生物処理装置
【課題】不純物の混入を防止して処理精度に優れると共に、ガスの拡散律速を排除して処理効率に優れる生物処理装置を提供すること。
【解決手段】微生物を担持した導電性担体からなり、被処理物を接触させて該微生物の代謝反応により生物処理する生物処理部２１と、供給されたガスを電極分解して電位を生じるガス電極３１とを備え、前記生物処理部２１と前記ガス電極３１とは電気的に接続されており、前記ガス電極３１に供給された前記ガスの電極分解によって生じた電位を前記生物処理部２１に印加して、前記微生物の代謝反応を制御することを特徴とする。
【解決手段】微生物を担持した導電性担体からなり、被処理物を接触させて該微生物の代謝反応により生物処理する生物処理部２１と、供給されたガスを電極分解して電位を生じるガス電極３１とを備え、前記生物処理部２１と前記ガス電極３１とは電気的に接続されており、前記ガス電極３１に供給された前記ガスの電極分解によって生じた電位を前記生物処理部２１に印加して、前記微生物の代謝反応を制御することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物処理装置に関し、詳しくは、被処理物を微生物の代謝反応により生物処理する生物処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイオガス中に含まれる硫化水素を硫黄酸化細菌によって脱硫処理する場合は、硫黄酸化細菌に対して、バイオガスと共に酸素を供給する必要があった（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４３７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気化学的な観点から見れば、微生物の代謝反応は、酸化還元反応として捉えることができ、特に酸素は、酸化還元電位が比較的高いが故に電子受容性に優れ、多くの代謝反応において、電気化学的なドライビングフォースとしての役割を果たしている。
【０００５】
即ち、硫黄酸化細菌のような好気性微生物は、酸素を還元して得られる高いエネルギーを用いて、硫化水素のような処理対象の物質を酸化する代謝反応を進行させている。
【０００６】
しかるに、引用文献１に記載の技術のように、硫黄酸化細菌に酸素を供給する場合、硫化水素の除去に必要な量だけの酸素を供給できればよいが、通常、バイオガス中における硫化水素の濃度は変動しており、この変動に追従するように供給酸素量を制御することは極めて困難である。
【０００７】
その結果、過剰な酸素が供給されることにより、精製後のメタン中に不純物として酸素が混入する問題を生じる。
【０００８】
さらに、酸素の拡散速度の限界により、硫黄酸化細菌への酸素の供給が追いつかなくなる場合があり、脱硫処理の処理効率が十分に得られない問題があった。
【０００９】
上記の例では、微生物による代謝反応が、硫化水素の酸化反応である場合について説明したが、これらの問題は、この例のみに特有のものではない。
【００１０】
例えば、酸素の存在を要求する代謝反応としては、窒素の硝化や、有機物の酸化分解など種々のものが知られており、これらは種々の生物処理技術に利用されている。
【００１１】
あるいは、好気性微生物に限らず、嫌気性微生物の代謝反応においても、同様の問題が生じ得る。
【００１２】
つまり、嫌気性微生物は、酸素に代えて、硫黄、窒素等の酸性酸化物、例えば硫黄酸化物（ＳＯ、ＳＯ２、ＳＯ３等のＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等のＮＯｘ）等のガスを還元してエネルギーを得ている。得られるエネルギーは、酸素を還元した場合と比較すると低いものであるものの、嫌気性微生物は、少ないエネルギーによって発現可能な種々の独特な代謝反応を行う能力を有している。これらの代謝反応もまた、種々の生物処理技術に利用されている。
【００１３】
そこで、本発明の課題は、不純物の混入を防止して処理精度に優れると共に、ガスの拡散律速を排除して処理効率に優れる生物処理装置を提供することにある。
【００１４】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１６】
（請求項１）
微生物を担持した導電性担体からなり、被処理物を接触させて該微生物の代謝反応により生物処理する生物処理部と、
供給されたガスを電極分解して電位を生じるガス電極とを備え、
前記生物処理部と前記ガス電極とは電気的に接続されており、
前記ガス電極に供給された前記ガスの電極分解によって生じた電位を前記生物処理部に印加して、前記微生物の代謝反応を制御することを特徴とする生物処理装置。
【００１７】
（請求項２）
前記生物処理部と前記ガス電極とは気液的に隔離されていることを特徴とする請求項１記載の生物処理装置。
【００１８】
（請求項３）
前記生物処理部と前記ガス電極とを気液的に隔離する隔壁と、
前記生物処理部と前記ガス電極とを電気的に接続する通電手段とを備えることを特徴とする請求項２記載の生物処理装置。
【００１９】
（請求項４）
前記通電手段は、前記隔壁を貫通して前記生物処理部と前記ガス電極とに接触していることを特徴とする請求項３記載の生物処理装置。
【００２０】
（請求項５）
前記隔壁の少なくとも一部がイオン交換膜からなることを特徴とする請求項３又は４記載の生物処理装置。
【００２１】
（請求項６）
前記ガスは空気であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の生物処理装置。
【００２２】
（請求項７）
前記被処理物は、硫黄系化合物、窒素系化合物、炭化水素系化合物の何れか又は数種を含むことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の生物処理装置。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、不純物の混入を防止して処理精度に優れると共に、ガスの拡散律速を排除して処理効率に優れる生物処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る生物処理装置の一例を示す概略断面図
【図２】ガス電極から対極にかけて形成される電位の勾配を示す図
【図３】本発明に係る生物処理装置の他の例を示す概略断面図
【図４】実施例の結果を示す図
【図５】実施例の結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
微生物は、種々の代謝反応を行う能力を有しているが、これら代謝反応を進行させるためには、特定の条件（環境）を整える必要がある。
【００２６】
電気化学的な観点から見ればその代謝反応は酸化還元反応であるため、電子受容体として特定の酸化還元電位を有するガスの存在が要求されることがある。
【００２７】
例えば、硫黄酸化細菌は、電子受容体である酸素の存在下において、硫化水素を酸化して硫酸を生成する代謝反応を行う能力を有している。通常、酸素の非存在下においては、電子受容体が存在しないため、この代謝反応は進行しない。
【００２８】
従来の生物脱硫では、例えばメタンと硫化水素とを含む被処理ガスと共に、酸素を供給して、硫黄酸化細菌の代謝反応により、硫化水素を硫酸に化学変化させて除去していた。
【００２９】
このとき微生物の代謝反応に必要な量だけの酸素を供給できればよいが、過剰な酸素が供給されると、これらが処理後において不純物となるため、処理精度を損なう問題があったことは上述した。
【００３０】
これに対して、本発明では、酸素等の特定のガスを、直接微生物に供給するのではなく、間接的に供給する。即ち、特定のガスから酸化還元電位のみを抽出して供給することにより微生物の代謝反応を制御する。
【００３１】
特定のガスから酸化還元電位のみを抽出するために、本発明では、供給されたガスを電極分解するガス電極が用いられる。
【００３２】
本明細書において、ガスの電極分解とは、ガスがガス電極から電子を受け取る還元反応か、あるいは、ガスがガス電極に電子を与える酸化反応により、ガスが分解されることを指す。
【００３３】
かかるガスの電極分解に伴って、ガスの酸化還元電位に相当する電位が、ガス電極に生じる。
【００３４】
一例として、ガス電極に、ガスとして酸素が供給された場合、下記反応式に示す通り、酸素はガス電極から電子を受け取る還元反応により分解され、水を生じる。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
【００３５】
この還元反応に伴って、１．２３Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）の電位が、ガス電極に生じることになる。
【００３６】
ガスは、その種類によって特定の酸化還元電位を有しているため、ガス電極に生じる電位は、ガス電極に供給されるガスの種類によって特定の値となる。
【００３７】
本発明では、微生物を担持した導電性担体からなる生物処理部とガス電極とを電気的に接続することにより、上記のようにしてガス電極に生じた電位を生物処理部に印加する。本明細書において、電気的に接続するとは、電子移動が可能となるように接続することを意味している。
【００３８】
即ち、特定のガスを電極分解してガス電極に生じた電位を、微生物を担持した導電性担体に印加することにより、代謝反応において本来電子受容体として用いられる該特定のガスに代えて、該導電性担体を電子受容体として用いることが可能となる。
【００３９】
例えば、上述した硫黄酸化細菌の例では、酸素を電極分解してガス電極に生じた電位を導電性担体に印加することにより、代謝反応において本来電子受容体として用いられる酸素に代えて、該導電性担体を電子受容体として用いることが可能となる。
【００４０】
これにより、酸素の非存在下であっても、下記反応式で示されるような代謝反応により生じる電子（ｅ−）を、導電性担体が受容することにより、該代謝反応を進行させることができる。
Ｈ２Ｓ＋８ＯＨ−→Ｈ２ＳＯ４＋４Ｈ２Ｏ＋８ｅ−
【００４１】
以上に説明したように、本発明は、微生物に直接ガスを供給するのではなく、該ガスから固有の酸化還元電位のみを抽出して微生物に供給する。
【００４２】
酸化還元電位を供給するためには、ガス電極と生物処理部とが電気的に接続されているだけでよいので、本発明においては、ガス電極と生物処理部とを気液的に隔離することが可能となる。
【００４３】
本発明では、ガス電極と生物処理部とが気液的に隔離されていることにより、不純物の混入を防止して、処理精度に優れた生物処理を行うことが可能となる効果を奏する。
【００４４】
また、本発明では、微生物に、ガスではなく電位を供給するため、ガスの拡散律速に制限されることなく、処理効率に優れた生物処理を行うことが可能となる効果を奏する。
【００４５】
本明細書において、代謝反応を制御するとは、具体的には、代謝反応の発現有無や発現量の制御、あるいは、特定の代謝反応を選択的に発現させる制御を指す。これらの制御は、代謝反応に本来要求されるガスの種類に応じて、ガス電極に供給するガスの種類を適宜選択し、また、その供給量を適宜変更することにより可能となる。
【００４６】
以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。
【００４７】
図１は、本発明に係る生物処理装置の一例を示す概略断面図である。
【００４８】
図１において、１は生物処理装置であり、ここでは、メタンガスと少なくとも不純物である硫化水素を含むバイオガスを生物処理（生物脱硫）して、メタンガスを精製する処理を行うものである。
【００４９】
生物処理装置１は、生物処理装置本体１１と蓋体１２とからなり、該生物処理装置本体１１内に、生物処理室２とガス電極室３とを備えている。
【００５０】
生物処理室２とガス電極室３とは、隔壁１３により気液的に隔離されている。
【００５１】
生物処理室２内には、硫黄酸化細菌を担持した導電性担体からなる生物処理部２１が設けられている。この例では、生物処理部２１は、導電性担体を充填してなる充填層から形成されている。
【００５２】
また、生物処理室２は、下部に被処理物であるバイオガスを導入する被処理物導入口２２を有し、上部に処理後（精製後）の精製バイオガスを排出する排出口２３を有している。
【００５３】
図示したように、生物処理室２には、生物処理部２１に水分を供給して湿潤状態を保持するための加湿手段２４を備えることが好ましい。加湿手段２４としては、メタン発酵後の消化液や水等を生物処理部２１に散液する散液手段が用いられる。
【００５４】
散液手段２４から散液される液には、所望の代謝反応を有する微生物（ここでは硫黄酸化細菌）が含有されていることが好ましい。この観点からも、メタン発酵後の消化液等が散液されることが好ましい。
【００５５】
生物処理室２は、ヒーター等からなる温度制御手段（不図示）を備えることも好ましいことである。これにより、生物処理部２１の温度を、微生物の代謝反応を発現させるための至適温度に保持することが可能となる。
【００５６】
被処理物導入口２２からバイオガスが導入されると、該バイオガスは生物処理部２１に接触し、導電性担体に担持された硫黄酸化細菌の代謝反応により、硫化水素を硫酸として除去する生物処理が施されるようにしている。
【００５７】
一方、ガス電極室３内には、酸素を電極分解して電位を生じるガス電極３１が設けられている。
【００５８】
また、ガス電極室３の下部には、ガス電極３１に空気を供給するガス供給手段３２が設けられている。
【００５９】
図示の例において、ガス供給手段３２は、外部からガス電極室３内に空気を取り込むガス導入口と不図示のブロワを備えている。
【００６０】
ガス電極室３の上部には、ガス電極３１と接触後の空気を排出する排出口３３が設けられている。
【００６１】
図示したように、ガス電極室３には、ガス電極３１に水分を供給して、ガス電極３１の湿潤状態を保持するための加湿手段３４を備えることが好ましい。加湿手段３４としては、メタン発酵後の消化液や水等をガス電極３１に散液する散液手段が用いられる。
【００６２】
ガス供給手段３２から空気が供給されると、該空気中の酸素がガス電極３１に接触して電極分解される。これにより、ガス電極３１に酸素の還元電位に相当する電位を生じるようにしている。
【００６３】
生物処理部２１とガス電極３１とは、上述したように気液的に隔離されているが、通電手段４によって電気的に接続されている。
【００６４】
図示の例において、通電手段４は、隔壁１３を貫通して生物処理部２１とガス電極３１とに接触するように設けられた導電性の炭素棒からなる。通電手段４による隔壁１３の貫通は、隔壁１３による気液的な隔離が保持されるように成されている。通電手段４は、この例に限定されず、例えば隔壁１３を迂回する外部回路により形成されてもよい。
【００６５】
また、生物処理部２１には、対極５及び接続極６が設けられている。
【００６６】
図１に示す通り、対極５はイオン交換膜５１を介して生物処理部２１に隣設されており、対極５と生物処理部２１とは電気的に非接触とされている。一方、接続極６は生物処理部２１と直接接触している。
【００６７】
対極５と接続極６とは、抵抗７１を備える外部回路７を介して電気的に接続されている。
【００６８】
以上に説明した構成により、ガス電極３１→通電手段４→生物処理部２１→接続極６→抵抗７１→対極５が電気的に接続されることになる。
【００６９】
対極５では、下記反応式に示すように、対極５を形成する電極自身（Ｍ）の酸化反応により、電子が生成する。
Ｍ＋ｎＨ２Ｏ→ＭＯｎ＋２ｎＨ＋＋２ｎｅ−
【００７０】
一方、ガス電極３１では、上述したように、下記反応式に示すように、酸素の還元反応により、電子が消費される。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
【００７１】
従って、ガス電極３１→通電手段４→生物処理部２１→接続極６→抵抗７１→対極５が電気的に接続されていることにより、対極５で生成した電子がガス電極３１に供給されるように流れる（換言すれば、ガス電極３１から対極５に向けて電流が流れる）ようになる。
【００７２】
図２は、ガス電極３１から対極５にかけて形成される電位Ｅの勾配を示す図である。
【００７３】
図２に示す通り、ガス電極３１→通電手段４→生物処理部２１→接続極６にかけての電位は、ガスの酸化還元電位（ＥＧａｓ）の近傍に保持され、一方、抵抗７１を介して設けられた対極５の電位は、電極自身の酸化電位（ＥＭ）の近傍に保持されている。
【００７４】
このように、生物処理部２１と対極５との間に抵抗７１を設けることにより、生物処理部２１の電位が、ガス電極３１で生じた電位の近傍に保持されやすくなるため好ましい。
【００７５】
このようにして、ガス電極３１に供給された酸素の電極分解によって生じた電位を生物処理部２１に印加して、下記反応式に示すようにして、酸素の非存在下において、硫黄酸化細菌の代謝反応を発現させることが可能とされる。
Ｈ２Ｓ＋８ＯＨ−→Ｈ２ＳＯ４＋４Ｈ２Ｏ＋８ｅ−
【００７６】
本発明において、ガス電極３１と生物処理部２１との電気的な接続は、上述の例に限定されるものではなく、ガス電極３１で生じた電位を生物処理部２１に印加可能であればよい。
【００７７】
また、本発明において、ガス電極３１と生物処理部２１との間でイオン交換が可能であることが好ましく、例えば図１に示したように、隔壁１３の少なくとも一部をイオン交換膜１３１によって形成することが好ましい。これにより、ガス電極３１→生物処理部２１→対極５にかけて、ガス電極３１と生物処理部２１との気液的な隔離を保持したまま、効率的なイオン交換が可能となる。
【００７８】
本発明において、ガス電極３１と生物処理部２１との間でイオン交換が可能であれば、生物処理部２１とガス電極３１のｐＨが互いに追従するように変化させることができ、両者を同程度のｐＨに保持することが可能となる。
【００７９】
本発明では、生物処理部２１とガス電極３１のｐＨを同程度に保持することで、ガス電極３１において発生する電位と、生物処理部２１で要求される電位とが一致しやすくなるため、生物処理のｐＨ依存性が軽減され、安定した生物処理を行うことが可能となる効果を奏する。そのためには、上述したイオン交換膜等のイオン交換手段に限定されず、生物処理部２１とガス電極３１のｐＨを同程度に保持するｐＨ制御手段を設けることも好ましいことである。
【００８０】
以上の例では、被処理物が気体（バイオガス）である場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被処理物は例えば液体であってもよい。
【００８１】
図３は、本発明に係る生物処理装置の他の例を示す概略断面図である。図３において、図１と同一の符号は、同一の構成を指している。
【００８２】
図３において、生物処理装置１は、少なくとも有機物を含むメタン発酵消化液上澄水を、好気性微生物によって生物処理して、有機物（ＢＯＤ）を酸化分解する処理を行うものである。つまり、本発明の生物処理装置１が、被処理物として液体を処理する場合を例示している。
【００８３】
図３に示す通り、生物処理室２は、上部に被処理物であるメタン発酵消化液上澄水を導入する被処理物導入口２５を有し、下部に処理後のメタン発酵消化液上澄水を排出する排出口２６を有している。
【００８４】
被処理物導入口２５から導入されたメタン発酵消化液上澄水は、散液手段２５ａから、好気性微生物を担持した導電性担体からなる生物処理部２１に散液される。
【００８５】
生物処理部２１に散液されたメタン発酵消化液上澄水中の有機物は、ガス電極３１からの印加電位の下で、好気性微生物により酸化分解される。
【００８６】
生物処理部２１から流下した処理後のメタン発酵消化液上澄水は、排出口２６から排出される。
【００８７】
図３の例に示す通り、被処理物が水分を多く含んでいれば、生物処理部２１の湿潤状態は保持され易いため、図１に示したような加湿手段２４は省略が可能である。
【００８８】
以上の説明では、酸素から抽出した酸化還元電位を好気性微生物に供給して生物処理を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、嫌気性微生物の代謝反応による生物処理においても好適に用いることができる。
【００８９】
上述したが、嫌気性微生物は、酸素に代えて、硫黄、窒素等の酸性酸化物、例えば硫黄酸化物（ＳＯ、ＳＯ２、ＳＯ３等のＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等のＮＯｘ）等のガスを還元してエネルギーを得ている。得られるエネルギーは、酸素を還元した場合と比較すると低いものであるものの、嫌気性微生物は、少ないエネルギーによって発現可能な種々の独特な代謝反応を行う能力を有している。これらの代謝反応もまた、種々の生物処理技術に利用されている。
【００９０】
また、好気性微生物も、酸素の非存在下においては、嫌気性の代謝反応を発現する能力を有している場合がある。
【００９１】
従って、本発明では、ガス電極３１に、酸素の場合と同様に、硫黄、窒素等の酸性酸化物、例えば硫黄酸化物（ＳＯ、ＳＯ２、ＳＯ３等のＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等のＮＯｘ）等を供給して、それぞれのガスに特有の酸化還元電位を抽出して、生物処理部２１の微生物に供給することができる。
【００９２】
これにより、嫌気性の代謝反応を発現・進行させて、被処理物に嫌気的処理を施すことが可能となる。
【００９３】
このとき、好気性の代謝反応は酸化還元電位の不足により発現し難いため、嫌気性の代謝反応のみを選択的に発現させることが可能になる。
【００９４】
本発明において、導電性担体は、導電性を有する材料からなり、且つその表面に微生物を代謝活性が保持された状態で担持可能であれば格別限定されない。
【００９５】
導電性担体の形状は格別限定されず、粉末、粒状、片状、糸状、棒状等を好ましく例示できる。
【００９６】
生物処理部２１は、１つの導電性担体から形成してもよいし、２以上の導電性担体を互いに接触するように充填して形成してもよい。
【００９７】
本発明において、生物処理部２１を形成する導電性担体の体積抵抗率（２以上を充填して形成する場合は充填された状態での体積抵抗率）は、１ｋΩｃｍ以下であることが好ましく、１００Ωｃｍ以下であることがより好ましく、１０Ωｃｍ以下であることが更に好ましい。体積抵抗率の測定には、例えば直流４端子法を用いることができる。「見かけの体積抵抗率」は、多孔質のものであっても、孔隙を無視して測定された体積抵抗率を指す。
【００９８】
本発明においては、かかる導電性担体として、導電性炭素材を好ましく用いることができる。
【００９９】
導電性炭素材としては、導電性を有する炭素材であれば格別限定されないが、有機物原料を、好ましくは１２５０℃以上、より好ましくは１３５０℃以上、更に好ましくは１４００℃以上で、還元雰囲気下で焼成または再焼成して得られた焼成物が好ましく用いられる。
【０１００】
「還元雰囲気下で焼成または再焼成する」とは、例えば１２５０℃で焼成または再焼成する場合、焼成温度（１２５０℃）で還元雰囲気であればよく、その後降温時には空気などを注入してもよい。
【０１０１】
有機物原料としては、格別限定されないが、セルロース、ポリアクリロニトリル、ピッチ系などの炭素を含む繊維を用いて形成した織布又は不織布、木炭、モウソウ竹などの竹等を好ましく例示でき、中でもポリアクリロニトリル系炭素繊維不織布が好適である。
【０１０２】
本発明において、導電性炭素材は、ＥＳＣＡによる表面分析でＣ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃが０．０３〜０．３０の範囲であることが好ましい。このように、導電性炭素材の表面に若干の酸素元素が導入されると、担持微生物の代謝反応等を好適に制御することが可能となる効果を奏する。この理由については明らかではないが、導電性炭素材と微生物との間の電子移動が酸素原子の介在により促進されているものと推測される。
【０１０３】
また、本発明において、導電性炭素材は、ラマン分光スペクトルにおける１５８０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３６０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることが好ましい。これにより、導電性炭素材の導電性が向上するため、生物処理部２１における電圧降下が防止され、生物処理部２１全体に亘ってガス電極３１からの電位が好適に印加されるようになる。この結果、担持微生物の代謝反応等を好適に制御することが可能となる効果が得られる。
【０１０４】
さらに、本発明において、導電性炭素材は、窒素吸着により測定したＢＥＴ比表面積が、好ましくは１ｍ２／ｇ（窒素吸着量）以上、より好ましくは４．５ｍ２／ｇ（窒素吸着量）以上、さらに好ましくは７．０ｍ２／ｇ（窒素吸着量）以上であることである。これにより、導電性炭素材の表面に担持される微生物の量が増加するため、生物処理の効率が向上する効果が得られる。
【０１０５】
また、微生物は、炭素表面に対して親和性が高く、また安定な状態で吸着されるため、このような観点からも、導電性担体が導電性炭素材であることが好ましい。導電性炭素材を用いれば、微生物含有液に含浸させるだけで、好適に微生物を担持することが可能である。
【０１０６】
本発明において、ガス電極３１としては、供給されたガスの電極分解が可能なものであれば格別限定されないが、電極表面に電極分解を促進する触媒を担持させたものを好ましく用いることができる。触媒としては、格別限定されないが、白金等を好ましく例示できる。
【０１０７】
ガス電極３１は、生物処理部２１と同様に、粉末、粒状、片状、糸状、棒状等の導電性材料を単体で、あるいは、２以上を互いに接触するように充填して形成することができる。
【０１０８】
特に、ガス電極３１のガスに対する接触面積を大きく確保するためには、導電性担体として上に例示したものと同様の導電性炭素材に、塩化白金酸溶液を含浸した後に加熱し、表面に白金を析出させたものを好適に用いることができる。
【０１０９】
本発明において、ガス供給手段３２は、ガス電極３１にガスを供給可能であれば格別限定されず、ブロワ等に接続された導入口からガスを導入する手段であってもよいし、あるいは、ガス電極室３内において化学反応あるいは蒸発によってガスを発生させる手段であってもよい。
【０１１０】
例えば、ガス供給手段３２からの蒸発によって常時ガス電極室３内をガス飽和状態に保つようにすることも好ましいことである。この場合、ガス電極３１におけるガスの消費に伴って、気液平衡により、新たなガスがガス供給手段３２から蒸発発生する。この態様では、排出口３３の設置を省略してもよい。
【０１１１】
本発明においては、例えば、高純度な酸素をガス電極３１に供給する場合のように、ガス電極での分解により供給されたガスがすべて消失する（気体状ではなくなる）場合は、排出口３３の設置を省略してもよい。
【０１１２】
本発明において、被処理物としては、バイオガス、天然ガス、各種の熱分解ガス等の気体、メタン発酵消化液上澄水、有機物汚泥を含む排水（廃水）、食品加工工程において排出される廃水等の液体を好ましく例示できる。
【０１１３】
また、被処理物は、硫黄系化合物、窒素系化合物、炭化水素系化合物の何れか又は数種を含むことが、本発明による効果が顕著となるため好ましい。ガス電極３１に酸素を供給することで、硫黄系化合物の脱硫処理、窒素系化合物の硝化処理、炭化水素系化合物の分解処理が効率的に行われる。
【０１１４】
本発明において、生物処理部２１とガス電極３１との気液的な隔離は、隔壁１３によって成される場合に限定されず、生物処理部２１とガス電極３１とが実質的に気液的に隔離されていればよい。例えば、隔壁１３を設けず、生物処理部２１とガス電極３１とを、実質的に気液的に隔離される距離を置いて設置してもよい。また、隔壁１３を設けず、生物処理部２１とガス電極３１とを近接する場合であっても、被処理物の流れと、ガスの流れとを、互いに交叉しないように配向することで、実質的に気液的に隔離することが可能である。
【０１１５】
以上の説明では、生物処理部２１とガス電極３１とが、生物処理装置本体１１内に設けられた生物処理室２とガス電極室３とに各々収納されている場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、生物処理部２１とガス電極３１の何れか又は両方が大気に露出されていてもよい。
【０１１６】
更に、本発明の生物処理装置１は、生物処理部２１を河川や用水路、湖沼等の被処理水域の水底に設置し、ガス電極３１に空気ないし酸素を供給して、水底に堆積した有機物汚泥等の被処理物を酸化分解するようにしてもよい。この場合、例えば、ガス電極３１を水中に設置して曝気手段による曝気によりガス供給されるようにしてもよいし、ガス電極３１を大気に露出するように設置して直接空気と接触させてガス供給されるようにしてもよい。これにより、ガス電極３１へのガス供給により広範囲に亘って分布する汚泥を効率的に分解することが可能となる効果を奏する。
【０１１７】
また、本発明においては、生物処理部２１に対して、ガス電極３１に供給するガスと同様のガスを供給する態様を排除するものではない。即ち、これにより不純物の混入を防止する効果は低下する場合があるが、生物処理部２１において、ガス電極３１から印加される電位と、直接供給されるガスとの協働により、代謝反応が更に促進され、生物処理効率の更なる向上を図ることができる効果を奏する。
【実施例】
【０１１８】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【０１１９】
（実施例１）
図１に示したものと同様の構成を有する小型の生物処理装置を用い、家畜（搾乳牛）糞尿のメタン発酵処理施設からのバイオガス（硫化水素濃度約６００ｐｐｍ）を被処理物として生物脱硫試験を行った。
【０１２０】
ガス電極としては、１３５０℃焼成のＰＡＮ系炭素繊維不織布を、塩化白金酸溶液を含浸させた後に加熱して、表面に白金を析出させたものを使用した。
【０１２１】
生物処理部の導電性担体として、１３５０℃焼成のＰＡＮ系炭素繊維不織布を使用した。導電性担体は、メタン発酵消化液を含浸させることにより、微生物を担持させた。
【０１２２】
生物処理室内の温度は、ヒーターにより約４０℃に保持した。また、ガス電極、生物処理部共に、バイオガスからの凝縮水を回収して散布し、加湿した。
【０１２３】
ガス電極室に空気を２０ｍＬ／分程度流通させた。これと同時に、生物処理室に空気供給を行わず、バイオガスのみをブロワを用いて約１００ｍＬ／分流通させて、精製バイオガス中の硫化水素濃度の経時変化を、検知管を用いて測定した。
【０１２４】
結果を図４に示す。
【０１２５】
＜評価＞
図４に示す通り、被処理バイオガスと比較して、精製バイオガス中の硫化水素濃度が大幅に低減することがわかる。
【０１２６】
また、処理開始から２時間後に、一定時間ガス電極への空気の供給を停止した結果、精製バイオガス中の硫化水素濃度が上昇したが、空気の供給を再開することにより、再び減少した。
【０１２７】
このことから、ガス電極への空気の供給により、硫化水素濃度が減少する（脱硫効率が向上する）ことがわかる。
【０１２８】
（実施例２）
図３に示したものと同様の構成を有する小型の生物処理装置を用い、メタン発酵消化液上澄水（ＢＯＤ約６５００ｍｇ／Ｌ）を被処理物としてＢＯＤ分解処理試験を行った。
【０１２９】
ガス電極及び導電性担体は、実施例１と同様のものを用いた。
【０１３０】
生物処理室内の温度は、ヒーターにより約４０℃に保持した。また、ガス電極に、バイオガスからの凝縮水を回収して散布し、加湿した。
【０１３１】
ガス電極室に空気を２０ｍＬ／分程度流通させた。これと同時に、生物処理室に空気供給を行わず、メタン発酵消化液上澄水のみをチューブポンプを用いて約５ｍＬ／分流通させて、処理後のメタン発酵消化液上澄水中のＢＯＤの経時変化を測定した。
【０１３２】
結果を図５に示す。なお、図５中、「入口液」は生物処理装置で処理される前のメタン発酵消化液上澄水であり、「出口液」は処理後のメタン発酵消化液上澄水である。
【０１３３】
＜評価＞
図５に示す通り、ガス電極への空気の供給により、処理後のメタン発酵消化液上澄水中のＢＯＤが、４０００ｍｇ／Ｌ程度まで低減されることがわかる。
【符号の説明】
【０１３４】
１：生物処理装置
１１：生物処理装置本体
１２：蓋体
１３：隔壁
１３１：イオン交換膜
２：生物処理室
２１：生物処理部
２２：被処理物導入口
２３：排出口
２４：加湿手段
２５：被処理物導入口
２６：排出口
３：ガス電極室
３１：ガス電極
３２：ガス供給手段
３３：排出口
３４：加湿手段
４：通電手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物処理装置に関し、詳しくは、被処理物を微生物の代謝反応により生物処理する生物処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイオガス中に含まれる硫化水素を硫黄酸化細菌によって脱硫処理する場合は、硫黄酸化細菌に対して、バイオガスと共に酸素を供給する必要があった（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４３７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気化学的な観点から見れば、微生物の代謝反応は、酸化還元反応として捉えることができ、特に酸素は、酸化還元電位が比較的高いが故に電子受容性に優れ、多くの代謝反応において、電気化学的なドライビングフォースとしての役割を果たしている。
【０００５】
即ち、硫黄酸化細菌のような好気性微生物は、酸素を還元して得られる高いエネルギーを用いて、硫化水素のような処理対象の物質を酸化する代謝反応を進行させている。
【０００６】
しかるに、引用文献１に記載の技術のように、硫黄酸化細菌に酸素を供給する場合、硫化水素の除去に必要な量だけの酸素を供給できればよいが、通常、バイオガス中における硫化水素の濃度は変動しており、この変動に追従するように供給酸素量を制御することは極めて困難である。
【０００７】
その結果、過剰な酸素が供給されることにより、精製後のメタン中に不純物として酸素が混入する問題を生じる。
【０００８】
さらに、酸素の拡散速度の限界により、硫黄酸化細菌への酸素の供給が追いつかなくなる場合があり、脱硫処理の処理効率が十分に得られない問題があった。
【０００９】
上記の例では、微生物による代謝反応が、硫化水素の酸化反応である場合について説明したが、これらの問題は、この例のみに特有のものではない。
【００１０】
例えば、酸素の存在を要求する代謝反応としては、窒素の硝化や、有機物の酸化分解など種々のものが知られており、これらは種々の生物処理技術に利用されている。
【００１１】
あるいは、好気性微生物に限らず、嫌気性微生物の代謝反応においても、同様の問題が生じ得る。
【００１２】
つまり、嫌気性微生物は、酸素に代えて、硫黄、窒素等の酸性酸化物、例えば硫黄酸化物（ＳＯ、ＳＯ２、ＳＯ３等のＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等のＮＯｘ）等のガスを還元してエネルギーを得ている。得られるエネルギーは、酸素を還元した場合と比較すると低いものであるものの、嫌気性微生物は、少ないエネルギーによって発現可能な種々の独特な代謝反応を行う能力を有している。これらの代謝反応もまた、種々の生物処理技術に利用されている。
【００１３】
そこで、本発明の課題は、不純物の混入を防止して処理精度に優れると共に、ガスの拡散律速を排除して処理効率に優れる生物処理装置を提供することにある。
【００１４】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１６】
（請求項１）
微生物を担持した導電性担体からなり、被処理物を接触させて該微生物の代謝反応により生物処理する生物処理部と、
供給されたガスを電極分解して電位を生じるガス電極とを備え、
前記生物処理部と前記ガス電極とは電気的に接続されており、
前記ガス電極に供給された前記ガスの電極分解によって生じた電位を前記生物処理部に印加して、前記微生物の代謝反応を制御することを特徴とする生物処理装置。
【００１７】
（請求項２）
前記生物処理部と前記ガス電極とは気液的に隔離されていることを特徴とする請求項１記載の生物処理装置。
【００１８】
（請求項３）
前記生物処理部と前記ガス電極とを気液的に隔離する隔壁と、
前記生物処理部と前記ガス電極とを電気的に接続する通電手段とを備えることを特徴とする請求項２記載の生物処理装置。
【００１９】
（請求項４）
前記通電手段は、前記隔壁を貫通して前記生物処理部と前記ガス電極とに接触していることを特徴とする請求項３記載の生物処理装置。
【００２０】
（請求項５）
前記隔壁の少なくとも一部がイオン交換膜からなることを特徴とする請求項３又は４記載の生物処理装置。
【００２１】
（請求項６）
前記ガスは空気であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の生物処理装置。
【００２２】
（請求項７）
前記被処理物は、硫黄系化合物、窒素系化合物、炭化水素系化合物の何れか又は数種を含むことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の生物処理装置。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、不純物の混入を防止して処理精度に優れると共に、ガスの拡散律速を排除して処理効率に優れる生物処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る生物処理装置の一例を示す概略断面図
【図２】ガス電極から対極にかけて形成される電位の勾配を示す図
【図３】本発明に係る生物処理装置の他の例を示す概略断面図
【図４】実施例の結果を示す図
【図５】実施例の結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
微生物は、種々の代謝反応を行う能力を有しているが、これら代謝反応を進行させるためには、特定の条件（環境）を整える必要がある。
【００２６】
電気化学的な観点から見ればその代謝反応は酸化還元反応であるため、電子受容体として特定の酸化還元電位を有するガスの存在が要求されることがある。
【００２７】
例えば、硫黄酸化細菌は、電子受容体である酸素の存在下において、硫化水素を酸化して硫酸を生成する代謝反応を行う能力を有している。通常、酸素の非存在下においては、電子受容体が存在しないため、この代謝反応は進行しない。
【００２８】
従来の生物脱硫では、例えばメタンと硫化水素とを含む被処理ガスと共に、酸素を供給して、硫黄酸化細菌の代謝反応により、硫化水素を硫酸に化学変化させて除去していた。
【００２９】
このとき微生物の代謝反応に必要な量だけの酸素を供給できればよいが、過剰な酸素が供給されると、これらが処理後において不純物となるため、処理精度を損なう問題があったことは上述した。
【００３０】
これに対して、本発明では、酸素等の特定のガスを、直接微生物に供給するのではなく、間接的に供給する。即ち、特定のガスから酸化還元電位のみを抽出して供給することにより微生物の代謝反応を制御する。
【００３１】
特定のガスから酸化還元電位のみを抽出するために、本発明では、供給されたガスを電極分解するガス電極が用いられる。
【００３２】
本明細書において、ガスの電極分解とは、ガスがガス電極から電子を受け取る還元反応か、あるいは、ガスがガス電極に電子を与える酸化反応により、ガスが分解されることを指す。
【００３３】
かかるガスの電極分解に伴って、ガスの酸化還元電位に相当する電位が、ガス電極に生じる。
【００３４】
一例として、ガス電極に、ガスとして酸素が供給された場合、下記反応式に示す通り、酸素はガス電極から電子を受け取る還元反応により分解され、水を生じる。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
【００３５】
この還元反応に伴って、１．２３Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）の電位が、ガス電極に生じることになる。
【００３６】
ガスは、その種類によって特定の酸化還元電位を有しているため、ガス電極に生じる電位は、ガス電極に供給されるガスの種類によって特定の値となる。
【００３７】
本発明では、微生物を担持した導電性担体からなる生物処理部とガス電極とを電気的に接続することにより、上記のようにしてガス電極に生じた電位を生物処理部に印加する。本明細書において、電気的に接続するとは、電子移動が可能となるように接続することを意味している。
【００３８】
即ち、特定のガスを電極分解してガス電極に生じた電位を、微生物を担持した導電性担体に印加することにより、代謝反応において本来電子受容体として用いられる該特定のガスに代えて、該導電性担体を電子受容体として用いることが可能となる。
【００３９】
例えば、上述した硫黄酸化細菌の例では、酸素を電極分解してガス電極に生じた電位を導電性担体に印加することにより、代謝反応において本来電子受容体として用いられる酸素に代えて、該導電性担体を電子受容体として用いることが可能となる。
【００４０】
これにより、酸素の非存在下であっても、下記反応式で示されるような代謝反応により生じる電子（ｅ−）を、導電性担体が受容することにより、該代謝反応を進行させることができる。
Ｈ２Ｓ＋８ＯＨ−→Ｈ２ＳＯ４＋４Ｈ２Ｏ＋８ｅ−
【００４１】
以上に説明したように、本発明は、微生物に直接ガスを供給するのではなく、該ガスから固有の酸化還元電位のみを抽出して微生物に供給する。
【００４２】
酸化還元電位を供給するためには、ガス電極と生物処理部とが電気的に接続されているだけでよいので、本発明においては、ガス電極と生物処理部とを気液的に隔離することが可能となる。
【００４３】
本発明では、ガス電極と生物処理部とが気液的に隔離されていることにより、不純物の混入を防止して、処理精度に優れた生物処理を行うことが可能となる効果を奏する。
【００４４】
また、本発明では、微生物に、ガスではなく電位を供給するため、ガスの拡散律速に制限されることなく、処理効率に優れた生物処理を行うことが可能となる効果を奏する。
【００４５】
本明細書において、代謝反応を制御するとは、具体的には、代謝反応の発現有無や発現量の制御、あるいは、特定の代謝反応を選択的に発現させる制御を指す。これらの制御は、代謝反応に本来要求されるガスの種類に応じて、ガス電極に供給するガスの種類を適宜選択し、また、その供給量を適宜変更することにより可能となる。
【００４６】
以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。
【００４７】
図１は、本発明に係る生物処理装置の一例を示す概略断面図である。
【００４８】
図１において、１は生物処理装置であり、ここでは、メタンガスと少なくとも不純物である硫化水素を含むバイオガスを生物処理（生物脱硫）して、メタンガスを精製する処理を行うものである。
【００４９】
生物処理装置１は、生物処理装置本体１１と蓋体１２とからなり、該生物処理装置本体１１内に、生物処理室２とガス電極室３とを備えている。
【００５０】
生物処理室２とガス電極室３とは、隔壁１３により気液的に隔離されている。
【００５１】
生物処理室２内には、硫黄酸化細菌を担持した導電性担体からなる生物処理部２１が設けられている。この例では、生物処理部２１は、導電性担体を充填してなる充填層から形成されている。
【００５２】
また、生物処理室２は、下部に被処理物であるバイオガスを導入する被処理物導入口２２を有し、上部に処理後（精製後）の精製バイオガスを排出する排出口２３を有している。
【００５３】
図示したように、生物処理室２には、生物処理部２１に水分を供給して湿潤状態を保持するための加湿手段２４を備えることが好ましい。加湿手段２４としては、メタン発酵後の消化液や水等を生物処理部２１に散液する散液手段が用いられる。
【００５４】
散液手段２４から散液される液には、所望の代謝反応を有する微生物（ここでは硫黄酸化細菌）が含有されていることが好ましい。この観点からも、メタン発酵後の消化液等が散液されることが好ましい。
【００５５】
生物処理室２は、ヒーター等からなる温度制御手段（不図示）を備えることも好ましいことである。これにより、生物処理部２１の温度を、微生物の代謝反応を発現させるための至適温度に保持することが可能となる。
【００５６】
被処理物導入口２２からバイオガスが導入されると、該バイオガスは生物処理部２１に接触し、導電性担体に担持された硫黄酸化細菌の代謝反応により、硫化水素を硫酸として除去する生物処理が施されるようにしている。
【００５７】
一方、ガス電極室３内には、酸素を電極分解して電位を生じるガス電極３１が設けられている。
【００５８】
また、ガス電極室３の下部には、ガス電極３１に空気を供給するガス供給手段３２が設けられている。
【００５９】
図示の例において、ガス供給手段３２は、外部からガス電極室３内に空気を取り込むガス導入口と不図示のブロワを備えている。
【００６０】
ガス電極室３の上部には、ガス電極３１と接触後の空気を排出する排出口３３が設けられている。
【００６１】
図示したように、ガス電極室３には、ガス電極３１に水分を供給して、ガス電極３１の湿潤状態を保持するための加湿手段３４を備えることが好ましい。加湿手段３４としては、メタン発酵後の消化液や水等をガス電極３１に散液する散液手段が用いられる。
【００６２】
ガス供給手段３２から空気が供給されると、該空気中の酸素がガス電極３１に接触して電極分解される。これにより、ガス電極３１に酸素の還元電位に相当する電位を生じるようにしている。
【００６３】
生物処理部２１とガス電極３１とは、上述したように気液的に隔離されているが、通電手段４によって電気的に接続されている。
【００６４】
図示の例において、通電手段４は、隔壁１３を貫通して生物処理部２１とガス電極３１とに接触するように設けられた導電性の炭素棒からなる。通電手段４による隔壁１３の貫通は、隔壁１３による気液的な隔離が保持されるように成されている。通電手段４は、この例に限定されず、例えば隔壁１３を迂回する外部回路により形成されてもよい。
【００６５】
また、生物処理部２１には、対極５及び接続極６が設けられている。
【００６６】
図１に示す通り、対極５はイオン交換膜５１を介して生物処理部２１に隣設されており、対極５と生物処理部２１とは電気的に非接触とされている。一方、接続極６は生物処理部２１と直接接触している。
【００６７】
対極５と接続極６とは、抵抗７１を備える外部回路７を介して電気的に接続されている。
【００６８】
以上に説明した構成により、ガス電極３１→通電手段４→生物処理部２１→接続極６→抵抗７１→対極５が電気的に接続されることになる。
【００６９】
対極５では、下記反応式に示すように、対極５を形成する電極自身（Ｍ）の酸化反応により、電子が生成する。
Ｍ＋ｎＨ２Ｏ→ＭＯｎ＋２ｎＨ＋＋２ｎｅ−
【００７０】
一方、ガス電極３１では、上述したように、下記反応式に示すように、酸素の還元反応により、電子が消費される。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
【００７１】
従って、ガス電極３１→通電手段４→生物処理部２１→接続極６→抵抗７１→対極５が電気的に接続されていることにより、対極５で生成した電子がガス電極３１に供給されるように流れる（換言すれば、ガス電極３１から対極５に向けて電流が流れる）ようになる。
【００７２】
図２は、ガス電極３１から対極５にかけて形成される電位Ｅの勾配を示す図である。
【００７３】
図２に示す通り、ガス電極３１→通電手段４→生物処理部２１→接続極６にかけての電位は、ガスの酸化還元電位（ＥＧａｓ）の近傍に保持され、一方、抵抗７１を介して設けられた対極５の電位は、電極自身の酸化電位（ＥＭ）の近傍に保持されている。
【００７４】
このように、生物処理部２１と対極５との間に抵抗７１を設けることにより、生物処理部２１の電位が、ガス電極３１で生じた電位の近傍に保持されやすくなるため好ましい。
【００７５】
このようにして、ガス電極３１に供給された酸素の電極分解によって生じた電位を生物処理部２１に印加して、下記反応式に示すようにして、酸素の非存在下において、硫黄酸化細菌の代謝反応を発現させることが可能とされる。
Ｈ２Ｓ＋８ＯＨ−→Ｈ２ＳＯ４＋４Ｈ２Ｏ＋８ｅ−
【００７６】
本発明において、ガス電極３１と生物処理部２１との電気的な接続は、上述の例に限定されるものではなく、ガス電極３１で生じた電位を生物処理部２１に印加可能であればよい。
【００７７】
また、本発明において、ガス電極３１と生物処理部２１との間でイオン交換が可能であることが好ましく、例えば図１に示したように、隔壁１３の少なくとも一部をイオン交換膜１３１によって形成することが好ましい。これにより、ガス電極３１→生物処理部２１→対極５にかけて、ガス電極３１と生物処理部２１との気液的な隔離を保持したまま、効率的なイオン交換が可能となる。
【００７８】
本発明において、ガス電極３１と生物処理部２１との間でイオン交換が可能であれば、生物処理部２１とガス電極３１のｐＨが互いに追従するように変化させることができ、両者を同程度のｐＨに保持することが可能となる。
【００７９】
本発明では、生物処理部２１とガス電極３１のｐＨを同程度に保持することで、ガス電極３１において発生する電位と、生物処理部２１で要求される電位とが一致しやすくなるため、生物処理のｐＨ依存性が軽減され、安定した生物処理を行うことが可能となる効果を奏する。そのためには、上述したイオン交換膜等のイオン交換手段に限定されず、生物処理部２１とガス電極３１のｐＨを同程度に保持するｐＨ制御手段を設けることも好ましいことである。
【００８０】
以上の例では、被処理物が気体（バイオガス）である場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被処理物は例えば液体であってもよい。
【００８１】
図３は、本発明に係る生物処理装置の他の例を示す概略断面図である。図３において、図１と同一の符号は、同一の構成を指している。
【００８２】
図３において、生物処理装置１は、少なくとも有機物を含むメタン発酵消化液上澄水を、好気性微生物によって生物処理して、有機物（ＢＯＤ）を酸化分解する処理を行うものである。つまり、本発明の生物処理装置１が、被処理物として液体を処理する場合を例示している。
【００８３】
図３に示す通り、生物処理室２は、上部に被処理物であるメタン発酵消化液上澄水を導入する被処理物導入口２５を有し、下部に処理後のメタン発酵消化液上澄水を排出する排出口２６を有している。
【００８４】
被処理物導入口２５から導入されたメタン発酵消化液上澄水は、散液手段２５ａから、好気性微生物を担持した導電性担体からなる生物処理部２１に散液される。
【００８５】
生物処理部２１に散液されたメタン発酵消化液上澄水中の有機物は、ガス電極３１からの印加電位の下で、好気性微生物により酸化分解される。
【００８６】
生物処理部２１から流下した処理後のメタン発酵消化液上澄水は、排出口２６から排出される。
【００８７】
図３の例に示す通り、被処理物が水分を多く含んでいれば、生物処理部２１の湿潤状態は保持され易いため、図１に示したような加湿手段２４は省略が可能である。
【００８８】
以上の説明では、酸素から抽出した酸化還元電位を好気性微生物に供給して生物処理を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、嫌気性微生物の代謝反応による生物処理においても好適に用いることができる。
【００８９】
上述したが、嫌気性微生物は、酸素に代えて、硫黄、窒素等の酸性酸化物、例えば硫黄酸化物（ＳＯ、ＳＯ２、ＳＯ３等のＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等のＮＯｘ）等のガスを還元してエネルギーを得ている。得られるエネルギーは、酸素を還元した場合と比較すると低いものであるものの、嫌気性微生物は、少ないエネルギーによって発現可能な種々の独特な代謝反応を行う能力を有している。これらの代謝反応もまた、種々の生物処理技術に利用されている。
【００９０】
また、好気性微生物も、酸素の非存在下においては、嫌気性の代謝反応を発現する能力を有している場合がある。
【００９１】
従って、本発明では、ガス電極３１に、酸素の場合と同様に、硫黄、窒素等の酸性酸化物、例えば硫黄酸化物（ＳＯ、ＳＯ２、ＳＯ３等のＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等のＮＯｘ）等を供給して、それぞれのガスに特有の酸化還元電位を抽出して、生物処理部２１の微生物に供給することができる。
【００９２】
これにより、嫌気性の代謝反応を発現・進行させて、被処理物に嫌気的処理を施すことが可能となる。
【００９３】
このとき、好気性の代謝反応は酸化還元電位の不足により発現し難いため、嫌気性の代謝反応のみを選択的に発現させることが可能になる。
【００９４】
本発明において、導電性担体は、導電性を有する材料からなり、且つその表面に微生物を代謝活性が保持された状態で担持可能であれば格別限定されない。
【００９５】
導電性担体の形状は格別限定されず、粉末、粒状、片状、糸状、棒状等を好ましく例示できる。
【００９６】
生物処理部２１は、１つの導電性担体から形成してもよいし、２以上の導電性担体を互いに接触するように充填して形成してもよい。
【００９７】
本発明において、生物処理部２１を形成する導電性担体の体積抵抗率（２以上を充填して形成する場合は充填された状態での体積抵抗率）は、１ｋΩｃｍ以下であることが好ましく、１００Ωｃｍ以下であることがより好ましく、１０Ωｃｍ以下であることが更に好ましい。体積抵抗率の測定には、例えば直流４端子法を用いることができる。「見かけの体積抵抗率」は、多孔質のものであっても、孔隙を無視して測定された体積抵抗率を指す。
【００９８】
本発明においては、かかる導電性担体として、導電性炭素材を好ましく用いることができる。
【００９９】
導電性炭素材としては、導電性を有する炭素材であれば格別限定されないが、有機物原料を、好ましくは１２５０℃以上、より好ましくは１３５０℃以上、更に好ましくは１４００℃以上で、還元雰囲気下で焼成または再焼成して得られた焼成物が好ましく用いられる。
【０１００】
「還元雰囲気下で焼成または再焼成する」とは、例えば１２５０℃で焼成または再焼成する場合、焼成温度（１２５０℃）で還元雰囲気であればよく、その後降温時には空気などを注入してもよい。
【０１０１】
有機物原料としては、格別限定されないが、セルロース、ポリアクリロニトリル、ピッチ系などの炭素を含む繊維を用いて形成した織布又は不織布、木炭、モウソウ竹などの竹等を好ましく例示でき、中でもポリアクリロニトリル系炭素繊維不織布が好適である。
【０１０２】
本発明において、導電性炭素材は、ＥＳＣＡによる表面分析でＣ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃが０．０３〜０．３０の範囲であることが好ましい。このように、導電性炭素材の表面に若干の酸素元素が導入されると、担持微生物の代謝反応等を好適に制御することが可能となる効果を奏する。この理由については明らかではないが、導電性炭素材と微生物との間の電子移動が酸素原子の介在により促進されているものと推測される。
【０１０３】
また、本発明において、導電性炭素材は、ラマン分光スペクトルにおける１５８０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３６０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることが好ましい。これにより、導電性炭素材の導電性が向上するため、生物処理部２１における電圧降下が防止され、生物処理部２１全体に亘ってガス電極３１からの電位が好適に印加されるようになる。この結果、担持微生物の代謝反応等を好適に制御することが可能となる効果が得られる。
【０１０４】
さらに、本発明において、導電性炭素材は、窒素吸着により測定したＢＥＴ比表面積が、好ましくは１ｍ２／ｇ（窒素吸着量）以上、より好ましくは４．５ｍ２／ｇ（窒素吸着量）以上、さらに好ましくは７．０ｍ２／ｇ（窒素吸着量）以上であることである。これにより、導電性炭素材の表面に担持される微生物の量が増加するため、生物処理の効率が向上する効果が得られる。
【０１０５】
また、微生物は、炭素表面に対して親和性が高く、また安定な状態で吸着されるため、このような観点からも、導電性担体が導電性炭素材であることが好ましい。導電性炭素材を用いれば、微生物含有液に含浸させるだけで、好適に微生物を担持することが可能である。
【０１０６】
本発明において、ガス電極３１としては、供給されたガスの電極分解が可能なものであれば格別限定されないが、電極表面に電極分解を促進する触媒を担持させたものを好ましく用いることができる。触媒としては、格別限定されないが、白金等を好ましく例示できる。
【０１０７】
ガス電極３１は、生物処理部２１と同様に、粉末、粒状、片状、糸状、棒状等の導電性材料を単体で、あるいは、２以上を互いに接触するように充填して形成することができる。
【０１０８】
特に、ガス電極３１のガスに対する接触面積を大きく確保するためには、導電性担体として上に例示したものと同様の導電性炭素材に、塩化白金酸溶液を含浸した後に加熱し、表面に白金を析出させたものを好適に用いることができる。
【０１０９】
本発明において、ガス供給手段３２は、ガス電極３１にガスを供給可能であれば格別限定されず、ブロワ等に接続された導入口からガスを導入する手段であってもよいし、あるいは、ガス電極室３内において化学反応あるいは蒸発によってガスを発生させる手段であってもよい。
【０１１０】
例えば、ガス供給手段３２からの蒸発によって常時ガス電極室３内をガス飽和状態に保つようにすることも好ましいことである。この場合、ガス電極３１におけるガスの消費に伴って、気液平衡により、新たなガスがガス供給手段３２から蒸発発生する。この態様では、排出口３３の設置を省略してもよい。
【０１１１】
本発明においては、例えば、高純度な酸素をガス電極３１に供給する場合のように、ガス電極での分解により供給されたガスがすべて消失する（気体状ではなくなる）場合は、排出口３３の設置を省略してもよい。
【０１１２】
本発明において、被処理物としては、バイオガス、天然ガス、各種の熱分解ガス等の気体、メタン発酵消化液上澄水、有機物汚泥を含む排水（廃水）、食品加工工程において排出される廃水等の液体を好ましく例示できる。
【０１１３】
また、被処理物は、硫黄系化合物、窒素系化合物、炭化水素系化合物の何れか又は数種を含むことが、本発明による効果が顕著となるため好ましい。ガス電極３１に酸素を供給することで、硫黄系化合物の脱硫処理、窒素系化合物の硝化処理、炭化水素系化合物の分解処理が効率的に行われる。
【０１１４】
本発明において、生物処理部２１とガス電極３１との気液的な隔離は、隔壁１３によって成される場合に限定されず、生物処理部２１とガス電極３１とが実質的に気液的に隔離されていればよい。例えば、隔壁１３を設けず、生物処理部２１とガス電極３１とを、実質的に気液的に隔離される距離を置いて設置してもよい。また、隔壁１３を設けず、生物処理部２１とガス電極３１とを近接する場合であっても、被処理物の流れと、ガスの流れとを、互いに交叉しないように配向することで、実質的に気液的に隔離することが可能である。
【０１１５】
以上の説明では、生物処理部２１とガス電極３１とが、生物処理装置本体１１内に設けられた生物処理室２とガス電極室３とに各々収納されている場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、生物処理部２１とガス電極３１の何れか又は両方が大気に露出されていてもよい。
【０１１６】
更に、本発明の生物処理装置１は、生物処理部２１を河川や用水路、湖沼等の被処理水域の水底に設置し、ガス電極３１に空気ないし酸素を供給して、水底に堆積した有機物汚泥等の被処理物を酸化分解するようにしてもよい。この場合、例えば、ガス電極３１を水中に設置して曝気手段による曝気によりガス供給されるようにしてもよいし、ガス電極３１を大気に露出するように設置して直接空気と接触させてガス供給されるようにしてもよい。これにより、ガス電極３１へのガス供給により広範囲に亘って分布する汚泥を効率的に分解することが可能となる効果を奏する。
【０１１７】
また、本発明においては、生物処理部２１に対して、ガス電極３１に供給するガスと同様のガスを供給する態様を排除するものではない。即ち、これにより不純物の混入を防止する効果は低下する場合があるが、生物処理部２１において、ガス電極３１から印加される電位と、直接供給されるガスとの協働により、代謝反応が更に促進され、生物処理効率の更なる向上を図ることができる効果を奏する。
【実施例】
【０１１８】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【０１１９】
（実施例１）
図１に示したものと同様の構成を有する小型の生物処理装置を用い、家畜（搾乳牛）糞尿のメタン発酵処理施設からのバイオガス（硫化水素濃度約６００ｐｐｍ）を被処理物として生物脱硫試験を行った。
【０１２０】
ガス電極としては、１３５０℃焼成のＰＡＮ系炭素繊維不織布を、塩化白金酸溶液を含浸させた後に加熱して、表面に白金を析出させたものを使用した。
【０１２１】
生物処理部の導電性担体として、１３５０℃焼成のＰＡＮ系炭素繊維不織布を使用した。導電性担体は、メタン発酵消化液を含浸させることにより、微生物を担持させた。
【０１２２】
生物処理室内の温度は、ヒーターにより約４０℃に保持した。また、ガス電極、生物処理部共に、バイオガスからの凝縮水を回収して散布し、加湿した。
【０１２３】
ガス電極室に空気を２０ｍＬ／分程度流通させた。これと同時に、生物処理室に空気供給を行わず、バイオガスのみをブロワを用いて約１００ｍＬ／分流通させて、精製バイオガス中の硫化水素濃度の経時変化を、検知管を用いて測定した。
【０１２４】
結果を図４に示す。
【０１２５】
＜評価＞
図４に示す通り、被処理バイオガスと比較して、精製バイオガス中の硫化水素濃度が大幅に低減することがわかる。
【０１２６】
また、処理開始から２時間後に、一定時間ガス電極への空気の供給を停止した結果、精製バイオガス中の硫化水素濃度が上昇したが、空気の供給を再開することにより、再び減少した。
【０１２７】
このことから、ガス電極への空気の供給により、硫化水素濃度が減少する（脱硫効率が向上する）ことがわかる。
【０１２８】
（実施例２）
図３に示したものと同様の構成を有する小型の生物処理装置を用い、メタン発酵消化液上澄水（ＢＯＤ約６５００ｍｇ／Ｌ）を被処理物としてＢＯＤ分解処理試験を行った。
【０１２９】
ガス電極及び導電性担体は、実施例１と同様のものを用いた。
【０１３０】
生物処理室内の温度は、ヒーターにより約４０℃に保持した。また、ガス電極に、バイオガスからの凝縮水を回収して散布し、加湿した。
【０１３１】
ガス電極室に空気を２０ｍＬ／分程度流通させた。これと同時に、生物処理室に空気供給を行わず、メタン発酵消化液上澄水のみをチューブポンプを用いて約５ｍＬ／分流通させて、処理後のメタン発酵消化液上澄水中のＢＯＤの経時変化を測定した。
【０１３２】
結果を図５に示す。なお、図５中、「入口液」は生物処理装置で処理される前のメタン発酵消化液上澄水であり、「出口液」は処理後のメタン発酵消化液上澄水である。
【０１３３】
＜評価＞
図５に示す通り、ガス電極への空気の供給により、処理後のメタン発酵消化液上澄水中のＢＯＤが、４０００ｍｇ／Ｌ程度まで低減されることがわかる。
【符号の説明】
【０１３４】
１：生物処理装置
１１：生物処理装置本体
１２：蓋体
１３：隔壁
１３１：イオン交換膜
２：生物処理室
２１：生物処理部
２２：被処理物導入口
２３：排出口
２４：加湿手段
２５：被処理物導入口
２６：排出口
３：ガス電極室
３１：ガス電極
３２：ガス供給手段
３３：排出口
３４：加湿手段
４：通電手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物を担持した導電性担体からなり、被処理物を接触させて該微生物の代謝反応により生物処理する生物処理部と、
供給されたガスを電極分解して電位を生じるガス電極とを備え、
前記生物処理部と前記ガス電極とは電気的に接続されており、
前記ガス電極に供給された前記ガスの電極分解によって生じた電位を前記生物処理部に印加して、前記微生物の代謝反応を制御することを特徴とする生物処理装置。
【請求項２】
前記生物処理部と前記ガス電極とは気液的に隔離されていることを特徴とする請求項１記載の生物処理装置。
【請求項３】
前記生物処理部と前記ガス電極とを気液的に隔離する隔壁と、
前記生物処理部と前記ガス電極とを電気的に接続する通電手段とを備えることを特徴とする請求項２記載の生物処理装置。
【請求項４】
前記通電手段は、前記隔壁を貫通して前記生物処理部と前記ガス電極とに接触していることを特徴とする請求項３記載の生物処理装置。
【請求項５】
前記隔壁の少なくとも一部がイオン交換膜からなることを特徴とする請求項３又は４記載の生物処理装置。
【請求項６】
前記ガスは空気であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の生物処理装置。
【請求項７】
前記被処理物は、硫黄系化合物、窒素系化合物、炭化水素系化合物の何れか又は数種を含むことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の生物処理装置。
【請求項１】
微生物を担持した導電性担体からなり、被処理物を接触させて該微生物の代謝反応により生物処理する生物処理部と、
供給されたガスを電極分解して電位を生じるガス電極とを備え、
前記生物処理部と前記ガス電極とは電気的に接続されており、
前記ガス電極に供給された前記ガスの電極分解によって生じた電位を前記生物処理部に印加して、前記微生物の代謝反応を制御することを特徴とする生物処理装置。
【請求項２】
前記生物処理部と前記ガス電極とは気液的に隔離されていることを特徴とする請求項１記載の生物処理装置。
【請求項３】
前記生物処理部と前記ガス電極とを気液的に隔離する隔壁と、
前記生物処理部と前記ガス電極とを電気的に接続する通電手段とを備えることを特徴とする請求項２記載の生物処理装置。
【請求項４】
前記通電手段は、前記隔壁を貫通して前記生物処理部と前記ガス電極とに接触していることを特徴とする請求項３記載の生物処理装置。
【請求項５】
前記隔壁の少なくとも一部がイオン交換膜からなることを特徴とする請求項３又は４記載の生物処理装置。
【請求項６】
前記ガスは空気であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の生物処理装置。
【請求項７】
前記被処理物は、硫黄系化合物、窒素系化合物、炭化水素系化合物の何れか又は数種を含むことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の生物処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２１３３３１（Ｐ２０１２−２１３３３１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７８８３０（Ｐ２０１１−７８８３０）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]