(57)【要約】      （修正有）【課題】汚泥発生量を低減でき、かつ、バイオガスの発生を抑制可能な、新規な液体処理装置を提供する。【解決手段】液体処理装置１００は、第１の面１０ａおよび第２の面１０ｂを有する構造体１０であって、第１の面１０ａと第２の面１０ｂとの間に配置され、第１の面１０ａで外部に露出した第１の部分１１ａと第２の面１０ｂで外部に露出した第２の部分１１ｂとを有し、かつ、第１の部分１１ａと第２の部分１１ｂとを導通する導電体１１、および、第１の面１０ａと第２の面１０ｂとの間に配置され、水素イオンが移動するイオン移動層１５を有する構造体１０と、第１の被処理液１７を保持するための第１の処理槽１２とを備え、構造体１０の第１の面１０ａは、第１の処理槽１２の内部に位置している。前記構造体１０は、前記第１の面１０ａに嫌気性微生物群を担持し、前記第２の面１０ｂに酸素還元触媒を担持している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面および第２の面を有する構造体であって、
前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、前記第１の面で外部に露出した第１の部分と前記第２の面で外部に露出した第２の部分とを有し、かつ、前記第１の部分と前記第２の部分とを導通する導電体、および、
前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、水素イオンが移動するイオン移動層
を有する構造体と、
第１の被処理液を保持するための第１の処理槽と
を備え、
前記構造体の前記第１の面は、前記第１の処理槽の内部に位置している液体処理装置。
【請求項２】
前記導電体の前記第１の部分は、前記第１の処理槽内で前記第１の被処理液と接するように配置され、前記導電体の前記第２の部分は、酸素を含む気体と接するように配置されている、請求項１に記載の液体処理装置。
【請求項３】
前記第１の被処理液は、有機物およびアンモニアのうち少なくとも一方を含有する、請求項２に記載の液体処理装置。
【請求項４】
前記構造体は、前記第１の面に嫌気性微生物群を担持し、前記第２の面に酸素還元触媒を担持している、請求項１から３のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項５】
第２の被処理液を保持するための第２の処理槽をさらに備え、
前記構造体の前記第２の面は、前記第２の処理槽の内部に位置している、請求項１に記載の液体処理装置。
【請求項６】
前記導電体の前記第１の部分は、前記第１の処理槽内で前記第１の被処理液と接するように配置され、前記導電体の前記第２の部分は、前記第２の処理槽内で前記第２の被処理液と接するように配置されている、請求項５に記載の液体処理装置。
【請求項７】
前記第１の被処理液は、有機物およびアンモニアのうち少なくとも一方を含有し、
前記第２の被処理液は、窒素酸化物イオンを含有する、請求項５または６に記載の液体処理装置。
【請求項８】
前記構造体は、前記第１の面及び前記第２の面に嫌気性微生物群を担持している、請求項５から７のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項９】
前記導電体は、多孔質または織布状の導電体シートであり、
前記イオン移動層は、イオン交換樹脂を含み、
前記イオン交換樹脂は、前記導電体シート内の空隙に充填されている、請求項１から８のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項１０】
前記導電体の少なくとも一部は、前記イオン移動層の前記第１の面側の表面と前記第２の面側の表面との間に位置しており、
前記少なくとも一部の導電体の表面は、絶縁性材料で覆われている、請求項９に記載の液体処理装置。
【請求項１１】
前記導電体は、
前記イオン移動層の前記第１の面側に配置され、かつ、前記第１の部分を含む第１の導電層と、
前記イオン移動層の前記第２の面側に配置され、かつ、前記第２の部分を含む第２の導電層と、
前記第１の導電層と前記第２の導電層とを接続する接続部と
を含み、
前記接続部の少なくとも一部は、前記イオン移動層の前記第１の面側の表面と前記第２の面側の表面との間に位置している、請求項１から８のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項１２】
前記少なくとも一部の接続部の表面は、絶縁性材料で覆われている、請求項１１に記載の液体処理装置。
【請求項１３】
前記第１の導電層は、多孔質または織布状である、請求項１１または１２に記載の液体処理装置。
【請求項１４】
前記第２の導電層は、多孔質または織布状である、請求項１１から１３のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項１５】
前記接続部は、前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に、前記イオン移動層を貫通して延びている、請求項１１から１４のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項１６】
前記イオン移動層はイオン交換膜を含む、請求項１５に記載の液体処理装置。
【請求項１７】
前記イオン移動層はイオン交換樹脂を含み、
前記接続部は、複数の導電性粒子を含み、
前記複数の導電性粒子は前記イオン交換樹脂中に分散している、請求項１１から１４のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項１８】
前記イオン移動層はイオン交換樹脂を含み、
前記導電体は、
前記イオン移動層の前記第１の面側に配置され、かつ、前記第１の部分を含む第１の導電層と、
複数の導電性粒子を含む第２の導電層と
を含み、前記複数の導電性粒子の少なくとも一部は前記イオン交換樹脂中に分散しており、前記複数の導電性粒子の一部は前記第２の部分を含む、請求項１から８のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項１９】
前記導電体の少なくとも一部は、前記イオン移動層を厚さ方向に横切って形成されている、請求項１から１８のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項２０】
第１の面および第２の面を有し、
前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、前記第１の面で外部に露出した第１の部分と前記第２の面で外部に露出した第２の部分とを有し、かつ、前記第１の部分と前記第２の部分とを導通する導電体と、
前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、水素イオンが移動するイオン移動層と備える液体処理ユニット。
【請求項２１】
前記導電体は、多孔質または織布状の導電体シートであり、
前記イオン移動層は、イオン交換樹脂を含み、
前記イオン交換樹脂は、前記導電体シート内の空隙に充填されている、請求項２０に記載の液体処理ユニット。
【請求項２２】
前記導電体の少なくとも一部は、前記イオン移動層の前記第１の面側の表面と前記第２の面側の表面との間に位置しており、
前記少なくとも一部の導電体の表面は、絶縁性材料で覆われている、請求項２１に記載の液体処理ユニット。
【請求項２３】
前記導電体は、
前記イオン移動層の前記第１の面側に配置され、かつ、前記第１の部分を含む第１の導電層と、
前記イオン移動層の前記第２の面側に配置され、かつ、前記第２の部分を含む第２の導電層と、
前記第１の導電層と前記第２の導電層とを接続する接続部と
を含み、
前記接続部の少なくとも一部は、前記イオン移動層の前記第１の面側の表面と前記第２の面側の表面との間に位置している請求項２０に記載の液体処理ユニット。
【請求項２４】
前記接続部は、前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に、前記イオン移動層を貫通して延びている、請求項２３に記載の液体処理ユニット。
【請求項２５】
前記イオン移動層はイオン交換膜を含む、請求項２４に記載の液体処理ユニット。
【請求項２６】
前記イオン移動層はイオン交換樹脂を含み、
前記接続部は、複数の導電性粒子を含み、
前記複数の導電性粒子は前記イオン交換樹脂中に分散している、請求項２３に記載の液体処理ユニット。
【請求項２７】
前記イオン移動層はイオン交換樹脂を含み、
前記導電体は、
前記イオン移動層の前記第１の面側に配置され、かつ、前記第１の部分を含む第１の導電層と、
複数の導電性粒子を含む第２の導電層と
を含み、前記複数の導電性粒子の少なくとも一部は前記イオン交換樹脂中に分散しており、前記複数の導電性粒子の一部は前記第２の部分を含む、請求項２０に記載の液体処理ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、液体処理装置および液体処理ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機物を含む廃水を処理する方法として、微生物の好気呼吸を利用する活性汚泥法（例えば特許文献１）と、微生物の嫌気呼吸を利用する嫌気性処理法（例えば特許文献２）とが知られている。
【０００３】
活性汚泥法では、微生物を含んだ泥（活性汚泥）と廃水とを生物反応槽（エアレーションタンク）で混合し、微生物が廃水中の有機物を酸化分解するために必要な空気を生物反応槽に送り込んで攪拌する。これにより、廃水中の有機物が酸化分解処理される。しかし、この活性汚泥法には、生物反応槽のエアレーションに莫大な電力を要し、また微生物が酸素呼吸をして活発に代謝を行う結果として、産業廃棄物である大量の汚泥（微生物の死骸）が発生するという問題がある。
【０００４】
これに対し、嫌気性処理法では、エアレーションが不要となることから、活性汚泥法に比べて必要電力量が大幅軽減される。また、微生物が獲得できる自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量が減少する。しかしながら、嫌気呼吸の産物として、可燃性で特有の臭気のあるメタンガスなどのバイオガスが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−７１８９６号公報
【特許文献２】特開平１−４７４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、活性汚泥法では汚泥発生量が大きい、従来の嫌気性処理法ではバイオガスが発生するという問題がある。
【０００７】
本願の、限定的ではない例示的なある実施形態は、汚泥発生量を低減でき、かつ、バイオガスの発生を抑制可能な、新規な液体処理装置および液体処理ユニットを提供するものである。
【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、本発明の一態様は、第１の面および第２の面を有する構造体であって、前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、前記第１の面で外部に露出した第１の部分と前記第２の面で外部に露出した第２の部分とを有し、かつ、前記第１の部分と前記第２の部分とを導通する導電体、および、前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、水素イオンが移動するイオン移動層を有する構造体と、第１の被処理液を保持するための第１の処理槽とを備え、前記構造体の前記第１の面は、前記第１の処理槽の内部に位置している液体処理装置を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、汚泥発生量を低減でき、かつ、バイオガスの発生を抑制可能な、新規な液体処理装置および液体処理ユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の液体処理装置を例示する概念図である。
【図２】第２の実施形態の液体処理装置を例示する概念図である。
【図３】第３の実施形態の液体処理装置を例示する概念図である。
【図４】第４の実施形態の液体処理装置を例示する概念図である。
【図５】第５の実施形態の液体処理装置を例示する概念図である。
【図６】参考例の微生物燃料電池の構成を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者は、まず、汚泥発生量を低減し、かつ、バイオガスの発生を抑制可能な廃水処理法として、微生物燃料電池の検討を行った。微生物燃料電池は、例えば特開２００９−９３８６１号公報に開示されている。
【００１２】
以下、図面を参照しながら、参考例として、本発明者の検討した微生物燃料電池の構成および原理を簡単に説明する。
【００１３】
図６は、参考例の微生物燃料電池の構成を説明するための概略図である。
【００１４】
微生物燃料電池１０００は、容器８内に設けられた、作用極（負電極）２、対極（正電極）３、および、これらの電極２、３の間に配置されたイオン透過性隔膜４を有している。作用極２には微生物６が担持されている。また、作用極２は、外部回路７を介して対極３に電気的に接続され、これにより閉回路が形成されている。
【００１５】
微生物燃料電池１０００の動作時には、作用極２に、有機性物質などを含有する液体（又はガス）５を供給する。対極３には空気（又は酸素）を供給する。作用極２では、微生物６の触媒作用により液体５から水素イオン（Ｈ+）及び電子（ｅ-）が生成される。生成された水素イオンは、イオン透過性隔膜４を透過して対極３側へ移動し、電子は外部回路７を介して対極３側へ移動する。作用極２から移動した水素イオン及び電子は、対極３において酸素（Ｏ2）と結合し、水（Ｈ2Ｏ）となって消費される。このとき、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。
【００１６】
図６に示すような微生物燃料電池１０００では、廃液の処理を行う容器８の外部に、外部回路７などの電気配線や、得られた電気エネルギーを利用するための昇圧システム（図示せず）などが設けられる。また、容器８内には、負極２および正極３に加えて、集電体（集電シート）が設けられる場合もある。このように、微生物燃料電池１０００を用いた廃液処理では、設備の構成が複雑になるという問題がある。
【００１７】
本発明の一実施形態は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、汚泥発生量を低減し、かつ、バイオガスの発生を抑制できる新規な液体処理装置を提供する。
【００１８】
本発明の一態様の概要は以下のとおりである。
【００１９】
本発明の一態様である液体処理装置は、第１の面および第２の面を有する構造体であって、前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、前記第１の面で外部に露出した第１の部分と前記第２の面で外部に露出した第２の部分とを有し、かつ、前記第１の部分と前記第２の部分とを導通する導電体、および、前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、水素イオンが移動するイオン移動層を有する構造体と、第１の被処理液を保持するための第１の処理槽とを備え、前記構造体の前記第１の面は、前記第１の処理槽の内部に位置している。
【００２０】
前記導電体の前記第１の部分は、例えば、前記第１の処理槽内で前記第１の被処理液と接するように配置され、前記導電体の前記第２の部分は、例えば、酸素を含む気体と接するように配置されている。
【００２１】
前記第１の被処理液は、例えば、有機物およびアンモニアのうち少なくとも一方を含有する。
【００２２】
前記構造体は、例えば、前記第１の面に嫌気性微生物群を担持し、前記第２の面に酸素還元触媒を担持している。
【００２３】
上記液体処理装置は、第２の被処理液を保持するための第２の処理槽をさらに備え、前記構造体の前記第２の面は、前記第２の処理槽の内部に位置していてもよい。
【００２４】
前記導電体の前記第１の部分は、例えば、前記第１の処理槽内で前記第１の被処理液と接するように配置され、前記導電体の前記第２の部分は、例えば、前記第２の処理槽内で前記第２の被処理液と接するように配置されている。
【００２５】
前記第１の被処理液は、例えば、有機物およびアンモニアのうち少なくとも一方を含有し、前記第２の被処理液は、例えば、窒素酸化物イオンを含有する。
【００２６】
前記構造体は、例えば、前記第１の面及び前記第２の面に嫌気性微生物群を担持している。
【００２７】
前記導電体は、例えば、多孔質または織布状の導電体シートであり、前記イオン移動層は、例えば、イオン交換樹脂を含み、前記イオン交換樹脂は、前記導電体シート内の空隙に充填されていてもよい。
【００２８】
前記導電体の少なくとも一部は、例えば、前記イオン移動層の前記第１の面側の表面と前記第２の面側の表面との間に位置しており、前記少なくとも一部の導電体の表面は、絶縁性材料で覆われていてもよい。
【００２９】
前記導電体は、例えば、前記イオン移動層の前記第１の面側に配置され、かつ、前記第１の部分を含む第１の導電層と、前記イオン移動層の前記第２の面側に配置され、かつ、前記第２の部分を含む第２の導電層と、前記第１の導電層と前記第２の導電層とを接続する接続部とを含み、前記接続部の少なくとも一部は、前記イオン移動層の前記第１の面側の表面と前記第２の面側の表面との間に位置していてもよい。
【００３０】
前記少なくとも一部の接続部の表面は、絶縁性材料で覆われていてもよい。
【００３１】
前記第１の導電層は、例えば、多孔質または織布状である。
【００３２】
前記第２の導電層は、例えば、多孔質または織布状である。
【００３３】
前記接続部は、例えば、前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に、前記イオン移動層を貫通して延びている。
【００３４】
前記イオン移動層は、例えば、イオン交換膜を含む。
【００３５】
前記イオン移動層は、例えば、イオン交換樹脂を含み、前記接続部は、例えば、複数の導電性粒子を含み、前記複数の導電性粒子は前記イオン交換樹脂中に分散していてもよい。
【００３６】
前記イオン移動層は、例えば、イオン交換樹脂を含み、前記導電体は、例えば、前記イオン移動層の前記第１の面側に配置され、かつ、前記第１の部分を含む第１の導電層と、複数の導電性粒子を含む第２の導電層とを含み、前記複数の導電性粒子の少なくとも一部は前記イオン交換樹脂中に分散しており、前記複数の導電性粒子の一部は前記第２の部分を含んでもよい。
【００３７】
前記導電体の少なくとも一部は、例えば、前記イオン移動層を厚さ方向に横切って形成されている。
【００３８】
本発明の一態様である液体処理ユニットは、第１の面および第２の面を有し、前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、前記第１の面で外部に露出した第１の部分と前記第２の面で外部に露出した第２の部分とを有し、かつ、前記第１の部分と前記第２の部分とを導通する導電体と、前記第１の面と前記第２の面との間に配置され、水素イオンが移動するイオン移動層と備える。
【００３９】
前記導電体は、例えば、多孔質または織布状の導電体シートであり、前記イオン移動層は、例えば、イオン交換樹脂を含み、前記イオン交換樹脂は、前記導電体シート内の空隙に充填されていてもよい。
【００４０】
前記導電体の少なくとも一部は、例えば、前記イオン移動層の前記第１の面側の表面と前記第２の面側の表面との間に位置しており、前記少なくとも一部の導電体の表面は、絶縁性材料で覆われていてもよい。
【００４１】
前記導電体は、例えば、前記イオン移動層の前記第１の面側に配置され、かつ、前記第１の部分を含む第１の導電層と、前記イオン移動層の前記第２の面側に配置され、かつ、前記第２の部分を含む第２の導電層と、前記第１の導電層と前記第２の導電層とを接続する接続部とを含み、前記接続部の少なくとも一部は、前記イオン移動層の前記第１の面側の表面と前記第２の面側の表面との間に位置していてもよい。
【００４２】
前記接続部は、例えば、前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に、前記イオン移動層を貫通して延びている。
【００４３】
前記イオン移動層は、例えば、イオン交換膜を含む。
【００４４】
前記イオン移動層は、例えば、イオン交換樹脂を含み、前記接続部は、例えば、複数の導電性粒子を含み、前記複数の導電性粒子は前記イオン交換樹脂中に分散していてもよい。
【００４５】
前記イオン移動層は、例えば、イオン交換樹脂を含み、前記導電体は、例えば、前記イオン移動層の前記第１の面側に配置され、かつ、前記第１の部分を含む第１の導電層と、複数の導電性粒子を含む第２の導電層とを含み、前記複数の導電性粒子の少なくとも一部は前記イオン交換樹脂中に分散しており、前記複数の導電性粒子の一部は前記第２の部分を含んでもよい。
【００４６】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による液体処理装置の第１の実施形態を説明する。本明細書では、「液体処理装置」は、処理しようとする液体（被処理液）に含有されている成分の少なくとも一部を分解あるいは除去する装置を広く含む。「被処理液」は、例えば、有機物、窒素を含む化合物（以下、「窒素含有化合物」とする。）またはその両方を含有する液体である。被処理液は電解液であってもよい。
【００４７】
図１は、第１の実施形態の液体処理装置１００を例示する模式図である。
【００４８】
液体処理装置１００は、導電体１１およびイオン移動層１５を有する構造体１０と、被処理液１７を保持するための処理槽１２とを備えている。
【００４９】
構造体１０は、第１の面１０ａおよび第２の面１０ｂを有している。これらの面１０ａ、１０ｂは、構造体１０の外表面を規定する面であり、例えば構造体１０の外表面が多孔質体表面である場合には、仮想的な面であってもよい。本実施形態では、第１の面１０ａは、構造体１０の内部における水素イオンおよび電子の移動方向の上流側、第２の面１０ｂは下流側に位置する面である。また、構造体１０の第１の面１０ａは、処理槽１２の内部に位置している。例えば、構造体１０は、第１の面１０ａで処理槽１２内の被処理液と接し、第２の面１０ｂで気相と接していてもよい。その場合、構造体１０は、被処理液（液相）と、気相とを分離するように設けられてもよい。
【００５０】
導電体１１は、構造体１０の内部、すなわち、構造体１０の第１の面１０ａと第２の面１０ｂとの間に配置されている。また、導電体１１は、第１の面１０ａで外部に露出した第１の部分１１ａと、第２の面１０ｂで外部に露出した第２の部分１１ｂとを有している。第１の部分１１ａと第２の部分１１ｂとは導通している。「外部に露出する」とは、構造体１０の外部に露出することをいう。これにより、導電体１１における第１および第２の部分１１ａ、１１ｂは、構造体１０の外部の液相または気相との間で、電子授受を行うことが可能になる。
【００５１】
図１に示す例では、第１および第２の部分１１ａ、１１ｂは導電体１１の端部の表面である。第１の部分１１ａは、例えば、処理槽１２内で被処理液１７と接するように配置されている。第１の部分１１ａは、後述する局所電池反応においてアノードとして機能する。導電体１１の第２の部分１１ｂは、例えば、処理槽１２の外側で酸素を含む気体と接するように配置されている。第２の部分１１ｂは、後述する局所電池反応においてカソードとして機能する。なお、第２の部分１１ｂは、大気中に暴露されていてもよいし、酸素（または酸素を含む気体）が供給されるように構成されたチャンバー内に設置されていてもよい。
【００５２】
イオン移動層１５は、構造体１０の内部、すなわち、第１の面１０ａと第２の面１０ｂとの間に配置されている。イオン移動層１５は、水素イオンが移動可能な層であればよく、例えばイオン交換樹脂またはイオン交換膜を含む。
【００５３】
処理槽１２は、被処理液１７を保持可能な構成を有している。処理槽１２は、その内部を被処理液１７が流通するように構成されていてもよい。例えば、図１に示すように、処理槽１２には、被処理液１７を処理槽１２に供給するための液体供給口１３と、処理後の被処理液１７を処理槽１２から排出するための液体排出口１４とが設けられていてもよい。処理槽１２内は、例えば、分子状酸素が存在しない（分子状酸素が存在しても、その濃度が極めて小さい）嫌気性条件に保たれている。これにより、被処理液１７を、処理槽１２内で空気中の酸素と接しないように保持できる。
【００５４】
本実施形態の液体処理装置１００では、嫌気性微生物群１６を利用して、被処理液１７に含有されている成分の酸化分解を行う。ここでは、嫌気性微生物群１６は、導電体１１の第１の部分１１ａに担持されているが、構造体１０の第１の面１０ａに担持されていてもよい。あるいは、処理槽１２内の被処理液１７に浮遊していてもよい。
【００５５】
本実施形態の液体処理装置１００は、上記構成を有するので、局所電池反応を利用して被処理液１７の処理を行うことができる。より具体的には、構造体１０の第１の面１０ａ側において、嫌気性微生物群１６の代謝を利用して、被処理液１７に含まれる成分の酸化反応を行う。酸化反応により生成した水素イオン（Ｈ+）は、イオン移動層１５を通って、構造体１０の第２の面１０ｂ側に移送される。酸化反応により生成した電子（ｅ-）は、導電体１１を通って第２の面１０ｂ側に移送される。一方、構造体１０の第２の面１０ｂ側においては、第１の面１０ａ側から移送された電子および水素イオンが、気体中の酸素分子と反応し、酸素の還元反応が生じる。このように、構造体１０の第１の面１０ａ側で酸化反応、第２の面１０ｂ側で酸素の還元反応が進行し、全体として局所電池回路が形成される。
【００５６】
本実施形態によると、電子移動反応を介して、被処理液１７に含まれる成分（有機物または窒素含有化合物）を効率的に酸化分解できる新規な処理装置が提供される。被処理液１７に含まれる有機物または窒素含有化合物は、嫌気性微生物の代謝、すなわち微生物の増殖によって分解・除去される。この酸化分解処理は、嫌気性条件下で行われるため、好気性条件下で行われる場合よりも、有機物から微生物の新しい細胞への変換効率を低く抑えることができる。このため、活性汚泥法を用いる場合よりも、微生物の増殖、すなわち汚泥の発生量を低減できる。また、通常の嫌気性処理では臭気性のメタンガスが生成されるが、本実施形態における酸化分解処理では、後述するように、代謝生成物は例えば二酸化炭素（ＣＯ2）ガスであり、メタンガスの生成を抑制できる。
【００５７】
以下、本実施形態で利用する局所電池反応の一例をより詳しく説明する。
【００５８】
処理槽１２に保持されている被処理液１７は、例えば有機物、窒素含有化合物などの成分を含有している。被処理液１７の成分の一部は、導電体１１の露出部分（第１の部分１１ａ）の近傍において、嫌気性微生物によって代謝される。この代謝により、電子を生成するとともに、代謝産物として二酸化炭素および水素イオンを放出する。生成された電子は、第１の部分１１ａから、導電体１１内部を通って、導電体１１の第２の部分１１ｂへと移動する。水素イオンは、イオン移動層１５を透過し、第２の面１０ｂ側に移動する。一方、導電体１１の第２の部分１１ｂの近傍では、気体中の酸素分子が、被処理液１７から移動してきた電子及び水素イオンと結合し、水分子が生成される。
【００５９】
被処理液１７が有機物としてグルコースを含有する場合、上述した半セル反応は、以下の式で表される。
導電体１１の第１の部分１１ａ（アノード）：  Ｃ6Ｈ12Ｏ6  ＋  ６Ｈ2Ｏ  →  ６ＣＯ2  ＋  ２４Ｈ+  ＋  ２４ｅ-
導電体１１の第２の部分１１ｂ（カソード）：  ６Ｏ2  ＋  ２４Ｈ+  ＋  ２４ｅ-  →  １２Ｈ2Ｏ
【００６０】
また、被処理液１７が窒素含有化合物としてアンモニアを含有する場合、上述した半セル反応は、以下の式で表される。
導電体２２の第１の部分１１ａ（アノード）：４ＮＨ3  →  ２Ｎ2  ＋  １２Ｈ+  ＋  １２ｅ-
導電体１１の第２の部分１１ｂ（カソード）：３Ｏ2  ＋  １２Ｈ+  ＋  １２ｅ-  →  ６Ｈ2Ｏ
【００６１】
なお、図６に例示した微生物燃料電池１０００には、汚泥発生量を低減し、かつ、バイオガスの生成を抑制できるが、その構成が複雑になるという問題がある。これに対し、本実施形態の液体処理装置１００は、微生物燃料電池よりも簡易な構成を有し得る。例えば微生物燃料電池では、アノードとカソードを別個に設け、これらを外部回路で接続する。発電を効率よく行うために、アノードに集電体が設けられる場合もある。これに対し、液体処理装置１００では、導電体１１の両端部を電池反応に用いる２つの電極として機能させることにより、２つの電極を一体的に形成することが可能である。具体的には、導電体１１の第１の部分１１ａをアノード、第２の部分１１ｂをカソードとして機能させることができる。また、液体処理装置１００には、微生物燃料電池に通常設けられる外部回路などの配線、集電体、昇圧システムなどを設ける必要がない。このため、より簡易な設備構成を実現できる。さらに、本実施形態によると、アノードとカソードとを短絡し、発電を行わないので、液体の処理効率をさらに向上できる。
【００６２】
本実施形態の液体処理装置１００では、例えば、構造体１０またはイオン移動層１５は、処理槽１２の内部に保持された被処理液（液相）１７と、酸素を含む気相とを分離するように配置されている。ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。これにより、被処理液１７中の有機物や窒素含有化合物が気相側に移動するのを抑制するとともに、気相側の酸素分子が被処理液に移動するのを抑制できる。このため、処理槽１２内を、より確実に、分子状酸素が存在しない嫌気性条件に保つことができる。この結果、処理槽１２内においても、気相においても、好気性微生物の繁殖が抑えられるので、より確実に嫌気性条件下で液体処理を行うことができる。
【００６３】
導電体１１の構成は特に限定されない。導電体１１は、構造体１０の厚さ（水素イオンの移動方向に沿った厚さ）全体に亘って形成されていてもよい。例えば、構造体１０の第１の面１０ａから第２の面１０ｂに向かって連続して延びていてもよい。あるいは、導電体１１は、電気的に接続された複数の導電部分から構成されていてもよい。例えば、後述するように、電気的に接続された複数の導電層を有していてもよい。また、導電体１１における第１の部分１１ａおよび第２の部分１１ｂとの間の抵抗が低く抑えられている（例えば、第１の部分１１ａと第２の部分１１ｂとが短絡されている）と、より高い処理効率が得られる。さらに、導電体１１の少なくとも一部は、イオン移動層１５の厚さ方向を横切って形成されていてもよい。導電体１１の材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタンなどの導電性金属、カーボンペーパー、カーボンフェルトのような炭素材料などを用いることができる。
【００６４】
本実施形態における構造体１０では、導電体１１は、厚さ方向に連続した空間（空隙）を有していてもよい。例えば、多孔質または織布状の導電体シートなどの内部に空隙を有する導電体シートであってもよい。あるいは、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。また、イオン移動層１５は、例えばイオン交換樹脂を含んでおり、イオン交換樹脂は、導電体１１内の空間（空隙）に充填されていてもよい。これにより、被処理液および微生物と、気体中の酸素とが互いに接触することが抑制される。従って、微生物の過度な増殖が抑えられるので、汚泥の発生量を削減できる。イオン交換樹脂は、例えば、構造体１０の内部に生じる気液界面付近に充填されてもよい。イオン交換樹脂として、例えばデュポン社のナフィオン、旭硝子社のフレミオン、セレミオンを用いてもよい。
【００６５】
導電体１１の少なくとも一部は、例えば、イオン移動層１５の内部、すなわち、イオン移動層１５の第１の面１０ａ側の表面と第２の面１０ｂ側の表面との間に位置している。このとき、導電体１１の表面のうち、第１の面１０ａ側の表面と第２の面１０ｂ側の表面との間に位置している部分は、絶縁性材料で覆われていてもよい。これにより、導電体１１を通る電子と、イオン移動層１５を通る水素イオンとの接触をより確実に抑制できる。従って、電子および水素イオンが、構造体１０の第１の面１０ａ側から第２の面１０ｂ側に移動する間に反応することを抑制でき、電子および水素イオンを効率よく第２の面１０ｂ側に導くことができる。なお、導電体１１の表面のうち外部に露出している部分１１ａ、１１ｂ以外の部分全体が絶縁性材料で覆われていてもよい。絶縁性材料として、特に限定されないが、例えば天然ゴム、合成樹脂、硝子繊維などが用いられる。
【００６６】
構造体１０の第１の面１０ａ側における、被処理液１７に含まれる成分の酸化反応は、触媒材料を利用して行ってもよい。この場合、酸化触媒は構造体１０の第１の面１ａに担持されていてもよい。
【００６７】
構造体１０の第２の面１０ｂには酸素還元触媒が担持されていてもよい。これにより、酸素の還元反応効率を高めることができるので、より効率的な液体処理を実現できる。酸素還元触媒は白金であってもよい。あるいは、酸素還元触媒は、少なくとも１種の非金属原子と金属原子とがドープされた炭素粒子を含んでもよい。炭素粒子にドープされる原子は特に限定されない。非金属原子は、例えば窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子、リン原子などであってもよい。金属原子は、例えば鉄原子、銅原子などであってもよい。
【００６８】
構造体１０の第１の面１０ａ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、処理槽１２内の被処理液が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、微生物から導電体への電子移動効率を高めることができ、より効率的な液体処理を実現できる。以下、メディエーター分子による効果をより詳しく説明する。
【００６９】
嫌気性微生物による代謝機構では、細胞内あるいは最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。被処理液１７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、受け取った電子を導電体１１へと受け渡す。この結果、被処理液１７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。メディエーター分子が構造体１０の第１の面１０ａ（または導電体１１の第１の部分１１ａ）に担持されていても同様の効果が得られる。メディエーター分子は特に限定されないが、ｎｅｕｔｒａｌ  ｒｅｄ、ａｎｔｈｒａｑｕｉｎｏｎｅ−２−６，ｄｉｓｕｌｆｏｎａｔｅ（ＡＱＤＳ）、ｔｈｉｏｎｉｎ、ｐｏｔａｓｓｉｕｍ  ｆｅｒｒｉｃｙａｎｉｄｅ、ｍｅｔｈｙｌ  ｖｉｏｌｏｇｅｎであってもよい。
【００７０】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による液体処理装置の第２の実施形態を説明する。
【００７１】
図２は、第２の実施形態の液体処理装置２００を例示する模式図である。図２では、図１に示す液体処理装置１００と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【００７２】
液体処理装置２００は、導電体１１およびイオン移動層１５を有する構造体１０と、被処理液１７を保持するための処理槽１２とを備えている。
【００７３】
導電体１１は、第１の導電層２１Ａ、第２の導電層２１Ｂおよび接続部２１Ｃを有している。第１の導電層２１Ａは、イオン移動層１５の第１の面１０ａ側に配置されており、局所電池反応においてアノードとして機能する。第１の導電層２１Ａは、構造体１０の第１の面１０ａで外部に露出する第１の部分１１ａを含む。第２の導電層２１Ｂは、イオン移動層１５の第２の面１０ｂ側に配置されており、局所電池反応においてカソードとして機能する。第２の導電層２１Ｂは、構造体１０の第２の面１０ｂで外部に露出する第２の部分１１ｂを含む。接続部２１Ｃは、第１の導電層２１Ａと第２の導電層２１Ｂとを電気的に接続する。接続部２１Ｃの少なくとも一部は、イオン移動層１５の内部、すなわち、イオン移動層１５の第１の面１０ａ側の表面と第２の面１０ｂ側の表面との間に位置している。例えば、図示するように、イオン移動層１５を厚さ方向に横切って形成されていてもよい。
【００７４】
本実施形態では、第１の導電層２１Ａの第１の部分１１ａにおいて、被処理液１７に含まれる成分が嫌気性微生物群１６で酸化分解される。生成された水素イオンは、イオン移動層１５を通って第２の導電層２１Ｂの第２の部分１１ｂまで移送される。酸化分解によって生成された電子は、第１の導電層２１Ａから接続部２１Ｃを通って第２の導電層２１Ｂに移送される。第２の導電層２１Ｂにおいては、気体中の酸素分子が、移送されてきた水素イオンおよび電子と反応し、酸素の還元反応が生じる。
【００７５】
本実施形態の液体処理装置２００は、上記構成を有するので、第１の実施形態と同様に、局所電池反応を利用して、嫌気性条件下で被処理液１７に含有される成分の酸化分解を行うことができる。従って、本実施形態によると、汚泥発生量を低減でき、かつ、バイオガスの発生を抑制可能な、新規な液体処理を実現し得る。
【００７６】
図２に示す例では、構造体１０の第１の面１０ａは、第１の導電層２１Ａの表面によって規定され、第１の導電層２１Ａの表面全体が、外部（ここでは被処理液１７）と接している。なお、第１の導電層２１Ａの表面のうち少なくとも一部が被処理液１７と接していればよい。同様に、構造体１０の第２の面１０ｂは、第２の導電層２１Ｂの表面によって規定され、第２の導電層２１Ｂの表面は、外部（ここでは酸素を含む気体）と接している。第２の導電層２１Ｂの表面のうち少なくとも一部が気体と接していればよい。
【００７７】
第１の導電層２１Ａは、厚さ方向に連続した空間（空隙）を有していてもよい。例えば、内部に複数の空隙を有する多孔質または織布状であってもよい。複数の空隙内は、被処理液１７で満たされてもよい。これにより、第１の導電層２１Ａの表面近傍で酸化分解反応により生成された水素イオンは、第１の導電層２１Ａの空隙を通ってイオン移動層１５に到達でき、さらにイオン移動層１５を通って第２の面１０ｂ側まで移動できる。
【００７８】
第１の導電層２１Ａの材料は、特に限定されない。第１の導電層２１Ａの材料として、例えばアルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタンなどの導電性金属や、カーボンペーパー、カーボンフェルトのような炭素材料を用いることができる。
【００７９】
第２の導電層２１Ｂは、厚さ方向に連続した空間（空隙）を有していてもよい。例えば、内部に複数の空隙を有する多孔質または織布状であってもよい。これにより、イオン移動層１５を通って第２の面１０ｂ側に移動してきた水素イオンを、より確実に、気体中の酸素と反応させることができる。第２の導電層２１Ｂの材料は特に限定されないが、例えばアルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタンなどの導電性金属や、カーボンペーパー、カーボンフェルトのような炭素材料を用いることができる。
【００８０】
接続部２１Ｃは、第１の導電層２１Ａと第２の導電層２１Ｂとを導通するように構成されていればよく、その形状は特に限定されない。図示するように、接続部２１Ｃは、第１の面１０ａから第２の面１０ｂに向かう方向に、イオン移動層１５内を貫通して延びていてもよい。この例では、接続部２１Ｃは、第１および第２の面１０ａ、１０ｂで外部（液相、気相）と接しているが、接続部２１Ｃは外部に接していなくてもよい。接続部２１Ｃの材料は特に限定されない。接続部２１Ｃの材料として、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタンなどの導電性金属を用いることができる。
【００８１】
接続部２１Ｃのうちイオン移動層１５の内部に位置する部分は、絶縁性材料で覆われていてもよい。これにより、電子と水素イオンとが第１の面１０ａから第２の面１０ｂ側に移動する間に反応することを抑制でき、電子および水素イオンを効率よく第２の面１０ｂ側に移動させることができる。なお、接続部２１Ｃのうち外部に露出している部分および第１および第２の導電層２１Ａ、２１Ｂと接している部分以外の部分全体が絶縁性材料で覆われていてもよい。絶縁性材料は、特に限定されないが、例えば天然ゴムや合成樹脂、硝子繊維であってもよい。
【００８２】
イオン移動層１５は、例えばイオン交換膜を含む。イオン交換膜を用いると、より効果的に水素イオンを移動させることができる。なお、イオン移動層１５は、シリコーンゴム、またはゴア社のゴアテックスを用いて形成されてもよい。あるいは、イオン移動層１５は、第１の導電層２１Ａ内の空隙に充填されたイオン交換樹脂層であってもよい。
【００８３】
本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、被処理液１７に含まれる成分の酸化反応は、嫌気性微生物群の代わりに触媒材料を利用して行ってもよい。この場合、触媒材料は構造体１０の第１の面１０ａに担持されていてもよい。また、構造体１０の第２の面１０ｂは酸素還元触媒を担持していてもよい。また、構造体１０の第１の面１０ａには、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、処理槽１２内に、電子伝達メディエーター分子が存在していてもよい。
【００８４】
（実施の形態３）
以下、図面を参照しながら、本発明による液体処理装置の第３の実施の形態を説明する。
【００８５】
図３は、第３の実施形態の液体処理装置３００を例示する模式図である。図３では、図２に示す液体処理装置２００と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【００８６】
液体処理装置３００は、導電体１１およびイオン移動層１５を有する構造体１０と被処理液１７を保持するための処理槽１２とを備えている。
【００８７】
導電体１１は、第１の導電層２１Ａ、第２の導電層２１Ｂおよび接続部３１Ｃを有している。接続部３１Ｃは、第１の導電層２１Ａと第２の導電層２１Ｂとを電気的に接続する。接続部３１Ｃは、複数の導電性粒子３２である。複数の導電性粒子３２は、第１の導電層２１Ａと第２の導電層２１Ｂとを電気的に接続するように、イオン移動層１５の内部に分散して存在する。
【００８８】
本実施形態では、第１の導電層２１Ａの第１の部分１１ａにおいて、被処理液１７に含まれる成分が嫌気性微生物群１６で酸化分解される。生成された水素イオンは、イオン移動層１５を通って第２の導電層２１Ｂの第２の部分１１ｂまで移送される。酸化分解によって生成された電子は、第１の導電層２１Ａから接続部３１Ｃを通って第２の導電層２１Ｂに移送される。第２の導電層２１Ｂにおいては、気体中の酸素分子が、移送されてきた水素イオンおよび電子と反応し、酸素の還元反応が生じる。
【００８９】
本実施形態の液体処理装置３００は、上記構成を有するので、第１、第２の実施形態と同様に、局所電池反応を利用して、嫌気性条件下で被処理液１７に含有される成分の酸化分解を行うことができる。従って、本実施形態によると、汚泥発生量を低減でき、かつ、バイオガスの発生を抑制可能な、新規な液体処理を実現し得る。また、電気を外部に取り出すための外部回路などの配線、集電体、昇圧システムなどを設ける必要がないため、より簡易な設備構成を実現できる。
【００９０】
接続部３１Ｃとなる複数の導電性粒子３２の材料は特に限定されない。導電性粒子３２の材料として、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタンなどの導電性金属を用いることができる。また、グラファイト、グラフェン、フラーレンなどの炭素材料を用いることができる。
【００９１】
イオン移動層１５は、例えばイオン交換樹脂を含む。イオン交換樹脂を用いると、水素イオンを効果的に移動させることができると共に、複数の導電性粒子３２を樹脂中に分散させて担持させることができる。なお、イオン移動層１５は、シリコーン樹脂を用いて形成されてもよい。
【００９２】
本実施形態でも、第１、第２の実施形態と同様に、被処理液１７に含まれる成分の酸化反応は、嫌気性微生物群の代わりに触媒材料を利用して行ってもよい。この場合、触媒材料は構造体１０の第１の面１０ａに担持されていてもよい。また、構造体１０の第２の面１０ｂは酸素還元触媒を担持していてもよい。また、構造体１０の第１の面１０ａには、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、処理槽１２内に、電子伝達メディエーター分子が存在していてもよい。
【００９３】
（実施の形態４）
以下、図面を参照しながら、本発明による液体処理装置の第４の実施の形態を説明する。
【００９４】
図４は、第４の実施形態の液体処理装置４００を例示する模式図である。図４では、図３に示す液体処理装置３００と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【００９５】
液体処理装置４００は、導電体１１およびイオン移動層１５を有する構造体１０と被処理液１７を保持するための処理槽１２とを備えている。
【００９６】
導電体１１は、第１の導電層２１Ａ、および、第２の導電層２１Ｂを有している。第１の導電層２１Ａは、イオン移動層１５の第１の面１０ａ側に配置されており、局所電池反応においてアノードとして機能する。第１の導電層２１Ａは、構造体１０の第１の面１０ａで外部に露出する第１の部分１１ａを含む。第２の導電層２１Ｂは、複数の導電性粒子４２を含んでいる。複数の導電性粒子４２の少なくとも一部は、イオン移動層１５の内部に分散して存在する。複数の導電性粒子４２のうち一部の導電性粒子４２ａは、構造体１０の第２の面１０ｂで外部に露出する第２の部分１１ｂを含み、局所電池反応においてカソードとして機能する。複数の導電性粒子４２は、第１の導電層２１Ａと、第２の部分１１ｂを有する導電性粒子４２ａとを電気的に接続するように存在する。
【００９７】
本実施形態では、第１の導電層２１Ａの第１の部分１１ａにおいて、被処理液１７に含まれる成分が嫌気性微生物群１６で酸化分解される。生成された水素イオンは、イオン移動層１５を通って導電性粒子４２ａの第２の部分１１ｂまで移送される。酸化分解によって生成された電子は、第１の導電層２１Ａから複数の導電性粒子４２を通って導電性粒子４２ａの第２の部分１１ｂに移送される。導電性粒子４２ａの第２の部分１１ｂにおいては、気体中の酸素分子が、移送されてきた水素イオンおよび電子と反応し、酸素の還元反応が生じる。
【００９８】
本実施形態の液体処理装置４００は、上記構成を有するので、第１〜第３の実施形態と同様に、局所電池反応を利用して、嫌気性条件下で被処理液１７に含有される成分の酸化分解を行うことができる。従って、本実施形態によると、汚泥発生量を低減でき、かつ、バイオガスの発生を抑制可能な、新規な液体処理を実現し得る。また、電気を外部に取り出すための外部回路などの配線、集電体、昇圧システムなどを設ける必要がないため、より簡易な設備構成を実現できる。
【００９９】
複数の導電性粒子４２の材料は特に限定されない。導電性粒子４２の材料として、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタンなどの導電性金属を用いることができる。また、グラファイト、グラフェン、フラーレンなどの炭素材料を用いることができる。
【０１００】
イオン移動層１５は、例えばイオン交換樹脂を含む。イオン交換樹脂を用いると、水素イオンを効果的に移動させることができると共に、複数の導電性粒子４２を樹脂中に分散させて担持させることができる。なお、イオン移動層１５は、シリコーン樹脂を用いて形成されてもよい。
【０１０１】
本実施形態は、導電性粒子４２が、酸素還元触媒として機能してもよい。また、第１〜第３の実施形態と同様に、被処理液１７に含まれる成分の酸化反応は、嫌気性微生物群の代わりに触媒材料を利用して行ってもよい。この場合、触媒材料は構造体１０の第１の面１０ａに担持されていてもよい。また、構造体１０の第２の面１０ｂは酸素還元触媒を担持していてもよい。また、構造体１０の第１の面１０ａには、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、処理槽１２内に、電子伝達メディエーター分子が存在していてもよい。
【０１０２】
（実施の形態５）
以下、図面を参照しながら、本発明による液体処理装置の第５の実施の形態を説明する。
【０１０３】
図５は、第５の実施形態の液体処理装置５００を例示する模式図である。図５では、図１に示す液体処理装置１００と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【０１０４】
液体処理装置５００は、導電体１１およびイオン移動層１５を有する構造体１０と第１の被処理液１７を保持するための第１の処理槽１２と、第２の被処理液５１を保持するための第２の処理槽５２とを備えている。
【０１０５】
構造体１０の第１の面１０ａは、第１の処理槽１２の内部に位置している。また、構造体１０の第２の面１０ｂは、第２の処理槽５２の内部に位置している。例えば、構造体１０は、第１の面１０ａで第１の処理槽１２内の第１の被処理液１７と接し、第２の面１０ｂで第２の処理槽５２内の第２の被処理液５１と接していてもよい。その場合、構造体１０は、第１の被処理液１７と、第２の被処理液５１とを分離するように設けられてもよい。
【０１０６】
第１の部分１１ａは、例えば、第１の処理槽１２内で第１の被処理液１７と接するように配置されている。第１の部分１１ａは、後述する局所電池反応においてアノードとして機能する。導電体１１の第２の部分１１ｂは、例えば、第２の処理槽５２内で第２の被処理液５１と接するように配置されている。第２の部分１１ｂは、後述する局所電池反応においてカソードとして機能する。
【０１０７】
第１の処理槽１２は、第１の被処理液１７を保持可能な構成を有している。第２の処理槽５２は、第２の被処理液５１を保持可能な構成を有している。第１の処理槽１２、および第２の処理槽５２は、その内部を被処理液が流通するように構成されていてもよい。例えば、図５に示すように、第１の処理槽１２には、第１の被処理液１７を第１の処理槽１２に供給するための液体供給口１３と、処理後の被処理液１７を処理槽１２から排出するための液体排出口１４とが設けられていてもよい。また、第２の処理槽５２には、第２の被処理液５１を第２の処理槽５２に供給するための液体供給口５３と、処理後の被処理液５１を第２の処理槽５２から排出するための液体排出口５４とが設けられていてもよい。第１の処理槽１２、及び第２の処理槽５２内は、例えば、分子状酸素が存在しない（分子状酸素が存在しても、その濃度が極めて小さい）嫌気性条件に保たれている。これにより、第１の被処理液１７及び第２の被処理液５１を、処理槽内で空気中の酸素と接しないように保持できる。
【０１０８】
本実施形態の液体処理装置５００では、嫌気性微生物群１６を利用して、第１の被処理液１７に含有されている成分の酸化分解を行う。また、嫌気性微生物群５６を利用して、第２の被処理液５１に含有されている成分の還元を行う。ここでは、嫌気性微生物群１６は、導電体１１の第１の部分１１ａに担持されているが、構造体１０の第１の面１０ａに担持されていてもよい。あるいは、第１の処理槽１２内の第１の被処理液１７に浮遊していてもよい。嫌気性微生物群５６も同様に、導電体１１の第２の部分１１ｂに担持されているが、構造体１０の第１の面１０ａに担持されていてもよい。あるいは、第２の処理槽５２内の第２の被処理液５１に浮遊していてもよい。
【０１０９】
本実施形態の液体処理装置５００は、上記構成を有するので、局所電池反応を利用して第１の被処理液１７及び第２の被処理液５１の処理を行うことができる。より具体的には、構造体１０の第１の面１０ａ側において、嫌気性微生物群１６の代謝を利用して、第１の被処理液１７に含まれる成分の酸化反応を行う。酸化反応により生成した水素イオン（Ｈ+）は、イオン移動層１５を通って、構造体１０の第２の面１０ｂ側に移送される。酸化反応により生成した電子（ｅ-）は、導電体１１を通って第２の面１０ｂ側に移送される。一方、構造体１０の第２の面１０ｂ側においては、第１の面１０ａ側から移送された電子および水素イオンが、第２の被処理液５１に含まれる成分と反応し、還元反応が生じる。このように、構造体１０の第１の面１０ａ側で酸化反応、第２の面１０ｂ側で還元反応が進行し、全体として局所電池回路が形成される。
【０１１０】
本実施形態によると、電子移動反応を介して、第１の被処理液１７に含まれる成分（有機物または窒素含有化合物）の酸化分解及び第２の被処理液５１に含まれる成分の還元を効率的に行うことができる新規な処理装置が提供される。第１の被処理液１７に含まれる有機物または窒素含有化合物は、嫌気性微生物の代謝、すなわち微生物の増殖によって分解・除去される。この酸化分解処理は、嫌気性条件下で行われるため、好気性条件下で行われる場合よりも、有機物から微生物の新しい細胞への変換効率を低く抑えることができる。このため、活性汚泥法を用いる場合よりも、微生物の増殖、すなわち汚泥の発生量を低減できる。また、通常の嫌気性処理では臭気性のメタンガスが生成されるが、本実施形態における酸化分解処理では、後述するように、代謝生成物は例えば二酸化炭素（ＣＯ2）ガスであり、メタンガスの生成を抑制できる。
【０１１１】
以下、本実施形態で利用する局所電池反応の一例をより詳しく説明する。
【０１１２】
第１の処理槽１２に保持されている被処理液１７は、例えば有機物、窒素含有化合物などの成分を含有している。第１の被処理液１７の成分の一部は、導電体１１の露出部分（第１の部分１１ａ）の近傍において、嫌気性微生物によって代謝される。この代謝により、電子を生成するとともに、代謝産物として二酸化炭素および水素イオンを放出する。生成された電子は、第１の部分１１ａから、導電体１１内部を通って、導電体１１の第２の部分１１ｂへと移動する。水素イオンは、イオン移動層１５を透過し、第２の面１０ｂ側に移動する。一方、導電体１１の第２の部分１１ｂの近傍では、第２の被処理液５１内の成分、例えば硝酸イオンや亜硝酸イオンなどの窒素酸化物イオンが、第１の被処理液１７から移動してきた電子及び水素イオンと結合し還元され、水分子が生成される。
【０１１３】
第１の被処理液１７が有機物としてグルコースを含有し、第２の被処理液５１が硝酸を含有する場合、上述した半セル反応は、以下の式で表される。
導電体１１の第１の部分１１ａ（アノード）：  ５Ｃ6Ｈ12Ｏ6  ＋  ３０Ｈ2Ｏ  →  ３０ＣＯ2  ＋  １２０Ｈ+  ＋  １２０ｅ―
導電体１１の第２の部分１１ｂ（カソード）：  ２４ＨＮＯ3  ＋  １２０Ｈ+  ＋  １２０ｅ―  →  １２Ｎ2  ＋  ７２Ｈ2Ｏ
【０１１４】
また、第１の被処理液１７が窒素含有化合物としてアンモニアを含有し、第２の被処理液５１が硝酸を含有する場合、上述した半セル反応は、以下の式で表せる。
導電体１１の第１の部分１１ａ（アノード）：１０ＮＨ3  →  ５Ｎ2  ＋  ３０Ｈ+  ＋  ３０ｅ―
導電体１１の第２の部分１１ｂ（カソード）：６ＨＮＯ3  ＋  ３０Ｈ+  ＋  ３０ｅ―  →  ３Ｎ2  ＋  １８Ｈ2Ｏ
【０１１５】
構造体１０の構成は特に限定されない。図５では、実施の形態１における構造体１０を使用した例を示したが、実施の形態２または３における構造体１０を使用しても本実施の形態を実現することができる。
【０１１６】
本実施形態では、第１の被処理液１７に含有されている成分の酸化分解及び第２の被処理液５１に含有されている成分の還元を、嫌気性微生物群の代わりに触媒材料を利用して行ってもよい。この場合、触媒材料は、構造体１０の第１の面１０ａおよび第２の面１０ｂに担持されていてもよい。また、構造体１０の第１の面１０ａには、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、処理槽１２内に、電子伝達メディエーター分子が存在していてもよい。
【０１１７】
本明細書では、上述した第１から第５の実施形態における構造体１０を、「液体処理ユニット」とも称する。液体処理ユニットは、導電体１１およびイオン移動層１５を有する複合体であればよく、微生物、酸化還元触媒、メディエーター分子などを有していなくてもよい。液体処理ユニットを処理槽に設置することにより、簡易な構成の液体処理設備が提供される。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の一態様は、有機物や窒素含有化合物を含む液体、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。また、水域の環境改善などにも利用できる。
【符号の説明】
【０１１９】
２        作用極
３        対極
４        イオン透過性隔膜
５        液体
６        微生物
７        外部回路
８        容器
１０      構造体（液体処理ユニット）
１０ａ、１０ｂ    構造体の面
１１      導電体
１１ａ、１１ｂ    導電体の部分
２１Ａ、２１Ｂ    導電層
２１Ｃ、３１Ｃ    接続部
１２、５２      処理槽
１３、５３      液体供給口
１４、５４      液体排出口
１５      イオン移動層
１６、５６      嫌気性微生物群
１７、５１      被処理液
３２、４２、４２ａ  導電性粒子
１０００    微生物燃料電池
１００、２００、３００、４００、５００    液体処理装置
【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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