(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】生物電気化学システムは、容器と、有機物を含有する液体を前記容器に散布する散水装置と、前記容器に収容された、電解質を含有する液体と、前記散水装置から散布された液体に接触する位置に、前記容器に収容された液体と接触して配置された、表面に電子供与微生物を担持したアノードと、前記収容された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収容された液体と隣接するように配置されたカソードと、を有する。【選択図】図１
2019110101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
有機物を含有する液体を前記容器に散布する散水装置と、
前記容器に収容された、電解質を含有する液体と、
前記散水装置から散布された液体に接触する位置に、前記容器に収容された液体と接触して配置された、表面に電子供与微生物を担持したアノードと、
前記収容された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収容された液体と隣接するように配置されたカソードと、
を有する、
生物電気化学システム。
【請求項２】
前記散水装置は、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散水およびその停止、または散水量を調整する、請求項１に記載の生物電気化学システム。
【請求項３】
前記容器に収容された液体は、有機物をさらに含有し、
前記散水装置は、前記容器に収容された液体を散布する、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１〜３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１〜４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】
前記散水装置は、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５に記載の生物電気化学システム。
【請求項７】
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１〜４のいずれか１項に記載の生物電気化学システム。
【請求項８】
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１〜７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）、微生物電解セル（Microbial Electrolysis Cell：ＭＥＣ）、および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】
微生物燃料電池および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散水ろ床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。散水ろ床法は、好気性微生物を付着させたろ材に廃水を散水して、ろ材を廃水が通過する間に、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】
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、有機物を含有する液体を前記容器に散布する散水装置と、前記容器に収容された、電解質を含有する液体と、前記散水装置から散布された液体に接触する位置に、前記容器に収容された液体と接触して配置された、表面に電子供与微生物を担持したアノードと、前記収容された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収容された液体と隣接するように配置されたカソードと、を有する、生物電気化学システム。
［２］前記散水装置は、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散水およびその停止、または散水量を調整する、［１］に記載の生物電気化学システム。
［３］前記容器に収容された液体は、有機物をさらに含有し、前記散水装置は、前記容器に収容された液体を散布する、［１］または［２］に記載の生物電気化学システム。  
［４］前記アノードの形状は、ブラシ状もしくは繊維状またはこれらの組み合わせである、［１］〜［３］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
［５］前記生物電気化学システムは、微生物燃料電池である、［１］〜［４］のいずれかに記載の生物電気化学システム。
［６］前記曝気装置は、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、［５］に記載の生物電気化学システム。
［７］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］〜［４］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］〜［７］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１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断面図である。
【図２】図２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る。
【図３】図３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１は、本発明の一実施の形態に係る微生物燃料電池１００の構成を示す模式断面図である。
【００２１】
図１に示されるように、微生物燃料電池１００は、容器１１０、散水装置１２０、液体１３０、アノード１４０、膜電極接合体（ＭＥＡ）１５０、導線１７０および電流計１７５を有する。散水装置１２０は、揚水管１２２、ポンプ１２４、導水管１２６、散水器１２８および制御部１２９を有する。液体１３０は、電解質を含有する。アノード１４０は、電子供与微生物１４２を担持する。膜電極接合体１５０は、隔膜１５２、カソード１５４および浮き１５６を含む。アノード１４０とカソード１５４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。
【００２２】
容器１１０は、微生物燃料電池１００の本体部を構成し、液体１３０を収容する。容器１１０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。本実施の形態に係る微生物燃料電池１００では、従来の微生物燃料電池とは異なり、常時嫌気条件とするわけではないため、容器１１０は外部に開口していてもよい。
【００２３】
本実施形態では、容器１１０は、液体１３０の撹拌を促進する撹拌器１１５を有する。なお、散水により液体１３０が十分に撹拌されるような場合には、撹拌器１１５は不要である。
【００２４】
散水装置１２０は、揚水管１２２、ポンプ１２４、導水管１２６、散水器１２８および制御部１２９を有し、有機物を含有する液体を容器１１０（アノード１４０）に散布する。有機物は、アノード１４０が担持する電子供与微生物１４２の燃料となる有機物であり、電子供与微生物１４２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。有機物を含有する液体は、各種廃水をそのまま使用されてもよいし、電子供与微生物１４２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、必要に応じて燃料となる有機物を追加されてもよい。本実施形態では、容器１１０に収容された液体１３０は、燃料となる有機物を含んでおり、散水装置１２０は、容器１１０に収容された液体１３０を散布する。
【００２５】
揚水管１２２は、容器１１０に収容された液体１３０をポンプ１２４へ導く水路管である。揚水管１２２の形状および構成は、散布されるべき量の液体１３０をポンプ１２４へ導通させることができれば特に限定されない。なお、液体１３０を撹拌するため、揚水管１２２は、液体１３０のうち、より底面側の液体１３０を汲み上げてポンプ１２４へ導くことが好ましく、液体１３０の深さの半分より底面側の深さから液体１３０を汲み上げてポンプ１２４へ導くことが好ましい。
【００２６】
ポンプ１２４は、揚水管１２２を通じて容器１１０中の液体１３０を揚水し、散水器１２８へ供給する。ポンプ１２４の種類は、特に限定されず、必要とされる液体１３０の散布量などに応じて適宜選択されうる。
【００２７】
導水管１２６は、ポンプ１２４からの液体１３０を散水器１２８へ導く水路管である。導水管１２６の形状および構成は、散布されるべき量の液体１３０を散水器１２８へ導通させることができれば特に限定されない。
【００２８】
散水器１２８は、容器１１０の上部に配置され、ポンプ１２４から供給された液体１３０を容器１１０の底面に向けて散布する。散水器１２８は、たとえば、複数の散水ノズルを有する回転式または固定式の散水装置とすることができる。
【００２９】
制御部１２９は、ポンプ１２４から散水器１２８への液体の供給または停止、およびポンプ１２４から散水器１２８への液体の供給量を制御する。制御部１２９は、ポンプ１２４を連続的に稼働させてもよいが、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、ポンプ１２４を断続的に稼働させてもよい。また、制御部１２９は、散水器１２８への液体の供給量が一定となるようにポンプ１２４を稼働させてもよいが、散水器１２８への液体の供給量が変動するようにポンプ１２４を稼働させてもよい。
【００３０】
制御部１２９は、ポンプ１２４から散水器１２８への液体の供給または停止、およびポンプ１２４から散水器１２８への液体の供給量を、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１３０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１３０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１３０中の有機物の濃度は、電流計１７５が検出する、アノード１４０とカソード１５４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１２９は、アノード１４０とカソード１５４の間を流れる電流に応じて、ポンプ１２４の稼働およびその停止の間隔、ならびにポンプ１２４から散水器１２８への液体の供給量を制御してもよい。散水器１２８からの散水は、液体１３０中の有機物の分解を利用するために行われるため、液体１３０中の有機物の濃度が低下した場合は散水する必要はなく、窒素の除去効率を向上させる観点からは嫌気状態にするために散水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１２９は、電流の低下を検出したときにポンプ１２４の稼働を停止させたり、ポンプ１２４から散水器１２８への液体の供給量を少なくしたりしてもよい。このようにすることで、ポンプ１２４を稼働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１２９は、予め設定された好適な条件で散水するようにポンプ１２４の動作を制御してもよい。
【００３１】
なお、不図示のアンモニア濃度計で測定される、液体１３０中のアンモニア濃度が高い場合は、散水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。
【００３２】
液体１３０は、容器１１０内に収容された、１種または２種以上の有機物、電解質および電子伝達性介在物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１３０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。
【００３３】
本実施形態では、液体１３０は、燃料となる有機物および電子供与微生物１４２をさらに含んでいる。本実施形態では、容器１１０に収容された液体１３０は、ポンプ１２４で吸い上げて散水装置１２０から散布される。このとき、液体１３０が電子供与微生物１４２を含んでいると、散布されてアノード１４０に接触したときに、液体１３０からアノード１４０に電子供与微生物１４２を容易に付着させて担持させることができる。
【００３４】
アノード１４０は、散水器１２８と容器１１０の底面との間に、容器１１０に収容された液体１３０に接触するように配置される。これにより、アノード１４０は、散水器１２８から散水された液体および容器１１０に収容された液体１３０の両方に接触することができる。本実施の形態では、アノード１４０は、一部が容器１１０に収容された液体１３０の外部に露出し、一部が容器１１０に収容された液体１３０中に浸漬される。アノード１４０のうち、外部に露出した部分の長さ（液面からアノード１４０の頂部までの高さ）および液体１３０中に浸漬される部分の長さ（液面からアノード１４０の先端までの深さ）は、特に限定されない。なお、アノード１４０のうち、外部に露出した部分の長さは、より長いほど好気的な有機物分解が促進されるため好ましい。現実的には、電極の物理的強度およびポンプの容量などから、アノード１４０のうち、外部に露出した部分の長さは、通常１ｍ以上１５ｍ以下程度であり、４ｍ以上８ｍ以下であることが好ましい。また、アノード１４０のうち、液体１３０中に浸漬される部分の長さは、より長いほど嫌気的な有機物分解および発電によるエネルギー回収が促進されるため好ましく、アノード１４０のうち、液体１３０中に浸漬される部分は、容器１１０の底面までの長さを有することが好ましい。現実的には、電極の物理的強度およびポンプの容量などから、アノード１４０のうち、液体１３０中に浸漬される部分の長さは、通常１ｍ以上１０ｍ以下程度であり、３ｍ以上６ｍ以下であることが好ましい。なお、また、液体１３０を上面から見たときの、液体１３０の液面の面積に対するアノード１４０が占める面積の比率も、大きいことが好ましく、液体１３０の液面のうち、アノード１４０が占める面積は、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。
【００３５】
アノード１４０には、電子供与微生物１４２が担持される。電子供与微生物１４２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。有機性廃水や汚泥などを散水器１２８から散布する場合は、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散水器１２８から散布すれば、外部から添加することなく利用できる。電子供与微生物１４２は、微生物燃料電池１００の稼働前にあらかじめアノード１４０に担持させておいてもよいし、微生物燃料電池１００を稼働させることによって、容器１１０に収容された電子供与微生物１４２を含む液体１３０がポンプ１２４によって散水器１２８に供給され、散水器１２８から散布されてアノード１４０に接触することにより、アノード１４０に付与されてもよい。
【００３６】
なお、アノード１４０は、電子供与微生物１４２以外の微生物も保持できるので、廃水浄化作用を増強する微生物担体としても機能できる。
【００３７】
アノード１４０の素材および形状は、特に限定されず、電子供与微生物１４２の付着性や電子供与微生物１４２からの電子伝達度などに応じて適宜選択されうる。アノード１４０の素材の例には、炭素や金属、金属酸化物などが含まれる。アノード１４０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、繊維状などの立体形状が含まれる。なお、容器１１０に収容された液体１３０は、散水されたときに十分な量の有機物をアノード１４０に供給するため、適度な水流が生じることが望ましい。そのため、アノード１４０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１３０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１４２をより担持させやすくし、かつ、液体１３０の適度な水流を阻害しにくくする観点からは、アノード１４０の形状は、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、繊維を束ねたりするなど、これらの形状を組み合わせてなることが好ましい。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１４０の素材の例には、カーボン繊維、カーボンペーパー、グラファイト板、カーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイトフェルト、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１３０の水流を阻害しにくいようなアノード１４０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１４０の表面における各元素の濃度と、アノード１４０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。
【００３８】
アノード１４０に電子供与微生物１４２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）。これにより、アノード１４０のうち、液体１３０と接触する部位のみならず、液体１３０の外部に露出した部位においても、嫌気状態となっているバイオフィルムの内部において電流の生産が可能である。
【００３９】
膜電極接合体１５０は、カチオン透過性を有する隔膜１５２と、ガス透過性を有するカソード１５４とを含む。隔膜１５２およびカソード１５４は、一体化されて膜電極接合体１５０を構成する。膜電極接合体１５０は、隔膜１５２が液体１３０に接触し、カソード１５４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１５６に設けられた貫通孔を塞ぐように浮き１５６の下側に隔膜１５２が固定されており、浮き１５６の貫通孔内において隔膜１５２上にカソード１５４が積層される。その結果、膜電極接合体１５０は、液体１３０の表面に浮いて配置される。膜電極接合体１５０は、図１では、液体１３０の表面（液面）と平行となるように配置されるが、隔膜１５２の下に気泡が留まることを抑制するために液体１３０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。
【００４０】
隔膜１５２は、カチオンを選択的に透過させうる膜であり、液体１３０とカソード１５４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１５６に形成された貫通孔を塞ぐように浮き１５６の下側に隔膜１５２が固定される。隔膜１５２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１５２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。
【００４１】
カソード（エアカソード）１５４は、隔膜１５２を挟んで液体１３０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１５６に形成された貫通孔内において隔膜１５２上にカソード１５４が積層される。カソード１５４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１５４の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。カソード１５４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１５４の表面における各元素の濃度と、カソード１５４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。
【００４２】
浮き１５６は、液体１３０の表面（液面）に浮いて、隔膜１５２およびカソード１５４を直接または間接的に支持する。その結果、アノード１４０は、液体１３０の中に浮いて配置され、隔膜１５２およびカソード１５４は、液体１３０の表面に浮いて配置される。すなわち、アノード１４０、隔膜１５２およびカソード１５４と、浮き１５６とは、一つの浮遊体を構成する。浮き１５６の素材および形状は、アノード１４０、隔膜１５２およびカソード１５４を液体１３０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１５６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１５６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。
【００４３】
電流計１７５は、導線１７０に設置されて、アノード１４０とカソード１５４の間を流れる電流を測定する。
【００４４】
その他、微生物燃料電池１００は、液体１３０の温度を測る温度計や液体１３０のｐＨを測るｐＨメーター、液体１３０中の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素計（ＤＯ計）、液体１３０中のアンモニウムイオンや硝酸イオンなどの濃度を測るイオンセンサーなどの計器類をさらに有していてもよい。この場合、制御部１２９は、液体１３０の温度（電子供与微生物１４２の活性と相関する）や液体１３０のｐＨ（液体１３０中のアンモニア濃度と相関する）、液体１３０の酸化還元電位（ＯＲＰ）（液体１３０が嫌気状態なのか好気状態なのかと相関する）、液体１３０の溶存酸素濃度（液体１３０が嫌気状態なのか好気状態なのかと相関する）などの情報に基づいて液体１３０に含まれる有機物の濃度をより高感度で検出することが可能となり、より適切に散水条件を設定することができるようになる。
【００４５】
（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。
【００４６】
ポンプ１２４により、容器１１０に収容された液体１３０を揚水して散水器１２８に供給させて、本実施形態に係る微生物燃料電池１００を稼働させると、アノード１４０に担持された電子供与微生物１４２により形成されたバイオフィルムの内部では、電子供与微生物１４２が有機物（例えば酢酸）を二酸化炭素に分解する際に、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、散布された液体１３０の流れによって容器１１０に収容された液体１３０の内部に移動し、隔膜１５２を透過してカソード１５４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１４０で回収されて、外部回路を経由してカソード１５４に移動する。また、カソード１５４は通気性を有するため、カソード１５４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１５４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。
【００４７】
本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、有機物を含有する液体をアノード１４０に散布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、アノード１４０が、外気に触れる位置で有機物を含有する液体１３０に接触する。そのため、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、バイオフィルムの内部での嫌気処理による発電および有機物の分解に加えて、バイオフィルムのうち外縁部の外気に触れる領域での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）。
【００４８】
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）。アノード１４０に電子供与微生物１４２が担持されて形成されるバイオフィルムは、外表面の近傍が好気状態になっており、内部が嫌気状態になっている。そのため、アノード１４０では、アンモニアから硝酸または亜硝酸への反応がバイオフィルムの外表面の近傍で進行し、嫌気性細菌であ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がバイオフィルムの内部で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）。
【００４９】
（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、散水装置１２０によって液体を散水することにより、アノード１４０のうち液体１３０から露出した部位が好気状態となり、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、アノード１４０のうち液体１３０に接触する部位、アノード１４０に付着した電子供与微生物１４２が形成するバイオフィルムの内部、および容器１１０に収容された液体１３０の内部では、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。
【００５０】
また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、散水装置１２０によって液体を揚水および散水しながら稼働するため、液体１３０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。
【００５１】
また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、より低電力で行える散水によりアノード１４０の表面に好気状態を形成できため、標準活性汚泥法による有機物の除去を行う際に問題となる消費電力の増大が、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標準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。
【００５２】
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１３０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１３０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。
【００５３】
また、本実施形態に係る微生物燃料電池１００では、アノード１４０、隔膜１５２およびカソード１５４が容器１１０の壁面の一部を構成することなく液体１３０の中または表面に浮いている。このため、液体１３０の圧力の増大によるアノード１４０、隔膜１５２およびカソード１５４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１３０の量に関係なく、アノード１４０およびカソード１５４の全面が常に液体１３０と直接または隔膜１５２を介して接触することから、液体１３０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。
【００５４】
さらに、本実施形態に係る微生物燃料電池１００は、アノード１４０およびカソード１５４（膜電極接合体１５０）を、従来の散水ろ床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。
【００５５】
また、本実施形態では、カソード１５４を液体１３０の中または表面に浮かすための浮き１５６を有する微生物燃料電池１００について説明したが、浮き１５６は必須の構成要件ではない。たとえば、隔膜１５２またはカソード１５４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。
【００５６】
また、本実施形態では、隔膜１５２を有する微生物燃料電池１００について説明したが、隔膜１５２は必須の構成要件ではない。すなわち、カソード１５４は、アノード１４０と接触してはいけないが、液体１３０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１５２はあることが好ましい。
【００５７】
また、本実施形態では、容器１１０に収容されている液体１３０をポンプ１２４によって揚水して散水器１２８から散布する微生物燃料電池１００について説明したが、有機物を含有する液体は、容器１１０に収容されている液体１３０ではなく、廃水を外部からポンプ１２４によって散水器１２８に供給して散布してもよい。このときも、電子供与微生物１４２は、微生物燃料電池１００の稼働前にあらかじめアノード１４０に担持させておいてもよいし、微生物燃料電池１００を稼働させることによって、外部からの廃水がポンプ１２４によって散水器１２８に供給され、散水器１２８から散布されてアノード１４０に接触することにより、アノード１４０に付与されてもよい。
【００５８】
［第２の実施形態］
図２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、散水装置２２０、液体２３０、アノード（負極、作用極）２４０、カソード（正極、対極）２５０、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、導線２７０および電流計２７５を有する。を有する。アノード２４０、カソード２５０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２３０は、有機物および電子供与微生物２４２を含む。
【００５９】
容器２１０は、微生物電解セル２００の本体部を構成し、液体２３０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。
【００６０】
本実施形態でも、容器２１０は、液体２３０の撹拌を促進する撹拌器２１５を有する。なお、散水により液体２３０が十分に撹拌されるような場合には、撹拌器２１５は不要である。
【００６１】
散水装置２２０は、有機物を含有する液体を容器２１０に散布する。有機物は、アノード２４０が担持する電子供与微生物２４２の燃料となる有機物であり、電子供与微生物２４２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。有機物を含有する液体は、各種廃水をそのまま使用されてもよいし、電子供与微生物２４２の維持および増殖のため、また微生物電解セル２００を連続して稼働させるため、必要に応じて燃料となる有機物を追加されてもよい。散水装置２２０は、第１の実施形態に係る微生物燃料電池１００の散水装置２２０と同様の、揚水管２２２、ポンプ２２４、導水管２２６、散水器２２８および制御部２２９を有する構成であり、動作を同様に制御される。
【００６２】
液体２３０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２４２を含む。液体２３０は、第１の実施形態に係る微生物燃料電池１００の液体１３０と同様のものである。
【００６３】
アノード２４０は、散水器２２８と容器２１０の底面との間に、容器２１０に収容された液体２３０に接触するように配置される。これにより、アノード２４０は、散水器２２８から散水された液体２３０に接触することができる。本実施の形態では、アノード２４０は、一部が容器２１０に収容された液体２３０の外部に露出し、一部が容器２１０に収容された液体２３０中に浸漬される。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。
【００６４】
カソード２５０は、液体２３０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２５０は、液体２３０中に浸漬される。カソード２５０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２５０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２５０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２５０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２５０の表面における各元素の濃度と、カソード２５０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。
【００６５】
参照電極２８０は、液体２３０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２３０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。
【００６６】
ポテンショスタット２９２は、アノード２４０、カソード２５０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）２５０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）２５０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２５０に流れ、カソード２５０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）２４０の電極電位は、カソード２５０の電極電位よりも常に所定の電位差で低い。
【００６７】
水素回収部２９４は、カソード２５０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２３０中においてカソード２５０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。
【００６８】
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。
【００６９】
電流計２７５は、導線２７０に設置されて、アノード２４０とカソード２５０の間を流れる電流を測定する。
【００７０】
（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。
【００７１】
ポンプ２２４により、容器２１０に収容された液体２３０を揚水して散水器２２８に供給させて、かつ、ポテンショスタット２９２により、アノード（作用極）２４０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２４０とカソード２５０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、アノード２４０に担持された電子供与微生物２４２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、散布された液体２３０の流れによって容器２１０に収容された液体２３０の内部に移動し、カソード２５０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２４０で回収されて、外部回路を経由してカソード２５０に移動する。このような状況において、カソード２５０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。
【００７２】
（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、散水装置２２０によって液体を散水することにより、アノード２４０のうち液体２３０から露出した部位を好気状態となり、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、アノード２４０のうち液体２３０に接触する部位、アノード２４０に付着した電子供与微生物２２２が形成するバイオフィルムの内部、および容器２１０に収容された液体２３０の内部では、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電解セル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電解セル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。
【００７３】
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２３０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、散水により低電力で好気状態を形成でき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２３０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。
【００７４】
また、本実施形態に係る微生物電解セル２００も、アノード２４０、カソード２５０、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、従来の散水ろ床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。
【００７５】
なお、本実施の形態では、アノード２４０とカソード２５０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２９８を配置してもよい（図３参照）。この場合は、電源２９８は、アノード２４０およびカソード２５０に電気的に接続され、アノード２４０からカソード２５０に電子が流れるように、アノード２４０とカソード２５０との間に電圧を印加する。参照電極２８０は、不要である。
【００７６】
電源２９８は、アノード２４０およびカソード２５０に電気的に接続されており、アノード２４０の電位がカソード２５０の電位よりも低くなるように、アノード２４０とカソード２５０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２３０を使用した場合、アノード２４０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２５０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２４０とカソード２５０との間に印加することで、電子をアノード２４０から外部回路を介して最終的にカソード２５０に伝達させ、カソード２５０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２４０とカソード２５０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２４０とカソード２５０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。
【００７７】
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。
【００７８】
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】
【００７９】
１．微生物電解セルの作製
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。
【００８０】
【表１】
2019110101.tif 000003
【００８１】
容器内の人工廃水中に、アノード（作用極、負極）としての長さ４０ｃｍの炭素繊維を束ねてなる電極、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。アノードは、２０ｃｍが液面から持ち上がるよう配置し、残りの２０ｃｍは人工廃水の表面に浮遊させた。アノードの直上には散水器を設置した。容器内の人口廃水をポンプで揚水して散水器に供給し、容器の底面に向けて散布して、散布された人口廃水をアノードに接触させるようにした。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。
【００８２】
２．微生物電解セルの評価
室温で、ポンプを稼働させて１３０ｍＬ／ｍｉｎの人口廃水を散水器から散布させながら、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。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。
【００８３】
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、１９時間後に最大電流である４５ｍＡが得られ、その後は低下して３０時間後には約０ｍＡになったことがわかる。
【００８４】
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１５０ｍｇ／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。
【００８５】
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。
【００８６】
図６は、本実験に用いた微生物電解セルにおけるＴＮの濃度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の濃度が試験開始直後の１０１ｍｇ／Ｌから３８時間後には５３ｍｇ／Ｌに低下し、１６４時間後には３０ｍｇ／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。
【００８７】
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１２.０％だった。電子供与微生物による作用を伴わない通常の散水ろ床法では、この約１３．９％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８８．０％（１００％−１２．０％）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、通常の散水ろ床法よりも約１４％（１００／８８.０）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顕著に高いこともわかる。
【００８８】
また、２４時間の稼働により、約２．７Ｌ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】
【００８９】
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】
【００９０】
１００  微生物燃料電池
１１０、２１０  容器
１１５、２１５  撹拌器
１２０、２２０  散水装置
１２２、２２２  揚水管
１２４、２２４  ポンプ
１２６、２２６  導水管
１２８、２２８  散水器
１２９、２２９  制御部
１３０、２３０  液体
１４０、２４０  アノード
１４２、２４２  電子供与微生物
１５０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１５２  隔膜
１５４、２５０  カソード
１５６  浮き
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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