JP7828752B2 - 堆肥とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態の一つは、堆肥および堆肥の製造方法に関する。例えば、本発明の実施形態の一つは、水溶性リン酸を豊富に含有する堆肥とその製造方法に関する。

家畜などの動物からの排泄物は、堆肥の原料となる有機肥料源として利用することができる。例えば特許文献１には、動物の排泄物である糞と酸化カルシウムや酸化マグネシウム、酸化ケイ素、酸化マンガンなどを含む鉄鋼スラグを混合することで、植物の生育に有効な堆肥が製造できることが開示されている。

特開２０１２－１８０２６６号公報

本発明の実施形態の一つは、堆肥とその製造方法を提供することを課題の一つとする。例えば本発明の実施形態の一つは、新規な組成を有する堆肥とその製造方法を提供することを課題の一つとする。あるいは、本発明の実施形態の一つは、即効性の水溶性リン酸を豊富に含む堆肥とその製造方法を提供することを課題の一つとする。

本発明の実施形態の一つは、堆肥を製造する方法である。この方法は、リン酸鉄含有炭化物を有機肥料源と混合して混合物を調製する第１の工程、上記混合物の表面を好気性条件下で、内部を嫌気性条件下で同時に処理する第２の工程、および嫌気性条件下で処理された上記混合物の内部を好気性条件下で処理する第３の工程を含む。

本発明の実施形態の一つは、堆肥である。この堆肥は、多孔質炭化物、水溶性リン酸、非水溶性リン酸を含み、さらに酸化鉄（ＩＩＩ）および／または水酸化鉄（ＩＩＩ）を含む。

本発明の実施形態の一つに係る堆肥の製造方法を示すフロー。 本発明の実施形態の一つに係る堆肥の製造方法を利用する二酸化炭素の貯留を示す概念図。 実施例と比較例における堆肥製造時の堆肥の温度変化のプロット。 実施例の一次混合物と比較例の有機肥料源の発酵前後における全リン酸濃度に対する水溶性リン酸濃度の比。

以下、本発明の各実施形態について、図面などを参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

本明細書では、「リン酸」という用語は、狭義のリン酸、すなわち、Ｈ_３ＰＯ_４の化学式で表される化合物を意味するだけでなく、リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）のほか、種々のリン酸塩、リン酸一水素塩、リン酸二水素塩を示す用語として用いられる。したがって、例えばリン酸鉄は、特記しない限り、リン酸鉄のみならず、リン酸一水素鉄、リン酸二水素鉄を意味し、含まれる鉄イオンも２価でも３価でもよい。

１．堆肥
本発明の実施形態の一つに係る堆肥は、多孔質炭化物、水溶性リン酸、非水溶性リン酸を含み、さらに酸化鉄（ＩＩＩ）および／または水酸化鉄（ＩＩＩ）を含む。堆肥はさらに、鉄（０価の鉄）を含んでもよい。その他の成分として、堆肥に水やバインダが含まれてもよく、さらに堆肥の原料である有機肥料源に含まれる含硫黄化合物、含マンガン化合物、含ホウ素化合物、繊維質などが含まれていてもよい。以下、これらの各成分について説明する。

１－１．多孔質炭化物
多孔質炭化物は、炭素を主成分として有し、数ｎｍから数十μｍの断面径を有する細孔を備える多孔質材料である。堆肥中の多孔質炭化物の組成は、例えば２重量％以上４０重量％以下または５重量％以上３５重量％以下である。多孔質炭化物の比重は、０．０５ｇ／ｃｍ^３以上０．８ｇ／ｃｍ^３以下、または０．１ｇ／ｃｍ^３以上０．５ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。多孔質炭化物の比表面積は、例えば１００ｍ^２／ｇ以上９００ｍ^２／ｇ以下、１００ｍ^２／ｇ以上８００ｍ^２／ｇ以下、または１５０ｍ^２／ｇ以上４００ｍ^２／ｇ以下である。比表面積は、水銀圧入法やＢＪＨ法またはＨＫ法に例示されるガス吸着法などを用いて測定される。

１－２．水溶性リン酸
水溶性リン酸としては、リン酸リチウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸アンモニウムなどのリン酸塩、リン酸一水素リチウム、リン酸一水素ナトリウム、リン酸一水素カリウム、リン酸一水素アンモニウムなどのリン酸一水素塩、リン酸二水素リチウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸二水素アンモニウムなどのリン酸二水素塩などが例示され、代表的にはリン酸ナトリウムやリン酸カリウムなどのアルカリ金属のリン酸塩、リン酸一水素ナトリウムやリン酸一水素カリウムなどのアルカリ金属のリン酸一水素塩が挙げられる。これらの非水溶性リン酸の金属イオンは、多孔質炭化物や有機肥料源（後述）に由来する。

水溶性リン酸は、本堆肥中に比較的高濃度で含まれる。具体的には、本堆肥中の全リン酸に対して３０％以上７０％以下、４０％以上６０％以下、または４０％以上５０％以下の濃度で含まれてもよい。なお、全リン酸とは水溶性リン酸と非水溶性リン酸の全体を指し、例えば本堆肥中に１重量％以上２１重量％以下または５重量％以上１５重量％以下の濃度で水溶性リン酸と非水溶性リン酸が含まれる。

水溶性リン酸の濃度は、例えばバナドモリブデン酸アンモニウム吸光光度法を用いて決定することができる。この方法では、例えば、堆肥に水を加え、所定量の水可溶部を試料として採取する。この試料に硝酸（１＋１）を加えて加熱し、非オルトりん酸をオルトりん酸イオンに加水分解する。その後、バナジン（Ｖ）酸アンモニウム、七モリブデン酸六アンモニウムおよび硝酸を加えてりんバナドモリブデン酸塩を生成する。紫外・可視分光光度計を用いてりんバナドモリブデン酸塩の吸収（例えば４２０ｎｍにおける吸収）を測定することで、水溶性リン酸が定量される。

全リン酸の定量では、バナドモリブデン酸アンモニウム吸光光度法を用いることができる。例えば、所定量の堆肥を硝酸または過塩素酸を用いて分解し、その後バナジン（Ｖ）酸アンモニウム、七モリブデン酸六アンモニウム、および硝酸を加える。生成するりんバナドモリブデン酸塩の吸収（例えば４２０ｎｍにおける吸収）を紫外・可視分光光度計を用いて測定することで、全リン酸が定量される。

１－３．非水溶性リン酸
非水溶性リン酸は、水に不溶であり、かつ２％クエン酸水溶液に可溶なリン酸（ク溶性リン酸）である。非水溶性リン酸としては、リン酸水素カルシウムやリン酸二水素カルシウム、リン酸カルシウム、リン酸一水素マグネシウム、リン酸マグネシウムなどが挙げられる。これらの非水溶性リン酸の金属イオンも、多孔質炭化物や有機肥料源に由来する。

１－４．酸化鉄（ＩＩＩ）と水酸化鉄（ＩＩＩ）
酸化鉄（ＩＩＩ）と水酸化鉄（ＩＩＩ）は、主に上述した鉄に由来する成分である。後述するように、多孔質炭化物と鉄の混合物（鉄含有炭化物）をリン酸を含む水で処理する際にリン酸（ＩＩＩ）鉄が生成する。鉄含有炭化物が有機肥料源とともに嫌気性条件下で処理されると、リン酸（ＩＩＩ）鉄が還元されて２価の鉄イオンとリン酸イオンを与える。この２価の鉄イオンは、引き続く好気性条件下で酸化され、酸化鉄（ＩＩＩ）と水酸化鉄（ＩＩＩ）へ変化する。堆肥中の酸化鉄（ＩＩＩ）の組成は、例えば１重量％以上２０重量％以下である。堆肥中の水酸化鉄（ＩＩＩ）の組成は、例えば１重量％以上２０重量％以下である。

１－４．鉄
ここで述べる鉄は０価の鉄の単体であり、後述する堆肥の製造工程で用いられる鉄粉に由来する。換言すると、鉄の少なくとも一部は、鉄粉として存在する。

１－６．バインダ
バインダは、後述する堆肥の製造工程において多孔質炭化物と鉄粉を効率よく分散させ、鉄粉を多孔質炭化物と一体化させるために用いられる。バインダの種類に制約はないが、有機系バインダおよび／または無機系バインダを用いることができる。有機系バインダとしては、例えば糖蜜、廃糖蜜、澱粉、デキストリン、コーンスターチ、米糠、ポリビニルアルコール、酢酸ビニルとエチレンの共重合体若しくはそのケン化体、パルプ廃液、リグニンスルホン酸塩、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、フェノール樹脂、およびタールピッチなどから選択される一つまたは複数が挙げられる。中でも糖蜜は安価で有害成分が少なく、固形成分が多いため、糖蜜を用いることで除去材の成形が容易となる。無機系バインダとしては、例えばセメント、高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、石膏（硫酸カルシウム）や石膏を加熱・脱水して得られる焼石膏、ケイ酸ナトリウム等が例示される。

１－７．その他の成分
含硫黄化合物としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属の硫酸塩などが例示される。含マンガン化合物としては、硫酸マンガンや硝酸マンガン、塩化マンガン、炭酸マンガン、ホウ酸マンガンなどのマンガン塩が挙げられる。含ホウ素化合物としては、上述したホウ酸マンガンのほか、ホウ酸が例示される。堆肥中のこれらの含硫黄化合物、含マンガン化合物、含ホウ素化合物のそれぞれの濃度は、例えば０．０１重量％以上１重量％以下でもよい。

上述したように、本堆肥には比較的高濃度で水溶性リン酸が含まれるため、本堆肥は植物の生長に対して即効性のある肥料として機能することができる。また、本堆肥には多孔質材料である炭化物が含まれる。このような炭化物は、土壌の保湿性を向上させるだけでなく、バイオリアクターとしても機能し、細孔に共生する微小動物や微生物によって土壌に養分や水分、酸素などをバランスよく供給することができる。このことから、本堆肥は土壌改良にも寄与することができる。

２．堆肥の製造方法
以下、本発明の実施形態の一つに係る、本堆肥の製造方法について述べる。この製造方法のフローは図１に示される。

２－１．多孔質炭化物の調整
まず、多孔質炭化物を調製する。具体的には、バイオマスなどの有機物を低酸素濃度で加熱する。ここで、バイオマスとは有機物の一種である、生体由来の物質とその代謝物である。多孔質炭化物の調製において利用可能なバイオマスとしては、木に由来する材料が挙げられる。具体的には、板状や柱状の木材、間伐材、剪定廃材、建築廃木材、粉末状のおがくず、パーティクルボートなどの木製成形品が挙げられる。木の種類に制約はなく、スギやヒノキ、竹でもよい。あるいは籾殻、バガス、トウモロコシの軸や葉などの農業廃棄物、藁や麦わら、乾草などの農業副産物もバイオマスの一例として挙げられる。あるいは麻や亜麻、綿、サイザル麻、アバカ、ヤシ毛などの繊維の原料となる植物もバイオマスとして挙げられる。あるいは、バイオマスは海藻などの藻類でもよく、食品残渣や、動物の糞尿から得られるサイレージでもよい。

具体的には、窒素ガス若しくはアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下、無酸素雰囲気下、低酸素雰囲気下、還元雰囲気下、または減圧雰囲気下、有機物を加熱することによって多孔質炭化物を得ることができる。炭化を減圧雰囲気下で行う場合、１０^２Ｐａ以上１０^５Ｐａ以下の低真空状態、１０^－１Ｐａ以上１０^２Ｐａ以下の中真空状態、１０^－５Ｐａ以上１０^－１Ｐａ以下の高真空状態、または１０^－５Ｐａ以下の超高真空状態で行うことができる。炭化を低酸素雰囲気下で行う場合、酸素濃度は０．０１％以上３％以下または０．１％以上２％以下で行うことができる。炭化における加熱温度は、４００℃以上１２００℃以下、５００℃以上１１００℃以下、６００℃以上１０００℃以下、または６００℃以上９００℃以下とすればよい。加熱時間は１０分以上１０日以下、または１０分以上５時間以下とすればよい。

炭化は、内燃式または外熱式の炭化炉を用いて行われる。炭化炉としては、バッチ式の密閉型の炭窯炉や連続式のロータリーキルン、揺動式炭化炉、スクリュー炉などが挙げられる。有機物の炭化によって乾留ガスが発生するとともに、有機物の構造に起因する孔と、乾留ガスの脱離によって形成される細孔が複雑に混ざり合った、様々な形状と大きさを有する細孔が形成された多孔質炭化物が生成する。なお、乾留ガスには主に水素や一酸化炭素、メタンやプロパン、ブタンなどに代表されるアルカンなどの可燃性、または還元力を有するガスが含まれる。乾留ガスは高温（７００℃から１３００℃）の状態で取り出されるため、その熱エネルギーや可燃性などをエネルギー源として発電や温水の供給などに利用してもよい。

２－２．鉄含有炭化物の調整
次に、多孔質炭化物と鉄粉を混合し、鉄含有炭化物を得る。このとき、バインダや水をさらに加えてもよい。バインダや水を添加することで、粉塵の発生を防止することができるとともに、多孔質炭化物と鉄粉をより均一に混合することができる。

この時用いられる鉄粉の形状に制約はなく、例えば平均円形度が５０以上１００以下、７０以上９５以下または８０以上９０以下の鉄粉を用いてもよい。ここで平均円形度とは、鉄粉に含まれる各鉄粒子の形状を表すパラメータの一つであり、鉄粉を顕微鏡観察して得られる画像を解析し、複数の鉄粒子について円形度を求め、それを平均した値である。円形度としては、例えば顕微鏡像中の各鉄粒子の投影面の周囲長で投影面の面積と等しい面積の円の周囲長を除した値を用いることができる。あるいは、投影面を内接する円の面積で投影面の面積を除した値を円形度として採用してもよい。鉄粉の平均粒径にも制約はなく、例えば２０μｍ以上５００μｍ以下または５０μｍ以上２００μｍ以下である。ここで、鉄粉の平均粒径とは、鉄粉を顕微鏡観察して得られる画像を解析し、複数の鉄粒子について粒径を求め、それを平均した値である。各鉄粒子の粒径としては、例えば顕微鏡像中の各鉄粒子の投影面を内接する円の直径または正方形の一辺の長さを採用することができる。

混合の際の多孔質炭化物の量は、多孔質炭化物、バインダ、および鉄粉の総重量に対して２０重量％以上８０重量％以下、４０重量％以上８０重量％以下、または６０重量％以上８０重量％以下の範囲から選択すればよい。鉄粉の量は、多孔質炭化物、バインダ、および鉄粉の総重量に対して５重量％以上３５重量％以下、５重量％以上２５重量％以下、または５重量％以上２０重量％以下の範囲から選択すればよい。バインダの量は、多孔質炭化物、バインダ、および鉄粉の総重量に対して５重量％以上５０重量％以下、１５重量％以上５０重量％以下、または２０重量％以上５０重量％以下の範囲から選択すればよい。

なお、鉄粉として、一部が酸化して表面に酸化鉄や水酸化鉄を含む鉄粉を用いてもよい。

得られる鉄含有炭化物は、適宜造粒して一定の形状に成形してもよい。成形は造粒機を用いて行うことができる。造粒機としては、圧縮型造粒機、押出型造粒機、ロール型造粒機、ブレード型造粒機、溶融型造粒機、または噴霧型造粒機などが例示される。例えば押出型造粒機を用いペレット形状（例えば、略円柱状）に鉄含有炭化物を成形してもよい。

この後、さらに鉄含有炭化物を乾燥してもよい。乾燥は、例えば、３０℃以上４００℃未満、５０℃以上３００℃以下、１００℃以上３００℃以下の範囲から選択される温度で行われる。乾燥時の湿度は、２０％以上９５％以下、または５０％以上９０％以下でもよい。乾燥時間も１分以上１週間以下、１時間以上３日以下、または３時間以上１日以下の範囲から適宜選択される。乾燥の際の雰囲気も、例えば空気、窒素、アルゴンなどの希ガス、あるいはこれらの混合でもよい。

２－３．リン酸鉄含有炭化物の調整
リン酸鉄含有炭化物は、ここまでの工程で得られた鉄含有炭化物をリン酸を含む水（以下、処理水）と接触させることで調製される。処理水は、例えばリン酸ナトリウムやリン酸カリウムなどのリン酸塩を水に溶解して調製してもよいが、河川や湖沼、海などの水域の水を処理水として利用してもよい。例えば、河川や湖沼、海中に鉄担持炭化物が充填された容器を設置し、鉄含有炭化物を水域の水と接触させてもよい。これにより、河川や湖沼、海の水中に含まれるリン酸が鉄含有炭化物に含まれる鉄、酸化鉄、および／または水酸化鉄と反応し、水に対して溶解性の低いリン酸鉄（ＩＩＩ）として多孔質炭化物に吸着または担持されるとともに、水域中のリン酸やリンを含有する有機化合物などが除去される。すなわち、この方法により、リン酸鉄含有炭化物を低コストで調製できるだけでなく、各種水域の浄水や水質改善を同時に行うことができる。

２－４．堆肥化
引き続き、リン酸鉄含有炭化物を原料の一つとして用い、堆肥化を行う。

（１）リン酸鉄含有炭化物と有機肥料源の混合
まず、上述した方法で得られるリン酸鉄含有炭化物と有機肥料源を混合する。有機肥料源に対するリン酸鉄含有炭化物の量に制約はないが、例えば有機肥料源に対して１０重量％以上４０重量％以下または１５重量％以上２５重量％以下のリン酸鉄含有炭化物を加えればよい。得られる混合物（一次混合物）の粘度が高い場合には、さらに水を加えて粘度を調整してもよい。有機肥料源としては、牛糞や豚糞、鶏糞などの動物の糞や尿、食品残渣などの食品廃棄物、農産廃棄物、生ごみ、汚泥などに例示される、生物由来の易分解性有機物が挙げられる。易分解性有機物か否かの判断は、例えば土壌と混合した後の二酸化炭素発生量や酸性デタージェント可溶有機物（ＡＤ可溶有機物）含量を指標の一つとして用いることができる。

有機肥料源から発生する二酸化炭素の定量は、所定量の試料と土壌の混合物に水を加えて培養を開始し、培養中発生する二酸化炭素を定量することで行えばよい。発生した二酸化炭素は水酸化ナトリウム水溶液で捕集すればよく、これに塩化バリウムを加えて炭酸バリウムとして沈殿させ、炭酸バリウムを塩酸で滴定することで二酸化炭素を定量することができる。例えば、培養開始から１０日後までに発生する二酸化炭素の量が、乾燥した試料１ｇあたり２００ｍｇ以上、３００ｍｇ以上、または４００ｍｇ以上であれば、この試料は易分解性有機物であり、本堆肥を製造するための有機肥料源として利用可能であると判断することができる。

ＡＤ可溶有機物の定量は、例えば試料を酸性デタージェント溶液（例えば、０．５ｍｏｌ／Ｌの硫酸１Ｌに臭化セチルトリメチルアンモニウム２０ｇを溶解した溶液）中で１時間煮沸し、ろ過する。残渣を洗浄、乾燥して秤量する。その後、残渣を灰化して秤量し、灰化前との重量差を酸性デタージェント繊維（ＡＤＦ）の量として求める。ＡＤ可溶有機物はＡＤＦ以外の有機物であるため、試料重量からＡＤＦと灰化後の残渣の重量を引くことでＡＤ可溶有機物が算出される。このようにして得られるＡＤ可溶有機物の量が、乾燥した試料１ｇあたり５００ｍｇ以上、６００ｍｇ以上、または７００ｍｇ以上であれば、この試料は易分解性有機物であり、本堆肥を製造するための有機肥料源として利用可能であると判断することができる。

ただし、本発明の実施形態では、有機肥料源は上述した指標やその数値によって限定されることは無く、嫌気性微生物によって分解される有機物であれば有機肥料源として用いることができる。

リン酸鉄含有炭化物と有機肥料源との混合は、密閉されたチャンバー内で行ってもよく、開放された空間で行えばよい。一次混合物は、数ｃｍから数十ｃｍの平均直径、または数ｃｍ^３から数千ｃｍ^３程度の体積を有する複数の塊（ブロック）として得られる。

（２）発酵
一次混合物は、引き続いて発酵処理に供される。具体的には、まず、一次混合物を酸素を含む雰囲気に晒す。酸素を含む雰囲気は大気雰囲気でもよく、あるいは酸素および窒素やアルゴンなどの不活性ガスを含む雰囲気でもよい。発酵処理は、外気の温度で行ってもよく、あるいは３０℃以上６０℃以下の範囲で温度調整された環境下で行ってもよい。発酵処理の時間も任意に設定することができ、例えば１日以上１２０日以下、１０日以上６０日以下、あるいは１５日以上３０日以下の範囲から適宜選択すればよい。この処理により、一次混合物の各塊の表面は好気性条件下に晒され、内部は嫌気性条件下に晒される。その結果、各塊の表面では好気的発酵が進行し、同時に内部では嫌気的発酵が進行する。一次混合物の各塊では、好気的発酵が進行する部分は略表面に限られるため、一次混合物の大部分において嫌気的発酵が進行する。

嫌気的発酵は、有機肥料源に含まれる嫌気性微生物の作用によって促進される。このため、上述したリン酸鉄含有炭化物と有機肥料源の混合において、有機物の分解を促進する嫌気性微生物を加えてもよい。嫌気性微生物としては、硝酸塩還元菌、鉄還元菌、硫酸塩還元菌、酸生成菌、酢酸生成菌、メタン生成古細菌などが挙げられ、好ましくは鉄還元菌やメタン生成古細菌である。

この発酵処理では、嫌気的発酵による有機物の分解に伴い、一次混合物の各塊の内部は還元的環境となり、酸化還元電位（ＯＲＰ）が負に大きくなる。このため、一次混合物の内部では、３価のリン酸鉄は２価のリン酸鉄に還元される。２価のリン酸鉄は３価のリン酸鉄と比較して水に対する溶解度が高いため、リン酸鉄は一次混合物中に含まれる水に少なくとも一部が溶解し、２価の鉄イオンとリン酸イオンに解離する。例えば鉄化合物含有炭化物に含まれる３価のリン酸鉄がＦｅＰＯ_４の場合、２価のリン酸鉄Ｆｅ_３（ＰＯ_４）_２が生成する。また、リン酸鉄含有炭化物はバイオマスなどの有機物に由来する多孔質炭化物を含むため、アルカリ金属やアルカリ土類金属のイオンを多く含む。同様に、有機肥料源にも大量のアルカリ金属やアルカリ土類イオンが含まれる。これらのイオンはリン酸イオンとイオン結合し、水溶性リン酸や非水溶性リン酸を与える。また、有機肥料源に含まれるたんぱく質は、嫌気的発酵によってアンモニアへ分解し、その結果、アンモニア、リン酸イオン、および水からリン酸アンモニウムが生成する。

（３）好気性条件下での処理
発酵処理の後、一次混合物の各塊の内部を好気性条件下で処理する。具体的には、一次混合物の各塊を粉砕し、その内部を酸素と接触させる。粉砕は、大気下で行ってもよく、酸素および窒素やアルゴンなどの不活性ガスを含む雰囲気下で行ってもよい。この工程により、２価のリン酸鉄は酸素によって速やかに酸化され、酸化鉄（ＩＩＩ）と水酸化鉄（ＩＩＩ）を与える。このとき、酸化鉄（ＩＩＩ）の水に対する低い溶解性に起因し、酸化鉄（ＩＩＩ）とリン酸との反応は略無視することができ、発酵工程で生成するリン酸イオンはアルカリ金属イオン、アルカリ土類イオン、あるいはアンモニウムイオンとイオン結合し、水溶性リン酸と非水溶性リン酸を与える。

２－５．殺菌処理
以上の工程により、本発明の実施形態の一つに係る堆肥を製造することができるが、引き続き殺菌処理を行ってもよい。殺菌処理は、好ましくは堆肥を酸化的雰囲気下で処理することで行う。酸化的雰囲気下の処理は、例えば酸素を含むガス（酸素ガス、空気）を堆肥に接触させる（曝気）ことで行ってもよい。この時、さらに紫外線を堆肥に照射してもよい。この殺菌処理により、有機肥料源に含まれる細菌や微生物などを除去または低減することができる。さらに、有機肥料源に含まれる水、または別途加えた水を蒸発させて水分量を適切に制御することができ、その結果、取り扱いの容易な堆肥を得ることができる。

上述したように、一次混合物の内部で進行する嫌気的発酵によって３価のリン酸鉄が還元されて２価のリン酸鉄が生成する。２価のリン酸鉄は水に溶解し、リン酸イオンが遊離する。一方、有機肥料源の分解によってアンモニアが生じる。

その後の好気性条件下では、２価の鉄イオンは酸化されて溶解性の低い酸化鉄（ＩＩＩ）として析出するため、鉄イオンによるリン酸イオンのトラップが抑制される。一方、一次混合物中には、多孔質炭化物の原料である有機物や有機肥料源に由来する大量のアルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンが存在する。このため、嫌気的発酵によって遊離するリン酸イオン、およびリン酸イオンと水の平衡で生じるリン酸は、アンモニアやアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンと結合し、非水溶性リン酸とともに大量の水溶性リン酸を生成する。その結果、得られる堆肥は優れた水溶性リン酸の供給源として機能し、即効性の肥料として植物の生長に寄与することができる。

２－６．その他の工程
得られた堆肥は肥料として単独で利用してもよく、あるいは上述した含硫黄化合物、含マンガン化合物、または含ホウ素化合物を含む肥料助剤と混合した後に利用してもよい。この場合、肥料助剤は、堆肥中の含硫黄化合物、含マンガン化合物、または含ホウ素化合物の濃度が、例えば０．０１重量％以上１重量％以下となるように添加すればよい。混合はミキサーを用いて行えばよく、ミキサーはフリーフォールミキサー、強制ミキサー、Ｙ分岐ミキサー、アジテータミキサー、あるいはパドルミキサーなどから任意に選択することができる。

さらに、得られた堆肥の乾燥、成形などを行ってもよい。成形では、堆肥をペレット状、棒状、粒状、粉状などの任意の形状に加工すればよい。必要に応じ、堆肥の粒径を調整するために解砕や分級を行ってもよい。例えば、平均粒径が１０ｍｍ以下または０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下となるように堆肥を解砕、分級すればよい。解砕は解砕機を用いて行えばよく、例えば振動ミル、ジェットミル、ボールミル、ローラーミル、ロッドミル、ハンマーミル、インパクトミル、回転ミル、ピンミル、ピン－ディスクミル、あるいは遊星ミルなどの解砕機を利用することができる。解砕機を用いて堆肥を解砕することで表面積が増大し、その結果、水溶性リン酸の土壌への溶出が促進される。分級は分級機を用いて行われ、分級機としては乾式分級式分級機でも湿式分級機のいずれを採用してもよい。例えば気流分級機、重力場分級機、慣性力場分級機、遠心力場分級機などが分級機として例示される。

上述した方法により製造される本発明の実施形態の一つに係る堆肥は、水溶性リン酸を豊富に含むため、化学肥料に匹敵する即効性を示し、追肥に適した肥料として機能することができる。また、主成分である炭化物や有機肥料源は天然資源に由来するため、この堆肥を用いる農法は有機農法の一種と認識することも可能である。

上述したように、本発明の実施形態の一つに係る堆肥の製造方法では、有機肥料源を単独で発酵するのではなく、リン酸鉄含有炭化物の共存下で有機肥料源を発酵する。実施例でも示すように、多孔質炭化物を含むリン酸鉄含有炭化物を共存させることにより、有機肥料源の発酵が促進される。このことは、発酵時間の短縮と堆肥の生産効率の向上に寄与する。また、この製造方法では、メタンの発生量を低減することが可能であるので、温室効果ガスの発生量削減にも寄与すると言える。

さらに、堆肥の主成分である炭化物は、バイオマスの炭化によって得ることができる。すなわち、光合成による二酸化炭素の固定によって産出される植物に由来するバイオマスを有効活用することで炭化物が調製される。さらに、この炭化物を利用して堆肥を製造する過程で各種水系の水質改善ができるとともに、本堆肥を土壌へ散布することで、植物によって固定された二酸化炭素を炭化物として地中に貯留することができる。

より具体的に説明すると、図２に示すように、本発明の実施形態により、バイオマスが炭化されて多孔質炭化物が調製され（１）、さらに多孔質炭化物から鉄含有炭化物が調製される（２）。この鉄含有炭化物は、リン酸鉄含有炭化物へ変換される際に水の浄化に寄与するとともに（３）、有機肥料源との混合、発酵処理、好気性条件下での処理を含む一連の過程を通してバイオマスを起源とする多孔性炭化物を含む堆肥へ変換される（４）。この堆肥は即効性肥料として土壌に散布され、植物の育成に利用される（５）。植物は大気中の二酸化炭素を光合成によって固定し、食料や構造材料を提供するとともに、炭化物の原料となるバイオマスを副生する（６）。

この（１）から（６）の一連のプロセスによって構築されるサイクルにより、大気中の二酸化炭素が光合成によって有機物として固定化され、この有機物が食料や材料として利用されるとともにバイオマスが副生される。バイオマスは炭化によって炭化物へ変換され、最終的には堆肥として地中に散布される。したがって、大気中の二酸化炭素は炭素として地中に貯留され、これにより、大気中の二酸化炭素の削減に寄与する。また、本堆肥を製造する際に塩基として炭酸塩を用いることで、さらに二酸化炭素を炭酸鉄として固定することができるため、大気中の二酸化炭素の削減に対してより一層の貢献が可能である。

本実施例では、リン酸鉄含有炭化物が有機肥料源の発酵を促進する効果について検討した結果を述べる。

１．リン酸鉄含有炭化物の調製
不定形状の木炭（木質バイオマスガス化発電廃炭）、鉄粉、酸化鉄粉、バインダである高炉スラグ微粉末、および水を加え、室温で３０分間混練して粉体混合物を得た。次に、得られた粉体混合物を造粒機に投入し、直径４ｍｍ、高さ１０ｍｍのペレット形状に成形した。その後、成形した粉体混合物を２０℃において２４時間乾燥（養生）し、鉄含有炭化物を得た。

鉄含有炭化物中の鉄の含有量は、粉砕した鉄含有炭化物をＪＩＳ Ｋ １４７４に従って処理することで鉄を抽出し、抽出された鉄の含有量を誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ社製、Ｏｐｔｉｍａ ５３００ ＤＶ）で測定することで求めた。その結果、鉄含有炭化物の全量に対して１０重量％の鉄が含まれることが確認された。

得られた鉄含有炭化物をガラス製カラムに充填し、１００ｍｇ／Ｌのリン酸を含む下水汚泥脱水分離液を２３Ｌ／日の流量で１２日間通水した。なお、ここで用いた下水汚泥脱水分離液は、神奈川県の下水処理場で汚泥を遠心分離して得られたろ液である。その後、得られたリン酸鉄含有炭化物を室温で２４時間乾燥させることでリン酸鉄含有炭化物を調整した。

２．発酵
有機肥料源として牛糞と生ごみを用いた。実施例では、有機肥料源とリン酸鉄含有炭化物の一次混合物（重量比は、有機肥料源：リン酸鉄含有炭化物＝３：１）を調製し、この一次混合物に対し、大気下、断熱性容器の内部で発酵処理を行った。比較例では、リン酸鉄含有炭化物を用いず、同条件で有機肥料源に対して発酵処理を行った。発酵処理中の一次混合物と有機肥料源の温度のプロットを図３に示す。

図３に示すように、いずれの有機肥料源の場合でも、リン酸鉄含有炭化物を添加することで発酵時の温度が高いことが分かる。このことは、リン酸鉄含有炭化物が有機肥料源の発酵を促進していることを明確に示している。

３．水溶性リン酸濃度
有機肥料源として牛糞を用いた上記実施例と比較例について、バナドモリブデン酸アンモニウム吸光光度法を用いて全リン酸濃度と水溶性リン酸濃度の測定を行った。結果を図４に示す。図４に示すように、実施例と比較例のいずれの場合も発酵処理によって全リン酸に対する水溶性リン酸の濃度が増大するが、比較例と比較し、実施例では水溶性リン酸の増大率が大きい（約１３０％）。また、実施例の発酵後の堆肥の水溶性リン酸の濃度は、比較例のそれに対して１．６２倍であった。これらの結果から、本発明の実施形態を適用することで、有機肥料源の発酵によってより効率良く水溶性リン酸が生成でき、植物が利用可能な水溶性リン酸を豊富に含む堆肥を提供できることが分かる。

本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。

Claims (11)

1. 炭化物と鉄粉を混合して鉄含有炭化物を調整する第１の工程、
   前記鉄含有炭化物にリン酸を含む水を接触させることでリン酸鉄含有炭化物を調製する第２の工程、
   前記リン酸鉄含有炭化物を有機肥料源と混合して混合物を調製する第３の工程、
   前記混合物の表面を好気性条件下で、内部を嫌気性条件下で同時に処理する第４の工程、および
   嫌気性条件下で処理された前記混合物の前記内部を好気性条件下で処理する第５の工程を含む、堆肥を製造する方法。
2. 前記第４の工程は、前記混合物の塊を酸素を含む雰囲気に晒すことによって行われ、
   前記第５の工程は、前記塊を粉砕して前記内部を酸素と接触させることで行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記有機肥料源は、動物の糞と食品残渣の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
4. 多孔質炭化物、
   水溶性リン酸、
   非水溶性リン酸、ならびに
   酸化鉄（ＩＩＩ）および／または水酸化鉄（ＩＩＩ）を含み、
   全リン酸に対する前記水溶性リン酸の比が３０％以上７０％以下である、堆肥。
5. 鉄をさらに含む、請求項４に記載の堆肥。
6. 全リン酸が１重量％以上２１重量％以下の濃度で含まれる、請求項４に記載の堆肥。
7. 前記多孔質炭化物を２重量％以上２０重量％以下の割合で含む、請求項４に記載の堆肥。
8. 多孔質炭化物、
   水溶性リン酸、
   非水溶性リン酸、ならびに
   酸化鉄（ＩＩＩ）および／または水酸化鉄（ＩＩＩ）を含み、
   前記水溶性リン酸は、リン酸アンモニウムとリン酸カリウムを含み、
   前記非水溶性リン酸は、リン酸カルシウムを含む、堆肥。
9. 鉄をさらに含む、請求項８に記載の堆肥。
10. 全リン酸が１重量％以上２１重量％以下の濃度で含まれる、請求項８に記載の堆肥。
11. 前記多孔質炭化物を２重量％以上２０重量％以下の割合で含む、請求項８に記載の堆肥。