(57)【要約】【課題】微生物燃料電池を用いて水底の底泥浄化や底泥発電が可能な装置および方法を提供すること。【解決手段】水底の底泥を浄化するための底泥浄化装置であって、底泥内に配置するアノード電極と、底泥の表面周辺に配置するカソード電極と、を少なくとも含む、微生物燃料電池と、底泥に水中から光照射を行う、光照射体と、を少なくとも含んで構成する。前記アノード電極では、底泥内の嫌気性微生物の働きを促しつつ、底泥内の有機物酸化反応を生じさせ、前記カソード電極では、前記光照射による藻類の光合成によって発生する酸素の供給を受けて、酸素還元反応を生じさせる。【選択図】図１
2018012086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水底の底泥を浄化するための底泥浄化装置であって、
底泥内に配置するアノード電極と、底泥の表面周辺に配置するカソード電極と、を少なくとも含む、微生物燃料電池と、
底泥に水中から光照射を行う、光照射体と、
を少なくとも含むことを特徴とする、
底泥浄化装置。
【請求項２】
前記光照射体を、略中性浮力に保持してあることを特徴とする、
請求項１に記載の底泥浄化装置。
【請求項３】
前記微生物燃料電池で発生する電力を、前記光照射体に供給するよう構成したことを特徴とする、
請求項１または２に記載の底泥浄化装置。
【請求項４】
水底の底泥を浄化するための底泥浄化方法であって、
アノード電極を底泥内に配置し、かつカソード電極を底泥の表面周辺に配置して、微生物燃料電池を構成し、
底泥には、水中に設けた光照射体で光照射を行い、
前記アノード電極では、底泥内の嫌気性微生物の働きを促しつつ、底泥内の有機物酸化反応を生じさせ、
前記カソード電極では、前記光照射による藻類の光合成によって発生する酸素の供給を受けて、酸素還元反応を生じさせる、
ことを特徴とする、
底泥浄化方法。
【請求項５】
水底の底泥から発電するための底泥発電方法であって、
アノード電極を底泥内に配置するとともに、カソード電極を底泥の表面周辺に配置して、微生物燃料電池を構成し、
底泥には、水中に設けた光照射体で光照射を行い、
前記アノード電極では、底泥内の嫌気性微生物の働きを促しつつ、底泥内の有機物酸化反応を生じさせ、
前記カソード電極では、前記光照射による藻類の光合成によって発生する酸素の供給を受けて、酸素還元反応を生じさせる、
ことを特徴とする、
底泥発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水底にある底泥を浄化するための装置および方法に関し、より詳細には、微生物燃料電池を用いた底泥浄化装置および底泥浄化方法ならびに底泥発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物の代謝を利用した微生物燃料電池として、例えば特許文献１に記載の微生物燃料電池がある。
特許文献１に記載の微生物燃料電池は、電流発生菌及び有機物を含む微生物含有層に配置するアノード電極（負極）と、酸素を含む外部環境に配置するカソード電極（正極）と、前記外部環境中に植物を生育可能な緑化基盤層と、を備えて構成することで、緑化構造物に発電機能を付与している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−５４０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の通り、微生物燃料電池では、アノード電極側で微生物による有機物の分解が行われるため、微生物含有層として水底の底泥を対象とすることで、微生物による底泥の浄化が期待できる。
しかし、微生物燃料電池を水底の底泥浄化に適用するにあたっては、以下の問題があった。
（１）カソード電極は、酸素の供給を受けて酸素還元反応を起こすことを目的としているため、貧酸素環境である水底や水中への配置ができず、溶存酸素が十分に存在する（溶存酸素濃度の高い）水面付近の水中に配置しなければならない。
そうすると、水底に配置するアノード電極と水面に配置するカソード電極との間の配線負担が大きくなってしまう。
（２）通常、光のある日中（水中の酸素濃度が高い環境）は浄化能が高いものの、夜間は、光合成が抑制されて酸素濃度が低下するため、カソード電極での反応が鈍り、微生物燃料電池の浄化能も低下してしまう。
（３）水温の上昇が生じる夏期においては、底泥の有機物分解による酸素消費が顕著となり、カソード電極周辺での酸素不足がより生じ易くなる。
（４）水面に配置したカソード電極や、電極間の配線部分が、航路等の障害になる場合がある。
【０００５】
本発明は、微生物燃料電池を用いて水底の底泥浄化や底泥発電が可能な装置および方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、水底の底泥を浄化するための底泥浄化装置であって、底泥内に配置するアノード電極と、底泥の表面周辺に配置するカソード電極と、を少なくとも含む、微生物燃料電池と、底泥に水中から光照射を行う、光照射体と、を少なくとも含むことを特徴とする。
また、本願の第２発明は、前記第１発明において、前記光照射体を、略中性浮力に保持してあることを特徴とする。
また、本願の第３発明は、前記第１発明または第２発明において、前記微生物燃料電池で発生する電力を、前記光照射体に供給するよう構成したことを特徴とする。
また、本願の第４発明は、水底の底泥を浄化するための底泥浄化方法であって、アノード電極を底泥内に配置し、かつカソード電極を底泥の表面周辺に配置して、微生物燃料電池を構成し、底泥には、水中に設けた光照射体で光照射を行い、前記アノード電極では、底泥内の嫌気性微生物の働きを促しつつ、底泥内の有機物酸化反応を生じさせ、前記カソード電極では、前記光照射による藻類の光合成によって発生する酸素の供給を受けて、酸素還元反応を生じさせる、ことを特徴とする。
また、本願の第５発明は、水底の底泥から発電するための底泥発電方法であって、アノード電極を底泥内に配置するとともに、カソード電極を底泥の表面周辺に配置して、微生物燃料電池を構成し、底泥には、水中に設けた光照射体で光照射を行い、前記アノード電極では、底泥内の嫌気性微生物の働きを促しつつ、底泥内の有機物酸化反応を生じさせ、前記カソード電極では、前記光照射による藻類の光合成によって発生する酸素の供給を受けて、酸素還元反応を生じさせる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、以下に記載する効果を奏する。
（１）カソード電極を水底周辺に設置することができる。
光照射体でもって底泥に光照射を行うことで、藻類の繁殖を促し、藻類による光合成でもって、水底周辺の貧酸素環境を改善することができる。
よって、酸素を要するカソード電極を水底周辺に設置することができる。
（２）昼夜や季節を問わず浄化機能等を発揮できる。
昼夜や季節を問わずに、カソード電極周辺の酸素濃度を常時高めておくことができるため、微生物燃料電池による底泥の浄化能（有機物分解、酸化還元電位の上昇、硫化水素濃度の低減、リン酸の放出抑制）を高く維持できる。
（３）電極間の配線長を短縮できる。
アノード電極とカソード電極を近接して配置することができるため、電極間の配線長を短くすることができる。
（４）電極間の配線や、カソード電極の存在が航路の障害とならない。
（５）光照射体を、略中性浮力に保持して底泥周辺に位置するように構成することで、光照射体が航路の障害となることもない。
（６）微生物燃料電池で生ずる電力を光照射体に供給可能に構成すれば、光照射体の外部電源からの電力消費量を抑えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施例に係る底泥浄化装置の概略図。
【図２】本発明の第２実施例に係る底泥浄化装置の概略図。
【図３】本発明の第３実施例に係る底泥浄化装置の概略図。
【図４】本発明の第４実施例に係る底泥浄化装置の概略図。
【図５】本発明の第５実施例に係る底泥浄化装置の概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
＜１＞全体構成
本発明の第１実施例について、図１を参照しながら説明する。
本発明に係る底泥浄化装置Ａは、水中の底泥Ｂの周辺に配置するものであって、大別して、微生物燃料電池Ａ１と光照射体Ａ２とからなる。
以下、微生物燃料電池Ａ１および光照射体Ａ２の詳細について説明する。
【００１１】
＜２＞微生物燃料電池
微生物燃料電池Ａ１は、底泥Ｂ内の微生物の働きによって発電を行うための装置である。
微生物燃料電池Ａ１は、底泥Ｂ内に配置するアノード電極１０と、底泥Ｂの表面周辺に配置するカソード電極２０と、を少なくとも含んで構成する。
各電極は、微生物燃料電池として利用可能な公知の部材を用いることができる。
以下、各電極の詳細について説明する。
【００１２】
＜２．１＞アノード電極
アノード電極１０は、底泥Ｂ内に配置し、底泥Ｂ内の嫌気性微生物の働きを促しつつ、底泥内の有機物酸化反応（有機物（＋微生物）→ｅ−＋Ｈ＋＋ＣＯ２）を生じさせるための部材である。
この作用によって、底泥Ｂ周辺の有機物を消費して無機状態に近づけることができる。
【００１３】
＜２．１．１＞アノード電極の配置態様
アノード電極１０は、その半分以上又は全体が底泥Ｂに埋設されていることが好ましい。
これは、嫌気性微生物による有機物の分解を促進し、生じる電子を効率的に受容するためである。
【００１４】
＜２．１．２＞アノード電極の材質
アノード電極１０の材質は、嫌気性微生物による有機物の分解で生じる電子を受け取ることができるものであれば特に限定されないが、例えば、金属材料、炭素材料等の導電材料を挙げることができる。
金属材料としては、鉄、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、白金等を挙げることができ、炭素材料としては、グラファイト、炭素繊維、カーボンクロス、カーボンマット、カーボンフェルト、カーボンペーパー等を挙げることができる。
【００１５】
＜２．１．３＞アノード電極の形状
アノード電極１０の形状は、特に限定されないが、シート状、板状、メッシュ状、格子状、ブロック状、柱状、多孔質状等を挙げることができる。
アノード電極１０の表面積を増加させ、機械的強度を向上させる観点から、板状の金属材料又は炭素材料を格子状に組んだもの、柱状に成形した炭素材を組み合わせたものを好適に例示できる。
【００１６】
＜２．２＞カソード電極
カソード電極２０は、底泥Ｂの表面周辺に配置し、底泥Ｂの表面周辺で酸素還元反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を生じさせるための部材である。
【００１７】
＜２．２．１＞カソード電極の配置態様
カソード電極２０は、底泥Ｂの表面周辺で、後述する光照射体Ａ２による投光箇所Ｃ内に配置することが好ましい。
これは、投光箇所Ｃの周辺は、光照射体Ａによる光照射によって、底泥表面やカソード電極に付着した藻類による光合成によって貧酸素環境が改善されており、前記した酸素還元反応が促進できるためである。
また、前記した底泥Ｂの表面周辺とは、カソード電極２０を底泥Ｂの表面上に載置した状態や、カソード電極２０の一部または全部が底泥Ｂに埋まらない程度で、底泥Ｂになるべく接近した状態を指すが、後者が、酸素還元反応がより良好となる点で好ましい。
【００１８】
＜２．２．２＞カソード電極の材質
カソード電極２０の材質は、特に限定されず、例えば、金属材料、炭素材料等の導電材料を挙げることができるが、比表面積が大きく、電気伝導度が高くかつ腐食しにくいことから、炭素材料が好ましい。
金属材料としては、鉄、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、白金等を挙げることができ、炭素材料としては、グラファイト、炭素繊維、カーボンクロス、カーボンマット、カーボンフェルト、カーボンペーパー等を挙げることができる。
【００１９】
＜２．２．３＞カソード電極の形状
カソード電極２０の形状は、特に限定されないが、シート状、板状、棒状、紐状、メッシュ状、格子状、蛇腹状、ブロック状、多孔質状等を挙げることができ、さらにこれらの形状にひだをつけた形状、これらの形状を屈曲又は湾曲させた形状を挙げることができる。また、四角形、三角形、円形、へら形のシート状、板状等であってもよい。
【００２０】
＜３＞光照射体
光照射体Ａ２は、底泥Ｂに対し、水中から光照射を行うための装置である。
本実施例では、光照射体Ａ２は、基礎３０と、光源４０と、浮力体５０とを少なくとも具備して構成する。
より詳細に説明すると、光照射体Ａ２は、基礎３０に接続してある光源４０に、浮力体５０でもって浮力を与えて、前記基礎３０を底泥Ｂに保持しつつ、前記光源４０および浮力体５０を水中の所定箇所へ保持するように姿勢制御された状態を呈している。
以下、各構成要素の詳細について説明する。
【００２１】
＜３．１＞基礎
基礎３０は、底泥Ｂに設置する部材である。
基礎３０は、コンクリートブロックなどの重量物で構成することができる。
【００２２】
＜３．２＞光源
光源４０は、基礎３０に接続して、水中に存する照射箇所Ｃへと光照射するための装置である。
光源４０は、照射箇所Ｃの場所に応じて照射方向を任意の方向に設定自在な構成とすることが望ましい。
本実施例では、光源４０を、微生物燃料電池Ａ１を配置した底泥Ｂの周辺に配置する。
この光源４０によって底泥Ｂに光照射を行うことで、底泥Ｂの表面やカソード電極２０などに付着した藻類を繁殖させつつ、藻類等の光合成を促進させて、貧酸素環境の改善を行うものとする。
【００２３】
＜３．２．１＞光源に用いる発光装置
光源４０は、公知の発光装置から適宜選択することができる。
本実施例では、光源４０に青色ＬＥＤを用いる。
青色ＬＥＤによる発光は、光合成生物の増殖、渦鞭毛藻の発生抑制、集魚効果、フジツボやムラサキガイなどの付着生物の幼生付着抑制などの効果を得ることが出来る。
【００２４】
＜３．２．２＞光源と基礎との接続方法
光源４０は、基礎３０から接続材６０を介して接続されている。
接続材６０は、柱材や、可撓性のあるワイヤなどを用いることができる。
接続材６０の長さは、前記光源４０が水中に存する範囲で、底泥Ｂまでの望ましい照射距離に応じて決定することができる。
【００２５】
＜３．２．３＞光源への電力供給方法
光源４０への電力供給は、種々の方法を採用することができる。
例えば、陸が近い場所では、地上に設けた外部電源から電線を配線して光源４０に接続する態様としてもよいし、その他、基礎３０の内部に、光源４０へと給電可能なバッテリーを設けた態様としてもよい。
また、前記した微生物燃料電池Ａ１で発生する電力を光源４０やバッテリーに供給する態様としてもよい。
【００２６】
＜３．２．４＞光源から底泥までの距離
光源４０と底泥Ｂとの離隔距離は、光合成による貧酸素環境の改善目的で使用する場合、光源４０が１００Ｗの青色ＬＥＤの場合において１ｍ〜１．５ｍ程度が適している。
この最適な離隔距離を維持するよう、浮力体５０によって導入する浮力の値やや接続材６０の長さを適宜設定すればよい。
【００２７】
＜３．３＞浮力体
浮力体５０は、装置全体に浮力を与えるための装置である。
浮力体５０は、公知の浮体を用いることができる。
浮力体５０として必要な浮力は、装置全体が略中性浮力である程度、すなわち、装置全体の自重と釣り合う程度、またはそれよりも僅かに小さい程度とする。
この自重と浮力とのバランスによって底泥浄化装置Ａを略中性浮力状態とし、底泥Ｂの周辺に留めおいた状態を維持することができる。
また、底泥Ｂが底泥などの軟弱地盤である場合であっても、浮力体５０による浮力でもって、基礎３０が底泥に大きく沈み込むことを防止することができる。
【００２８】
＜４＞使用状態
本発明に係る底泥浄化装置Ａは、水上の船や浮体構造物からウインチなどで底泥Ｂへと吊り下げて設置する。
このとき、浮力体５０には、予め浮力を導入しておいてもよいし、底泥Ｂへの沈設後に浮力を導入しておいてもよい。
光照射体Ａ２を底泥Ｂに設置した後は、船や浮体構造物は、現場から離脱させておくことができるため、現場の航路の障害になることがない。
光照射体Ａ２は、あたかも街路灯を底泥Ｂに配置したかのように機能し、通常であれば光の届きにくい箇所に対しても、十分に光照射を行うことが可能となる。
【００２９】
＜５＞作用・効果
本実施例によれば、光源４０でもって底泥Ｂに水中から光照射を行うことで、底泥Ｂに存する藻類や、カソード電極２０に付着した藻類の繁殖を促すだけでなく、この藻類による光合成でもって、水底周辺の貧酸素環境を改善することができる。
そして、酸素還元反応の際に酸素を必要とするカソード電極２０を底泥Ｂの表面に設置することで、アノード電極２０とカソード電極２０が近接配置することができ、引いては電極間の配線長を短くすることができる。
また、各電極間の配線や、カソード電極２０の存在が航路の障害となることを防止することができる。
また、底泥Ｂに光照射を行う光源４０を略中性浮力に保持すれば、水上への配線を行う必要も無く、光源４０が航路の障害となることもない。
さらに、微生物燃料電池Ａ１で生ずる電力を光源４０に供給可能に構成すれば、光源４０の外部電源からの電力消費量を抑えることもできる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の第２実施例について、図２を参照しながら説明する。
本実施例では、接続材６０として十字形状の架台を用い、前記架台の横材に光源４０を複数基、並列配置している。
本実施例によれば、必要な光量や投光面積に応じた、光源４０の配置が可能となる。
【実施例３】
【００３１】
本発明の第３実施例について、図３を参照しながら説明する。
本実施例では、光源４０を含む光照射体Ａ２を、水上の船や浮体構造物から吊り降ろして水中に配置した態様としている。
そして、微生物燃料電池Ａ１が、底泥Ｂ近傍に位置するように、中性浮力を保持した状態を呈している。
このとき、アノード電極１０およびカソード電極２０の位置関係は、実施例１と同様となるように構成する。
【００３２】
本実施例によれば、光源４０のための配線を水上から行う必要があるものの、底泥Ｂ周辺での浄化機能および発電機能については実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００３３】
本発明の第４実施例について、図４を参照しながら説明する。
本実施例では、光源４０による照射箇所Ｃの周囲に、流速抑制手段７０を設置している。
流速抑制手段７０は、柵、網、壁材または枠材などを、照射箇所Ｃを取り囲むように配置して構成する。
この流速抑制手段５０によって、照射箇所Ｃ内での流速を抑制することで、照射箇所Ｃ周辺の流れによる付着生物の剥離や流失を防止することができる。
【実施例５】
【００３４】
本発明の第５実施例について、図５を参照しながら説明する。
本実施例では、底泥浄化装置Ａ全体を略中性浮力に保持している状態で、アノード電極１０が底泥Ｂ内に位置する状態とし、かつカソード電極２０が底泥Ｂ周辺に位置するように、各電極を基礎３０に取り付けた構成としている。
【００３５】
本実施例によれば、底泥浄化装置Ａを水底に設置した状態から、自動的にアノード電極１０およびカソード電極２０を適切な位置に位置決めすることができる。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ    底泥浄化装置
Ａ１  微生物燃料電池
Ａ２  光照射体
Ｂ    底泥
Ｃ    照射箇所
１０  アノード電極
２０  カソード電極
３０  基礎
４０  光源
５０  浮力体
６０  接続材
７０  流速抑制手段
【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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