(57)【要約】【課題】電解液中の有機性物質を除去し、かつ、リンも除去することが可能な液体処理システムを提供すること。【解決手段】液体処理システムＡは、第一電解液槽１と、電解液３を第一電解液槽１に供給する第一供給部５と、第一電解液槽１内の電解液３を第一電解液槽１から排出する第一排出部６と、を備える。液体処理システムＡは、第一電解液槽１よりも下流側に設けられ、第一電解液槽１から排出された電解液３を保持する第二電解液槽２を備える。液体処理システムＡは、第一電解液槽１から排出された電解液３を第二電解液槽２に供給する第二供給部７と、第二電解液槽２内の電解液３を排出する第二排出部８と、第二電解液槽２内の電解液３に酸素を供給する酸素供給部２００と、を備える。そして、第二排出部８を通る電解液３のリン酸イオン濃度は、第一供給部５を通る電解液３のリン酸イオン濃度よりも低い。【選択図】図２
2020082006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性物質及びリン化合物を含む電解液を保持する第一電解液槽と、
前記電解液を前記第一電解液槽に供給する第一供給部と、
前記第一電解液槽内の電解液を前記第一電解液槽から排出する第一排出部と、
前記第一電解液槽内の電解液に接触し、酸素を含む気相と接触する正極と、
前記第一電解液槽内の電解液に接触し、前記正極と電気的に接続され、嫌気性微生物を担持する負極と、
前記第一電解液槽よりも下流側に設けられ、前記第一電解液槽から排出された電解液を保持する第二電解液槽と、
前記第一電解液槽から排出された電解液を前記第二電解液槽に供給する第二供給部と、
前記第二電解液槽内の電解液を排出する第二排出部と、
前記第二電解液槽内の電解液に酸素を供給する酸素供給部と、
を備え、
前記第二排出部を通る電解液のリン酸イオン濃度は、前記第一供給部を通る電解液のリン酸イオン濃度よりも低い、液体処理システム。
【請求項２】
前記第一電解液槽で保持された前記電解液は窒素化合物をさらに含み、
前記第一排出部を通る電解液の全窒素濃度は、前記第一供給部を通る電解液の全窒素濃度よりも低い、請求項１に記載の液体処理システム。
【請求項３】
前記第一電解液槽で保持された前記電解液は窒素化合物をさらに含み、前記第一排出部を通る電解液の全窒素濃度は、１０ｍｇ／Ｌ以下である、請求項１又は２に記載の液体処理システム。
【請求項４】
ポリリン酸蓄積細菌が前記第一電解液槽に保持された電解液及び前記第二電解液槽に保持された電解液に含まれる、請求項１〜３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（廃水）に接触する正極とを有する。そして、有機性物質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、嫌気性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される。そして、生成した水素イオンは電解液を介して正極へ移動し、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】
上記のような微生物燃料電池として、特許文献１に記載の微生物燃料電池が知られている。特許文献１には、負電極及び正電極を備え、入出孔経由で密閉型中空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なる微生物燃料電池が記載されている。負電極は、有機性基質に浸漬して嫌気性微生物を担持している。正電極は、少なくとも一部分が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され又は当該カセットの隔膜の内側に結合して、有機性基質中に差し込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
特許文献１の微生物燃料電池によれば、電流生成菌によって、廃水中の有機性物質が分解されて、電流が生成される。しかしながら、廃水中には、有機性物質だけでなく、リン化合物も多く含まれている。廃水中のリン化合物が自然環境に流出すると、富栄養化が進み、赤潮などが発生する原因となる。そのため、有機性物質だけでなく、廃水からリンを除去することも求められている。
【０００７】
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、電解液中の有機性物質を除去し、かつ、リンも除去する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】
【０００８】
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、有機性物質及びリン化合物を含む電解液を保持する第一電解液槽を備える。液体処理システムは、電解液を第一電解液槽に供給する第一供給部と、第一電解液槽内の電解液を第一電解液槽から排出する第一排出部と、を備える。液体処理システムは、第一電解液槽内の電解液に接触し、酸素を含む気相と接触する正極と、第一電解液槽内の電解液に接触し、正極と電気的に接続され、嫌気性微生物を担持する負極と、を備える。液体処理システムは、第一電解液槽よりも下流側に設けられ、第一電解液槽から排出された電解液を保持する第二電解液槽を備える。液体処理システムは、第一電解液槽から排出された電解液を第二電解液槽に供給する第二供給部と、第二電解液槽内の電解液を排出する第二排出部と、第二電解液槽内の電解液に酸素を供給する酸素供給部と、を備える。そして、第二排出部を通る電解液のリン酸イオン濃度は、第一供給部を通る電解液のリン酸イオン濃度よりも低い。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、電解液中の有機性物質を除去し、かつ、リンも除去する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】
【００１０】
【図１】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】液体処理システムにおける電極カセットの一例を示す分解斜視図である。
【図４】液体処理システムにおける酸素供給部の一例を示す分解斜視図である。
【図５】液体処理システムの別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斜視図である。
【図７】図６中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
［第一実施形態］
電解液からリンを除去する方法としては、薬剤を用いてリンを沈澱及び分離する物理化学的除去法、並びに、ポリリン酸蓄積細菌を活用する生物学的除去法が知られている。物理化学的除去は、安定してリンを除去することができるものの、薬剤を使用する必要があり、汚泥の発生量も多くなる傾向にある。
【００１３】
そこで、本実施形態に係る液体処理システムでは、生物学的除去法によって電解液からリンを除去している。具体的には、図１及び図２に示すように、液体処理システムＡは、有機性物質及びリン化合物を含む電解液３を保持する第一電解液槽１を備えている。第一電解液槽１に保持される電解液３は、例えば生活廃水や工場廃水などの廃水である。
【００１４】
液体処理システムＡは、電解液３を第一電解液槽１に供給する第一供給部５を備えている。液体処理システムＡは、第一電解液槽１内の電解液３を第一電解液槽１から排出する第一排出部６を備えている。第一電解液槽１は略直方体状の容器であり、第一電解液槽１の前壁１ａの上部に第一供給部５が設けられている。また、第一電解液槽１の後壁１ｂの上部に第一排出部６が設けられている。
【００１５】
液体処理システムＡは、第一電解液槽１内の電解液３に接触し、酸素を含む気相Ｇと接触する正極１０を備えている。具体的には、正極は、第一電解液槽１内の電解液に浸漬されている。また、液体処理システムＡは、第一電解液槽１内の電解液３に接触し、正極１０と電気的に接続され、嫌気性微生物を担持する負極２０を備えている。具体的には、負極２０は、第一電解液槽１内の電解液３に浸漬されている。具体的には、液体処理システムＡは、正極１０及び負極２０を有する電極カセット１００を備えており、電極カセット１００は第一電解液槽１の内部で電解液３に浸漬するように配置されている。そして、後述するように、電極カセット１００によって、第一電解液槽１内の電解液３に含まれる有機性物質が分解される。第一電解液槽１に保持された電解液３は、嫌気性微生物が活動できるように嫌気条件となっている。
【００１６】
液体処理システムＡは、第一電解液槽１よりも下流側に設けられ、第一電解液槽１から排出された電解液３を保持する第二電解液槽２を備えている。そして、液体処理システムＡは、第一電解液槽１から排出された電解液３を第二電解液槽２に供給する第二供給部７と、第二電解液槽２内の電解液３を排出する第二排出部８と、を備えている。第二電解液槽２は略直方体状の容器であり、第二電解液槽２の前壁２ａの上部に第二供給部７が設けられている。また、第二電解液槽２の後壁２ｂの上部に第二排出部８が設けられている。
【００１７】
そして、電解液３は、第一供給部５、第一電解液槽１、第一排出部６、第二供給部７、第二電解液槽２及び第二排出部８を順番に通過するように、液体処理システムＡが構成されている。なお、第一供給部５、第一排出部６、第二供給部７及び第二排出部８は、電解液３を第一電解液槽１又は第二電解液槽２に供給又は排出することができれば、第一電解液槽１及び第二電解液槽２の壁部に設けられている必要はない。第一供給部５、第一排出部６、第二供給部７及び第二排出部８は、例えば、第一電解液槽１及び第二電解液槽２の上方に配置されていてもよい。また、本実施形態では、第一排出部６及び第二供給部７が円筒状の連結管４によって構成されているが、第一排出部６及び第二供給部７はそれぞれ異なる部材で構成されていてもよく、連結管４のように単一の部材により構成されていてもよい。
【００１８】
液体処理システムＡは、第二電解液槽２内の電解液３に酸素を供給する酸素供給部２００を備えている。具体的には、酸素供給部２００は第二電解液槽２の内部で電解液３に浸漬するように配置される。したがって、第二電解液槽２内に保持された電解液３には、酸素供給部２００によって酸素が供給され、第二電解液槽２内に保持された電解液３は好気条件となっている。
【００１９】
本実施形態に係る液体処理システムＡでは、リンを蓄積する細菌によって電解液３からリンが除去される。具体的には、ポリリン酸蓄積細菌（polyphosphate accumulating organisms）などの微生物を用いた生物学的リン除去法により、電解液３中のリンを除去するものである。ポリリン酸蓄積細菌は、体内に高濃度のポリリン酸を蓄積することができる細菌であればよく、例えば、Acinetobacter属細菌、Arthrobacter属細菌及びPseudomonas属細菌などからなる群より選択される少なくとも１種の細菌であってもよい。
【００２０】
ポリリン酸蓄積細菌は、酸素濃度が低い嫌気条件でリンを体外に放出し、酸素濃度が高い好気条件でリンを体内に取り込む性質を有する。上述したように、本実施形態に係る液体処理システムＡでは、上流側に設けられた第一電解液槽１内の電解液３を嫌気条件とし、下流側に設けられた第二電解液槽２内の電解液３を好気条件としている。そして、ポリリン酸蓄積細菌が第一電解液槽１に保持された電解液３及び第二電解液槽２に保持された電解液３に含まれている。
【００２１】
そのため、ポリリン酸蓄積細菌は、第一電解液槽１に保持された電解液３内ではリンを体外に放出するものの、第二電解液槽２に保持された電解液３内では第一電解液槽１で放出した量以上のリンを体内に取り込む。電解液３内のリンはポリリン酸蓄積細菌内で濃縮されるため、このポリリン酸蓄積細菌を電解液３から除去することで、電解液３内のリンが除去される。
【００２２】
したがって、第二排出部８を通る電解液３のリン酸イオン濃度は、第一排出部６を通る電解液３のリン酸イオン濃度よりも低い。また、第二排出部８を通る電解液３のリン酸イオン濃度は、第一供給部５を通る電解液３のリン酸イオン濃度よりも低い。なお、リン酸イオン濃度は、濾過された電解液３に溶存したリン酸イオンの濃度である。リン酸イオン濃度は、例えば、日本工業規格ＪＩＳ  Ｋ０１０２：２０１６（工場排水試験方法）に規定に準じ、モリブデン青吸光光度法などの方法によって測定することができる。
【００２３】
［電極カセット］
図１〜図３に示すように、電極カセット１００は、正極１０、負極２０及びイオン移動層３０からなる電極接合体４０を備えている。電極カセット１００では、イオン移動層３０の一方の面３０ａに負極２０が接触するように配置されており、イオン移動層３０の面３０ａと反対側の面３０ｂに正極１０が接触するように配置されている。
【００２４】
図３に示すように、電極接合体４０は、カセット基材５０Ａに積層されている。カセット基材５０Ａは、正極１０における面１０ａ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、カセット基材５０Ａは、２本の第一柱状部材５１の底面を第二柱状部材５２で連結した枠部材である。そして、図２に示すように、カセット基材５０Ａの側面５３は、正極１０の面１０ａの外周部と接合されている。
【００２５】
図２に示すように、二組の電極接合体４０とカセット基材５０Ａとを積層してなる電極カセット１００は、大気と連通した気相Ｇが形成されるように、第一電解液槽１の内部に配置される。第一電解液槽１の内部には被処理水である電解液３が保持されており、正極１０のガス拡散層１２、負極２０及びイオン移動層３０は電解液３に浸漬されている。
【００２６】
後述するように、正極１０は撥水性を有する撥水層１１を備えている。そのため、第一電解液槽１の内部に保持された電解液３とカセット基材５０Ａの内部とは隔てられ、電極接合体４０及びカセット基材５０Ａにより形成された内部空間は気相Ｇとなっている。そして、液体処理システムＡでは、この気相Ｇが外気に開放されるか、あるいはこの気相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。また、図２に示すように、正極１０及び負極２０は、それぞれ外部回路６０と電気的に接続されている。
【００２７】
（正極）
本実施形態に係る正極１０は、図２に示すように、撥水層１１と、撥水層１１に接触するように重ねられているガス拡散層１２とを備えるガス拡散電極からなる。そして、正極１０のガス拡散層１２がイオン移動層３０と接触し、撥水層１１が気相Ｇ側に露出している。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１０中の触媒に容易に供給することが可能となる。
【００２８】
＜撥水層＞
正極１０における撥水層１１は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層１１は、電極カセット１００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１１は、気相Ｇ中の酸素を透過し、ガス拡散層１２へ移動させつつも、電解液３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。
【００２９】
撥水層１１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１１は、図２に示す構成では、ガス拡散層１２に対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層１１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１１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１１の内部に電解液３が染み込み難いため、撥水層１１における気相Ｇと接触する面からガス拡散層１２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。
【００３０】
撥水層１１は、織布又は不織布によりシート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層１１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１１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）などのシリコーン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１１は、撥水層１１及びガス拡散層１２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。
【００３１】
撥水層１１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１１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。
【００３２】
＜ガス拡散層＞
正極１０におけるガス拡散層１２は、多孔質な導電性材料と、この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１２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１０にこのようなガス拡散層１２を使用することで、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６０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１２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６０からガス拡散層１２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。
【００３３】
正極１０では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層１１及びガス拡散層１２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１２は、撥水層１１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１２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１２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。
【００３４】
正極１０において、ガス拡散層１２に効率的に酸素を供給するために、撥水層１１は、接着剤を介してガス拡散層１２と接合していることが好ましい。これにより、ガス拡散層１２に対して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１１とガス拡散層１２との間の接着性を確保する観点から、撥水層１１とガス拡散層１２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１１とガス拡散層１２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１２に供給する観点から、接着剤は撥水層１１とガス拡散層１２との間の全面に設けられていることがより好ましい。
【００３５】
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。
【００３６】
ここで、本実施形態における正極１０のガス拡散層１２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１２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。
【００３７】
ガス拡散層１２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。さらに、ガス拡散層１２における導電性材料としては、メッシュ及び発泡体等の金属材料も用いることができる。
【００３８】
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、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどが挙げられる。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。
【００３９】
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。支持体が導電体の場合には、炭素系材料を担持した導電性材料が支持体の表面上に配置されることで、支持体が集電体としても機能し得る。
【００４０】
ガス拡散層１２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。
【００４１】
ガス拡散層１２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。
【００４２】
炭素系材料には、更に窒素、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、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１２を構成することができる。
【００４７】
ガス拡散層１２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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
触媒として構成される炭素系材料を調製する際の、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は、例えば次のようにして得られる。まず炭素源原料と金属化合物と非金属化合物とを混合し、更に必要に応じてエタノール等の溶媒を加えて全量を調製する。これらを更に超音波分散法により分散させる。続いて、これらを適宜の温度（例えば６０℃）で加熱した後に、混合物を乾燥して溶媒を除去する。これにより、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が得られる。
【００５１】
次に、得られた混合物を、例えば還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で加熱する。これにより、炭素源原料に非金属原子がドープされ、さらに非金属原子と金属原子とが配位結合することで金属原子もドープされる。加熱温度は８００℃以上１０００℃以下の範囲内であることが好ましく、加熱時間は４５秒以上６００秒未満の範囲内であることが好ましい。加熱時間が短時間であるため、炭素系材料が効率よく製造され、しかも炭素系材料の触媒活性が更に高くなる。なお、加熱処理における、加熱開始時の混合物の昇温速度は、５０℃／ｓ以上であることが好ましい。このような急速加熱は、炭素系材料の触媒活性を更に向上させる。
【００５２】
また、炭素系材料を、更に酸洗浄してもよい。例えば炭素系材料を、純水中、ホモジナイザーで３０分間分散させ、その後、炭素系材料を２Ｍ硫酸中に入れて、８０℃で３時間攪拌してもよい。この場合、炭素系材料からの金属成分の溶出が抑えられる。
【００５３】
このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、かつ、導電性の高い炭素系材料が得られる。
【００５４】
ガス拡散層１２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。
【００５５】
（負極）
本実施形態における負極２０は、後述する嫌気性微生物を担持し、さらに嫌気性微生物の触媒作用により、電解液３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２０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。
【００５６】
負極２０は、導電性を有する導電体シートに嫌気性微生物を担持した構造を有する。導電体シートとしては、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使用することができる。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２０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イオン移動層３０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２０の導電体シートは、正極１０、イオン移動層３０及び負極２０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。
【００５７】
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２０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。
【００５８】
負極２０の導電体シートとして、正極１０で使用し得る黒鉛シートを用いてもよい。また、負極２０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１０、イオン移動層３０及び負極２０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２０の局部電池反応により生成した電子を外部回路６０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。
【００５９】
負極２０に担持される嫌気性微生物としては、電解液３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電流生成菌であれば特に限定されない。嫌気性微生物は、電解液３中の有機性物質を酸化分解するための酸素を必要としない。そのため、酸素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、嫌気性微生物は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。
【００６０】
負極２０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。
【００６１】
負極２０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ることで、負極２０に嫌気性微生物が保持されていてもよい。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、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極２０に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、負極２０の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
【００６２】
負極２０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、第一電解液槽１内の電解液３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、嫌気性微生物から負極２０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。
【００６３】
具体的には、嫌気性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３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２０へと受け渡す。この結果、電解液３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。
【００６４】
（イオン移動層）
本実施形態の電極カセット１００は、正極１０と負極２０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３０をさらに備える。そして、図１及び図２に示すように、負極２０は、イオン移動層３０を介して正極１０と隔てられている。イオン移動層３０は、負極２０で生成した水素イオンを透過し、正極１０側へ移動させる機能を有している。
【００６５】
イオン移動層３０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。
【００６６】
また、イオン移動層３０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３０は、負極２０から正極１０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３０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３０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３０の細孔径は、負極２０から正極１０に水素イオンが移動できれば特に限定されない。また、イオン移動層３０は、水素イオンを負極２０から正極１０に移動させることができれば、膜に限定されず、負極２０及び正極１０の形状等に応じて適宜変更して用いてもよい。
【００６７】
上述のように、イオン移動層３０は、負極２０で生成した水素イオンを透過し、正極１０側へ移動させる機能を有する。ただ、例えば、負極２０と正極１０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２０から正極１０へ移動することができる。そのため、液体処理システムＡにおいて、イオン移動層３０は必須の構成要素ではない。しかし、イオン移動層３０を設けることにより、負極２０から正極１０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３０を設けることが好ましい。なお、正極１０とイオン移動層３０との間に間隔が設けられていてもよく、負極２０とイオン移動層３０との間も間隔が設けられていてもよい。
【００６８】
電極カセット１００は、図２に示すように、負極２０及び正極１０に電気的に接続する外部回路６０を備えている。ただ、電極カセット１００では、外部回路６０を介さず、導電部材を用いて、負極２０及び正極１０が電気的に直接接続されていてもよい。また、電極カセット１００において、カセット基材５０Ａ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。
【００６９】
〔酸素供給部〕
酸素供給部２００は、第二電解液槽２に移動した電解液３に酸素を供給することにより、電解液３の溶存酸素濃度を高くし、電解液３を好気条件とするものである。第二電解液槽２内の電解液３を好気条件とすることにより、ポリリン酸蓄積細菌は、第一電解液槽１内で放出した以上の量のリンを体内に取り込むことができる。その結果、リンがポリリン酸蓄積細菌の体内で高濃度に蓄積される。したがって、電解液３からこのポリリン酸蓄積細菌を除去することで、電解液３中のリンを除去することができる。
【００７０】
具体的には、図４に示すように、酸素供給部２００は、カセット基材５０Ｂと二枚の撥水層１１０とを積層してなるものである。カセット基材５０Ｂ及び撥水層１１０は、上述の電極カセット１００における撥水層１１及びカセット基材５０Ａと同じものを使用することができる。そして、図４に示すように、カセット基材５０Ｂの側面５３は、撥水層１１０の面１１０ａの外周部と接合されている。そのため、第二電解液槽２の内部に保持された電解液３とカセット基材５０Ｂの内部とは隔てられ、撥水層１１０及びカセット基材５０Ｂにより形成された内部空間は気相Ｇとなっている。そして、液体処理システムＡでは、この気相Ｇが外気に開放されるか、あるいはこの気相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。
【００７１】
ただ、酸素供給部２００は、第二電解液槽２に保持された電解液３が好気条件となり、電解液３中のリンがポリリン酸蓄積細菌に取り込まれれば、このような態様に限定されない。酸素供給部２００は、例えば二枚の撥水層１１０の周囲を接合して、内部に気相Ｇを有するように上部が開口した袋状であってもよい。また、酸素供給部２００は、ポンプによって外部から空気を供給するような公知の曝気装置であってもよい。
【００７２】
例えば図５に示すように、液体処理システムＡは、酸素供給部２００に代えて、第二電解液槽２内の電解液３に酸素を供給する酸素供給部２００Ａを備えていてもよい。酸素供給部２００Ａは、気体を散気するための孔部を有する散気部材１５１と、孔部に気体を供給する気体供給部材１５２とを備えることが好ましい。
【００７３】
散気部材１５１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１５１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１５１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。
【００７４】
気体供給部材１５２は散気部材１５１を保持し、さらに散気部材１５１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１５２から供給された気体は、散気部材１５１の孔部を通過して気泡となり、電解液３中に拡散する。
【００７５】
酸素供給部２００Ａには、第二電解液槽２の外部から気体を供給するための配管１５３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１５２の下面に、中空の配管１５３が接続されていることが好ましい。配管１５３は、第二電解液槽２の後壁２ｂを貫通し、第二電解液槽２の外部に延出している。そして、配管１５３の端部には、気体を圧送するための圧縮機１５４が接続されている。
【００７６】
図５に示すように、酸素供給部２００Ａは、鉛直方向Ｙにおいて、第二電解液槽２の下部側に設けられていることが好ましい。これにより、酸素供給部２００Ａから発生した気泡が第二電解液槽２に保持された電解液３の下部から浮上する。そのため、酸素が電解液３と接する時間が長くなり、かつ、電解液３が撹拌されるため、第二電解液槽２内に保持された電解液３を効率的に好気条件にすることができる。
【００７７】
酸素供給部２００Ａが有する散気部材１５１の数は特に限定されず、第二電解液槽２の内部に、単一の散気部材１５１が設けられていてもよく、図５に示すように複数の散気部材１５１が設けられていてもよい。
【００７８】
酸素供給部２００Ａから電解液３に気泡を放出する方法は特に限定されず、圧縮機１５４を作動させて配管１５３に気体を圧送してもよい。圧送された気体は、配管１５３の内部を通過して、酸素供給部２００Ａの気体供給部材１５２に到達する。気体供給部材１５２に供給された気体は、散気部材１５１の孔部を通過して気泡となり、電解液３に拡散する。酸素供給部２００Ａにおける散気のタイミングは特に限定されず、連続的に散気してもよく、断続的に散気してもよい。
【００７９】
なお、酸素供給部２００Ａの構成は、上述の散気部材１５１と気体供給部材１５２とを備える構成に限定されず、電解液３に散気することが可能なあらゆる構成を適用することができる。具体的には、粗大な気泡を発生させる場合には、酸素供給部２００Ａとして、金属製や合成樹脂製の多孔管、又はディスクディフューザーを用いてもよい。
【００８０】
上述のように、酸素供給部２００Ａには、第二電解液槽２の外部から気体を供給するための配管１５３が接続されている。配管１５３の配設方法は特に限定されないが、例えば第二電解液槽２の底壁２ｃに接触して配設してもよい。また、図５において、配管１５３は、後壁２ｂを貫通して底壁２ｃに配設されている。ただ、このような態様に限定されず、例えば、配管１５３を底壁２ｃの下面から貫通させて、酸素供給部２００Ａに直接接続してもよい。また、配管１５３を、底壁２ｃ及び後壁２ｂに沿って配置し、酸素供給部２００Ａに直接接続してもよい。つまり、配管１５３は、第二電解液槽２の壁部を貫通せず、第二電解液槽２の壁沿いに配置してもよい。
【００８１】
以上の通り、液体処理システムＡは、有機性物質及びリン化合物を含む電解液３を保持する第一電解液槽１を備える。液体処理システムＡは、電解液３を第一電解液槽１に供給する第一供給部５と、第一電解液槽１内の電解液３を第一電解液槽１から排出する第一排出部６と、を備える。液体処理システムＡは、第一電解液槽１内の電解液３に接触し、酸素を含む気相Ｇと接触する正極１０と、第一電解液槽１内の電解液３に接触し、正極１０と電気的に接続され、嫌気性微生物を担持する負極２０と、を備える。液体処理システムＡは、第一電解液槽１よりも下流側に設けられ、第一電解液槽１から排出された電解液３を保持する第二電解液槽２を備える。液体処理システムＡは、第一電解液槽１から排出された電解液３を第二電解液槽２に供給する第二供給部７と、第二電解液槽２内の電解液３を排出する第二排出部８と、第二電解液槽２内の電解液３に酸素を供給する酸素供給部２００と、を備える。そして、第二排出部８を通る電解液３のリン酸イオン濃度は、第一供給部５を通る電解液３のリン酸イオン濃度よりも低い。
【００８２】
第一電解液槽１内の電解液３には、酸素を含む気相Ｇと接触する正極１０と嫌気性微生物を担持する負極２０とが接触している。そのため、負極２０では、嫌気性微生物の触媒作用により、電解液３中の有機性物質から水素イオン及び電子が生成され、電解液３中の有機性物質が分解されるとともに、外部回路６０によって、閉回路に流れる電気エネルギーが回収される。
【００８３】
第一電解液槽１内で処理された電解液３は、第一排出部６及び第二供給部７を通過して第二電解液槽２の内部に連続的に供給される。第二電解液槽２に供給された電解液３には、酸素供給部２００によって酸素が供給される。そのため、第一電解液槽１内の電解液３は嫌気条件となっており、第二電解液槽２内の電解液３は好気条件となっている。
【００８４】
そのため、ポリリン酸蓄積細菌は、第一電解液槽１に保持された電解液３内ではリンを体外に放出するものの、第二電解液槽２に保持された電解液３内では第一電解液槽１で放出した量以上のリンを体内に取り込む。そして、第二電解液槽２内で処理された電解液３は、第二排出部８を通じて液体処理システムＡの外部に排出される。したがって、本実施形態に係る液体処理システムＡによれば、電解液３中の有機性物質を除去し、かつ、リンも除去することが可能となる。
【００８５】
また、電極カセット１００及び酸素供給部２００の気相Ｇに供給する空気量を調整することにより、第一電解液槽１と第二電解液槽２に保持されている電解液３中の溶存酸素濃度を、各々の槽で最適化することができる。そのため、各槽の微生物に適した溶存酸素濃度に調整することにより、有機性物質及びリンの処理効率をより向上させることが可能となる。
【００８６】
なお、電解液３には、有機性物質及びリン化合物に加え、窒素化合物が含まれている場合がある。窒素化合物は、例えば、アミノ酸などの有機化合物（有機態窒素）、アンモニア塩（アンモニア態窒素）、亜硝酸塩（亜硝酸態窒素）、又は硝酸塩（硝酸態窒素）などである。そのため、第一電解液槽１で保持された電解液３が窒素化合物をさらに含んでいてもよい。そして、この場合、第一排出部６を通る電解液３の全窒素濃度は、第一供給部５を通る電解液３の全窒素濃度よりも低いことが好ましい。また、第一電解液槽１で保持された電解液３が窒素化合物をさらに含む場合、第一排出部６を通る電解液３の全窒素濃度は、１０ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。なお、第一排出部６を通る電解液３の全窒素濃度は、５ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。また、全窒素濃度は、ＪＩＳ  Ｋ０１０２：２０１６の規定に準じ、紫外線吸光光度法などの方法によって測定することができる。
【００８７】
具体的には、上述のように、電極接合体４０及びカセット基材５０Ａにより形成された内部空間は気相Ｇとなっている。この気相Ｇは外気に開放されるか、あるいはこの気相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電極カセット１００が構成されている。そして、第一電解液槽１内に、後述する硝化反応を行う硝化菌及び脱窒反応を行う脱窒菌が含まれている場合、硝化菌及び脱窒菌の触媒作用を促進し、電解液３に含まれる窒素化合物を除去することもできる。
【００８８】
硝化菌は、好気性微生物であり、正極１０に保持されていることが好ましい。硝化菌としては、Nitrosomonas属細菌、Nitrosococcus属細菌、Nitrosospira属細菌、Nitrobacter属細菌、Nitrospira属細菌などが挙げられる。
【００８９】
脱窒菌は、嫌気性微生物であり、正極１０の気相Ｇに露出した部分を除いた表面及び電解液３に保持されていることが好ましい。脱窒菌としては、Pseudomonas属細菌、Bacillus属細菌、Paracoccus属細菌、Achromobater属細菌などが挙げられる。なお、本実施形態では、正極１０の表面と電解液３が共に脱窒菌を保持する例について説明するが、正極１０の表面と電解液３のいずれか一方が脱窒菌を保持するようにしてもよい。
【００９０】
ここで、正極１０及びその近傍における硝化反応及び脱窒反応を以下に示す。
［硝化反応］
［式１］２ＮＨ４＋＋３Ｏ２→ ２ＮＯ２−＋２Ｈ２Ｏ＋４Ｈ＋
［式２］２ＮＯ２−＋Ｏ２→ ２ＮＯ３−
［脱窒反応］
［式３］ＮＯ３−＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ ＮＯ２−＋Ｈ２Ｏ
［式４］２ＮＯ２−＋６Ｈ＋＋６ｅ−→ Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ−
【００９１】
硝化菌が正極１０に保持されている場合、気相Ｇに露出した撥水層１１の面から撥水層１１を通じて硝化菌に酸素が供給され、反応式１及び反応式２のように、硝化菌の触媒作用により窒素化合物の硝化反応が起きる。電解液３に保持された脱窒菌は、正極１０の近傍に集まり、触媒として作用する。
【００９２】
反応式１の反応によって生成した亜硝酸イオン及び反応式２の反応によって生成した硝酸イオンは、それぞれ反応式３及び４に示すように、脱窒菌の触媒作用により水素イオンと反応することで、脱窒反応が起きる。このように、電極カセット１００では、電解液３中の窒素化合物が、硝化菌及び脱窒菌の代謝により、窒素、水及び水酸化物イオンとなるため、電解液３の窒素化合物を除去することができる。
【００９３】
ここで、反応式１及び２の反応は好気性微生物である硝化菌の触媒作用による反応であり、反応式３及び４の反応は嫌気性微生物である脱窒菌の触媒作用による反応である。そのため、撥水層１１の気相Ｇ側から供給された酸素は、硝化菌により消費される。その結果、電解液３のうち、撥水層１１から負極２０に向かうにつれて電解液３は嫌気条件となることから、脱窒菌による反応を進行させることが可能となる。
【００９４】
したがって、液体処理システムＡにおいて、第一電解液槽１内に保持されている電解液３の少なくとも一部の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。上述のように、酸素供給部２００では、好気性微生物である硝化菌の硝化反応と嫌気性微生物である脱窒菌の脱窒反応により、電解液３中の窒素化合物を除去する。そして、脱窒菌は、電解液３中に溶存酸素が少ない条件で硝酸イオン及び亜硝酸イオンを窒素ガスに還元する性質を有する。そのため、第二電解液槽２における電解液３の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌを超える場合には、脱窒菌による脱窒反応が進行し難くなり、窒素化合物の除去が効率的に行われないおそれがある。
【００９５】
そのため、脱窒菌による脱窒反応を進行させるために、第二電解液槽２における電解液３の少なくとも一部の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましく、０．２ｍｇ／Ｌ以下であることがより好ましい。なお、電解液３の溶存酸素濃度の測定方法は特に限定されないが、例えば隔膜電極法による溶存酸素計を用いて測定することができる。第一電解液槽１に保持されている電解液３の溶存酸素濃度は、酸素供給部２００の気相Ｇに対して外部から供給する空気の量を調整したり、撥水層１１０の酸素透過率を調整したりすることにより制御することができる。
【００９６】
以上の通り、本実施形態に係る液体処理システムＡは、有機性物質及びリン化合物だけでなく、窒素化合物を除去するような構成とすることも可能である。
【００９７】
［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。
【００９８】
図６に示すように、本実施形態に係る液体処理システムＢは、第一実施形態と同様に、液体処理システムＢは、第一電解液槽１、第一供給部５、第一排出部６、正極１０、負極２０、第二電解液槽２、第二供給部７及び第二排出部８を備えている。
【００９９】
本実施形態に係る液体処理システムＢは、第二電解液槽２よりも下流側に設けられ、ポリリン酸蓄積細菌を沈殿させる沈殿槽７０を備えている。上述のように、第一電解液槽１及び第二電解液槽２を通過したポリリン酸蓄積細菌は、体内に高濃度のリンを取り込んでいる。そのため、液体処理システムＢがこのような沈殿槽７０を備えることにより、処理された電解液３と高濃度のリンを含むポリリン酸蓄積細菌とを容易に分離することができる。
【０１００】
液体処理システムＢは、沈殿槽７０の前側の側壁部７０ａの上部に、第二電解液槽２から排出された電解液３を沈殿槽７０に供給する第三供給部７１を備えている。また、液体処理システムＢは、沈殿槽７０の後側の側壁部７０ｂの上部に、沈殿槽７０で保持された電解液３を排出する第三排出部７２を備えている。
【０１０１】
そして、電解液３は、第三供給部７１、沈殿槽７０及び第三排出部７２を順番に通過するように、液体処理システムＢが構成されている。なお、第三供給部７１及び第三排出部７２は、電解液３を沈殿槽７０に供給又は排出することができれば、沈殿槽７０の側壁部に設けられている必要はなく、沈殿槽７０の上方に配置されていてもよい。また、本実施形態では、第二排出部８及び第三供給部７１が円筒状の連結管４Ａによって構成されているが、第二排出部８及び第三供給部７１はそれぞれ異なる部材で構成されていてもよく、連結管４Ａのように単一の部材により構成されていてもよい。
【０１０２】
沈殿槽７０は、電解液３とポリリン酸蓄積細菌を含む沈殿物７４とを保持しており、沈殿物７４が回収されやすいよう、底壁７０ｃに向かうに従ってすぼんだ形状となるように形成されている。底壁７０ｃには、沈殿物７４を排出する排出口７３が設けられている。
【０１０３】
また、液体処理システムＢは、沈殿槽７０で沈殿したポリリン酸蓄積細菌を第一電解液槽１へ返流させる返流管７５をさらに備えている。返流管７５は、沈殿槽７０と第一供給部５とを接続しており、沈殿槽７０の底壁７０ｃに設けられた排出口７３と第一供給部５の管壁に設けられた連結口７６とが連通している。そのため、沈殿槽７０の底壁７０ｃに沈殿した沈殿物７４を、図示しないポンプなどによって、返流管７５を介して第一電解液槽１に移送することができる。
【０１０４】
上述のように、第一電解液槽１の電解液３は嫌気性状態であることから、返流管７５を通じて第一電解液槽１に返流されたポリリン酸蓄積細菌は、電解液３中にリンを放出する。しかしながら、その後、ポリリン酸蓄積細菌は、第一排出部６及び第二供給部７を通じて第二電解液槽２に再度移送される。第二電解液槽２内の電解液３は好気条件であることから、ポリリン酸蓄積細菌は、第一電解液槽１で放出した以上のリンを体内に取り込む。そして、第二電解液槽２内で処理された電解液３は、第二排出部８を通じて液体処理システムＢの外部に排出される。
【０１０５】
なお、返流管７５を通じて沈殿槽７０から第一電解液槽１にポリリン酸蓄積細菌を循環させる回数は特に限定されず、複数回循環させてもよい。また、本実施形態において、返流管７５は、沈殿槽７０の底壁７０ｃと、第一供給部５とを接続しているが、第一電解液槽１にポリリン酸蓄積細菌を含む沈殿物７４を移送することができれば、これらの接続位置は特に限定されない。例えば、返流管７５の一方は、第一供給部５ではなく、第一電解液槽１に直接接続されていてもよい。また、本実施形態では、返流管７５の一方が沈殿槽７０に接続されているが、沈殿物７４を第一電解液槽１に移送することができればよく、第二電解液槽２に返流管７５の一方が接続されていてもよい。
【実施例】
【０１０６】
以下、本実施形態を実施例及び比較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。
【０１０７】
［液体処理システムの作製］
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。
【０１０８】
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６ｍｇ／ｃｍ２となるようにプレス成形した。
【０１０９】
なお、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。
【０１１０】
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した。これにより酸素還元触媒を得た。
【０１１１】
さらに、上述のようにして得られたガス拡散電極を、図１に示すようにカセット基材に積層して空気取り入れ部を設けることにより、正極を作製した。そして、当該正極と、炭素材料（グラファイトホイル）からなる負極とを、第一供給部及び第一排出部を有し、容量が３００ｍＬである第一電解液槽内に設置した。さらに、正極と負極との間にポリオレフィン製不織布を設置した。そして、正極と負極を負荷回路に接続した。
【０１１２】
次に、ポリオレフィン製撥水層を、図１に示すようにカセット基材に積層して空気取り入れ部を設けることにより、酸素供給部を作製した。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。そして、酸素供給部を、第二供給部と第二排出部とを有し、容量が３００ｍＬである第二電解液槽内に設置した。
【０１１３】
そして、図１に示すように、電極カセットを内部に設けた第一電解液槽の下流側に、酸素供給部を内部に設けた第二電解液槽を連結管（第一排出部及び第二供給部）で接続した後、第一電解液槽及び第二電解液槽の内部を電解液で満たすようにした。なお、電解液は、全有機体炭素（ＴＯＣ）が６００ｍｇ／Ｌの有機性物質を含んでいる。さらに、第一電解液槽及び第二電解液槽には、発電を行う嫌気性微生物及びポリリン酸蓄積細菌を含む土壌微生物を植種した。そして、電解液の滞留時間が各槽で４８時間ずつとなるように、第一電解液槽に電解液を連続的に供給した。このようにして、本例の液体処理システムを得た。
【０１１４】
［評価］
液体処理システムにおける第一電解液槽の第一供給部、第一排出部（連結管）及び第二電解液槽の第二排出部の各々から電解液を採取し、モリブデン青吸光光度法により、各電解液中のリン酸イオン濃度を測定した。
【０１１５】
液体処理システムにおいて、第一電解液槽の第一供給部、第一排出部並びに第二電解液槽の第二排出部から採取した電解液のリン酸イオン濃度は、それぞれ、２７ｍｇ／Ｌ、２８ｍｇ／Ｌ及び２２ｍｇ／Ｌであった。このことから、電極カセットを備えた第一電解液槽の下流に、酸素供給部を備えた第二電解液槽を設けることにより、ポリリン酸蓄積細菌によって、電解液からリンを除去する効果が確認できた。
【０１１６】
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、図面において、電極カセット１００における正極１０、負極２０及びイオン移動層３０、並びに酸素供給部２００における撥水層１１０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。
【０１１７】
また、液体処理システムＡ，Ｂにおいて、電極カセット１００は、正極１０と接触する気相Ｇを形成するカセット基材５０Ａを備えている。ただ、本実施形態の液体処理システムＡ，Ｂにおいて、カセット基材５０Ａは必須の構成要素でない。つまり、正極１０が電解液３及び気相Ｇと接触し、負極２０が電解液３に接触していれば、電解液３中の有機物及び／又は窒素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１０を電解液３の水面に浮かべ、負極２０を電解液３に沈ませることによっても、正極１０の一部は気相Ｇと接触し、負極２０は電解液３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１０は撥水層１１を備えなくてもよい。
【０１１８】
そして、本実施形態に係る液体処理システムは、有機性物質及びリンを含む液体、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。また、水域の環境改善などにも利用できる。
【符号の説明】
【０１１９】
１  第一電解液槽
２  第二電解液槽
３  電解液
５  第一供給部
６  第一排出部
７  第二供給部
８  第二排出部
１０  正極
２０  負極
２００，２００Ａ  酸素供給部
Ａ，Ｂ  液体処理システム
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】
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