PTA法(ドッサリース農法)




第6章低分子量有機物(炭素肥料)の製法 

主として、有機廃物を原料とする炭素肥料の製法


「処理」から「製造」への取り組みの転換 

 「始末する」から「価値を生み出す」

PTA法(光合成移転農法)は、生産費以上の効果を生み出すことを前提としています

堆肥化:廃棄物を何とか始末する:堆肥が生成する

PTA法:価値のある商品を生産する:炭素肥料が生産される


 最終訂正日:2010-12-29

PTA法(光合成移転農法)の基礎は、「家畜糞尿の生石灰処理と耕地へのリサイクル」として、凡そ、西暦1980年頃に生まれたものと思われます。

そして、30年の間、処理残渣は土壌改良資材とてさまざまな作物や樹木に利用され、さまざまな効果を発揮してきました。

収量の大幅な増加、食味の改善、連作障害の抑制、老木の若返り、酸性土壌のpH矯正、土壌の物理的性質(透水性、通気性、保水性等)の改善というような効果のために、30年の間様々な用途・品目に拡大し、今日、数千haの面積に拡大しています。

● ここで、「約30年で、数千haに拡大している」という現実の意味についての意義を簡単に説明します。

家畜糞尿を生石灰で殺菌分解するPTA法(光合成移転農法)は、一般的な畜産の売上の半分の経費を要するものです。

家畜糞尿と生石灰とを混合し、残渣を乾燥して固体粉末状の土壌改良資材を得ることは化学操作としては簡単です。間違いなくローテクの範疇です。

しかし、一般的な畜産業では、世界中から一番安価な飼料を求め、そして、その飼料代金が売上の60〜70%にもなり、これと生石灰処理とを合算すると、明らかに赤字経営となります。

即ち、常識的には、先ず、家畜糞尿の生石灰処理は選択されない処理方法であるといえます。

更に、その処理費用を耕種農家に転嫁した時、窒素・リン・カリウム等の通常の化成肥料の代金の3〜10倍の金額となり、それが上乗せされることになります。

即ち、耕種農業の事情としても、このような糞尿の生石灰処理残渣を土壌改良資材として購入する余力はありません。通常の栽培の、可処分所得を遥かに上回るからです。

家畜糞尿を生石灰処理して、圃場へリサイクルすることは、作業としては簡単ですが、これを自らの生業として行うことは、殆ど瞬間的に破産・倒産・一家離散となるようなものです。

それ故、30年も処理が行われ、数千haの耕種農家が利用し続ける現状は、到底信じ難く、驚異であり、狂気でもあります

● 一般的な家畜糞尿の処理の思想は、できるだけ手間を掛けずに、生物分解によって原形が判らない堆肥として、耕地に利用することにあります。

極めて実情に即して言えば、「堆肥化施設を補助金によって建設し、処理は家畜糞尿を積み上げるか、場合によっては戻し堆肥・他の有機廃物を混合して適正な水分範囲として、迅速な堆肥化処理を促進する」というようなものです。

即ち、初期投資は補助金によって軽減され、後は、自前の手間と燃料とで何とか家畜糞尿を、原形をとどめない堆肥として耕地に利用すると言うものです。

そして、最終的に得られる堆肥の耕種農業における評価は、「精々、1トン1000〜5000円」であり、「圃場に撒いてくれたら運賃程度は支払う」という条件もあります。

即ち、家畜糞尿の堆肥化処理は、畜産にとっては大きな負担になり、決して利益になるものではありません。

精々、ホームセンターでの家庭菜園向けの堆肥が実勢とはかけ離れた高い値段で販売されている程度といえます。

このため、家畜糞尿や野菜屑、生ゴミ、食品残渣のような有機廃物の処理として堆肥化する場合の基本的な思想として「手間や費用を掛けずに堆肥へ転換する」というものがあります。

即ち、販売益は想定できないので、徹底的に費用を掛けない始末を模索することとなります。

ところが、PTA法(光合成移転農法)は、極めて高額な費用を投じて、完璧な殺菌分解を行うもので、従来の堆肥化とは明らかに異質な処理と言えます。

「最初の一歩を踏み出す方向が正反対」とすら言えるでしょう。

● ところで、畜産や耕種農家にとって多大なリスクと負担を課すPTA法(光合成移転農法)が、30年も継続し、また、数千haに拡大することは、何らかの効果が伴うからでしょう。

そして、高額な土壌改良資材であるために、その経済的な利用方法も経験の積み重ねによって見出されて、ほぼ、決まってきました。

また、処理方法においても、家畜糞尿ばかりではなく、食品加工残渣、各種食品廃棄物等多様な原料について処理がなされ、また、その処理残渣が圃場施用され、効果が確認されました。

幸いなことに、概ね、処理費を上回る効果が安定的に得られたことで、処理原料の種類の拡大、施用対象作物の種類の拡大と、さまざまな実績が蓄積され、今日に至ってます。

ただ、本件資材は、今日なお「土壌改良資材」として流通し、生産者の下へ届けられています。そして、生産者は「万能の土壌改良資材」と考えて利用しています。

● 土壌改良資材は、当該作物に適した土壌環境に整えるための資材であり、作物に適した土壌環境は作物毎に異なって然るべきものです。

それゆえ、単一の土壌改良資材が、万能の土壌改良資材として使用されること自体、明らかに、誤りであって、場合によっては生産者に対して大きな害を及ぼす恐れがあります。

植物は、其々種に応じた最適な生息環境があり、一つの土壌改良資材が「万能」として利用されることに違和感を感じない訳ではありません。

しかし、実際に、法外な費用を負担して生業に利用している以上、その判断は傾聴に値するものといえるでしょう。特に、費用が高いだけに、尚のことと言えます。

● ここで重要な視点は、価値観の逆転、発想の逆転が生じたことです。処理から生産へです

生石灰処理は、大変高額な処理です。それだけに、「多大な効果を奏するような処理」でなければなりません。

従来の堆肥化処理は、「効果は低くても、手軽で、安価であればよい」という処理に甘んじていました。費用が安いので、それでもよかったと言えます。

しかし、生石灰処理は、明らかに「処理費を上回る経済的効果」を前提としたものでなければならず、全く様相が異なる処理と言えます。否、処理ではなく「生産」となるのでしょう。

このことは、「効果を正しく認識する」ということが迫られます。

それまでは、「万能の土壌改良資材」でもよかったのですが、「生産」となれば、明らかに効果を明確にし、目的に沿う生産行為を追求しなければなりません。

そして、生産行為(処理行為)が合理的に製品の効能に引き継がれることが望ましいでしょう。

このため、折角の「万能の土壌改良資材」という認識を改めるべく、仔細に現況を把握しなければなりません。

ものの生産にあっては、生産されるものの価値を踏まえて、生産活動が営まれなければなりません。

家畜の糞尿や植物残渣などを生石灰処理によって殺菌・分解して、その生成物を圃場に施用し、大きな効果を奏する現象を具に観察し、原料に含まれている特性を最大限に引き出す配慮が必要となります。

 また、家畜糞尿や食品加工残渣は、廃棄物の範疇に含まれ、不要な物と考えられていました。

それ故、これら家畜糞尿等の物質の所有者としては、「そのまま未処理で捨てる」ことに法律上の問題がなければ、そのまま投棄をしていたものです。

何故ならば、歴史的に見れば、かっては其々経営規模が小さい時代では、家畜糞尿であれ、食品加工残渣であれ、そのまま河川なり海洋へ投棄されていたものです。

経営規模の拡大や環境意識の高まりによって、法律が改正されて、適正な処理が義務付けられた経緯があります。

「処理から生産」へ、と取り扱いが変更される場合、家畜糞尿等は廃棄物から原料」へ変化し、その取扱も「最低から最上」へ変更されなければなりません。

PTA法(光合成移転農法)の其々の単位操作は、化学操作としては簡単な操作であり、格別な紙面を費やして説明を要するものではありません。

然るべき機器が配置され、然るべく原料や反応剤が供給されると、所望の単位操作が進行するものであり、それらの積み重ねで、最終的には所望の製品が得られます。

ただ、原料に相当する家畜糞尿等に対する認識が「廃棄物」から「製品を製造するための原料」と変化することが最も重要といえます。

なぜなら、単位操作を行う機器やその稼働は、適正な手順を設定してやれば、その通りに機械や設備は稼働します。

しかし、その前段の作業員の判断で取扱う過程は、人的な判断を伴いつつ進行する過程であり、管理者や作業者の意識に委ねられる過程です。

家畜糞尿等の原料が、施設の然るべき場所に受け入れられるまでの人による取扱が大変重要となります。


PTA法(ドッサリース農法)は、低分子量有機物の挙動に着目した新しい見方です。

しかし、現実には、家畜糞尿をたい肥化処理とするか、より高度な生石灰処理とするか、と言い換えることもできるでしょう。

ここでは、生石灰処理によって低分子量有機物を得る製法を示します。

蔬菜や果物を加工して食材とする場合は、廃棄される有機廃物の量は工夫次第である程度減じることができます。

しかし、家畜によって肉・卵・乳製品を生産する場合には、どうしても生産量に応じた排せつ物が発生します。

肉・卵・乳製品は、渡来品とはいえ、今日の食生活では「必需品」といえるでしょう。

即ち、人の活動があれば、家畜は存在し、その排せつ物はどこか人目のつきにくい所で発生しています。

これまので経験上、排せつ物の始末は経営の大きな負担となるため、従来であれば「そのまま投棄する」ことが横行してものが、法的に衛生的な始末を求められる時代となり、ある意味で窮地に陥っています。

何故なら、今日でも膨大な予算を投じて排せつ物の始末(堆肥化処理)を調査・研究しており、他方、家畜排せつ物から堆肥を生産する畜産関係者にとって、経営の大きな重荷になっているからです。

家畜排せつ物の堆肥化処理の基本は、「極力安価に」というべきものでしょう。

他方、PTA法(ドッサリース農法)では、心理的には殆ど従来の常識とは正反対に「費用を掛けても、須らく適正に」というものです。

生石灰処理は、堆肥化処理に比べ法外な費用を要します。

適正な処理のために、設備・消耗資材・人手を適正に手当てして、家畜排せつ物から土壌改良資材を生産します。

そして、およそ堆肥の数十倍の経済的な価値をもつ農業資材に転換します。

この生産される農業資材の高い経済的価値が、高い初期投資(減価償却)、高い処理費、多額な人件費の全てを補って余りあるものとなっています。

最初に踏み出す第一歩の方向が、従来の常識ともいえる「堆肥化処理」の正反対に向いているのが「生石灰処理」といえます。

6章では、PTA法の資材の製法を概説します。


PTA法(光合成移転農法)の炭素肥料の生産の概要

【PTA法(光合成移転農法)による炭素肥料の製造】

説明を簡略化するために、最初に、安価な炭素肥料の生産方法としてPTA法(光合成移転農法)が推奨する製法を示します。

化学操作では、最終目的となる化学物質が判明している場合、原料を設定されると、さまざまな製造過程を想定することができます。そして、その製造過程で最も安価な製造プロセスを決定して、提案できます。このため、炭素肥料の生産についても、原料の状況に応じて多種多様なものが存在します。それらを逐一云々することは、言うなれば、一般化学の書籍1冊に他ならず、ほとんど意味がありません。ここでは、大量に現存する「家畜糞尿」を簡単な単位操作で炭素肥料(低分子量有機物)に転換する方法を示します。他にも多種多様な製造フローがあるものと思いますが、経済的な意味合いは低いので、無駄な例示は避けます。

次の、製造フローは鶏糞を想定した炭素肥料の製法の一例です。

原料を鶏糞としているのは、鶏糞には稲藁やもみ殻のような鶏糞以外の成分が含まれることが少なく、このため、多くの人が「鶏糞」から思い浮かべる物体がほぼ共通しているためです。

牛糞尿や豚糞尿であれば、飼育の形態でさまざまな態様となり、俄に、想定しにくいためです。因みに、ここでは産卵鶏の鶏糞としています。ブロイラーの鶏糞は水分が低いです。

原料となる鶏糞の水分状態は、約70%と見積もられ、反応時の原料水分は85〜90%程度が採用されることが多く、原料鶏糞に水を加えて攪拌し、ほぼ均一の原料とします。

次いで、反応機の原料重量(内容物の総重量)の約10〜15%程度の生石灰CaOを添加し、混合します。

この生石灰の添加率と混合時間は、予め予備的な試験によって決められているため、一連の反応操作は自動的に進行します。

所定の反応時間が経過すると、反応機内の内容物は滑らかなスラリーとなり、また、温度は上昇しています。

このスラリーを取り出し、乾燥ヤードに展開して、通風乾燥します。スラリーの成分は、水酸化カルシウム、有機酸カルシウム、炭酸カルシウム、繊維素、反応剤の生石灰に含まれる不純物、鶏糞中のミネラルなど多様な成分が含まれています。基本的には、鶏糞、水および反応剤として添加された生石灰に含まれる物質がスラリーに移行します。

但し、分解反応によって骨格窒素がアンモニアとして揮発するため、窒素分はやや低下します。しかし、残余の元素は、原料・反応剤に含まれるものがスラリーへ移行します。

スラリーの消石灰は、通風乾燥の空気と接触し、空気中の炭酸ガスを吸収し、スラリーの気液接触面に炭酸カルシウムの被膜を形成します。

スラリ表面に形成された炭酸カルシウムの被膜は水分蒸発を阻害させるために、乾燥ヤードでは回転パドルによって攪拌がなされ、適宜、表面を更新して、水分蒸発速度が高くなるようにしています。

なお、本施設全体に、生石灰、消石灰の固体粉末、液体飛沫が存在する可能性があるために、アルカリの付着による人体への影響が考えられ、適切なメガネや手袋による防御が必要となります。

乾燥ヤードで乾燥されて、固体粉末となった粉末資材は、多くの場合、15s〜25kg程度の所定の袋に充填されて、現状では有機石灰質土壌改良資材として流通しています。

当サイトでは、土壌改良資材と言う側面の他に「炭素肥料」としての側面も併せ持つ資材として考えることが望ましいと考えています。

鶏糞以外の原料(家畜糞尿、食品残渣、植物残渣等)については、必要があれば其々の適性に応じた前処理を施して、同様の反応工程を経て粉末資材を得ます。

原料の性状や重量に応じて、貯留施設、輸送機器、輸送速度、反応機容量、乾燥ヤード面積、製袋施設、粉末資材貯蔵量等が選定されますが、何れも、格別に困難を伴うものではなく、想定される現状にあったものとすればよい。

鶏糞を例とした生石灰処理による低分子量有機物の生産フロー

【堆肥化処理】

なお、比較のために、従来から多数の実績のある鶏糞の堆肥化処理施設のフローも示します。一般に、堆肥化発酵の最適水分状態が55〜65%と、鶏糞よりやや低いことから、水分の低い鶏糞堆肥となったものを「戻し堆肥」として混合し、水分を調整する場合もあります。

凡そ、2m程度の堆積層として置けば、呼吸熱が蓄熱され、堆積層の温度が上昇して高温状態となり、高温に適した菌類が活発に活動(増殖)して、鶏糞の有機物を分解し、堆肥とします。

多くの場合、比較的短時間に終了する高温発酵を経て、引き続き、より温度の低い中温発酵に移行して堆肥となります。ただし、この堆肥を更に生産者の下で1年程度熟成させて圃場に利用することもあります。

また、高温発酵の温度を抑制し、中温発酵を維持する処理方法もあります。いずれにしても、どのような菌を利用するか、温度帯域の制御などは、其々の施設を運営する者が自由に選定することができる。

ただし、それぞれの施設を計画する際に、温度を高めて処理期間を短縮するか、温度を下げて長期間処理するか、を決めて計画されます。

鶏糞を例とした堆肥化処理のフロー

【処理・製造のコストと効果】

下の第10図(再掲載)に家畜糞尿等の処理についての、凡その傾向を示しました。

未処理で放流・堆積・投棄する方法は、決して利益を生みませんが、経費は一番少額で済みます。勿論、今の日本では違法となります。

堆肥化処理・乾燥処理・焼却処理・汚水処理(汚水として生物処理をすること)等は、何れも処理としての経済的な負担を伴います。

汚水処理は、最終的に生じる物質は「環境に放流できる程度に浄化された水」であり、格別、経済的に利益を生むものではありません。

焼却処理も、格別な経済的に価値を持つ物質を生産しません。場合によっては、焼却の後に残される「焼却灰」が埋立に際して追加の処理費用を要することがあります。

乾燥処理は、鶏糞に多くみられる処理方法であり、最終的に得られる「乾燥鶏糞」は販売されることもあります。しかし、臭いが強いことから、敬遠される場合があり必ずしも、利益を生むもことにはなりません。当事者にとっては、鶏糞の始末はなお経済的な負担が大きいものとなっています。

同様のことは、堆肥化処理についても言えることであり、現実には、堆肥化処理によっても適切な販売価格で引き渡されるケースが多く、堆肥化処理で処理経費が十分に回収されているとはいえません。

PTA法(光合成移転農法)の場合には、生産費を要するものの、耕種農業における増収・食味改善による付加価値(単価)の上昇・連作障害の抑制・老木の若返り等の経済的な効果が大きく、生産コストを凌ぐ資材価格で流通しています。

ただし、炭素肥料を生産する人が耕種農家ではないために、適正な販路として確定するには不確定要素があり、その意味で、直ちに家畜糞尿をPTA法(光合成移転農法)によるリサイクルに供する、との判断はしにくいものがあります。

第5図(再掲載) PTA法の製造コストとリサイクルの収益の比較 

第10図(再掲載) 腐敗性有機物の処理処分の形態による経済性と清浄度合の傾向


名称 示性式
分子量
解離定数Ka(Wikipediaを参照)
蟻酸 HCOOH
46.03
Ka=1.8x10^(-4)  pKa=3.75
酢酸 CH3COOH
60.05
Ka=1.8x10^(-5)  pKa=4.76
プロピオン酸 CH3CH2COOH
74.08
Ka=1.7x10^(-5)  pKa=4.88
酪酸 CH3CH2CH2COOH 88.11 Ka=1.5x10^(-5)  pKa=4.82
コハク酸 (CH2COOH)2
118.09
Ka1=6.3x10^(-5)   Ka2=2.5x10^(-5)
クエン酸 C6H8O7
192.12
pKa1=3.15,       pKa2=4.77,    pKa3=6.40

これらの示性式から明らかなように、極めて簡単な構造の有機物群であり、また、有機酸です。

これらの低分子量有機物は、家畜糞尿のような天然由来の腐敗性有機物に酸化カルシウムCaOを作用させて分解した時の残留生成物に含まれている化学成分です。

この分解反応では、主としてアンモニアからなる揮発性成分も生成されますが、この揮発性成分は大気中に飛散して残留物には残りません。

PTA法(ドッサリース農法)でいう低分子量有機物とは、上記のような成分をいいます。

なお、この低分子量有機物群は家畜糞尿のような天然由来の腐敗性有機物に活性の高い酸化カルシウムCaOを添加し、混合することで得られたものです。

農業資材として用いるためには、極力安価であることが望まれ、その意味では家畜糞尿のような無価値なものが出発原料となります。

このような原料物質は成分の割合や性状が必ずしも常時一定に維持されていることはなく、あるいは厳密な成分比率はほとんど測定の対象とすらなっていない廃棄物であることがほとんどです。

それは、其々の日常生活における有様を考え合わせれば、凡そ、理解できると思います。

その生石灰による分解反応の条件(水分率、生石灰添加率、生石灰の品位、反応時間等)は所定の範囲に維持して反応操作をしても、原料の成分や性状のばらつきがあるため、分解生成物においても成分のバラつきが伴うものと思われます。

このため、必要以上に仔細に分析し、計量しても余り実用的な意味はありません。

むしろ、これまので経験によって蓄積された取り扱いの術を尊重し、かつ、順次得られる科学的な知見を加味して、可能性の領域を広げていくことが望ましいと言えます。

なにぶんにも、最終的が需要先である「作物(植物)」という生命体の挙動については、理論的に解となるものは一切得られている訳ではなく、経験の積み重ねだけが頼りな分野です。

6.2 低分子量有機物の製法

一般的な低分子量有機物の製法を大まかに分類すると次のようになります。

   (1)家畜糞尿等の天然由来の腐敗性有機物を生石灰で分解する製造方法 【生石灰分解】

   (2)天然由来の腐敗性有機物を生物によって分解する製造方法        【腐敗】

   (3)工業的な製法による高純度な低分子量有機物の製造方法         【化学合成】

今日の化学技術の水準では、上記のような低分子量有機物を工業的に製造する方法は枚挙に暇がありません。

このことから、上記(3)の工業的な製法による高純度な低分子量有機物の製造方法については、技術的には多数の手法があります。

しかし、工業的に純度の高い化学物質を製造する方法は、製造コストが高いため、農業資材として使用するには無理があり、ここでは省略します。

さらに、上記(2)の天然由来の腐敗性有機物を生物によって分解する製造方法は、およそ明治、大正時代でも既に行われていた「し尿を腐熟させて下肥(液肥)を作る方法」でもあり、し尿が原料であれば誰でもいつでも手軽に体験できる方法です。

地域の気象条件によっても異なりますが、当地(北海道)ではおよそ10年〜15年程度の熟成(腐熟)期間が必要となります。

仮に、シベリアのような永久凍土帯であれば、マンモスの遺体が出土するような気象条件でもあることから、この熟成期間は極めて長いものとなり、実質的には永久に熟成されないものと考えられます。

勿論、微生物を工夫することである程度の時間を短縮することは可能かも知れません。

この製造方法は、地中の容器にし尿を溜めて蓋をして土を掛けておくだけの簡単なものです。

一般的には、し尿の他にも雑草や落ち葉なども原料として加えます。

太古の昔からの生活に根差したこの方法は、産業革命前の社会においても実施できる有益な方法ではありますが、あまりにも簡単な方法であるため、ここでは触れません。

6.3 家畜糞尿等の天然由来の腐敗性有機物を生石灰で分解する低分子量有機物の製法


第3図(再掲載) PTA法(ドッサリース農法)のフロー図

低分子量有機物を製造する簡便な方法は、家畜糞尿や植物(屑野菜、生ゴミ等)のような腐りやすい天然の有機物を原料とし、これに酸化カルシウム(生石灰)CaOを添加して混合して分解する方法です。

この方法であれば、比較的短時間で分解処理が完了します。

ここでは、生石灰処理についてその概要を記します。

生石灰CaOについて

生石灰CaOは、酸化カルシウム・生石灰(せいせっかい、または、きせっかい)と言われる化学物質です(分子量56)。

地球規模で普遍的に存在する石灰石(サンゴの化石で主成分はCaCO3)を900℃以上の温度に加熱して得られます。

   CaCO3 = CaO + CO2 

生石灰を水に溶解すると発熱し、水酸化カルシウム(Ca(OH)2:消石灰:MW=74)を生成し、アルカリ性を呈します。

   CaO + H2O = Ca(OH)2     僣°= −65.17kJ/mol(-15.5kcal/mol)

   Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH-    Ksp = 5.5×10^(-6)

生石灰は水に溶解した時点で、水和反応によって消石灰Ca(OH)2となるため、水に対する溶解度は消石灰の溶解度となります。

   Ca(OH)2の溶解度 : 0.17g/100ml(25℃)

   消石灰の飽和水溶液のpH=12.48

6.3.1 原料は主として家畜糞尿で充当可能

天然由来の腐敗性有機物に生石灰を作用させて低分子量有機物を得る方法の最大の利点が、その原料の安さにあります。

今の日本の平均的な感覚からすれば、家畜糞尿や生ゴミ、野菜屑というような腐敗性有機物は廃棄物とされ、経済的な価値はありません。

むしろ家畜糞尿や食品製造工程から排出される食品廃棄物は法的には産業廃棄物と規定され、また、一般の家庭で発生する生ゴミは一般廃棄物と規定され、各々適正な処理をすることを求められていることから、負の経済的価値しか持ちえないものと思われています。

このため、家畜糞尿、生ゴミ、野菜屑というような天然由来の腐敗性有機物を原料とする限り、もっとも安価な原料となり得ます。

これらの原料は、一般には廃棄物と考えられているために、品位が整わない可能性が高い原料です。

しかし、これ以上に安価な原料がないことから利用されています。

おなじ天然由来の有機物としては木質類がありますが、形状的に大きいために生石灰による分解には困難性が高いといえます。

既に、私たちの周囲には膨大な量の家畜糞尿があることから、それ以外の原料は対象から除外される傾向があります。

因みに、日本国内では毎年約8000万トン以上の家畜糞尿が発生しており、これは大雑把にいえば

国民一人当たり毎日2kgの家畜糞尿発生量となります。

さらに、大雑把にいえば、この家畜糞尿をPTA法(ドッサリース農法)でリサイクルすることで、約600gを超える農産物量になり、日本の耕種農業の殆どを充当できる資材量となります。

野菜や果物は、丁寧に扱えば「廃棄」はしなくてもよいものであり、それらをPTA法の原料とする必要はありません。無駄にしない利用方法を考えれば良いことです。

しかし、家畜排せつ物は、発生を止めることはできず、そうであれば、感染性病原体を完全に断ち切り、衛生的なものとして活用することが不可欠の物質といえます。

この理由から、PTA法(ドッサリース農法)では、原料として家畜排せつ物を主たる原料と想定しています。

ただ、PTA法(ドッサリース農法)の原理上、家畜糞尿以外の野菜くず・生ゴミ・食品工程の脱水ケーキ(食品原料)・雑草等幅広い天然由来の腐敗性有機物が原料として利用できます。

6.3.2 反応剤:酸化カルシウム(生石灰)CaO

低分子量有機物を製造するには、酸化カルシウムCaOと家畜糞尿等のような天然由来の腐敗性有機物を混合して、分解処理をします。

この場合の反応機における反応処理時間は凡そ10分間程度です。

明治・大正時代に行われていたし尿を原料とする下肥の製造には、およそ10〜15年という長い期間を要しますが、PTA法の処理では、10分間程度の処理時間であり、今日の時間感覚に適合します。

この分解反応に使用する酸化カルシウムは、反応時間を適正に短縮するために、活性度の高い酸化カルシウムを使用します。

また、生石灰にはマグネシウムMgが混在しているものもありますが、この分解反応で必要なものは酸化カルシウムCaOであり、マグネシウムは不純物、反応阻害物質として作用するため、できるだけカルシウム純度の高いものが望ましく、活性度の高いものが好ましいと言えます。

しかし、酸化カルシウムCaOの原料となる石灰岩は、世界的な規模で普遍的に存在する鉱物資源であり、日本ですら十分に自給できる資源です。

このことから、天然由来の腐敗性有機物を分解する酸化カルシウムCaOに関しては、世界中のどの地域においても供給に問題はありません。

太古の時代のサンゴ礁の化石とされる石灰岩が生石灰の原料となります。

石灰石(炭酸カルシウム:CaCO3)を破砕し、高温で焼成することで生石灰CaOとなります。

この分解反応で使用する酸化カルシウムCaOとしては、純度の高い酸化カルシウムCaO(純度95%以上)で、活性が高いものが望ましいとされています。

この活性とは、「水和活性」とも解されるもので、ビーカースケールの反応試験では、水と反応した時に急速に水和反応が進行し、理論的に予測される水和熱が数秒という短時間内に発生し、爆発的な水和反応が進行するような酸化カルシウムを言います。



6.3.3 酸化カルシウムCaOによる分解処理


 鶏糞の生石灰処理のフローシートの例

鶏糞は、異物の混入の恐れの少ない原料であり、多くの場合、異物の分別設備を必要としません。

 また、鶏糞は生石灰による反応処理条件に比べ、水分が少ないために水を加えて水分を調整します。

鶏糞の発生・収集と処理の作業の時間的なズレを調整するために、予め水分調整した原料をタンクに貯蔵することもあります。

牛豚の場合には、敷料や洗浄水は施設によって違うため、ここでは例示していません。

主として、敷料や異物に関する破砕・分別と、水分調整に配慮した処理フローとなります。

さらに、生ゴミ・野菜くず・食品残渣・脱水ケーキのような原料は、其々に特徴があるため、それに対応した前処理がなされます。


【生石灰処理のあらまし】

この分解処理操作は、天然由来の腐敗性有機物(家畜糞尿や植物残さ等)に酸化カルシウムCaOを作用させて化学的に分解して、低分子量有機物を生成する操作です。

化学物質を作用させて高分子量有機物を低分子量有機物とする操作であるため、原則として、処理原料の物理的な形状は細かな状態であることが望ましく、その意味では家畜糞尿が予め細分化された原料であり、最も望ましものの一つと言えます。

雑草や野菜、植物といった天然由来の腐敗性有機物では、そのままの形状では粗大すぎるため、予め、細かく破砕する必要があります。

しかし、このような予備的な破砕に格別の技術的困難性はなく、原料の性状によって適切な破砕機(粉砕機、グレーダー等)を選定して用いれば粉砕できます。

このように細分化された原料に酸化カルシウムCaOを添加して、約10分間程度攪拌して分解します。

この分解処理は、簡便な方法としては回分式反応機によって行われます。

反応処理の一例としては、

    原料の水分状態  約90%

    生石灰純度    >95%(高活性のもの)

    生石灰添加率   約15%(原料重量の)

    原料初期温度   常温

    反応時間      約10〜15分間

というものです。

この分解処理に特徴的な事柄は、大量にまとまった量の原料が得にくい点です。即ち、飼育する家畜・家禽の頭数に由来する排せつ物しか得られないことです。

代表的な肥料の一つである「窒素肥料」でいえば、工業的に大規模な空中窒素の固定プラント(アンモニア製造プラント)が建設されて、膨大な量のアンモニアが生産されています。

そこを拠点にして広大な地域で使用する窒素肥料が生産されます。

このような化学プラントは、合理的な計画の下で設置されている限り、規模が大きいほど窒素肥料の生産コストは下がります。

しかし、家畜糞尿や野菜屑のような物質は、一か所から大量に発生するものではなく、また、遠方から大量に輸送して入手する、という性格の物質ではありません。

仮に、家畜糞尿についてみれば、その発生量は家畜に与えた飼料の量に比例して必然的に決まるものであり、それを無視して大幅に上回る量の家畜糞尿量は得られません。

また、日本ではこのような物質は「産業廃棄物」に規定され、都道府県の境界を越えて移送することには困難性を伴います。

このことから、一般的には処理施設の処理規模はあまり大きなものではありません。

この分解反応によって、反応機内の温度は上昇し、アンモニアが発生します。

一般的な家畜糞尿の色調は黒褐色ですが、反応処理後は白色或いは淡黄色になり、全体として滑らかなスラリーとなります。

この反応生成物は、pH12以上の強いアルカリ性の滑らかなスラリーです。

このスラリーを適宜貯蔵して、スラリーのままで圃場に散布してもよく、また、屋根を設けた乾燥ヤードの床面にスラリーを展開して、攪拌パドルによる攪拌を行い、通風乾燥によって乾燥粉末状としてから圃場散布しても構いません。

ただ、いずれにしても反応機での約10分間の反応処理以後においても、反応物は反応機内と同様に強いアルカリ性の環境に保たれているために、家畜糞尿に含まれている様々な原料由来の汚物はアルカリ性の影響を受け続け、仮に約10分間の反応機内の滞留期間に処理を受けなくても、引き続く強アルカリ環境のために殺菌・分解処理をうけることになります。


なお、家畜糞尿の物性や性状は、概ね飼育する家畜が決まればどのような家畜糞尿が発生するかは、共通しています。

しかし、生石灰分解処理は施設の洗浄廃水をも含めて同時に処理するケースが大半であり、施設洗浄の頻度など施設全体を勘案して、処理すべき家畜糞尿の性状(濃度と発生量と異物の状況))を的確に把握して、生石灰処理施設を計画します。

 生ゴミ・浮き草・アオコや食品製造工程から生じる野菜屑、雑草のようなその他の天然由来の腐敗性有機物はPTA法の原料となり得るものですが、あまりにも多種多様なものがあり、その性状も個々に異なるためここでは触れません。


6.4 鶏糞を生石灰処理した場合の物質の推移



ここでは、生石灰処理の一例として鶏糞を例にし、その概要を示します。

出発原料として鶏糞を取り上げた理由は、鶏は卵として馴染みのある食材で有り、より多くの人が知っている家畜であり、さらに、家畜排せつ物を取り出す際に「水」や「藁」「モミガラ」のような非排泄物が混合されない状態で取り出しやすい物体で有り、初期条件がある程度安定しているためです。

【餌】

採卵鶏は、凡そ、毎日105gの配合飼料を食べています。

【鶏糞】

採卵鶏は、凡そ、毎日160g程度の鶏糞を排泄します。その水分は75%程度ですが、夏には水っぽくなります。

【鶏糞堆肥】

鶏糞を堆積して、堆肥化処理をして鶏糞堆肥として利用する形態が最も多いかもしれません。

堆肥化処理は、概ね、水分60%として堆積して、高温状態と中温状態を経て水分40%程度の堆肥とします。

鶏糞をそのまま乾燥して、水分を40%としても、その全体の重量は64gであり、このことから、多めにみても鶏糞堆肥の重量は64gを超えることはありません。

鶏糞以外の生ゴミとか木質物質を添加して、最終的に堆肥として取り出される物質の重量を増加させることも考えられますが、ここでは、最終的に64gの鶏糞堆肥ができるものとします。

【生石灰処理のための水分調製】

鶏糞を生石灰処理する場合には、水を加えて水分調製します。ここでは、水分90%に調製する場合を示しています。

生石灰処理の原料重量は400gとなります。

【生石灰】

生石灰処理に用いる生石灰は、高純度で活性の高い生石灰で、ここでは原料重量の15%の生石灰を添加するものとします。

従って、生石灰の添加量は60gとなります。

【生成物:乾燥粉末:便宜上、このHPではドッサリースと称呼しています。】

反応生成物はスラリーですが、これを床に展開して通気乾燥します。結果として、乾燥粉末が得られます。

処理原料の重量の32%程度の重量の乾燥粉末が得られます。ここでは130gの乾燥粉末が得られるものとします。

原料重量に対して32.5%としています。




第6図(再掲載) PTA法からみた採卵鶏1羽の1日の物質収支




第7図(ほぼ再掲載) 同量の鶏糞がもたらす堆肥化処理とPTA法の経済価値の比較


6.5 原料の準備

PTA法(ドッサリース農法)の炭素肥料の製造において、もっとも重要な事柄は「原料の準備」にあります。

家畜糞尿や野菜くずのような有機廃物を、生石灰で分解処理する反応機やその乾燥設備のような設備機器は、機械設備・電気設備・配管・建築設備などで、これまでの実績から簡単に整えることができます。

また、処理操作についても、所定の手順に従って適正に行われます。

そこで、もっとも重要になるのは「原料の準備」です。

家畜糞尿や野菜くずのような有機廃物は、ゴミのような取り扱いを受けている事例が多く、その他の不用な物が混入した雑多な状態になっていることがあります。

家畜糞尿でも、適切に取り扱い、適切に処理することで益になることが判れば、その取り扱いは自ずと変わってきます。

PTA法の製造においては、この原料に対する認識を適正なものとし、異物が入り込まないように配慮して家畜糞尿や野菜くず等の腐敗性有機物を生石灰処理工程に移送することが、個別の生産施設ではもっとも重要な事柄と言えます。

PTA法(ドッサリース農法)が示唆する家畜糞尿等の原料の準備で最も重要なことは、「一般には、有機廃物、とされる汚いものであっても、丁寧に取り扱い、原料にならない異物は極力混入させない」という姿勢です。

これは、実際に作業に従事する人の意識は勿論のこと、これらの原料となる物質が、生石灰処理工程に移送されるまでの過程の取扱(マテリアルハンドリング)、作業手法が適切でなければなりません。

いたずらに作業員に「気持ちの持ち方」のみを云々しても意味はありません。当該業務に従事する以上、作業員の意識に格別な問題はないといえるでしょう。

むしろ、その作業において異物が混入しない設備上の配慮が重要と言えます。


6.6 反応機と反応処理



生石灰処理に用いられる反応機は、回分式のものが選定されています。また、混合方式は横軸多翼型となっています。

見掛け上、処理原料はドロドロの汚物となっていますので、その取扱であれば、概ね、このような反応機が選定されます。

こと日本でいえば、1か所で飼育する家畜の数量もあまり多いものではなく、その排せつ物の量も多いものではありません。

このような理由のためか、1回の処理で充填する原料の重量(水分調整後の状態で)は300s〜1000kg程度となっています。

勿論、充填量を300kgとして計画した反応機には、それを上回る原料は充填できません。

所定の原料を充填した状態で、生石灰が投入されます。

原料と生石灰との混合比率(生石灰の添加率)は、原料によって異なり、予め予備的な試験によって決定します。

ただ、概ね原料重量の7〜15%程度の重量の生石灰を添加している事例が多いでしょう。

この生石灰添加率が高い場合、反応機の上方に備える投入生石灰貯槽が高く、且つ、大きくなり、生石灰コンベアの配置や建屋の構造からして不利となるため、2回に分割して生石灰を投入する場合があります。

生石灰の投入を分割することは、機械設備を小型化することでもあり、反応機を大型化する場合に採用される手法です。

原料を攪拌しつつ生石灰の投入後、反応機内部では徐々に機内温度が上昇します。

生石灰投入後、およそ10分程度の攪拌によって内容物は取り出されます。

反応機下部に設けられた排出口を開き、内容物を下方のタンクに落下させます。

この反応生成物は、一旦、床に薄く展開し、表面に外気を当てて固形化します。

この固まった反応生成物を、乾燥ヤードに移送して、通風しながら攪拌し、粉末の固形物とします。

このようにして製造された粉末が「有機石灰質土壌改良資材」として、約25年以前から市中に流通しています。




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