JP5797127B2

JP5797127B2 - 製鋼スラグによる堆肥化促進法

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Publication number: JP5797127B2
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Inventors: 伊藤　公夫; 公夫伊藤; 公一遠藤; 修一伊藤
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Description

本発明は、製鉄業の製鋼工程から発生する副産物である製鋼スラグを用いて、家畜排せつ物の堆肥化を促進する方法に関する。

家畜排せつ物は、これまで農産物及び飼料作物生産に有効に利用されてきたが、近年経営規模の拡大や高齢化に伴う労働力の不足等を背景に、自己経営内・地域における家畜排せつ物の有効利用が難しくなりつつある。

また、家畜排せつ物の管理状況は、糞については８割の農家が堆肥盤を有しているものの、屋根等に雨水の流入防止対策が不十分な状況にあり、尿及びスラリーについては２割の農家が素掘り貯留となっていた。「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」（平成１１年法律第１１２号。）における管理の対象となる畜産農家は、これまで家畜排せつ物の処理施設の整備や管理の改善等により、全ての農家において管理基準が遵守されることとなった。「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」の施行状況調査（平成２１年１２月１日時点）の結果は、以下のとおりであった。「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」に基づく管理基準が適用される一定規模以上の畜産農家は、全国で５６１８４戸である。この内、９９．９６％が管理基準に適合している（農林水産省調べ）。しかし、現状では、家畜排せつ物は、まだ有効に利用されているとは言い難い状況にある。特に、家畜排せつ物の中でも牛ふんは、国内で年間約５１９３万トン発生しており、鶏ふん（国内年間発生量約１２８５万トン）、豚ぷん（国内年間発生量約２２９１万トン）よりも発生量が多い。そのため、牛ふんの有効活用は非常に重要である（非特許文献１）。

一方、製鉄業においては、転炉等の製鋼工程で生成される製鋼スラグは、年間１０００万トン程度発生し、ＣａＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２を主成分とし、石灰の脱リン作用より生成されたリン成分等を含んでいる。この製鋼スラグには、酸化鉄の他に塩基性成分（ＣａＯ）が多量に含まれており、ＳｉＯ_２やＰ_２Ｏ_５やＦｅ_２Ｏ_３等と結合していない、いわゆるフリーライムが存在する。製鋼スラグは、フリーライムを含有するために、水和や炭酸化による膨張崩壊を生じることから、有効利用が阻まれていた。これに対して、同じ製鉄業の製銑工程から発生する高炉スラグは、種々な用途で活用されている。例えば、高炉スラグは、セメント用材、コンクリート用細骨材等に用いられて、有効活用されている。

製鉄業から発生するスラグの堆肥化への適用としては、非特許文献２において、乳牛ふんを堆肥化する際に、高炉スラグを乳牛ふんに加えて、堆肥化促進を試みたことが報告されている。また、非特許文献２では、乳牛ふんに大鋸屑と高炉スラグを加えることで、堆肥化促進を試みたことが報告されている。

農林水産省ホームページ／家畜排せつ物の発生と管理の状況（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｆｆ．ｇｏ．ｊｐ／ｊ／ｃｈｉｋｕｓａｎ／ｋａｎｋｙｏ／ｔａｉｓａｋｕ／ｔ＿ｍｏｎｄａｉ／０２＿ｋａｎｒｉ／）伊藤健一・古本史、関西畜産学会報、１５４、１〜６（２００４）

しかしながら、従来の家畜排せつ物の堆肥化については、以下に示す課題があるものと考えられる。

家畜排せつ物として牛ふんを例にすると、通常、牛ふんの含水率は７０〜８０％程度であるが、堆肥化に適切な含水率は５０％程度である。牛ふんの堆肥化では、好気性微生物の働きにより、温度が上昇することによって牛ふんから水が蒸発し、堆肥化に適する５０％程度の含水率にすることができる。しかし、好気性微生物による温度上昇はそれほど速やかに進むものではなく、牛ふんの堆肥化には通常３ヶ月〜６ヶ月程度の長期間を要する。堆肥作成に長期間を要することは、「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」（平成１１年法律第１１２号）に基づいて、屋根のついた屋内施設に作成中の堆肥を長期間保管する必要を生じることになる。牛ふんを屋内施設で長期間保管、管理することは、畜産農家にとって大きな経済的な負担になる課題がある。また、堆肥化に伴って発生するアンモニア等の悪臭物質による環境への影響も長期間配慮しなければならない課題がある。

非特許文献２では、乳牛ふんを堆肥化する際に、製鉄業の製銑工程から発生する高炉スラグを乳牛ふんに加えて、堆肥化促進を試みたことが報告されている。しかしながら、乳牛ふんに高炉スラグを加えて堆肥化を行ったのみでは、高炉スラグを加えない場合と比較して、乳牛ふんの温度上昇に変化は見られず、発酵が促進されなかったことが報告されている。また、非特許文献２では、乳牛ふんに大鋸屑と高炉スラグを層状に加えて切り返しを行うことで、これらを加えない場合と比較して、堆肥化の際に温度上昇がおきたことから、堆肥化を促進できたことが報告されている。したがって、高炉スラグを用いた場合、少なくとも大鋸屑を一緒に層状に加えることが必要であることが示された。また、非特許文献２では、高炉スラグの一種である水砕スラグを用いた場合にも、乳牛ふんに大鋸屑と水砕スラグを層状に加えて切り返しを行うことで、堆肥化を促進できたことが報告されている。

以上のように、従来の知見では、製鉄業の製銑工程から発生する、高炉スラグ及び高炉スラグの一種である水砕スラグを乳牛ふんに加えて堆肥化促進が試みられたのみであり、高炉スラグを単独で牛ふんに加えても堆肥化を促進できない課題があった。したがって、大鋸屑を層状に加えなくても堆肥化を単独で促進できる資材の開発が求められている。また、製鉄業の製銑工程から発生する高炉スラグとは全く性状が異なる、製鋼工程から発生する製鋼スラグを、家畜排せつ物に加えて堆肥化を促進する試みはこれまでに報告がない。

また、家畜排せつ物の中でも、牛ふん堆肥は鶏ふん堆肥と比較して、リン酸、石灰の含有量が低いため、肥料効果が低いことが知られている。このため、鶏ふん堆肥のように化学肥料の代替に牛ふん堆肥を用いることはほとんど行われていない。

そこで、本発明では、上記のような状況に鑑み、家畜排せつ物の堆肥化を促進する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、以下のように、家畜排せつ物に製鋼スラグを加えて、家畜排せつ物と製鋼スラグとを混合することによって、製鋼スラグ単独で堆肥化を促進することに成功し、本発明を完成させた。
（１）家畜排せつ物である牛ふんに製鋼スラグを混合することにより、家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物の温度を混合後４８時間以内に少なくとも５０℃に到達させ、更に、前記家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物の温度を６０℃〜７５℃に到達させて３日以上継続し、含水率を３０〜５０％とする、製鋼スラグによる堆肥化促進法。
（２）混合前の前記牛ふんは、含水率が７０〜８０％である、（１）に記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。
（３）前記製鋼スラグの組成が、質量％にて、ＣａＯ：２０％以上５０％以下、全鉄：８％以上２５％以下、ＭｇＯ：１％以上８％以下、ＳｉＯ_２：１０％以上３０％以下、ＭｎＯ：２％以上１０％以下、全硫黄分（Ｔ−Ｓ）：１％以下（０％を含む）、Ｐ_２Ｏ_５：１％以上２０％以下である、（１）又は（２）に記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。
（４）家畜排せつ物と混合する製鋼スラグの質量割合の下限を次式により算出する、（１）〜（３）のいずれか１つに記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。
Ｙ ≧ １０×（０．７×Ｘ＋０．３）／（２７０×Ｚ−２．４）
Ｙ；家畜排せつ物の質量を１とした場合に加える製鋼スラグの質量割合
Ｘ；家畜排せつ物の含水率
Ｚ；製鋼スラグに含まれるＣａＯの質量割合
（５）家畜排せつ物に製鋼スラグを混合する際に、家畜排せつ物と製鋼スラグの混合物のｐＨが９になる量を、家畜排せつ物への製鋼スラグ添加量の上限とする、（１）〜（４）のいずれか１つに記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。
（６）前記製鋼スラグの粒径が３ｍｍ以下である、（１）〜（５）のいずれか１つに記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。

本発明により、製鉄業の製鋼工程から発生する製鋼スラグを用いて、家畜排せつ物を短期間で堆肥化することが可能になるため、家畜排せつ物の有効利用が促進される。畜産農家、酪農家の負担軽減と、悪臭防止等の環境改善効果も期待できる。また、製鋼スラグを含む家畜排せつ物堆肥（特に牛ふん堆肥）は農作物の栽培に対して肥料効果をもたらすことが期待できる。

実施例１における堆肥作成時の温度測定結果を示すグラフである。実施例４における堆肥作成時の温度測定結果を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

本発明が対象とする家畜排せつ物は、畜産業、酪農業等の家畜飼育で発生する牛ふん、豚ぷん、鶏ふん、馬ふん、羊ふん等である。特に、牛は大規模な飼育がなされており、そこで発生する大量の牛ふんを得ることは容易であるため好ましい。通常、牛ふんの含水率は、７０〜８０％程度であるが、堆肥化に適切な含水率は５０％程度である。牛ふんの堆肥化では、好気性微生物の働きにより、温度が上昇する。しかしながら、好気性微生物の作用のみでは、温度上昇に時間が掛かってしまうため、水の蒸発が進まず、堆肥化に適する５０％程度の含水率に到達するのにも時間が掛かってしまい、堆肥化が効率的に進まないという課題がある。

そこで、本発明では、家畜排せつ物（特に牛ふん）と製鉄業の製鋼工程から発生する副産物である製鋼スラグとを混合することにより、製鋼スラグを混合しない場合と比較して、短時間に家畜排せつ物の温度を上昇させ、家畜排せつ物から効率的に水を蒸発させることによって、堆肥化に適する５０％程度の含水率に短時間で到達させることを可能とし、安価かつ副産物資源を有効に再利用することにより、堆肥化を促進することを可能にしたのである。

ここで、堆肥とは、有機物を微生物によって完全に分化した肥料のことである。有機資材（有機肥料）と同義で用いられる場合もあるが、有機資材が易分解性有機物や未分解の有機物残渣も含むのに対し、堆肥は易分解性有機物を完全に分解したものを指し、コンポスト（ｃｏｍｐｏｓｔ）とも呼ばれる。一方で、昔ながらの植物系残渣を自然に堆積発酵させたものが堆肥であり、強制的に急速に発酵させたものがコンポストであるとする意見もある。本発明では、堆肥、コンポストを同義として扱う。

そして、有機物の分解は、主に大量に酸素を消費する好気性微生物によって行われる。堆肥原料中の酸素は好気生微生物により大量に消費されるため、堆肥原料に酸素を供給することが重要になる。仮に原料に酸素が供給されない場合には、嫌気性微生物が増殖する。嫌気性微生物は、好気性微生物の呼吸代謝による有機物分解とは異なり、主に発酵代謝により有機物を分解する。発酵代謝は、分解速度の低下、温度上昇の抑制、酢酸や酪酸等の酸の生成による原料ｐＨの低下、悪臭源の生成等を行うため、嫌気性微生物は堆肥化には不向きである。そこで、好気性微生物が増殖し易いように、藁等の混合による通気性の確保や、送風による通気性の確保を行う必要がある。また、堆肥原料の水分量（含水率）が多い場合、堆肥原料の通気性が確保されず、酸素が供給し難いという問題がある。また、堆肥原料の粒度が大きい場合も粒の内部まで酸素が到達せず、内部の分解が十分に行われないという問題がある。

ところで、微生物は、水の中で生息し増殖する。そのため、基本的には、家畜排せつ物の水分量（含水率）は高い方が良い。しかし、水分量が多いと通気性の確保が困難となるため、水分量を多くし過ぎると結果的に分解速度が低下してしまう。一般的には、５０％程度の含水率が良いと言われている。適正な含水率に保つため、水分が少ない場合は加水を行い、水分が多い場合は藁等の副資材の混合や加熱を行うことで、含水率の調整を行う。特に、牛ふん等の高含水率の原料は、機械的に圧力を加えて搾り、固液分離を行う場合もある。

また、堆肥化が活発に行われる温度帯は二つあり、これには２種類の微生物群が関係している。一つは、中温域（３０〜５０℃）で活性を持つ中温菌群であり、活性のピークは４０℃前後にある。もう一つは、高温域（５０〜８０℃）で活性を持つ高温菌群であり、活性のピークは６０〜７５℃にある。分解の速度は高温域の方が高く、衛生面からも高温域まで温度を上昇させ、病原細菌、病虫卵、ウイルス、雑草種子の不活性化を行うことが好ましい。アメリカ環境保護庁では、５５℃以上の温度に３日間以上曝すことを求めている。コンポスターや堆肥化施設で堆肥化を行う時、加熱を行うことで強制的に温度を上げる場合がある。加熱を行わない場合には、堆肥を堆積させ堆肥による断熱を行うことで、高温域まで温度が上昇し易い。また、温度が順調に上昇しない場合は、他の環境因子が適切でない可能性がある。このことから、温度は、堆肥化が適切に行われているかを調査する指標の一つになっている。

まず、本発明で使用する製鋼スラグについて説明する。
本発明で使用する製鋼スラグは、製鉄業の製鋼工程から、転炉スラグ、溶銑予備処理スラグ、脱リンスラグ等として得られるものである。これらを単独、あるいは適宜組み合わせて混合したものを、本発明では製鋼スラグとして使用することが可能である。

次に、本発明で使用する製鋼スラグの組成と、製鋼スラグを家畜排せつ物と混合することで、堆肥化開始時に短時間で温度上昇するメカニズムについて説明する。

本発明で使用する製鋼スラグの組成は、質量％で、ＣａＯ：２０％以上５０％以下、全鉄：８％以上２５％以下、ＭｇＯ：１％以上８％以下、ＳｉＯ_２：１０％以上３０％以下、ＭｎＯ：２％以上１０％以下、全硫黄分（Ｔ−Ｓ）：１％以下（０％を含む）、Ｐ_２Ｏ_５：１％以上２０％以下からなる組成を有する製鋼スラグである。

製鋼スラグに含まれるＣａについて説明する。
製鋼スラグに含まれるＣａは、生石灰ＣａＯ、ダイカルシウムシリケート２ＣａＯＳｉＯ_２、トリカルシウムシリケート３ＣａＯＳｉＯ_２等の化学形態で存在する。通常、製鋼スラグの組成を表す場合には、全ＣａをＣａＯ含有量として表示する。生石灰ＣａＯは、家畜排せつ物に含まれる水と反応して消石灰Ｃａ（ＯＨ）_２となる際に発熱し、堆肥化の初期における温度上昇促進に寄与する。また、生石灰ＣａＯが水と反応した後に生ずる消石灰Ｃａ（ＯＨ）_２は、製鋼スラグによるアルカリ化の主要な原因成分である。通常、家畜排せつ物の堆肥化では、酸素を十分供給した条件で堆肥化を実施すると好気性微生物の働きでタンパク質等の分解が進み、アンモニアが発生することで堆肥のｐＨが８〜９程度のアルカリ性に保たれて、良質な堆肥ができることが報告されている。一方、酸素の供給が不十分な場合には、嫌気性微生物の働きにより有機酸等が発生して堆肥が酸性化してしまい、品質の悪い堆肥ができることも報告されている。したがって、製鋼スラグに含まれるＣａＯは、ｐＨ調整の点からも、好気性微生物による良質な堆肥作成に寄与する。

なお、堆肥原料のｐＨの影響については、ｐＨが約５以下になると分解が殆ど止まり、ｐＨの上昇と共に分解速度が大きくなり、ｐＨ８〜９で最大となる。ｐＨを変化させる要因は、酸性の場合、嫌気状態によって嫌気性微生物が乳酸や酢酸等の酸を生成することである。アルカリ性に傾く場合は、良好な堆肥化が起きている時である。この時は、乳酸や酢酸は分解され、また、タンパク質は、アルカリ性を示すアンモニアに分解されるため、堆肥はアルカリ性になる。大規模な堆肥化処理施設では、原料に消石灰を混合したり、完全に堆肥化されアルカリ性になった堆肥を混合したりして、強制的にアルカリ性にする場合もある。

ＣａＯ含有量が２０質量％未満の製鋼スラグでは、製鋼スラグに含まれる生石灰ＣａＯによる温度上昇効果が不十分となる可能性がある。また、ＣａＯ含有量が２０質量％未満の製鋼スラグでは、製鋼スラグに含まれる生石灰ＣａＯが水と反応することで発生するＣａ（ＯＨ）_２によるアルカリ化の効果が弱くなり、好気性微生物による良質な堆肥作成を促進できなくなる可能性がある。

また、ＣａＯ含有量が５０質量％を超える製鋼スラグは、製鉄工程で殆ど発生しないため、入手が困難である。したがって、本発明で使用する製鋼スラグのＣａＯ含有量は、２０質量％以上５０質量％以下であることが好ましい。また、製鋼スラグのＣａＯ含有量は、更に好ましくは、４０質量％以上５０質量％である。

尚、製鋼スラグのＣａＯ含有量は、例えば、蛍光Ｘ線分析法により測定可能である。

次に、製鋼スラグに含まれる鉄について説明する。
製鋼スラグは、鉄をＦｅ_２Ｏ_３、ＦｅＯ、金属鉄として含む。堆肥化の促進では、製鋼スラグに含まれる金属鉄及びＦｅＯも、酸化によって初期の温度上昇促進に寄与する特長がある。したがって、金属鉄、ＦｅＯの含有量が高い製鋼スラグを用いることが好ましいが、製鋼スラグの鉄の含有量は、塩化チタン（ＩＩＩ）還元二クロム酸カリウム滴定法により全鉄分を測定するため、ここでは全鉄含有量で組成を記述する。

製鋼スラグの全鉄の含有量が８質量％未満の場合には、堆肥化の温度上昇に寄与する十分な量の金属鉄、ＦｅＯを供給することができない可能性がある。したがって、製鋼スラグの全鉄の含有量は、８質量％以上であることが好ましい。一方、全鉄の含有量が２５質量％を超えるような製鋼スラグは製鉄工程で殆ど発生せず、入手が困難である。したがって、全鉄：８質量％以上２５質量％以下の製鋼スラグを用いることが好ましい。

次に、製鋼スラグに含まれるＭｇについて説明する。
製鋼スラグは、Ｍｇを酸化マグネシウムＭｇＯとして含む。ＭｇＯは、生石灰ＣａＯと同様に水と反応して、Ｍｇ（ＯＨ）_２となる。Ｍｇ（ＯＨ）_２は、アルカリ化の原因物質である。前記のように堆肥のｐＨを８〜９の弱アルカリ性に保つことにより、好気性微生物により良質な堆肥ができることが報告されている。したがって、製鋼スラグに含まれるＭｇＯは、ｐＨ調整の点からも、好気性微生物による良質な堆肥作成に寄与する。また、Ｍｇは、堆肥化を担う好気性微生物の栄養塩としても重要である。製鋼スラグのＭｇＯ含有量が１質量％未満の場合には、これらＭｇＯによるｐＨ調整効果、堆肥化を担う好気性微生物へのＭｇ供給効果が、不十分となる可能性がある。

また、ＭｇＯ含有量が８質量％を超える製鋼スラグは、製鉄工程で殆ど発生しないため、入手が困難である。したがって、ＭｇＯ含有量は１質量％以上８質量％以下となることが好ましい。尚、製鋼スラグのＭｇＯ含有量は、例えば、蛍光Ｘ線分析法により測定可能である。

次に、製鋼スラグに含まれるＳｉについて説明する。
Ｓｉは、製鋼スラグ中で主にＳｉＯ_２として存在する。ＳｉＯ_２含有量が１０質量％未満、あるいは、３０質量％を超えるような製鋼スラグは、製鉄工程で殆ど発生しないため、入手することが容易でない。したがって、ＳｉＯ_２含有量は、１０質量％未満３０質量％以下が好ましい。尚、製鋼スラグに含まれるＳｉＯ_２の含有量は、例えば、蛍光Ｘ線分析法により測定可能である。

次に、製鋼スラグに含まれるＭｎについて説明する。
Ｍｎは、製鋼スラグ中で主にＭｎＯとして存在する。ＭｎＯ含有量が２質量％未満、あるいは、１０質量％を超える製鋼スラグは、製鉄工程で殆ど発生しないため、入手が困難である。したがって、ＭｎＯ含有量は２質量％以上１０質量％以下が好ましい。尚、製鋼スラグのＭｎＯ含有量は、例えば、蛍光Ｘ線分析法により測定可能である。

次に、製鋼スラグに含まれるＳについて説明する。
Ｓは、製鋼スラグには殆ど含まれない。但し、脱硫スラグとして硫化物Ｓ^２−の含有量を高めた製鋼スラグがある。Ｓ^２−は強力な還元剤であり、酸化還元電位を低下させることにより、嫌気性微生物にとって有利な環境を形成する要因となる。好気性微生物による堆肥化を促進するためには、硫化物Ｓ^２−の含有量がなるべく低い製鋼スラグを用いることが好ましい。したがって、本発明では、このようなＳ^２−による悪影響を防止するため、製鋼スラグのＴ−Ｓ含有量を、１質量％以下とした。尚、製鋼スラグのＴ−Ｓ含有量は、例えば、酸素気流中高周波加熱燃焼−赤外線吸収法により測定可能である。

次に、製鋼スラグに含まれるリン（Ｐ）について説明する。
リン（Ｐ）は、製鋼スラグで主にＰ_２Ｏ_５の組成で表される。リンは、堆肥化を担う微生物の栄養成分としても重要である。Ｐ_２Ｏ_５含有量が１質量％未満の製鋼スラグ、あるいは、Ｐ_２Ｏ_５含有量が２０質量％を超える製鋼スラグは、製鉄工程で殆ど発生しないため、入手が困難である。したがって、Ｐ_２Ｏ_５含有量は１質量％以上２０質量％以下であることが好ましい。尚、製鋼スラグのＰ_２Ｏ_５含有量は、例えば、蛍光Ｘ線分析法により測定可能である。

家畜排せつ物の堆肥化では、前記の製鋼スラグ含有成分の生石灰や金属鉄に起因する温度上昇の他に、家畜排せつ物に存在する好気性微生物による有機物の酸化分解により、温度が上昇する。製鋼スラグに含まれるリン、カルシウム、マグネシウム、鉄、マンガン等の各種ミネラルも、これら好気性微生物に必須の元素である。家畜排せつ物に製鋼スラグを混合することによって、これらミネラルが好気性微生物に供給されて、好気性微生物の増殖、有機物分解活性を促進することによっても、家畜排せつ物の堆肥化に伴う温度上昇が促進されると考えられる。

温度が上昇することで家畜排せつ物から水が蒸発することによって、含水率を堆肥化に適する３０％〜５０％程度の含水率により短時間で到達することができる。このように好気性微生物による温度上昇により堆肥化を進めるための目安として、堆肥化を開始してから５０℃以上の高温域に到達するために要する時間を使用することができる。そこで、本発明は、家畜排せつ物からの脱水と堆肥化が効率よく進む、５０℃以上の高温域に家畜排せつ物の温度が到達する時間に着目して、家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物の温度が混合後４８時間以内に５０℃に到達することを堆肥化促進の指標として用いた。勿論、５０℃以上の温度の到達するために要する時間は、堆肥作成開始時の初期温度や周囲の大気の温度によっても影響を受ける。しかしながら、堆肥作成開始時の初期温度や周囲の大気の温度が同じ条件で比べた場合、家畜排せつ物と製鋼スラグとを混合することによって、混合しない場合と比較して、５０℃以上の温度に到達するために要する時間を短縮することが可能である。概ね、家畜排せつ物と製鋼スラグを混合した場合、４８時間以内に５０℃に到達できる。

尚、製鋼スラグには吸湿性があるため、前記のように発熱による温度上昇に起因する水の蒸発のみならず、家畜排せつ物に含まれる水が、製鋼スラグと混合することで製鋼スラグに吸湿される効果によっても、家畜排せつ物の含水率を下げることが可能である。

家畜排せつ物に対する製鋼スラグの混合量についてであるが、本発明では次式に基づき、家畜排せつ物と混合する製鋼スラグの質量割合の下限を算出することが好ましい。
Ｙ ≧ １０×（０．７×Ｘ＋０．３）／（２７０×Ｚ−２．４）
Ｙ；家畜排せつ物の質量を１とした場合に加える製鋼スラグの質量割合
Ｘ；家畜排せつ物の含水率
Ｚ；製鋼スラグに含まれるＣａＯの質量割合

本式の意味について、以下説明する。

本発明で、堆肥化の初期の温度上昇で利用する反応は、製鋼スラグに含まれる生石灰ＣａＯが家畜排せつ物に含まれる水と反応する際に発生する発熱反応と、製鋼スラグに含まれる金属鉄が酸化する際に発生する発熱反応である。但し、後者に関しては、製鋼スラグを大気中に保管することで反応が進んでしまうため、製鋼スラグを酸素のない条件で保管するか、あるいは、粉砕後直ちに使用する場合に発熱が期待できる。

したがって、通常の使用条件では、製鋼スラグに含まれる生石灰ＣａＯが家畜排せつ物に含まれる水と反応する際に発生する発熱反応が、主要な反応となる。

生石灰ＣａＯが水と反応して消石灰Ｃａ（ＯＨ）_２になる反応は、
ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）_２
ΔＨ＝−１５０３６［Ｃａｌ／ｍｏｌ］＝−２７０［ｋＣａｌ／ｋｇ］
である。

家畜排せつ物の質量をＷ［ｋｇ］、含水率をＸとすると、家畜排せつ物に含まれる水の質量はＷＸ［ｋｇ］となり、家畜排せつ物の乾物の質量はＷ（１−Ｘ）［ｋｇ］となる。

また、生石灰ＣａＯを質量割合でＺ含む製鋼スラグを前記家畜排せつ物の質量を１とした場合に、質量割合でＹ加えるとすると、質量Ｗ［ｋｇ］の家畜排せつ物に加える製鋼スラグの質量は、ＷＹ［ｋｇ］となる。また、家畜排せつ物に加えられた生石灰ＣａＯの質量は、ＷＹＺ［ｋｇ］となる。

水の比熱を１、家畜排せつ物の乾物の比熱をＣｄ、製鋼スラグの比熱をＣｓとして、Ｗ［ｋｇ］の家畜排せつ物とＷＹ［ｋｇ］の製鋼スラグとの混合物の温度を１０℃高めるために必要な熱量を表すと、以下のようになる。
１０ＷＸ＋１０ＣｄＷ（１−Ｘ）＋１０ＣｓＷＹ
＝１０Ｗ｛（１−Ｃｄ）Ｘ＋ＣｓＹ＋Ｃｄ｝［ｋｃａｌ］

ＣａＯのＷＺＹ［ｋｇ］の発熱により、温度を１０℃高めようとすると、ＣａＯ１［ｋｇ］当たり２７０［ｋｃａｌ］の発熱より、
２７０ＷＺＹ ≧ １０Ｗ｛（１−Ｃｄ）Ｘ＋ＣｓＹ＋Ｃｄ｝
Ｙ ≧ １０｛（１−Ｃｄ）Ｘ＋Ｃｄ｝／（２７０Ｚ − １０Ｃｓ）
となる。

ここで、家畜排せつ物の乾物の比熱Ｃｄ＝０．３、製鋼スラグの比熱Ｃｓ＝０．２４を代入すると、
Ｙ ≧ １０×（０．７Ｘ＋０．３）／（２７０Ｚ − ２．４）
となる。したがって、上式により、家畜排せつ物の含水率（Ｘ）、製鋼スラグに含まれるＣａＯの質量割合（Ｚ）を用いて、堆肥化の初期に家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物の温度を１０℃高めるために必要な製鋼スラグの最小添加量を、計算することができる。但し、製鋼スラグとの混合による堆肥化の初期温度上昇促進効果を安定化させるため、上式から計算される家畜排せつ物と混合する製鋼スラグの質量割合の下限の２倍程度の製鋼スラグを、家畜排せつ物と混合することがより望ましい。

次に、家畜排せつ物と混合する製鋼スラグ量の上限について説明する。

本発明では、家畜排せつ物に製鋼スラグを混合する際に、家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物のｐＨが９になる量を、家畜排せつ物への製鋼スラグの添加量の上限とすることが好ましい。製鋼スラグはＣａＯやＭｇＯのようなアルカリ性物質を含むため、製鋼スラグ単体でｐＨ９．５〜１２．５程度のアルカリ性を示す。通常、家畜排せつ物のｐＨは６程度であるが、家畜排せつ物に製鋼スラグを混合することによって、堆肥化を促進できるｐＨ条件であるｐＨ７〜９にすることが可能である。しかしながら、製鋼スラグを加え過ぎると、ｐＨが９を超えてしまうため、堆肥化を促進するｐＨ条件から外れてしまう。したがって、本発明では、家畜排せつ物に製鋼スラグを混合する際に、家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物のｐＨが９になる量を、家畜排せつ物への製鋼スラグ添加量の上限とすることが好ましい。

尚、前述のように家畜排せつ物の含水量は７０〜８０％程度であるが、より望ましくは、原料となる家畜排せつ物の含水量を７０質量％以上７２質量％以下の範囲に調整後、製鋼スラグを家畜排せつ物に対して例えば１５質量％程度混合することで、効率的な堆肥化促進を行うことが可能である。但し、本発明はこの条件のみに限られるものではない。

次に、家畜排せつ物に製鋼スラグを混合する方法について説明する。

家畜排せつ物と製鋼スラグとを混合する方法は、家畜排せつ物と製鋼スラグとを混合することができる方法であれば、如何なる方法で混合しても構わない。例えば、ホイルローダやマニュアスプレッダを用いて混合すること等も可能である。

尚、本発明が対象とする家畜排せつ物として、牛ふんが最も好ましい。牛ふんは発生量が多いこと、豚ぷんや鶏ふんと比較して、リンや窒素の含有量が少ないため、堆肥としての利用が進んでいないからである。勿論、本発明は、牛ふん以外の、豚ぷん、馬ふん等についても適用可能である。

尚、本発明で使用する製鋼スラグの粒径についてであるが、本発明で使用する製鋼スラグの粒径は、３ｍｍ以下であることが好ましい。製鋼スラグの粒径が３ｍｍを超える場合は、粒径が３ｍｍ以下の場合と比較して、製鋼スラグの比表面積が小さくなるため、製鋼スラグに含まれるＣａＯの加水反応や、製鋼スラグに含まれるＦｅの酸化反応が起こり難くなるため、これらの化学反応による発熱が抑えられて、堆肥作成開始初期の温度上昇効果が小さくなるからである。また、製鋼スラグ含有成分の溶出効率が高いことや、家畜排せつ物との混合で操作性が良いことからも小さな粒径ほど好ましいため、製鋼スラグ粒の粒径は３ｍｍ以下であることが望ましい。尚、製鋼スラグの粒径は、例えば、網目間隔の異なるふるいを用いることにより、どの粒径の範囲にある製鋼スラグであるか測定することが可能である。

また、本発明で使用する製鋼スラグの形態についてであるが、製鋼スラグのままでもよいが、製鋼スラグを破砕して得られる粉体、もしくは、製鋼スラグを破砕して得られる粉体を結合剤により粒状にしたものであってもよい。結合剤は、肥料の造粒に用いるものであれば、どのようなものでも構わないが、例えば、リグニンスルホン酸等を利用できる。

堆肥作成方法としては、例えば、堆積方式、開放型攪拌方式、密閉型攪拌方式等があるが、いずれの方式でも構わない。堆肥の作成において重要なことは、酸素の供給である。堆積方式では、少なくとも１週間に１回以上、家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物に対して、切り返しを行うことによって、堆肥化に必要な酸素を堆積物の内部に供給することが可能となる。開放型攪拌方式では、ロータリー・スクープ等を用いて家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物を攪拌することによって、酸素を供給することが可能である。また、密閉型攪拌方式においては、攪拌プロペラ等による攪拌によって、酸素を供給することが可能である。

堆肥化の進行は、家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物中の温度を経時的に測定することで確認することが可能である。家畜排せつ物と製鋼スラグとを混合した場合には、４８時間以内に温度が５０℃以上の高温に達する。

尚、家畜排せつ物と製鋼スラグの他に、好気性微生物への酸素供給のため、通気を良くするためのオガクズ、モミ殻等を加えたものも、本発明の堆肥化促進法に使用することも勿論可能である。

堆肥が完成したことは、例えば以下の方法により、確認することが可能である。例えば、易分解性物質を分解する発酵が終了するため、切り返し等により酸素を供給した直後の温度上昇が鈍化することで確認することができる。あるいは、堆肥の温度が、切り返し等により酸素を供給した直後であっても５０℃以上に上がらないことで確認することができる。

以上のようにしてでき上がった堆肥は、製鋼スラグを含んだ含水率５０％未満の堆肥である。でき上がった堆肥は、製鋼スラグを加えないで作成した堆肥に比べて、可溶性ケイ酸、石灰、鉄分の含有量がそれぞれ、１０倍以上、３倍以上、５０倍以上高まっており、これらの成分を必要とする作物の生長促進、収量増加等への寄与が期待できる。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明はこれら実施例にその技術的範囲が限定されるものではない。

｛実施例１｝
含水率８０％の牛ふん２６ｔを１３ｔずつ２つに分けた。一方の牛ふん１３ｔは、表１に記載の組成の製鋼スラグを加えて堆肥化するために、牛ふんに加える製鋼スラグの量を、以下に記載の式に基づき、以下のように決定した。
Ｙ ≧ １０×（０．７Ｘ＋０．３）／（２７０Ｚ−２．４）
Ｙ；牛ふんの質量を１とした場合に加える製鋼スラグの質量割合
Ｘ；牛ふんの含水率
Ｚ；製鋼スラグに含まれるＣａＯの質量割合

牛ふんの含水率は８０％程度のため、Ｘ＝０．８とした。
表１に記載の製鋼スラグに含まれるＣａＯは４１％のため、Ｚ＝０．４１とした。

この条件で計算すると、
Ｙ≧０．０８
となる。

したがって、牛ふんの質量を１とした場合、製鋼スラグを０．０８以上加えればよい計算になる。そこで、本試験では、牛ふんの質量１に対して、製鋼スラグを０．１５加えることにした。

その結果、含水率８０％の牛ふん１３ｔに、表１に記載の組成の製鋼スラグ（粒径３ｍｍ以下）を１．９５ｔ（牛ふんの質量を１とした場合、加えた製鋼スラグの質量は０．１５）加えて、混合した。混合後に混合物のｐＨを測定したところ、ｐＨ８．６であり、ｐＨ９未満であることを確認した。

温度を測定しながら、１０日間毎に３０日までの期間は、切り返し混合させて、５１日間腐熟させて、堆肥化させた。

残ったもう一方の牛ふん１３ｔについては、製鋼スラグを加えない条件で同様に並行して堆肥化を行い、対照とした。

温度の測定結果を図１に示す。製鋼スラグを加えた場合、試験開始後２４時間で牛ふんと製鋼スラグとの混合物の温度は５０℃以上になった。一方、製鋼スラグを加えない場合には、試験開始後７２時間で温度が５０℃以上になった。したがって、製鋼スラグを牛ふんに加えたことで、堆肥化開始時の初期温度上昇効果が確認できた。

さらに、初期の温度上昇促進に引き続き、牛ふんと製鋼スラグとの混合物では、対照の牛ふんに製鋼スラグを加えない場合と比較して、堆肥化開始後３０日間の間、温度が約１０℃高い６０〜７２℃の状態に維持されていた。

また、堆肥化を開始して３０日後の切り返し以降、対照の牛ふんに製鋼スラグを加えない系では温度上昇が見られなくなったのに対して、製鋼スラグを加えた系では再び約６５℃まで温度上昇が確認され、その後徐々に温度低下した。堆肥化開始後４０日以降は、製鋼スラグを加えた系も対照の製鋼スラグを加えない系も、ほぼ同じ温度で推移した。

５１日間の堆肥化試験後、作成された製鋼スラグを含む堆肥と、含まない堆肥の分析結果を表２に示す。

製鋼スラグを加えた系の方が、高温に維持されたため、対照の製鋼スラグを加えない系よりも水の蒸発が進んだ。表２に示したように、製鋼スラグを加えた堆肥の含水率は４８％であり、堆肥として取り扱いやすい含水率（３０％〜５０％）となった。しかし、対照の製鋼スラグを加えなかった堆肥の含水率は５６％であり、堆肥として使用するには含水率がまだ高い状態にあることが明らかになった。

以上の結果により、牛ふんに製鋼スラグを単独で加えて混合することにより、堆肥化初期の温度上昇が促進されて４８時間以内に５０℃以上に達すると共に、高温が維持されることで水の蒸発が促進されて、堆肥作成が促進されることが確認された。

また、表３に示したように、製鋼スラグを加えて作成した堆肥には、可溶性ケイ酸は３．８％、石灰は１８．８％、鉄分は３．６６％含まれていた。これに対して、製鋼スラグを加えなかった対照の堆肥では、可溶性ケイ酸は０．１５％、石灰は２．９％、鉄分は０．０２％であった。可溶性ケイ酸は２５倍、石灰は６．４倍、鉄分は１８０倍高い含有量であった。したがって、製鋼スラグを加えて作成した堆肥では、製鋼スラグを加えずに作成した堆肥と比較して、可溶性ケイ酸が１０倍以上、石灰が３倍以上、鉄分が５０倍以上多く含まれていることを確認できた。

｛実施例２｝製鋼スラグを含む堆肥の肥料効果
実施例１で作成した製鋼スラグを含む堆肥、及び、対照の製鋼スラグを含まない堆肥を用いて、水稲（品種コシヒカリ）を栽培して、水稲収量への影響を調べた。

各５ｍ×４ｍの乾田になっている水田に、実施例１で作成した製鋼スラグを含む堆肥、及び、対照の製鋼スラグを含まない堆肥をそれぞれ１０ｔ／ｈａ（１ｈａ＝１００００ｍ^２）ずつ施肥した試験区を設けた。両試験区共に、耕起と代掻きをして、さらに２週間後、水稲苗を植えて田植えをして湛水し、水稲を生育させた。両試験区共、田植え後４０日以内に、追肥として、硫酸アンモニウムを１００ｋｇ／ｈａ施肥した。田植え後１２０日目に、製鋼スラグを含む堆肥を施用した試験区と製鋼スラグを含まない堆肥を施用した試験区それぞれについて、倒伏した稲の割合（倒伏率）を調べると共に、稲刈りをして収穫した米の収量（１４％湿質量）を測定した。

表４は、倒伏率の結果である。製鋼スラグを含む堆肥で栽培した試験区では倒伏がみられなかったのに対して、製鋼スラグを含まない堆肥で栽培した試験区では倒伏が１８％みられた。製鋼スラグを含む堆肥に含まれるケイ酸等が有効に作用して、水稲の耐倒伏性を高めていると考えられる。

表５は収量（１４％湿質量）の結果である。製鋼スラグを含む堆肥を施用した場合には、６．２ｔ／ｈａの収穫が得られたのに対して、製鋼スラグを含まない堆肥を施用した場合の収量は５．２ｔ／ｈａであった。

以上の結果により、製鋼スラグを含む堆肥を施用する場合、製鋼スラグを含まない堆肥を施用した場合よりも水稲の耐倒伏性を高め、かつ収量も高くなることが確認できた。

｛実施例３｝製鋼スラグを含む堆肥の肥料効果
実施例１で作成した製鋼スラグを含む堆肥、及び、対照の製鋼スラグを含まない堆肥を用いて、キャベツを栽培して、キャベツ収量及び結球葉中の還元糖、ビタミンＣ含有量への影響を調べた。

各５ｍ×２ｍの畑に、実施例１で作成した製鋼スラグを含む堆肥、及び、対照の製鋼スラグを含まない堆肥をそれぞれ１０ｔ／ｈａずつ施肥した試験区を設けた。また、尿素をそれぞれ窒素として３００ｋｇ／ｈａずつ施肥した。結果を表６に示す。

製鋼スラグを含む堆肥を施用した場合、製鋼スラグを含まない堆肥を施用した場合と比較して、キャベツの収量は１２％増加した。結球葉中の鉄分含有量も４０％、還元糖含有量も２０％、結球葉中のビタミンＣ含有量も２１％増加した。

以上の結果から、製鋼スラグを含む堆肥を使用することによって、製鋼スラグを含まない堆肥を使用する場合と比較して、収量が高くなるのみならず、結球葉中の鉄分含有量、還元糖含有量、ビタミンＣ含有量もそれぞれ高くなることが確認された。

{実施例４}
含水率７１％の牛ふん２０ｔを１０ｔずつ２つに分けた。一方の牛ふん１０ｔは、表７に記載の組成の製鋼スラグを加えて堆肥化するために、牛ふんに加える製鋼スラグの量を、以下に記載の式に基づき、以下のように決定した。
Ｙ ≧ １０×（０．７Ｘ＋０．３）／（２７０Ｚ−２．４）
Ｙ；牛ふんの質量を１とした場合に加える製鋼スラグの質量割合
Ｘ；牛ふんの含水率
Ｚ；製鋼スラグに含まれるＣａＯの質量割合

牛ふんの含水率は７１％程度のため、Ｘ＝０．７１とした。
表７に記載の製鋼スラグに含まれるＣａＯは４５％のため、Ｚ＝０．４５とした。

この条件で計算すると、
Ｙ≧０．０７
となる。

したがって、牛ふんの質量を１とした場合、製鋼スラグを０．０７以上加えればよい計算になる。そこで、本試験では、牛ふんの質量１に対して、製鋼スラグを０．１５加えることにした。

その結果、含水率７１％の牛ふん１０ｔに、表７に記載の組成の製鋼スラグ（粒径３ｍｍ以下）を１．５ｔ（牛ふんの質量を１とした場合、加えた製鋼スラグの質量は０．１５）加えて、混合した。混合後に混合物のｐＨを測定したところ、ｐＨ８．６であり、ｐＨ９未満であることを確認した。

温度を測定しながら、９日間毎に、切り返し混合させて、２３日間腐熟させて、堆肥化させた。

残ったもう一方の牛ふん１０ｔについては、製鋼スラグを加えない条件で同様に並行して堆肥化を行い、対照とした。

温度の測定結果を図２に示す。製鋼スラグを加えた場合、試験開始後２４時間で牛ふんと製鋼スラグとの混合物の温度は５０℃以上になった。一方、製鋼スラグを加えない場合には、試験開始後７２時間で温度が５０℃以上になった。したがって、製鋼スラグを牛ふんに加えたことで、堆肥化開始時の初期温度上昇効果が確認できた。

さらに、初期の温度上昇促進に引き続き、牛ふんと製鋼スラグとの混合物では、対照の牛ふんに製鋼スラグを加えない場合と比較して、堆肥化開始後１６日間の間、温度が約１０℃高い６０〜７２℃の状態に維持されていた。

２３日間の堆肥化試験後、作成された製鋼スラグを含む堆肥と、含まない堆肥の分析結果を表８に示す。

製鋼スラグを加えた系の方が、高温に維持されたため、対照の製鋼スラグを加えない系よりも水の蒸発が進んだ。表８に示したように、製鋼スラグを加えた堆肥の含水率は３２％であり、堆肥として取り扱いやすい含水率（３０％〜５０％）となった。しかし、対照の製鋼スラグを加えなかった堆肥の含水率は５２％であり、堆肥として使用するには含水率がまだ高い状態にあることが明らかになった。

また、実施例１では、含水率８０％の牛ふんに製鋼スラグを１５質量％添加した場合、５１日間の堆肥化で堆肥の含水率が４８％となったのに対して、本実施例では、含水率７１％の牛ふんに製鋼スラグを１５質量％添加した場合、２３日間の堆肥化で堆肥の含水率が３２％となった。したがって、含水率が７０質量％以上７２質量％以下の範囲の家畜排せつ物に、製鋼スラグを１５質量％程度混合することで、より効率的に堆肥化促進を行うことが可能であることがわかった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims

家畜排せつ物である牛ふんに製鋼スラグを混合することにより、家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物の温度を混合後４８時間以内に少なくとも５０℃に到達させ、更に、前記家畜排せつ物と製鋼スラグとの混合物の温度を６０℃〜７５℃に到達させて３日以上継続し、含水率を３０〜５０％とする、製鋼スラグによる堆肥化促進法。
混合前の前記牛ふんは、含水率が７０〜８０％である、請求項１に記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。
前記製鋼スラグの組成が、質量％にて、
ＣａＯ：２０％以上５０％以下、
全鉄：８％以上２５％以下、
ＭｇＯ：１％以上８％以下、
ＳｉＯ_２：１０％以上３０％以下、
ＭｎＯ：２％以上１０％以下、
全硫黄分（Ｔ−Ｓ）：１％以下（０％を含む）、
Ｐ_２Ｏ_５：１％以上２０％以下である、請求項１又は２に記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。
家畜排せつ物と混合する製鋼スラグの質量割合の下限を、次式により算出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。
Ｙ ≧ １０×（０．７×Ｘ＋０．３）／（２７０×Ｚ−２．４）
Ｙ；家畜排せつ物の質量を１とした場合に加える製鋼スラグの質量割合
Ｘ；家畜排せつ物の含水率
Ｚ；製鋼スラグに含まれるＣａＯの質量割合
家畜排せつ物に製鋼スラグを混合する際に、家畜排せつ物と製鋼スラグの混合物のｐＨが９になる量を、家畜排せつ物への製鋼スラグ添加量の上限とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。
前記製鋼スラグの粒径が３ｍｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製鋼スラグによる堆肥化促進法。