(57)【要約】【課題】廃水中の有機物および窒素を効率的に除去できる生物電気化学システムを提供すること。【解決手段】微生物燃料電池は、容器と、前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、前記液体に接触して配置されたアノードと、前記液体に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記液体と隣接するように配置されたカソードと、前記液体を曝気するインペラと、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、
前記液体に接触して配置されたアノードと、
前記液体に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記液体と隣接するように配置されたカソードと、
前記液体の液面において、前記液体を曝気するインペラと、
を有する、
生物電気化学システム。
【請求項２】
前記アノードは、前記容器の底面に配置される、請求項１に記載の生物電気化学システム。
【請求項３】
前記インペラは、横軸型のインペラである、請求項１または２に記載の生物電気化学システム。
【請求項４】
前記インペラは、
前記液体の内部に、溶存酸素濃度が０.０１ｍｇ／Ｌ以上０.１ｍｇ／Ｌ未満である状態が形成されるように、回転および回転の停止、または回転速度を制御される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の生物電気化学システム。
【請求項５】
前記容器は、深さが３ｍより深い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の生物電気化学システム。
【請求項６】
前記インペラは、前記液体の液面側に溶存酸素濃度が０.０１ｍｇ／Ｌ以上０.１ｍｇ／Ｌ未満である状態が形成され、前記液体の底面側に溶存酸素濃度が０.１ｍｇ／Ｌ未満である状態が形成されるように、回転および回転の停止、または回転速度を制御される、請求項５に記載の生物電気化学システム。
【請求項７】
前記インペラは、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流に応じて回転もしくはその停止、または回転量を調整される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の生物電気化学システム。
【請求項８】
前記アノードの形状は、ブラシ状、繊維状、メッシュ状もしくは折り畳んだメッシュ状、またはこれらの形状の組み合わせである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の生物電気化学システム。
【請求項９】
前記生物電気化学システムは、微生物燃料電池である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の生物電気化学システム。
【請求項１０】
前記インペラは、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流により駆動する、請求項９に記載の生物電気化学システム。
【請求項１１】
前記アノードから前記カソードに電子が流れるように、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加部をさらに有し、
前記生物電気化学システムは、微生物電解セルである、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の生物電気化学システム。
【請求項１２】
前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流を測定する電流計をさらに有し、
前記生物電気化学システムは、水質センサである、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の生物電気化学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物電気化学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
畜産農家にとって、畜舎から出る廃水の処理は、多大なコストおよび労力を要するため、大きな負担となっている。また、環境への影響を防ぐために、畜産バイオマスの資源化や排水処理基準の厳格化などに対応した新しい廃水処理技術の開発が求められている。有機性廃水の適正な処理および有機性廃水からの資源の回収を実現できる新技術の開発は、畜産分野のみならず食品加工、醸造、都市部における下水処理などの幅広い分野においても必要とされている。
【０００３】
近年、生物電気化学システム（Bioelectrochemical System：ＢＥＳ）と称される新しい技術が注目されている。生物電気化学システムは、電極上の反応を促進させる触媒として生物を利用する装置（バイオリアクター）の総称である。生物電気化学システムの例には、微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell：ＭＦＣ）や微生物電解セル（Microbial Electrolysis Cell：ＭＥＣ）、微生物電気化学的または酵素電気化学的な物質の生産または分解を行う装置などが含まれる。微生物燃料電池および微生物電解セルでは、微生物が嫌気性条件下において有機物を酸化還元反応で分解するとともに、そのときに生じた電子をアノード（負極）に渡す役割を担っている。
【０００４】
微生物燃料電池は、嫌気性条件下において微生物が有機物を分解（酸化）することによって生じる余剰の還元力（電子）をアノード（負極）で回収することで発電（エネルギー回収）を行うバイオリアクターである。微生物燃料電池において、有機物の分解により生成された水素イオンは、カソード（正極）側に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノードで回収されて、外部回路を経由してカソードに移動する。カソード表面では、アノード側から移動してきた水素イオンおよび電子が酸素と反応することで、水が生成される。
【０００５】
微生物電解セルは、嫌気性条件下において微生物が有機物を分解（酸化）することによって生じる余剰の還元力（電子）をカソード（正極）で水素として回収するバイオリアクターである。微生物電解セルにおいて、有機物の分解により生成された水素イオンは、カソード（正極）側に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード（負極）とカソード（正極）との間への電圧の印加により、アノードで回収されて、外部回路を経由してカソードに移動する。カソード表面では、水素イオンと電子とが反応することで、水素ガスが生成される。この水素を回収することにより、エネルギーを回収することができる。水素として得られるエネルギーの量は、電圧印加として投入したエネルギーの量よりも大きいため、微生物電解セル全体としては、廃水からエネルギーを回収したことになる。このように、微生物電解セルは、アノードおよびカソードと接続された電圧印加部（電源やポテンショスタットなど）により、アノードとカソードとの間に電圧を印加することが必要である。
【０００６】
微生物燃料電池や微生物電解セルなどの生物電気化学システムは、様々な種類の有機性廃水を処理することができる。この処理により廃水中の有機物が分解されるため、生物電気化学システムは、廃水を浄化（有機物を除去）する機能も併せ持っている。このように、生物電気化学システムは、廃水の浄化および廃水からのエネルギー回収を同時に行うことができるため、今後の新技術として期待されている。
【０００７】
ところで、廃水中の有機物を除去する方法としては、いずれも好気状態で行われる、標準活性汚泥法およびオキシデーション・ディッチ法（ＯＤ法）が広く用いられている。標準活性汚泥法は、好気性微生物を含む汚泥（活性汚泥）と廃水と混合した処理液に空気の泡を送り込んで処理液を好気状態にして、好気性微生物に廃水中の有機物を除去させる方法である。ＯＤ法は、活性汚泥と廃水とを混合した処理液の表面をスパローターおよび縦軸型のインペラで撹拌して処理液に空気を送り込んで処理液を好気状態にして、好気性微生物に廃水中の有機物を除去させる方法である。
【０００８】
廃水の浄化では廃水中の窒素の除去も重要である。窒素の除去としては、いずれも嫌気状態を用いて行われる、間欠曝気法および窒素除去用の試薬を添加する方法が知られている。間欠曝気法は、処理槽を間欠的に曝気することで、好気状態におけるアンモニアから硝酸または亜硝酸への反応と、嫌気状態における脱窒菌による硝酸または亜硝酸からガス体の窒素への反応と、を繰り返し行う方法である。
【０００９】
生物電気化学システムにおける、微生物を触媒とした電極上の反応は、嫌気状態で進行する。そのため、生物電気化学システムによる有機物の分解も、嫌気状態で行われる。なお、本発明者らは、生物電気化学システムに曝気装置を組み合わせても、電極上の反応が進行し、しかもこのときに有機物の除去効率が高まることを見出している（特許文献１参照）。本発明者らは、このとき、曝気装置が生物電気化学システムの液体を間欠的に曝気すれば、好気状態と嫌気状態とが繰り返されて、窒素除去の効率も高まることも見出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１６−０９１８０５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Hong Liu, and Bruce E. Logan, "Electricity Generation Using an Air-Cathode Single Chamber Microbial Fuel Cell in the Presence and Absence of a Proton Exchange Membrane", Environ. Sci. Technol., Vol. 38, pp. 4040-4046.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のとおり、生物電気化学システムは、発電だけでなく廃水中の有機物を除去して浄化処理を行うことも期待されている。また、廃水の処理には有機物の除去のみならず窒素の除去も求められる。しかしながら、従来の生物電気化学システムは、活性汚泥法などに比べて有機物の除去能力が低い。このため、有機物の分解能力が高い微生物燃料電池の開発が期待されている。
【００１３】
ここで、特許文献１に記載のように、生物電気化学システムに曝気装置を組み合わせて、生物電気化学システムの液体を間欠的に曝気すれば、有機物の除去効率を高め、かつ、窒素の除去効率も高めることができる。しかし、廃水中の有機物および窒素をより低い消費電力で除去できる方法の開発に対する要求は常に存在する。また、生物電気化学システムでは、エネルギーの回収効率をより高めることへの要求も、常に存在する。エネルギーの回収効率は、たとえばクーロン効率により評価することができる。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、廃水中の有機物および窒素をより低い消費電力で除去でき、かつ、クーロン効率などによって評価されるエネルギーの回収効率も格段に高め得る生物電気化学システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、以下の生物電気化学システムに関する。
【００１６】
［１］容器と、前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、前記液体に接触して配置されたアノードと、前記液体に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記液体と隣接するように配置されたカソードと、前記液体の液面において、前記液体を曝気するインペラと、を有する、生物電気化学システム。
［２］前記アノードは、前記容器の底面に配置される、［１］に記載の生物電気化学システム。
［３］前記インペラは、横軸型のインペラである、［１］または［２］に記載の生物電気化学システム。
［４］前記インペラは、前記液体の内部に、溶存酸素濃度が０.０１ｍｇ／Ｌ以上０.１ｍｇ／Ｌ未満である状態が形成されるように、回転および回転の停止、または回転速度を制御される、［１］〜［３］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
［５］前記容器は、深さが３ｍより深い、［１］〜［４］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
［６］前記インペラは、前記液体の液面側に溶存酸素濃度が０.０１ｍｇ／Ｌ以上０.１ｍｇ／Ｌ未満である状態が形成され、前記液体の底面側に溶存酸素濃度が０.１ｍｇ／Ｌ未満である状態が形成されるように、回転および回転の停止、または回転速度を制御される、［５］に記載の生物電気化学システム。
［７］前記インペラは、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流に応じて回転もしくはその停止、または回転量を調整される、［１］〜［３］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
［８］前記アノードの形状は、ブラシ状、繊維状、メッシュ状もしくは折り畳んだメッシュ状、またはこれらの形状の組み合わせである、［１］〜［７］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
［９］前記生物電気化学システムは、微生物燃料電池である、［１］〜［８］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
［１０］前記インペラは、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流により駆動する、［９］に記載の生物電気化学システム。
［１１］前記アノードから前記カソードに電子が流れるように、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加部をさらに有し、前記生物電気化学システムは、微生物電解セルである、［１］〜［８］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
［１２］前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流を測定する電流計をさらに有し、前記生物電気化学システムは、水質センサである、［１］〜［１１］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、廃水中の有機物および窒素をより低い消費電力で除去でき、かつ、クーロン効率などによって評価されるエネルギーの回収効率も格段に高め得る生物電気化学システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る微生物燃料電池の構成を示す模式平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す点線１Ｂ−１Ｂにおける、微生物燃料電池の模式断面図である。
【図２】図２は、本発明の変形例に係る微生物電解セルの構成を示す模式断面図である。
【図３】図３Ａは、本発明の一実施の形態に係る微生物電解セルの構成を示す模式断面図であり、図３Ｂは、本発明の一実施の形態に係る別の微生物電解セルの構成を示す模式断面図である。
【図４】図４は、実験に用いた微生物電解セルにおける電流の経時的変化を示すグラフである。
【図５】図５は、実験に用いた微生物電解セルにおける化学的酸素要求量（ＣＯＤ）の経時的変化を示すグラフである。
【図６】図６は、実験に用いた微生物電解セルにおける全窒素（ＴＮ）の濃度の経時的変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る微生物燃料電池１００の構成を示す模式平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す点線１Ｂ−１Ｂにおける、微生物燃料電池１００の模式断面図である。
【００２１】
図１Ａに示されるように、微生物燃料電池１００は、容器１１０、液体１２０、アノード１３０、膜電極接合体（ＭＥＡ）１４０、曝気装置１５０、溶存酸素計（ＤＯ計）１６０、導線１７０および電流計１７５を有する。液体１２０は、有機物および電子供与微生物１２２を含む。膜電極接合体１４０は、隔膜１４２、カソード１４４および浮き１４６を含む。曝気装置１５０は、インペラ１５２および制御部１５４を含む。アノード１３０とカソード１４４とは、外部回路を構成する導線１７０により電気的に接続される。導線１７０には電流計１７５が設置される。ＤＯ計１６０と制御部１５４とは、有線または無線によって情報通信可能に接続される。
【００２２】
容器１１０は、微生物燃料電池１００の本体部を構成し、液体１２０を収容する。容器１１０の素材、形状および大きさは、収容された液体１２０がインペラ１５２によって曝気され得る限りにおいて特に限定されず、用途に応じて適宜設定されうる。本実施形態に係る微生物燃料電池１００では、容器１１０は、インペラ１５２によって曝気された液体が図１Ａに示される矢印方向に循環して移動可能な水路状の液体プールである。
【００２３】
容器１１０は、たとえば、排水を浄化処理するためのオキシデーション・ディッチ（ＯＤ）法に使用される反応槽とすることができる。ただし、ＯＤ法では、微生物による排水の浄化処理を十分に行わせるため、反応槽の深さは、インペラの撹拌による液体の流れが反応槽の底部でも生じる程度の深さとする必要があり、最大でも３ｍ程度である。しかし、本実施形態では、容器１１０の底部では嫌気処理によって発電および有機物の分解を行うため、容器１１０の深さは、たとえば３ｍより深くして、インペラの撹拌によっては反応槽の底部まで酸素が十分に供給されにくい深さとしてもよい。容器１１０の深さの上限は、特に限定されないものの、たとえば１０ｍとすることができる。
【００２４】
液体１２０は、容器１１０内に収容されており、燃料となる有機物および電子供与微生物１２２を含む。通常、液体１２０は、１種または２種以上の電解質を含有する水溶液である。電解質の種類は、水中で電離可能な物質であれば特に限定されない。電解質の例には、ＮａＨ２ＰＯ４／Ｎａ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４／Ｋ２ＨＰＯ４、ＮａＣＯ３／ＮａＨＣＯ３、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮＨ４Ｃｌなどが含まれる。また、液体１２０には、必要に応じて電子メディエータや導電性微粒子などの電子伝達性介在物質をさらに添加してもよい。
【００２５】
液体１２０中の電子供与微生物１２２のうち、少なくとも一部の電子供与微生物１２２は、アノード１３０に担持される。すなわち、アノード１３０は、電子供与微生物１２２を高密度で保持する担体としても機能する。電子供与微生物１２２の種類は、１種であってもよいし、２種以上であってもよい。有機廃水や汚泥などを燃料として使用する場合は、外部から電子供与微生物を加えなくとも、それらに生息する電子供与微生物をそのまま利用することができる。たとえば、シュードモナスやジオバクターなどは、土壌や淡水、海水などの自然環境の至るところに生息しているため、有機廃水や汚泥などを燃料とすれば、外部から添加することなく利用できる。
【００２６】
燃料となる有機物の種類は、電子供与微生物１２２が代謝可能であれば、特に限定されない。燃料となる有機物としては、アルコールや単糖類、多糖類、タンパク質などの有用資源だけでなく、農産業廃棄物や有機廃液、し尿、汚泥、食物残渣などの未利用資源（有機性廃棄物）も使用することができる。燃料となる有機物は、電子供与微生物１２２の維持および増殖のため、また微生物燃料電池１００を連続して稼働させるため、必要に応じて追加される。
【００２７】
アノード１３０は、液体１２０に接触して配置される。本実施形態では、アノード１３０は、容器１１０の底面の全面を被覆して配置される。アノード１３０の素材および形状は、特に限定されず、電子供与微生物１２２の付着性や電子供与微生物１２２からの電子伝達度などに応じて適宜選択されうる。
【００２８】
なお、アノード１３０は、図１Ｂに示されるように容器１１０の底部に配置されて液体１２０に沈めて配置されてもよいし、浮きなどにより液体１２０中に浮いて配置されてもよいし、カソード１４４と対向するように隔膜１４２に接して配置されてもよい。エネルギーの回収効率を高める観点からは、アノード１３０が液体１２０と接触する面積は広いことが好ましい。上記接触する面積をより広くする観点から、たとえば、容器１１０の深さが２ｍ未満のときは、図１Ｂに示されるように、アノード１３０は容器１１０の底面に接して、底面の全体を被覆するように配置されることが好ましい。
【００２９】
なお、本実施形態では、容器１１０の深さを深く（たとえば３ｍより深く１０ｍ以下）したときなどは、インペラ１５２の撹拌によって液体１２０に取り込まれた酸素が液体１２０の底部側まで届きにくく、液体１２０の液面側と底面側とでは溶存酸素濃度が異なる可能性がある。このような場合、アノード１３０は、発電効率を高める観点から、嫌気状態となる、深さが２ｍ以上である底部側に配置されることが好ましい。このときも、アノード１３０が液体１２０と接触する面積は広いことが好ましく、たとえば、容器のうち液面からの深さが２ｍ以上となる底部側の全体積のうちアノード１３０が占める体積は、５０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。なお、容器１１０に収容された液体１２０は、十分な量の有機物をアノード１３０に供給するため、適度な水流が生じることが望ましい。ただし、液体１２０の底面側では、水流の速さはさほど速くならないため、液体１２０が十分には撹拌されず、溶存酸素濃度はさほど高まらない。そのため、アノード１３０は、適度なしなやかさを有していたり、電極間または電極を構成する繊維などの間に隙間が形成されていたりして、容器１１０に収容された液体１２０に生じる水流を過度に阻害しないことが望ましい。表面積を広くして電子供与微生物１２２をより担持させやすくし、かつ、液体１２０の適度な水流を阻害しにくくする観点からは、アノード１３０の形状は、図２に示されるように、ブラシ状、繊維状、メッシュ状または折り畳んだメッシュ状の形状であることが好ましく、ただし、後述するようにバイオフィルムの内部は嫌気状態となり、液体が微好気状態でも発電可能であるため、アノード１３０は、嫌気状態となる底部側から微好気状態となる液面側にまたがるように配置されてもよい。
【００３０】
アノード１３０の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。アノード１３０の形状の例には、クロスなどの平面形状や、ブラシ状や棒状、粒状などの立体形状が含まれる。適度なしなやかさを有するため液体１３０の水流を阻害しにくいようなアノード１３０の素材の例には、カーボンペーパーやグラファイト板、カーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイト粒子、活性化グラファイト粒子、カーボンフェルト、網状ガラス化カーボン、カーボンブラシなどが含まれる。また、適度な隙間を有するため液体１２０の水流を阻害しにくいようなアノード１３０の素材の例には、ステンレス鋼メッシュなどが含まれる。これらは、加熱処理されていてもよい。加熱処理をなされたか否かは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ／ＥＤＸ）により、アノード１３０の表面における各元素の濃度と、アノード１３０を切断することで露出させた断面において表面から５μｍ以上離れた部分（内部）における各元素の濃度とを比較することで、確認することができる。
【００３１】
アノード１３０に電子供与微生物１２２が担持されて形成されるバイオフィルムは、その表面近傍の好気性細菌により酸素が消費されるため、内部は嫌気状態になっていると考えられる。そのため、バイオフィルムの内部では微生物を触媒とした電極上の反応が進行して、電流が生産されると考えられる（原理がこれに限定されるものではない）。
【００３２】
膜電極接合体１４０は、カチオン透過性を有する隔膜１４２と、ガス透過性を有するカソード１４４とを含む。隔膜１４２およびカソード１４４は、一体化されて膜電極接合体１４０を構成する。膜電極接合体１４０は、隔膜１４２が液体１２０に接触し、カソード１４４が外気に接触するように配置される。本実施形態では、平面視において中央部に貫通孔が形成された略直方体状の浮き１４６に設けられた貫通孔を塞ぐように浮き１４６の下側に隔膜１４２が固定されており、浮き１４６の貫通孔内において隔膜１４２上にカソード１４４が積層される。その結果、膜電極接合体１４０は、液体１２０の表面に浮いて配置される。膜電極接合体１４０は、図１Ｂでは、液体１２０の表面（液面）と平行となるように配置されるが、隔膜１４２の下に気泡が留まることを抑制するために液体１２０の表面（液面）に対して傾斜するように配置されていてもよい。
【００３３】
隔膜１４２は、カチオンを選択的に透過させうる膜であり、液体１２０とカソード１４４との間に配置される。前述のとおり、本実施形態では、略直方体状の浮き１４６に形成された貫通孔を塞ぐように浮き１４６の下側に隔膜１４２が固定される。隔膜１４２の種類は、カチオンを選択的に透過させることができれば、特に限定されない。隔膜１４２の例には、プロトン交換膜が含まれる。プロトン交換膜は、プロトン伝導性のイオン交換高分子電解質からなる膜である。プロトン交換膜の素材の例には、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、および有機／無機複合化合物が含まれる。パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂は、例えば、スルホ基またはカルボキシル基を有するパーフルオロビニルエーテルを基礎とする重合単位と、テトラフルオロエチレンを基礎とする重合単位とを含む共重合体を含む。そのようなフッ素イオン交換樹脂としては、ナフィオン（登録商標）が知られている。有機／無機複合化合物は、炭化水素系高分子（例えばポリビニルアルコール）および無機化合物（例えばタングステン酸）が複合化した化合物からなる物質である。これらの素材からなる膜は、市販されている。
【００３４】
カソード（エアカソード）１４４は、隔膜１４２を挟んで液体１２０と隣接して配置される。前述のとおり、本実施形態では、略直方体状の浮き１４６に形成された貫通孔内において隔膜１４２上にカソード１４４が積層される。カソード１４４の素材および形状は、ガス透過性および導電性を両立できれば特に限定されない。カソード１４４の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。カソード１４４の例には、カーボンペーパーやカーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイト粒子、活性化グラファイト粒子、カーボンフェルト、網状ガラス化カーボン、ステンレス鋼メッシュなどが含まれる。これらは、加熱処理されていてもよい。また、これらの表面に、プラチナや活性炭などの酸素還元触媒を担持させてもよい。加熱処理をなされたか否かは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ／ＥＤＸ）により、カソード１４４の表面における各元素の濃度と、カソード１４４を切断することで露出させた断面において表面から５μｍ以上離れた部分（内部）における各元素の濃度とを比較することで、確認することができる。
【００３５】
浮き１４６は、液体１２０の表面（液面）に浮いて、隔膜１４２およびカソード１４４を直接または間接的に支持する。その結果、アノード１３０は、液体１２０の中に浮いて配置され、隔膜１４２およびカソード１４４は、液体１２０の表面に浮いて配置される。すなわち、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４と、浮き１４６とは、一つの浮遊体を構成する。浮き１４６の素材および形状は、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４を液体１２０の中または表面に浮かすことができれば特に限定されない。たとえば、浮き１４６は、発泡スチロールなどの発泡プラスチックや、樹脂や金属などからなる中空構造体などである。本実施形態では、浮き１４６は、貫通孔を有する略直方体状の発泡プラスチックである。
【００３６】
曝気装置１５０は、インペラ１５２および制御部１５４を含む。曝気装置１５０は、液体１２０に酸素を含む気体を送り込む。本実施形態では、曝気装置１５０は、インペラ１５２の回転により周辺の空気を液体１２０の内部に送り込む。曝気装置１５０は、外部から供給される電力により駆動されてもよいし、微生物燃料電池１００の発電により得られる電力により駆動されてもよい。本実施形態では、曝気装置１５０は、アノード１３０とカソード１４４の間を流れる電流（すなわち微生物燃料電池１００の発電により得られる電力）により駆動される。
【００３７】
インペラ１５２は、回転により液体１２０の液面を撹拌して周辺の空気を液体１２０の内部に送り込めればよく、ＯＤ法に用いられる公知のエアレーション装置とすることができる。本実施例では、インペラ１５２は、液体１２０の液面に略水平に配置された回転軸に羽根を取り付けた横軸型のエアレーション装置である。インペラ１５２は、液体１２０の液面に略水平に配置された回転軸に羽根を取り付けた縦軸型のエアレーション装置でもよいし、スクリューの回転によって液体１２０の液面を撹拌するスクリュー型のエアレーション装置でもよい。インペラ１５２は、少なくとも液体１２０の液面側に液体の流れを生じさせる大きさであればよく、液体１２０の液面側に液体の流れを生じさせない大きさであってもよい。横軸型のエアレーション装置は、液体１２０に少量ずつ酸素を導入して、微好気状態を形成しやすいほか、消費電力が少ないため好ましい。
【００３８】
制御部１５４は、インペラ１５２の回転または停止、およびインペラ１５２の回転速度を制御する。制御部１５４は、インペラ１５２を連続的に回転させてもよいが、発電能力と有機物の分解能力とのバランスを容易に調整する観点からは、インペラ１５２を断続的に回転させることが好ましい。また、制御部１５４は、インペラ１５２を一定の速度で回転させてもよいが、インペラ１５２の回転速度を変化させてもよい。
【００３９】
制御部１５４は、インペラ１５２の回転およびその停止の間隔、ならびにインペラ１５２の回転速度を、微生物燃料電池１００の発電能力、有機物の分解能力、および液体１２０に含まれる有機物の濃度などに応じて適宜制御すればよい。有機物が十分に分解されて、液体１２０が浄化された場合は、微生物燃料電池１００の発電により得られる電力は低下する。つまり、液体１２０中の有機物の濃度は、電流計１７５が検出する、アノード１３０とカソード１４４の間を流れる電流により推定することができる。したがって、制御部１５４は、アノード１３０とカソード１４４の間を流れる電流に応じて、インペラ１５２の回転およびその停止の間隔、ならびにインペラ１５２の回転速度を制御してもよい。曝気装置１５０による曝気は、液体１２０中の有機物の分解を促進するために行われるため、液体１２０中の有機物の濃度が低下した場合は曝気する必要はなく、発電能力を向上させる観点からは嫌気状態にするために曝気をしない方が却って好ましいことがある。このような場合、制御部１５４は、電流の低下を検出したときにインペラ１５２の回転を停止させたり、インペラ１５２の回転速度を遅くしたりしてもよい。このようにすることで、インペラ１５２を回転させるための電力消費を抑制することもできる。また、制御部１５４は、予め設定された好適な条件で曝気するようにインペラ１５２の動作を制御してもよい。
【００４０】
なお、本発明者らの実験によれば、液体１２０中の、より液面に近い深さにおける溶存酸素濃度が０.０１ｍｇ／Ｌ以上０.１ｍｇ／Ｌ未満のいわゆる微好気状態であると、嫌気処理による発電および有機物の分解の効率が高まり、かつ、好気処理による有機物の分解も行うことができる。
【００４１】
微生物燃料電池１００は、インペラ１５２が液体１２０をわずかに撹拌しつつ少量ずつ酸素を液体１２０中に導入するため、容器１１０の深さがより深い（たとえば３ｍより深く１０ｍ以下）ときは、液面に近い深さを微好気状態とし、底面に近い深さでは嫌気状態とすることが可能である。このとき、微好気状態となった液面側では、好気性細菌が有機物を分解し、かつ、アンモニア酸化細菌および硝化細菌がアンモニアを酸化して硝酸または亜硝酸にする。一方で、嫌気状態となった底面側では、嫌気細菌である電子供与微生物１２２による発電および有機物の分解が生じ、かつ、脱窒細菌が硝酸または亜硝酸を窒素ガスに変換する。そのため、制御部１５４は、センサプローブ１６２ａが測定してＤＯ計１６０から送信される液体１２０中の液面側の溶存酸素濃度と、センサプローブ１６２ｂが測定してＤＯ計１６０から送信される液体１２０中の底面側の溶存酸素濃度と、をもとに、液体１２０の液面側に微好気状態が生じ、液体１２０の底面側に嫌気状態が生じるように、インペラ１５２の回転および回転の停止、ならびにインペラ１５２の回転速度などを制御することも好ましい。
【００４２】
一方で、容器１１０の深さがより浅い（たとえば１ｍ以上３ｍ以下）ときは、インペラ１５２の回転によって液体１２０の全体が曝気されやすい。このようなときも、アノード１３０の表面に付着した電子供与微生物１２２のバイオフィルムの内部は嫌気状態となっているため、上記微好気状態での有機物の分解およびアンモニアの酸化、ならびに嫌気状態での発電および有機物の分解ならびに硝酸から窒素ガスへの変換が生じる。そのため、制御部１５４は、センサプローブ１６２ａが測定してＤＯ計１６０から送信される液体１２０中の液面側の溶存酸素濃度をもとに、液体１２０が微好気状態となるように、インペラ１５２の回転および回転の停止、ならびにインペラ１５２の回転速度などを制御することも好ましい。このとき、液体１２０の深さによって溶存酸素濃度は変わらないため、センサプローブは液面側（または底面側）にのみ配置してもよい。
【００４３】
なお、不図示のアンモニア濃度計で測定される、液体１２０中のアンモニア濃度が高い場合は、曝気を促進して硝化反応を促進させてもよい。この場合、硝化反応の後、汚水の原水を電子供与体として容器１１０内に少量投入して脱窒反応を起こさせることで、窒素除去をすることができる。
【００４４】
溶存酸素計（ＤＯ計）１６０は、液体１２０中の、より液面に近い深さに配置されたセンサプローブ１６２ａ、および、液体１２０中の、アノード１３０が配置される近傍の深さに配置されたセンサプローブ１６２ｂから送信される信号をもとに、センサプローブ１６２ａおよびセンサプローブ１６２ｂが配置された深さにおける液体１２０中の溶存酸素濃度を測定する。本実施形態では、ＤＯ計は接触型の溶存酸素計であるが、光学型の溶存酸素計でもよい。
【００４５】
電流計１７５は、導線１７０に設置されて、アノード１３０とカソード１４４の間を流れる電流を測定する。
【００４６】
（微生物燃料電池の動作）
次に、本実施形態に係る微生物燃料電池１００の動作について説明する。
【００４７】
本実施形態に係る微生物燃料電池１００を稼働させると、容器１１０内において、電子供与微生物１２２により有機物（例えば酢酸）が二酸化炭素に分解される際に、水素イオンと電子が生成される。有機物の分解により生成された水素イオンは、隔膜１４２を透過してカソード１４４表面に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード１３０で回収されて、外部回路を経由してカソード１４４に移動する。また、カソード１４４は通気性を有するため、カソード１４４表面には酸素も存在する。このような状況において、カソード１４４表面では、水素イオンおよび電子が酸素と反応することで、水が生成される。したがって、容器１１０内に有機物を供給することで、上記サイクルを維持して、外部回路に電力を連続して供給することができる。
【００４８】
本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、稼働中にインペラ１５２により液体１２０を曝気することを主たる特徴とする。本実施形態に係る微生物燃料電池１００では、有機物の分解能力を向上させるために、インペラ１５２の回転により液体１２０中の溶存酸素濃度をある程度上昇させる。このように曝気することで、嫌気処理による発電および有機物の分解に加えて、好気処理による有機物の分解も行うことができる（図５参照）。
【００４９】
また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、好気処理も利用するため、嫌気処理のみを利用する従来の微生物燃料電池では不可能であった窒素の除去も可能である（図６参照）。たとえば、曝気装置１５０が液体１２０に空気を送り込むと、液体１２０の液面側は微好気状態となり、アンモニアから硝酸または亜硝酸への反応が液体１２０中で進行する。一方、液体１２０の底面側（容器１１０の深さが深い場合）またはアノード１３０に電子供与微生物１２２が担持されて形成されるバイオフィルムの内部は嫌気状態となり、嫌気性細菌である脱窒細菌による硝酸または亜硝酸からガス体の窒素への反応が進行すると考えられる（原理がこれに限定されるものではない）。
【００５０】
（効果）
以上のように、本実施形態に係る微生物燃料電池１００では、インペラ１５２によって曝気することにより、液体１２０の内部に微好気状態を形成して、有機物の分解除去およびアンモニアから硝酸または亜硝酸への反応を進行させることができる。一方で、嫌気状態による、微生物を触媒とした電極上の反応および硝酸または亜硝酸からガス体の窒素への反応も進行させることができる。このようにして、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、間欠的な曝気を行うことなく、電流の生産、有機物の除去、および窒素の除去を同時に、かつ連続的に、行うことができる。そのため、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、電流の生産、有機物の除去、および窒素の除去のすべてをより連続的に行うことができ、これらの処理速度を高めることが容易である。
【００５１】
また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、インペラ１５２により液体１２０を撹拌しながら稼働するため、液体１２０が適度に撹拌されて有機物および窒素などの濃度が適度に均一化され、電流の生産、有機物の除去、および窒素の除去の効率をより高めることができる。
【００５２】
また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、ＤＯ計１６０により液体１２０の溶存酸素濃度を測定しながらインペラ１５２の回転およびその停止の間隔、ならびにインペラ１５２の回転速度を制御することで、液体中に微好気状態を形成することが容易である。または、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、ＤＯ計１６０により液体１２０の液面側および底面側の溶存酸素濃度を測定しながらインペラ１５２の回転およびその停止の間隔、ならびにインペラ１５２の回転速度を制御することで、液体の液面側に微好気状態を形成し、液体の底面側に嫌気状態を形成することも容易である。そのため、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、特許文献１に記載の生物電気化学システムなどと比較しても、微好気状態または嫌気状態を形成することによる電流生産性（クーロン効率）の向上および窒素除去効率の向上が達成される。
【００５３】
また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、インペラ１５２により液体１２０をわずかに撹拌しつつ少量ずつ曝気すればよいため、標準活性汚泥法による有機物の除去や特許文献１に記載の生物電気化学システムなどのように、大量の酸素を導入する必要はなく、消費電力の増大が抑制される。また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、好気処理だけでなく嫌気処理も利用するため、嫌気処理を利用しない活性汚泥法よりも余剰汚泥の発生量を低減することもできる。
【００５４】
さらに、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、導線１７０を流れる電流が液体１２０中の有機物量に相関した量の電流が導線１７０を流れるという特徴を有する（図４および図５参照）。そのため、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、導線１７０を流れる電流を電流計１７５で測定することにより液体１２０中の有機物量を推測する、水質センサとしても有用である。
【００５５】
また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００では、隔膜１４２およびカソード１４４が容器１１０の壁面の一部を構成することなく液体１２０の中または表面に浮いている。このため、液体１２０の圧力の増大による隔膜１４２およびカソード１４４の破壊を考慮することなく、容器１１０を大きくすること、すなわち微生物燃料電池１００をスケールアップすることができる。また、液体１２０の量に関係なく、カソード１４４の全面が常に液体１２０と直接または隔膜１４２を介して接触することから、液体１２０の量の変化の影響を受けずに外部回路に電力を安定して出力することができる。
【００５６】
さらに、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、アノード１３０およびカソード１４４（膜電極接合体１４０）を、従来のＯＤ法に用いる装置に設置するだけでよい。したがって、本実施形態に係る微生物燃料電池１００を既存の施設に導入することも容易である。
【００５７】
なお、本実施形態では、隔膜１４２およびカソード１４４を含む膜電極接合体１４０が液体１２０の表面に浮いており、アノード１３０が液体１２０の中のインペラ１５２の直下に浮いている微生物燃料電池１００について説明したが、アノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４の位置はこれに限定されない。たとえば、アノード１３０は、液体１２０の中のうち、インペラ１５２の直下以外の場所に浮いていてもよいし、液体１２０の液面に浮いていてもよいし、容器１１０の底面または側面に配置されていてもよい。また、カソード１４４は膜電極接合体１４０として液体１２０の中に浮いて（浸漬して）もよいし、膜電極接合体を形成しないカソード１４４のみが液体１２０の中に浮いて（浸漬して）もよい。また、液体透過性を有するアノード１３０、隔膜１４２およびカソード１４４が一体化されて膜電極接合体を構成しており、この膜電極接合体が、アノード１３０が液体１２０に接触し、カソード１４４が外気に接触するように、液体１２０の表面に浮いていてもよい。この場合も、膜電極接合体は、液体１２０の表面（液面）に対して傾斜するように配置されていてもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、アノード１３０およびカソード１４４を液体１２０の中または表面に浮かすための浮き１４６および浮き１４６を有する微生物燃料電池１００について説明したが、浮き１４６は必須の構成要件ではない。たとえば、アノード１３０、隔膜１４２またはカソード１４４を中空構造とするなどしてこれら自身を浮くようにしてもよい。
【００５９】
また、本実施形態では、隔膜１４２を有する微生物燃料電池１００について説明したが、隔膜１４２は必須の構成要件ではない。すなわち、カソード１４４は、アノード１３０と接触してはいけないが、液体１２０には直接接触していてもよい。しかしながら、電池の実用性を考慮した場合は、隔膜１４２はあることが好ましい。
【００６０】
また、本実施形態では、インペラ１５２によって曝気された液体が循環して移動可能な水路状の液体プールを容器１１０とする微生物燃料電池１００について説明したが、容器１１０は液体が循環する水路を有さなくてもよく、たとえば従来の１槽型または２槽型の微生物燃料電池に用いられる水槽であってもよい。
【００６１】
［第２の実施形態］
図３Ａは、本発明の一実施の形態に係る微生物電解セル２００の構成を示す模式断面図である。微生物電解セル２００は、容器２１０、液体２２０、アノード（負極、作用極）２３０、カソード（正極、対極）２４０、参照電極２８０、ポテンショスタット２９２、水素回収部２９４および水素貯蔵部２９６、曝気装置２５０、溶存酸素計（ＤＯ計）２６０、導線２７０および電流計２７５を有する。を有する。アノード２３０、カソード２４０および参照電極２８０は、ポテンショスタット２９２に電気的に接続される。液体２２０は、有機物および電子供与微生物２２２を含む。
【００６２】
容器２１０は、微生物電解セル２００の本体部を構成し、液体２２０を収容する。容器２１０の素材、形状および大きさは、特に限定されず、用途に応じて適宜設定されうる。本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、容器２１０の底部では嫌気処理によって発電および有機物の分解を行うため、容器２１０の深さは、たとえば３ｍより深くして、インペラの撹拌によっては反応槽の底部まで酸素が十分に供給されにくい深さとしてもよい。容器２１０の深さの上限は、特に限定されないものの、たとえば１０ｍとすることができる。
【００６３】
液体２２０は、容器２１０内に収容されており、エネルギー源となる有機物および電子供与微生物２２２を含む。液体２２０は、実施の形態１に係る微生物燃料電池１００の液体１２０と同様のものである。
【００６４】
アノード２３０は、液体２２０に接触して配置される。本実施形態では、容器２１０の深さは２ｍ未満であり、アノード２３０は、容器２１０の底面の全面を被覆して配置される。なお、本実施形態でも、容器２１０の深さを深く（たとえば３ｍより深く１０ｍ以下）したときなどは、インペラ２５２の撹拌によって液体２２０に取り込まれた酸素が液体２２０の底部側まで届きにくく、液体２２０の液面側と底面側とでは溶存酸素濃度が異なる可能性がある。このような場合、アノード２３０は、発電効率を高める観点から、嫌気状態となる、深さが２ｍ以上である底部側に配置されることが好ましい。アノード２３０の形状、配置位置および素材については、第１の実施形態と同様とし得るので、詳しい説明は省略する。
【００６５】
カソード２４０は、液体２２０に接触するように配置される。本実施の形態では、カソード２４０は、液体２２０中に浸漬される。カソード２４０の素材は、導電性を有し、かつ化学的に安定であれば特に限定されない。また、カソード２４０の形状は、特に限定されず、水素ガスの回収の容易性などに応じて適宜選択されうる。カソード２４０の素材の例には、炭素や金属、金属酸化物などが含まれる。カソード２４０の例には、カーボンクロスやカーボンフェルト、ステンレス鋼メッシュ、プラチナメッシュなどが含まれる。これらは、加熱処理されていてもよい。また、これらの表面に、プラチナや活性炭などの酸素還元触媒を担持させてもよい。加熱処理をなされたか否かは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ／ＥＤＸ）により、カソード２４０の表面における各元素の濃度と、カソード２４０を切断することで露出させた断面において表面から５μｍ以上離れた部分（内部）における各元素の濃度とを比較することで、確認することができる。
【００６６】
参照電極２８０は、液体２２０に接触するように配置される。本実施の形態では、参照電極２８０は、液体２２０中に浸漬される。参照電極２８０の種類は、特に限定されず、適宜選択されうる。参照電極２８０の例には、銀−塩化銀電極や標準水素電極、カロメル電極などが含まれる。
【００６７】
ポテンショスタット２９２は、アノード２３０、カソード２４０および参照電極２８０に電気的に接続されており、アノード（作用極）２３０の電極電位を−０.４Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）（Ａｇ／ＡｇＣｌ：銀−塩化銀電極）以上、好ましくは−０.２〜２.０Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）になるように制御する。電極電位を制御する基準として参照電極２８０を用い、カソード（対極）２４０に電子を流すことでアノード（作用極）２３０の電極電位を一定に保つ。この結果、ポテンショスタット２９２は、アノード（作用極）２３０とカソード（対極）２４０との間に電圧を印加することとなり、有機物の分解で生じる電子は、アノード（作用極）２３０からポテンショスタット２９２を介して最終的にカソード２４０に流れ、カソード２４０の表面で水素ガスが発生する。このように、アノード（作用極）２３０の電極電位は、カソード２４０の電極電位よりも常に所定の電位差で低い。
【００６８】
水素回収部２９４は、カソード２４０の表面で発生した水素ガスを回収する。水素回収部２９４の構成は、上記目的を達成することができれば特に限定されない。本実施の形態では、水素回収部２９４は、液体２２０中においてカソード２４０の上部に配置された、漏斗形状の部材である。水素回収部２９４は、水素貯蔵部２９６に回収した水素ガスを送り込む。なお、微生物電解セル２００を水質センサや排水中の有機物および窒素の除去などの目的に用いるが、エネルギーの回収を主な目的とはしないような場合には、微生物電解セル２００は水素回収部２９４を有さなくてもよい。
【００６９】
水素貯蔵部２９６は、水素回収部２９４が回収した水素ガスを貯蔵する。水素貯蔵部２９６の構成は、上記目的を達成することができれば特に限定されない。水素貯蔵部２９６の例には、ガスホルダーなどが含まれる。
【００７０】
曝気装置２５０は、インペラ２５２および制御部２５４を含む。曝気装置２５０は、液体２２０に酸素を含む気体を送り込む。曝気装置２５０は、実施の形態１に係る微生物燃料電池１００の曝気装置１６０と同様の構成を有し、動作を同様に制御される。
【００７１】
溶存酸素計（ＤＯ計）２６０は、液体２２０中の、より液面に近い深さに配置されたセンサプローブ２６２ａ、および、液体２２０中の、アノード２３０が配置される近傍の深さに配置されたセンサプローブ２６２ｂから送信される信号をもとに、センサプローブ２６２ａおよびセンサプローブ２６２ｂが配置された深さにおける液体２２０中の溶存酸素濃度を測定する。本実施形態では、ＤＯ計は接触型の溶存酸素計であるが、光学型の溶存酸素計でもよい。
【００７２】
電流計２７５は、導線２７０に設置されて、アノード２３０とカソード２４０の間を流れる電流を測定する。
【００７３】
（微生物電解セルの動作）
次に、本実施の形態に係る微生物電解セル２００の動作について説明する。
【００７４】
ポテンショスタット２９２により、アノード（作用極）２３０の電極電位が常に所定の値（例えば−０.２Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ））となるように、参照電極２８０を基準として用いてアノード２３０とカソード２４０との間に電圧を印加して微生物電解セル２００を稼働させると、容器２１０内において、電子供与微生物２２２により有機物（例えば酢酸）が二酸化炭素に分解される際に、水素イオンと電子が生成される。有機物の分解により生成された水素イオンは、カソード２４０表面に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード２３０で回収されて、外部回路を経由してカソード２４０に移動する。このような状況において、カソード２４０表面では、水素イオンおよび電子が反応することで、水素ガスが生成される。したがって、容器２１０内に有機物を供給することで、上記サイクルを維持して、水素ガスを連続して生成することができる。
【００７５】
（効果）
以上のように、本実施の形態に係る微生物電解セル２００は、インペラ２５２によって曝気することにより、液体２２０の内部に微好気状態を形成して、有機物の分解除去およびアンモニアから硝酸または亜硝酸への反応を進行させることができる。一方で、嫌気状態による、微生物を触媒とした電極上の反応および硝酸または亜硝酸からガス体の窒素への反応も進行させることができる。このようにして、本実施形態に係る微生物燃料電池２００は、間欠的な曝気を行うことなく、電流の生産、有機物の除去、および窒素の除去を同時に、かつ連続的に、行うことができる。そのため、本実施形態に係る微生物燃料電池２００は、電流の生産、有機物の除去、および窒素の除去のすべてを連続的に行うことができ、これらの処理速度を高めることが容易である。
【００７６】
また、本実施形態に係る微生物電解セル２００も、第１の実施形態に係る微生物燃料電池１００と同様に、液体２２０が適度に撹拌されて有機物および窒素などの濃度が適度に均一化されることによる、電流の生産、有機物の除去、および窒素の除去の効率の向上、ＤＯ計２６０により液体２２０の溶存酸素濃度を測定しながらインペラ２５２の稼働を制御することによる液体の溶存酸素濃度の微好気状態への制御または液体２２０の内部への微好気状態および嫌気状態の形成、インペラ２５２の稼働により少量ずつ曝気することによる曝気を効率的に行えることによる消費電力の増大の抑制、嫌気処理を利用することによる余剰汚泥の発生量の低減、導線２７０を流れる電流を電流計２７５で測定することにより液体２２０中の有機物量を推測する水質センサとしての利用、などの特性を有する。
【００７７】
また、本実施形態に係る微生物電解セル２００も、アノード２３０、カソード２４０、参照電極２８０、ポテンショスタット２９２、水素回収部２９４および水素貯蔵部２９６を、従来のＯＤ法に用いる装置に設置するだけでよい。したがって、本実施形態に係る微生物電解セル２００を既存の施設に導入することも容易である。
【００７８】
なお、本実施の形態では、アノード２３０とカソード２４０との間に電圧を印加する電圧印加部としてポテンショスタット２９２を有する微生物電解セル２００について説明したが、電圧印加部としてポテンショスタット２９２の代わりに電源を配置してもよい（図３Ｂ参照）。この場合は、電源２９８は、アノード２３０およびカソード２４０に電気的に接続され、アノード２３０からカソード２４０に電子が流れるように、アノード２３０とカソード２４０との間に電圧を印加する。参照電極２８０は、不要である。
【００７９】
電源２９８は、アノード２３０およびカソード２４０に電気的に接続されており、アノード２３０の電位がカソード２４０の電位よりも低くなるように、アノード２３０とカソード２４０との間に電圧を印加する。有機物として酢酸を含むｐＨ７、２５℃の液体２２０を使用した場合、アノード２３０の電極電位は、−０.３００Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）（ＮＨＥ：normal hydrogen electrode、標準水素電極）であり、水素イオンに電子を渡すカソード２４０の電極電位は、−０.４１４Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）である。したがって、理論上は、０．１１４Ｖ以上の電圧をアノード２３０とカソード２４０との間に印加することで、電子をアノード２３０から外部回路を介して最終的にカソード２４０に伝達させ、カソード２４０の表面で水素を発生させることとなる。実際には、過電圧や反応速度などを考慮して、０.１３Ｖ以上の電圧をアノード２３０とカソード２４０との間に印加することが好ましく、０.４〜５.０Ｖの電圧をアノード２３０とカソード２４０との間に印加することがより好ましい。水素の生産を重視して運転する場合は、投入エネルギーの少ない０.４〜０.８Ｖ程度の小さな電圧を印加することが好ましい。水素の生産よりも有機物の分解や有機物の濃度の検出を重視して運転する場合は、１.０Ｖ以上の電圧を印加することが好ましい。
【００８０】
電圧印加部として電源２９８を有する微生物電界セルにおけるその他の構成は、電圧印加部としてポテンショスタット２９２を有する微生物電界セルと同様とし得る。
【００８１】
以下、実施例を参照して本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。
【実施例】
【００８２】
１．微生物電解セルの作製
深さが３０ｃｍである、容量３.０Ｌの容器を用意した。この容器に、回転軸に長さ５ｎｍの羽根を取り付けた縦軸型のインペラを、２.０Ｌの人工廃水（後述）を導入したときの液面とインペラの回転軸とが略水平になるように取り付けた。このインペラは、容器外部に設置した制御部により回転およびその停止、ならびに回転速度を制御可能である。また、容器にＤＯセンサを配置し、ＤＯセンサが測定した溶存酸素濃度がインペラの制御部に通信されるように、ＤＯセンサと制御部とを有線で接続した。
【００８３】
以下の表に示される組成の培地と、電子供与微生物の供給源としての活性汚泥とを５：１の割合で混合して、人工廃水を調整した。この人工廃水には、他の微生物燃料電池の負極上で培養されたバイオフィルムを混合して種菌として接種した。得られた人工廃水２.０Ｌを、容量３.０Ｌの容器に導入した。
【００８４】
【表１】
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【００８５】
容器内の人工廃水中に、アノード（作用極、負極）としてのカーボンフェルト（サイズ：１４ｃｍ×２０ｃｍ×５ｍｍ）、カソード（対極、正極）としてのプラチナ電極、参照電極としての銀−塩化銀電極を浸漬させた。なお、これらの電極はポテンショスタットに接続されている。カソードの直上には、カソードで発生した水素を集めて貯蔵するガスホルダーを設置した。
【００８６】
２．微生物電解セルの評価
室温で、インペラを回転速度２０ｒｐｍで回転させながら、アノードの電極電位が銀−塩化銀電極（参照電極）の電位に対して−０.２Ｖとなるようにアノードおよびカソードに電圧を印加して、作製した微生物電解セルを稼働させた。このときの人工廃水の溶存酸素濃度は、液面から３ｃｍの深さでは０.１ｍｇ／Ｌ、底面から３ｃｍの深さでは０〜０.０１ｍｇ／Ｌだった。１５分ごとに電力を測定した。また、稼働開始直後、ならびに稼働開始から３８時間後および１６４時間後に、人工廃水の全窒素（ＴＮ）の濃度を測定した。また、また、稼働開始直後、ならびに稼働開始から１２時間後、２４時間後、３８時間後、７０時間後および１５８時間後に、人工廃水の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を測定した。ＣＯＤは、それぞれの時間について３回測定し、その平均値を各時間におけるＣＯＤとして用いた。また、稼働開始時のＣＯＤと２４時間経過時のＣＯＤとの差（消費ＣＯＤ）を消費するために必要なクーロン量に対する、稼働開始から２４時間後までに導線を流れた総電流量（クーロン量）の割合を算出して、稼働開始から２４時間で人工廃水から除去された有機物に対する電子供与微生物の活動により除去された有機物の割合（クーロン効率）を算出した。
【００８７】
図４は、本実験に用いた微生物電解セルにおける電流の経時的変化を示すグラフである。このグラフから、本実験に用いた微生物電解セルでは、試験開始直後から電流が生産され、１８時間後に最大電流である３７ｍＡが得られ、その後は低下して４０時間後には約０ｍＡになったことがわかる。
【００８８】
図５は、本実験に用いた微生物電解セルにおけるＣＯＤの経時的変化を示すグラフである。このグラフから、本実験に用いた微生物電解セルでは、ＣＯＤが試験開始直後の約７４０ｍｇ／Ｌから２４時間後には約１２０ｍｇ／Ｌに低下したことがわかり、微生物電解セルの稼働によりＣＯＤが１日あたり約６２０ｍｇ／Ｌの低下したことがわかる。通常、廃水処理では、ＣＯＤを１日あたり５００ｍｇ／Ｌ以上低下させることが要求される。そのため、このグラフから、本実験に用いた微生物電解セルでは、廃水処理に好適に使用可能であることがわかる。
【００８９】
また、図４と図５との比較から、ＣＯＤが約２００ｍｇ／Ｌ以下に低下すると電流も低下していることがわかり、この微生物電界セルは、電流を測定することでＣＯＤのリアルタイムセンサーとして機能できることもわかる。
【００９０】
図６は、本実験に用いた微生物電解セルにおけるＴＮの経時的変化を示すグラフである。このグラフから、本実験に用いた微生物電解セルでは、ＴＮが試験開始直後の９７ｍｇ／Ｌから３８時間後には３９ｍｇ／Ｌに低下し、１６４時間後には１１ｍｇ／Ｌにまで低下したことがわかり、微生物電解セルの稼働により人工廃水中の窒素を除去できたことがわかる。
【００９１】
図４に示されるグラフおよび図５に示されるグラフの作成に用いたデータから計算した、２４時間の稼働時のクーロン効率は、約１１.７％だった。電子供与微生物による作用を伴わない通常の水車型ＯＤ法では、この約１１.７％分の有機物除去がなされず、本実験における有機物除去に対して８８.３％（１００％−１１.７％）の割合でしか、有機物が除去されないと考えられる。そのため、本実験に用いた微生物電解セルにおける有機物の除去効率は、通常の水車型ＯＤ法よりも約１３％（１００／８８.３）向上していると考えられる。なお、特許文献１に記載の微生物電解セルにおけるクーロン効率は約０．１％であるので、本実験に用いた微生物電解セルにおけるクーロン効率は顕著に高いこともわかる。
【００９２】
また、２４時間の稼働により、約１．９Ｌの水素ガスが回収された。このことから、本実験に用いた微生物電解セルは、発生したエネルギーを水素として回収できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明に係る微生物燃料電池は、発電能力を維持しつつ有機物の分解能力が高いため、例えば畜舎における廃水処理や都市部における下水の浄化処理などにおいて有用である。
【符号の説明】
【００９４】
１００  微生物燃料電池
１１０、２１０  容器
１２０、２２０  液体
１２２、２２２  電子供与微生物
１３０、２３０  アノード
１４０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１４２  隔膜
１４４、２４０  カソード
１４６  浮き
１５０、２５０  曝気装置
１５２、２５２  インペラ
１５４、２５４  制御部
１６０、２６０  溶存酸素計（ＤＯ計）
１６２ａ、１６２ｂ、２６２ａ、２６２ｂ  センサプローブ
１７０、２７０  導線
１７５、２７５  電流計
２００  微生物電解セル
２８０  参照電極
２９２  ポテンショスタット
２９４  水素回収部
２９６  水素貯蔵部
２９８  電源
【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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