(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する被処理液を保持するための処理槽とともに液体処理装置を構成し、前記処理槽の内部に位置したときに、前記被処理液と接触する面に、前記有機物及び前記窒素含有化合物の少なくとも一方を酸化して前記水素イオン及び電子を生成する嫌気性微生物が担持される液体処理ユニットであって、
第一の面及び第二の面を有し、前記第一の面と前記第二の面との間に水素イオンが移動する空間を有し、さらに前記第一の面と前記第二の面とが電気的に接続され、かつ、短絡している導電体と、
前記第二の面に配置され、前記第二の面に酸素を供給し、さらに酸素供給量を調整する構造体と、
を備え、
前記被処理液と接触する面は前記第一の面である、液体処理ユニット。
【請求項２】
前記導電体は、前記第二の面に酸素還元触媒を担持している請求項１に記載の液体処理ユニット。
【請求項３】
前記導電体は、多孔質の導電体シートを備える請求項１又は２に記載の液体処理ユニット。
【請求項４】
前記導電体は、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートの少なくとも一方を備える請求項１又は２に記載の液体処理ユニット。
【請求項５】
前記導電体の少なくとも一部の表面のうち、前記第一の面と前記第二の面との間に位置している前記空間の部分は、電気絶縁性材料で覆われている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体処理ユニット。
【請求項６】
前記構造体は撥水性能を有するシートである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体処理ユニット。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の液体処理ユニットと、
前記処理槽と、
を備え、
前記液体処理ユニットにおける導電体の第一の面は、前記処理槽の内部に位置している液体処理装置。
【請求項８】
前記導電体は、前記第一の面に嫌気性微生物群を担持し、前記第二の面に酸素還元触媒を担持している請求項７に記載の液体処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体処理ユニット及び液体処理装置に関する。詳細には本発明は、廃水を浄化するための液体処理ユニット及び液体処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、廃水中に含まれる有機物等を除去するために、種々の水処理方法が提供されている。具体的には、微生物の好気呼吸を利用する活性汚泥法や、微生物の嫌気呼吸を利用する嫌気性処理法などの水処理方法が提供されている。【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とで、廃水を浄化している。しかし、活性汚泥法は、生物反応槽のエアレーションに莫大な電力を要する。また、微生物が酸素呼吸をして活発に代謝を行う結果、産業廃棄物である大量の汚泥（微生物の死骸）が発生してしまう。【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を大幅に低減することができる。また、微生物が獲得する自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量が減少する。このような嫌気性処理法を利用した廃水処置装置としては、水素吸蔵合金の粒子を使用した担体に嫌気性微生物を付着させた装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−４７４９４号公報
【発明の概要】
【０００６】
しかしながら、従来の嫌気性処理法では、嫌気呼吸の産物として、可燃性で特有の臭気があるメタンガスを多量に含むバイオガスが発生するという問題があった。
【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、汚泥発生量を低減でき、かつ、バイオガスの発生を抑制することが可能な液体処理ユニット及びそれを用いた液体処理装置を提供することにある。
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第一の態様に係る液体処理ユニットは、有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する被処理液を保持するための処理槽とともに液体処理装置を構成し、前記処理槽の内部に位置したときに、前記被処理液と接触する面に、前記有機物及び前記窒素含有化合物の少なくとも一方を酸化して前記水素イオン及び電子を生成する嫌気性微生物が担持される。そして、当該液体処理ユニットは、第一の面及び第二の面を有し、前記第一の面と前記第二の面との間に水素イオンが移動する空間を有し、さらに前記第一の面と前記第二の面とが電気的に接続され、かつ、短絡している導電体と、前記第二の面に配置され、前記第二の面に酸素を供給し、さらに酸素供給量を調整する構造体とを備え、前記被処理液と接触する面は前記第一の面である。
【０００９】
本発明の第二の態様に係る液体処理装置は、上記液体処理ユニットと、上記処理槽とを備え、液体処理ユニットにおける導電体の第一の面は処理槽の内部に位置している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る液体処理装置の一例を示す概略断面図である。
【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ユニット及びそれを用いた液体処理装置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】
本実施形態に係る液体処理装置１０は、図１に示すように、電気化学反応により被処理液９中の成分、例えば有機物を分解する液体処理ユニット１と、被処理液９を保持するための処理槽７とを備えている。
【００１３】
液体処理ユニット１は、第一の面２及び第二の面３を有する導電体５を備える。具体的には、液体処理ユニット１は、第一の面２と、第一の面２と反対側の第二の面３とを有する略直方体状の導電体５を備える。第一の面２及び第二の面３は、導電体５の外表面を規定する面であり、例えば導電体５の外表面が多孔質体の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、第一の面２は、導電体５の内部における水素イオン及び電子の移動方向の上流側に位置する面であり、第二の面３は下流側に位置する面である。また、導電体５の第一の面２及び第二の面３は、処理槽７の内部に位置している。
【００１４】
さらに導電体５は、第一の面２と第二の面３との間に、水素イオン（Ｈ＋）が移動するための空間４を有する。つまり、導電体５の内部には、厚さ方向に連続した空間（空隙）が存在しているため、第一の面２で生成した水素イオンが第二の面３へ移動することができる。
【００１５】
導電体５の構成は、内部に空間４を有し、さらに第一の面２から第二の面３に向かって電気的に接続されていれば特に限定されない。また、導電体５は、第一の面２から第二の面３に向かって連続して延びていてもよい。あるいは、導電体５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、導電体５は、複数の導電層を積層し、電気的に接続させた構成であってもよい。導電体５における第一の面２と第二の面３との間の電気抵抗が低く抑えられていると、有機物の分解により生成した電子が移動しやすくなり、より高い処理効率が得られる。
【００１６】
さらに、導電体５を構成する材料の少なくとも一部は、第一の面２から第二の面３に向かって連続して伸びていてもよく、さらに空間４を横切るように伸びていてもよい。つまり、導電体５を構成する材料の少なくとも一部は、導電体５と後述する構造体６との積層方向に垂直な方向に延びていてもよい。
【００１７】
導電体５の材料は、導電性を確保できるならば特に限定されないが、例えば導電性金属、炭素材料及び導電性ポリマー材料からなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。導電性金属としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。また、炭素材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス及びグラファイトホイルからなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。さらに導電性ポリマー材料としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール及びポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）からなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。
【００１８】
上述のように、導電体５は、第一の面２と第二の面３との間に水素イオンが移動するための空間４を有する必要があるため、導電体５と構造体６との積層方向に連続した空間（空隙）を有することが好ましい。このような空間を確保するために、導電体５は、多孔質の導電体シートを備えることが好ましい。また、導電体５は、多孔質の導電体シートからなることがより好ましい。このような多孔質の導電体シートは、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。
【００１９】
なお、導電体５は、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートの少なくとも一方を備えることが好ましい。織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートは、多数の細孔を有しているため、水素イオンの移動を容易にすることができる。また、導電体５は、第一の面２から第二の面３にかけて、複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。
【００２０】
なお、導電体５は、不織布状の導電体シートを備えることがより好ましく、不織布状の導電体シートからなることが特に好ましい。不織布はその厚みや空隙率を変更しやすいため、後述するように、導電体５の第一の面２に嫌気性微生物群８を担持し、第二の面３に酸素還元触媒を担持した構成を容易に得ることが可能となる。なお、導電体５における空間４の細孔径は、第一の面２から第二の面３に水素イオンが移動できれば特に限定されない。
【００２１】
本実施形態の液体処理装置１０では、嫌気性微生物群８を利用して、被処理液９に含有されている有機物や窒素含有化合物の酸化分解を行う。そのため、導電体５の第一の面２は、嫌気性微生物群８を担持していることが好ましい。つまり、導電体５の第一の面２に嫌気性微生物群８が付着していることが好ましい。嫌気性微生物群８が担持されていることにより、後述するように、局部電池反応を利用して被処理液９の浄化を効率的に行うことができる。なお、嫌気性微生物群８は、必ずしも導電体５に担持されている必要はなく、処理槽７内の被処理液９に浮遊していても同様の効果を発揮することができる。
【００２２】
液体処理ユニット１は、上述の導電体５に加え、導電体５の第二の面３に配置され、酸素供給量を調整する構造体６を備えている。構造体６は酸素透過性を有し、導電体５の第二の面３に酸素を供給する機能を有する。さらに構造体６は、導電体５の第二の面３と対向する面６ａと、面６ａと反対側の面６ｂとを有する略直方体の形状となっている。そして、構造体６における第二の面３と対向する面６ａは、図１に示すように処理槽７の内部に位置し、反対側の面６ｂは処理槽７の外部に位置している。
【００２３】
構造体６は、導電体５における第二の面３の表面に、部分的に又は連続的に配置されていることが好ましい。ただ、後述する局部電池反応を促進するために、構造体６は、導電体５における第二の面３の全体を覆うように配置されていることがより好ましい。
【００２４】
導電体５の第二の面に効率的に酸素を供給するために、図１に示すように、構造体６は、導電体５と接触していることが好ましい。つまり、構造体６における第二の面３と対向する面６ａが、導電体５の第二の面３と接触していることが好ましい。これにより、構造体６における第二の面３に直接酸素が供給されるため、後述する局部電池反応が進行しやすくなる。ただ、導電体５の第二の面に効率的に酸素を供給されるならば、導電体５の第二の面３と構造体６の面６ａとの間に隙間が存在していてもよい。
【００２５】
また、構造体６は、撥水性能を有することが好ましい。さらに構造体６は、撥水性能を有するシートであることがより好ましい。図１に示すように、構造体６は、処理槽７の内部に保持された被処理液（液相）９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９中の有機物や窒素含有化合物が気相側に移動することを抑制するとともに、気相側の酸素分子が被処理液９に過度に移動することを抑制できる。このため、処理槽７内を、より確実に分子状酸素が存在し難い嫌気性条件に保つことができる。この結果、処理槽７内において好気性微生物の繁殖が抑えられるので、確実に嫌気性条件下で液体処理を行うことが可能となる。
【００２６】
構造体６が被処理液９と気相とを分離する構成としては、図１に示すように、構造体６の側面全体が処理槽７の上面７ｃの端部７ｄと接合された構成とすることができる。これにより、処理槽７の端部７ｄから被処理液９が漏出することを抑制できる。
【００２７】
構造体６の材料としては、酸素供給量を調整する機能、つまり酸素透過性を有し、さらに好ましくは撥水性能を有する材料であれば特に限定されない。構造体６の材料としては、例えばシリコーンゴム及びポリジメチルシロキサンの少なくともいずれか一方を用いることができる。これらの材料は、シリコーンの分子構造に由来する高い酸素溶解性及び酸素拡散性を有しているため、酸素透過性に優れている。さらにこれらの材料は、表面自由エネルギーが小さいため、撥水性能にも優れている。
【００２８】
また、構造体６としては、防水透過膜などの不織布や、ポリエチレン及びポリプロピレンの不織布も用いることができる。具体的には、構造体６としては、ポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーを複合化してなるゴアテックス（登録商標）を用いることができる。
【００２９】
本実施形態に係る液体処理装置は、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又は除去する装置を広く含むものである。そして、液体処理装置１０は、上述の液体処理ユニット１と、被処理液９を保持するための処理槽７とを備えている。さらに図１に示すように、処理槽７は開口部を有する上面７ｃを備え、開口部の端部７ｄは構造体６の側面全体と接合されている。上述のように、構造体６は、処理槽７の内部に保持された被処理液９と、酸素を含む気相とを分離するため、処理槽７内は、例えば分子状酸素の存在量が少ない嫌気性条件に保たれている。これにより、処理槽７内において、被処理液９を空気中の酸素と接触し難いように保持することが可能となる。
【００３０】
処理槽７は、その内部を被処理液９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７には、被処理液９を処理槽７に供給するための液体供給口７ａと、処理後の被処理液９を処理槽７から排出するための液体排出口７ｂとが設けられていてもよい。
【００３１】
なお、本実施形態に係る液体処理装置で処理する被処理液としては、例えば、有機物、窒素を含む化合物（窒素含有化合物）、又はその両方を含有する液体とすることができる。また、被処理液は電解液であってもよい。
【００３２】
次に、本実施形態に係る液体処理装置の作用について説明する。本実施形態の液体処理装置１０は、第一の面２及び第二の面３を有し、さらに第一の面２と第二の面３との間に水素イオンが移動する空間４を有する導電体５と、第二の面３に配置され、酸素供給量を調整する構造体６とを備える液体処理ユニットを有している。また、本実施形態に係る液体処理装置１０は、液体処理ユニット１と、被処理液９を保持するための処理槽７とを備え、液体処理ユニットにおける導電体の第一の面２は処理槽の内部に位置している。このような構成の液体処理装置１０では、導電体５の第一の面２側において、嫌気性微生物群８の代謝を利用して、被処理液９に含まれる有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方の酸化反応を行う。酸化反応により生成した水素イオン（Ｈ＋）は、導電体５の内部の空間４を通って、導電体５の第二の面３側に移送される。さらに酸化反応により生成した電子（ｅ−）は、導電体５を通って第二の面３側に移送される。
【００３３】
また、構造体６の内部を通じて、液体処理装置１０の外部に存在する空気中の酸素が導電体５の第二の面３側に移送される。そして、導電体５の第二の面３において、第一の面２側から移送された電子及び水素イオンが、構造体６によって移送された酸素分子と反応し、酸素の還元反応が生じる。このように、導電体５の第一の面２側で有機物及び窒素含有化合物の酸化反応が進行し、第二の面３側で酸素の還元反応が進行し、液体処理装置全体として局部電池回路が形成される。
【００３４】
このように、本実施形態の液体処理装置１０は、電子移動反応を介して、被処理液９に含まれる成分（有機物又は窒素含有化合物）を効率的に酸化分解できる。具体的には、被処理液９に含まれる有機物及び／又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され除去される。そして、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）ガスであるため、メタンガスの生成を抑制できる。
【００３５】
さらに本実施形態の液体処理装置１０では、微生物燃料電池に通常設けられる外部回路などの配線、集電体及び昇圧システムなどを設ける必要がないため、より簡易な構成とすることができる。また、液体処理ユニット１の構成も簡易なものとなるため、全体の厚みを小さくでき、液体処理装置１０の小型化を達成することができる。
【００３６】
ここで、本実施形態で利用する局部電池反応の一例をより詳しく説明する。処理槽７に保持されている被処理液９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９中の当該成分の一部は、導電体５の第一の面２の近傍において、嫌気性微生物群８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及び水素イオンを放出する。生成した電子は、第一の面２から導電体５を通って、第二の面３へと移動する。また、生成した水素イオンは、導電体５の内部の空間４を通過し、第二の面３側に移動する。一方、導電体５の第二の面３の近傍では、構造体６によって移送された酸素分子が移動してきた電子及び水素イオンと結合し、水分子が生成する。
【００３７】
例えば、被処理液９が有機物としてグルコースを含有する場合、上述した局部電池反応（半セル反応）は、以下の式で表される。
・導電体５の第一の面２（アノード）：Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｈ２Ｏ→６ＣＯ２＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−
・導電体５の第二の面３（カソード）：６Ｏ２＋２４Ｈ＋＋２４ｅ−→１２Ｈ２Ｏ
【００３８】
また、被処理液９が窒素含有化合物としてアンモニアを含有する場合、局部電池反応は、以下の式で表される。
・導電体５の第一の面２（アノード）：４ＮＨ３→２Ｎ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
・導電体５の第二の面３（カソード）：３Ｏ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−→６Ｈ２Ｏ
【００３９】
そして、液体処理装置１０では、導電体５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５の第一の面２をアノード、第二の面３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１０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、集電体及び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。さらに本実施形態では、アノード（第一の面２）とカソード（第二の面３）とを短絡し、発電を行わないため、被処理液の処理効率をさらに向上することが可能となる。
【００４０】
本実施形態の液体処理ユニット１において、導電体５の少なくとも一部の表面は、電気絶縁性材料で覆われていることが好ましい。具体的には、導電体５の表面のうち、第一の面２と第二の面３との間に位置している空間４の部分は、電気絶縁性材料で覆われていることが好ましい。これにより、空間４において、導電体５を通る電子と、空間４を通る水素イオンとの接触をより確実に抑制できる。したがって、電子及び水素イオンが、導電体５の第一の面２側から第二の面３側に移動する間に反応することを抑制でき、電子及び水素イオンを効率よく第二の面３側に導くことができる。なお、導電体５の表面のうち、第一の面２及び第二の面３以外の部分全体が電気絶縁性材料で覆われていてもよい。電気絶縁性材料としては電気絶縁性が得られるならば特に限定されないが、例えば天然ゴム、合成樹脂、ガラス繊維などを用いることができる。
【００４１】
図１に示す液体処理装置１０では、導電体５の第一の面２側における、被処理液９に含まれる有機物及び窒素含有化合物の酸化反応を、嫌気性微生物群８を用いて行っている。しかし、被処理液９に含まれる有機物等の酸化反応は、酸化触媒のような触媒材料を利用して行ってもよい。つまり、当該有機物等の酸化反応は、嫌気性微生物群又は触媒材料を利用して行ってもよく、嫌気性微生物群及び触媒材料の両方を利用して行ってもよい。この場合、酸化触媒は、導電体５の第一の面２に担持してもよい。
【００４２】
また、導電体５は、第二の面３に酸素還元触媒を担持してもよい。これにより、構造体６によって移送された酸素と、導電体５の内部の空間４を透過し、第二の面３側に移動した水素イオンとの反応を促進し、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。また、上述のように、構造体６は空気中の酸素を透過する。そして、第二の面３に酸素還元触媒を担持した場合、当該酸素が酸素還元触媒によって消費されやすくなるため、被処理液９への酸素の混入がより抑制され、処理槽７の内部を高い嫌気状態に保つことが可能となる。
【００４３】
導電体５に担持され得る酸素還元触媒は特に限定されないが、白金を含有することが好ましい。また、酸素還元触媒は、少なくとも一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。また、金属原子は、例えば鉄原子、銅原子などであってもよい。
【００４４】
ここで、本実施形態に係る導電体５の第一の面２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７内の被処理液９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、嫌気性微生物から導電体５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。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。
【００４５】
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９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５へと受け渡す。この結果、被処理液９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。なお、メディエーター分子が導電体５の第一の面２に担持されていても同様の効果が得られる。
【００４６】
このようなメディエーター分子は特に限定されないが、ニュートラルレッド（ｎｅｕｔｒａｌ  ｒｅｄ）、ａｎｔｈｒａｑｕｉｎｏｎｅ−２，６−ｄｉｓｕｌｆｏｎａｔｅ（ＡＱＤＳ）、チオニン（ｔｈｉｏｎｉｎ）、フェリシアン化カリウム（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ  ｆｅｒｒｉｃｙａｎｉｄｅ）、及びメチルビオローゲン（ｍｅｔｈｙｌ  ｖｉｏｌｏｇｅｎ）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。
【００４７】
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。また、本実施形態に係る液体処理装置は、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。
【００４８】
特願２０１４−１９６９７７号（出願日：２０１４年９月２６日）の全内容は、ここに援用される。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の液体処理ユニット及び液体処理装置は、局部電池反応を利用して被処理液中の有機物等を酸化分解するため、汚泥発生量を低減でき、さらに可燃性で特有の臭気があるメタンガスを多量に含むバイオガスの発生を抑制することができる。また、微生物燃料電池に通常設けられる外部回路などを設ける必要がないため、簡易な構成とすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  液体処理ユニット
２  第一の面
３  第二の面
４  空間
５  導電体
６  構造体
７  処理槽
８  嫌気性微生物群
９  被処理液
１０  液体処理装置
【図１】
0006447932.tif 000002