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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-31
(45)【発行日】2024-08-08
(54)【発明の名称】処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置
(51)【国際特許分類】
C02F 1/461 20230101AFI20240801BHJP
C02F 3/28 20230101ALI20240801BHJP
C02F 3/34 20230101ALI20240801BHJP
【ＦＩ】
C02F1/461 101C
C02F3/28 A
C02F3/34 Z
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021012483
(22)【出願日】2021-01-28
(65)【公開番号】P2022115736
(43)【公開日】2022-08-09
【審査請求日】2023-07-14
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002826
【氏名又は名称】弁理士法人雄渾
(72)【発明者】
【氏名】清川 達則
【審査官】松浦 裕介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－１２０４９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１１６５２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１９－０００１１２９（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０３１７７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３４４４００（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－２１２５９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５５－１１４３８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０９９８５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－００８４６１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
ＩＰＣ Ｃ０２Ｆ ３／２８ － ３／３４
Ｃ０２Ｆ １／４６ － １／４８
Ｃ０２Ｆ １１／００ － １１／２０
Ｈ０１Ｍ ８／００ － ８／２４９５
Ｃ０２Ｆ ３／００
Ｃ０２Ｆ １／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被処理物に対する嫌気処理を行う処理装置であって、前記被処理物が嫌気処理された後の処理水と電極を接触させ、発電及び／又は処理水中の硫黄成分を除去する反応部と、
前記反応部の電極表面に堆積した硫黄成分を除去する硫黄除去手段と、を備え、前記硫黄除去手段は、前記反応部に対する処理水の流路を切り替える流路切替部を有することを特徴とする、処理装置。
【請求項2】
前記処理装置は、複数の前記反応部と、前記反応部に電子受容体を供給する受容体供給手段と、を備え、
前記複数の反応部は、一方の反応部に前記処理水が供給され、他方の反応部に電子受容体が供給され、
前記流路切替部は、一方の前記反応部から他方の前記反応部へと処理水の流路を切り替える第１流路切替部と、他方の前記反応部から一方の前記反応部へと電子受容体の流路を切り替える第２流路切替部と、を有することを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
【請求項3】
前記硫黄除去手段は、硫黄酸化細菌を用いることを特徴とする、請求項１又は２に記載の処理装置。
【請求項4】
前記流路切替部は、前記反応部に対する処理水の供給・停止を制御する制御部を備えることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項5】
被処理物に対する嫌気処理を行う処理方法であって、前記被処理物が嫌気処理された後の処理水と電極を接触させ、発電及び／又は処理水中の硫黄成分を除去する電極反応を行う反応工程と、
前記反応工程に用いる電極表面に堆積した硫黄成分を除去する硫黄除去工程と、を備え、
前記硫黄除去工程は、前記反応工程に対する処理水の流路を切り替える流路切替工程を有することを特徴とする、処理方法。
【請求項6】
被処理物に対する嫌気処理を行う処理装置に接続される硫黄含有物質生成装置であって、請求項１に記載の処理装置と、
前記硫黄除去手段により除去された硫黄成分を回収する硫黄成分回収手段と、
前記硫黄成分回収手段で回収した硫黄成分を硫黄含有物質として精製する精製手段と、 を備えることを特徴とする、硫黄含有物質生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被処理物の嫌気処理に係る処理装置及び処理方法に関するものである。また、本発明は、被処理物の嫌気処理に伴い、硫黄含有物質を生成する硫黄含有物質生成装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
被処理物の処理に際しては、様々な処理方法が知られている。このような処理は、被処理物に含まれる成分や、排出される処理水の量などのように、被処理物自体に係る物性上の特徴や、処理効率とコストのバランスなどのように、処理を実施するための設備や運用に係る特徴などを考慮し、処理方法が選択されている。
また、処理においては、異なる処理方法を複数組み合わせることで、処理の効率化を図ることが行われている。
また、処理においては、異なる処理方法を複数組み合わせることで、処理の効率化を図ることが行われている。
【0003】
例えば、特許文献１には、有機物を含む被処理水の処理として、被処理水中に一対の電極を浸漬し、電気化学処理を行った後、被処理水を生物処理する処理について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００４－３３０１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載されるように、電気化学処理と生物処理とを組み合わせた処理においては、それぞれの処理ごとに反応効率のよい反応を進行させ、処理全体としての処理効率を向上させることが可能となる。その一方で、一般的に、電気化学処理は電力消費に係るランニングコストの負担が大きいという課題がある。特許文献１に記載された処理では、電気化学処理単独よりはランニングコストの低減が可能とされている。しかしながら、特許文献１に記載された処理では、処理の系外から電気化学処理及び生物処理に係るエネルギーを供給する必要がある。したがって、処理時における更なる省エネルギー化が求められている。
【0006】
近年、処理時における設備駆動電力を抑え、省エネルギー化に優れるものとするために、処理の工程上でエネルギーの回収・利用が可能な技術が検討されている。
このような技術の一つとして、生物処理により発生したバイオガスを利用したエネルギーの回収が行われているが、バイオガスの貯留・精製設備や、バイオガスの燃焼により得られた熱エネルギーをガスエンジンやガスタービンを介して電気エネルギーに変換する設備など、付帯設備が必要となる。したがって、処理において、より簡便かつ効率的にエネルギーを回収・利用する技術が求められている。
このような技術の一つとして、生物処理により発生したバイオガスを利用したエネルギーの回収が行われているが、バイオガスの貯留・精製設備や、バイオガスの燃焼により得られた熱エネルギーをガスエンジンやガスタービンを介して電気エネルギーに変換する設備など、付帯設備が必要となる。したがって、処理において、より簡便かつ効率的にエネルギーを回収・利用する技術が求められている。
【0007】
処理においてエネルギーを簡便かつ効率的に回収する技術としては、処理工程上に電極を設け、電極反応により直接電気エネルギーを回収することが考えられる。このとき、電極反応に供する電子供与体として処理工程上の水溶液（被処理水や処理水）中に含まれる還元性物質を用いることで、電極反応によるエネルギー回収と同時に、被処理水や処理水に対する電気化学処理を行うことができ、処理の効率向上と省エネルギー化の実現が期待できる。本発明者らは、特に、嫌気処理に伴い発生する硫化水素を電子供与体として用いることにより、併せて処理水の脱硫処理も可能となることを既に見出している。
【0008】
一方、本発明者らは、検討を重ねる中で、嫌気処理工程上に電極を設けて電極反応を行う際、電極表面に硫黄成分が堆積して電極反応効率が低下すること、及び、電極表面に堆積した硫黄成分の後処理が必要となるという課題があることを見出した。
【0009】
本発明の課題は、被処理物に対する嫌気処理において、電極反応によるエネルギーの回収・利用や処理水の脱硫処理を可能とするとともに、電極反応効率の向上及び電極反応で生成する硫黄成分の活用を可能とする処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、被処理物を嫌気処理した後の処理水中に含まれる還元性物質を電子供与体として電極反応を行うことにより、効率的なエネルギーの回収・利用や処理水の脱硫処理が可能となること、及び、電極反応により電極表面に堆積した硫黄除去手段を設けることで、電極反応における電極反応の効率低下を抑制することが可能となることを見出した。さらに、本発明者は、硫黄除去手段で除去された硫黄成分を回収、精製することで、有益な硫黄含有物質として活用が可能となることを見出した。これにより、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置である。
なお、本発明において、「硫黄成分の除去」には、硫黄成分を除去する対象や処理内容が異なる複数の工程が含まれる。したがって、以下、処理水中の硫黄成分を除去することを「（処理水の）脱硫処理」、電極表面に堆積した硫黄成分を除去することを「（電極表面の）硫黄除去」と呼び、それぞれの硫黄成分の除去に係る工程を区別する。
すなわち、本発明は、以下の処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置である。
なお、本発明において、「硫黄成分の除去」には、硫黄成分を除去する対象や処理内容が異なる複数の工程が含まれる。したがって、以下、処理水中の硫黄成分を除去することを「（処理水の）脱硫処理」、電極表面に堆積した硫黄成分を除去することを「（電極表面の）硫黄除去」と呼び、それぞれの硫黄成分の除去に係る工程を区別する。
【0011】
上記課題を解決するための本発明の処理装置は、被処理物に対する嫌気処理を行う処理装置であって、被処理物が嫌気処理された後の処理水と電極を接触させ、発電及び／又は処理水中の硫黄成分を除去する反応部と、反応部の電極表面に堆積した硫黄成分を除去する硫黄除去手段と、を備えるという特徴を有する。
本発明の処理装置は、処理装置に電極を用いた反応部を設置することで、処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、処理水の脱硫処理のための設備を別途設けることなく、効率的な脱硫処理を実施することが可能となる。さらに、電極反応により電極表面に生じた硫黄を除去する手段を設けることにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び脱硫処理の効率向上が可能となる。
本発明の処理装置は、処理装置に電極を用いた反応部を設置することで、処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、処理水の脱硫処理のための設備を別途設けることなく、効率的な脱硫処理を実施することが可能となる。さらに、電極反応により電極表面に生じた硫黄を除去する手段を設けることにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び脱硫処理の効率向上が可能となる。
【0012】
また、本発明の処理装置の一実施態様としては、硫黄除去手段は、硫黄酸化細菌を用いるという特徴を有する。
この特徴によれば、比較的簡易な構造及び操作により、電極表面に堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。
この特徴によれば、比較的簡易な構造及び操作により、電極表面に堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。
【0013】
また、本発明の処理装置の一実施態様としては、硫黄除去手段は、反応部に対する処理水の流路を切り替える流路切替部を備えるという特徴を有する。
この特徴によれば、処理水の流路を変えることで、反応部におけるアノードとカソードを切り替えることができる。このとき、電極表面で生じる反応の種類が変わるため、電極表面に堆積した硫黄成分を除去する反応を進行させることができる。これにより、電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。
この特徴によれば、処理水の流路を変えることで、反応部におけるアノードとカソードを切り替えることができる。このとき、電極表面で生じる反応の種類が変わるため、電極表面に堆積した硫黄成分を除去する反応を進行させることができる。これにより、電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。
【0014】
また、本発明の処理装置の一実施態様としては、流路切替部は、反応部に対する処理水の供給・停止を制御する制御部を備えるという特徴を有する。
この特徴によれば、硫黄除去に係る流路切替部の制御を、より精度高く、好適なタイミングで実行することが可能となる。また、処理水の時間変動に応じ、発電や脱硫処理を主に行う時間帯と、電極表面に堆積した硫黄成分の除去処理を主に行う時間帯を分けるなど、処理装置全体として効率的な運転を行うことが可能となる。
この特徴によれば、硫黄除去に係る流路切替部の制御を、より精度高く、好適なタイミングで実行することが可能となる。また、処理水の時間変動に応じ、発電や脱硫処理を主に行う時間帯と、電極表面に堆積した硫黄成分の除去処理を主に行う時間帯を分けるなど、処理装置全体として効率的な運転を行うことが可能となる。
【0015】
また、本発明の処理装置の一実施態様としては、反応部の電極配置を入れ替える電極入替手段を設けるという特徴を有する。
この特徴によれば、簡便な操作により、反応部におけるアノードとカソードを入れ替えることができ、アノード側の電極反応が進行することで表面に硫黄成分が堆積した電極を、容易にカソード側の反応に供することが可能となる。これにより、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことができるとともに、反応部における処理を連続して行うことが可能となる。
この特徴によれば、簡便な操作により、反応部におけるアノードとカソードを入れ替えることができ、アノード側の電極反応が進行することで表面に硫黄成分が堆積した電極を、容易にカソード側の反応に供することが可能となる。これにより、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことができるとともに、反応部における処理を連続して行うことが可能となる。
【0016】
また、上記課題を解決するための本発明の処理方法としては、被処理物に対する嫌気処理を行う処理方法であって、被処理物が嫌気処理された後の処理水と電極を接触させ、発電及び／又は処理水中の硫黄成分を除去する電極反応を行う反応工程と、反応工程に用いる電極表面に堆積した硫黄成分を除去する硫黄除去工程と、を備えるという特徴を有する。
本発明の処理方法は、水処理において電極を用いた電極反応工程を設けることで、水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、脱硫処理のための設備を別途設けることなく、効率的な脱硫処理を実施することが可能となる。さらに、電極反応により電極表面に生じた硫黄を除去する手段を設けることにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び脱硫処理の効率向上が可能となる。
本発明の処理方法は、水処理において電極を用いた電極反応工程を設けることで、水処理における一連の処理過程の中で発電を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、脱硫処理のための設備を別途設けることなく、効率的な脱硫処理を実施することが可能となる。さらに、電極反応により電極表面に生じた硫黄を除去する手段を設けることにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び脱硫処理の効率向上が可能となる。
【0017】
また、上記課題を解決するための本発明の硫黄含有物質生成装置としては、被処理物に対する嫌気処理を行う処理装置に接続される硫黄含有物質生成装置であって、処理装置は、被処理物が嫌気処理された後の処理水と電極を接触させ、発電及び／又は処理水中の硫黄成分を除去する反応部と、反応部の電極表面に堆積した硫黄成分を除去する硫黄除去手段と、を備えており、硫黄除去手段により除去された硫黄成分を回収する硫黄成分回収手段と、硫黄成分回収手段で回収した硫黄成分を硫黄含有物質として精製する精製手段と、を備えるという特徴を有する。
本発明の硫黄含有物質生成装置は、被処理物の嫌気処理を行い、電極反応による発電や脱硫処理を行う反応部と、電極表面に堆積した硫黄成分を除去する手段とを備える処理装置に対して接続され、この処理装置から硫黄成分を回収、精製することで、電極表面に堆積した硫黄成分の後処理を行うとともに、処理装置内外で活用できる有益な硫黄含有物質を得ることが可能となる。
本発明の硫黄含有物質生成装置は、被処理物の嫌気処理を行い、電極反応による発電や脱硫処理を行う反応部と、電極表面に堆積した硫黄成分を除去する手段とを備える処理装置に対して接続され、この処理装置から硫黄成分を回収、精製することで、電極表面に堆積した硫黄成分の後処理を行うとともに、処理装置内外で活用できる有益な硫黄含有物質を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、被処理物に対する嫌気処理において、電極反応によるエネルギーの回収・利用や処理水の脱硫処理を可能とするとともに、電極反応効率の向上及び電極反応で生成する硫黄成分の活用を可能とする処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第１の実施態様における処理装置の概略説明図である。
【図2】本発明の第１の実施態様の処理装置における硫黄除去手段の別態様を示す概略説明図である。
【図3】本発明の第１の実施態様の処理装置及び硫黄含有物質生成装置を示す概略説明図である。
【図4】本発明の第２の実施態様における処理装置の概略説明図である。
【図5】本発明の第３の実施態様における処理装置の概略説明図である。
【図6】本発明の第４の実施態様における処理装置の概略説明図である。
【図7】本発明の第５の実施態様における処理装置の概略説明図である。
【図8】本発明の第６の実施態様における処理装置の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置の実施態様を詳細に説明する。本発明における処理方法は、本発明における処理装置の作動の説明に置き換えるものとする。
なお、実施態様に記載する処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置については、本発明に係る処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。
なお、実施態様に記載する処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置については、本発明に係る処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。
【0021】
本発明の処理装置において、処理対象である被処理物は、嫌気処理後の処理水中に電極と反応する還元性物質が含まれるものであれば特に限定されず、固体あるいは液体のいずれであってもよい。なお、還元性物質は、処理装置に導入する前の被処理物に含有されているものであってもよく、処理装置における処理経過に伴って生成され、処理水中に存在するものであってもよい。
具体的な被処理物の例としては、例えば、食品工場、化学工場、紙パルプ工場等の各種工場から排出される工業排水や、下水などの生活排水などのような排水（廃水）が挙げられる。また、被処理物の他の例としては、例えば、家庭や各種工場から排出する生ごみや食品廃棄物、木などバイオマスのほか、各種工場から排出される工業排水や下水などの生活排水を処理した後の余剰汚泥などのような固体廃棄物が挙げられる。ここで、被処理物が固体である場合、嫌気処理後の処理水とは、固体分を除去した濾液を指すものである。
なお、以下の実施態様においては、被処理物として、嫌気処理を経ることで処理水中に還元性物質が存在する排水（以下、「被処理水」と呼ぶ。）について主に説明するが、これに限定されるものではない。
具体的な被処理物の例としては、例えば、食品工場、化学工場、紙パルプ工場等の各種工場から排出される工業排水や、下水などの生活排水などのような排水（廃水）が挙げられる。また、被処理物の他の例としては、例えば、家庭や各種工場から排出する生ごみや食品廃棄物、木などバイオマスのほか、各種工場から排出される工業排水や下水などの生活排水を処理した後の余剰汚泥などのような固体廃棄物が挙げられる。ここで、被処理物が固体である場合、嫌気処理後の処理水とは、固体分を除去した濾液を指すものである。
なお、以下の実施態様においては、被処理物として、嫌気処理を経ることで処理水中に還元性物質が存在する排水（以下、「被処理水」と呼ぶ。）について主に説明するが、これに限定されるものではない。
【0022】
また、本発明において、処理水中に含まれる還元性物質とは、電子供与体として機能するものであればよく、特に限定されない。ある物質が電子供与体として機能するか否かは、電子受容体として機能する物質（以下、単に「電子受容体」と呼ぶ）との組み合わせによって相対的に決まるものである。つまり、本発明における還元性物質は、電子受容体よりも電子を放出しやすいもの、すなわち電子受容体よりも酸化還元電位が低いものとすることが挙げられる。例えば、電子受容体として酸素を用いた場合、本発明における還元性物質は、酸素よりも酸化還元電位が低いものであればよく、このような還元性物質としては、硫化水素、水素、アンモニアなどが挙げられる。
【0023】
〔第１の実施態様〕
［処理装置］
図１は、本発明の第１の実施態様における処理装置の構造を示す概略説明図である。
本実施態様における処理装置１Ａは、図１に示すように、処理槽２と、反応部３と、硫黄除去手段４とを備えるものである。なお、本実施態様においては、処理対象となる被処理物が、嫌気処理を経ることで処理水中に還元性物質が存在する排水（以下、「被処理水Ｗ」と呼ぶ。）である場合について説明する。
また、本実施態様における処理装置１Ａは、図１に示すように、処理槽２に被処理水Ｗを導入する導入配管Ｌ１と、処理槽２と反応部３を接続し、処理槽２で被処理水Ｗが処理された後の処理水Ｗ１を反応部３に供給する接続配管Ｌ２と、電極反応後の処理水Ｗ２を反応部３から排出する排出配管Ｌ３とを備えている。
［処理装置］
図１は、本発明の第１の実施態様における処理装置の構造を示す概略説明図である。
本実施態様における処理装置１Ａは、図１に示すように、処理槽２と、反応部３と、硫黄除去手段４とを備えるものである。なお、本実施態様においては、処理対象となる被処理物が、嫌気処理を経ることで処理水中に還元性物質が存在する排水（以下、「被処理水Ｗ」と呼ぶ。）である場合について説明する。
また、本実施態様における処理装置１Ａは、図１に示すように、処理槽２に被処理水Ｗを導入する導入配管Ｌ１と、処理槽２と反応部３を接続し、処理槽２で被処理水Ｗが処理された後の処理水Ｗ１を反応部３に供給する接続配管Ｌ２と、電極反応後の処理水Ｗ２を反応部３から排出する排出配管Ｌ３とを備えている。
【0024】
（処理槽）
処理槽２は、被処理水Ｗに対して嫌気処理を行うための槽である。
処理槽２で行う処理は、被処理水Ｗ中に含まれる処理対象に合った処理であり、処理後の処理水Ｗ１中に還元性物質を含むものであれば、特に制限されない。例えば、嫌気的な環境下での生物処理（嫌気処理）として、酸生成菌及びメタン生成菌によるメタン発酵や、脱窒菌により硝酸・亜硝酸の還元を行う脱窒処理や、硫酸還元菌により硫酸の還元を行う硫酸還元処理等が挙げられる。さらに、処理コストや生成ガスの有用性の観点から、メタンを生成するメタン発酵が特に好ましい。なお、処理槽２は、単一槽であってもよく、複数の槽からなるものであってもよい。例えば、処理槽２で行う処理がメタン発酵である場合、酸生成槽とメタン発酵槽のように複数槽の組み合わせを処理槽２として用いること等が挙げられる。
処理槽２は、被処理水Ｗに対して嫌気処理を行うための槽である。
処理槽２で行う処理は、被処理水Ｗ中に含まれる処理対象に合った処理であり、処理後の処理水Ｗ１中に還元性物質を含むものであれば、特に制限されない。例えば、嫌気的な環境下での生物処理（嫌気処理）として、酸生成菌及びメタン生成菌によるメタン発酵や、脱窒菌により硝酸・亜硝酸の還元を行う脱窒処理や、硫酸還元菌により硫酸の還元を行う硫酸還元処理等が挙げられる。さらに、処理コストや生成ガスの有用性の観点から、メタンを生成するメタン発酵が特に好ましい。なお、処理槽２は、単一槽であってもよく、複数の槽からなるものであってもよい。例えば、処理槽２で行う処理がメタン発酵である場合、酸生成槽とメタン発酵槽のように複数槽の組み合わせを処理槽２として用いること等が挙げられる。
【0025】
処理槽２において、嫌気処理のうち、特にメタン発酵を行う場合、被処理水Ｗを処理した後の処理水Ｗ１中には、メタンのほか、硫化水素、水素、アンモニア等が生成する。なお、これら生成物は、本発明における還元性物質に相当するものである。
【0026】
処理槽２で処理された被処理水Ｗは還元性物質を含有する処理水Ｗ１となり、接続配管Ｌ２を介して、反応部３へ導入される。
【0027】
（反応部）
反応部３は、処理水Ｗ１中の還元性物質を電子供与体とした電極反応を行うためのものである。また、反応部３では、この電極反応によって発電や脱硫処理を行うことができる。
以下、本実施態様の反応部３の構造について、発電に係る観点から説明する。なお、本実施態様の反応部３による脱硫処理の詳細については後述する。
反応部３は、処理水Ｗ１中の還元性物質を電子供与体とした電極反応を行うためのものである。また、反応部３では、この電極反応によって発電や脱硫処理を行うことができる。
以下、本実施態様の反応部３の構造について、発電に係る観点から説明する。なお、本実施態様の反応部３による脱硫処理の詳細については後述する。
【0028】
本実施態様の反応部３は、図１に示すように、処理槽２の後段に設けられ、第１のセル３１ａ及び第２のセル３１ｂと、セル３１ａ、３１ｂの間を仕切るように設けられたイオン交換体３５と、セル３１ａ、３１ｂにそれぞれ配置された電極３３ａ、３３ｂとを備えている。ここで、第１のセル３１ａは、処理槽２から接続配管Ｌ２を介して導入された処理水Ｗ１が電極３３ａに接触するように形成されており、第１のセル３１ａに配置された電極３３ａはアノードとして機能する。一方、第２のセル３１ｂは、電子受容体を貯留ないしは供給するように形成されており、第２のセル３１ｂに配置された電極３３ｂはカソードとして機能する。また、電極３３ａ、３３ｂは導線により外部回路と接続されている（不図示）。これにより、反応部３において、還元性物質が電子供与体として作用することで発生する電気エネルギーの回収及び利用が可能となる。
【0029】
第１のセル３１ａは、電極３３ａを備え、処理水Ｗ１が電極３３ａに接触するように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。例えば、図１に示すように、接続配管Ｌ２を介して処理水導入口３２ａから導入された処理水Ｗ１を一時的に貯留可能なスペースを有し、電極３３ａに接触した後の処理水Ｗ２を処理水排出口３２ｂから排出するための排出配管Ｌ３を備えるものとすること等が挙げられる。これにより、処理水Ｗ１中の還元性物質は電子供与体として電極３３ａに電子を供与した後、排出配管Ｌ３を介して速やかに排出される。
なお、接続配管Ｌ２及び／又は排出配管Ｌ３に、バルブ等の流量調整機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａに接触させる処理水Ｗ１の量及び流速を調整し、電極３３ａに対する物質移動速度を制御することが可能となる。
なお、接続配管Ｌ２及び／又は排出配管Ｌ３に、バルブ等の流量調整機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａに接触させる処理水Ｗ１の量及び流速を調整し、電極３３ａに対する物質移動速度を制御することが可能となる。
【0030】
排出配管Ｌ３を介して排出された処理水Ｗ２は、河川などへの放流が可能な水質を満たすものであれば、そのまま放流することが可能である。また、排出配管Ｌ３の後段に、処理水Ｗ２を更に処理するための処理設備を設け、処理水Ｗ２を処理した後、系外へ排出するものとしてもよい。このような処理設備としては、処理水Ｗ２が系外あるいは河川への放流が可能な水質となるように処理できるものであれば特に限定されない。例えば、曝気槽やｐＨ調整槽などが挙げられる。
【0031】
なお、排出配管Ｌ３を処理槽２と接続し、処理水Ｗ２を系外に放出せずに、処理槽２に返送するものとしてもよい。これにより、被処理水Ｗが繰り返し処理されることになり、処理効率を向上させることが可能となる。
このとき、電極３３ａにおける反応後の処理水Ｗ２は、式１や式２に示すように水素イオン濃度が上昇し、ｐＨが酸性を示す溶液となる。したがって、処理水Ｗ２をｐＨ調整剤として利用することができる。特に、嫌気処理としてメタン発酵を行う場合、酸生成槽内の反応を好適に進行させるためには、酸生成槽内のｐＨは酸性寄りにあることが好ましいことが知られている。したがって、反応部３から排出配管Ｌ３を介して処理槽２（酸生成槽）に返送される処理水Ｗ２は、酸生成槽内の反応を好条件下で進行するためのｐＨ調整剤として好適に利用される。
また、反応部３から処理槽２としてメタン発酵槽へと処理水Ｗ２を返送するように排出配管Ｌ３を接続するものとしてもよい。このとき、電極３３ａにおける反応後の処理水Ｗ２は、式１や式２に示すように溶存する硫化水素の濃度が低下した溶液となる。メタン発酵槽内のグラニュール層に含まれるメタン菌は、硫化水素により代謝を阻害されることが知られている。このため、反応部３から処理槽２（メタン発酵槽）に返送される処理水Ｗ２は、メタン発酵を阻害することなくメタン発酵槽内を循環することができるという効果を奏する。
このとき、電極３３ａにおける反応後の処理水Ｗ２は、式１や式２に示すように水素イオン濃度が上昇し、ｐＨが酸性を示す溶液となる。したがって、処理水Ｗ２をｐＨ調整剤として利用することができる。特に、嫌気処理としてメタン発酵を行う場合、酸生成槽内の反応を好適に進行させるためには、酸生成槽内のｐＨは酸性寄りにあることが好ましいことが知られている。したがって、反応部３から排出配管Ｌ３を介して処理槽２（酸生成槽）に返送される処理水Ｗ２は、酸生成槽内の反応を好条件下で進行するためのｐＨ調整剤として好適に利用される。
また、反応部３から処理槽２としてメタン発酵槽へと処理水Ｗ２を返送するように排出配管Ｌ３を接続するものとしてもよい。このとき、電極３３ａにおける反応後の処理水Ｗ２は、式１や式２に示すように溶存する硫化水素の濃度が低下した溶液となる。メタン発酵槽内のグラニュール層に含まれるメタン菌は、硫化水素により代謝を阻害されることが知られている。このため、反応部３から処理槽２（メタン発酵槽）に返送される処理水Ｗ２は、メタン発酵を阻害することなくメタン発酵槽内を循環することができるという効果を奏する。
【0032】
第２のセル３１ｂは、電極３３ｂを備え、処理水Ｗ１中の還元性物質に対する電子受容体を貯留ないしは供給するように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。
【0033】
ここで、電子受容体の形態は、気体、液体のいずれであってもよい。なお、液体としては、固体薬剤を溶解させた溶液であってもよく、気体を混合（溶解）させた溶液であってもよい。
【0034】
本実施態様において電子受容体の具体的な例については、例えば、気体としては、酸素及び酸素を含む気体が挙げられる。なお、酸素を含む気体とは、空気のように混合物として酸素を含むものや、二酸化炭素のように化合物を構成する元素として酸素を含むものが挙げられる。電子受容体として気体を用いた場合、反応後に排出したものの処理が不要（あるいは容易）であることや、入手に係るコストを低減できるという利点がある。なお、これらの利点を最大限活用するためには、電子受容体として、空気を用いることが特に好ましい。
また、本実施態様において電子受容体の他の例としては、例えば、液体として、溶存酸素を含む溶液や、フェリシアン化カリウム水溶液のような酸化剤の水溶液等が挙げられる。電子受容体として液体を用いた場合、電子受容体として効果の高い化合物（酸化剤）の取り扱いが容易となるため、電極反応効率をより向上させることができるという利点がある。なお、電極反応効率を向上させるという観点からすると、電子受容体としては、フェリシアン化カリウム水溶液を用いることが特に好ましい。
また、本実施態様において電子受容体の他の例としては、例えば、液体として、溶存酸素を含む溶液や、フェリシアン化カリウム水溶液のような酸化剤の水溶液等が挙げられる。電子受容体として液体を用いた場合、電子受容体として効果の高い化合物（酸化剤）の取り扱いが容易となるため、電極反応効率をより向上させることができるという利点がある。なお、電極反応効率を向上させるという観点からすると、電子受容体としては、フェリシアン化カリウム水溶液を用いることが特に好ましい。
【0035】
第２のセル３１ｂとしては、例えば、図１に示すように、第２のセル３１ｂに、液体を貯留可能なスペースを設け、電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂとして、それぞれ電子受容体の溶液の供給及び反応後の溶液の排出が可能なものを設けることが挙げられる。
第２のセル３１ｂの他の例としては、第２のセル３１ｂに、気体状の電子受容体（酸素、空気など）を電極３３ｂに対して供給するために、気体を供給するための電子受容体供給口３４ａ及び反応後の気体を排出するための電子受容体排出口３４ｂを設けることが挙げられる。
これにより、電極３３ａからの電子を、電極３３ｂを介して電子受容体が受け取ることができ、電極３３ａと電極３３ｂの間に電流が流れて発電が行われる。また、反応後の電子受容体は電子受容体排出口３４ｂを介して速やかに反応部３の外部に排出される。
なお、電子受容体供給口３４ａ及び／又は電子受容体排出口３４ｂにバルブ等の流量調整機構を設け、第２のセル３１ｂにおける電子受容体の濃度を調整できるものとしてもよい。さらに、電極３３ａにおける反応により生成した電子量に応じた電子受容体濃度が維持されるように流量調整機構を制御する制御機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａ及び電極３３ｂ間の電子移動に係る反応効率の低下を抑制し、電極反応効率の低下を抑制することが可能となる。
第２のセル３１ｂの他の例としては、第２のセル３１ｂに、気体状の電子受容体（酸素、空気など）を電極３３ｂに対して供給するために、気体を供給するための電子受容体供給口３４ａ及び反応後の気体を排出するための電子受容体排出口３４ｂを設けることが挙げられる。
これにより、電極３３ａからの電子を、電極３３ｂを介して電子受容体が受け取ることができ、電極３３ａと電極３３ｂの間に電流が流れて発電が行われる。また、反応後の電子受容体は電子受容体排出口３４ｂを介して速やかに反応部３の外部に排出される。
なお、電子受容体供給口３４ａ及び／又は電子受容体排出口３４ｂにバルブ等の流量調整機構を設け、第２のセル３１ｂにおける電子受容体の濃度を調整できるものとしてもよい。さらに、電極３３ａにおける反応により生成した電子量に応じた電子受容体濃度が維持されるように流量調整機構を制御する制御機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａ及び電極３３ｂ間の電子移動に係る反応効率の低下を抑制し、電極反応効率の低下を抑制することが可能となる。
【0036】
図１において、電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂは、それぞれ１つずつ設けたものを示しているが、これに限定されるものではない。例えば、電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂを複数設けるものとしてもよい。特に、電子受容体として酸素を含む気体を用いた場合、電極３３ｂにおける反応によって水が生成する。したがって、電子受容体排出口３４ｂを複数設ける場合、例えば、気体を排出するものと液体を排出するものをそれぞれ分けて設けること等が挙げられる。
【0037】
イオン交換体３５は、イオンを透過することのできる公知の構成であればよく、特に限定するものではない。特に、電極３３ａ（アノード側）で発生する水素イオンを透過することのできる陽イオン交換膜とすることが挙げられる。これにより、電極３３ａ（アノード側）から電極３３ｂ（カソード側）へ水素イオンが移動することで、電極３３ｂでの電子受容体の反応効率を高めることができ、電極反応効率を向上させることができる。また、イオン交換体３５は、酸素透過性が低いものとすることがより好ましい。これにより、電極３３ｂ（カソード側）に供給される電子受容体（特に酸素）が電極３３ａ側に移動することを抑制し、電極３３ａにおける電子供与体の反応効率が酸素により低下することを抑制することが可能となる。
なお、図１において、イオン交換体３５は、電極３３ａ及び電極３３ｂと別体として設けるものを示しているが、これに限定されるものではない。例えば、イオン交換能を有する材料と電極３３ａ及び／又は電極３３ｂを一体とすること等が挙げられる。これにより、反応部３全体を小型化することが可能となるとともに、メンテナンス作業に係る時間短縮が可能となる。
なお、図１において、イオン交換体３５は、電極３３ａ及び電極３３ｂと別体として設けるものを示しているが、これに限定されるものではない。例えば、イオン交換能を有する材料と電極３３ａ及び／又は電極３３ｂを一体とすること等が挙げられる。これにより、反応部３全体を小型化することが可能となるとともに、メンテナンス作業に係る時間短縮が可能となる。
【0038】
電極３３ａは、処理水Ｗ１中の還元性物質から電子を回収する電極であり、いわゆるアノードとして機能するものである。また、本実施態様における電極３３ａは、処理槽２で処理された後の処理水Ｗ１と接触するように第１のセル３１ａ内に配置されている。
【0039】
電極３３ａとしては、アノードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極３３ａの材質及び形状については、材料調達や加工に係るコスト、電極３３ａにおける還元性物質の反応効率などを鑑みて、適宜選択することができる。電極３３ａの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（ステンレス、白金、銅等）が挙げられる。また、電極３３ａの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ａとしては、電極反応効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ａとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ａとしては、電極反応効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ａとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
【0040】
電極３３ｂは、電極３３ａの対極であって、電子受容体へ電子を受け渡す電極であり、いわゆるカソードとして機能するものである。また、本実施態様における電極３３ｂは、第２のセル３１ｂ内に配置されている。
【0041】
電極３３ｂとしては、カソードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極３３ｂの材質及び形状については、材料調達や加工に係るコスト、電極３３ｂにおける電子受容体の反応効率などを鑑みて、適宜選択することができる。電極３３ｂの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（ステンレス、白金、銅等）が挙げられる。また、電極３３ｂの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ｂとしては、電極反応効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ｂとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ｂとしては、電極反応効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ｂとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
【0042】
第２のセル３１ｂ内に供給される電子受容体が気体（空気）である場合、電極３３ｂは、一方の面は気体と接するが、もう一方の面は処理水Ｗ１と接する。このため、電極３３ｂは、いわゆるエアカソードとして適した形態とすることが好ましい。エアカソードとして適した形態としては、例えば、気体透過性と不透水性の両方の性質を備えることが挙げられる。電極３３ｂが気体透過性を備えた形態とすることにより、電子受容体である気体を電極３３ｂで効果的に反応させることが可能となる。また、電極３３ｂが不透水性を備えることにより、第１のセル３１ａ内の処理水Ｗ１が電極３３ｂを透過し、第２のセル３１ｂ内に流入することを抑制することが可能となる。このような電極３３ｂの具体例としては、炭素繊維からなるものや、金属メッシュ表面に対して気体透過性及び不透水性を有する材料の塗布あるいはフィルムの積層等の表面処理を行ったもの等が挙げられる。なお、ここでの不透水性とは、水を通さないことを指し、例えば、電極３３ｂを防水化、撥水化、疎水化、あるいは止水化することについても、不透水性を備えることに含まれるものである。
【0043】
以下、図１に基づき、本発明の第１の実施態様の処理装置における電極反応に係る反応及び工程を説明する。
本実施態様の処理装置１Ａにおける電極反応に係る反応及び工程は、被処理水Ｗを嫌気処理することで生成した還元性物質を電子供与体として用い、酸素や酸化剤を含む溶液を電子受容体として用いるものについて説明するものである。
なお、図１に基づく反応及び工程に係る説明は、本実施態様における電極反応の一例について示すものであり、これに限定されるものではない。また、以下の説明は、処理槽２から反応部３に係る反応及び工程について述べたものであり、その他の構成（導入配管Ｌ１、排出配管Ｌ３など）に係る反応及び工程については説明を省略している。さらに、反応Ｒ１～Ｒ４及び工程Ｓ１～Ｓ３の表記については、説明のために番号を付したものであり、反応及び工程順序を特定するものではない。
本実施態様の処理装置１Ａにおける電極反応に係る反応及び工程は、被処理水Ｗを嫌気処理することで生成した還元性物質を電子供与体として用い、酸素や酸化剤を含む溶液を電子受容体として用いるものについて説明するものである。
なお、図１に基づく反応及び工程に係る説明は、本実施態様における電極反応の一例について示すものであり、これに限定されるものではない。また、以下の説明は、処理槽２から反応部３に係る反応及び工程について述べたものであり、その他の構成（導入配管Ｌ１、排出配管Ｌ３など）に係る反応及び工程については説明を省略している。さらに、反応Ｒ１～Ｒ４及び工程Ｓ１～Ｓ３の表記については、説明のために番号を付したものであり、反応及び工程順序を特定するものではない。
【0044】
図１に示すように、処理槽２に導入された被処理水Ｗは、処理槽２内の嫌気性微生物（酸生成菌及びメタン生成菌）により嫌気処理される（工程Ｓ１）。このとき、メタンのほかに、還元性物質（水素、硫化水素、アンモニア等）が生成する。
【0045】
処理槽２で処理され、還元性物質を含む処理水Ｗ１は、接続配管Ｌ２を介して反応部３における第１のセル３１ａ内に導入される（工程Ｓ２）。ここで、還元性物質（水素、硫化水素、アンモニア等）が電極３３ａに接触することで、還元性物質が電子供与体として機能し、電極３３ａへ電子が供与される。このとき、電子供与体として機能する還元性物質として、硫化水素を例にとると、電極３３ａにおける反応（反応Ｒ１）は、以下の反応式（式１）で示される。
【数1】
【0046】
また、硫化水素の一部は硫化水素イオンとして反応する。このときの反応は、以下の反応式（式２）で示される。
【数2】
【0047】
式１及び式２で示されるように、反応Ｒ１において、処理槽２で処理された後の処理水Ｗ１に含まれる硫化水素は電極３３ａに電子を供与するとともに、硫化水素自身は酸化処理されることで無害化、無臭化する。このため、本実施態様の処理装置１Ａは、発電とともに、脱硫処理・脱臭処理が可能となる。なお、硫化水素以外の有害物質・臭気物質である還元性物質（アンモニア等）についても、同様に電子供与体として機能し、反応が進行することで、無害化・無臭化が可能になる。
【0048】
式１及び式２に示された反応式に基づき、電極３３ａにおける反応が進行した後、電子は電極３３ａから導線を介して電極３３ｂへ移動する（反応Ｒ２）。なお、このとき、電極３３ａにおける反応で生成した水素イオンは、イオン交換体３５を介して第２のセル３１ｂ側へ移動する（反応Ｒ３）。
【0049】
一方、第２のセル３１ｂには、電子受容体供給口３４ａから電子受容体（溶液）を導入する（工程Ｓ３）。ここで、反応Ｒ２により、電極３３ａから電極３３ｂに移動した電子を、電極３３ｂを介して電子受容体が受け取る。また、このとき、反応Ｒ３により、イオン交換体３５を介して第２のセル３１ｂ側に移動した水素イオンも電子受容体と反応する。このときの電極３３ｂにおける反応（反応Ｒ４）は、以下の反応式（式３）で示される。なお、式３における酸素が、電子受容体に相当する。
【数3】
【0050】
上述した反応Ｒ１～Ｒ４及び工程Ｓ１～Ｓ３に基づき、電極３３ａと電極３３ｂの間に電流が流れる。これにより、被処理水Ｗ中の還元性物質（処理水Ｗ１に含まれる還元性物質）を電子供与体とする反応が進行し、本実施態様の処理装置１Ａにおける発電及び脱硫処理が行われる。
また、発電により得られた電気エネルギーは、電極３３ａ及び電極３３ｂに接続した外部回路を通じて回収・利用することができる。なお、電気エネルギーの利用については、特に限定されない。例えば、処理装置の設備駆動に用いるものであってもよく、処理装置外で利用するものであってもよい。
また、発電により得られた電気エネルギーは、電極３３ａ及び電極３３ｂに接続した外部回路を通じて回収・利用することができる。なお、電気エネルギーの利用については、特に限定されない。例えば、処理装置の設備駆動に用いるものであってもよく、処理装置外で利用するものであってもよい。
【0051】
本実施態様の処理装置における電極反応では、上述したように、反応Ｒ１によりアノード側で硫化水素（Ｈ２Ｓ）や硫化水素イオン（ＨＳ－）が反応することで、式１及び式２に基づく電極反応が進行する。反応部３における電極反応を継続して行うことで、アノード（電極３３ａ）表面には、式１及び式２に基づく電極反応の生成物である硫黄（Ｓ）が堆積していく。これにより、電極３３ａと還元性物質の接触が阻害され、電極反応効率が低下するという問題が生じる。このため、本実施態様における処理装置１Ａには、反応部３の電極表面に堆積した硫黄成分を除去する手段を設けるものとする。
【0052】
（硫黄除去手段）
硫黄除去手段４は、反応部３の電極表面に堆積した硫黄成分を除去することができるものであればよく、特に限定されない。硫黄除去手段４としては、例えば、物理的に硫黄除去を行うものや、化学的に硫黄除去を行うものが挙げられる。
ここで、硫黄除去に係る除去効率や作業コストを鑑み、本実施態様における硫黄除去手段４としては、化学的に硫黄除去を行うものについて主に説明する。
硫黄除去手段４は、反応部３の電極表面に堆積した硫黄成分を除去することができるものであればよく、特に限定されない。硫黄除去手段４としては、例えば、物理的に硫黄除去を行うものや、化学的に硫黄除去を行うものが挙げられる。
ここで、硫黄除去に係る除去効率や作業コストを鑑み、本実施態様における硫黄除去手段４としては、化学的に硫黄除去を行うものについて主に説明する。
【0053】
以下、本実施態様における硫黄除去手段４の具体例について説明する。なお、以下に示す硫黄除去手段４に係る説明は、本実施態様における硫黄除去手段４の一例について示すものであり、これに限定されるものではない。
【0054】
図１に示すように、硫黄除去手段４としては、硫黄酸化細菌を含む水溶液が入った硫黄処理槽４０を備えるものが挙げられる。そして、硫黄処理槽４０内に、反応部３においてアノードとして機能し、表面に硫黄が堆積した電極（図１では、電極３３ａ）を浸漬させる。
ここで、硫黄酸化細菌は、好気的な環境下で硫黄成分を酸化するものであり、特に硫黄成分が硫黄（Ｓ）であるときの反応は、以下の反応式（式４）で示される。
ここで、硫黄酸化細菌は、好気的な環境下で硫黄成分を酸化するものであり、特に硫黄成分が硫黄（Ｓ）であるときの反応は、以下の反応式（式４）で示される。
【数4】
【0055】
式４に示すように、酸素と水の存在下で、硫黄酸化細菌により、硫黄（Ｓ）が酸化されて、硫酸イオン（ＳＯ４
２－）が生成する。
したがって、図１に示すように、表面に硫黄が堆積した電極３３ａを反応部３から取り出し、硫黄処理槽４０に浸漬することで、硫黄酸化細菌によって電極３３ａ表面上の硫黄が硫酸イオンとなり、硫黄除去を行うことができる。
そして、表面に堆積した硫黄が除去された電極３３ａを硫黄処理槽４０から取り出して、反応部３に戻すことで、反応部３における電極反応効率の低下を抑制することが可能となる。
このとき、硫黄処理槽４０から電極３３ａを取り出すタイミングについては特に限定されず、例えば、処理時間や電極表面の変化に基づくものとすることができる。より具体的には、電極３３ａを硫黄処理槽４０に一定時間浸漬させた後、取り出すものとしてもよく、硫黄処理槽４０に浸漬した電極３３ａの表面変化について目視や測定機器により観察・観測を行い、硫黄除去処理の進行程度を確認して取り出すものとしてもよい。
したがって、図１に示すように、表面に硫黄が堆積した電極３３ａを反応部３から取り出し、硫黄処理槽４０に浸漬することで、硫黄酸化細菌によって電極３３ａ表面上の硫黄が硫酸イオンとなり、硫黄除去を行うことができる。
そして、表面に堆積した硫黄が除去された電極３３ａを硫黄処理槽４０から取り出して、反応部３に戻すことで、反応部３における電極反応効率の低下を抑制することが可能となる。
このとき、硫黄処理槽４０から電極３３ａを取り出すタイミングについては特に限定されず、例えば、処理時間や電極表面の変化に基づくものとすることができる。より具体的には、電極３３ａを硫黄処理槽４０に一定時間浸漬させた後、取り出すものとしてもよく、硫黄処理槽４０に浸漬した電極３３ａの表面変化について目視や測定機器により観察・観測を行い、硫黄除去処理の進行程度を確認して取り出すものとしてもよい。
【0056】
本実施態様における硫黄処理槽４０に用いられる硫黄酸化細菌は、入手経路や入手手段については特に限定されない。例えば、硫黄酸化細菌としては、処理装置１Ａとは別の箇所で培養された培養株、培養液を用いるものとしてもよく、処理槽２における嫌気処理のように、処理装置１Ａや別の処理装置における被処理物の生物処理によって発生する汚泥やグラニュールなどから馴養するものとしてもよい。なお、本実施態様における硫黄酸化細菌としては、処理装置１Ａで発生する汚泥やグラニュールなどから馴養したものを用いることが好ましい。これにより、硫黄酸化細菌の入手に係るコストを削減することが可能となる。
【0057】
本実施態様における硫黄処理槽４０には、硫黄酸化細菌の活性化あるいは維持・増殖のための手段を設けるものとすることが好ましい。例えば、硫黄酸化細菌の活性化に係る手段としては、硫黄処理槽４０内に空気（酸素）を供給する曝気装置や、硫黄処理槽４０の温度を調整する温度調整装置のほか、硫黄酸化細菌の栄養源を供給する供給機構を設けることなどが挙げられる。なお、硫黄酸化細菌の栄養源を供給する供給機構としては、栄養塩を添加することのほか、被処理水Ｗのような排水を供給することなどが挙げられる。また、硫黄酸化細菌の維持・増殖に係る手段としては、硫黄処理槽４０内に硫黄酸化細菌を担持させる担体を設けることなどが挙げられる。
硫黄処理槽４０に対し、上述した手段のうち、いずれか１つを設けることが好ましく、複数の手段を組み合わせて設けることがより好ましい。これにより、硫黄除去手段４としての処理効率を高めることが可能となる。
硫黄処理槽４０に対し、上述した手段のうち、いずれか１つを設けることが好ましく、複数の手段を組み合わせて設けることがより好ましい。これにより、硫黄除去手段４としての処理効率を高めることが可能となる。
【0058】
本実施態様における硫黄除去手段４である硫黄処理槽４０は、図１に示すように、反応部３から独立して設けるものとすることに限定されない。例えば、本実施態様における硫黄除去手段４（硫黄処理槽４０）は、反応部３と接続させるものとしてもよい。
【0059】
図２は、本実施態様における硫黄除去手段４（硫黄処理槽４０）の別態様を示すものである。なお、図２は、処理装置１Ａにおける反応部３及び硫黄除去手段４周辺の拡大図であり、処理槽２については図示を省略している。
図２に示すように、硫黄除去手段４の別態様としては、バルブＢ１、Ｂ２を備えた配管Ｌ６、Ｌ７を介し、反応部３（図２では、第１のセル３１ａ）と硫黄処理槽４０とを接続させるものが挙げられる。
ここで、バルブＢ１、Ｂ２を備えた配管Ｌ６、Ｌ７は、硫黄処理槽４０内の硫黄酸化細菌を含む水溶液を反応部３に供給、循環させるためのものである。なお、硫黄処理槽４０からの水溶液の供給、循環に際し、ポンプなどの動力（不図示）を用いるものとしてもよい。また、バルブＢ１、Ｂ２以外の手段により、反応部３への水溶液の供給・停止を制御するものとしてもよい。
図２に示すように、硫黄除去手段４の別態様としては、バルブＢ１、Ｂ２を備えた配管Ｌ６、Ｌ７を介し、反応部３（図２では、第１のセル３１ａ）と硫黄処理槽４０とを接続させるものが挙げられる。
ここで、バルブＢ１、Ｂ２を備えた配管Ｌ６、Ｌ７は、硫黄処理槽４０内の硫黄酸化細菌を含む水溶液を反応部３に供給、循環させるためのものである。なお、硫黄処理槽４０からの水溶液の供給、循環に際し、ポンプなどの動力（不図示）を用いるものとしてもよい。また、バルブＢ１、Ｂ２以外の手段により、反応部３への水溶液の供給・停止を制御するものとしてもよい。
【0060】
図２における硫黄除去手段４による硫黄除去について具体的に説明する。
処理装置１Ａにおいて、第１のセル３１ａ側をアノードとし、反応部３の電極反応が安定した出力で進行している間は、配管Ｌ６、Ｌ７上のバルブＢ１、Ｂ２は閉じた状態とする。
処理装置１Ａにおける処理が継続され、反応部３の電極表面に硫黄が堆積し、電極反応効率（出力）が低下あるいは低下傾向となった場合、反応部３の第１のセル３１ａへの処理水Ｗ１の供給を停止し、第１のセル３１ａ内の処理水Ｗ１を排出する。なお、処理水Ｗ１の供給・排出については、接続配管Ｌ２及び排出配管Ｌ３上にバルブを設けることや、処理水導入口３２ａ及び処理水排出口３２ｂに開閉機構を設けることなどにより実行される。
第１のセル３１ａ内から処理水Ｗ１が排出された後、バルブＢ１を開放し、第１のセル３１ａ内に硫黄処理槽４０から硫黄酸化細菌を含む水溶液を供給する。これにより、電極３３ａ表面に堆積した硫黄が除去される。
硫黄除去処理の完了後、バルブＢ２を開き、硫黄酸化細菌を含む水溶液を硫黄処理槽４０に戻すことで、硫黄酸化細菌を繰り返し利用することが可能となる。
なお、第１のセル３１ａ内から処理水Ｗ１を排出後、バルブＢ１及びＢ２を開き、硫黄処理槽４０、配管Ｌ６、第１のセル３１ａ、配管Ｌ７の順に硫黄酸化細菌を含む水溶液を循環させるようにしてもよい。これにより、反応部３から電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことが可能となる。
処理装置１Ａにおいて、第１のセル３１ａ側をアノードとし、反応部３の電極反応が安定した出力で進行している間は、配管Ｌ６、Ｌ７上のバルブＢ１、Ｂ２は閉じた状態とする。
処理装置１Ａにおける処理が継続され、反応部３の電極表面に硫黄が堆積し、電極反応効率（出力）が低下あるいは低下傾向となった場合、反応部３の第１のセル３１ａへの処理水Ｗ１の供給を停止し、第１のセル３１ａ内の処理水Ｗ１を排出する。なお、処理水Ｗ１の供給・排出については、接続配管Ｌ２及び排出配管Ｌ３上にバルブを設けることや、処理水導入口３２ａ及び処理水排出口３２ｂに開閉機構を設けることなどにより実行される。
第１のセル３１ａ内から処理水Ｗ１が排出された後、バルブＢ１を開放し、第１のセル３１ａ内に硫黄処理槽４０から硫黄酸化細菌を含む水溶液を供給する。これにより、電極３３ａ表面に堆積した硫黄が除去される。
硫黄除去処理の完了後、バルブＢ２を開き、硫黄酸化細菌を含む水溶液を硫黄処理槽４０に戻すことで、硫黄酸化細菌を繰り返し利用することが可能となる。
なお、第１のセル３１ａ内から処理水Ｗ１を排出後、バルブＢ１及びＢ２を開き、硫黄処理槽４０、配管Ｌ６、第１のセル３１ａ、配管Ｌ７の順に硫黄酸化細菌を含む水溶液を循環させるようにしてもよい。これにより、反応部３から電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことが可能となる。
【0061】
図２には、硫黄処理槽４０と第１のセル３１ａを接続するものについて示しているが、これに限定されるものではなく、硫黄処理槽４０と第２のセル３１ｂを接続するものとしてもよい。例えば、後述する電極入替手段４８により、反応部３において表面に硫黄が堆積した電極が第２のセル３１ｂにある場合においても、硫黄酸化細菌による硫黄除去処理が可能となる。
【0062】
本実施態様における硫黄除去手段４として、硫黄酸化細菌を含む水溶液が入った硫黄処理槽４０を用いた場合、電極表面から除去された硫黄は、硫酸イオンとなって硫黄処理槽４０内の水溶液中に存在することになる。
【0063】
［硫黄含有物質生成装置］
硫黄除去手段４により除去された硫黄成分については、系外に排出するものとしてもよいが、活用可能な形態とすることが好ましい。
このため、本実施態様の硫黄除去手段４に対し、除去した硫黄成分を活用可能な形態とする手段を設けることが好ましい。より具体的には、硫黄除去手段４に対し、除去された硫黄成分を回収する硫黄回収手段と、硫黄回収手段で回収した硫黄成分を有益な硫黄含有物質として精製する精製手段とを備える硫黄含有物質生成装置を設けることが挙げられる。なお、本実施態様において、硫黄回収手段及び精製手段は、硫黄含有物質生成装置として、処理装置１Ａから独立して設けるものを示しているが、処理装置１Ａの一部として設けるものとしてもよい。
硫黄除去手段４により除去された硫黄成分については、系外に排出するものとしてもよいが、活用可能な形態とすることが好ましい。
このため、本実施態様の硫黄除去手段４に対し、除去した硫黄成分を活用可能な形態とする手段を設けることが好ましい。より具体的には、硫黄除去手段４に対し、除去された硫黄成分を回収する硫黄回収手段と、硫黄回収手段で回収した硫黄成分を有益な硫黄含有物質として精製する精製手段とを備える硫黄含有物質生成装置を設けることが挙げられる。なお、本実施態様において、硫黄回収手段及び精製手段は、硫黄含有物質生成装置として、処理装置１Ａから独立して設けるものを示しているが、処理装置１Ａの一部として設けるものとしてもよい。
【0064】
図３は、本実施態様における硫黄含有物質生成装置を示す概略説明図である。なお、図３は、処理装置１Ａにおける硫黄除去手段４及び硫黄含有物質生成装置５に係る拡大図であり、処理槽２及び反応部３については図示を省略している。
図３に示すように、本実施態様における硫黄含有物質生成装置５は、硫黄回収手段５０と、精製手段５１とを備え、硫黄除去手段４と接続されている。
図３に示すように、本実施態様における硫黄含有物質生成装置５は、硫黄回収手段５０と、精製手段５１とを備え、硫黄除去手段４と接続されている。
【0065】
硫黄回収手段５０は、硫黄除去手段４で除去された硫黄成分を回収するためのものである。また、硫黄回収手段５０としては、硫黄成分を回収することができるものであればよく、具体的な構造については特に限定されない。
硫黄回収手段５０としては、例えば、図３Ａに示すように、硫黄処理槽４０と接続する配管Ｌ８と、硫黄処理槽４０内の水溶液が配管Ｌ８を介して導入される回収槽５０ａを備えるものが挙げられる。これにより、硫黄処理槽４０内の硫酸イオンを含有する水溶液を硫黄成分として回収することが可能となる。
また、硫黄回収手段５０の別の例としては、例えば、図３Ｂに示すように、硫黄処理槽４０に対し、硫酸イオンと反応して塩を形成する物質を添加する添加手段５０ｂと、硫黄処理槽４０内で沈殿した硫酸塩を回収する回収機構５０ｃとして、硫黄処理槽４０底部に配管Ｌ９を設けることが挙げられる。これにより、硫黄処理槽４０内の水溶液から硫酸塩の形態で硫黄成分を分離し、回収することが可能となる。なお、回収機構５０ｃとしては、配管Ｌ９以外に、硫黄処理槽４０の底部に沈殿した硫酸塩を効率的に収集するための構造を備えるものとしてもよい。より具体的には、硫黄処理槽４０底部で回転して硫酸塩を掻き集めるブレードを設けることや、硫黄処理槽４０底部に漏斗状構造を設けることなどが挙げられる。
ここで、添加手段５０ｂにより添加される物質は、硫酸イオンと反応し、安定した硫酸塩を形成する金属イオンを含むものが好ましい。このような物質としては、具体的には、石灰、炭酸カルシウム、水溶性の金属酸化物及び金属水酸化物のほか、焼却灰や金属イオンを含む排水（廃水）などが挙げられる。特に、石灰や炭酸カルシウムのように、金属イオンとしてカルシウムを含むものを用いることが好ましい。これにより、硫酸塩の中でも特に有益性の高い硫酸カルシウム（石膏）が形成される。
硫黄回収手段５０としては、例えば、図３Ａに示すように、硫黄処理槽４０と接続する配管Ｌ８と、硫黄処理槽４０内の水溶液が配管Ｌ８を介して導入される回収槽５０ａを備えるものが挙げられる。これにより、硫黄処理槽４０内の硫酸イオンを含有する水溶液を硫黄成分として回収することが可能となる。
また、硫黄回収手段５０の別の例としては、例えば、図３Ｂに示すように、硫黄処理槽４０に対し、硫酸イオンと反応して塩を形成する物質を添加する添加手段５０ｂと、硫黄処理槽４０内で沈殿した硫酸塩を回収する回収機構５０ｃとして、硫黄処理槽４０底部に配管Ｌ９を設けることが挙げられる。これにより、硫黄処理槽４０内の水溶液から硫酸塩の形態で硫黄成分を分離し、回収することが可能となる。なお、回収機構５０ｃとしては、配管Ｌ９以外に、硫黄処理槽４０の底部に沈殿した硫酸塩を効率的に収集するための構造を備えるものとしてもよい。より具体的には、硫黄処理槽４０底部で回転して硫酸塩を掻き集めるブレードを設けることや、硫黄処理槽４０底部に漏斗状構造を設けることなどが挙げられる。
ここで、添加手段５０ｂにより添加される物質は、硫酸イオンと反応し、安定した硫酸塩を形成する金属イオンを含むものが好ましい。このような物質としては、具体的には、石灰、炭酸カルシウム、水溶性の金属酸化物及び金属水酸化物のほか、焼却灰や金属イオンを含む排水（廃水）などが挙げられる。特に、石灰や炭酸カルシウムのように、金属イオンとしてカルシウムを含むものを用いることが好ましい。これにより、硫酸塩の中でも特に有益性の高い硫酸カルシウム（石膏）が形成される。
【0066】
精製手段５１は、硫黄回収手段５０により回収された硫黄成分を、有益な硫黄含有物質として精製するためのものである。
精製手段５１としては、回収された硫黄成分を有益な硫黄含有物質として精製することができるものであればよく、硫黄回収手段５０により回収される硫黄成分の種類や形態、あるいは所望する硫黄含有物質の種類や形態に応じ、公知の精製技術を用いることができる。
例えば、硫黄回収手段５０により回収された硫黄成分が、硫黄処理槽４０内の硫酸イオンを含む水溶液であった場合、精製手段５１としては、図３Ａに示すように、硫黄酸化細菌や担体などの固体分を除去するための濾過装置５１ａを設けることが挙げられる。これにより、精製手段５１を介した後、より純度の高い硫酸イオンの水溶液、すなわち硫酸を硫黄含有物質として得ることが可能となる。このとき、精製手段５１（濾過装置５１ａ）を設ける箇所については特に限定されないが、図３Ａに示すように、配管Ｌ８上に濾過装置５１ａを設けることにより、回収槽５０ａ内に精製処理済みの硫黄含有物質を貯留することが可能となり、回収槽５０ａを硫酸の供給源としても機能させることができる。
また、硫黄回収手段５０により回収された硫黄成分が、硫酸塩のような固体成分であった場合、精製手段５１としては、図３Ｂに示すように、配管Ｌ９と接続し、固体成分の分別（分級や再結晶等を含む）、洗浄、乾燥に係る操作を行う精製操作用装置５１ｂを設けることが挙げられる。これにより、精製手段５１を介した後、より純度の高い硫酸塩を硫黄含有物質として得ることが可能となる。
精製手段５１としては、回収された硫黄成分を有益な硫黄含有物質として精製することができるものであればよく、硫黄回収手段５０により回収される硫黄成分の種類や形態、あるいは所望する硫黄含有物質の種類や形態に応じ、公知の精製技術を用いることができる。
例えば、硫黄回収手段５０により回収された硫黄成分が、硫黄処理槽４０内の硫酸イオンを含む水溶液であった場合、精製手段５１としては、図３Ａに示すように、硫黄酸化細菌や担体などの固体分を除去するための濾過装置５１ａを設けることが挙げられる。これにより、精製手段５１を介した後、より純度の高い硫酸イオンの水溶液、すなわち硫酸を硫黄含有物質として得ることが可能となる。このとき、精製手段５１（濾過装置５１ａ）を設ける箇所については特に限定されないが、図３Ａに示すように、配管Ｌ８上に濾過装置５１ａを設けることにより、回収槽５０ａ内に精製処理済みの硫黄含有物質を貯留することが可能となり、回収槽５０ａを硫酸の供給源としても機能させることができる。
また、硫黄回収手段５０により回収された硫黄成分が、硫酸塩のような固体成分であった場合、精製手段５１としては、図３Ｂに示すように、配管Ｌ９と接続し、固体成分の分別（分級や再結晶等を含む）、洗浄、乾燥に係る操作を行う精製操作用装置５１ｂを設けることが挙げられる。これにより、精製手段５１を介した後、より純度の高い硫酸塩を硫黄含有物質として得ることが可能となる。
【0067】
上述したように、本実施態様における処理装置１Ａは、被処理水Ｗ中の還元性物質を電子供与体として用い、電気化学反応（電極反応）により発電を行い、エネルギーを回収・利用するものである。一般に、電気化学反応を行う場合、実際に電気化学反応を行う箇所（反応部３）以外へ電子が移動することで、電気化学反応の効率が低下するという問題が生じる。したがって、本実施態様における処理装置１Ａは電気化学反応を行う箇所（反応部３）以外を絶縁処理することが好ましい。絶縁処理の具体例としては、例えば、処理槽２を絶縁体の上部に設置することのほか、処理槽２の外壁あるいは内壁を絶縁体で構成することや、処理槽２の外壁あるいは内壁を絶縁材料でコーティングすることなどが挙げられる。また、導入配管Ｌ１、接続配管Ｌ２及び排出配管Ｌ３の絶縁処理としては、例えば、それぞれの配管を絶縁体からなるものとすることや、それぞれの配管に絶縁材料をコーティングすること等が挙げられる。
【0068】
以上のように、本実施態様の処理装置１Ａ及び処理装置１Ａを用いた処理方法により、被処理物の嫌気処理における一連の処理過程の中で電極反応を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、脱硫処理のための設備を別途設けることなく、効率的な脱硫処理を実施することが可能となる。さらに、電極反応により電極表面に生じた硫黄を除去する手段を設けることにより、電極反応の効率が低下することを抑制し、発電及び脱硫処理の効率向上が可能となる。
【0069】
また、本実施態様の硫黄含有物質生成装置により、処理装置１Ａにおいて電極表面から除去した硫黄成分の回収及び精製を行うことで、電極表面に堆積した硫黄成分の後処理とともに、有益な硫黄含有物質（硫酸や硫酸塩など）を得ることが可能となる。この硫黄含有物質は処理装置１Ａ内外で活用することが可能であり、本実施態様の硫黄含有物質生成装置は硫黄含有物質の供給源としても利用することができる。
【0070】
〔第２の実施態様〕
図４は、本発明の第２の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第２の実施態様に係る処理装置１Ｂは、第１の実施態様における処理装置１Ａにおける硫黄処理槽４０に代えて、硫黄除去手段４として、反応部３に対する処理水Ｗ１の流路を切り替える流路切替部４１を備えるものである。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
図４は、本発明の第２の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第２の実施態様に係る処理装置１Ｂは、第１の実施態様における処理装置１Ａにおける硫黄処理槽４０に代えて、硫黄除去手段４として、反応部３に対する処理水Ｗ１の流路を切り替える流路切替部４１を備えるものである。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
【0071】
本実施態様の処理装置１Ｂは、硫黄除去手段４として、流路切替部４１を設けることで、処理水Ｗ１の供給先となる反応部３のセルを変更することができ、反応部３における電極３３ａと電極３３ｂについて、アノードとカソードを逆にすることが可能となる。これにより、表面に硫黄が堆積したアノード側の電極（電極３３ａ）について、式１及び式２に基づき硫黄が生成する電極反応ではなく、硫黄を酸化あるいは還元する反応に供することが可能となる。これにより、電極表面に堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。
【0072】
図４に基づき、本実施態様の硫黄除去手段４における流路切替部４１の一例について説明する。
図４に示すように、流路切替部４１としては、配管Ｌ１０、Ｌ１１と、配管Ｌ１０、Ｌ１１上に設けられた流路切替機構４１ａ、４１ｂからなるものが挙げられる。
図４に示すように、流路切替部４１としては、配管Ｌ１０、Ｌ１１と、配管Ｌ１０、Ｌ１１上に設けられた流路切替機構４１ａ、４１ｂからなるものが挙げられる。
【0073】
配管Ｌ１０は、処理槽２からの処理水Ｗ１を反応部３に供給し、第１のセル３１ａに接続された分岐管Ｌ１０ａ及び第２のセル３１ｂに接続された分岐管Ｌ１０ｂからなる。また、配管Ｌ１０上には、流路切替機構４１ａを備えている。なお、流路切替機構４１ａは、配管Ｌ１０内を流れる処理水Ｗ１の流路を分岐管Ｌ１０ａあるいは分岐管Ｌ１０ｂに切り替えることができることができるものであればよく、分岐管ごとにバルブを設けることや、分岐管Ｌ１０ａと分岐管Ｌ１０ｂの交点に分流型三方弁と呼ばれるものを設けることなどが挙げられる。
【0074】
配管Ｌ１１は、反応部３で反応した処理水Ｗ２をセル外へ排出するものであり、第１のセル３１ａに接続された分岐管Ｌ１１ａ及び第２のセル３１ｂに接続された分岐管Ｌ１１ｂからなる。ここで、配管Ｌ１１は、処理水Ｗ２を系外に排出するものであってもよく、図４に示すように、処理水Ｗ２を処理槽２に返送し、循環させるものとしてもよい。また、配管Ｌ１１上には、流路切替機構４１ｂを備えている。なお、流路切替機構４１ｂは、セルから排出される処理水Ｗ２の流路を分岐管Ｌ１１ａあるいは分岐管Ｌ１１ｂに切り替えることができることができるものであればよく、分岐管ごとにバルブを設けることや、分岐管Ｌ１１ａと分岐管Ｌ１１ｂの交点に分流型三方弁と呼ばれるものを設けることなどが挙げられる。
【0075】
本実施態様における流路切替部４１を用いて硫黄除去を行う場合、反応部３における第１のセル３１ａには、電子受容体供給口３４ｃ及び電子受容体排出口３４ｄと、それぞれに接続する配管Ｌ１２、Ｌ１３を設ける一方、第２のセル３１ｂには、処理水導入口３２ｃ及び処理水排出口３２ｄを設けることが好ましい。そして、配管Ｌ１０の分岐管Ｌ１０ａを処理水導入口３２ａ、分岐管Ｌ１０ｂを処理水導入口３２ｃに接続し、配管Ｌ１１の分岐管Ｌ１１ａを処理水排出口３２ｂ、分岐管Ｌ１１ｂを処理水排出口３２ｄに接続する。これにより、流路切替部４１による処理水Ｗ１の流路の切り替えを容易とするとともに、反応部３におけるアノードとカソードの切り替えをスムーズに行うことが可能となる。
【0076】
本実施態様における硫黄除去手段４として流路切替部４１を用いた場合の硫黄除去に係る工程について具体的に説明する。
処理装置１Ｂにおいて、第１のセル３１ａ側をアノードとし、反応部３の電極反応が安定した出力で進行している間は、配管Ｌ１０、Ｌ１１上の流路切替機構４１ａ、４１ｂにより、分岐管Ｌ１０ａ及び分岐管Ｌ１１ａを介し、第１のセル３１ａ側への処理水Ｗ１の流路を形成する。
処理装置１Ｂにおける処理が継続され、反応部３の電極表面に硫黄が堆積し、電極反応効率（出力）が低下あるいは低下傾向となった場合、流路切替機構４１ａにより、配管Ｌ１０内の処理水Ｗ１の流路を分岐管Ｌ１０ａから分岐管Ｌ１０ｂに切り替え、反応部３の第１のセル３１ａへの処理水Ｗ１の供給を停止して、第２のセル３１ｂへ処理水Ｗ１を供給する。このとき、流路切替機構４１ｂは第１のセル３１ａ内の処理水Ｗ１を排出し、第２のセル３１ｂが処理水Ｗ１で満たされた後、流路を分岐管Ｌ１１ａから分岐管Ｌ１１ｂに切り替える。これにより、分岐管Ｌ１０ｂ及び分岐管Ｌ１１ｂを介し、第２のセル３１ｂ側への処理水Ｗ１の流路が形成される。
そして、第１のセル３１ａに、電子受容体供給口３４ｃ及び電子受容体排出口３４ｄを介して電子受容体の供給・排出を行う。これにより、アノードとカソードが逆になった状態で電極反応が進行する。
このとき、表面に硫黄が堆積した電極３３ａでは、式３に基づくカソードとしての電極反応とともに、以下の反応式（式５）に基づく電極反応が進行する。
処理装置１Ｂにおいて、第１のセル３１ａ側をアノードとし、反応部３の電極反応が安定した出力で進行している間は、配管Ｌ１０、Ｌ１１上の流路切替機構４１ａ、４１ｂにより、分岐管Ｌ１０ａ及び分岐管Ｌ１１ａを介し、第１のセル３１ａ側への処理水Ｗ１の流路を形成する。
処理装置１Ｂにおける処理が継続され、反応部３の電極表面に硫黄が堆積し、電極反応効率（出力）が低下あるいは低下傾向となった場合、流路切替機構４１ａにより、配管Ｌ１０内の処理水Ｗ１の流路を分岐管Ｌ１０ａから分岐管Ｌ１０ｂに切り替え、反応部３の第１のセル３１ａへの処理水Ｗ１の供給を停止して、第２のセル３１ｂへ処理水Ｗ１を供給する。このとき、流路切替機構４１ｂは第１のセル３１ａ内の処理水Ｗ１を排出し、第２のセル３１ｂが処理水Ｗ１で満たされた後、流路を分岐管Ｌ１１ａから分岐管Ｌ１１ｂに切り替える。これにより、分岐管Ｌ１０ｂ及び分岐管Ｌ１１ｂを介し、第２のセル３１ｂ側への処理水Ｗ１の流路が形成される。
そして、第１のセル３１ａに、電子受容体供給口３４ｃ及び電子受容体排出口３４ｄを介して電子受容体の供給・排出を行う。これにより、アノードとカソードが逆になった状態で電極反応が進行する。
このとき、表面に硫黄が堆積した電極３３ａでは、式３に基づくカソードとしての電極反応とともに、以下の反応式（式５）に基づく電極反応が進行する。
【数5】
【0077】
式５に示すように、電極３３ａ表面に堆積した硫黄（Ｓ）が還元され、硫黄イオン（Ｓ２－）として電極３３ａ表面から除去される。
また、電子受容体として酸素を含むものを用いた場合、電極３３ａでは、以下の反応式（式６）に基づく反応も進行する。
また、電子受容体として酸素を含むものを用いた場合、電極３３ａでは、以下の反応式（式６）に基づく反応も進行する。
【数6】
【0078】
式６に示すように、電極３３ａ表面に堆積した硫黄（Ｓ）が酸素により酸化され、二酸化硫黄（ＳＯ２）としてガス化して電極３３ａ表面から除去される。
以上の工程により、本実施態様における硫黄除去手段４である流路切替部４１を用いることで、式５及び式６に基づく反応が進行し、電極３３ａ表面に堆積した硫黄が除去される。
硫黄除去処理の完了後、流路切替部４１により、処理水Ｗ１の流路を第１のセル３１ａ側に戻すことで、再び反応部３におけるアノードとカソードを入れ替える。これにより、反応部３から電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことができるとともに、反応部３における処理を連続して行うことが可能となる。
以上の工程により、本実施態様における硫黄除去手段４である流路切替部４１を用いることで、式５及び式６に基づく反応が進行し、電極３３ａ表面に堆積した硫黄が除去される。
硫黄除去処理の完了後、流路切替部４１により、処理水Ｗ１の流路を第１のセル３１ａ側に戻すことで、再び反応部３におけるアノードとカソードを入れ替える。これにより、反応部３から電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことができるとともに、反応部３における処理を連続して行うことが可能となる。
【0079】
また、上述した硫黄除去工程の実行に際し、流路切替部４１による流路の切り替えは作業者が手動で行うものとしてもよく、プログラム等に基づく自動制御を行うものとしてもよい。作業の効率化等を鑑み、本実施態様における流路切替部４１には、反応部３に対する処理水Ｗ１の供給・停止を制御する制御部４２を備えることが好ましい。
本実施態様における制御部４２は、流路切替機構４１ａ及び４１ｂの開閉動作に係る制御を行うものである。また、制御部４２は、反応部３における電極反応の反応効率（出力）に係るデータ取得を行うデータ取得部と、データ取得部で取得した出力データに基づき硫黄除去工程の実行タイミングを演算する演算部を備えることがより好ましい。これにより、硫黄除去に係る流路切替部４１の制御（流路切替機構４１ａ及び４１ｂの開閉動作）を、より精度高く、好適なタイミングで実行することが可能となる。
本実施態様における制御部４２は、流路切替機構４１ａ及び４１ｂの開閉動作に係る制御を行うものである。また、制御部４２は、反応部３における電極反応の反応効率（出力）に係るデータ取得を行うデータ取得部と、データ取得部で取得した出力データに基づき硫黄除去工程の実行タイミングを演算する演算部を備えることがより好ましい。これにより、硫黄除去に係る流路切替部４１の制御（流路切替機構４１ａ及び４１ｂの開閉動作）を、より精度高く、好適なタイミングで実行することが可能となる。
【0080】
また、本実施態様の硫黄除去手段４（流路切替部４１）により電極表面から除去された硫黄成分（硫化物イオン、二酸化硫黄等）については、上述した硫黄回収手段５０及び精製手段５１を備える硫黄含有物質生成装置５により、有益な硫黄含有物質として活用させることができる。
本実施態様の硫黄除去手段４（流路切替部４１）では、電子受容体が供給されているときの第１のセル３１ａあるいは第２のセル３１ｂ内に、電極表面から除去された硫黄成分が存在することになる。
したがって、本実施態様の処理装置１Ｂに対して設けられる硫黄回収手段５０の一例としては、電子受容体排出口３４ｂ及び配管Ｌ４、あるいは電子受容体排出口３４ｄ及び配管Ｌ１３を介して硫黄成分を回収槽５０ａに回収することが挙げられる。
このとき、精製手段５１として触媒を用い、回収槽５０ａ内で、回収した硫黄成分である二酸化硫黄（ＳＯ２）を硫酸にする反応を進行させることが挙げられる。また、精製手段５１の別の例としては、回収槽５０ａ内で硫黄成分を固液分離することが挙げられる。このとき、液面に浮遊した硫黄成分を回収するものとしてもよく、槽内に沈降した硫黄成分を回収するものとしてもよい。
また、本実施態様の処理装置１Ｂに対して設けられる硫黄回収手段５０の他の例としては、添加手段５０ｂとして、電子受容体供給口３４ａ及び配管Ｌ５、あるいは電子受容体供給口３４ｃ及び配管Ｌ１２を介して、硫化物イオンや二酸化硫黄などの硫黄成分と反応して塩を形成する物質を供給することが挙げられる。このような物質としては、具体的には、石灰、炭酸カルシウム、水溶性の金属酸化物及び金属水酸化物のほか、焼却灰や金属イオンを含む排水（廃水）などが挙げられる。特に、石灰や炭酸カルシウムのように、金属イオンとしてカルシウムを含むものを用いることが好ましい。これにより、二酸化硫黄との反応により、還元剤として有益性の高い亜硫酸カルシウムなどが形成される。
本実施態様の硫黄除去手段４（流路切替部４１）では、電子受容体が供給されているときの第１のセル３１ａあるいは第２のセル３１ｂ内に、電極表面から除去された硫黄成分が存在することになる。
したがって、本実施態様の処理装置１Ｂに対して設けられる硫黄回収手段５０の一例としては、電子受容体排出口３４ｂ及び配管Ｌ４、あるいは電子受容体排出口３４ｄ及び配管Ｌ１３を介して硫黄成分を回収槽５０ａに回収することが挙げられる。
このとき、精製手段５１として触媒を用い、回収槽５０ａ内で、回収した硫黄成分である二酸化硫黄（ＳＯ２）を硫酸にする反応を進行させることが挙げられる。また、精製手段５１の別の例としては、回収槽５０ａ内で硫黄成分を固液分離することが挙げられる。このとき、液面に浮遊した硫黄成分を回収するものとしてもよく、槽内に沈降した硫黄成分を回収するものとしてもよい。
また、本実施態様の処理装置１Ｂに対して設けられる硫黄回収手段５０の他の例としては、添加手段５０ｂとして、電子受容体供給口３４ａ及び配管Ｌ５、あるいは電子受容体供給口３４ｃ及び配管Ｌ１２を介して、硫化物イオンや二酸化硫黄などの硫黄成分と反応して塩を形成する物質を供給することが挙げられる。このような物質としては、具体的には、石灰、炭酸カルシウム、水溶性の金属酸化物及び金属水酸化物のほか、焼却灰や金属イオンを含む排水（廃水）などが挙げられる。特に、石灰や炭酸カルシウムのように、金属イオンとしてカルシウムを含むものを用いることが好ましい。これにより、二酸化硫黄との反応により、還元剤として有益性の高い亜硫酸カルシウムなどが形成される。
【0081】
以上のように、本実施態様における処理装置１Ｂ及び処理装置１Ｂを用いた処理方法は、反応部３に供給する処理水の流路を切り替えることで、反応部におけるアノードとカソードを入れ替えることができる。このとき、反応部３における電極反応は進行させたまま、表面に硫黄成分が堆積した電極に対し、硫黄成分を除去する反応も同時に進行させることが可能となる。これにより、反応部３から電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことができるとともに、反応部３における処理を連続して行うことが可能となる。
【0082】
〔第３の実施態様〕
図５は、本発明の第３の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第３の実施態様に係る処理装置１Ｃは、処理槽２、反応部３、硫黄除去手段４を備える処理装置であって、図５に示すように、複数の反応部３Ａ，３Ｂを設け、硫黄除去手段４として、それぞれの反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃに供給する処理水Ｗ１の流路を切り替える流路切替部４３と、流路切替部４３と連動して、それぞれの反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃに供給する電子受容体の流路を切り替える流路切替部４４と、それぞれの反応部３Ａ、３Ｂの第２のセル３１ｂ、３１ｄにおける電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂ間を接続し、電子受容体を循環させる循環流路４５を備えるものである。なお、反応部３Ａ、３Ｂの構造は、第１の実施態様における反応部３と同じであり、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
図５は、本発明の第３の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第３の実施態様に係る処理装置１Ｃは、処理槽２、反応部３、硫黄除去手段４を備える処理装置であって、図５に示すように、複数の反応部３Ａ，３Ｂを設け、硫黄除去手段４として、それぞれの反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃに供給する処理水Ｗ１の流路を切り替える流路切替部４３と、流路切替部４３と連動して、それぞれの反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃに供給する電子受容体の流路を切り替える流路切替部４４と、それぞれの反応部３Ａ、３Ｂの第２のセル３１ｂ、３１ｄにおける電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂ間を接続し、電子受容体を循環させる循環流路４５を備えるものである。なお、反応部３Ａ、３Ｂの構造は、第１の実施態様における反応部３と同じであり、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
【0083】
本実施態様の処理装置１Ｃは、複数の反応部３Ａ、３Ｂを設け、反応部３Ａ、３Ｂにおける第１のセル３１ａ、３１ｃに供給する処理水Ｗ１と電子受容体の流路を切り替えるとともに、それぞれの反応部３Ａ、３Ｂにおける第２のセル３１ｂ、３１ｄに供給する電子受容体を循環させることで、電極反応を進行させる反応部（図５では反応部３Ａ）と、電極に堆積した硫黄成分を除去する反応部（図５では反応部３Ｂ）とを並行して稼働させることができる。これにより、電極反応効率を低下させることなく、電極表面に堆積した硫黄成分の除去も効果的に行うことが可能となる。また、反応部３Ａ、３Ｂの第２のセル３１ｂ、３１ｄに供給される電子受容体について、循環させて利用することが可能となるため、電子受容体に係るコスト低減ができるという効果も奏する。
【0084】
図５に基づき、本実施態様の硫黄除去手段４における流路切替部４３、４４及び循環流路４５の一例について説明する。
図５に示すように、流路切替部４３としては、処理槽２からの処理水Ｗ１を反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃに供給するための配管Ｌ１４と、配管Ｌ１４上に設けられた流路切替機構４３ａからなるものが挙げられる。
また、流路切替部４４としては、電子受容体供給槽４４ｂ内の電子受容体を反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃに供給するための配管Ｌ１５と、配管Ｌ１５上に設けられた流路切替機構４４ａからなるものが挙げられる。なお、電子受容体供給槽４４ｂ内に収容される電子受容体は特に限定されないが、調製の容易性や、入手に係るコスト面などから、空気を曝気した水を用いることが挙げられる。
なお、流路切替機構４３ａ、４４ａとしては、図５に示すように、分流型三方弁を用いるほか、各配管にバルブを設けるものとしてもよい。
図５に示すように、流路切替部４３としては、処理槽２からの処理水Ｗ１を反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃに供給するための配管Ｌ１４と、配管Ｌ１４上に設けられた流路切替機構４３ａからなるものが挙げられる。
また、流路切替部４４としては、電子受容体供給槽４４ｂ内の電子受容体を反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃに供給するための配管Ｌ１５と、配管Ｌ１５上に設けられた流路切替機構４４ａからなるものが挙げられる。なお、電子受容体供給槽４４ｂ内に収容される電子受容体は特に限定されないが、調製の容易性や、入手に係るコスト面などから、空気を曝気した水を用いることが挙げられる。
なお、流路切替機構４３ａ、４４ａとしては、図５に示すように、分流型三方弁を用いるほか、各配管にバルブを設けるものとしてもよい。
【0085】
循環流路４５としては、反応部３Ａ、３Ｂの第２のセル３１ｂ、３１ｄにおける電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂ間を接続して、第２のセル３１ｂ、３１ｄの間で電子受容体を循環させるためのものである。例えば、図５に示すように、反応部３Ａの第２のセル３１ｂに電子受容体を供給する配管Ｌ１６ａ、反応部３Ａの第２のセル３１ｂで反応した後の電子受容体を排出する配管Ｌ１６ｂ、反応部３Ｂの第２のセル３１ｄに反応部３Ａで反応した後の電子受容体を供給する配管Ｌ１６ｃ、反応部３Ｂの第２のセル３１ｄで反応した後の電子受容体を排出する配管Ｌ１６ｄを備え、配管Ｌ１６ｂと配管Ｌ１６ｃを接続し、配管Ｌ１６ｄと配管Ｌ１６ａを接続して、循環流路４５を形成する。
【0086】
なお、反応部３Ａ、３Ｂの第１のセル３１ａ、３１ｃで反応した処理水Ｗ２は、それぞれのセル３１ａ、３１ｃに設けられた処理水排出口及び配管Ｌ１７、Ｌ１８を介してセル外に排出される。ここで、配管Ｌ１７、Ｌ１８は、図５に示すように、処理水Ｗ２を系外に排出するものであってもよく、処理水Ｗ２を処理槽２に返送し、循環させるものとしてもよい。
なお、処理槽２における反応を阻害しないよう、処理槽２に返送する処理水Ｗ２としては、電子受容体供給槽４４ｂから電子受容体が供給されたものが含まれないようにすることが好ましい。
このため、処理水Ｗ２の流路を系外あるいは処理槽２へと切り替えるものとしてもよい。例えば、配管Ｌ１７、Ｌ１８上に流路切替機構を備えることや、それぞれの処理水排出口に接続する配管を２本とし、電子受容体供給槽４４ｂから供給された電子受容体を含む処理水Ｗ２を系外に排出する配管と、それ以外の処理水Ｗ２を処理槽２に返送する配管とを設けることなどが挙げられる。
なお、処理槽２における反応を阻害しないよう、処理槽２に返送する処理水Ｗ２としては、電子受容体供給槽４４ｂから電子受容体が供給されたものが含まれないようにすることが好ましい。
このため、処理水Ｗ２の流路を系外あるいは処理槽２へと切り替えるものとしてもよい。例えば、配管Ｌ１７、Ｌ１８上に流路切替機構を備えることや、それぞれの処理水排出口に接続する配管を２本とし、電子受容体供給槽４４ｂから供給された電子受容体を含む処理水Ｗ２を系外に排出する配管と、それ以外の処理水Ｗ２を処理槽２に返送する配管とを設けることなどが挙げられる。
【0087】
本実施態様における硫黄除去手段４として流路切替部４３、４４及び循環流路４５を用いた場合の硫黄除去に係る工程について具体的に説明する。
処理装置１Ｃにおいて、反応部３Ａの第１のセル３１ａ側をアノードとし、反応部３Ａの電極反応が安定した出力で進行している間は、配管Ｌ１４上の流路切替機構４３ａにより、第１のセル３１ａ側への処理水Ｗ１の流路を形成する。一方、流路切替部４４は、反応部３Ｂの第１のセル３１ｃに電子受容体供給槽４４ｂ内の電子受容体を供給する流路を形成する。また、このとき、反応部３Ａの第２のセル３１ｂには、配管Ｌ１６ａから電子受容体が供給され、反応後の電子受容体は配管Ｌ１６ｂ及び配管Ｌ１６ｃを介して、反応部３Ｂの第２のセル３１ｄ内に供給される。
このとき、反応部３Ａでは、電極３３ａをアノードとし、電極３３ｂをカソードとする電極反応が進行する。一方、反応部３Ｂでは、第２のセル３１ｄに対し、反応後の電子受容体、すなわち還元性の高い物質が供給され、第１のセル３１ｃには、電子受容体供給槽４４ｂ内の電子受容体が供給される。したがって、反応部３Ｂでは、電極３３ｃをカソードとし、電極３３ｄをアノードとする電極反応が進行することになる。
そして、処理装置１Ｃにおける処理が継続され、反応部３Ａの電極（電極３３ａ）表面に硫黄が堆積し、電極反応効率（出力）が低下あるいは低下傾向となった場合、流路切替機構４３ａにより、処理水Ｗ１の流路を反応部３Ａ側の第１のセル３１ａから反応部３Ｂ側の第１のセル３１ｃに切り替え、反応部３Ａの第１のセル３１ａへの処理水Ｗ１の供給を停止して、反応部３Ｂの第１のセル３１ｃへ処理水Ｗ１を供給する。このとき、流路切替機構４４ａも切り替えを行い、電子受容体供給槽４４ｂからの電子受容体が、反応部３Ａの第１のセル３１ａに供給されるようにする。このとき、第２のセル３１ｂには還元性の高い物質（反応後の電子受容体）が供給されるようにする。これにより、反応部３Ａでは、電極３３ａをカソード、電極３３ｂをアノードとする反応が進行し、式５及び式６に基づき、電極３３ａ表面に堆積した硫黄成分が除去される。
処理装置１Ｃにおいて、反応部３Ａの第１のセル３１ａ側をアノードとし、反応部３Ａの電極反応が安定した出力で進行している間は、配管Ｌ１４上の流路切替機構４３ａにより、第１のセル３１ａ側への処理水Ｗ１の流路を形成する。一方、流路切替部４４は、反応部３Ｂの第１のセル３１ｃに電子受容体供給槽４４ｂ内の電子受容体を供給する流路を形成する。また、このとき、反応部３Ａの第２のセル３１ｂには、配管Ｌ１６ａから電子受容体が供給され、反応後の電子受容体は配管Ｌ１６ｂ及び配管Ｌ１６ｃを介して、反応部３Ｂの第２のセル３１ｄ内に供給される。
このとき、反応部３Ａでは、電極３３ａをアノードとし、電極３３ｂをカソードとする電極反応が進行する。一方、反応部３Ｂでは、第２のセル３１ｄに対し、反応後の電子受容体、すなわち還元性の高い物質が供給され、第１のセル３１ｃには、電子受容体供給槽４４ｂ内の電子受容体が供給される。したがって、反応部３Ｂでは、電極３３ｃをカソードとし、電極３３ｄをアノードとする電極反応が進行することになる。
そして、処理装置１Ｃにおける処理が継続され、反応部３Ａの電極（電極３３ａ）表面に硫黄が堆積し、電極反応効率（出力）が低下あるいは低下傾向となった場合、流路切替機構４３ａにより、処理水Ｗ１の流路を反応部３Ａ側の第１のセル３１ａから反応部３Ｂ側の第１のセル３１ｃに切り替え、反応部３Ａの第１のセル３１ａへの処理水Ｗ１の供給を停止して、反応部３Ｂの第１のセル３１ｃへ処理水Ｗ１を供給する。このとき、流路切替機構４４ａも切り替えを行い、電子受容体供給槽４４ｂからの電子受容体が、反応部３Ａの第１のセル３１ａに供給されるようにする。このとき、第２のセル３１ｂには還元性の高い物質（反応後の電子受容体）が供給されるようにする。これにより、反応部３Ａでは、電極３３ａをカソード、電極３３ｂをアノードとする反応が進行し、式５及び式６に基づき、電極３３ａ表面に堆積した硫黄成分が除去される。
【0088】
なお、循環流路４５上に電子受容体または反応後の電子受容体を貯留する貯留部を設けるものとしてもよい。これにより、第１のセル３１ａ、３１ｃに係る処理水Ｗ１と電子受容体の流路切り替えに応じ、第２のセル３１ｂに適した電子受容体（あるいは反応後の電子受容体）の供給を容易に行うことが可能となる。
【0089】
また、本実施態様の硫黄除去手段４で除去された硫黄成分を、硫黄含有物質として活用するために、硫黄含有物質生成装置５を用い、有益な硫黄含有物質として活用することが好ましい。なお、本実施態様の硫黄除去手段４により除去される硫黄成分は、第２の実施態様で説明したものと同様のものが回収される。したがって、本実施態様の硫黄含有物質生成装置５は、第２の実施態様において説明したものと同様の構成を用いることができる。
【0090】
以上のように、本実施態様における処理装置１Ｃ及び処理装置１Ｃを用いた処理方法は、複数の反応部を設け、反応部に供給する処理水及び電子受容体の流路を切り替えること及び電子受容体を循環利用することで、反応部におけるアノードとカソードを入れ替えることができる。これにより、電極反応を進行させる反応部と、表面に硫黄成分が堆積した電極に対し、硫黄成分を除去する反応を進行させる反応部とを並行に処理させることが可能となる。これにより、反応部から電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことができるとともに、反応部における処理を連続して行うことが可能となる。
【0091】
〔第４の実施態様〕
図６は、本発明の第４の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第４の実施態様に係る処理装置１Ｄは、処理槽２、反応部３、硫黄除去手段４を備える処理装置であって、第３の実施態様に係る処理装置１Ｃにおいて、反応部３を１つにし、流路切替部４３、４４に対する制御部４６を設けたものである。
図６に示すように、本実施態様における処理装置１Ｄは、反応部３に対し、硫黄除去手段４として、反応部３の第１のセル３１ａに供給する処理水Ｗ１の流路を切り替える流路切替部４３と、流路切替部４３と連動して、反応部３の第１のセル３１ａに供給する電子受容体の流路を切り替える流路切替部４４と、処理水Ｗ１の供給・停止を行う制御部４６とを備え、反応部３の第２のセル３１ｂには、電子受容体あるいは反応後の電子受容体を貯留する貯留槽４７ａ、４７ｂを設けるものである。なお、第３の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
図６は、本発明の第４の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第４の実施態様に係る処理装置１Ｄは、処理槽２、反応部３、硫黄除去手段４を備える処理装置であって、第３の実施態様に係る処理装置１Ｃにおいて、反応部３を１つにし、流路切替部４３、４４に対する制御部４６を設けたものである。
図６に示すように、本実施態様における処理装置１Ｄは、反応部３に対し、硫黄除去手段４として、反応部３の第１のセル３１ａに供給する処理水Ｗ１の流路を切り替える流路切替部４３と、流路切替部４３と連動して、反応部３の第１のセル３１ａに供給する電子受容体の流路を切り替える流路切替部４４と、処理水Ｗ１の供給・停止を行う制御部４６とを備え、反応部３の第２のセル３１ｂには、電子受容体あるいは反応後の電子受容体を貯留する貯留槽４７ａ、４７ｂを設けるものである。なお、第３の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
【0092】
本実施態様の処理装置１Ｄは、２つの流路切替部を備える１つの反応部３において、流路切替部の制御により処理水Ｗ１の供給・停止を行うことで、電極反応を進行させる反応部と、電極に堆積した硫黄成分を除去する反応部とを時間差で稼働させることができる。これにより、電極反応効率を低下させることなく、電極表面に堆積した硫黄成分の除去も効果的に行うことが可能となる。
【0093】
流路切替部４３及び４４は、上述した第３の実施態様で説明した構造を用いることができる。なお、本実施態様においては、図６に示すように、配管Ｌ１４及び配管Ｌ１５に分岐を設ける必要がないため、流路切替機構４３ａ、４４ａとしては、各配管にバルブを設けるものとすることが挙げられる。
【0094】
制御部４６は、流路切替部４３及び４４における流路切替機構４３ａ及び４４ａの開閉動作に係る制御を行うものである。
本実施態様における制御部４６による制御の一例としては、日中など、処理槽２による嫌気処理が活発に行われ、処理水Ｗ１量が増加する時間帯には、電極反応による発電や脱硫処理を積極的に行うように、流路の切り替えを行うことが好ましい。すなわち、処理槽２からの処理水Ｗ１を第１のセル３１ａに供給し、電極３３ａをアノード、電極３３ｂをカソードとする電極反応を行うように流路切替部４３及び４４を制御することが挙げられる。また、このとき、第２のセル３１ｂの配管Ｌ１６ｂから排出される反応後の電子受容体を貯留槽４７ａに貯留しておくことが好ましい。
一方、夜間など処理槽２からの処理水Ｗ１量が低減する時間帯には、電極表面に堆積した硫黄成分を除去する操作を主に行うように、流路の切り替えを行うことが好ましい。すなわち、処理槽２からの処理水Ｗ１を停止し、第１のセル３１ａに電子受容体供給槽４４ｂからの電子受容体を供給するように流路切替部４３及び４４を制御することが挙げられる。また、併せて、貯留槽４７ａに貯留した反応後の電子受容体を、配管Ｌ１６ａを介して第２のセル３１ｂに供給することで、電極３３ａをカソード、電極３３ｂをアノードとする電極反応が進行し、電極（電極３３ａ）表面に堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。なお、このとき第２のセル３１ｂの配管Ｌ１６ｂから排出される電子受容体を貯留槽４７ｂに貯留し、再び電極３３ａをアノードとする電極反応を行う際に再利用するものとしてもよい。
また、制御部４６は、反応部３における電極反応の反応効率（出力）に係るデータ取得を行うデータ取得部と、データ取得部で取得した出力データに基づき硫黄除去工程の実行タイミングを演算する演算部を備えることがより好ましい。これにより、硫黄除去に係る流路切替部４３、４４の制御（流路切替機構４３ａ及び４４ａの開閉動作）を、より精度高く、好適なタイミングで実行することが可能となる。
本実施態様における制御部４６による制御の一例としては、日中など、処理槽２による嫌気処理が活発に行われ、処理水Ｗ１量が増加する時間帯には、電極反応による発電や脱硫処理を積極的に行うように、流路の切り替えを行うことが好ましい。すなわち、処理槽２からの処理水Ｗ１を第１のセル３１ａに供給し、電極３３ａをアノード、電極３３ｂをカソードとする電極反応を行うように流路切替部４３及び４４を制御することが挙げられる。また、このとき、第２のセル３１ｂの配管Ｌ１６ｂから排出される反応後の電子受容体を貯留槽４７ａに貯留しておくことが好ましい。
一方、夜間など処理槽２からの処理水Ｗ１量が低減する時間帯には、電極表面に堆積した硫黄成分を除去する操作を主に行うように、流路の切り替えを行うことが好ましい。すなわち、処理槽２からの処理水Ｗ１を停止し、第１のセル３１ａに電子受容体供給槽４４ｂからの電子受容体を供給するように流路切替部４３及び４４を制御することが挙げられる。また、併せて、貯留槽４７ａに貯留した反応後の電子受容体を、配管Ｌ１６ａを介して第２のセル３１ｂに供給することで、電極３３ａをカソード、電極３３ｂをアノードとする電極反応が進行し、電極（電極３３ａ）表面に堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。なお、このとき第２のセル３１ｂの配管Ｌ１６ｂから排出される電子受容体を貯留槽４７ｂに貯留し、再び電極３３ａをアノードとする電極反応を行う際に再利用するものとしてもよい。
また、制御部４６は、反応部３における電極反応の反応効率（出力）に係るデータ取得を行うデータ取得部と、データ取得部で取得した出力データに基づき硫黄除去工程の実行タイミングを演算する演算部を備えることがより好ましい。これにより、硫黄除去に係る流路切替部４３、４４の制御（流路切替機構４３ａ及び４４ａの開閉動作）を、より精度高く、好適なタイミングで実行することが可能となる。
【0095】
以上のように、本実施態様における処理装置１Ｄ及び処理装置１Ｄを用いた処理方法は、１つの反応部において、反応部に供給する処理水及び電子受容体の流路の切り替えについて、処理水の供給・停止を制御する制御部を設け、反応部に対する処理水の供給と電子受容体の供給に時間差を設けることで、アノードとカソードを入れ替えることができる。これにより、反応部から電極を取り出すことなく、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことができるとともに、反応部における処理を連続して行うことが可能となる。また、制御部を設けることにより、処理水Ｗ１量の時間変動に応じ、発電や脱硫処理を主に行う時間帯と、電極表面に堆積した硫黄成分の除去処理を主に行う時間帯を分けるなど、処理装置全体として効率的な運転を可能とする制御を行うことが可能となる。
【0096】
〔第５の実施態様〕
図７は、本発明の第５の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第５の実施態様に係る処理装置１Ｅは、処理槽２、反応部３、硫黄除去手段４を備える処理装置であって、硫黄除去手段４として、反応部３における電極３３ａと３３ｂの配置を入れ替える電極入替手段４８を設けたものである。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
図７は、本発明の第５の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第５の実施態様に係る処理装置１Ｅは、処理槽２、反応部３、硫黄除去手段４を備える処理装置であって、硫黄除去手段４として、反応部３における電極３３ａと３３ｂの配置を入れ替える電極入替手段４８を設けたものである。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
【0097】
上述したように、本発明に係る処理装置における硫黄除去手段４は、流路の切り替えにより、反応部におけるアノードとカソードを入れ替えるものとしてもよいが、本実施態様の処理装置１Ｅにおける硫黄除去手段４のように、反応部３における電極配置を直接入れ替える電極入替手段４８を設けるものとしてもよい。これにより、処理装置１Ｅにおいて流路を増やすことなく、アノードとカソードを簡便に変更することができる。
本実施態様の硫黄除去手段４（電極入替手段４８）により、アノード側で使用することで硫黄成分が堆積した電極について、カソード側で使用することで、式５及び式６に基づき、堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。
このとき、電極入替手段４８としては、電極３３ａ及び電極３３ｂの表面が露出した状態で筐体内に配置し、反応部３から取り出し可能とした電極ユニットとして反応部３に設け、この電極ユニットを取り出して半回転させて再度設置することなどが挙げられる。これにより、電極３３ａ及び３３ｂの配置を容易に入れ替えることが可能となるとともに、電極３３ａ及び電極３３ｂのメンテナンス時においても、反応部３から取り出すことが容易となるため、メンテナンス作業が容易となる。
本実施態様の硫黄除去手段４（電極入替手段４８）により、アノード側で使用することで硫黄成分が堆積した電極について、カソード側で使用することで、式５及び式６に基づき、堆積した硫黄成分を除去することが可能となる。
このとき、電極入替手段４８としては、電極３３ａ及び電極３３ｂの表面が露出した状態で筐体内に配置し、反応部３から取り出し可能とした電極ユニットとして反応部３に設け、この電極ユニットを取り出して半回転させて再度設置することなどが挙げられる。これにより、電極３３ａ及び３３ｂの配置を容易に入れ替えることが可能となるとともに、電極３３ａ及び電極３３ｂのメンテナンス時においても、反応部３から取り出すことが容易となるため、メンテナンス作業が容易となる。
【0098】
以上のように、本実施態様における処理装置１Ｅ及び処理装置１Ｅを用いた処理方法は、電極配置を入れ替えることで、反応部におけるアノードとカソードを入れ替えることができる。これにより、アノード側の電極反応が進行することで表面に硫黄成分が堆積した電極を、容易にカソード側の反応に供することが可能となる。これにより、電極表面に堆積した硫黄除去を行うことができるとともに、反応部における処理を連続して行うことが可能となる。
【0099】
本発明の処理装置は、被処理水Ｗのような液体成分を処理槽２において嫌気処理するものに限定されない。また、反応部３に供給する処理水は、処理槽２から直接排出されるものに限定されない。
以下、本発明の処理装置における別態様として、処理対象である被処理物がバイオマスなどの固体成分からなるものについて例示する。
以下、本発明の処理装置における別態様として、処理対象である被処理物がバイオマスなどの固体成分からなるものについて例示する。
【0100】
〔第６の実施態様〕
図８は、本発明の第６の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第６の実施態様に係る処理装置１Ｆは、図８に示すように、処理槽２と反応部３の間に、固液分離部６を備え、さらに硫黄除去手段４を備えるものである。なお、図８には、硫黄除去手段４として、硫黄処理槽４０を用いるものを示しているが、これに限定されるものではなく、本実施態様における処理装置１Ｆには、上述した硫黄除去手段４を適宜選択することができる。
また、処理装置１Ｆは、処理槽２に被処理物Ｓを導入する導入配管Ｌ２０、処理槽２と固液分離部６を接続する接続配管Ｌ２１、固液分離部６で分離された処理水Ｗ４を反応部３に導入する導入配管Ｌ２２、固液分離部６で分離された固形物を系外に排出する排出配管Ｌ２３、反応部３から処理水Ｗ２を系外に排出する排出配管Ｌ２４を備えている。
図８は、本発明の第６の実施態様における処理装置を示す概略説明図である。
第６の実施態様に係る処理装置１Ｆは、図８に示すように、処理槽２と反応部３の間に、固液分離部６を備え、さらに硫黄除去手段４を備えるものである。なお、図８には、硫黄除去手段４として、硫黄処理槽４０を用いるものを示しているが、これに限定されるものではなく、本実施態様における処理装置１Ｆには、上述した硫黄除去手段４を適宜選択することができる。
また、処理装置１Ｆは、処理槽２に被処理物Ｓを導入する導入配管Ｌ２０、処理槽２と固液分離部６を接続する接続配管Ｌ２１、固液分離部６で分離された処理水Ｗ４を反応部３に導入する導入配管Ｌ２２、固液分離部６で分離された固形物を系外に排出する排出配管Ｌ２３、反応部３から処理水Ｗ２を系外に排出する排出配管Ｌ２４を備えている。
【0101】
図８に示した処理装置１Ｆでは、被処理物Ｓに対して処理槽２による嫌気処理を行い、固液分離部６において嫌気処理を経た後の排出物（処理液Ｗ３）を処理水Ｗ４（濾液）と固形物に分離し、処理水Ｗ４を反応部３に導入する。これにより、被処理物Ｓの嫌気処理後の排出物を活用し、より効率的なエネルギーの回収・利用あるいは脱硫処理が可能となる。
以下、処理装置１Ｆの構成について説明する。
以下、処理装置１Ｆの構成について説明する。
【0102】
（処理槽）
本実施態様における処理槽２は、バイオマスなどの固体成分に対して嫌気処理を行うものである。
本実施態様における処理槽２で行う嫌気処理としては、処理コストや生成ガスの有用性の観点から、メタンを生成するメタン発酵が特に好ましい。したがって、処理槽２は、被処理物Ｓの消化を行う消化設備として機能する構造を有することが好ましい。より具体的には、処理槽２は、消化槽として公知の構造を有することが好ましく、消化槽に係る具体的な構造については特に限定されない。
本実施態様における処理槽２は、バイオマスなどの固体成分に対して嫌気処理を行うものである。
本実施態様における処理槽２で行う嫌気処理としては、処理コストや生成ガスの有用性の観点から、メタンを生成するメタン発酵が特に好ましい。したがって、処理槽２は、被処理物Ｓの消化を行う消化設備として機能する構造を有することが好ましい。より具体的には、処理槽２は、消化槽として公知の構造を有することが好ましく、消化槽に係る具体的な構造については特に限定されない。
【0103】
処理槽２において、嫌気処理のうち、特にメタン発酵を行う場合、被処理物Ｓを処理した後の排出物（処理液Ｗ３）中には、メタンのほか、硫化水素、水素、アンモニア等が生成する。なお、これら生成物は、本発明における還元性物質に相当するものである。
【0104】
処理槽２で処理された被処理物Ｓは還元性物質を含有する排出物（処理液Ｗ３）となり、接続配管Ｌ２を介して、固液分離部６へ導入される。
【0105】
（固液分離部）
固液分離部６は、処理槽２から導入された処理液Ｗ３を、固形物と処理水Ｗ４に分離処理するためのものである。
ここで、固液分離部６で分離処理される処理液Ｗ３は、処理槽２で嫌気処理された後の排出物であり、余剰汚泥などの泥状物を含む固液混合物（スラッジ）である。また、処理液Ｗ３中には、メタン発酵により生成した還元性物質が含有されている。
したがって、固液分離部６で処理液Ｗ３を固液分離し、還元性物質を含有する処理水Ｗ４を回収して後段の反応部３に導入することで、還元性物質を電子供与体とする反応を進行させることが可能となる。
固液分離部６は、処理槽２から導入された処理液Ｗ３を、固形物と処理水Ｗ４に分離処理するためのものである。
ここで、固液分離部６で分離処理される処理液Ｗ３は、処理槽２で嫌気処理された後の排出物であり、余剰汚泥などの泥状物を含む固液混合物（スラッジ）である。また、処理液Ｗ３中には、メタン発酵により生成した還元性物質が含有されている。
したがって、固液分離部６で処理液Ｗ３を固液分離し、還元性物質を含有する処理水Ｗ４を回収して後段の反応部３に導入することで、還元性物質を電子供与体とする反応を進行させることが可能となる。
【0106】
固液分離部６としては、処理液Ｗ３中に含まれる固形物と処理水Ｗ４とを分離することができるものであればよく、特に限定されない。例えば、凝集沈殿槽、沈殿槽のような沈降分離式によるものや、遠心分離機を備える遠心分離式によるもののほか、ベルトプレス脱水機やスクリュープレス脱水機のような加圧濾過装置を備えるものなどが挙げられる。
【0107】
固液分離部６で分離された処理水Ｗ４は、還元性物質を含有する処理水（処理水Ｗ１に相当）として導入配管Ｌ２２を介し、反応部３へ導入される。一方、固液分離部６で分離された固形物は、排出配管Ｌ２３を介して系外に排出される。このとき、排出配管Ｌ２３の後段に、固形物を処理する処理設備を設けるものとしてもよい。
【0108】
そして、処理水Ｗ４が導入された反応部３では、上述した処理水Ｗ１を用いた場合と同様に、処理水Ｗ４中の還元性物質を電子供与体として発電を行うとともに、処理水Ｗ４中の還元性物質のうち、硫化水素などの硫黄含有化合物を電子供与体とすることで、脱硫処理を行うことも可能となる。
【0109】
以上のように、本実施態様の処理装置１Ｆ及び処理装置１Ｆを用いた処理方法により、被処理物の嫌気処理後の排出物を活用し、固体成分からなる被処理物の嫌気処理においても、発電による効率的なエネルギーの回収・利用や脱硫処理を行うことが可能となる。特に、嫌気処理後の排出物を固液分離した濾液中に含まれる還元性物質を用いた電極反応を可能とすることで、嫌気処理で用いる微生物による物質移動の阻害や、微生物の代謝速度に基づく律速段階がなく、発電効率や脱硫処理効率の向上が可能となる。また、微生物燃料電池による発電と比べて設備を小型化することができる。さらに、脱硫処理のための設備を別途設けることなく、効率的な脱硫処理を実施することが可能となる。
【0110】
なお、上述した実施態様は、処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置の一例を示すものである。本発明に係る処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置は、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置を変形してもよい。
【0111】
例えば、本実施態様における処理装置は、絶縁機構を設けるものとしてもよい。絶縁機構は、反応部３で反応する処理水Ｗ１以外の処理水（処理水Ｗ２）を絶縁することができるものであればよく、特に限定されない。
絶縁機構による絶縁手段としては、例えば、反応部３の電極３３ａと処理水Ｗ２との電気的な接触（液絡）の解消あるいは液絡時間の短縮が挙げられる。このような液絡解消手段又は液絡時間の短縮手段の例としては、処理水Ｗ２の流れを不連続（断続的）とする手段や、処理水Ｗ２に空気などの絶縁体を介在させる手段、あるいはこれらの手段を組み合わせるもの等が挙げられる。これにより、反応部３で生成した電子が電極３３ａ及び電極３３ｂの間以外に流れることを防ぎ、電極反応効率を向上させるものである。
なお、本実施態様における処理装置は、第１の実施態様に示したような処理装置を構成する構造物（処理槽や配管）に係る絶縁を併せて行うものとしてもよい。これにより、より一層の絶縁効果を得ることができ、反応部３における電極反応効率を向上させることが可能となる。
絶縁機構による絶縁手段としては、例えば、反応部３の電極３３ａと処理水Ｗ２との電気的な接触（液絡）の解消あるいは液絡時間の短縮が挙げられる。このような液絡解消手段又は液絡時間の短縮手段の例としては、処理水Ｗ２の流れを不連続（断続的）とする手段や、処理水Ｗ２に空気などの絶縁体を介在させる手段、あるいはこれらの手段を組み合わせるもの等が挙げられる。これにより、反応部３で生成した電子が電極３３ａ及び電極３３ｂの間以外に流れることを防ぎ、電極反応効率を向上させるものである。
なお、本実施態様における処理装置は、第１の実施態様に示したような処理装置を構成する構造物（処理槽や配管）に係る絶縁を併せて行うものとしてもよい。これにより、より一層の絶縁効果を得ることができ、反応部３における電極反応効率を向上させることが可能となる。
【0112】
また、例えば、本実施態様における処理装置は、一部の構造を省略し、装置構成をより簡略化するものとしてもよい。
省略可能な構造としては、例えば、イオン交換体３５が挙げられる。これにより、反応部３の簡略化が可能となるとともに、メンテナンス作業が容易となる。
また、省略可能な構造の他の例としては、第２のセル３１ｂにおける電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂが挙げられる。これにより、反応部３をより簡略化することが可能となる。このとき、電極３３ｂの一面が処理水Ｗ１又はイオン交換体３５に接触し、もう一方の面が全体的に外気（空気）に直接接触する構造とすること等が挙げられる。さらに、外気側の電極３３ｂ表面に交換又は洗浄容易な通気性素材を設けることが好ましい。これにより、塵などの固体不純物が電極３３ｂ表面に付着することを抑制することができる。
省略可能な構造としては、例えば、イオン交換体３５が挙げられる。これにより、反応部３の簡略化が可能となるとともに、メンテナンス作業が容易となる。
また、省略可能な構造の他の例としては、第２のセル３１ｂにおける電子受容体供給口３４ａ及び電子受容体排出口３４ｂが挙げられる。これにより、反応部３をより簡略化することが可能となる。このとき、電極３３ｂの一面が処理水Ｗ１又はイオン交換体３５に接触し、もう一方の面が全体的に外気（空気）に直接接触する構造とすること等が挙げられる。さらに、外気側の電極３３ｂ表面に交換又は洗浄容易な通気性素材を設けることが好ましい。これにより、塵などの固体不純物が電極３３ｂ表面に付着することを抑制することができる。
【0113】
また、例えば、本実施態様における処理装置は、各実施態様で示した硫黄除去手段４を複数組み合わせるものとしてもよい。複数の硫黄除去手段４を組み合わせることで、電極表面に堆積した硫黄成分を確実に除去し、電極反応効率を向上させることができる。また、処理装置に接続される硫黄含有物質生成装置において得られる有益な硫黄含有物質の量を増加させることも可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0114】
本発明の処理装置及び処理方法並びに硫黄含有物質生成装置は、被処理水を処理する処理に利用される。特に、被処理水を処理することにより還元性物質が発生する処理において、好適に利用されるものである。
【符号の説明】
【0115】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ 処理装置、２ 処理槽、３，３Ａ，３Ｂ 反応部、３１ａ，３１ｃ 第１のセル、３１ｂ，３１ｄ 第２のセル、３２ａ，３２ｃ 処理水導入口、３２ｂ，３２ｄ 処理水排出口、３３ａ～３３ｄ 電極、３４ａ，３４ｃ 電子受容体供給口、３４ｂ，３４ｄ 電子受容体排出口、３５ イオン交換体、４ 硫黄除去手段、４０ 硫黄処理槽、４１，４３，４４ 流路切替部、４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４４ａ 流路切替機構、４２，４６ 制御部、４４ｂ 電子受容体供給槽、４５ 循環流路、４７ａ，４７ｂ 貯留槽、４８ 電極入替手段、５ 硫黄含有物質生成装置、５０ 硫黄回収手段、５０ａ 回収槽、５０ｂ 添加手段、５０ｃ 回収機構、５１ 精製手段、５１ａ 濾過装置、５１ｂ 精製操作用装置、６ 固液分離部、Ｂ１，Ｂ２ バルブ、Ｌ１，Ｌ２０ 導入配管、Ｌ２，Ｌ２１ 接続配管、Ｌ３，Ｌ２３ 排出配管、Ｌ４～Ｌ１８ 配管、Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂ，Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂ 分岐管、Ｓ 被処理物、Ｗ 被処理水、Ｗ１～Ｗ４ 処理水（処理液）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
