JP2011240254A - 含窒素有機廃棄物からのアンモニア生成と該アンモニアを肥効成分とした水耕栽培 - Google Patents

Abstract

【課題】含窒素有機物を含有する食品廃棄物の無害化処理と有効利用技術の提供。
【解決手段】含窒素有機物を含有する食品廃棄物を嫌気的に分解してアンモニアを生成させる方法であって、該食品廃棄物を嫌気的に分解するにあたり、食品廃棄物に微生物を添加して密閉した環境下で嫌気的に分解させる第１の分解工程、および第１の分解工程の生成物をアルカリ性に調整しさらに嫌気的分解を行う第２の分解工程を含む食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法、生成アンモニアを肥効成分とする水耕栽培方法および水耕栽培装置。
【効果】食品廃棄物からアンモニアを得るとともに無害化処理することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、含窒素有機物廃棄物を含有する食品廃棄物の分解処理および該処理により生成したアンモニアの植物栽培への利用技術に関するものであり、さらに詳しくは、畜肉残渣などの食品廃棄物を分解処理すると同時にアンモニアを生成させ、このアンモニアを水耕栽培の窒素肥効成分として利用するものである。

畜産、食品工業や家庭・レストラン・ホテルなどから排出される有機廃棄物については適正な処理および利用が求められてきている。例えば、「食品循環資源の再生利用の促進に関する法律」のもとでは、食品の売れ残り、食べ残し、食品の製造過程において大量に発生する食品廃棄物の発生抑制、減量化を推進することにより最終的に処分しなければならない廃棄物の量を減少させるとともに、食品関連事業者（製造、流通、外食など）による食品循環資源の再生利用を促進することが目標とされている。
こうした処理が求められている廃棄物としては、例えば、一般廃棄物（食品が食用に供された後に、または食用に供されずに廃棄されたもの）として食品流通（流通段階）での売れ残り、食品廃棄物、外食、家庭（消費段階）での調理クズ、食品廃棄、食べ残しが対象とされ、また、産業廃棄物として食品の製造、加工または調理の過程において副次的に得られた物品のうち食用に供することができないものや食品製造（製造段階）での動植性残渣などが知られている。

家畜排泄物については、これまで畜産業における資源として、農産物や飼料作物の生産に有効に利用されてきたが、近年、畜産経営の急激な大規模化の進行、高齢化に伴う労働力不足などを背景として、家畜排泄物の利用が困難になりつつある一方、その不適切な管理により地域の生活環境に関する問題も生じ、「家畜排せつ物の管理の適正化及び利用の促進に関する法律」が制定され、かかる問題の解決が図られている。

このような状況のもとで、有機廃棄物を有効に処理することが可能な方法として、微生物による生物処理、例えば、堆肥の製造、メタン発酵法などの様々な処理法が数多く提案され、その一部は既に実用化されている。
例えば、有機廃棄物の堆肥化は製造工程が煩雑で、副資材の投入による容量増加で施設負荷が増加するという問題があり、さらに未熟堆肥の農地散布による土壌の貧酸素状態の助長、作物に対する生育阻害物質の発生などの問題も存在するが、堆肥醗酵装置で発生したアンモニアを含む気体の肥料としての利用も提案されている。

また、嫌気状態でメタン発酵させる方法では、密閉された発酵槽内に有機性廃棄物を含有する液を導入し、そこで嫌気性メタン菌により有機物を発酵させてメタンを主成分とするガス成分を脱離させ、残った脱離液を液肥などとする。発生したガス成分はガスタンクなどに貯蔵し暖房用燃料、発電機の燃料などに利用される。このような嫌気状態でメタン発酵させる方法は、密閉された発酵槽内で有機性廃棄物が処理されるので、周囲に悪臭や病原生物を拡散するという問題を発生しないという利点がある。

こうして有機廃棄物から製造された肥効成分は、土壌改良材、肥料として植物栽培法や、近年国内でも広く普及してきた水耕栽培法との組み合わせにより野菜などの作物を効率よく大量生産する方法としての利用が提案されている。
それらの、廃棄物の醗酵処理工程で発生する生成物の利用について具体的な例を次に挙げる。

有機質廃棄物の発酵利用については、例えば、生ごみが発生した飲食店において発酵させ、これを回収して乳酸菌と放線菌を加えて約３ヶ月放置して発酵させて有機肥料として利用され、発酵物の一部は微生物の供給用として飲食店に搬入され、生ゴミと混ぜ合わされる方法が提案されている（特許文献１）、また、発酵技術は有機質廃棄物の分解消滅処理することにも利用され、高含水率の有機質廃棄物に微生物を添加し、水とガスに分解消滅させるにあたり、発酵分解、消滅させる処理槽内に光を当てることによる好気性、通性嫌気性および光合成微生物を利用した悪臭の発生を抑制した高含水率の有機質廃棄物消滅装置が提案されている（特許文献２）。

有機廃棄物のメタン発酵にあっては、発酵後の消化液からＮＨ_３およびＣＯ_２を分離した後、逆浸透膜を用いて浄水を分離した残液を濃縮・乾燥して肥効促進剤を含む肥料を得る肥効促進剤入り肥料を製造する方法が提案されている（特許文献３）。
メタン発酵と植物工場で植物を栽培する栽培工程との組み合わせを利用したシステムの例としては、栽培工程において発生する栽培残渣をメタン発酵させるメタン発酵工程と、メタン発酵工程で生成するバイオガスを燃料として熱併給型発電装置に供給して発電する発電工程もしくはバイオガスを燃料としてボイラーに供給して燃焼させる燃焼工程とを有し、発電工程もしくは燃焼工程で発生する電気、熱、炭酸ガスのうちで少なくとも何れかを栽培工程で消費する資源として植物工場へ供給することにより、生ごみ、家畜糞尿、施設栽培の栽培残渣などの有機性廃棄物を施設栽培に必要な資源として利用する循環型施設栽培方法（特許文献４）や、植物の出荷計画状況を割出す出荷管理コンピュータを備え、これで栽培施設の環境制御用コンピュータを制御するとともに、メタン発酵プラントシステムから上記栽培施設に出力される電力を制御してメタン発酵プラントシステムを植物の出荷の計画状況に応じて適正に制御可能とする植物の栽培システムが提案されている（特許文献５）。

堆肥を製造する工程で得たガスの利用としては、堆肥内の気体を吸引し水と接触させることにより、気体中の肥料成分及び堆肥由来の菌群を、水に吸収させ、水中で酸化作用を起こし硝酸化成させ、吸着後の液を、植物栽培に利用することで、液中の窒素分と堆肥由来の菌群を植物に供給し、植物について良好な生育環境を生み出すことができ植物栽培が提案されている（特許文献６）。

特開２００７−２８９８７９号公報 特開平９−１８７７５３号公報 特開２００３−２７７６号公報 特開２００３−２３８８７号公報 特開２００３−９６６３号公報 特開２００６−８９３６２号公報

含窒素有機物を含有する食品廃棄物、例えば、エキス製造工程において抽出残渣物として原料畜肉（骨含む）、野菜類の混合物が発生する残渣物はタンパク質を多く含むことから腐敗しやすく、そのため一部を乾燥して土耕肥料化する以外は食品廃棄物として焼却などにより処分されていた。しかしながら、本発明者らは、タンパク質は窒素・炭素・酸素・硫黄などから成る高分子化合物であり、微生物的あるいは化学的に低分子化合物へと分解することができること、このとき発生するアンモニアは気体で水に溶けやすいため容易に捕集することができること、アンモニアは植物栽培において必要な窒素肥料をして活用することができ、残渣中のタンパク質の分解により生じたアンモニアガスのみを利用すると、残渣が土耕肥料として適さないような場合（食塩を含む、金属やプラスチックなどの異物を含む廃棄物）であっても利用可能であることに着目して本発明に到達した。

植物はアンモニアを吸収することができるが、高濃度のアンモニアは植物毒として作用するため、アンモニアを自然界に広く存在するNitrosomonas属の細菌（亜硝酸菌）とNitrobacter 属、Nitrococcus 属の細菌（硝酸菌）により毒性の無い硝酸へ変換することにより、アンモニア溶解水のｐＨは低下し、植物栽培に適した窒素肥料溶液とすることができ、この溶液にリン、カリウムおよび微量要素と呼ばれる金属塩を加えることで水耕栽培に用いられる養液としての要求を満たすことができる。
すなわち、本発明は、水耕栽培において使用した栽培養液は減少する肥料成分のうち窒素成分については全て、タンパク質を含む有機廃棄物から発生したアンモニアにより継続的に補給を行い、栽培養液中の窒素肥料濃度はアンモニアガスの供給量により制御する。
一方、化成肥料を使用する従来の一般的な水耕栽培では、作物により消費されて栽培養液から減少する肥料成分を硝酸塩やリン酸塩などで補給することで栽培養液の適性組成を維持している。

本発明の目的は、含窒素有機物を含有する食品廃棄物を嫌気的に微生物により分解してアンモニアを生成させるアンモニアの生成と食品廃棄物の処理を同時に行なうことができる技術を提供することにある。また、本発明の目的は、生成したアンモニアを窒素肥料として利用した水耕栽培技術を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）含窒素有機物を含有する食品廃棄物を嫌気的に分解してアンモニアを生成させる方法であって、食品廃棄物に微生物を添加して密閉環境下で嫌気的に分解させる第１の分解工程、および第１の分解工程の生成物をアルカリ性に調整しさらに嫌気的分解を行う第２の分解工程を含むことを特徴とする食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
（２）含窒素有機物を含有する食品廃棄物が、食肉エキス廃棄物、畜肉残渣、または厨芥類である上記（１）に記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
（３）分解工程が、３０から８５℃の範囲で行われる上記（１）または（２）記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
（４）第１の分解工程が、２５〜６０日間行なわれる上記（１）から（３）のいずれかに記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
（５）第１の分解工程の生成物をｐＨ７．５〜１０に調整する上記（１）から（４）のいずれかに記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
（６）第１の分解工程の生成物に、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化カリウム、苛性ソーダ、アンモニア、炭酸ナトリウム、草木灰、またはカンスイを混合してアルカリ性に調整する上記（１）から（５）のいずれかに記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。

（７）含窒素有機物を含有する食品廃棄物を収納し、これを嫌気分解させてアンモニアを発生させる嫌気分解槽、嫌気分解槽へのアルカリ添加装置を有することを特徴とする上記（１）から（６）のいずれかに記載のアンモニア生成方法を実施するためのアンモニア生成装置。
（８）上記（１）から（７）のいずれかに記載の方法により生成したアンモニアを水耕栽培における栽培養液に吸収させ肥効成分とすることを特徴とする水耕栽培方法。
（９）栽培養液に吸収させたアンモニアの少なくとも一部を硝酸態窒素に変換する上記（８）に記載の水耕栽培方法。
（１０）栽培養液にアンモニアガスを吸収させるにあたり、アンモニアガスの流入量を調整することにより栽培養液のｐＨ値を制御する上記（８）または（９）に記載の水耕栽培方法。
（１１）栽培養液に吸収されなかったアンモニアを第１の分解工程に循環させる上記（８）から（１０）のいずれかに記載の水耕栽培方法。

（１２）含窒素有機物を含有する食品廃棄物を収納し、これを嫌気分解させてアンモニアを発生させる嫌気分解槽、嫌気分解槽へのアルカリ添加装置、嫌気分解槽より発生したアンモニアを栽培養液に吸収させる吸収槽、アンモニアを吸収した栽培養液を水耕栽培の栽培養液槽に循環させる循環装置、および栽培養液槽を有する水耕栽培設備を配設したことを特徴とする食品廃棄物から生成したアンモニアを窒素源として利用する水耕栽培装置。
（１３）栽培養液に吸収されたアンモニアの少なくとも一部を硝酸態窒素に変換するアンモニア変換槽を有する上記（１２）に記載の水耕栽培装置。
（１４）アンモニア変換槽に、硝酸菌を固定化した多孔質体と空気供給装置が配設されている上記（１２）または（１３）に記載の水耕栽培装置。
（１５）嫌気分解槽とアンモニア吸収槽が閉回路で結合され、アンモニア吸収槽で吸収されなかったアンモニアが嫌気分解槽に循環される上記（１２）から（１４）のいずれかに記載の水耕栽培装置。
（１６）アンモニア吸収槽に、栽培養液中に不足する肥効成分を補充する肥効成分補充装置が備えられている上記（１２）から（１５）のいずれかに記載の水耕栽培装置。
（１７）嫌気分解槽から吸収槽へのアンモニアガスの流入量を調整して栽培養液のｐＨ値を制御する流量制御装置を備える上記（１２）から（１６）のいずれかに記載の水耕栽培装置。

本発明により次のような効果が奏される。
（１）含窒素有機物を含有する食品廃棄物、例えば、畜肉残渣、を嫌気的に微生物で分解することにより、アンモニアを生成させると同時に該廃棄物を無害な有用物に変換することができる。
（２）硫化水素などの有害成分を含まないアンモニアガスを長期間にわたり得ることができる。
（３）アンモニアガスを水耕栽培の窒素肥料成分として利用することができる。
（４）アンモニアガスを利用した水耕栽培により、従来技術と同等或いはそれ以上の栽培効果を得ることができる。
（５）アンモニア生成と水耕栽培を組み合わせた自動制御の水耕栽培装置を構築することができる。
（６）水耕栽培に必要な窒素肥料成分の全てを食品廃棄物の分解から得ることができる。

アンモニア生成装置と水耕栽培設備を有する本発明の水耕装置を示す。

本発明は、含窒素有機物を含有する食品廃棄物（以下、単に食品廃棄物とも言う。）を嫌気的に微生物で分解してアンモニアを生成させる方法であって、該食品廃棄物を分解するにあたり、食品廃棄物に微生物を混合して密閉した環境下で嫌気的に分解させる第１の発酵工程、および第１の発酵工程の生成物をアルカリ性に調整しさらに嫌気的分解を行う第２の分解工程を含む食品廃棄物からのアンモニア生成方法、生成したアンモニアを植物の水耕栽培における肥効成分とする水耕栽培方法、および、含窒素有機物を含有する食品廃棄物からのアンモニアの生成と水耕栽培を組み合わせた水耕栽培装置からなる。
本発明により、含窒素有機物を含有する食品廃棄物の有効処理と水耕栽培の窒素肥効成分の生成が同時に実現される。

次に本発明について詳細に説明する。
[アンモニアの生成]
[含窒素有機物を含有する食品廃棄物]
本発明では、密封容器内で含窒素有機物を含有する食品残渣などの有機性廃棄物を嫌気的に微生物で分解させる。一般的にタンパク質など硫黄を含む有機物を分解した場合には有毒な硫化水素が多量に発生するが、適切な時期に水酸化カルシウムなどのアルカリ性物質を分解生成物に混合することで、硫化水素が10ppm以下でアンモニア1500ppm以上のガスを発生させることができる。
含窒素有機化合物を含有する食品廃棄物としては、アミノ酸やタンパク質などの含窒素含有物を含有する廃棄物であれば何れのものでも利用することができるが、例えば、エキス製造工程において生成する抽出残渣、食肉や骨の廃棄物、エキス製造工程での不良品、賞味期限を過ぎたエキスなどの食品類などを挙げることができる。該食品廃棄物にあっては、アミノ酸などの窒素含有物質を高濃度に含むものがアンモニアを多量に発せすることができるので原料としては好ましいといえる。

[嫌気的分解工程]
嫌気性分解工程では、アミノ酸やタンパクなどの含窒素物質を嫌気的に分解してアンモニアを生成する微生物が使用される。このような性質を持つ微生物としては、一般的に腐敗細菌と呼ばれる微生物群がある。例えば、シュードモナス属（Pseudomonas)、マイクロコッカス属（Micrococcus)、バシラス属（Bacillus)、クロストリジウム属(Clostridium)などの公知の微生物が利用されるが、嫌気分解槽で生成した分解物を種微生物として使用することができる。食品廃棄物は密閉できる容器内に収納され、嫌気性微生物が添加混合される。該微生物の添加量は、食品廃棄物に対して少量でよく、少量である場合には微生物が増殖して分解するまでに要する期間が長期間となり、多量であれば分解期間は短期間で終了する。微生物による分解温度は好ましくは３０〜８５℃、さらに好ましくは４０〜６０℃で行なわれる。低温では分解反応の進行が遅く、高温では微生物の生育が抑制される。

畜肉残渣などの食品廃棄物を嫌気的に微生物により分解することでアンモニアを得ることができるが、同時に低級脂肪酸、メルカプタンなどの硫黄化合物などの悪臭物質や硫化水素などの有毒物質が発生する。これらは特定悪臭物質として悪臭防止法により規制されており大気への放出は無害化処理を行なった後行なわれる。食品廃棄物は硫黄元素をも含む物質が含まれることが多いので、主に、アンモニアなどの窒素化合物、硫化水素などの硫黄化合物、二酸化炭素、水に分解される。窒素含有物質を含む食品廃棄物をなんら処理することなくそのままの状態で嫌気的分解させると、硫化水素が主に発生する。硫化水素は、有毒で悪臭のあるガスであり有用な用途はないため無害化処理をしても良いが、容器内に充満した高濃度硫化水素は時間の経過とともに自然に減少する。嫌気的分解工程において、一旦硫化水素を発生させた第１分解工程の後、食品廃棄物のｐＨを上昇させて第２の嫌気的分解を行なうとアンモニアが発生する。しかしながら、嫌気分解の当初からｐＨを上昇させておいた場合には、硫化水素が発生するに過ぎずアンモニアは生成されない。

第１の嫌気的分解工程での食品廃棄物は特に処理を加える必要はないが、微生物の活動し易い水分含有量に調整することが好ましく、多量の水を含む場合は脱水処理される。第２の嫌気的分解では、第１の工程での生成物にアルカリを添加混合してｐＨ値を上昇させる。好ましいｐＨ値の範囲は７．５〜１０、さらに好ましくは８〜９の範囲である。ｐＨの値が低すぎると、アンモニアが生成しないかその生成量は少なくなる。ｐＨの値を高くしすぎると微生物の活動が鈍くなり好ましくない。ｐＨの調整には、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、苛性ソーダ、アンモニア、炭酸ナトリウムなどのアルカリが使用される。通常、食品廃棄物に対して０．２〜１０重量％、好ましくは１〜５重量％のアルカリを添加混合してアルカリ性に調整する。具体的には、アルカリ性物質の溶解度と電離度により必要量が変わるが、例えば、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムでは約１重量％以下、水酸化カルシウムでは約５重量％、水酸化マグネシウムでは約１０重量％以上を添加する。

第１の嫌気的分解を行なう期間は、食品廃棄物と添加微生物の量、分解温度などにより影響させるため正確な期間を限定するものではないが、２５〜６０日間行なわれる。第１の分解処理により発生する硫化水素とアンモニアの濃度を測定し、硫化水素の自然低下とアンモニアの発生開始のタイミングを第１の分解処理の終了とすることが好ましい。例えば、硫化水素の値が約１０００ｐｐｍ以下になり、同時にアンモニアの生成が開始された時点をめどに第１の分解処理を停止する。この時点で、第１の分解生成物にアルカリを添加混合して上記ｐＨの範囲に調整する。ｐＨ調整した後の第２の嫌気的分解工程ではアンモニアが生成し硫化水素の生成はほとんど認められない。第２の分解工程はアンモニアの生成が実質的になくなるまで続けられるが、生成したアンモニアの利用が効果的である濃度範囲を外れたならば終了される。
嫌気的に分解処理した後の食品廃棄物は、嫌気性微生物により分解され難い物質のみが残留しているので、その残留物は極少量とすることができる、また、分解処理を適度の段階で停止することにより、分解性生物を肥料、土壌改良材などに利用することが可能となる。

[植物の水耕栽培]
上記のアンモニア生成方法により得たアンモニアガスは水耕栽培に用いられる栽培養液を貯蔵したタンクにポンプにより導入され、アンモニア吸収槽において栽培養液に溶解させて栽培養液にアンモニアを蓄積する。栽培養液中に蓄積したアンモニアはアンモニア変換槽内の多孔質担体に付着させた硝酸菌により硝酸へ変換される。
硝化反応について説明する。硝化反応は、溶存酸素の存在下、すなわち、好気性の条件下において、硝化細菌を用いて、アンモニア性窒素（以下、ＮＨ_４−Ｎと記載）を亜硝酸性窒素（以下、ＮＯ_２−Ｎと記載）または硝酸性窒素（以下、ＮＯ_３−Ｎと記載）まで酸化させる工程である。硝化反応は以下の化学式１および化学式２に示す反応の２段の反応から成っており、関与する硝化細菌の種類は異なっている。すなわち、化学式１に示す反応は、Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobusなどのアンモニア酸化細菌によってもたらされ、化学式２に示す反応は、Nitrobactor, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira などの亜硝酸酸化細菌によってもたらされる。

アンモニアから植物栽培に適した窒素肥料溶液を製造するためには、硝化細菌を大量に増殖させることが極めて重要である。しかし、硝化細菌は、有機物を分解する従属栄養細菌と比較すると、増殖速度が小さく、また、成分変動によって活性阻害を受けやすい。硝化細菌の増殖は滞留時間や溶存酸素濃度を指標として管理されている。
多孔質担体へはポンプにより空気が供給されることで溶存酸素が増加し硝酸菌の増殖に必要な好気的環境が保たれる。培養液に吸収されなかった未吸収ガスはアンモニアと少量の低級脂肪酸やメルカプタンなどの悪臭物質をも含むが、このガスは回収され、閉ざされた循環経路で密封容器に戻されるため外気への悪臭の漏出はない。アンモニアガスのアンモニア吸収槽への流量を調整することにより栽培養液に含まれるアンモニア（アンモニウムイオン）と硝酸イオンの濃度およびpHを調整することができるため、ｐＨ調整剤を使用することなく栽培養液を植物に適したｐＨ値である６．５〜７．５の範囲に保持することができる。

栽培養液には、リン酸、カリウム、微量金属要素からなる肥効成分を補完して栽培設備へと循環させることで水耕栽培が可能となる。水耕栽培により植物に吸収されて消費された肥効成分のうち窒素成分の全ては上記アンモニア生成システムにより供給され、その他の肥効成分は循環される栽培養液の成分を分析して不足分を補給することで継続的な植物の栽培が可能となる。水耕栽培の栽培養液の肥効成分の含有量は、従来の水耕栽培において使用されている組成に調整すればよい。

嫌気分解槽内での有機性廃棄物の微生物による嫌気分解で発生するアンモニアガスは約6ケ月間継続させることが可能である。第２の分解工程が終了した残渣は、例えば、畜肉残渣を原料とするとリン肥料として有用な骨粉を含むみ固形肥料または土壌改良材として活用できる。この栽培方法により、ホウレンソウ、レタス、ネギの栽培試験を行い、化成肥料を用いた従来の水耕栽培法と同等またはそれ以上の収量を得ることができた。

[水耕栽培装置]
本発明の水耕栽培装置は、含窒素有機物を含有する食品廃棄物２を収納し、これを嫌気分解させてアンモニアを発生させる嫌気分解槽１、嫌気分解槽１で生成したアンモニア３をアンモニア吸収槽４への導入量を調整する流量制御装置９、嫌気分解槽１へのアルカリ添加装置、嫌気分解槽１より発生したアンモニアを栽培養液に吸収させるアンモニア吸収槽４、アンモニアを含む栽培養液を水耕栽培の栽培養液槽１２に循環させる循環装置１４および栽培養液槽１２を有する水耕栽培設備１１を配設した構成からなり、食品廃棄物から得たアンモニアを窒素源として利用する。その具体的一例を図１に示す。図１には嫌気分解槽１へのアルカリ添加装置は図示していない。

本発明の水耕栽培装置は、アンモニア吸収槽４において栽培養液に吸収されたアンモニアを硝酸に変換するアンモニア変換槽５を設けてもよく、アンモニア変換槽５はアンモニア吸収槽４に隣接してまたは一体に設けられる。アンモニア（アンモニウム）濃度が上昇すると植物毒として作用するため硝酸態窒素に変換することが好ましい。例えば、自然界に広く存在するNitrobacter 属、Nitrococcus 属の細菌（硝酸菌）によりアンモニアを毒性の無い硝酸へ変換する。その結果、アンモニアを溶解した栽培養液のｐＨ値は低下し、植物栽培に適した窒素肥料溶液となる。これらの硝酸菌は、通常、多孔質体に固定して用いられる。また、硝酸菌は好気性であるため、空気を絶えず送気することにより硝酸菌の活動を促すため、硝酸菌固定多孔質体６とこれに空気を送る送気装置１１が設けられる。

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

２５Lの容積の嫌気分解槽内にエキス抽出工程から発生した畜肉残渣（水分４５〜５５％）を５ｋｇ収納し、土壌由来の嫌気性細菌、例えばClostridium sporogenesを含む自家製発酵堆肥あるいは嫌気分解槽の分解残渣物を１％混合し、密閉したまま３５℃に加温した。この状態で数週間は硫化水素と二酸化炭素のみが発生した。このとき硫化水素の濃度は１８００ｐｐｍ以上にまで増加するがその後徐々に減少するとともにアンモニアが生成し始めた。この時点で嫌気分解槽内の残渣に水酸化カルシウムを1．０重量％添加した。これにより残渣はアルカリ性でｐＨ８．０〜８．５となりアンモニアの揮発が促進され約１０００ｐｐｍ以上の高濃度で継続的に生成した。
なお、水酸化カルシウムを最初から畜肉残渣に混合した場合、畜肉残渣からはアンモニアは発生しなかった。表１に嫌気分解槽内のガス濃度を示す。第１分解工程を３４日経過した時点で終了し、水酸化カルシウムを添加したのち第２分解工程を継続した。

[アンモニアガスの栽培養液への吸収と硝酸への変換]
アンモニアガスの栽培養液への吸収と栽培養液のｐＨ制御について試験を行なった。試験装置の概要は図１に示す。アンモニアガスの生成は実施例１と同様にして行い、栽培養液への吸収はアンモニアガスを吹込むことによった。アンモニアと二酸化炭素の一部が栽培養液に溶解し、溶解しなかったガスは回収し再び嫌気分解槽に戻した。
アンモニアと二酸化炭素を吸収した栽培養液はタンク内に設置された多孔質ガラス製の硝酸菌固定化担体（NitrosomonasおよびNitrobacter 属の硝酸化成細菌を多孔質体に固定）と接触させ、ポンプからの空気の供給を受けた好気的環境下でアンモニアは硝酸態窒素へ変換した。アンモニアガスの吹込みを制御すると共に栽培養液のｐＨ値、硝酸態窒素、アンモニウム態窒素成分を測定して、植物の生育に最適なｐH６．５〜７．５となるように制御した。アンモニアガスの流入量を制御することによりアルカリ、酸などのpH調整剤を使用しなくてもpHを適正レベルに保ったまま硝酸態窒素濃度およびアンモニウム態窒素濃度を増加することに成功した。アンモニアガス供給の停止とアンモニウム濃度の減少にはタイムラグがあり、この間pHは上昇するが、その後急激なpH値の低下と硝酸態窒素が増加を示す特徴が観察できた。このような遅延を考慮することでシステムの自動制御は十分に可能である。試験結果を表２に示す。

[野菜の栽培拭験]
ほうれん草、レタス、小ねぎ、ジャガイモ、の水耕栽培試験を行なった。
栽培養液は、窒素１２０ｐｐｍ（硝酸性窒素１００ｐｐｍ、アンモニア性窒素２０ｐｐｍ）、リン２０ｐｐｍ、カリ５０ｐｐｍ、他に微量成分を含有する組成とし、窒素成分はすべて本発明のアンモニア生成装置から得たものを使用した。
ジャガイモの生育はきわめて順調で草丈３０ｃmになった時点で将来塊茎（イモ）になる茎が養液中に伸びていることを確放した。これに対して、同じ期間土耕栽培で栽培したジャガイモの成長は遅く、草丈10ｃm程度で葉も小さい結果を得た。

実施例３と同様にしてほうれん草、レタス、小ねぎの水耕栽培を湛液型循環式装置にて行った。アンモニア発生器に接続し、アンモニア吸収槽および硝酸への変換器を設けたアンモニア変換槽から栽培養液はポンプにて栽培設装置の栽培養液槽へと循環した。吸収されたアンモニアおよび変換された硝酸を含む栽培養液には窒素以外の肥料成分であるリン酸、カリウム、マグネシウム、カルシウムおよび微量要素と呼ばれる必須金属をそれぞれリン酸２水素カリウム、リン酸水素２カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウムとして添加することにより調整した。なお、微量要素は大塚化学（株）「大塚ハウス５号」肥料を使用した。また、栽培養液のｐＨ調整は水酸化カリウム、水酸化カルシウム、および硫酸を用いて行った。使用した水耕栽培装置は図１に示す。
栽培期間中の栽培養液中のアンモニア濃度をモニタリングし、循環するアンモニアガス流量を調整することで栽培養液のｐＨと窒素（アンモニア、硝酸）濃度を栽培に適正なレベルに制御した。
試験の結果を表３に示すように、収量および平均重量共に従来の水耕栽培に遜色はなかった。

本発明は、含窒素有機物を含有する食品廃棄物を嫌気的に分解して再生利用物として有用物質を回収するとともに廃棄処理対象物の減量化をはかるものであり、食品廃棄物の処理費用の低減、環境汚染の防止に有用な技術を提供するものである。食品製造段階で発生する動植物残渣、食品の流通段階で発生する売れ残り、食品廃棄物、調理くず、食べ残しなどの産業廃棄物または一般廃棄物として処理がなされているが、それらの無害化処理が十分なされているとは言えず不法投棄は後を絶たず、また廃棄物処理場の建設にも住民の合意がなかなか得られない現状を本発明により改善することが可能となる。本発明は、簡便で効率の良い食品廃棄物の処理技術を提供するものであり、食品廃棄物より有害物あるいは有毒物を含有しないアンモニアを得ること、およびこれを植物の水耕栽培における肥効成分として利用する新しい水耕栽培システムを構築するものであり、環境衛生の向上と、食物製造に寄与する有用な技術と提供するものである。

１：嫌気分解槽
２：食品廃棄物
３：アンモニアガス
４：アンモニア吸収槽
５：アンモニア変換槽
６：硝酸菌固定化多孔質体
７：未吸収アンモニア
８：アンモニア移送ポンプ
９：流量制御装置
１０：送気装置
１１：水耕栽培設備
１２：栽培養液槽
１３：栽培植物
１４：栽培養液循環装置

Claims (17)

1. 含窒素有機物を含有する食品廃棄物を嫌気的に分解してアンモニアを生成させる方法であって、食品廃棄物に微生物を添加して密閉環境下で嫌気的に分解させる第１の分解工程、および第１の分解工程の生成物をアルカリ性に調整しさらに嫌気的分解を行う第２の分解工程を含むことを特徴とする食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
2. 含窒素有機物を含有する食品廃棄物が、食肉エキス廃棄物、畜肉残渣、または厨芥類である請求項１に記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
3. 分解工程が、３０〜８５℃の範囲で行われる請求項１または２に記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
4. 第１の分解工程が、２５〜６０日間行なわれる請求項１から３のいずれかに記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
5. 第１の分解工程の生成物をｐＨ７．５〜１０に調整する請求項１から４のいずれかに記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
6. 第１の分解工程の生成物に、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、苛性ソーダ、アンモニア、炭酸ナトリウム、草木灰、またはカンスイを混合してアルカリ性に調整する請求項１から５のいずれかに記載の食品廃棄物を原料とするアンモニア生成方法。
7. 含窒素有機物を含有する食品廃棄物を収納し、これを嫌気分解させてアンモニアを発生させる嫌気分解槽、嫌気分解槽へのアルカリ添加装置を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアンモニア生成方法を実施するためのアンモニア生成装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の方法により生成したアンモニアを水耕栽培における栽培養液に吸収させて肥効成分とすることを特徴とする水耕栽培方法。
9. 栽培養液に吸収させたアンモニアの少なくとも一部を硝酸態窒素に変換する請求項８に記載の水耕栽培方法。
10. 栽培養液にアンモニアガスを吸収させるにあたり、アンモニアガスの流入量を調整することにより栽培養液のｐＨ値を制御する請求項８または９に記載の水耕栽培方法。
11. 栽培養液に吸収されなかったアンモニアを第１の分解工程に循環させる請求項８から１０のいずれかに記載の水耕栽培方法。
12. 含窒素有機物を含有する食品廃棄物を収納し、これを嫌気分解させてアンモニアを発生させる嫌気分解槽、嫌気分解槽へのアルカリ添加装置、嫌気分解槽より発生したアンモニアを栽培養液に吸収させる吸収槽、アンモニアを吸収した栽培養液を水耕栽培の栽培養液槽に循環させる循環装置、および栽培養液槽を有する水耕栽培設備を配設したことを特徴とする食品廃棄物から生成したアンモニアを窒素源として利用する水耕栽培装置。
13. 栽培養液に吸収されたアンモニアの少なくとも一部を硝酸態窒素に変換するアンモニア変換槽を有する請求項１２に記載の水耕栽培装置。
14. アンモニア変換槽に、硝酸菌を固定化した多孔質体と空気供給装置が配設されている請求項１２または１３に記載の水耕栽培装置。
15. 嫌気分解槽とアンモニア吸収槽が閉回路で結合され、アンモニア吸収槽で吸収されなかったアンモニアが嫌気分解槽に循環される請求項１２から１４のいずれかに記載の水耕栽培装置。
16. アンモニア吸収槽に、栽培養液中に不足する肥効成分を補充する肥効成分補充装置が備えられている請求項１２から１５のいずれかに記載の水耕栽培装置。
17. 嫌気分解槽から吸収槽へのアンモニアガスの流入量を調整して栽培養液のｐＨ値を制御する流量制御装置を備える請求項１２から１６のいずれかに記載の水耕栽培装置。