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バイオマス利活用の技術
柚山 義人
3. バイオマス利活用システム設計のための地域診断
1．はじめに
■地域で適切なバイオマス利活用システムを構築するためには，社会的な合意形成を支援する計画手法が必要である。それは，モノやエネルギーの流れ，人の関わりあい，コスト，環境への影響など様々な観点から現状分析を行い，複数のアイデアを比較検討し，構想に練り上げていく作業である。 話題提供者らは，1～数市町村規模の地域を対象としたバイオマスに係わる窒素，リン，カリウム，炭素，生重量のフローを把握するための解析ソフト「バイオマス資源循環利用診断モデル」を開発した。このモデルの要素の1つにするため，農村地域で適用が有望なバイオマス再資源化（変換）技術を抽出し，性能やコストをとりまとめた。また，再生資源（変換によって得られるモノやエネルギー）の需要量，環境への影響，安全性等の面から想定されるバイオマス利活用を評価する手法を開発した。さらに，輸送問題を念頭に，GISを用い再資源化（変換）施設の適切な規模・配置を検討する方法を提示した。これらの多くは，農林水産省農林水産技術会議事務局のプロジェクト「農林水産バイオリサイクル研究」によって得られたものである。本講では，これらのうち，物質循環からみた診断について紹介する。 2．物質循環からみた診断 ■バイオマスの利活用は，地域の自然条件，社会基盤，産業社会構造を色濃く反映したものになる。利活用の方法によるが，輸送や地縁・生活圏の問題から，概ね20～30㎞以内の空間規模で議論が進むことが多いと思われる。どのような構想の提案についても，提案・企画者自ら，または地方自治体等の担当部署は，現状を正しく認識した上で，構想や計画の効果や正負の影響を早い段階で分析する必要がある。話題提供者は，この作業を「地域診断」と呼んでいる。ここでは，物質循環に関わる地域診断について述べる。地域診断の目的は，バイオマスの利活用が持続的で健全であることを見極め，何か問題があれば別の方法の検討につなげることにある。このため，複数案の比較，対象地域の範囲の検討，再資源化方法や組合せの検討，再資源化（変換）施設の規模・配置及び機能分担の検討，需要と供給の量及び時空間バランスの確認などを行う。 必要な地域情報は，地域に存在するバイオマスの種類，賦存量，発生・生産量，移動量，再生資源の利活用量及びそれらの時空間分布等である。これらは，既存の統計データ及び研究成果，聞き取り，補完的な現地調査によって収集する。実態把握のための調査は，物質循環の状況を概略的かつ網羅的に捉えることから始め，利活用計画策定に大きく関わる項目について精緻化を図っていく。再生資源の需要量ポテンシャルと実際に利用できる量には大きなギャップがある場合が多いので，需要量予測は慎重に行う必要がある。 農地における健全な物質循環という観点では，農地内に適正量の窒素（Ｎ），リン（Ｐ），カリウム（Ｋ），炭素（Ｃ）が存在し作物に有効に吸収されること，それらが過剰に環境中へ排出されないことが重要である。バイオマスエネルギーを効率的に獲得するシステム構築が目指される場合には，エネルギー源である炭素とともに収奪されるＮ，Ｐ，Ｋが安全かつ有用な形で土壌に戻される方法が組み込まれていることの確認が必要である。主要な再生資源である堆肥やメタン発酵消化液（液肥）を農地に施用する場合には，Ｎ，Ｐ，Ｋの1つが必要量に達した時点で，成分を自由に調整できない堆肥等の供給は制限し，不足成分は単肥の化学肥料で補うことになる。例えば，液肥の窒素濃度及び施用量の上限は，作物の吸収特性及び窒素耐性と地下水の硝酸汚染を招かないための溶脱量の限度などにより規定される。堆肥等の肥効率は種類によって大きく異なり，連用により上昇することから，モニタリングに基づき土壌診断を行いながら施用量を調整していくべきものであることを認識しておく必要がある。 地域診断のためには，物質フロー分析や産業関連分析が有用である。前者は，着目する系に投入される資源やエネルギー，産出される製品や廃棄物について，総量や特定物質の収支を明らかにするものである。後者は，様々な産業間の相互依存の状態を調べて生産と需要の関係を分析するものである。近年ではライフサイクルアセスメント（LCA）の適用例が増えてきている。実測によりモデルの検証を行うことは困難な場合が多いので，結果の信頼性については，土地勘や経験も踏まえて認識する必要がある。 話題提供者らが開発した物質循環の診断ソフトである「バイオマス資源循環利用診断モデル」のモデルのユーザーは，市町村，県，水土里ネット，農業改良普及センター等の担当者を想定したものである。対象とする空間レベルは，実際に資源循環が機能する場であると考えられる1～十市町村からなる任意の空間である。対象とするバイオマスは，畜産糞尿，農作物残さ，資源作物，食品加工・流通残さ，林・水産廃棄物，生ゴミ，生活系廃水汚泥などバイオマス資源全般である。対象物質・要素は，Ｎ，Ｐ，Ｋ，Ｃ及び重量（生）である。解析時間単位は，流入・流出または供給・需要の時期的な変化を明らかにし，再資源化（変換）施設における必要貯蔵量が計算できるよう「月」としている。 モデルは，「発生・生産」量，「フロー」（移動）量，「バランス」（流入量と流出量の差）量及び「賦存」量で構成されている。「賦存」量は初期値として与えられるが，定常状態になると変化しない量である。「賦存」量と「バランス」量の和が計算結果として得られる「ストック」（現存）量となる。地域の中でストックが生じる部門を「コンパートメント」と称している。「農地」，「畜産施設」，「森林・林業・製材所」，「人間の居住空間」，「食品加工・マーケット」，「再資源化施設」，「水域」，「大気」が基本コンパートメントである。ほとんどの発生・生産量やフロー量は，原単位と統計データ等によるフレーム値の積として求める。例えば，1日当たりの1家畜当りの糞尿量が原単位で，頭羽数がフレーム値である。標準的なモデルの構造を図1に示す。 ■モデルは，「市町村」を単位とする既存の統計データと解析ソフト（プログラム）に入っている各種のデフォールト値やデータベースを活用して作成していくものである。解析ソフトは，市販ソフトウエアであるマイクロソフト社のEXCEL及びVISIO（フローチャート作成ソフト）を連動させて用いている。入力した数値の出所・根拠・信頼度を記録に残す方式をとっていること，特殊なフロー計算には関数を与えていることなども特徴である。 解析ソフトの操作法は，データの効率的入手・入力方法，基本コンパートメントやフローの構成の変更方法，解析結果の見方を含む利用マニュアルと特色ある幾つかの事例地域での解析結果の入ったサンプル版を用いることにより，2～3日間程度の講習を通してマスターできるようにした。解析ソフトを用いることにより，地域全体の物質フロー図の作成及び表示，任意のコンパートメントをカテゴリー化しての結果表示，年または月単位のコンパートメント別流入・流出・収支のグラフ表示，バイオマス資源の利用率や廃棄率及び水質環境や地球温暖化への影響とりまとめなどができる。モデルは，地域をよく知り，適切な再資源化（変換）方法，再資源化（変換）施設の規模・機能分担，新たな営農体系の検討などを通してバイオマス資源の健全な利活用システムを構築していくツールとして有用である。ただし，対象地区のモデルを完成していくには総合力が必要である。各々の専門分野の関係者からデータの提供を受けたり，解析結果の妥当性を吟味してもらったりしてモデルの信頼性を高める努力が重要である。なお，現在，講習会は実施していない。 3．評価結果の着眼点 ■バイオマスの堆肥化と農地での利用を念頭においた物質フローの解析及び評価に関して，図2を用いていくつかポイントを示す。図2の数値は，農地面積当りで，kgN/ha/年という単位で示している。 （1）廃棄 ■「廃棄」は，利用可能性のあるバイオマスが利用されずに廃棄されている量である。環境に負荷を与えると見なせるので，これは少ないほど良いと評価できる。 （2）蓄積・溶脱 ■「蓄積・溶脱」のうちの一部は，農地に蓄積されると思われるが，その他は溶脱し環境に負荷を与えることになるので，これが少ないほど良いと評価できる。ここで，ある程度は農地に蓄積できるのではないか，溶脱するといっても害の及ぶ程ではないのではとの考え方が出てくる。確かに農地には蓄積機能があり，溶脱して地下へ移行するうちに脱窒されることもある。これについては，現地をよく知る農業研究者に聞くのがよいと思われる。ただし，蓄積・溶脱量が化学肥料施用量に迫り，廃棄より多いと，安心して構えるのはいかがなものかと思われる。 （3）廃棄と蓄積・溶脱の源 ■「廃棄」及び「蓄積・溶脱」が多い場合，どこから来ているのかを見るのが重要である。図2の例では，廃棄のほとんどは人からの窒素であり，人へ供給される窒素のほとんどは購入食料であることがわかる。「蓄積・溶脱」は，化学肥料によるところが大きく，また，農地投入も大きいことがわかる。農地投入は，農作物副産物，堆肥，購入堆肥からの窒素である。堆肥は家畜からの窒素であり，家畜への窒素は購入飼料が源であることがわかる。こうしてみると，購入食料→人→廃棄，購入飼料→家畜→堆肥→農地→蓄積・溶脱，購入堆肥→農地→蓄積・溶脱，化学肥料→農地→蓄積・溶脱，農地→農作物副産物→農地という経路が見えてくる。この他に，窒素量が多い経路としては，農地→農作物主産物→出荷がある。農作物副産物を経由する経路は地区内での循環系であり，これ以外は系外（地区外）から持ち込まれる窒素である。 （4）系外（地域外）との出入り ■農畜産物の出荷と購入食飼料を差し引きで見ると，系外（地区外）から窒素が持ち込まれていることがわかる。しかし，その量は廃棄や蓄積・溶脱ほど多くない。従って，地区外からの購入食飼料が多いことが環境負荷の原因ではなく，経路の問題，すなわち，廃棄物（バイオマス）の管理の問題であると言える。もちろん，地区外からの購入食飼料が出荷よりはるかに多い地域の場合，地区外からの購入食飼料が多いことに原因を求めることになる。また，化学肥料が出荷農産物を支えている一方，蓄積・溶脱の窒素量を多くしているとも言える。すなわち，農地における施肥管理の問題である。 （5）バイオマス資源の中身 ■対策を見据えてみると，フローの中身をより詳しく見ることができる。廃棄されているバイオマス資源を有効利用しようという対策を考えてみよう。ここでは，人からのし尿，生ごみをどのように利用できるかが課題となる。また，家畜ふん尿を如何に利用できるかが課題となる。いろいろと考えられる対策が，量的にどれだけ効果があるのか，効果を発揮できるのかについて考えてみると良いかと思われる。例えば，生ごみを全て堆肥化するとしても，廃棄の窒素量は大きく減少することはない。し尿と家畜ふんの問題は残る。 （6）対策に関して ■農地における過剰な蓄積・溶脱をなくする対策が必要であることは言うまでもない。廃棄されているバイオマス資源を農地に施用するとなると，さらに多くの窒素が農地に投入されることになる。化学肥料施用量を低下させることは，対策のひとつである。また，他の地区で利用してもらうことも考えられる。様々なアイデアが提案されるだろうが，ある対策がある問題解決に効果があるとしても，循環の観点からみると問題解決になっていないことを明らかにするのも，本診断が必要とされるところである。そして，有効なバイオマス利活用ができるように対策を立てる必要がある。一方，現地の状況を踏まえると，例えば，豚ぷんを利用したいが，豚の飼育頭数が多く，水田がほとんどを占める地域の場合，地区内での豚ぷんの利用や豚の飼料生産などはかなり難しいと言わざるを得ない。当然，適正処分という対策を取るべき場合も出てくる。 考えて頂きたいこと ■地域診断は，人間ドックのようなものです。おおよその問題点を発見し，解決方向を示唆します。物質循環からみると，どういう状態が健全と言えるでしょうか。 次回予告 ■次回は，バイオマス利活用システムの評価の視点について述べます。
柚山 義人 H20.5.14
*1 農林水産バイオリサイクル研究「システム化サブチーム」編：「バイオマス利活用システムの設計と評価」（ISBN4-9902-6830-x），2006 *2 松本成夫：地域における窒素フローの推定方法の確立とこれによる環境負荷の評価，農業環境技術研究所報告，18，pp.81-152，2000 |
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