JP2016198692A - 汚染水処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】汚染水とは別に用意した微生物を用いて汚染水を処理し、汚染水に浮遊する汚染水処理装置を提供する。
【解決手段】汚染水層２ａに浮遊する汚染水処理装置１は、空気に接触する内側面１０ａと、汚染水層２ａに接触する外側面１０ｂと、内側面１０ａに配置されたカソード電極（白金）４０と、内側面１０ａと外側面１０ｂとの間に配置され、微生物を収容する微生物収容体（グラフェン）２０と、微生物収容体に接触するアノード電極（黒鉛またはチタン）３０とを備える。カソード電極４０とアノード電極３０とは外部で電気的に接続されている。外側面１０ｂは、例えばメッシュであり、汚染水を透過するが、微生物収容体２０を通過させない。
【選択図】図２

Description

本発明は、汚染水の微生物による処理に関する。
従来より、汚染水を微生物によって処理することが知られている。例えば、特許文献１には、汚染水に浮遊するタイプの微生物燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１の[0038]参照）。汚染水には、電気化学的に活性化した微生物(EAB)が含まれており、EABは有機的な汚染物質を酸化する（例えば、特許文献１の[0043]参照）。
また、廃水などに生息し発電する微生物をグラフェン上に培養することも知られている（例えば、特許文献２の要約を参照）。
米国特許出願公開第２０１１／３３７５７号明細書 国際公開第２０１３／７３２８４号
しかしながら、上記の特許文献１のような汚染水に浮遊する微生物燃料電池においては、汚染水内の微生物を汚染水の処理に使用するものであり、汚染水とは別に用意した微生物（例えば、特許文献２に記載の培養した微生物）を汚染水の処理に使用するものではない。
例えば、特許文献２に記載のようなグラフェン上に培養された微生物を汚染水の処理に使用したいという要求もある。
そこで、本発明は、汚染水とは別に用意した微生物を用いて汚染水を処理し、汚染水に浮遊する汚染水処理装置を提供することを課題とする。
本発明にかかる第一の汚染水処理装置は、汚染水に浮遊する汚染水処理装置であって、空気に接触し、前記汚染水を透過しない内側面と、前記汚染水に接触する外側面と、前記内側面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触するカソード電極と、前記内側面と前記外側面との間に配置され、微生物を収容する微生物収容体と、前記微生物収容体に接触するアノード電極とを備え、前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されており、前記外側面は、前記汚染水を透過し、前記微生物収容体を通過させないように構成される。
上記のように構成された第一の汚染水処理装置によれば、汚染水に浮遊する汚染水処理装置が提供される。内側面が、空気に接触し、前記汚染水を透過しない。外側面が、前記汚染水に接触する。カソード電極が、前記内側面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触する。微生物収容体が、前記内側面と前記外側面との間に配置され、微生物を収容する。アノード電極が、前記微生物収容体に接触する。前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されている。前記外側面は、前記汚染水を透過し、前記微生物収容体を通過させない。
本発明にかかる第二の汚染水処理装置は、汚染水処理モジュールを汚染水の深さ方向に連結し、全体としては汚染水に浮遊する汚染水処理装置であって、前記汚染水処理モジュールは、空気に接触し、前記汚染水を透過しない内側面と、前記汚染水に接触する外側面と、前記内側面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触するカソード電極と、前記内側面と前記外側面との間に配置され、微生物を収容する微生物収容体と、前記微生物収容体に接触するアノード電極とを備え、前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されており、前記外側面は、前記汚染水を透過し、前記微生物収容体を通過させないように構成される。
上記のように構成された第二の汚染水処理装置によれば、汚染水処理モジュールを汚染水の深さ方向に連結し、全体としては汚染水に浮遊する汚染水処理装置が提供される。前記汚染水処理モジュールにおいては、内側面が、空気に接触し、前記汚染水を透過しない。外側面が、前記汚染水に接触する。カソード電極が、前記内側面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触する。微生物収容体が、前記内側面と前記外側面との間に配置され、微生物を収容する。アノード電極が、前記微生物収容体に接触する。前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されている。前記外側面は、前記汚染水を透過し、前記微生物収容体を通過させない。
本発明にかかる第三の汚染水処理装置は、汚染水に浮遊する汚染水処理装置であって、前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過する内側面と、前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過しない外側面と、前記内側面と前記外側面との間に配置され、前記汚染水を透過しない中間面と、前記中間面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触するカソード電極と、前記内側面と前記カソード電極との間に配置され、微生物を収容する微生物収容体と、前記微生物収容体に接触するアノード電極と、を備え、前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されており、前記内側面は前記微生物収容体を通過させず、前記カソード電極は、前記カソード電極と前記外側面との間に存在する空気に接触するように構成される。
上記のように構成された第三の汚染水処理装置によれば、汚染水に浮遊する汚染水処理装置が提供される。内側面が、前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過する。外側面が、前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過しない。中間面が、前記内側面と前記外側面との間に配置され、前記汚染水を透過しない。カソード電極が、前記中間面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触する。微生物収容体が、前記内側面と前記カソード電極との間に配置され、微生物を収容する。アノード電極が、前記微生物収容体に接触する。前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されている。前記内側面は前記微生物収容体を通過させない。前記カソード電極は、前記カソード電極と前記外側面との間に存在する空気に接触する。
本発明にかかる第四の汚染水処理装置は、汚染水処理モジュールを汚染水の深さ方向に連結し、全体としては汚染水に浮遊する汚染水処理装置であって、前記汚染水処理モジュールは、前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過する内側面と、前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過しない外側面と、前記内側面と前記外側面との間に配置され、前記汚染水を透過しない中間面と、前記中間面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触するカソード電極と、前記内側面と前記カソード電極との間に配置され、微生物を収容する微生物収容体と、前記微生物収容体に接触するアノード電極とを備え、前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されており、前記内側面は前記微生物収容体を通過させず、前記カソード電極は、前記カソード電極と前記外側面との間に存在する空気に接触するように構成される。
上記のように構成された第四の汚染水処理装置によれば、汚染水処理モジュールを汚染水の深さ方向に連結し、全体としては汚染水に浮遊する汚染水処理装置が提供される。前記汚染水処理モジュールにおいては、内側面が、前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過する。外側面が、前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過しない。中間面が、前記内側面と前記外側面との間に配置され、前記汚染水を透過しない。カソード電極が、前記中間面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触する。微生物収容体が、前記内側面と前記カソード電極との間に配置され、微生物を収容する。アノード電極が、前記微生物収容体に接触する。前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されている。前記内側面は前記微生物収容体を通過させない。前記カソード電極は、前記カソード電極と前記外側面との間に存在する空気に接触する。
なお、本発明にかかる第一、第二、第三および第四の汚染水処理装置は、前記カソード電極が酸素還元触媒を有するようにしてもよい。
なお、本発明にかかる第一、第二、第三および第四の汚染水処理装置は、前記アノード電極が導電性材料であるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる第一、第二、第三および第四の汚染水処理装置は、前記微生物収容体がグラフェン、多層グラフェン、酸化グラフェン還元体または多層酸化グラフェン還元体であるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる第一、第二、第三および第四の汚染水処理装置は、前記微生物収容体が黒鉛フェルト、膨張黒鉛、黒鉛ブラシまたは黒鉛グラニュールであるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる第一および第二の汚染水処理装置は、前記外側面がメッシュを有するようにしてもよい。
なお、本発明にかかる第三および第四の汚染水処理装置は、前記内側面がメッシュを有するようにしてもよい。
なお、本発明にかかる第一、第二、第三および第四の汚染水処理装置は、前記微生物収容体が前記汚染水を透過可能なものであり、導電性物質を有するようにしてもよい。
本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の使用態様の一例を示す図である。 本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の斜視図である。 本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の断面図である。 本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の内側面１０ａおよびカソード電極４０の斜視図（図４（ａ））および図４（ａ）のｂ−ｂ断面図（図４（ｂ））である。 本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の平面図である。 本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１の使用態様の一例を示す図である。 本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１の斜視図である。 本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１の断面図である。 本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の使用態様の一例を示す図である。 本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の斜視図である。 本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の断面図である。 本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の補強部材１０ｅおよびカソード電極４０の斜視図（図１２（ａ））および図１２（ａ）のｂ−ｂ断面図（図１２（ｂ））である。 本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の平面図である。 本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１の使用態様の一例を示す図である。 本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１の斜視図である。 本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１の断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
第一の実施形態
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の使用態様の一例を示す図である。本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１は、中空円筒部材１０、上部フランジ１２ａ、下部フランジ１２ｂ、フロート１４を備える。ただし、図１において、上部フランジ１２ａは、フロート１４により覆われて見えない。
なお、汚染水処理装置１は、生物反応槽２の汚染水層２ａに浮遊している。なお、汚染水層２ａの上には空気層２ｂがある。なお、生物反応槽２は、下水を処理するための槽である。汚染水層２ａは、有機物を多く含む、すなわち有機物により汚染された下水の層である。ただし、汚染水を溜めるものは、生物反応槽２に限らず、たとえば池であってもよい。
フロート１４は、汚染水処理装置１の上部に取り付けられており、汚染水層２ａよりも比重が小さい。フロート１４の浮力は、フロート１４の頂面１４ａ（図３参照）を空気層２ｂ内に維持するに足りるものである。なお、フロート１４の材質は、例えば、発泡スチロールである。
図２は、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の斜視図である。図３は、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の断面図である。図５は、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の平面図である。
汚染水処理装置１は、中空円筒部材１０、上部フランジ１２ａ、下部フランジ１２ｂ、フロート１４に加えて、さらに、アノード電極用貫通孔１３、微生物収容体２０、アノード電極３０、カソード電極４０を備える。中空円筒部材１０は、内側面１０ａ、外側面１０ｂを有する。
なお、図示の便宜上、図２においてはカソード電極４０を、図３においてはアノード電極用貫通孔１３、微生物収容体２０、アノード電極３０、カソード電極４０を、図５においてはアノード電極３０を図示省略している。
中空円筒部材１０は、中空の円筒状の部材である。内側面１０ａは、中空円筒部材１０の内側の側面であり、空気に接触し、汚染水を透過しない。外側面１０ｂは、中空円筒部材１０の外側の側面であり、汚染水層２ａに接触する。
上部フランジ１２ａは、中空円筒部材１０の上部に配置されたフランジである。下部フランジ１２ｂは、中空円筒部材１０の下部に配置されたフランジである。上部フランジ１２ａは中空であるが、下部フランジ１２ｂは中空ではなく中実である。中空円筒部材１０の中空の部分の直径をＤ、高さをＨとする。
微生物収容体２０は、中空円筒部材１０の内側面１０ａと外側面１０ｂとの間に配置され、微生物を収容する。微生物は、汚染水層２ａ中の有機物を分解して、電子を産生するものである。微生物収容体２０は、例えば、電流生産菌がグラフェンの粒に挟まれるようにした粗密な凝集構造である（例えば、特許文献２を参照）。図２の例では、縦１列につき５個のグラフェン凝集構造が６列図示されている。なお、微生物収容体２０は、カーボンであってもよい。微生物収容体２０は、汚染水を透過可能なものであり、しかも、導電性物質（例えば、グラフェンまたはカーボン）または非導電性物質（例えば、スポンジ）を有するものであればよい。微生物収容体２０は、微生物を担持する担体であってもよい。
アノード電極３０は、導電性材料（例えば、黒鉛またはチタン）であり、微生物収容体２０に接触する。アノード電極３０は、上部フランジ１２ａおよび下部フランジ１２ｂに垂直に延伸している。
アノード電極用貫通孔１３は、アノード電極３０が上部フランジ１２ａまたは下部フランジ１２ｂを貫通する孔である。
カソード電極４０は、酸素還元触媒（例えば白金）を有するものであり、内側面１０ａに配置されている。カソード電極４０とアノード電極３０とは外部で（例えば、外部の回路部材により）電気的に接続されている。なお、両者を電気的に接続する外部の回路部材（汚染水処理装置１外部の回路部材（例えば、導線や負荷など））は図示省略する（他の実施形態も同様）。カソード電極４０は、例えば、酸素還元触媒を担持する。
図４は、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の内側面１０ａおよびカソード電極４０の斜視図（図４（ａ））および図４（ａ）のｂ−ｂ断面図（図４（ｂ））である。カソード電極４０の高さをhとすると、hの最大値はHとなる。内側面１０ａの上部と下部では、内側面１０ａのみが空気を包囲しているが、内側面１０ａの中央部では、内側面１０ａとカソード電極４０とが空気を包囲している。カソード電極４０の内側は空気に、外側が汚染水に接触している。
なお、外側面１０ｂは、汚染水を透過し、微生物収容体２０を通過させない。例えば、外側面１０ｂがメッシュである。例えば、メッシュの直径を30μmとすると、汚染水を透過し、微生物収容体２０であるグラフェンの粒を通過させないようにすることができる。また、外側面１０ｂが、メッシュと、メッシュの外側を部分的に覆うガード（例えば、ポリ塩化ビニルやアクリルの部材にスリットまたは孔を開けたもの）を有するようにしてもよい。
次に、本発明の第一の実施形態の動作を説明する。
汚染水層２ａの汚染水が、汚染水処理装置１の外側面１０ｂを透過して、微生物収容体２０に到達する。微生物収容体２０は汚染水に含まれる有機物を分解して、電子を産生する。産生された電子は、アノード電極３０を流れて、図示省略した外部の回路部材を介して、カソード電極４０へと流れる。これにより、汚染水処理装置１が汚染水を処理する、すなわち汚染水に含まれる有機物を分解することができる。
本発明の第一の実施形態にかかる汚染水に浮遊する汚染水処理装置１によれば、汚染水とは別に用意した微生物収容体２０を内側面１０ａと外側面１０ｂとの間に配置し、しかも汚染水層２ａの汚染水が外側面１０ｂを透過して微生物収容体２０に到達するので、汚染水とは別に用意した微生物を用いて汚染水を処理することができる。しかも、汚染水が、微生物収容体２０を包囲する外側面１０ｂの全面から取り込まれるので、微生物収容体２０への有機物（汚染水に含まれている）の供給の効率が良い。
また、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１は、生物反応槽２の汚染水層２ａに浮遊させれば、汚染水を処理できる。このため、汚染水を汚染水処理装置１に引き込むための水路の形成などが不要となり、汚染水の処理を手軽に行うことができる。
また、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、フロート１４、中空円筒部材１０および下部フランジ１２ｂがいずれも（中空または中実の）円筒状なので、生物反応槽２の汚染水の流下機能をあまり損なわない。ただし、フロート１４、中空円筒部材１０および下部フランジ１２ｂ（フロート１４等）が円筒状でなくても、楕円筒状でもかまわない。なお、汚染水の流下機能に着目して、フロート１４等が円筒状または楕円筒状である旨を説明したが、フロート１４等を、アノード電極３０とカソード電極４０との実装密度を高めるために矩形筒としてもよい。また、フロート１４等を、筒の肉厚を薄くするために六角形筒としてもよい。
また、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、カソード電極４０の高さhを最大値Hとすれば、カソード電極４０の表面積を最大でπDHとすることができる（カソード電極４０を、内側面１０ａに隙間なく配置した場合）。特許文献１のFig.3のように、カソード電極を内側面ではなく上部に配置した場合は、カソード電極の表面積をπD2/4にしかできない。すなわち、H≧D/4とすることで、カソード電極４０の表面積を従来（例えば、特許文献１）よりも広くすることができ、汚染水の処理の効率を良くすることができる。
第二の実施形態
本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１は、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１と同様な汚染水処理モジュール１ａ、１ｂ、１ｃを汚染水の深さ方向に連結したものである。
図６は、本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１の使用態様の一例を示す図である。本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置は、各汚染水処理モジュールの中空円筒部材１０が３個、汚染水の深さ方向に連結している。図６は図１に比べて、汚染水層２ａが深くなっているが、その分、中空円筒部材１０を汚染水の深さ方向に連結して、汚染水処理の効率化を図っている。
図７は、本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１の斜視図である。図８は、本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１の断面図である。なお、本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１の平面図は、図５と同様である。以下、第一の実施形態と同様な部分は同一の番号を付して説明を省略する。
なお、図示の便宜上、図７においてはカソード電極４０を、図８においてはアノード電極用貫通孔１３、微生物収容体２０、アノード電極３０、カソード電極４０を図示省略している。
汚染水処理モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ（図８参照）は、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１と同様である。
ただし、汚染水処理モジュール１ａは、下部フランジ１２ｂが中空円筒である。汚染水処理モジュール１ｂは、フロート１４を有しておらず、下部フランジ１２ｂが中空円筒である。汚染水処理モジュール１ｃは、フロート１４を有していない。ただし、汚染水処理モジュール１ｃの下部フランジ１２ｂが中実円筒であることは第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１と同様である。
また、汚染水処理モジュール１ａの下部フランジ１２ｂと、汚染水処理モジュール１ｂの上部フランジ１２ａとは、ボルト１５とナット１６により連結されている。汚染水処理モジュール１ｂの下部フランジ１２ｂと、汚染水処理モジュール１ｃの上部フランジ１２ａとは、ボルト１５とナット１６により連結されている。ただし、汚染水処理モジュール１ａ、１ｂ、１ｃの連結手段は、必ずしもボルトとナットに限定されない。例えば、汚染水の流下機能の維持の観点から、ソケットによる連結も考えられる。
本発明の第二の実施形態の動作は、第一の実施形態の動作と同様であり、説明を省略する。なお、汚染水処理モジュール１ａは浮遊しており、汚染水処理モジュール１ｂ、１ｃは潜水しているが、汚染水処理装置１全体としては汚染水に浮遊している。
本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、第一の実施形態と同様な効果を奏することができる。
しかも、本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、汚染水層２ａが深くなっている場合であっても（図６は図１に比べて、汚染水層２ａが深くなっている）、その分、汚染水処理モジュール１ａ、１ｂ、１ｃを汚染水の深さ方向に連結して、汚染水処理の効率化を図ることができる。
また、本発明の第二の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、カソード電極４０の高さhの最大値はH’（≒３Ｈ）であるが（図３、図８参照）、カソード電極４０の表面積を最大でπDH’とすることができる（カソード電極４０を、内側面１０ａに隙間なく配置した場合）。特許文献１のFig.3のように、カソード電極を内側面ではなく上部に配置した場合は、カソード電極の表面積をπD2/4にしかできない。すなわち、H’≧D/4とすることで、カソード電極４０の表面積を従来（例えば、特許文献１）よりも広くすることができ、汚染水の処理の効率を良くすることができる。
第三の実施形態
本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１は、本発明の第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１とは逆に、内側面１０ｃに汚染水が接触するものである。
図９は、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の使用態様の一例を示す図である。本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１は、中空円筒部材１０、蓋部材１２ｃ、底部材１２ｄ、フロート１４を備える。ただし、図９において、蓋部材１２ｃは、フロート１４により覆われて見えない。
なお、汚染水処理装置１は、生物反応槽２の汚染水層２ａに浮遊している。なお、汚染水層２ａの上には空気層２ｂがある。なお、生物反応槽２は、下水を処理するための槽である。汚染水層２ａは、有機物を多く含む、すなわち有機物により汚染された下水の層である。ただし、汚染水を溜めるものは、生物反応槽２に限らず、たとえば池であってもよい。
フロート１４は、汚染水処理装置１の上部に取り付けられており、汚染水層２ａよりも比重が小さいものである。フロート１４の浮力は、フロート１４の頂面１４ａ（図１１参照）を空気層２ｂ内に維持するに足りるものである。なお、フロート１４の材質は、例えば、発泡スチロールである。
図１０は、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の斜視図である。図１１は、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の断面図である。図１３は、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の平面図である。
汚染水処理装置１は、中空円筒部材１０、蓋部材１２ｃ、底部材１２ｄ、フロート１４に加えて、さらに、アノード電極用貫通孔１３、微生物収容体２０、アノード電極３０、カソード電極４０を備える。中空円筒部材１０は、内側面１０ｃ、外側面１０ｄ、補強部材（中間面）１０ｅを有する。
なお、図示の便宜上、図１０においてはカソード電極４０を、図１１においてはアノード電極用貫通孔１３、微生物収容体２０、アノード電極３０、カソード電極４０を、図１３においてはアノード電極３０を図示省略している。また、図１３では、図示の便宜上、補強部材１０ｅおよびカソード電極４０を透視して図示している。
中空円筒部材１０は、中空の円筒状の部材である。内側面１０ｃは、中空円筒部材１０の内側の側面であり、汚染水層２ａに接触し、汚染水を透過する。外側面１０ｄは、中空円筒部材１０の外側の側面であり、汚染水層２ａに接触するが、汚染水を透過しない。
蓋部材１２ｃは、中空円筒部材１０の上部に配置された蓋である。底部材１２ｄは、中空円筒部材１０の下部に配置された底である。蓋部材１２ｃも底部材１２ｄも中空である。中空円筒部材１０の中空の部分の直径をＤ、高さをＨ１とする。
カソード電極４０は、酸素還元触媒（例えば白金）を有するものであり、内側面１０ｃと外側面１０ｄとの間に配置されている。カソード電極４０は、内側面１０ｃと外側面１０ｄとの間に配置された補強部材１０ｅに配置されている。補強部材１０ｅは、例えばポリ塩化ビニルまたはアクリルの部材であり、汚染水を透過させないものである。カソード電極４０とアノード電極３０とは外部で（例えば、外部の回路部材により）電気的に接続されている。なお、両者を電気的に接続する外部の回路部材（汚染水処理装置１外部の回路部材（例えば、導線や負荷など））は図示省略する（他の実施形態も同様）。カソード電極４０は、例えば、酸素還元触媒を担持する。
カソード電極４０は、カソード電極４０と外側面１０ｄとの間に存在する空気に接触する。
カソード電極４０と外側面１０ｄとの間の空間は、空気穴１８により、外気とつながっており、空気を取り込むことができる。なお、空気穴１８は、蓋部材１２ｃおよびフロート１４を貫通している。
微生物収容体２０は、内側面１０ｃとカソード電極４０との間に配置され、微生物を収容する。微生物は、汚染水層２ａ中の有機物を分解して、電子を産生するものである。微生物収容体２０は、例えば、電流生産菌がグラフェンの粒に挟まれるようにした粗密な凝集構造である（例えば、特許文献２を参照）。ただし、微生物収容体２０は、カーボンであってもよい。微生物収容体２０は、汚染水を透過可能なものであり、しかも、導電性物質（例えば、グラフェンまたはカーボン）または非導電性物質（例えば、スポンジ）を有するものであればよい。微生物収容体２０は、微生物を担持する担体であってもよい。
アノード電極３０は、導電性材料（例えば、黒鉛またはチタン）であり、微生物収容体２０に接触する。アノード電極３０は、蓋部材１２ｃおよび底部材１２ｄに垂直に延伸している。
アノード電極用貫通孔１３は、アノード電極３０が蓋部材１２ｃまたは底部材１２ｄを貫通する孔である。
図１２は、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１の補強部材１０ｅおよびカソード電極４０の斜視図（図１２（ａ））および図１２（ａ）のｂ−ｂ断面図（図１２（ｂ））である。カソード電極４０の高さをh１とすると、h１の最大値はH１となる。補強部材１０ｅの上部と下部では、補強部材１０ｅのみが汚染水を包囲しているが、補強部材１０ｅの中央部では、補強部材１０ｅとカソード電極４０とが汚染水を包囲している。カソード電極４０の内側が汚染水に、外側が空気に接触している。
なお、内側面１０ｃは、汚染水を透過し、微生物収容体２０を通過させない。例えば、内側面１０ｃがメッシュである。例えば、メッシュの直径を30μmとすると、汚染水を透過し、微生物収容体２０であるグラフェンの粒を通過させないようにすることができる。また、内側面１０ｃが、メッシュと、メッシュの内側（汚染水に接触する側）を部分的に覆うガード（例えば、ポリ塩化ビニルやアクリルの部材にスリットまたは孔を開けたもの）を有するようにしてもよい。
次に、本発明の第三の実施形態の動作を説明する。
汚染水層２ａの汚染水が、汚染水処理装置１の内側面１０ｃを透過して、微生物収容体２０に到達する。微生物収容体２０は汚染水に含まれる有機物を分解して、電子を産生する。産生された電子は、アノード電極３０を流れて、図示省略した外部の回路部材を介して、カソード電極４０へと流れる。これにより、汚染水処理装置１が汚染水を処理する、すなわち汚染水に含まれる有機物を分解することができる。
本発明の第三の実施形態にかかる汚染水に浮遊する汚染水処理装置１によれば、汚染水とは別に用意した微生物収容体２０を内側面１０ｃとカソード電極４０との間に配置し、しかも汚染水層２ａの汚染水が内側面１０ｃを透過して微生物収容体２０に到達するので、汚染水とは別に用意した微生物を用いて汚染水を処理することができる。しかも、汚染水が、内側面１０ｃの全面から取り込まれるので、微生物収容体２０への有機物（汚染水に含まれている）の供給の効率が良い。
また、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１は、生物反応槽２の汚染水層２ａに浮遊させれば、汚染水を処理できる。このため、汚染水を汚染水処理装置１に引き込むための水路の形成などが不要となり、汚染水の処理を手軽に行うことができる。
また、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、フロート１４、中空円筒部材１０および下部フランジ１２ｂがいずれも（中空または中実の）円筒状なので、生物反応槽２の汚染水の流下機能をあまり損なわない。ただし、フロート１４、中空円筒部材１０および下部フランジ１２ｂ（フロート１４等）が円筒状でなくても、楕円筒状でもかまわない。なお、汚染水の流下機能に着目して、フロート１４等が円筒状または楕円筒状である旨を説明したが、フロート１４等を、アノード電極３０とカソード電極４０との実装密度を高めるために矩形筒としてもよい。また、フロート１４等を、筒の肉厚を薄くするために六角形筒としてもよい。
また、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１よりも、カソード電極４０の直径を大きくとることができるので、カソード電極４０の表面積を、第一の実施形態にかかる汚染水処理装置１の場合よりも、大きくすることができ、汚染水の処理の効率を良くすることができる。
第四の実施形態
本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１は、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１と同様な汚染水処理モジュール１ｄ、１ｅ、１ｆを汚染水の深さ方向に連結したものである。
図１４は、本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１の使用態様の一例を示す図である。本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置は、各汚染水処理モジュールの中空円筒部材１０が３個、汚染水の深さ方向に連結している。図１４は図９に比べて、汚染水層２ａが深くなっているが、その分、中空円筒部材１０を汚染水の深さ方向に連結して、汚染水処理の効率化を図っている。
図１５は、本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１の斜視図である。図１６は、本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１の断面図である。なお、本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１の平面図は図１３と同様である。以下、第三の実施形態と同様な部分は同一の番号を付して説明を省略する。
なお、図示の便宜上、図１５においてはカソード電極４０を、図１６においてはアノード電極用貫通孔１３、微生物収容体２０、アノード電極３０、カソード電極４０を図示省略している。
汚染水処理モジュール１ｄ、１ｅ、１ｆ（図１６参照）は、本発明の第三の実施形態にかかる汚染水処理装置１と同様である。ただし、汚染水処理モジュール１ｅ、１ｆは、フロート１４を有していない。
また、汚染水処理モジュール１ｄと汚染水処理モジュール１ｅとは図示省略したボルトとナットにより連結されている。汚染水処理モジュール１ｅと汚染水処理モジュール１ｆとは図示省略したボルトとナットにより連結されている。ただし、汚染水処理モジュール１ｄ、１ｅ、１ｆの連結手段は、必ずしもボルトとナットに限定されない。例えば、汚染水の流下機能の維持の観点から、ソケットによる連結も考えられる。
本発明の第四の実施形態の動作は、第三の実施形態の動作と同様であり、説明を省略する。なお、汚染水処理モジュール１ｄは浮遊しており、汚染水処理モジュール１ｅ、１ｆは潜水しているが、汚染水処理装置１全体としては汚染水に浮遊している。
本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、第三の実施形態と同様な効果を奏することができる。
しかも、本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、汚染水層２ａが深くなっている場合であっても（図１４は図９に比べて、汚染水層２ａが深くなっている）、その分、汚染水処理モジュール１ｄ、１ｅ、１ｆを汚染水の深さ方向に連結して、汚染水処理の効率化を図ることができる。
また、本発明の第四の実施形態にかかる汚染水処理装置１によれば、カソード電極４０の高さhの最大値はH１’（≒３Ｈ１）であるが（図１１、図１６参照）、カソード電極４０の表面積を最大でπDH’とすることができる（カソード電極４０を隙間なく配置した場合）。特許文献１のFig.3のように、カソード電極を内側面ではなく上部に配置した場合は、カソード電極の表面積をπD2/4にしかできない。すなわち、H１’≧D/4とすることで、カソード電極４０の表面積を従来（例えば、特許文献１）よりも広くすることができ、汚染水の処理の効率を良くすることができる。
なお、これまでの実施形態においては、微生物収容体２０が有する導電性物質の一例としてグラフェンを挙げていた。しかし、微生物収容体２０が有する導電性物質は、グラフェンに限定されるものではなく、例えば、多層グラフェン、酸化グラフェン還元体または多層酸化グラフェン還元体であってもよいし、黒鉛フェルト、膨張黒鉛、黒鉛ブラシまたは黒鉛グラニュールであってもよい。
２ 生物反応槽
２ａ 汚染水層
２ｂ 空気層
１ 汚染水処理装置
１ａ、１ｂ、１ｃ 汚染水処理モジュール
１０ 中空円筒部材
１０ａ 内側面
１０ｂ 外側面
１２ａ 上部フランジ
１２ｂ 下部フランジ
１３ アノード電極用貫通孔
１４ フロート
２０ 微生物収容体
３０ アノード電極
４０ カソード電極
１ｄ、１ｅ、１ｆ 汚染水処理モジュール
１０ｃ 内側面
１０ｄ 外側面
１０ｅ 補強部材（中間面）
１２ｃ 蓋部材
１２ｄ 底部材
１８ 空気穴

Claims (11)

  1. 汚染水に浮遊する汚染水処理装置であって、
    空気に接触し、前記汚染水を透過しない内側面と、
    前記汚染水に接触する外側面と、
    前記内側面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触するカソード電極と、
    前記内側面と前記外側面との間に配置され、微生物を収容する微生物収容体と、
    前記微生物収容体に接触するアノード電極と、
    を備え、
    前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されており、
    前記外側面は、前記汚染水を透過し、前記微生物収容体を通過させない、
    汚染水処理装置。
  2. 汚染水処理モジュールを汚染水の深さ方向に連結し、全体としては汚染水に浮遊する汚染水処理装置であって、
    前記汚染水処理モジュールは、
    空気に接触し、前記汚染水を透過しない内側面と、
    前記汚染水に接触する外側面と、
    前記内側面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触するカソード電極と、
    前記内側面と前記外側面との間に配置され、微生物を収容する微生物収容体と、
    前記微生物収容体に接触するアノード電極と、
    を備え、
    前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されており、
    前記外側面は、前記汚染水を透過し、前記微生物収容体を通過させない、
    汚染水処理装置。
  3. 汚染水に浮遊する汚染水処理装置であって、
    前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過する内側面と、
    前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過しない外側面と、
    前記内側面と前記外側面との間に配置され、前記汚染水を透過しない中間面と、
    前記中間面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触するカソード電極と、
    前記内側面と前記カソード電極との間に配置され、微生物を収容する微生物収容体と、
    前記微生物収容体に接触するアノード電極と、
    を備え、
    前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されており、
    前記内側面は前記微生物収容体を通過させず、
    前記カソード電極は、前記カソード電極と前記外側面との間に存在する空気に接触する、
    汚染水処理装置。
  4. 汚染水処理モジュールを汚染水の深さ方向に連結し、全体としては汚染水に浮遊する汚染水処理装置であって、
    前記汚染水処理モジュールは、
    前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過する内側面と、
    前記汚染水に接触し、前記汚染水を透過しない外側面と、
    前記内側面と前記外側面との間に配置され、前記汚染水を透過しない中間面と、
    前記中間面に配置され、前記空気および前記汚染水に接触するカソード電極と、
    前記内側面と前記カソード電極との間に配置され、微生物を収容する微生物収容体と、
    前記微生物収容体に接触するアノード電極と、
    を備え、
    前記カソード電極と前記アノード電極とは外部で電気的に接続されており、
    前記内側面は前記微生物収容体を通過させず、
    前記カソード電極は、前記カソード電極と前記外側面との間に存在する空気に接触する、
    汚染水処理装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の汚染水処理装置であって、
    前記カソード電極が酸素還元触媒を有する、
    汚染水処理装置。
  6. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の汚染水処理装置であって、
    前記アノード電極が導電性材料である、
    汚染水処理装置。
  7. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の汚染水処理装置であって、
    前記微生物収容体がグラフェン、多層グラフェン、酸化グラフェン還元体または多層酸化グラフェン還元体である、
    汚染水処理装置。
  8. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の汚染水処理装置であって、
    前記微生物収容体が黒鉛フェルト、膨張黒鉛、黒鉛ブラシまたは黒鉛グラニュールである、
    汚染水処理装置。
  9. 請求項１または２に記載の汚染水処理装置であって、
    前記外側面が、メッシュを有する、
    汚染水処理装置。
  10. 請求項３または４に記載の汚染水処理装置であって、
    前記内側面が、メッシュを有する、
    汚染水処理装置。
  11. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の汚染水処理装置であって、
    前記微生物収容体が、前記汚染水を透過可能なものであり、導電性物質を有する、
    汚染水処理装置。
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