泥土の処理装置及び方法
【課題】河川、湖沼等の水底の被処理泥土中の有機物を分解して環境を改善する。
【解決手段】被処理泥土３上に多孔体の第１電極１１を設置する。第２電極１２を第１電極１１が接する水と連続する水中に設置する。第１電極１１と第２電極１２を物理的かつ電気的に接続し、好ましくは外部回路１３にて接続する。更に好ましくは、第２電極１２に酸素供給手段２０を接続する。外部回路１３に燃料電池等の直流電源３０を設けてもよい。第１電極１１の表面上では、被処理泥土３中の有機物の酸化反応が起きる。第２電極１２の表面上では、上記酸化反応に伴ない発生した水素イオンと外部回路１３からの電子により還元反応が起きる。
【解決手段】被処理泥土３上に多孔体の第１電極１１を設置する。第２電極１２を第１電極１１が接する水と連続する水中に設置する。第１電極１１と第２電極１２を物理的かつ電気的に接続し、好ましくは外部回路１３にて接続する。更に好ましくは、第２電極１２に酸素供給手段２０を接続する。外部回路１３に燃料電池等の直流電源３０を設けてもよい。第１電極１１の表面上では、被処理泥土３中の有機物の酸化反応が起きる。第２電極１２の表面上では、上記酸化反応に伴ない発生した水素イオンと外部回路１３からの電子により還元反応が起きる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、河川、湖沼、海洋等の水底に堆積したヘドロ等の有機物を含む泥土を処理する装置及び方法に関し、特に被処理泥土中の有機物を酸化分解（燃焼）させて環境改善を行なう装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘドロは、河川、湖沼、海洋等の水場の底に堆積した有機物を含む泥である。水中の溶存酸素が十分であれば、好気的な微生物が活性化し、上記有機物を水と炭酸ガスに分解する。一方、溶存酸素量が十分でないときは、嫌気的な微生物が活性化し、有機物をメタンなどに分解したり、有機物中に存在する硫黄化合物を還元し硫化水素などの悪臭ガスを放出したりする。そのため、水質の劣化を招く。さらに、低酸素状態では、被処理泥土からリンが水中に溶出して水質が富栄養化し、植物プランクトン（アオコ）が大量に発生して水質が悪化することがある。
【０００３】
このような水質悪化を防止するために、空気等の酸素含有気体を散気管から水中にバブリングして好気環境にすることが知られている（非特許文献１参照）。特許文献１では、水中に攪拌装置を設置してその内部に水を取り込み、かつ地上から空気を送り込んで攪拌している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８４９９８６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「高濃度酸素水生成装置を用いる汽水湖貧酸素水塊の水質改善及び湖底の底質改善」、清家泰、平成２２年３月、平成１９年度〜平成２１年度科学研究費補助金［基盤研究（Ａ）］研究成果報告書（研究課題番号１９２０１０１６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のバブリングや攪拌をヘドロ等の水底の被処理泥土中で行なうと、被処理泥土が水中に舞い上がってしまう。被処理泥土より上方の水中でバブリングや攪拌を行なうと、酸素の泡は上方へ拡散するため、被処理泥土の周辺はなかなか好気環境にならない。しかも、水中の溶存酸素量には限界があり、バブリングや攪拌をいくら行なっても、酸素が平衡圧力以上に水に溶存することはない。したがって、バブリングや攪拌だけで水底を環境改善するのは容易でなく効率が悪い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明装置は、水底の被処理泥土中の有機物を分解する処理装置であって、
前記被処理泥土上に設置された多孔体の第１電極と、
前記第１電極が接する水と連続する水中に設置され、かつ前記第１電極と物理的かつ電気的に接続された第２電極と、を備えたことを特徴とする。
本発明方法は、水底の被処理泥土中の有機物を分解する処理方法であって、
前記被処理泥土上に設置した多孔体の第１電極の表面上で前記有機物の酸化反応を起こさせ、
前記第１電極が接する水と連続する水中に配置するとともに前記第１電極と物理的かつ電気的に接続した第２電極の表面上で、前記酸化反応に伴ない発生した水素イオンと電子により水素イオンの還元反応（水素イオンと酸素分子と電子とで水が生成される反応を含む）を起こさせることを特徴とする。
ここで、「物理的かつ電気的に接続」とは、第１電極と第２電極が外部回路を介して接続されているか、又は第１電極と第２電極が直接的に接続されていることを言う。第１電極と第２電極は、互いに離れ、かつ外部回路にて接続されていてもよい。更に、第１電極と第２電極は、水中を流れる水素イオン等の荷電粒子を介して電気化学的に接続される。
【０００８】
第１電極の表面上では、被処理泥土中の固形の有機物が細菌によって酸化されて分解される。有機物としては、セルロース(C6H10O5)n、グルコース（C6H12O6）、フルクトース（C6H12O6）等の糖類の他、乳酸（C2O3H3）、酪酸（C4H8O2）、酢酸（C2H4O2）等の有機酸が挙げられるが、これ等に限るものではない。分解に寄与する微生物としては、例えば鉄還元細菌等の嫌気性細菌が挙げられる。鉄還元細菌は、鉄分及び有機物が存在する嫌気環境下において活性化し、鉄分を還元するとともに有機物を酸化して分解することでエネルギーを得る。好気性の微生物によって有機物を分解してもよい。有機物の分解に伴って炭酸ガス（CO2）の他、水素イオン（H+）や電子（e-）が生成される。水素イオンは、多孔体の第１電極を透過して水中に拡散する。電子は、第１電極に取り込まれ、外部回路又は直接接続からなる物理的電気的接続手段を通って第２電極へ流れる。第１電極と第２電極との間には静電場が形成される。この静電場によって前記水素イオンを第２電極に吸い寄せることができる。第２電極は、前記水素イオンの拡散方向の下流側に配置されることが好ましく、前記第１電極より高酸素濃度の場所に配置されることがより好ましい。この第２電極の表面上において、前記水素イオン（好ましくは更に酸素）が前記電子（e-）を受け取って還元される。このようにして、電子が第１電極から第２電極へ流れることで、被処理泥土中の有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促すことができる。これによって、被処理泥土中の有機物を燃焼させて被処理泥土を浄化でき、水底の環境を改善できる。被処理泥土の内部又は近傍でバブリング等を行なう必要はない。したがって、泥土が水中に舞い上がって水が濁るのを防止できる。更には、被処理泥土中の有機物からエネルギーを生産できる。前記外部回路に負荷を設けてもよい。負荷によって被処理泥土中の有機物の燃焼エネルギーを取り出して利用したり、消費したりすることができる。
【０００９】
前記第２電極が、前記第１電極より水流の下流側に配置されていることが好ましい。これによって、前記水素イオンが、前記静電場だけで移動するよりも早い移動速度で第１電極から第２電極へ水流に乗って流れるようにできる。第２電極の表面上では、流れ着いた水素イオンと、第２電極中の電子と、更に好ましくは水中に溶存する酸素とから水を生成する反応を起こさせることができる（第１、第２、第６実施形態参照）。或いは、水素イオンと電子とにより水素分子を生成する反応を起こさせることができる（第３〜第５実施形態参照）。ひいては、第１電極の表面上で有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促進させることができる。
【００１０】
前記処理装置は、前記第２電極に酸素含有気体を供給する酸素供給手段を更に備えていることが好ましい。これによって、第２電極の周辺の酸素濃度を確実に高めることができる。そして、第２電極の表面上で酸素と水素イオンが電子を受け取って水を生成する反応を確実に起こすようにできる。ひいては、第１電極の表面上で有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促進させることができる。酸素供給手段からの酸素は上記還元反応に消費されるため、第２電極の周辺の水中の溶存酸素量が飽和するのを防止でき、酸素供給のロスを抑制できる。
【００１１】
前記第２電極が、多孔体にて構成されていることが好ましい。これによって、第２電極の単位体積当たりの比表面積を大きくできる。したがって、第２電極の表面上における還元反応を一層促進させることができる。
【００１２】
前記第１電極を前記第２電極に対して高電位にする直流電源を設けてもよい。この場合、前記第１電極と前記第２電極は、互いに離れ、かつ外部回路によって物理的かつ電気的に接続されている。前記外部回路に前記直流電源を設けることが好ましい。これによって、有機物の酸化で生じた電子が第１電極に速い速度で取り込まれるようにできる。したがって、第１電極の表面上における有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を確実に促進させることができる。更に、水素イオンが第２電極に確実に到達するようにでき、第２電極上での水素イオンを還元させて水素イオンを生成できる。この還元反応には酸素が不要である。したがって、酸素を供給する必要がない。酸素と水素イオンによる還元反応の速度が遅くても、有機物の分解速度を大きくできる。
【００１３】
前記直流電源が燃料電池を含むことが好ましい。更に、前記処理装置が、前記第２電極の上方に被さって前記第２電極からの気体を回収する覆い状の回収部と、前記回収した気体を前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給路とを備えていることが好ましい。第２電極では水素イオンが還元されて水素ガスが発生する。この水素ガスを回収部によって回収し、燃料供給路を経て燃料電池の燃料極に供給する。この水素を燃料にして、燃料電池が起電力を発生させる。したがって、系外からエネルギーを供給しなくても処理装置を十分に自立運転することができる。或いは供給エネルギーを低減できる。
【００１４】
前記外部回路に前記燃料電池の出力電流を増幅する電流増幅手段を設けることが好ましい。これによって、第２電極からの水素の回収洩れや燃料電池での使用洩れ等の損失があっても、電流増幅手段によって燃料電池の出力電流を増幅することで、第１、第２電極間の電流を所望に維持できる。これによって、処理装置を継続して自立運転することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子が第１電極から第２電極へ流れることで、被処理泥土中の有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促すことができる。これによって、水底の環境を改善できる。被処理泥土の内部又は近傍でバブリング等を行なう必要はなく、泥土が水中に舞い上がって水が濁るのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示したものである。河川１（水場）の川底１ｂ（水底）にヘドロ３（被処理泥土）が堆積している。ヘドロ３には、セルロース(C6H10O5)n、グルコース（C6H12O6）、フルクトース（C6H12O6）、乳酸（C2O3H3）、酪酸（C4H8O2）、酢酸（C2H4O2）などの有機物が含まれている。更に、ヘドロ３には、水酸化鉄（Fe(OH)3）、酸化鉄（Fe2O3）等からなる赤錆が含まれていることが望ましい。赤錆の量が少ないときは、赤錆をヘドロ３中に散布してもよい。通常、川底１ｂは、河川１の水面１ａ近くと比べて酸素の濃度が低く、貧酸素環境になっている。そのため、ヘドロ３中では主に嫌気性の微生物が生息ないしは繁殖している。嫌気性の微生物として、例えば鉄還元細菌が挙げられる。
【００１８】
処理装置１０は、第１電極１１と、第２電極１２と、外部回路１３（物理的電気的接続手段）を備えている。第１電極１１は、炭素、金属等の導電性材料にて構成され、かつ多数の透孔１１ａを有する多孔体になっている。ここでは、第１電極１１としてメッシュ状（網状）の炭素繊維が用いられているが、金属のメッシュにて構成されていてもよい。第１電極１１は、液体又はイオンに対する透過性を有する多孔構造になっていればよく、メッシュ状に限られず、ウール状でもよく、スポンジ状でもよく、ポーラス状でもよい。
【００１９】
更に第１電極１１は、好ましくはある程度の面積を有するシート状又は面状になっている。この第１電極１１がヘドロ３の上面に被せられている。第１電極１１の面積は、ヘドロ３の広さ等を考慮して適宜設定する。第１電極１１の下面はヘドロ３に接している。第１電極１１の上面は河川１の水と接している。第１電極１１の上面の一部にヘドロ３が被さっていてもよい。
【００２０】
第２電極１２は、炭素、金属等の導電材料にて構成されている。第２電極は、非多孔体でもよいが、好ましくはメッシュ状、ウール状、スポンジ状、ポーラス状等の多孔体になっている。第２電極１２の全体形状は、シート状、面状、板状等の二次元形状でもよく、ブロック状、塊状等の三次元形状であってもよい。第２電極１２の長辺方向と短辺方向のうち何れか（図では長辺方向）が、上下方向に向けられていることが好ましく、第２電極１２の厚さ方向ないしは奥行き方向が水流ａに沿っていることが好ましい。
【００２１】
第２電極１２は、河川１の水中すなわち第１電極１１が接する水と連続する水中に配置されている。好ましくは、第２電極１２は、河川１の水流方向（矢印ａの方向）の第１電極１１より下流側に離れて配置されている。第１電極１１と第２電極１２との離間距離は、最も近い箇所どうし間で０ｍ〜１ｍ程度、最も遠い箇所どうし間で２ｍ〜１００ｍ程度が好ましい。更に好ましくは、第２電極１２は、河川１の水面１ａの近くに配置されている。一般に、水面１ａの近くは、川底１ｂより酸素濃度が高く、富酸素環境になっている。詳細な図示は省略するが、第２電極１２は、フロート等で水中に浮かんでいてもよく、水中に設置した支持台の上に支持されていてもよい。第２電極１２は、河川１の水流ａに対し直交するように配置されていてもよく、水流ａと平行に配置されていてもよく、水流ａに対し斜めに配置されていてもよい。
【００２２】
第１電極１１と第２電極１２が外部回路１３によって物理的かつ電気的に接続されている。外部回路１３は、電極１１，１２どうしを繋ぐ接続配線１４と、接続配線１４上に設けられた負荷１５を含む。負荷１５は、ヘドロ３中の有機物の燃焼エネルギーを利用ないしは消費するものであり、その種類に特に限定はなく、発光体、発熱体、駆動体等の種々の負荷を適用できる。負荷１５は、水中に設けられているが、水面１ａより上に設けられていてもよい。
【００２３】
上記のように構成された処理装置１０の作用を説明する。
［アノード反応工程］
第１電極１１の表面上では、鉄還元細菌等の微生物の代謝によって、ヘドロ３中の有機物が酸化（燃焼）されて分解される。例えば鉄還元細菌は、ヘドロ３中の鉄分を還元しながらヘドロ３中の有機物を酸化して分解する。有機物が分解されることで、炭酸ガス（CO2）と水素イオン（H+）が生成されるとともに、電子（e-）が第１電極１１に放出される。
【００２４】
例えばグルコース（C6H12O6）の分解の反応式は次式の通りである。
【数１】
このときの第１電極１１の標準電極電位Ｅ１１０は、Ｅ１１０＝０．０１１４Ｖ.vsh（グルコースの場合）である。ネルンスト電位を考慮した正味の第１電極１１の電位Ｅ１１（Ｖ.vsh）は、下式で表される。
【数２】
ここで、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー定数、［C6H12O6］は１Ｌあたりのグルコースのモル濃度、［H+］は１Ｌあたりの水素イオンのモル濃度、ＰCO2は炭酸ガスの平衡分圧（atm）である。
【００２５】
上記の水素イオンは、第１電極１１の透孔１１ａを透過して水中に拡散する。更に水素イオンは、河川１の水流に乗って下流すなわち第２電極１２の側へ移動する。上記の電子は、第１電極１１に取り込まれ、外部回路１３を伝って第２電極１２へ流れる。
【００２６】
［カソード反応工程］
第２電極１２の周辺の水中の酸素濃度は第１電極１１より高い。したがって、第２電極１２の表面上では、水中の酸素分子と、第１電極１１から水中を流れて来た水素イオンが、外部回路１３からの電子を受け取って、下式の還元反応を起こす。
【数３】
第２電極１２をメッシュ等の多孔体にて構成することで、単位体積当たりの比表面積を大きくでき、第２電極１２の表面上での上記反応（式３）を一層促進させることができる。このときの第２電極１２の標準電極電位Ｅ１２０は、Ｅ１２０＝１．２２９Ｖ.vshである。ネルンスト電位を考慮した正味の第２電極１２の酸化還元電位Ｅ１２（Ｖ.vsh）は、下式で表される。
【数４】
【００２７】
ここで、ＰO2は酸素ガスの平衡分圧（atm）である。Ｅ１２＞Ｅ１１になるため、第１電極１１で生成した電子を外部回路１３に沿って第２電極１２へ確実に流すことができる（電流を外部回路１３に沿って第２電極１２側から第１電極１１側へ流すことができる）。したがって、第１電極１１の表面上における、有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応（式１）を確実に進行させることができる。これによって、ヘドロ３を浄化でき、川底１ｂの環境を改善できる。
【００２８】
処理装置１０を作動させるためのエネルギー供給は殆ど不要である。むしろ、有機物の分解によって電極１１，１２間の電位差分のエネルギーが得られる。このエネルギーを負荷１５によって取り出し、種々の利用に供することができる。
装置１０は、酸素源として水面１ａ近くの富酸素水の酸素を利用するものであり、ヘドロ３の全面にバブリング等で酸素を供給する必要がない。
【００２９】
次に、処理装置１０の運転初期の過渡状態での反応について述べる。
上記アノード反応工程の反応式１は、ヘドロ３中に鉄還元細菌等の微生物が十分に繁殖した定常状態で起きる反応の一例を表したものである。微生物が少ないときは、第１電極１１でも式３の反応が優勢になる。このときの第１電極１１の酸化還元電位Ｅ１１（Ｖ.vsh）は、下式で表される。
【数５】
【００３０】
第１電極１１の周辺の酸素濃度（式５のＰO2）は第２電極１２の周辺の酸素濃度（式４のＰO2）より小さい。したがって、両電極１１，１２周辺の水素イオン濃度が同じとすると、Ｅ１２＞Ｅ１１になる。第１電極１１の周辺の貧酸素状態によっては、第１電極１１の電位Ｅ１１がＥ１１＝１００ｍＶ〜５００ｍＶ程度まで下がり、第２電極１２の電位Ｅ１２より十分低くなる（Ｅ１２＞＞Ｅ１１）。よって、過渡状態においても、電子が第１電極１１から外部回路１３に沿って第２電極１２へ流れる（電流が外部回路１３上を第２電極１２側から第１電極１１側へ流れる）。したがって、第１電極１１の表面上での有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応が進み、ヘドロ３中の微生物の代謝を促して増殖させることができる。増殖に伴なって、式１の反応が優勢になり、上記定常状態へ移行する。
【００３１】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を適宜省略する。
図２は、本発明の第２実施形態を示したものである。第２実施形態の処理装置１０Ａは、酸素供給手段２０を更に備えている。酸素供給手段２０は、圧送ポンプ２１と、圧送管２２と、散気管２３を有している。圧送ポンプ２１は、河川１の外部（水面１ａより上側）に設けられている。圧送ポンプ２１から圧送管２２が延びている。圧送管２２は河川１の内部に挿入されている。圧送管２２の先端が分岐して複数（図では２つ）の散気管２３に連なっている。各散気管２３が第２電極１２の下部に埋め込まれている。散気管２３の管壁には、多数の散気孔２３ａが形成されている。
【００３２】
第２実施形態の第２電極１２は、炭素や金属等の導電材料からなるスポンジ、メッシュ、ウール等の多孔体にて構成され、好ましくは高さと幅と奥行きを有する立体形状（三次元形状）になっている。第２電極１２は、第１電極１１から離れて配置されており、具体的には第１電極１１より水流ａの下流側の川底１ｂのヘドロ３上に設置されている。川底１ｂは、水面１ａの近くに比べて貧酸素環境になっている。第２電極１２が、川底１ｂの近くに（ヘドロ３の少し上に離して）設置されていてもよく、富酸素濃度の場所（例えば水面１ａの近く）に配置されていてもよい。
【００３３】
第２実施形態では、空気（酸素含有気体）を圧送ポンプ２１から圧送管２２を経て散気管２３へ圧送する。この空気が散気孔２３ａから泡２４になって第２電極１２中に吐出（バブリング）される。これによって、第２電極１２の表面周辺の酸素濃度が高まる。したがって、式３にて示す還元反応を確実に起こすことができる。第２電極１２は、スポンジ等の多孔体であり、単位体積当たりの比表面積が大きいため、式３にて示す還元反応を一層促進させることができる。酸素供給手段２０からの酸素は上記反応（式３）に使われるため、第２電極１２の周辺の水中の溶存酸素量が飽和するのを防止でき、気泡２４中の酸素を水中の溶存酸素へ効率よく移動させることができる。したがって、気泡２４が第２電極１２より上の水中に抜け出る前に、ないしは気泡２４が水面１ａに達する前に、気泡２４中の酸素を効率よく消費でき、酸素供給のロスを低減できる。ヘドロ３の全面に酸素を供給するためのバブリングは必要なく、電極１２内で局所的にバブリングするだけで十分である。したがって、バブリングのエネルギーを小さくすることができる。ヘドロ３を巻き上げることを抑えることもできる。電極１１，１２間の電位差分のエネルギーを圧送ポンプ２１の駆動に供してもよい。
【００３４】
図３は、本発明の第３実施形態を示したものである。第３実施形態の処理装置１０Ｂでは、外部回路１３に直流電源３０が設けられている。直流電源３０の正極３１が配線１４ａを介して第１電極１１に接続されている。直流電源３０の負極３２が配線１４ｂを介して第２電極１２に接続されている。直流電源３０は、第１電極１１を第２電極１２に対して高電位にし、外部回路１３の第２電極１２側から第１電極１１側へ電流を流す（電子を外部回路１３の第１電極１１側から第２電極１２側へ流す）。電極１１，１２間の電位差は、０．１Ｖ〜１．２Ｖ程度が好ましい。負荷１５を可変抵抗器にて構成し、電極１１，１２間の電位差を調節してもよい。負荷１５は、配線１４ｂに設けられているが、配線１４ａに設けてもよい。直流電源３０の内部抵抗が負荷１５を構成していてもよい。
【００３５】
第３実施形態の第２電極１２は、第１電極１１が接する水と連続する水中に、第１電極１１から空間的に離れて配置されている。好ましくは、第２電極１２は、第１電極１１より水流ａの下流に配置されている。ここでは、第２電極１２は、第２実施形態（図２）と同様に、第１電極１１より水流ａの下流側の川底１ｂのヘドロ３上に設置されている。第２電極１２は、スポンジ、メッシュ、ウール等の多孔体にて構成され、高さと幅と奥行きを有する立体形状（三次元形状）になっていることが好ましい。
【００３６】
第３実施形態の処理装置１０Ｂによれば、直流電源３０によって第１電極１１の電位を高めることで、有機物の酸化時に放出される電子を第１電極１１に確実に取り込むことができる。したがって、第１電極１１の表面上における有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促進させることができる。また、直流電源３０から電子を第２電極１２に供給し、第２電極１２を低電位にすることで、水中に遊離した水素イオンが第２電極１２に確実に到達するようにできる。そして、第２電極１２の表面上で、水素イオンが電子を受け取り、下式に示す水素イオンの還元反応が起きる。
【数６】
この還元反応には酸素が不要である。したがって、第２電極１２に酸素を供給する必要はなく、酸素供給手段２０を省略できる。酸素と水素イオンによる水の生成反応（式３）の速度が遅くても、有機物の分解速度を大きくできる。なお、式６における第２電極１２の標準電極電位Ｅ１２０は、Ｅ１２０＝０Ｖ.vshである。
【００３７】
図４は、本発明の第４実施形態を示したものである。第４実施形態は、第３実施形態の具体的態様に係る。この実施形態の処理装置１０Ｃでは、直流電源として燃料電池３３が用いられている。（直流電源が燃料電池３３を含む。）燃料電池３３の空気極３４（正極）が配線１４ａを介して第１電極１１に接続されている。燃料電池３３の燃料極３５（負極）が配線１４ｂを介して第２電極１２に接続されている。
【００３８】
第２電極１２の上側には回収部４１が設けられている。回収部４１は、第２電極１２に被さる覆い状（カバー状、フード状）になっている。回収部４１から燃料供給路４２が延びている。燃料供給路４２の先端は、燃料電池３３の燃料極３５に接続されている。
【００３９】
処理装置１０Ｃでは、燃料電池３３の起電力によって第１電極１１を第２電極１２に対して高電位にできる。これによって、第１電極１１では有機物の酸化時に放出される電子を確実に取り込むことができ、ひいては有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促進させることができる。第２電極１２では、水素イオンの還元反応（式６）が起き、水素ガスが発生する。水素ガスは、泡２５になって第２電極１２から上方へ拡散する。この水素ガス２５を回収部４１によって回収する。回収部４１を第２電極１２に被さる覆い状にすることで、水素ガス２５を確実に回収できる。この水素ガスを燃料供給路４２を経て燃料電池３３の燃料極３５に供給する。これによって、燃料電池３３が、第２電極１２からの水素ガスを燃料にして起電力を発生させることができる。具体的には、空気極３４で式３と同じ酸化反応が起き、燃料極３５で式６と同じ還元反応が起きる。
【００４０】
燃料電池３３の起電力は標準電極電位で計算して１．２２９Ｖであり、ロスを考慮しても約１Ｖである。これに対し、第１電極１１と第２電極１２の間には少なくとも標準電極電位の差Ｅ１１０−Ｅ１２０＝０．０１１４Ｖに相当する電位差を印加すればよい。したがって、系外からエネルギーを供給しなくても処理装置１０Ｃを十分に自立運転させることができる。
【００４１】
図５は、本発明の第５実施形態を示したものである。第５実施形態の処理装置１０Ｄでは、直流電源としての燃料電池３３に電流増幅手段５０が付加されている。電流増幅手段５０は外部回路１３に介在されている。この電流増幅手段５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータにて構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、直流入力電圧及び電流を、異なる大きさの直流電圧及び電流に変換して出力する。ここでは、電圧を下げ、電流を大きくする。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のプラス入力端子５１は、燃料電池３３の空気極３４に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のマイナス入力端子５２は、燃料電池３３の燃料極３５に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のプラス出力端子５３は、配線１４ａを介して第１電極１１に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のマイナス出力端子５４は、配線１４ｂを介して第２電極１２に接続されている。
【００４２】
第２電極１２から生じた水素ガスの一部が回収部４１から漏れたり、燃料供給路４２から燃料電池３３に供給した水素ガスの一部が燃料として使われずに排出されたりすると、その損失分だけ燃料電池３３からの出力電流が電極１１，１２間の電流より小さくなる。すなわち、燃料電池３３から出力される電子のモル数が、第２電極１２での水素還元に使われた電子のモル数より小さくなる。
【００４３】
一方、燃料電池３３からの出力電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０に入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０によって増幅される。これによって、水素の損失があっても、電極１１，１２間の電流を一定に維持できる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０から第２電極１２への電子の供給モル数を、第２電極での水素の還元に使われる電子のモル数に合わせることができる。この結果、処理装置１０Ｄを確実に継続して自立運転できる。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５０では、電流の増大分だけ出力電圧が低下する。しかし、端子５１，５２間の入力電圧は燃料電池３３の起電力に略等しく約１Ｖであり、これが電圧変換によって低下しても、端子５３，５４間の出力電圧は、電極１１，１２間の所要電圧差（Ｅ１１０−Ｅ１２０＝０．０１１４Ｖ）と比べると十分に大きい。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧の一部を電極１１，１２での反応維持に利用すればよく、残余の電圧は負荷１５の電圧降下に回して種々の利用に供することができる。
【００４５】
図６は、本発明の第６実施形態を示したものである。第６実施形態は、第１電極１１と第２電極１２の物理的電気的接続手段の変形態様に係る。第６実施形態の処理装置１０Ｅでは、外部回路１３が省略されている。これに代えて、面状の多孔体（例えばメッシュシート）からなる第１電極１１が、大面積になってヘドロ３を広く覆っている。第１電極１１は、ヘドロ３の大部分を覆う面積を有していてもよい。
【００４６】
第１電極１１における水流ａの下流側（図６において右）の端部１１ｙを除く主部分１１ｘは、上面が水中に露出し、水と接している。第１電極１１の上記下流側の端部１１ｙの上面には、第２電極１２が設置されている。第２電極１２は、メッシュ状、ウール状、スポンジ状等の立体形状になっている。第２電極１２の底面が第１電極１１に直接的に接触することで、第１、第２電極１１，１２どうしが物理的かつ電気的に接続されている。第１電極１１と第２電極１２が溶接、クランプ、ネジ等の連結手段で連結されて固定されていてもよい。第１電極１１と第２電極１２が一体に連なっていてもよい。第１電極１１と第２電極１２が同じ金属材料にて構成されて同体に連なっていてもよい。第２電極１２には、第２実施形態（図２）と同様の酸素供給手段２０が接続されている。
【００４７】
第６実施形態では、第１電極１１の主部分１１ｘの表面上において、有機物が酸化分解されて水素イオンや電子が生成される（式１）。水素イオンは、水流ａ及び第１、第２電極１１，１２間の静電場によって水中を第２電極１２の側へ流れる。電子は、第１電極１１に取り込まれ、端部１１ｙから第２電極１２へ流れ込む。多孔体の第２電極１２内には酸素供給手段２０から空気がバブリングされる。これによって、第２電極１２の表面上で、酸素と水素イオンと電子とが反応して水が生成される（式３）。この結果、第１電極１１の主部分１１ｘにおける有機物の酸化分解反応を進行させることができ、川底１ｂの環境を改善できる。
【００４８】
本発明は、上記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変をなすことができる。
例えば、本発明は、河川に限られず、海洋、港湾、湖沼、池、ダム、その他の種々の水場の水底の環境改善にも適用できる。被処理泥土３は、有機物を含むものであればよく、ヘドロに限られず、池や田圃の泥であってもよい。
処理装置１０の運転初期に鉄還元細菌等の微生物を被処理泥土３に投入してもよい。鉄還元細菌を投入するときは、赤錆をも被処理泥土３に投入することにしてもよい。
電極１１，１２を白金、その他の金属触媒にて構成してもよい。
直流電源３０は、燃料電池３３に限られず、太陽電池、乾電池、蓄電池、モータ発電機、化石燃料発電機等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、例えば河川や海洋の水底のヘドロの燃焼処理に適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 河川（水場）
１ａ 水面
１ｂ 川底（水底）
３ ヘドロ（被処理泥土）
１０，１０Ａ〜１０Ｅ 処理装置
１１ 第１電極
１１ａ 透孔
１２ 第２電極
１３ 外部回路
１４ 接続配線
１５ 負荷
２０ 酸素供給手段
２１ 圧送ポンプ
２２ 圧送管
２３ 散気管
２３ａ 散気孔
２４ 空気の泡
２５ 水素ガスの泡
３０ 直流電源
３１ 正極
３２ 負極
３３ 燃料電池（直流電源）
３４ 空気極（正極）
３５ 燃料極（負極）
４１ 回収部
４２ 燃料供給路
５０ ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流増幅手段）
５１ プラス入力端子
５２ マイナス入力端子
５３ プラス出力端子
５４ マイナス出力端子
【技術分野】
【０００１】
この発明は、河川、湖沼、海洋等の水底に堆積したヘドロ等の有機物を含む泥土を処理する装置及び方法に関し、特に被処理泥土中の有機物を酸化分解（燃焼）させて環境改善を行なう装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘドロは、河川、湖沼、海洋等の水場の底に堆積した有機物を含む泥である。水中の溶存酸素が十分であれば、好気的な微生物が活性化し、上記有機物を水と炭酸ガスに分解する。一方、溶存酸素量が十分でないときは、嫌気的な微生物が活性化し、有機物をメタンなどに分解したり、有機物中に存在する硫黄化合物を還元し硫化水素などの悪臭ガスを放出したりする。そのため、水質の劣化を招く。さらに、低酸素状態では、被処理泥土からリンが水中に溶出して水質が富栄養化し、植物プランクトン（アオコ）が大量に発生して水質が悪化することがある。
【０００３】
このような水質悪化を防止するために、空気等の酸素含有気体を散気管から水中にバブリングして好気環境にすることが知られている（非特許文献１参照）。特許文献１では、水中に攪拌装置を設置してその内部に水を取り込み、かつ地上から空気を送り込んで攪拌している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８４９９８６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「高濃度酸素水生成装置を用いる汽水湖貧酸素水塊の水質改善及び湖底の底質改善」、清家泰、平成２２年３月、平成１９年度〜平成２１年度科学研究費補助金［基盤研究（Ａ）］研究成果報告書（研究課題番号１９２０１０１６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のバブリングや攪拌をヘドロ等の水底の被処理泥土中で行なうと、被処理泥土が水中に舞い上がってしまう。被処理泥土より上方の水中でバブリングや攪拌を行なうと、酸素の泡は上方へ拡散するため、被処理泥土の周辺はなかなか好気環境にならない。しかも、水中の溶存酸素量には限界があり、バブリングや攪拌をいくら行なっても、酸素が平衡圧力以上に水に溶存することはない。したがって、バブリングや攪拌だけで水底を環境改善するのは容易でなく効率が悪い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明装置は、水底の被処理泥土中の有機物を分解する処理装置であって、
前記被処理泥土上に設置された多孔体の第１電極と、
前記第１電極が接する水と連続する水中に設置され、かつ前記第１電極と物理的かつ電気的に接続された第２電極と、を備えたことを特徴とする。
本発明方法は、水底の被処理泥土中の有機物を分解する処理方法であって、
前記被処理泥土上に設置した多孔体の第１電極の表面上で前記有機物の酸化反応を起こさせ、
前記第１電極が接する水と連続する水中に配置するとともに前記第１電極と物理的かつ電気的に接続した第２電極の表面上で、前記酸化反応に伴ない発生した水素イオンと電子により水素イオンの還元反応（水素イオンと酸素分子と電子とで水が生成される反応を含む）を起こさせることを特徴とする。
ここで、「物理的かつ電気的に接続」とは、第１電極と第２電極が外部回路を介して接続されているか、又は第１電極と第２電極が直接的に接続されていることを言う。第１電極と第２電極は、互いに離れ、かつ外部回路にて接続されていてもよい。更に、第１電極と第２電極は、水中を流れる水素イオン等の荷電粒子を介して電気化学的に接続される。
【０００８】
第１電極の表面上では、被処理泥土中の固形の有機物が細菌によって酸化されて分解される。有機物としては、セルロース(C6H10O5)n、グルコース（C6H12O6）、フルクトース（C6H12O6）等の糖類の他、乳酸（C2O3H3）、酪酸（C4H8O2）、酢酸（C2H4O2）等の有機酸が挙げられるが、これ等に限るものではない。分解に寄与する微生物としては、例えば鉄還元細菌等の嫌気性細菌が挙げられる。鉄還元細菌は、鉄分及び有機物が存在する嫌気環境下において活性化し、鉄分を還元するとともに有機物を酸化して分解することでエネルギーを得る。好気性の微生物によって有機物を分解してもよい。有機物の分解に伴って炭酸ガス（CO2）の他、水素イオン（H+）や電子（e-）が生成される。水素イオンは、多孔体の第１電極を透過して水中に拡散する。電子は、第１電極に取り込まれ、外部回路又は直接接続からなる物理的電気的接続手段を通って第２電極へ流れる。第１電極と第２電極との間には静電場が形成される。この静電場によって前記水素イオンを第２電極に吸い寄せることができる。第２電極は、前記水素イオンの拡散方向の下流側に配置されることが好ましく、前記第１電極より高酸素濃度の場所に配置されることがより好ましい。この第２電極の表面上において、前記水素イオン（好ましくは更に酸素）が前記電子（e-）を受け取って還元される。このようにして、電子が第１電極から第２電極へ流れることで、被処理泥土中の有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促すことができる。これによって、被処理泥土中の有機物を燃焼させて被処理泥土を浄化でき、水底の環境を改善できる。被処理泥土の内部又は近傍でバブリング等を行なう必要はない。したがって、泥土が水中に舞い上がって水が濁るのを防止できる。更には、被処理泥土中の有機物からエネルギーを生産できる。前記外部回路に負荷を設けてもよい。負荷によって被処理泥土中の有機物の燃焼エネルギーを取り出して利用したり、消費したりすることができる。
【０００９】
前記第２電極が、前記第１電極より水流の下流側に配置されていることが好ましい。これによって、前記水素イオンが、前記静電場だけで移動するよりも早い移動速度で第１電極から第２電極へ水流に乗って流れるようにできる。第２電極の表面上では、流れ着いた水素イオンと、第２電極中の電子と、更に好ましくは水中に溶存する酸素とから水を生成する反応を起こさせることができる（第１、第２、第６実施形態参照）。或いは、水素イオンと電子とにより水素分子を生成する反応を起こさせることができる（第３〜第５実施形態参照）。ひいては、第１電極の表面上で有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促進させることができる。
【００１０】
前記処理装置は、前記第２電極に酸素含有気体を供給する酸素供給手段を更に備えていることが好ましい。これによって、第２電極の周辺の酸素濃度を確実に高めることができる。そして、第２電極の表面上で酸素と水素イオンが電子を受け取って水を生成する反応を確実に起こすようにできる。ひいては、第１電極の表面上で有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促進させることができる。酸素供給手段からの酸素は上記還元反応に消費されるため、第２電極の周辺の水中の溶存酸素量が飽和するのを防止でき、酸素供給のロスを抑制できる。
【００１１】
前記第２電極が、多孔体にて構成されていることが好ましい。これによって、第２電極の単位体積当たりの比表面積を大きくできる。したがって、第２電極の表面上における還元反応を一層促進させることができる。
【００１２】
前記第１電極を前記第２電極に対して高電位にする直流電源を設けてもよい。この場合、前記第１電極と前記第２電極は、互いに離れ、かつ外部回路によって物理的かつ電気的に接続されている。前記外部回路に前記直流電源を設けることが好ましい。これによって、有機物の酸化で生じた電子が第１電極に速い速度で取り込まれるようにできる。したがって、第１電極の表面上における有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を確実に促進させることができる。更に、水素イオンが第２電極に確実に到達するようにでき、第２電極上での水素イオンを還元させて水素イオンを生成できる。この還元反応には酸素が不要である。したがって、酸素を供給する必要がない。酸素と水素イオンによる還元反応の速度が遅くても、有機物の分解速度を大きくできる。
【００１３】
前記直流電源が燃料電池を含むことが好ましい。更に、前記処理装置が、前記第２電極の上方に被さって前記第２電極からの気体を回収する覆い状の回収部と、前記回収した気体を前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給路とを備えていることが好ましい。第２電極では水素イオンが還元されて水素ガスが発生する。この水素ガスを回収部によって回収し、燃料供給路を経て燃料電池の燃料極に供給する。この水素を燃料にして、燃料電池が起電力を発生させる。したがって、系外からエネルギーを供給しなくても処理装置を十分に自立運転することができる。或いは供給エネルギーを低減できる。
【００１４】
前記外部回路に前記燃料電池の出力電流を増幅する電流増幅手段を設けることが好ましい。これによって、第２電極からの水素の回収洩れや燃料電池での使用洩れ等の損失があっても、電流増幅手段によって燃料電池の出力電流を増幅することで、第１、第２電極間の電流を所望に維持できる。これによって、処理装置を継続して自立運転することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子が第１電極から第２電極へ流れることで、被処理泥土中の有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促すことができる。これによって、水底の環境を改善できる。被処理泥土の内部又は近傍でバブリング等を行なう必要はなく、泥土が水中に舞い上がって水が濁るのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る処理装置を設置した河川の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示したものである。河川１（水場）の川底１ｂ（水底）にヘドロ３（被処理泥土）が堆積している。ヘドロ３には、セルロース(C6H10O5)n、グルコース（C6H12O6）、フルクトース（C6H12O6）、乳酸（C2O3H3）、酪酸（C4H8O2）、酢酸（C2H4O2）などの有機物が含まれている。更に、ヘドロ３には、水酸化鉄（Fe(OH)3）、酸化鉄（Fe2O3）等からなる赤錆が含まれていることが望ましい。赤錆の量が少ないときは、赤錆をヘドロ３中に散布してもよい。通常、川底１ｂは、河川１の水面１ａ近くと比べて酸素の濃度が低く、貧酸素環境になっている。そのため、ヘドロ３中では主に嫌気性の微生物が生息ないしは繁殖している。嫌気性の微生物として、例えば鉄還元細菌が挙げられる。
【００１８】
処理装置１０は、第１電極１１と、第２電極１２と、外部回路１３（物理的電気的接続手段）を備えている。第１電極１１は、炭素、金属等の導電性材料にて構成され、かつ多数の透孔１１ａを有する多孔体になっている。ここでは、第１電極１１としてメッシュ状（網状）の炭素繊維が用いられているが、金属のメッシュにて構成されていてもよい。第１電極１１は、液体又はイオンに対する透過性を有する多孔構造になっていればよく、メッシュ状に限られず、ウール状でもよく、スポンジ状でもよく、ポーラス状でもよい。
【００１９】
更に第１電極１１は、好ましくはある程度の面積を有するシート状又は面状になっている。この第１電極１１がヘドロ３の上面に被せられている。第１電極１１の面積は、ヘドロ３の広さ等を考慮して適宜設定する。第１電極１１の下面はヘドロ３に接している。第１電極１１の上面は河川１の水と接している。第１電極１１の上面の一部にヘドロ３が被さっていてもよい。
【００２０】
第２電極１２は、炭素、金属等の導電材料にて構成されている。第２電極は、非多孔体でもよいが、好ましくはメッシュ状、ウール状、スポンジ状、ポーラス状等の多孔体になっている。第２電極１２の全体形状は、シート状、面状、板状等の二次元形状でもよく、ブロック状、塊状等の三次元形状であってもよい。第２電極１２の長辺方向と短辺方向のうち何れか（図では長辺方向）が、上下方向に向けられていることが好ましく、第２電極１２の厚さ方向ないしは奥行き方向が水流ａに沿っていることが好ましい。
【００２１】
第２電極１２は、河川１の水中すなわち第１電極１１が接する水と連続する水中に配置されている。好ましくは、第２電極１２は、河川１の水流方向（矢印ａの方向）の第１電極１１より下流側に離れて配置されている。第１電極１１と第２電極１２との離間距離は、最も近い箇所どうし間で０ｍ〜１ｍ程度、最も遠い箇所どうし間で２ｍ〜１００ｍ程度が好ましい。更に好ましくは、第２電極１２は、河川１の水面１ａの近くに配置されている。一般に、水面１ａの近くは、川底１ｂより酸素濃度が高く、富酸素環境になっている。詳細な図示は省略するが、第２電極１２は、フロート等で水中に浮かんでいてもよく、水中に設置した支持台の上に支持されていてもよい。第２電極１２は、河川１の水流ａに対し直交するように配置されていてもよく、水流ａと平行に配置されていてもよく、水流ａに対し斜めに配置されていてもよい。
【００２２】
第１電極１１と第２電極１２が外部回路１３によって物理的かつ電気的に接続されている。外部回路１３は、電極１１，１２どうしを繋ぐ接続配線１４と、接続配線１４上に設けられた負荷１５を含む。負荷１５は、ヘドロ３中の有機物の燃焼エネルギーを利用ないしは消費するものであり、その種類に特に限定はなく、発光体、発熱体、駆動体等の種々の負荷を適用できる。負荷１５は、水中に設けられているが、水面１ａより上に設けられていてもよい。
【００２３】
上記のように構成された処理装置１０の作用を説明する。
［アノード反応工程］
第１電極１１の表面上では、鉄還元細菌等の微生物の代謝によって、ヘドロ３中の有機物が酸化（燃焼）されて分解される。例えば鉄還元細菌は、ヘドロ３中の鉄分を還元しながらヘドロ３中の有機物を酸化して分解する。有機物が分解されることで、炭酸ガス（CO2）と水素イオン（H+）が生成されるとともに、電子（e-）が第１電極１１に放出される。
【００２４】
例えばグルコース（C6H12O6）の分解の反応式は次式の通りである。
【数１】
このときの第１電極１１の標準電極電位Ｅ１１０は、Ｅ１１０＝０．０１１４Ｖ.vsh（グルコースの場合）である。ネルンスト電位を考慮した正味の第１電極１１の電位Ｅ１１（Ｖ.vsh）は、下式で表される。
【数２】
ここで、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー定数、［C6H12O6］は１Ｌあたりのグルコースのモル濃度、［H+］は１Ｌあたりの水素イオンのモル濃度、ＰCO2は炭酸ガスの平衡分圧（atm）である。
【００２５】
上記の水素イオンは、第１電極１１の透孔１１ａを透過して水中に拡散する。更に水素イオンは、河川１の水流に乗って下流すなわち第２電極１２の側へ移動する。上記の電子は、第１電極１１に取り込まれ、外部回路１３を伝って第２電極１２へ流れる。
【００２６】
［カソード反応工程］
第２電極１２の周辺の水中の酸素濃度は第１電極１１より高い。したがって、第２電極１２の表面上では、水中の酸素分子と、第１電極１１から水中を流れて来た水素イオンが、外部回路１３からの電子を受け取って、下式の還元反応を起こす。
【数３】
第２電極１２をメッシュ等の多孔体にて構成することで、単位体積当たりの比表面積を大きくでき、第２電極１２の表面上での上記反応（式３）を一層促進させることができる。このときの第２電極１２の標準電極電位Ｅ１２０は、Ｅ１２０＝１．２２９Ｖ.vshである。ネルンスト電位を考慮した正味の第２電極１２の酸化還元電位Ｅ１２（Ｖ.vsh）は、下式で表される。
【数４】
【００２７】
ここで、ＰO2は酸素ガスの平衡分圧（atm）である。Ｅ１２＞Ｅ１１になるため、第１電極１１で生成した電子を外部回路１３に沿って第２電極１２へ確実に流すことができる（電流を外部回路１３に沿って第２電極１２側から第１電極１１側へ流すことができる）。したがって、第１電極１１の表面上における、有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応（式１）を確実に進行させることができる。これによって、ヘドロ３を浄化でき、川底１ｂの環境を改善できる。
【００２８】
処理装置１０を作動させるためのエネルギー供給は殆ど不要である。むしろ、有機物の分解によって電極１１，１２間の電位差分のエネルギーが得られる。このエネルギーを負荷１５によって取り出し、種々の利用に供することができる。
装置１０は、酸素源として水面１ａ近くの富酸素水の酸素を利用するものであり、ヘドロ３の全面にバブリング等で酸素を供給する必要がない。
【００２９】
次に、処理装置１０の運転初期の過渡状態での反応について述べる。
上記アノード反応工程の反応式１は、ヘドロ３中に鉄還元細菌等の微生物が十分に繁殖した定常状態で起きる反応の一例を表したものである。微生物が少ないときは、第１電極１１でも式３の反応が優勢になる。このときの第１電極１１の酸化還元電位Ｅ１１（Ｖ.vsh）は、下式で表される。
【数５】
【００３０】
第１電極１１の周辺の酸素濃度（式５のＰO2）は第２電極１２の周辺の酸素濃度（式４のＰO2）より小さい。したがって、両電極１１，１２周辺の水素イオン濃度が同じとすると、Ｅ１２＞Ｅ１１になる。第１電極１１の周辺の貧酸素状態によっては、第１電極１１の電位Ｅ１１がＥ１１＝１００ｍＶ〜５００ｍＶ程度まで下がり、第２電極１２の電位Ｅ１２より十分低くなる（Ｅ１２＞＞Ｅ１１）。よって、過渡状態においても、電子が第１電極１１から外部回路１３に沿って第２電極１２へ流れる（電流が外部回路１３上を第２電極１２側から第１電極１１側へ流れる）。したがって、第１電極１１の表面上での有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応が進み、ヘドロ３中の微生物の代謝を促して増殖させることができる。増殖に伴なって、式１の反応が優勢になり、上記定常状態へ移行する。
【００３１】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を適宜省略する。
図２は、本発明の第２実施形態を示したものである。第２実施形態の処理装置１０Ａは、酸素供給手段２０を更に備えている。酸素供給手段２０は、圧送ポンプ２１と、圧送管２２と、散気管２３を有している。圧送ポンプ２１は、河川１の外部（水面１ａより上側）に設けられている。圧送ポンプ２１から圧送管２２が延びている。圧送管２２は河川１の内部に挿入されている。圧送管２２の先端が分岐して複数（図では２つ）の散気管２３に連なっている。各散気管２３が第２電極１２の下部に埋め込まれている。散気管２３の管壁には、多数の散気孔２３ａが形成されている。
【００３２】
第２実施形態の第２電極１２は、炭素や金属等の導電材料からなるスポンジ、メッシュ、ウール等の多孔体にて構成され、好ましくは高さと幅と奥行きを有する立体形状（三次元形状）になっている。第２電極１２は、第１電極１１から離れて配置されており、具体的には第１電極１１より水流ａの下流側の川底１ｂのヘドロ３上に設置されている。川底１ｂは、水面１ａの近くに比べて貧酸素環境になっている。第２電極１２が、川底１ｂの近くに（ヘドロ３の少し上に離して）設置されていてもよく、富酸素濃度の場所（例えば水面１ａの近く）に配置されていてもよい。
【００３３】
第２実施形態では、空気（酸素含有気体）を圧送ポンプ２１から圧送管２２を経て散気管２３へ圧送する。この空気が散気孔２３ａから泡２４になって第２電極１２中に吐出（バブリング）される。これによって、第２電極１２の表面周辺の酸素濃度が高まる。したがって、式３にて示す還元反応を確実に起こすことができる。第２電極１２は、スポンジ等の多孔体であり、単位体積当たりの比表面積が大きいため、式３にて示す還元反応を一層促進させることができる。酸素供給手段２０からの酸素は上記反応（式３）に使われるため、第２電極１２の周辺の水中の溶存酸素量が飽和するのを防止でき、気泡２４中の酸素を水中の溶存酸素へ効率よく移動させることができる。したがって、気泡２４が第２電極１２より上の水中に抜け出る前に、ないしは気泡２４が水面１ａに達する前に、気泡２４中の酸素を効率よく消費でき、酸素供給のロスを低減できる。ヘドロ３の全面に酸素を供給するためのバブリングは必要なく、電極１２内で局所的にバブリングするだけで十分である。したがって、バブリングのエネルギーを小さくすることができる。ヘドロ３を巻き上げることを抑えることもできる。電極１１，１２間の電位差分のエネルギーを圧送ポンプ２１の駆動に供してもよい。
【００３４】
図３は、本発明の第３実施形態を示したものである。第３実施形態の処理装置１０Ｂでは、外部回路１３に直流電源３０が設けられている。直流電源３０の正極３１が配線１４ａを介して第１電極１１に接続されている。直流電源３０の負極３２が配線１４ｂを介して第２電極１２に接続されている。直流電源３０は、第１電極１１を第２電極１２に対して高電位にし、外部回路１３の第２電極１２側から第１電極１１側へ電流を流す（電子を外部回路１３の第１電極１１側から第２電極１２側へ流す）。電極１１，１２間の電位差は、０．１Ｖ〜１．２Ｖ程度が好ましい。負荷１５を可変抵抗器にて構成し、電極１１，１２間の電位差を調節してもよい。負荷１５は、配線１４ｂに設けられているが、配線１４ａに設けてもよい。直流電源３０の内部抵抗が負荷１５を構成していてもよい。
【００３５】
第３実施形態の第２電極１２は、第１電極１１が接する水と連続する水中に、第１電極１１から空間的に離れて配置されている。好ましくは、第２電極１２は、第１電極１１より水流ａの下流に配置されている。ここでは、第２電極１２は、第２実施形態（図２）と同様に、第１電極１１より水流ａの下流側の川底１ｂのヘドロ３上に設置されている。第２電極１２は、スポンジ、メッシュ、ウール等の多孔体にて構成され、高さと幅と奥行きを有する立体形状（三次元形状）になっていることが好ましい。
【００３６】
第３実施形態の処理装置１０Ｂによれば、直流電源３０によって第１電極１１の電位を高めることで、有機物の酸化時に放出される電子を第１電極１１に確実に取り込むことができる。したがって、第１電極１１の表面上における有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促進させることができる。また、直流電源３０から電子を第２電極１２に供給し、第２電極１２を低電位にすることで、水中に遊離した水素イオンが第２電極１２に確実に到達するようにできる。そして、第２電極１２の表面上で、水素イオンが電子を受け取り、下式に示す水素イオンの還元反応が起きる。
【数６】
この還元反応には酸素が不要である。したがって、第２電極１２に酸素を供給する必要はなく、酸素供給手段２０を省略できる。酸素と水素イオンによる水の生成反応（式３）の速度が遅くても、有機物の分解速度を大きくできる。なお、式６における第２電極１２の標準電極電位Ｅ１２０は、Ｅ１２０＝０Ｖ.vshである。
【００３７】
図４は、本発明の第４実施形態を示したものである。第４実施形態は、第３実施形態の具体的態様に係る。この実施形態の処理装置１０Ｃでは、直流電源として燃料電池３３が用いられている。（直流電源が燃料電池３３を含む。）燃料電池３３の空気極３４（正極）が配線１４ａを介して第１電極１１に接続されている。燃料電池３３の燃料極３５（負極）が配線１４ｂを介して第２電極１２に接続されている。
【００３８】
第２電極１２の上側には回収部４１が設けられている。回収部４１は、第２電極１２に被さる覆い状（カバー状、フード状）になっている。回収部４１から燃料供給路４２が延びている。燃料供給路４２の先端は、燃料電池３３の燃料極３５に接続されている。
【００３９】
処理装置１０Ｃでは、燃料電池３３の起電力によって第１電極１１を第２電極１２に対して高電位にできる。これによって、第１電極１１では有機物の酸化時に放出される電子を確実に取り込むことができ、ひいては有機物の電子放出反応すなわち酸化分解反応を促進させることができる。第２電極１２では、水素イオンの還元反応（式６）が起き、水素ガスが発生する。水素ガスは、泡２５になって第２電極１２から上方へ拡散する。この水素ガス２５を回収部４１によって回収する。回収部４１を第２電極１２に被さる覆い状にすることで、水素ガス２５を確実に回収できる。この水素ガスを燃料供給路４２を経て燃料電池３３の燃料極３５に供給する。これによって、燃料電池３３が、第２電極１２からの水素ガスを燃料にして起電力を発生させることができる。具体的には、空気極３４で式３と同じ酸化反応が起き、燃料極３５で式６と同じ還元反応が起きる。
【００４０】
燃料電池３３の起電力は標準電極電位で計算して１．２２９Ｖであり、ロスを考慮しても約１Ｖである。これに対し、第１電極１１と第２電極１２の間には少なくとも標準電極電位の差Ｅ１１０−Ｅ１２０＝０．０１１４Ｖに相当する電位差を印加すればよい。したがって、系外からエネルギーを供給しなくても処理装置１０Ｃを十分に自立運転させることができる。
【００４１】
図５は、本発明の第５実施形態を示したものである。第５実施形態の処理装置１０Ｄでは、直流電源としての燃料電池３３に電流増幅手段５０が付加されている。電流増幅手段５０は外部回路１３に介在されている。この電流増幅手段５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータにて構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、直流入力電圧及び電流を、異なる大きさの直流電圧及び電流に変換して出力する。ここでは、電圧を下げ、電流を大きくする。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のプラス入力端子５１は、燃料電池３３の空気極３４に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のマイナス入力端子５２は、燃料電池３３の燃料極３５に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のプラス出力端子５３は、配線１４ａを介して第１電極１１に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のマイナス出力端子５４は、配線１４ｂを介して第２電極１２に接続されている。
【００４２】
第２電極１２から生じた水素ガスの一部が回収部４１から漏れたり、燃料供給路４２から燃料電池３３に供給した水素ガスの一部が燃料として使われずに排出されたりすると、その損失分だけ燃料電池３３からの出力電流が電極１１，１２間の電流より小さくなる。すなわち、燃料電池３３から出力される電子のモル数が、第２電極１２での水素還元に使われた電子のモル数より小さくなる。
【００４３】
一方、燃料電池３３からの出力電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０に入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０によって増幅される。これによって、水素の損失があっても、電極１１，１２間の電流を一定に維持できる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０から第２電極１２への電子の供給モル数を、第２電極での水素の還元に使われる電子のモル数に合わせることができる。この結果、処理装置１０Ｄを確実に継続して自立運転できる。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５０では、電流の増大分だけ出力電圧が低下する。しかし、端子５１，５２間の入力電圧は燃料電池３３の起電力に略等しく約１Ｖであり、これが電圧変換によって低下しても、端子５３，５４間の出力電圧は、電極１１，１２間の所要電圧差（Ｅ１１０−Ｅ１２０＝０．０１１４Ｖ）と比べると十分に大きい。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧の一部を電極１１，１２での反応維持に利用すればよく、残余の電圧は負荷１５の電圧降下に回して種々の利用に供することができる。
【００４５】
図６は、本発明の第６実施形態を示したものである。第６実施形態は、第１電極１１と第２電極１２の物理的電気的接続手段の変形態様に係る。第６実施形態の処理装置１０Ｅでは、外部回路１３が省略されている。これに代えて、面状の多孔体（例えばメッシュシート）からなる第１電極１１が、大面積になってヘドロ３を広く覆っている。第１電極１１は、ヘドロ３の大部分を覆う面積を有していてもよい。
【００４６】
第１電極１１における水流ａの下流側（図６において右）の端部１１ｙを除く主部分１１ｘは、上面が水中に露出し、水と接している。第１電極１１の上記下流側の端部１１ｙの上面には、第２電極１２が設置されている。第２電極１２は、メッシュ状、ウール状、スポンジ状等の立体形状になっている。第２電極１２の底面が第１電極１１に直接的に接触することで、第１、第２電極１１，１２どうしが物理的かつ電気的に接続されている。第１電極１１と第２電極１２が溶接、クランプ、ネジ等の連結手段で連結されて固定されていてもよい。第１電極１１と第２電極１２が一体に連なっていてもよい。第１電極１１と第２電極１２が同じ金属材料にて構成されて同体に連なっていてもよい。第２電極１２には、第２実施形態（図２）と同様の酸素供給手段２０が接続されている。
【００４７】
第６実施形態では、第１電極１１の主部分１１ｘの表面上において、有機物が酸化分解されて水素イオンや電子が生成される（式１）。水素イオンは、水流ａ及び第１、第２電極１１，１２間の静電場によって水中を第２電極１２の側へ流れる。電子は、第１電極１１に取り込まれ、端部１１ｙから第２電極１２へ流れ込む。多孔体の第２電極１２内には酸素供給手段２０から空気がバブリングされる。これによって、第２電極１２の表面上で、酸素と水素イオンと電子とが反応して水が生成される（式３）。この結果、第１電極１１の主部分１１ｘにおける有機物の酸化分解反応を進行させることができ、川底１ｂの環境を改善できる。
【００４８】
本発明は、上記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変をなすことができる。
例えば、本発明は、河川に限られず、海洋、港湾、湖沼、池、ダム、その他の種々の水場の水底の環境改善にも適用できる。被処理泥土３は、有機物を含むものであればよく、ヘドロに限られず、池や田圃の泥であってもよい。
処理装置１０の運転初期に鉄還元細菌等の微生物を被処理泥土３に投入してもよい。鉄還元細菌を投入するときは、赤錆をも被処理泥土３に投入することにしてもよい。
電極１１，１２を白金、その他の金属触媒にて構成してもよい。
直流電源３０は、燃料電池３３に限られず、太陽電池、乾電池、蓄電池、モータ発電機、化石燃料発電機等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、例えば河川や海洋の水底のヘドロの燃焼処理に適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 河川（水場）
１ａ 水面
１ｂ 川底（水底）
３ ヘドロ（被処理泥土）
１０，１０Ａ〜１０Ｅ 処理装置
１１ 第１電極
１１ａ 透孔
１２ 第２電極
１３ 外部回路
１４ 接続配線
１５ 負荷
２０ 酸素供給手段
２１ 圧送ポンプ
２２ 圧送管
２３ 散気管
２３ａ 散気孔
２４ 空気の泡
２５ 水素ガスの泡
３０ 直流電源
３１ 正極
３２ 負極
３３ 燃料電池（直流電源）
３４ 空気極（正極）
３５ 燃料極（負極）
４１ 回収部
４２ 燃料供給路
５０ ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流増幅手段）
５１ プラス入力端子
５２ マイナス入力端子
５３ プラス出力端子
５４ マイナス出力端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水底の被処理泥土中の有機物を分解する泥土処理装置であって、
前記被処理泥土上に設置された多孔体の第１電極と、
前記第１電極が接する水と連続する水中に設置され、かつ前記第１電極と物理的かつ電気的に接続された第２電極と、を備えたことを特徴とする泥土処理装置。
【請求項２】
前記第２電極が、前記第１電極より水流の下流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の泥土処理装置。
【請求項３】
前記第２電極に酸素含有気体を供給する酸素供給手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の泥土処理装置。
【請求項４】
前記第２電極が、多孔体にて構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の処理装置。
【請求項５】
前記第１電極と前記第２電極が、互いに離れ、かつ外部回路にて接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の泥土処理装置。
【請求項６】
前記外部回路に、前記第１電極を前記第２電極に対して高電位にする直流電源を設けたことを特徴とする請求項５に記載の泥土処理装置。
【請求項７】
前記直流電源が燃料電池を含み、
更に、前記第２電極の上方に被さって前記第２電極からの気体を回収する覆い状の回収部と、前記回収した気体を前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給路とを備えたことを特徴とする請求項６に記載の泥土処理装置。
【請求項８】
前記外部回路に前記燃料電池の出力電流を増幅する電流増幅手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載の泥土処理装置。
【請求項９】
水底の被処理泥土中の有機物を分解する泥土処理方法であって、
前記被処理泥土上に設置した多孔体の第１電極の表面上で前記有機物の酸化反応を起こさせ、
前記第１電極が接する水と連続する水中に配置するとともに前記第１電極と物理的かつ電気的に接続した第２電極の表面上で、前記酸化反応に伴ない発生した水素イオンと電子により還元反応を起こさせることを特徴とする泥土処理方法。
【請求項１】
水底の被処理泥土中の有機物を分解する泥土処理装置であって、
前記被処理泥土上に設置された多孔体の第１電極と、
前記第１電極が接する水と連続する水中に設置され、かつ前記第１電極と物理的かつ電気的に接続された第２電極と、を備えたことを特徴とする泥土処理装置。
【請求項２】
前記第２電極が、前記第１電極より水流の下流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の泥土処理装置。
【請求項３】
前記第２電極に酸素含有気体を供給する酸素供給手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の泥土処理装置。
【請求項４】
前記第２電極が、多孔体にて構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の処理装置。
【請求項５】
前記第１電極と前記第２電極が、互いに離れ、かつ外部回路にて接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の泥土処理装置。
【請求項６】
前記外部回路に、前記第１電極を前記第２電極に対して高電位にする直流電源を設けたことを特徴とする請求項５に記載の泥土処理装置。
【請求項７】
前記直流電源が燃料電池を含み、
更に、前記第２電極の上方に被さって前記第２電極からの気体を回収する覆い状の回収部と、前記回収した気体を前記燃料電池の燃料極に供給する燃料供給路とを備えたことを特徴とする請求項６に記載の泥土処理装置。
【請求項８】
前記外部回路に前記燃料電池の出力電流を増幅する電流増幅手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載の泥土処理装置。
【請求項９】
水底の被処理泥土中の有機物を分解する泥土処理方法であって、
前記被処理泥土上に設置した多孔体の第１電極の表面上で前記有機物の酸化反応を起こさせ、
前記第１電極が接する水と連続する水中に配置するとともに前記第１電極と物理的かつ電気的に接続した第２電極の表面上で、前記酸化反応に伴ない発生した水素イオンと電子により還元反応を起こさせることを特徴とする泥土処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１３０８９２（Ｐ２０１２−１３０８９２Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７２１９（Ｐ２０１０−２８７２１９）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００２１７４）積水化学工業株式会社 (5,781)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００２１７４）積水化学工業株式会社 (5,781)
【Ｆターム（参考）】
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