JP6902706B2 - 浄化ユニット及び浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、浄化ユニット及び浄化装置に関する。詳細には本発明は、廃水及び土壌などの被処理体を浄化するための浄化ユニット、及び当該浄化ユニットを用いた浄化装置に関する。

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。

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。

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理装置としては、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）。

特開平１−４７４９４号公報

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。

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浄化ユニット及びそれを用いた浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第一の態様に係る浄化ユニットは、第１の導電体と、第１の導電体と異なる第２の導電体と、第１の導電体及び第２の導電体と異なる第３の導電体とを有する。そして、第３の導電体の一方の面に第１の導電体の少なくとも一部が電気的に接続し、第３の導電体の他方の面に第２の導電体の少なくとも一部が電気的に接続する。さらに、第１の導電体の少なくとも一部は酸素を含む気相と接触し、第２の導電体の少なくとも一部は被処理体と接触する。

本発明の第二の態様に係る浄化装置は、上述の浄化ユニットと、浄化ユニット及び浄化ユニットにより浄化される廃水を内部に保持するための処理槽とを備える。そして、浄化ユニットは、第１の導電体の少なくとも一部が気相と接触し、かつ、第２の導電体の少なくとも一部が廃水と接触するように設置される。

本発明の第三の態様に係る浄化装置は、上述の浄化ユニットを備える。そして、浄化ユニットは、第１の導電体の少なくとも一部が気相と接触し、かつ、第２の導電体の少なくとも一部が浄化ユニットにより浄化される土壌と接触するように設置される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る浄化装置の一例を示す斜視図である。 図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図３は、上記浄化装置における浄化ユニットを示す分解斜視図である。 図４は、本発明の第一実施形態に係る浄化装置の他の例を示す断面図である。 図５は、本発明の第二実施形態に係る浄化ユニットの例を示す断面図である。 図６は、本発明の第三実施形態に係る浄化ユニットの例を示す断面図である。 図７は、本発明の第四実施形態に係る浄化ユニットの例を示す断面図である。 図８は、本発明の第五実施形態に係る浄化ユニットの例を示す断面図である。 図９は、本発明の第六実施形態に係る浄化ユニットの例を示す断面図である。

以下、本実施形態に係る浄化ユニット及び浄化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。

［第一実施形態］
本実施形態に係る浄化装置１００は、図１及び図２に示すように、浄化ユニット１を備えている。そして、浄化ユニット１は、第１の導電体である正極１０、第２の導電体である負極２０、及び第３の導電体であるイオン移動層３０からなる浄化構造体４０を備えている。浄化ユニット１では、イオン移動層３０の一方の面３０ａに正極１０が接触するように配置されており、イオン移動層３０の面３０ａと反対側の面３０ｂに負極２０が接触するように配置されている。そして、正極１０のガス拡散層１２がイオン移動層３０と接触し、撥水層１１が気相５０側に露出している。

そして、図３に示すように、浄化構造体４０は、カセット基材６０に積層されている。カセット基材６０は、正極１０における面１０ａの外周部に沿うＵ字状の枠部材であり、上部が開口している。つまり、カセット基材６０は、２本の第一柱状部材６１の底面を第二柱状部材６２で連結した枠部材である。そして、図２に示すように、カセット基材６０の側面６３は、正極１０の面１０ａの外周部と接合されており、側面６３の反対側の側面６４は、板部材７０の面７０ａの外周部と接合されている。

図２に示すように、浄化構造体４０、カセット基材６０及び板部材７０を積層してなる浄化ユニット１は、気相５０が形成されるように、処理槽８０の内部に配置される。処理槽８０の内部には被処理体である廃水９０が保持されており、正極１０、負極２０及びイオン移動層３０は廃水９０に浸漬されている。

後述するように、正極１０は撥水性を有する撥水層１１を備えており、板部材７０は廃水９０を透過しない平板状の板材からなる。そのため、処理槽８０の内部に保持された廃水９０とカセット基材６０の内部とは隔てられ、浄化構造体４０、カセット基材６０及び板部材７０により形成された内部空間は気相５０となっている。そして、浄化装置１００では、この気相５０が外気に開放されるか、あるいはこの気相５０へ例えばポンプによって外部から空気が供給されるように構成されている。

（第１の導電体（正極））
本実施形態に係る第１の導電体である正極１０は、図１及び図２に示すように、撥水層１１と、撥水層１１に接触するように重ねられているガス拡散層１２とを備えるガス拡散電極からなる。このような薄板状のガス拡散電極を用いることにより、気相５０中の酸素を正極１０中の触媒に容易に供給することが可能になる。

正極１０における撥水層１１は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層１１は、浄化ユニット１における電気化学系中の気相５０と液相とを良好に分離しながら、気相５０から液相へ向かう酸素の移動を許容するように構成される。つまり、撥水層１１は、気相５０中の酸素を透過し、ガス拡散層１２へ移動させつつも、廃水９０が気相５０側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。

撥水層１１は、酸素を含む気体を有する気相５０と接触しており、気相５０中の酸素を拡散している。そして、撥水層１１は、図２に示す構成では、ガス拡散層１２に対し酸素を略均一に供給している。そのため、撥水層１１は、当該酸素を拡散できるように多孔質体であることが好ましい。なお、撥水層１１は撥水性を有するため、結露等により多孔質体の細孔が閉塞し、酸素の拡散性が低下することを抑制できる。また、撥水層１１の内部に廃水９０が染み込み難いため、撥水層１１における気相５０と接触する面からガス拡散層１２と対向する面にかけて、酸素を効率的に流通させることが可能となる。

撥水層１１は、織布又は不織布によりシート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層１１を構成する材料は、撥水性を有し、気相５０中の酸素を拡散できれば特に限定されない。撥水層１１を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチルセルロース、ポリ−４−メチルペンテン−１、ブチルゴム及びポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。これらの材料は多孔質体を形成しやすく、さらに撥水性も高いため、細孔の閉塞を抑制してガス拡散性を向上させることができる。なお、撥水層１１は、撥水層１１及びガス拡散層１２の積層方向Ｘに複数の貫通孔を有することが好ましい。

撥水層１１は撥水性を高めるために、必要に応じて撥水剤を用いて撥水処理を施してもよい。具体的には、撥水層１１を構成する多孔質体にポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を付着させ、撥水性を向上させてもよい。

正極１０におけるガス拡散層１２は、多孔質な導電性材料と、この導電性材料に担持されている触媒とを備えることが好ましい。なお、ガス拡散層１２が、多孔質かつ導電性を有する触媒から構成されてもよい。正極１０にこのようなガス拡散層１２を備えることで、後述する局部電池反応により生成した電子を負極２０と触媒との間で導通させることが可能となる。つまり、後述するように、ガス拡散層１２には触媒が担持されており、さらに触媒は酸素還元触媒である。そして、電子が負極２０からガス拡散層１２を通じて触媒に移動することにより、触媒によって、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を進行させることが可能となる。

正極１０では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層１１及びガス拡散層１２を効率よく透過し、触媒に供給されることが好ましい。そのため、ガス拡散層１２は、撥水層１１と対向する面から反対側の面にかけて、酸素が透過する細孔を多数有する多孔質体であることが好ましい。また、ガス拡散層１２の形状は、三次元のメッシュ状であることが特に好ましい。このようなメッシュ状であることにより、ガス拡散層１２に対し、高い酸素透過性及び導電性を付与することが可能となる。

正極１０において、ガス拡散層１２に効率的に酸素を供給するために、撥水層１１は、接着剤を介してガス拡散層１２と接合していることが好ましい。これにより、ガス拡散層１２に対し、拡散した酸素が直接供給され、酸素還元反応を効率的に行うことができる。接着剤は、撥水層１１とガス拡散層１２との間の接着性を確保する観点から、撥水層１１とガス拡散層１２との間の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。ただ、撥水層１１とガス拡散層１２との間の接着性を高め、長期間に亘り安定的に酸素をガス拡散層１２に供給する観点から、接着剤は撥水層１１とガス拡散層１２との間の全面に設けられていることがより好ましい。

接着剤としては酸素透過性を有するものが好ましく、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。

ここで、本実施形態における正極１０のガス拡散層１２について、さらに詳しく説明する。上述のように、ガス拡散層１２は、多孔質な導電性材料と、当該導電性材料に担持されている触媒とを備えるような構成とすることができる。

ガス拡散層１２における導電性材料は、グラファイトホイル、カーボンペーパー、カーボンクロス及びステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる群より選ばれる一種以上の材料から構成することができる。より詳細に説明すると、ガス拡散層１２における導電性材料は、例えば炭素系物質、導電性ポリマー、半導体及び金属からなる群より選ばれる一種以上の材料から構成することができる。炭素系物質とは、炭素を構成成分とする物質をいう。炭素系物質の例としては、例えば、グラファイト、活性炭、カーボンブラック、バルカン（登録商標）ＸＣ−７２Ｒ、アセチレンブラック、ファーネスブラック、デンカブラックなどのカーボンパウダー、グラファイトフェルト、カーボンウール、カーボン織布などのカーボンファイバー、カーボンプレート、カーボンペーパー、カーボンディスク、カーボンクロス、カーボンホイル、炭素粒子を圧縮成形した炭素系材料が挙げられる。また、炭素系物質の例として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスターのような微細構造物質も挙げられる。

導電性ポリマーとは、導電性を有する高分子化合物の総称である。導電性ポリマーとしては、例えば、アニリン、アミノフェノール、ジアミノフェノール、ピロール、チオフェン、パラフェニレン、フルオレン、フラン、アセチレン若しくはそれらの誘導体を構成単位とする単一モノマー又は２種以上のモノマーの重合体が挙げられる。具体的には、導電性ポリマーとして、例えば、ポリアニリン、ポリアミノフェノール、ポリジアミノフェノール、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリフルオレン、ポリフラン、ポリアセチレン等が挙げられる。金属製の導電性材料としては、メッシュ及び発泡体等の金属材料が挙げられ、例えばステンレスメッシュを用いることができる。なお、入手の容易性、コスト、耐食性、耐久性等を考慮した場合、導電性材料は炭素系物質であることが好ましい。

また、導電性材料の形状は、粉末形状又は繊維形状であることが好ましい。また、導電性材料は、支持体に支持されていてもよい。支持体とは、それ自身が剛性を有し、ガス拡散電極に一定の形状を付与することのできる部材をいう。支持体は絶縁体であっても導電体であってもよい。支持体が絶縁体である場合、支持体としては、例えばガラス、プラスチック、合成ゴム、セラミックス、耐水又は撥水処理した紙、木片などの植物片、骨片、貝殻などの動物片等が挙げられる。多孔質構造の支持体としては、例えば多孔質セラミック、多孔質プラスチック、スポンジ等が挙げられる。支持体が導電体である場合、支持体としては、例えばカーボンペーパー、カーボンファイバー、炭素棒などの炭素系物質、金属、導電性ポリマー等が挙げられる。支持体が導電体の場合には、炭素系材料を担持した導電性材料が支持体の表面上に配置されることで、支持体が集電体としても機能し得る。

ガス拡散層１２における触媒は、白金系触媒、鉄又はコバルトを用いた炭素系触媒、部分酸化したタンタル炭窒化物（ＴａＣＮＯ）及びジルコニウム炭窒化物（ＺｒＣＮＯ）等の遷移金属酸化物系触媒、タングステン又はモリブデンを用いた炭化物系触媒、活性炭等を用いることができる。

ガス拡散層１２における触媒は、金属原子がドープされている炭素系材料であることが好ましい。金属原子としては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の原子であることが好ましい。この場合、炭素系材料が、特に酸素還元反応を促進させるための触媒として優れた性能を発揮する。炭素系材料が含有する金属原子の量は、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。

炭素系材料には、更に窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子がドープされていることが好ましい。炭素系材料にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。

炭素系材料は、例えばグラファイト及び無定形炭素等の炭素源原料をベースとし、この炭素源原料に金属原子と、窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子とをドープすることで得られる。

炭素系材料にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、非金属原子が窒素を含み、金属原子が鉄を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよく、金属原子が鉄のみであってもよい。

非金属原子が窒素を含み、金属原子がコバルトとマンガンとのうち少なくとも一方を含んでもよい。この場合も、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子がコバルトのみ、マンガンのみ、あるいはコバルト及びマンガンのみであってもよい。

炭素系材料の形状は特に制限されない。例えば、炭素系材料は、粒子状の形状を有してもよく、またシート状の形状を有してもよい。シート状の形状を有する炭素系材料の寸法は特に制限されず、例えばこの炭素系材料が微小な寸法であってもよい。シート状の形状を有する炭素系材料は、多孔質であってもよい。シート状の形状を有し、かつ、多孔質な炭素系材料は、例えば織布状、不織布状等の形状を有することが好ましい。このような炭素系材料は、導電性材料が無くてもガス拡散層１２を構成することができる。

ガス拡散層１２における触媒として構成される炭素系材料は、次のように調製することができる。まず、例えば窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属を含む非金属化合物と、金属化合物と、炭素源原料とを含有する混合物を準備する。そして、この混合物を、８００℃以上１０００℃以下の温度で、４５秒以上６００秒未満加熱する。これにより、触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。

ここで、炭素源原料としては、上述の通り、例えばグラファイト又は無定形炭素を使用することができる。さらに、金属化合物としては、炭素源原料にドープされる非金属原子と配位結合し得る金属原子を含む化合物であれば、特に制限されない。金属化合物は、例えば金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、ヨウ化物、フッ化物などのような無機金属塩、酢酸塩などの有機金属塩、無機金属塩の水和物、及び有機金属塩の水和物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。例えばグラファイトに鉄がドープされる場合には、金属化合物は塩化鉄（III）を含有することが好ましい。グラファイトにコバルトがドープされる場合には、金属化合物は塩化コバルトを含有することが好ましい。また、炭素源原料にマンガンがドープされる場合には、金属化合物は酢酸マンガンを含有することが好ましい。金属化合物の使用量は、例えば炭素源原料に対する金属化合物中の金属原子の割合が５〜３０質量％の範囲内となるように決定されることが好ましく、更にこの割合が５〜２０質量％の範囲内となるように決定されることがより好ましい。

非金属化合物は、上記の通り、窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属の化合物であることが好ましい。非金属化合物としては、例えば、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、エチレンジアミン、オクチルボロン酸、１，２−ビス（ジエチルホスフィノエタン）、亜リン酸トリフェニル、ベンジルジサルフィドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を使用することができる。非金属化合物の使用量は、炭素源原料への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、１：１〜１：２の範囲内となるように決定されることが好ましく、１：１．５〜１：１．８の範囲内となるように決定されることがより好ましい。

触媒として構成される炭素系材料を調製する際の、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物は、例えば次のようにして得られる。まず炭素源原料と金属化合物と非金属化合物とを混合し、更に必要に応じてエタノール等の溶媒を加えて全量を調整する。これらを更に超音波分散法により分散させる。続いて、これらを適宜の温度（例えば６０℃）で加熱した後に、混合物を乾燥して溶媒を除去する。これにより、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物が得られる。

次に、得られた混合物を、例えば還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で加熱する。これにより、炭素源原料に非金属原子がドープされ、さらに非金属原子と金属原子とが配位結合することで金属原子もドープされる。加熱温度は８００℃以上１０００℃以下の範囲内であることが好ましく、加熱時間は４５秒以上６００秒未満の範囲内であることが好ましい。加熱時間が短時間であるため、炭素系材料が効率よく製造され、しかも炭素系材料の触媒活性が更に高くなる。なお、加熱処理における、加熱開始時の混合物の昇温速度は、５０℃／ｓ以上であることが好ましい。このような急速加熱は、炭素系材料の触媒活性を更に向上する。

また、炭素系材料を、更に酸洗浄してもよい。例えば炭素系材料を、純水中、ホモジナイザーで３０分間分散させ、その後この炭素系材料を２Ｍ硫酸中に入れて、８０℃で３時間攪拌してもよい。この場合、炭素系材料からの金属成分の溶出が抑えられる。

このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、かつ、導電性の高い炭素系材料が得られる。

ガス拡散層１２において、触媒は結着剤を用いて導電性材料に結着していてもよい。つまり、触媒は結着剤を用いて導電性材料の表面及び細孔内部に担持されていてもよい。これにより、触媒が導電性材料から脱離し、酸素還元特性が低下することを抑制できる。結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、及びエチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが好ましい。また、結着剤としては、ナフィオン（登録商標）を用いることも好ましい。

（第２の導電体（負極））
本実施形態に係る第２の導電体である負極２０は、後述する微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、廃水９０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する機能を有する。そのため、本実施形態の負極２０は、このような機能を生じさせる構成ならば特に限定されない。

本実施形態の負極２０は、導電性を有する導電体シートに微生物を担持した構造を有する。導電体シートとしては、多孔質の導電体シート、織布状の導電体シート及び不織布状の導電体シートからなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。また、導電体シートは複数のシートを積層した積層体でもよい。負極２０の導電体シートとして、このような複数の細孔を有するシートを用いることにより、後述する局部電池反応で生成した水素イオンが正極１０の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。また、イオン透過性を向上させる観点から、負極２０の導電体シートは、積層方向Ｘ、つまり厚さ方向に連続した空間（空隙）を有していることが好ましい。

負極２０における導電体シートは、グラファイトホイル、グラファイトブラシ、及びカーボンフェルトからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。なお、グラファイトブラシは、炭素繊維を束ねて柄をつけたものであり、全体として導電性を有するものである。

また、負極２０における導電体シートは、厚さ方向に複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。そのため、負極２０の導電体シートを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの導電性金属も用いることができる。

負極２０に担持される微生物としては、廃水９０中の有機物又は窒素を含む化合物を分解する微生物であれば特に限定されないが、例えば増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、廃水９０中の有機物を酸化分解するための空気を必要としない。そのため、空気を送り込むために必要な電力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、汚泥発生量を減少させることが可能となる。

負極２０に保持される微生物は嫌気性微生物であることが好ましく、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌であることが好ましい。具体的には、嫌気性微生物として、例えばGeobacter属細菌、Shewanella属細菌、Aeromonas属細菌、Geothrix属細菌、Saccharomyces属細菌が挙げられる。

負極２０に、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、負極２０に嫌気性微生物が保持されていてもよい。例えば、負極２０におけるイオン移動層３０と接触する面２０ａと反対側の面２０ｂに、嫌気性微生物が保持されていてもよい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質（extracellular polymeric substance、EPS）とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極２０に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、負極２０の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。

上述のように、嫌気性微生物は負極２０の表面又は内部の少なくとも一方に担持されていることが好ましい。ただ、これらの微生物が廃水９０中に含まれているだけでも、本実施形態の効果を発揮することができる。そのため、浄化装置１００において、負極２０及び廃水９０の少なくとも一方は、嫌気性微生物を保持することが好ましい。

（第３の導電体（イオン移動層））
本実施形態の浄化ユニット１は、正極１０と負極２０との間に設けられ、水素イオン透過性を有し、第３の導電体であるイオン移動層３０をさらに備える。そして、図１及び図２に示すように、負極２０は、イオン移動層３０を介して正極１０と隔てられている。さらに、イオン移動層３０の一方の面３０ａに正極１０の少なくとも一部が電気的に接続し、イオン移動層３０の他方の面３０ｂに負極２０の少なくとも一部が電気的に接続している。

イオン移動層３０は、負極２０で生成した水素イオンを透過し、正極１０側へ移動させる機能を有している。そのため、負極２０で生成した水素イオンがイオン移動層３０の内部を移動し、正極１０で酸素と反応して水を生成する。したがって、イオン移動層３０の構成は、水素イオンを、拡散を大きく阻害することなく伝導できるならば特に限定されない。

また、イオン移動層３０として、水素イオンが透過することが可能な細孔を有する多孔質膜を使用してもよい。つまり、イオン移動層３０は、正極１０と負極２０との間を水素イオンが移動するための空間（空隙）を有するシートであってもよい。そのため、イオン移動層３０は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。なお、イオン移動層３０の細孔径は、正極１０と負極２０との間を水素イオンが移動できれば特に限定されない。

イオン移動層３０は、導電体からなることが好ましい。つまり、浄化ユニット１では、イオン移動層３０の一方の面３０ａに正極１０のガス拡散層１２が接触するように配置されており、イオン移動層３０の面３０ａと反対側の面３０ｂに負極２０が接触するように配置されている。そのため、イオン移動層３０が導電性を有する場合には、正極１０と負極２０とが短絡する。その結果、負極２０で生成した電子が正極１０に移動し、正極１０において酸素還元反応を生じさせることが可能となる。

より詳細に説明すると、導電性のイオン移動層３０は、内部に水素イオンが移動できる空間を有し、さらに正極１０及び負極２０に対して電気的に接続されていれば特に限定されない。また、イオン移動層３０は、負極２０から正極１０に向かって連続して延びていてもよい。あるいは、イオン移動層３０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く、例えば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。

さらに、イオン移動層３０を構成する材料の少なくとも一部は、負極２０から正極１０に向かって連続して伸びていてもよく、さらに空間を横切るように伸びていてもよい。つまり、イオン移動層３０を構成する材料の少なくとも一部は、正極１０、負極２０及びイオン移動層３０の積層方向Ｘに垂直な方向に延びていてもよい。

イオン移動層３０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。

なお、イオン移動層３０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、イオン移動層３０は、負極２０から正極１０にかけて、複数の貫通孔を有する金属板であってもよい。

イオン移動層３０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、水素イオンの透過率を容易に向上させることが可能となる。

次に、本実施形態の浄化装置１００の作用について説明する。浄化装置１００の動作時には、負極２０に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廃水９０を供給し、正極１０に空気又は酸素を供給する。この際、空気及び酸素は、気相５０を通じて連続的に供給される。

そして、図１及び図２に示す正極１０では、撥水層１１を透過してガス拡散層１２により空気が拡散する。負極２０では、微生物の触媒作用により、廃水９０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する。生成した水素イオンは、廃水９０が存在するイオン移動層３０の内部の空間を通過して正極１０側へ移動する。また、生成した電子は負極２０の導電体シートを通じてイオン移動層３０へ移動し、さらに正極１０のガス拡散層１２に移動する。そして、水素イオン及び電子は、ガス拡散層１２に担持された触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。

例えば、廃水９０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。
・負極２０：Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６＋６Ｈ_２Ｏ→６ＣＯ_２＋２４Ｈ^＋＋２４ｅ⁻
・正極１０：６Ｏ_２＋２４Ｈ^＋＋２４ｅ⁻→１２Ｈ_２Ｏ

また、廃水９０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。
・負極２０：４ＮＨ_３→２Ｎ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻
・正極１０：３Ｏ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻→６Ｈ_２Ｏ

このように、負極２０における微生物の触媒作用により、廃水９０中の有機物及び窒素含有化合物を分解し、廃水９０を浄化することが可能となる。なお、正極１０では酸素の還元反応により水酸化物イオンが生成する場合がある。そのため、生成した水酸化物イオンがイオン移動層３０の内部を移動し、負極２０で生成した水素イオンと結合して水が生成する場合がある。

本実施形態に係る浄化ユニット１において、第３の導電体であるイオン移動層３０は、第１の導電体である正極１０及び第２の導電体である負極２０よりも高い電気抵抗率を有することが好ましい。イオン移動層３０が導電性を有しつつも、正極１０及び負極２０よりも高い電気抵抗率を有することにより、正極１０及び負極２０を適切な電位に制御し、正極１０と負極２０との間の電位差を確保することができる。また、電子伝導を伴う微生物の代謝も促進されることから、被処理体における有機物及び窒素含有化合物の分解効率をより高めることが可能となる。さらに浄化ユニット１では、電位差を確保するための外部回路などの配線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、浄化装置１００の小型化を達成することができる。

なお、第１の導電体及び第２の導電体の電気抵抗率は、それぞれ第３の導電体と接触する面の電気抵抗率をいう。つまり、本実施形態において、第１の導電体の電気抵抗率は、正極１０の面１０ｂの電気抵抗率である。また、第２の導電体の電気抵抗率は、負極２０の面２０ａの電気抵抗率である。第１の導電体及び第２の導電体における第３の導電体と接触する面の電気抵抗率は、四探針法により測定することができる。

第３の導電体の電気抵抗率は、第３の導電体における第１の導電体及び第２の導電体と接触する面に対して垂直な面の電気抵抗率である。つまり、本実施形態において、第３の導電体であるイオン移動層３０の電気抵抗率は、図２に示す上面３０ｃ及び下面３０ｄ、並びに図３に示す右側面３０ｅ及び左側面３０ｆで測定した値のうち、最も低い値である。また、第３の導電体の電気抵抗率は、第１の導電体、第２の導電体及び第３の導電体の積層方向に沿って、四探針法により測定した値である。つまり、本実施形態において、第３の導電体であるイオン移動層３０の電気抵抗率は、積層方向であるＸ軸方向に沿って四探針法により測定した値である。

このように、本実施形態に係る浄化ユニット１は、第１の導電体と、第１の導電体と異なる第２の導電体と、第１の導電体及び第２の導電体と異なる第３の導電体とを有する。そして、第３の導電体の一方の面に第１の導電体の少なくとも一部が電気的に接続し、第３の導電体の他方の面に第２の導電体の少なくとも一部が電気的に接続する。さらに、第１の導電体の少なくとも一部は酸素を含む気相５０と接触し、第２の導電体の少なくとも一部は被処理体と接触する。また、浄化装置１００は、上述の浄化ユニット１と、浄化ユニット１及び浄化ユニット１により浄化される廃水９０を内部に保持するための処理槽８０とを備える。そして、浄化ユニット１は、第１の導電体の少なくとも一部が気相５０と接触し、かつ、第２の導電体の少なくとも一部が廃水９０と接触するように設置される。

本実施形態の浄化装置１００は、電子移動反応を介して、廃水９０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、廃水９０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、代謝生成物は例えば二酸化炭素ガスであるため、メタンガスの生成を抑制できる。

さらに、浄化ユニット１において、第３の導電体は、第１の導電体及び第２の導電体よりも高い電気抵抗率を有することが好ましい。つまり、第１の導電体と第２の導電体とは直接接触せず、電気抵抗率が比較的高い第３の導電体を介して電気的に接続されていることが好ましい。これにより、第１の導電体と第２の導電体との間の電位差を確保し、第２の導電体から第１の導電体に電子を流れやすくする。その結果、電子伝導を伴う微生物の代謝も促進されることから、被処理体における有機物及び窒素含有化合物の分解効率をより高めることが可能となる。

浄化ユニット１において、第１の導電体は酸素還元触媒を含むことが好ましい。これにより、第１の導電体において、気相５０中の酸素と、第２の導電体で生成した水素イオン及び電子との酸素還元反応が促進するため、被処理体の浄化をより効率的に行うことが可能となる。

また、第２の導電体の表面及び内部の少なくとも一方には、嫌気性微生物が担持されていることが好ましい。嫌気性微生物を用いることにより、微生物の増殖、すなわち汚泥の発生量を低減でき、さらにメタンガスの生成も抑制することが可能となる。

ここで、図１乃至図３において、第３の導電体であるイオン移動層３０は、第１の導電体である正極１０の面１０ｂ、及び第２の導電体である負極２０の面２０ａの全体に亘って接触している。しかし、浄化ユニット１はこのような態様に限定されず、イオン移動層３０の面３０ａに正極１０の少なくとも一部が電気的に接続し、イオン移動層３０の面３０ｂに負極２０の少なくとも一部が電気的に接続していればよい。そのため、図４に示すように、正極１０の面１０ｂ及び負極２０の面２０ａの一部にイオン移動層３０が接触するような態様であってもよい。また、この場合、イオン移動層３０の全体が廃水９０に浸漬していてもよい。

図４において、第１の導電体である正極１０及び第２の導電体である負極２０は、第３の導電体であるイオン移動層３０により電気的に接続されている。そして、図４では、１つのイオン移動層３０により正極１０及び負極２０を電気的に接続しているが、本実施形態はこのような態様に限定されない。つまり、複数のイオン移動層３０を用いて、正極１０と負極２０とを接続してもよい。また、第３の導電体自体がイオン伝導性を有しない場合でも、廃水９０により第２の導電体から第１の導電体へ水素イオンを移動させることが可能であるため、第３の導電体自体はイオン伝導性を有していなくてもよい。

浄化ユニット１において、第１の導電体である正極１０に微生物が接触する場合、その分泌成分による凝固物の固着や、微生物による酸素の過剰な消費、局所的なｐＨ勾配の形成などが生じ、電子の移動に伴う反応量が低下する可能性がある。そのため、微生物の正極１０への付着は、可能な限り阻害されることが好ましい。

正極１０への微生物の付着を阻害する方法としては、物理的に微生物が通らない孔径のイオン移動層３０を使用する方法、またはイオン移動層３０の化学的・生物的作用を利用する方法が挙げられる。化学的・生物的作用を利用する方法としては、イオン移動層３０へ微生物を殺菌するための殺菌剤を固定する方法が挙げられる。殺菌剤としては、例えば殺菌性のある銀イオンや銅イオンを放出する化合物、及びテトラサイクリンを用いることができる。また、イオン移動層３０自体が、微生物が繁殖可能なｐＨ範囲から外れる局所ｐＨを有する方法が挙げられる。

浄化装置１００において、処理槽８０は内部に廃水９０を保持しているが、廃水９０が流通するような構成であってもよい。例えば、図１及び図２に示すように、処理槽８０には、廃水９０を処理槽８０に供給するための廃水供給口８１と、処理後の廃水９０を処理槽８０から排出するための廃水排出口８２とが設けられていてもよい。そして、廃水９０は、廃水供給口８１及び廃水排出口８２を通じて連続的に供給されることが好ましい。

本実施形態に係る第２の導電体である負極２０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８０内の廃水９０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、嫌気性微生物から負極２０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。

具体的には、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。廃水９０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、受け取った電子を負極２０へと受け渡す。この結果、負極２０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負極２０の面２０ｂに担持されていても同様の効果が得られる。このような電子伝達メディエーター分子は、特に限定されない。電子伝達メディエーター分子としては、例えばニュートラルレッド、アントラキノン−２，６−ジスルホン酸（ＡＱＤＳ）、チオニン、フェリシアン化カリウム、及びメチルビオローゲンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る浄化ユニット及び浄化装置について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る浄化ユニットは、図５に示すように、第１の導電体１０Ａと、第１の導電体１０Ａと異なる第２の導電体２０Ａと、第１の導電体１０Ａ及び第２の導電体２０Ａと異なる第３の導電体３０Ａとを有する。そして、第３の導電体３０Ａの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ａの少なくとも一部が電気的に接続し、第３の導電体３０Ａの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ａの少なくとも一部が電気的に接続している。具体的には、第３の導電体３０Ａの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ａが接触することで電気的に接続されており、第３の導電体３０Ａの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ａが接触することで電気的に接続されている。

そして、図５に示す浄化ユニットにおいて、第１の導電体１０Ａは廃水９０の水面９０ａから露出しており、酸素を含む気相である空気と直接接触している。そのため、当該浄化ユニットでは、第一実施形態で用いている気相５０を形成するためのカセット基材６０及び板部材７０を備える必要がない。また、第１の導電体１０Ａは、第一実施形態の正極１０における撥水層１１も備える必要がない。そのため、第１の導電体１０Ａは第一実施形態における正極１０のガス拡散層１２と同じ構成とすることができ、第２の導電体２０Ａは第一実施形態における負極２０と同じ構成とすることができる。さらに、第３の導電体３０Ａは、第一実施形態におけるイオン移動層３０と同じ構成とすることができる。

本実施形態の浄化装置において、浄化ユニットは、第１の導電体１０Ａの少なくとも一部が酸素を含む気相５０と接触し、第２の導電体２０Ａの少なくとも一部が被処理体である廃水９０と接触するように設置されている。この場合、第２の導電体２０Ａ及び第３の導電体３０Ａは廃水９０と接触していることから、これらの内部には廃水９０が存在している。そのため、第２の導電体２０Ａ及び第３の導電体３０Ａは、内部の廃水９０により水素イオンの移動を可能としている。また、第１の導電体１０Ａも廃水９０に部分的に接触しており、内部には廃水９０が存在している。さらに、例えば第１の導電体１０Ａが多孔質体である場合には、毛管現象により廃水９０を上昇させ、第１の導電体１０Ａの内部に保持することができる。そのため、第１の導電体１０Ａも、内部の廃水９０により水素イオンの移動を可能としている。

本実施形態の浄化装置も第一実施形態と同様に作用することができる。具体的には、浄化装置の動作時には、第２の導電体２０Ａに、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廃水９０を供給し、第１の導電体１０Ａに空気又は酸素を供給する。この際、第１の導電体１０Ａは空気中に露出しているため、空気は連続的に供給される。

そして、第２の導電体２０Ａでは、微生物の触媒作用により、廃水９０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する。生成した水素イオンは、第３の導電体３０Ａの内部の空間を通過して第１の導電体１０Ａ側へ移動する。また、生成した電子は第２の導電体２０Ａを通じて第３の導電体３０Ａへ移動し、さらに第１の導電体１０Ａに移動する。そして、水素イオン及び電子は、第１の導電体１０Ａに担持された触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。

第一実施形態と同様に、本実施形態の浄化装置も電子移動反応を介して、廃水９０に含まれる有機物及び窒素含有化合物を効率的に酸化分解することができる。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、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、本実施形態における酸化分解処理では、代謝生成物は例えば二酸化炭素ガスであるため、メタンガスの生成を抑制できる。

また、本実施形態で用いる浄化ユニットにおいて、第１の導電体１０Ａは空気中に露出しているため、気相５０を形成するための撥水層１１、カセット基材６０及び板部材７０が不要となる。そのため、浄化ユニットの構造を簡略化することが可能となる。

本実施形態に係る浄化ユニットは、第１の導電体１０Ａの少なくとも一部が廃水９０の水面９０ａから露出でき、第２の導電体２０Ａが廃水９０に浸漬できるような構成であれば特に限定されず、例えば図５（ａ）〜（ｄ）のような構成とすることができる。

図５（ａ）の浄化ユニット１Ａでは、第１の導電体１０Ａは水面９０ａに対して略水平に配置され、第２の導電体２０Ａは第１の導電体１０Ａに対して略垂直に配置され、第３の導電体３０Ａは第１の導電体１０Ａと第２の導電体２０Ａとの間に介在している。なお、第２の導電体２０Ａ及び第３の導電体３０Ａの数は１つに限定されず、複数の第２の導電体２０Ａ及び第３の導電体３０Ａが１つの第１の導電体１０Ａに接続していてもよい。

また、図５（ｂ）の浄化ユニット１Ｂでは、第１の導電体１０Ａは水面９０ａに略水平に配置され、第２の導電体２０Ａは第１の導電体１０Ａに対して略平行に配置されている。そして、複数の第３の導電体３０Ａは、第１の導電体１０Ａと第２の導電体２０Ａとの間に介在している。なお、図５（ｂ）の浄化ユニット１Ｂでは、第１の導電体１０Ａと第２の導電体２０Ａは互いに近接しており、第２の導電体２０Ａから第３の導電体３０Ａを通じて第１の導電体１０Ａに至る電子伝導パスが比較的短くなっている。そのため、第２の導電体２０Ａから第１の導電体１０Ａへの導電性が高くなっている。したがって、第１の導電体１０Ａ及び第２の導電体２０Ａは、電気抵抗が比較的高い基材を用いてもよく、その場合であっても効率的に廃水９０を浄化することが可能となる。

図５（ｃ）の浄化ユニット１Ｃでは、第１の導電体１０Ａは水面９０ａに略水平に配置され、第３の導電体３０Ａは第１の導電体１０Ａと第２の導電体２０Ａとの間に介在している。ただ、第２の導電体２０Ａは断面が略Ｔ字状となっている。また、図５（ｄ）の浄化ユニット１Ｄでは、第１の導電体１０Ａは水面９０ａに略水平に配置され、第３の導電体３０Ａは第１の導電体１０Ａと第２の導電体２０Ａとの間に介在している。ただ、第２の導電体２０Ａは断面が略Π字状となっている。

ここで、第２の導電体２０Ａの表面又は内部には嫌気性微生物が担持されていることが好ましいため、第２の導電体２０Ａの周囲は嫌気性雰囲気であることが好ましい。そのため、第２の導電体２０Ａは、水面９０ａから離れた位置に配置されていることが好ましい。また、上述のように、本実施形態では、第１の導電体１０Ａは廃水９０の水面９０ａに配置されているため、第２の導電体２０Ａは第１の導電体１０Ａから離れた位置に配置されていることが好ましい。

図５（ａ）に示すように、第１の導電体１０Ａの上面１０ｃに酸素還元触媒を担持した場合、酸素還元触媒への水素イオン伝導性を確保するために、第１の導電体１０Ａは上面１０ｃまで廃水９０が保持されていることが好ましい。ただ、第１の導電体１０Ａの内部にイオン伝導性物質を配置することで、廃水９０が保持されていなくても酸素還元触媒まで水素イオンを伝導することが可能となる。イオン伝導性物質としては、例えばパーフルオロスルホン酸基を含有するナフィオン（登録商標）、カルボン酸基を含有するパーフルオロ型ビニルエーテルからなるフレミオン（登録商標）を用いることができる。

［第三実施形態］
次に、第三実施形態に係る浄化ユニット及び浄化装置について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一及び第二実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る浄化ユニットも第二実施形態と同様の構成を有している。図６に示すように、浄化ユニットは、第１の導電体１０Ｂと、第１の導電体１０Ｂと異なる第２の導電体２０Ｂと、第１の導電体１０Ｂ及び第２の導電体２０Ｂと異なる第３の導電体３０Ｂとを有する。そして、第３の導電体３０Ｂの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ｂの少なくとも一部が電気的に接続し、第３の導電体３０Ｂの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ｂの少なくとも一部が電気的に接続している。具体的には、第３の導電体３０Ｂの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ｂが接触することで電気的に接続されており、第３の導電体３０Ｂの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ｂが接触することで電気的に接続されている。ただ、本実施形態の浄化ユニットは、第１の導電体１０Ｂ及び第２の導電体２０Ｂが第３の導電体３０Ｂを介して鉛直方向に接続されている。

具体的には、図６（ａ）に示すように、浄化ユニット１Ｅは、第１の導電体１０Ｂ及び第２の導電体２０Ｂが、第３の導電体３０Ｂを介して鉛直方向に接続されている。そして、第１の導電体１０Ｂの一部、第２の導電体２０Ｂ及び第３の導電体３０Ｂは、廃水９０に浸漬されている。また、第１の導電体１０Ｂには、気相５０と接触面積を増やすために、カセット基材６０及び板部材７０を設けている。そのため、第１の導電体１０Ｂは、第一実施形態における撥水層１１及びガス拡散層１２を備える正極１０と同じ構成とすることが好ましい。また、第２の導電体２０Ｂは第一実施形態における負極２０と同じ構成とすることができ、第３の導電体３０Ｂは第一実施形態におけるイオン移動層３０と同じ構成とすることができる。

図６（ｂ）に示すように、浄化ユニット１Ｆは、第１の導電体１０Ｂ及び第２の導電体２０Ｂが、第３の導電体３０Ｂを介して鉛直方向に接続されている。そして、第１の導電体１０Ｂは気相５０中に露出し、第２の導電体２０Ｂ及び第３の導電体３０Ｂの一部は廃水９０に浸漬されている。そのため、第１の導電体１０Ｂは第一実施形態における正極１０のガス拡散層１２と同じ構成とすることができ、第２の導電体２０Ｂは第一実施形態における負極２０と同じ構成とすることができる。さらに、第３の導電体３０Ｂは、第一実施形態におけるイオン移動層３０と同じ構成とすることができる。

ここで、例えば第１の導電体１０Ｂが多孔質体である場合には、毛管現象により廃水９０を上昇させ、第１の導電体１０Ｂの内部に保持することができる。そのため、第１の導電体１０Ｂは、内部の廃水９０により水素イオンの移動を可能としている。ただ、水素イオン伝導性を確保するために、上述のように、第１の導電体１０Ｂの内部にイオン伝導性物質を配置してもよい。

本実施形態の浄化装置も、第一及び第二実施形態と同様に作用することができる。具体的には、浄化装置の動作時には、第２の導電体２０Ｂに、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廃水９０を供給し、第１の導電体１０Ｂに空気又は酸素を供給する。そして、第２の導電体２０Ｂでは、微生物の触媒作用により、廃水９０中の有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する。生成した水素イオンは、第３の導電体３０Ｂの内部の空間を通過して第１の導電体１０Ｂ側へ移動する。また、生成した電子は第２の導電体２０Ｂを通じて第３の導電体３０Ｂへ移動し、さらに第１の導電体１０Ｂに移動する。そして、水素イオン及び電子は、第１の導電体１０Ｂに担持された触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。

本実施形態の浄化装置は、浄化ユニット１Ｅ，１Ｆが鉛直方向に設置されていることから、廃水９０中の設置スペースを小さくすることができる。そのため、少ないスペースに複数の浄化ユニット１Ｅ，１Ｆを設置することができ、効率的に廃水９０の浄化を行うことが可能となる。

［第四実施形態］
次に、第四実施形態に係る浄化ユニット及び浄化装置について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一乃至第三実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る浄化ユニットも第二実施形態と同様の構成を有している。図７に示すように、浄化ユニットは、第１の導電体１０Ｃと、第１の導電体１０Ｃと異なる第２の導電体２０Ｃと、第１の導電体１０Ｃ及び第２の導電体２０Ｃと異なる第３の導電体３０Ｃとを有する。そして、第３の導電体３０Ｃの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ｃの少なくとも一部が電気的に接続し、第３の導電体３０Ｃの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ｃの少なくとも一部が電気的に接続している。具体的には、第３の導電体３０Ｃの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ｃが接触することで電気的に接続されており、第３の導電体３０Ｃの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ｃが接触することで電気的に接続されている。

図７（ａ）の浄化ユニット１Ｇでは、第１の導電体１０Ｃは水面９０ａに対して略水平に配置され、第２の導電体２０Ｃは第１の導電体１０Ｃに対して略垂直に配置され、第３の導電体３０Ｃは第１の導電体１０Ｃと第２の導電体２０Ｃとの間に介在している。また、図７（ｂ）の浄化ユニット１Ｈでは、第１の導電体１０Ｃは水面９０ａに略水平に配置され、第２の導電体２０Ｃは第１の導電体１０Ｃに対して略平行に配置されている。そして、第３の導電体３０Ｃは、第１の導電体１０Ｃと第２の導電体２０Ｃとの間に介在している。

図７に示す浄化ユニットにおいて、第１の導電体１０Ｃは廃水９０の水面９０ａから露出しており、酸素を含む気相である空気と直接接触している。そして、第２の導電体２０Ｃ及び第３の導電体３０Ｃの一部は廃水９０に浸漬している。そのため、第１の導電体１０Ｃは第一実施形態における正極１０のガス拡散層１２と同じ構成とすることができ、第２の導電体２０Ｃは第一実施形態における負極２０と同じ構成とすることができる。さらに、第３の導電体３０Ｃは、第一実施形態におけるイオン移動層３０と同じ構成とすることができる。

ここで、例えば第１の導電体１０Ｃが多孔質体である場合には、毛管現象により廃水９０を上昇させ、第１の導電体１０Ｃの内部に保持することができる。そのため、第１の導電体１０Ｃは、内部の廃水９０により水素イオンの移動を可能としている。ただ、水素イオン伝導性を確保するために、上述のように、第１の導電体１０Ｃの内部にイオン伝導性物質を配置してもよい。

本実施形態の浄化ユニットは、第１の導電体１０Ｃと廃水９０の水面９０ａとの間に蓋部材１１０を設けている。そして、蓋部材１１０は酸素透過性が低いことが好ましい。酸素透過性が低い蓋部材１１０を設けることにより、廃水９０と気相５０との接触を抑制し、廃水９０に溶存する酸素量を低減することができる。その結果、廃水９０の内部に配置されている第２の導電体２０Ｃの周囲を嫌気性雰囲気にすることができるため、嫌気性微生物の代謝を促進することが可能となる。また、図７（ｂ）の浄化ユニット１Ｈにおいて、蓋部材１１０を設けることにより水面９０ａの近傍を嫌気性に保つことができるため、第２の導電体２０Ｃを第１の導電体１０Ｃに近接して配置することが可能となる。

このような蓋部材１１０は、酸素透過性が低い樹脂材料からなることが好ましい。また、第１の導電体１０Ｃを廃水９０の水面９０ａから露出させるために、蓋部材１１０の比重を水よりも小さくし、浮力を発生させることが好ましい。

［第五実施形態］
次に、第五実施形態に係る浄化ユニット及び浄化装置について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一乃至第四実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る浄化ユニットも第一及び第二実施形態と同様の構成を有している。図８に示すように、浄化ユニットは、第１の導電体１０Ｄと、第１の導電体１０Ｄと異なる第２の導電体２０Ｄと、第１の導電体１０Ｄ及び第２の導電体２０Ｄと異なる第３の導電体３０Ｄとを有する。そして、第３の導電体３０Ｄの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ｄの少なくとも一部が電気的に接続し、第３の導電体３０Ｄの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ｄの少なくとも一部が電気的に接続している。具体的には、第３の導電体３０Ｄの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ｄが接触することで電気的に接続されており、第３の導電体３０Ｄの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ｄが接触することで電気的に接続されている。

具体的には、図８（ａ）に示すように、浄化ユニット１Ｉは、第一実施形態の浄化ユニット１と同様の構成を有している。つまり、第１の導電体１０Ｄ、第２の導電体２０Ｄ及び第３の導電体３０Ｄが積層することにより浄化構造体を形成し、さらに第１の導電体１０Ｄにカセット基材６０及び板部材７０を設けることで気相５０を形成している。そのため、第１の導電体１０Ｄは、第一実施形態における撥水層１１及びガス拡散層１２を備える正極１０と同じ構成とすることが好ましい。また、第２の導電体２０Ｄは第一実施形態における負極２０と同じ構成とすることができる。

また、図８（ｂ）の浄化ユニット１Ｊでは、第１の導電体１０Ｄは水面９０ａに略水平に配置され、第２の導電体２０Ｄは第１の導電体１０Ｄに対して略平行に配置されている。さらに、第３の導電体３０Ｄは、第１の導電体１０Ｄと第２の導電体２０Ｄとの間に介在している。そして、第１の導電体１０Ｄは気相５０中に露出し、第２の導電体２０Ｄ及び第３の導電体３０Ｄの一部は廃水９０に浸漬されている。そのため、第１の導電体１０Ｄは第一実施形態における正極１０のガス拡散層１２と同じ構成とすることができ、第２の導電体２０Ｄは第一実施形態における負極２０と同じ構成とすることができる。

ここで、本実施形態の浄化ユニットにおいて、第３の導電体３０Ｄはイオン交換膜からなる。イオン交換膜は、第２の導電体２０Ｄで生成した水素イオンを透過しつつも、第２の導電体２０Ｄから第１の導電体１０Ｄへの微生物の移動を抑制することができる。そのため、第１の導電体１０Ｄにおいて、微生物により酸素還元反応が阻害されることを抑制することが可能となる。ただ、通常、イオン交換膜は電気抵抗率が比較的高いため、第１の導電体１０Ｄと第２の導電体２０Ｄとの間の導電性が確保できるように、イオン交換膜の厚みは極力薄い方が好ましい。このようなイオン交換膜としては、上述のナフィオン又はフレミオンからなる膜を用いることができる。

図８（ｂ）の浄化ユニット１Ｊでは、第１の導電体１０Ｄが気相５０中に露出しているため、内部に廃水９０を保持して水素イオン伝導性を確保することができない場合がある。そのため、第１の導電体１０Ｄの内部にイオン伝導性物質を配置し、酸素還元触媒まで水素イオンを伝導させることが好ましい。

［第六実施形態］
次に、第六実施形態に係る浄化ユニット及び浄化装置について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一乃至第五実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る浄化ユニットも第三実施形態と同様の構成を有している。図９に示すように、浄化ユニットは、第１の導電体１０Ｅと、第１の導電体１０Ｅと異なる第２の導電体２０Ｅと、第１の導電体１０Ｅ及び第２の導電体２０Ｅと異なる第３の導電体３０Ｅとを有する。そして、第３の導電体３０Ｅの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ｅの少なくとも一部が電気的に接続し、第３の導電体３０Ｅの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ｅの少なくとも一部が電気的に接続している。具体的には、第３の導電体３０Ｅの一方の面３０ａに第１の導電体１０Ｅが接触することで電気的に接続されており、第３の導電体３０Ｅの他方の面３０ｂに第２の導電体２０Ｅが接触することで電気的に接続されている。

そして、第１の導電体１０Ｅは気相５０中に露出し、第２の導電体２０Ｅ及び第３の導電体３０Ｅの一部は廃水９０に浸漬されている。そのため、第１の導電体１０Ｅは廃水９０に浸漬していないことから、第１の導電体１０Ｅは第一実施形態における正極１０のガス拡散層１２と同じ構成とすることができ、第２の導電体２０Ｅは第一実施形態における負極２０と同じ構成とすることができる。さらに、第３の導電体３０Ｅは、第一実施形態におけるイオン移動層３０と同じ構成とすることができる。

本実施形態の浄化ユニット１Ｋは、第三実施形態と同様に、第１の導電体１０Ｅ及び第２の導電体２０Ｅが第３の導電体３０Ｅを介して略鉛直方向に接続されている。ただ、浄化ユニット１Ｋは鉛直方向に対して角度θで傾斜しており、さらに廃水９０が第１の導電体１０Ｅに対して流下している。つまり、廃水９０は、図９に示す矢印Ｂに沿って第１の導電体１０Ｅの上部に接触し、第１の導電体１０Ｅ及び第３の導電体３０Ｅの表面及び内部を通過した後、第２の導電体２０Ｅが浸漬している溜められた廃水９０に至る。

このように浄化ユニット１Ｋでは、第１の導電体１０Ｅ及び第３の導電体３０Ｅの表面及び内部に常に廃水９０が存在している。そのため、第１の導電体１０Ｅ及び第３の導電体３０Ｅ自体に水素イオン伝導性を設けなくても、廃水９０を介して酸素還元触媒に水素イオンを到達させることが可能となる。

なお、第１の導電体１０Ｅに流下する廃水９０は、第２の導電体２０Ｅが浸漬している廃水９０を循環させてもよい。また、汚染源から発生した廃水を第１の導電体１０Ｅに流下させてもよい。

［第七実施形態］
次に、第七実施形態に係る浄化ユニット及び浄化装置について詳細に説明する。

第一乃至第六実施形態では、浄化ユニットが浄化する被処理体として、廃水９０を用いた場合を説明している。浄化ユニットでは、第２の導電体において微生物により有機物等から水素イオン及び電子を生成し、生成した水素イオン及び電子が第３の導電体を介して第１の導電体に移動し、その後、第１の導電体で酸素還元反応が生じている。そのため、この一連の反応が生じるならば、被処理体は廃水に限定されず、例えば被処理体として土壌を用いることが可能である。また、土壌中には、電気生産細菌である嫌気性微生物が存在している。例えば、水田土壌にはGeobacter属細菌のような電気生産細菌が潜在的に存在している。そのため、第一乃至第六実施形態の浄化ユニットを土壌中に挿入するだけで、土壌浄化を行うことが可能となる。

上述のように、第１の導電体、第２の導電体及び第３の導電体は水素イオン伝導性を有していることが好ましい。そのため、浄化ユニットは、第１の導電体、第２の導電体及び第３の導電体の内部に、水素イオン伝導体としての水分が侵入できるような湿地帯の土壌に用いることが好ましい。また、第１の導電体、第２の導電体及び第３の導電体の内部にイオン伝導性物質を含ませるか、又は、これらに水分を供給することにより、水素イオン伝導性を持たせることが好ましい。

このように、本実施形態に係る浄化装置は、上述の浄化ユニットを備えている。そして、当該浄化ユニットは、第１の導電体の少なくとも一部が気相５０と接触し、かつ、第２の導電体の少なくとも一部が浄化ユニットにより浄化される土壌と接触するように設置される。このような浄化ユニット及び浄化装置を用いることにより、バイオガスの発生を抑制しつつも、簡易なシステムで土壌を浄化することが可能となる。また、浄化ユニットに対して外部から運転に必要な電力を付与する必要がなく、浄化ユニットを土壌に挿入するだけで運転できるため、電力供給が困難な場所でも土壌浄化を行うことが可能となる。

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、本実施形態に係る浄化装置は、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、さらには土壌浄化に広く適用できる。さらに、浄化装置は、水域の環境改善などにも利用できる。

特願２０１６−１０９８９７号（出願日：２０１６年６月１日）の全内容は、ここに援用される。

本発明によれば、汚泥発生量を低減しつつもバイオガスの発生を抑制することが可能な浄化ユニット、及び当該浄化ユニットを用いた浄化装置を得ることができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ，１Ｉ，１Ｊ，１Ｋ 浄化ユニット
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ 第１の導電体（正極）
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ 第２の導電体（負極）
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ 第３の導電体（イオン移動層）
５０ 気相
８０ 処理槽
９０ 廃水
１００ 浄化装置

Claims (3)

1. 酸素還元触媒を含み、酸素還元反応が生じる第１の導電体と、
   前記第１の導電体と異なり、有機物及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する第２の導電体と、
   前記第１の導電体及び前記第２の導電体と異なり、前記第１の導電体及び前記第２の導電体よりも高い電気抵抗率を有する第３の導電体と、
   を有し、
   前記第３の導電体の一方の面に前記第１の導電体の少なくとも一部が電気的に接続し、前記第３の導電体の他方の面に前記第２の導電体の少なくとも一部が電気的に接続し、
   前記第１の導電体の少なくとも一部は酸素を含む気相と接触し、前記第２の導電体の少なくとも一部は被処理体と接触し、
   前記第２の導電体の表面及び内部の少なくとも一方には、嫌気性微生物が担持されており、
   前記第１の導電体と前記第２の導電体との間の電位差を確保するための外部回路を設けない、浄化ユニット。
2. 請求項１に記載の浄化ユニットと、
   前記浄化ユニットと前記浄化ユニットにより浄化される廃水とを内部に保持するための処理槽と、
   を備え、
   前記浄化ユニットは、前記第１の導電体の少なくとも一部が前記気相と接触し、かつ、前記第２の導電体の少なくとも一部が前記廃水と接触するように設置される、浄化装置。
3. 請求項１又は２に記載の浄化ユニットを備え、
   前記浄化ユニットは、前記第１の導電体の少なくとも一部が前記気相と接触し、かつ、前記第２の導電体の少なくとも一部が前記浄化ユニットにより浄化される土壌と接触するように設置される、浄化装置。

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