理率およびＭＦＣ出力の測定＞
・実験１
実験１では、第１の被処理液１ａとして、表１に示すエタノール含有排水をＭＦＣ槽１３に供給した。
【０１０１】
まず、エタノール含有排水を、ＫＯＨを用いてｐＨ６〜７に中和し、これを１０倍に希釈した。次いで、希釈した被処理液でＭＦＣ槽１３を満たし、電流生成菌を含む微生物群を植種した。被処理液の温度を３０℃に設定し、ＭＦＣ槽１３の出力およびＴＯＣ処理率を測定した。出力の測定では、カセット型の電極ユニットＵ（図２）における２組の電極構造体ｕ１、ｕ２の出力をそれぞれ測定した。
【０１０２】
ＭＦＣ槽１３では、２０日間のバッチ処理を行った後、フロー処理を行った。２０日経過後に１０倍、３１日経過後に１００倍、４４日経過後に３００倍に希釈した被処理液をＭＦＣ槽１３に供給した。
【０１０３】
図６は、実験１における、ＭＦＣ槽１３による処理時間と、ＭＦＣ槽１３の出力およびＴＯＣ処理率との関係を示す図である。２０日間のバッチ処理において出力の向上は見られなかった。この理由として、エタノール濃度が高く、殺菌剤として微生物に作用した可能性が考えられた。処理方式をフロー処理に切り替え、微生物への殺菌作用を示す指標としてＴＯＣ処理率を測定した。微生物への殺菌作用が作用した場合、ＴＯＣ処理率は低い値をとる。ここでは、被処理液を段階的に希釈して出力およびＴＯＣ処理率を測定した。
【０１０４】
この結果から分かるように、ＴＯＣ処理率は希釈により増加することが分かった。しかしながら、４４日目に被処理液を３００倍に希釈してフロー処理を行った後も、出力は増加しなかった。十分な出力が得られない理由として、エタノールから酢酸へのパスが形成されていない可能性があると考察された。
【０１０５】
・実験２
実験２では、第１の被処理液１ａとして、表１に示す酢酸発酵培養液Ａを用いた。
【０１０６】
まず、酢酸発酵培養液Ａを、ＫＯＨを用いてｐＨ６〜７に中和した。次いで、これを２０倍希釈した。希釈後の被処理液をＭＦＣ槽１３に供給し、電流生成菌を含む微生物群を植種した。被処理液の水温を３０℃に設定した。ＭＦＣ槽１３では、処理開始時からフロー処理を行った。実験２でも、実験１と同様に、ＴＯＣ処理率、および、電極ユニットＵ（図２）の各電極構造体ｕ１、ｕ２における出力を測定した。
【０１０７】
図７は、実施例１における、ＭＦＣ槽１３による処理時間と、ＭＦＣ槽１３の出力およびＴＯＣ処理率との関係を示す図である。
【０１０８】
実験２では、処理開始から２０日程度でＴＯＣ処理率が６０％に達した。このことから、エタノールの殺菌作用が小さい液条件であることが確認された。
【０１０９】
実験２では、エタノール含有排水中のエタノールを酢酸に変換した後でＭＦＣ槽１３に供給しているため、電流生成菌による有機物（ここでは酢酸）の酸化分解が効率よく行われ、その結果、発電電力が向上したと考察される。
【０１１０】
（実施例および比較例）
実施例および比較例の液体処理システムを作製し、発電出力の評価を行った。
【０１１１】
・実施例
図８は、実施例の液体処理システムを示す模式図である。実施例の液体処理システムは、上流側から第１希釈槽１０、有機酸生成槽１１、ｐＨ調整槽１２およびＭＦＣ槽１３を有している。ＭＦＣ槽１３は、上述した実験１で用いたＭＦＣ槽と同様である。
【０１１２】
実施例では、表１に示すエタノール含有排水を第１希釈槽１０で希釈し、有機酸生成槽１１に供給した。有機酸生成槽１１から排出された被処理液を分析したところ、ＴＯＣは１１００ｍｇ／Ｌ、酢酸濃度は０．６ｍｏｌ／Ｌ、ｐＨは２．８であった。
【０１１３】
次いで、有機酸生成槽１１から排出された被処理液をｐＨ調整槽１２に供給した。ｐＨ調整槽１２では、被処理液にＫＯＨを添加し、ｐＨ調整槽１２の下流で被処理液のｐＨが６〜７となるように調整した。
【０１１４】
続いて、ｐＨが調整された被処理液をＭＦＣ槽１３に供給した。被処理液の供給は、滞留時間を２４時間として連続的に行った。このとき、正極４３と負極４２とを負荷回路（不図示）に接続することで、ＭＦＣ槽１３による発電電力の取り出しを行った。
【０１１５】
発電出力が安定した直後の出力Ｐを求め、実施例の液体処理システム出力とした。ここでは、負荷回路の負荷の両端における電位差Ｖを測定し、下式（１）によって出力Ｐを求めた。
Ｐ＝Ｖ2／Ｒ／Ｓ        （１）
（Ｐ：出力、Ｖ：負荷の両端における電位差、Ｒ：負荷回路の抵抗値、Ｓ：正極面積）
【０１１６】
この結果、実施例の液体処理システム出力は、２８０ｍＷ／ｍ2であった。
【０１１７】
・比較例
図９は、比較例の液体処理システムを示す模式図である。比較例の液体処理システムは、ｐＨ調整槽１２を備えていない点で、実施例の液体処理システムと異なる。すなわち、比較例の液体処理システムは、上流側から第１希釈槽１０、ｐＨ調整槽１２およびＭＦＣ槽１３を有している。ＭＦＣ槽１３は、実施例の液体処理システムにおけるＭＦＣ槽と同様である。
【０１１８】
比較例では、表１に示すエタノール含有排水を希釈槽１０で希釈し、ｐＨ調整槽１２に供給した。ｐＨ調整槽１２から排出された被処理液を分析したところ、ＴＯＣは１１００ｍｇ／Ｌ、酢酸濃度は検出限界以下、ｐＨは６〜７であった。
【０１１９】
続いて、実施例と同様の方法で、ｐＨが調整された被処理液をＭＦＣ槽１３に供給した。実施例と同じ方法で比較例の液体処理システム出力を求めたところ、１ｍＷ／ｍ2であった。
【０１２０】
上記の測定結果から、実施例の液体処理システムでは、有機酸生成槽１１を備えていない比較例の液体処理システムよりも、出力特性を大幅に向上できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本開示の一態様は、有機物を含む液体、例えば各種産業の工場などから発生する排水、下水汚泥などの有機性廃水などの処理に広く適用できる。特に、高濃度でエタノールを含む高濃度排水の処理に好適に用いられ得る。また、水域の環境改善などにも利用できる。
【符号の説明】
【０１２２】
１ａ    ：第１の被処理液
１ｂ    ：第１の処理水
２ａ    ：第２の被処理液
２ｂ    ：第２の処理水
１０    ：第１希釈槽
１０    ：希釈槽
１１    ：有機酸生成槽
１２    ：ｐＨ調整槽
１３    ：第１の液体処理槽（ＭＦＣ槽）
１４    ：第１の処理水槽
２１    ：調整槽
２２    ：第２の液体処理槽
２３    ：沈殿槽
２４    ：汚泥貯留槽
２５    ：第２の処理水槽
２６    ：ろ過槽
３１、３２、３３、３４、３５    ：流路
４２      ：負極
４３      ：正極
４４      ：流入口
４５      ：流出口
４６      ：気体相
４７      ：スペーサ
４８      ：容器
４９      ：イオン移動層
１００  ：液体処理システム
１０１、１０２  ：第１の処理システム
２０１、２０２  ：第２の処理システム
２００、３００  ：液体処理複合システム
Ｕ      ：電極ユニット
ｕ１、ｕ２    ：電極構造体
【図１】
2020054932.tif 000004
【図２】
2020054932.tif 000005
【図３】
2020054932.tif 000006
【図４】
2020054932.tif 000007
【図５】
2020054932.tif 000008
【図６】
2020054932.tif 000009
【図７】
2020054932.tif 000010
【図８】
2020054932.tif 000011
【図９】
2020054932.tif 000012