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バイオマス利活用の技術
柚山 義人
10. メタン発酵消化液の利活用
1．消化液に関する研究の必要性
■堆肥化とメタン発酵は地域によって使い分けるべきと思われる。メタン発酵については，消化液の需要が大きく，堆肥化に比べて窒素やエネルギーの回収率が高いという優位性を発揮できる地域を中心に，さらに技術を磨き，場合によっては他の技術と組み合わせて，利活用のための社会システムを構築して推進していくことが期待される。 農村地域において，発生する量の多い廃棄物系バイオマスは，家畜ふん尿，食品残さ，生活廃水汚泥である。これらを対象に，現時点で適用が検討される技術は，堆肥化*1とメタン発酵*2～*6である。メタン発酵技術を農村地域に適用する試みは過去にも行われてきたが定着には至らなかった。消化液の利活用は，地域における資源循環と農業を結びつけた計画なしには成立しない。関係者・関係機関は多岐にわたる。利活用の全体システムが適切に設計・運営されると，新しい農業体系の構築，廃棄物量の減少，環境負荷の軽減が図られる。消化液に関する調査研究は，この5年くらいで重点的に進められてきた。一部地域では，牧草だけでなく畑作や水稲作での利用も始まっている。これからの5年くらいで，消化液の品質確保のもと様々な用途での施用基準が定められていくこと，経済性が追求されることが望まれる。本講では，メタン発酵消化液の特性と研究成果を整理した後，利活用を促進するための方策について述べる。 2．消化液の成分*6 ■消化液の成分は基本的にメタン発酵槽へ投入される原料バイオマスの性状で決まる。炭素（C）については発酵プロセスにおいて液相からメタンガス（CH4）及び二酸化炭素（CO2）という形態で気相への移行がある。窒素（N）については，発酵プロセスにおける移行は少ないが，消化液の貯蔵段階でアンモニア（NH3）揮散や貯留槽にフタが無い場合は雨水による希釈がある。また，撹拌不良の場合には固形分の沈殿の影響が出る。 表1は，全国各地のメタン発酵プラントでの原料と消化液について，共通項目をとりあげ単位をそろえてとりまとめたものである。このうち，話題提供者らが千葉県香取市に設置した山田バイオマスプラント*7内のメタン発酵プラントの原料は，主として乳牛ふん尿（オガコ入り）と野菜汁である。千葉県農業総合研究センターは，消化液の分析値及び性状から農業用の液肥利用について以下のような特性及び問題点があるという見解を示している。 （1）Nはアンモニア態が主体であり，肥料的には速効性のNK化成肥料となる。（2）消化液に含まれるNH4-Nは化成肥料（塩化アンモニウム）と比較して速やかに硝化が進むと考えられる。 （3）消化液は原料が十分に分解されていないものを含んでいるため，ペースト状で還元的な悪臭が認められる。消化液を固液分離したろ液及びRO（逆浸透）膜分離により生成された濃縮液肥は，固形分がほぼ除去されており，液体状で還元的な悪臭も弱く，給水装置を利用した施設園芸等での利用も可能と考えられる。 ■消化液の品質は，原料バイオマスの種類によって差がある。無機態窒素成分は，ほとんどがNH4-Nである。主要肥効成分であるN，P，K及びミネラルを含んでいることから，良い肥料に成り得る。しかし，水分率が95％以上と大きく，成分は原料次第にならざるを得ないため，貯蔵と施用方法に関する検討が重要と言える。 3．消化液の農業利用のための調査研究*6 ■消化液の利用先は牧草地が中心であった。消化液の水稲，畑作物及び園芸作物への施用については試験データが蓄積されつつあるが，その施用方法が十分に確立されているとは言えない。調査研究は，施用効果の確認，施肥設計，施用方法の工夫，環境への影響調査及び負荷削減対策，安全性の評価に関するものが主である。 例えば，北海道開発土木研究所（現，寒地土木研究所）は，畑作物に対する消化液施用法の確立のために，てんさい（2カ所，各3年），バレイショ（2カ所，3年及び1年），秋まき小麦（2カ所，各2年），緑肥作物（えん麦，シロカラシ，ひまわりを各1カ所，1年）を対象とする栽培試験を行い，消化液の肥効率は表2に示すように示した。肥効率とは，化学肥料に比べて，消化液がどのくらい作物に吸収されるかという割合である。また，消化液のN肥効率を高めるには，施用後速やかに土壌と混和することが望ましいとした。 表2 畑作物に対する消化液中の窒素およびカリウムの肥効率と施用適量*2
■京都府八木町（現，南丹市）の水稲や野菜への液肥利用試験では，次のような結果が報告されている。 （1）水稲への施用は，消化液を水田水口からの流し込む方法で行われた。この方法は非常に簡便なであるが，圃場が均平であること，減水深が少ないこと，畦畔がある程度高いこと，ある程度の水量が確保できること等が流し込み可能条件となる。また，用水の流量と消化液の施用量のバランスが均一撤布のために重要である。一部の水田で水稲が倒伏したが，その原因は，施肥むらによるもので，流し込みを均一に行うには，あらかじめ代掻きを行い，十分落水した状態で開始する必要があると考えられた。このように，留意点はあるものの収量や食味に問題はないと報告されている。この中で，消化液の水田での効率的利用を行うために，施用消化液成分の動態調査，土壌分析，リモートセンシングによる生育量計測，収量・食味の計測及び圃場内マップ作成等を組み合わせた「精密農業」という考え方で調査研究を進められている。（2）露地栽培でナス，トウガラシ等で栽培した結果では生育，収量が良好であった。 （3）水耕栽培試験を，ホウレンソウ，コマツナ，サニーレタス，ミツバ，ミズナ，ハダイコンの6種類で行った。その結果，NH4がガス化し，栽培植物の全ての葉が黄化する現象が見られた。これは消化液に含まれるNH4やNO2-Nがガス化して植物に障害を与えたものと考えられた。 話題提供者らが千葉県北東部で実施している研究では，20種類以上の作物を消化液を用いて栽培している。 4．消化液の変換技術*6 ■消化液をさらに変換する目的は，2つに大別される。第1には，需要に合うように液肥としての品質及び取扱い性を改善し付加価値を高めることにある。第2には，水処理としての位置づけで低コスト化を図ることにある。 ■付加価値を高めるための技術開発としては濃縮・乾燥して肥効促進剤を含む肥料とする技術，リンの回収技術としては液中からリンをMAP（リン酸マグネシウムアンモニウム）やHAP（ヒドロキシアパタイト）として晶析させる方法が有望と思われる。Pが少なくKが多い乳牛ふん尿を原料とする消化液に廃棄粉末消火薬剤（リン酸二水素アンモニウム主剤，消火器の中身）を添加して肥料成分の調整を行った例もある。消化液の濃縮に際して，凝集剤，pH調整剤等の薬品を用いない方法を指向しての技術開発も行われている*8。 消化液の貯蔵中におけるNH3揮散抑制のためには，硝酸やリン酸を用いてpHを酸性に保つことが有効であることが示されている。また，消化液貯留槽へ蓋をすることが有効とされている。 5．消化液利活用システムの展望*6 ■消化液は，在的な資源であるが，需要がないと廃棄物となる。消化液を水処理して放流するシステムは，少なくとも農村地域においては不合理である。消化液は，液肥としてそのまま農林地等へ施用する，あるいは需要を呼び起す形態にさらに変換して用いる必要がある。図1は，他の変換技術と結びつけて，消化液をさらに変換して利用するイメージである。 ■消化液の利活用を進めるための研究の姿勢としては，生成される消化液を前提条件として受け入れて何とか利用しようというアプローチと，消化液の生成方法にも立ち入って健全な利活用システムを追求しようというアプローチが考えられる。後者の場合，まず，消化液を実際に利用する農家あるいは農業技術を支える都道府県の農業研究センターや農業改良普及センターなどが消化液の品質について注文を出すこと，研究側が着実な需要を確保するために注文を引き出すことが重要である。研究の組織的推進という観点では，自然科学と社会科学，農学と工学，産学官が協力する必要がある。図2は，研究を分野横断的に進めるということを意識して，実施が望まれる調査研究及び業務の内容をとりまとめたものである。具体的な予算や人員配置（研究体制）を想定したものではないが，これまで実施されてきた研究成果を有効活用し，総合的かつ効率的に研究を進めるための展望として示した。 考えて頂きたいこと ■メタン発酵消化液を用いて生産された農作物をブランド化する方法を考えてみましょう。 次回予告 ■次回は，バイオマス利活用による農業の新たな展開について考えます。
柚山 義人 H20.5.14
*1 中村真人・岩渕和則・柚山義人：堆肥化技術，講座「バイオマス利活用」（その2），農業土木学会誌，73(7)，pp.55-60，2005 *2 北海道開発土木研究所：積雪寒冷地における環境・資源循環プロジェクト（平成12～16年度）最終成果報告書，2005 *3 北海道開発土木研究所：積雪寒冷地における乳牛ふん尿を対象とした共同利用型バイオガスシステム導入の参考資料，2006 *4 日本有機資源協会：畜尿・消化液処理の現状と展望，地域生物系廃棄物資源化システム専門委員会，畜産環境対策緊急調査検討分科会調査報告書,2005 *5 地域資源循環技術センター：メタン発酵利活用施設技術指針（案）,2005 *6 柚山義人・中村真人・山岡 賢：メタン発酵消化液の利活用技術，農業土木学会論文集（研究展望），247，pp.119-129，2007 *7 農林水産バイオリサイクル研究「システム実用化千葉ユニット」編：アグリ・バイオマスタウン構築へのプロローグ，（独）農業・食品産業技術総合研究機構農村工学研究所．（ISBN 978-4-9902838-4-1），2007 *8 山岡 賢・柚山義人・中村真人：メタン発酵消化液の脱水ろ液の減圧蒸留による減量，農業土木学会論文集，245，pp.125-126，2006 |
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