JP4385162B2 - 発酵肥料の製造方法および発酵肥料 - Google Patents

Description

本発明は、下水処理施設から排出される下水処理水を加工することによって、難分解性の有機資源、とくにイネ科植物を迅速に発酵・分解する技術である。

また本発明は、発酵分解されたイネ科植物によって、生ゴミや畜糞等の未利用有機資源を迅速に処理する技術である

さらに本発明は、水溶性ケイ酸含量の多い有機発酵肥料の製造方法である。

イネ科植物はその生長過程でケイ酸を多量に吸収するためにケイ酸植物とも呼称され，根から吸収されたケイ酸は表皮細胞の外壁にケイ酸層（図１）として集積し、もみ殼のケイ酸含有率は２０．３％に達する。
イネのもみ殻は収穫した子実から食用とする玄米をのぞいた残渣であり、開花時における内穎と外穎に由来する。内外穎の厚壁組織は強くリグニン化するとともに、外表皮には多量のケイ酸が蓄積し、さらにこれらをクチクラ膜が覆って強固な外壁を形成している（図２）ために土壌中の微生物に分解され難く、堆肥として利用するためには１〜２年を要する。
一方、もみ殻に含まれるケイ酸は植物の細胞壁を強化する作用があり、イネ以外の作物においてもケイ酸質肥料の施用によって「うどん粉病」などの病害発生を抑制することが知られている（図３）。
日本の米生産量は年間約１０００万トンであり、精米時には約２００万トンのもみ殻が排出される。そして、そのうちの３５％にあたる約７０万トンが未利用のまま焼却処分されているとされている（図４）
もみ殻の焼却は煤煙による周囲環境へ影響を与えるばかりか、地球温暖化へつながる愚かな行為であり、もみ殻の持つ機能を生かす利用法の開発が期待されている。地球規模では１億２千万トンのもみ殻が排出されており、本発明の技術は日本国内にとどまらず、世界的にも注目されるだろう。

もみ殻の利用についての特許は少なく、もみ殻を好気性の雰囲気下で発酵させて肥料とする幾つかの方法が提案されてきている。その一例は、糞尿排泄物（鶏糞、牛糞、豚糞等）に、粉砕したもみ殻（平均３５メッシュ）を混合して培地を調製し、この混合培地を１日一回攪拌しながら好気性条件下での発酵および熟成を経て有機発酵肥料とする方法である（例えば、特許文献１参照）。この方法によると、１１日目以後臭気が消失し、ほぼ一カ月程度で無臭化された有機発酵肥料となり、これを配合肥料として施肥すると、通常の肥料で栽培したものに比べて３倍の大きさの胡瓜が収穫されたと報告されている。

また、加水しながら粉砕したもみ殻を加熱膨軟化したものに、雑草あるいは雑木を混合したものを高温発酵菌によって１次発酵し、これに、セルロースとアミロースを分解する放線菌、リグニン等を分解する白色腐朽菌等によって２次発酵を行った後、熟成及び土壌中で植物に有効な作用をするＶＡ菌根菌と根粒菌を加えたもみ殻堆肥が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、上記、特許文献１および特許文献２に記載された有機発酵肥料（もみ殻堆肥）は、いずれも細かく粉砕したもみ殻を使用しているが、もみ殻はケイ酸層に加えて強くリグニン化された厚壁細胞とクチクラ層を持つ表皮組織であり、その粉砕は容易ではない。（図２）
また、特許文献１の製造法では、糞尿排泄物を使用しており、７日程度で無臭になるとはいうものの臭気の発生は避けられず、環境衛生的にも問題がある。
さらに、特許文献２のもみ殻堆肥は、糞尿排泄物等を用いない方法ではあるが、もみ殻の粉砕が容易でないことに加えて、加熱後膨軟化処理という手間のかかる前処理を必要としている。すなわち、１次発酵から２次、３次発酵に加えて、石灰乳、栄養剤あるいは、ＶＡ菌根菌及び根粒菌を混合するという複雑な工程によっている。このために経済性の点で実用化には問題があり、前記特許文献１および特許文献２に記載の技術は実用化されるまでには至っていない。

また、もみ殻を粉砕することなく、曝気した屎尿に浸漬することによって極めて短時間でもみ殻を分解したものが、有機発酵肥料として商品化（商品名「もみがら物語」）されている。（非特許文献１参照）。この方法は、曝気処理した屎尿槽に袋詰したもみ殻を漬け込んだ後に、もみ殻を取り出し、米糠、酵素および酵母菌を加えて発酵させ、ほぼ一ヶ月程度で有機発酵肥料とするものである

特開昭６０−１３７８８８号公報 特開平９−２６８０８８号公報 現代農業 ８４巻１１月号、Ｐ９６〜１０３（２００５）（参考資料１）

本発明は農業分野で効果が期待されながら、難分解性であるために利用が限られていたもみ殻を迅速に発酵・分解させる技術の開発である。従来の堆肥化技術では複雑な工程、不十分な臭気対策、衛生面での対策等の問題があり、簡便な技術の開発が望まれていた。

本発明者は、下水処理施設での処理工程で使用されている活性汚泥法に着目し、処理後塩素殺菌されて排出される下水処理水にもみ殻を浸漬したところ、２〜３ヶ月の間に緩慢ではあるが徐々にもみ殻外壁が脆くなっていることを走査電子顕微鏡によって確認した。（図５）
そこで、処理水を曝気しながら各種の酵素と酵母を添加した酵素液を製造し、この酵素液にもみ殻を浸漬または噴霧することによってケイ酸層を可溶化し、外壁を脆くして発酵分解を促進することに成功した。（図６）

酵素液に浸漬したもみ殻を引き上げて水分を５０〜６０％に調整し、米糠と酵素・酵母混合物を添加して好気条件で数時間撹拌すると、もみ殻は５０〜６０℃に達する。

その後、撹拌を停止して円錐形に堆積すると発酵が始まり６０〜７０℃以上に発熱するので、適宜切り返しを行えば１４日間程度で耕地へ施用できる程度まで分解を進めることができる。（図７）

本発明はもみ殻の迅速な発酵・分解を目的として見いだされたものであるが、付随的にいくつかの新発見を見いだした。
（１）酵素液を使用してケイ酸層の破壊と可溶化を図った結果、発酵もみ殻に含まれる可溶性ケイ酸を増加させることが出来る。（図８）
ケイ酸肥料の効果はすでに知られていることも多いが、発酵もみ殻に含まれる可溶性ケイ酸は植物であるもみ殻に由来するものであり、仮に過剰施用が行われても安全性に問題がない。
ケイ酸の吸収が速やかに行われ、表皮細胞を強化することによって、作物栽培、とくにイチゴやトマト、キウリなどの果菜類、イモ類、ブドウなどの果樹類ではうどんこ病や線虫、果面汚点症などの被害を軽減することが出来る。また、ホウレンソウやレタスでは糖度上昇効果が認められた。
（２）発酵もみ殻には各種酵素や酵母、菌類が残存しており、水分を与えることによって再度発酵・分解を進めることが出来る。
発酵による発熱はもみ殻の水分を蒸発させ、その含量が３０％以下になると発酵は緩慢となり温度も低下して、各種の微生物は乾燥菌体となって残存する現象は一般に知られていることである。
このため、イネ科の草本類に限らず、水分を調整することによって生ゴミ、各種汚泥等の未利用有機資源の発酵・分解の処理剤として応用できる。
（３）もみ殻は最も発酵・分解の困難な有機質資源として知られており、酵素液への浸漬に始まる、もみ殻の発酵・分解工程は竹や木材などの長大な有機物などでも、粉砕処理をすることによって発酵・分解を進めることができる。
（４）酵素液はもみ殻の浸漬を続けている間に発酵を続けながら酸化されて濃い茶褐色となり、可溶性ケイ酸濃度も増加する。この液は液肥として利用できるので、有害な排出物は生じない。

下水処理施設で処理され、環境基準（図９）を満たして排出される安全な処理水を原料にすることによって、悪臭のない作業環境が可能になるとともに、周辺の環境に悪影響を与えることなく、イネ科植物から植物性ケイ酸を含む有機発酵肥料を短期間で大量に生産することが可能になった。本発明によって大量に発生するもみ殻を焼却などの廃棄処分にする必要がなくなり、加えて畜糞、生ゴミ、竹や樹木のチップ、汚泥などが有効に利用されうるので、環境問題の解消のみならず、農業生産に寄与する効果は極めて大である。

以下、本発明の意義と方法について詳細に説明する。
本発明において、酵素液とは下水処理施設において活性汚泥処理を経て塩素殺菌されて河川の環境基準（図９）を満たした下水処理水に、セルロース、デンプン、脂質およびタンパク質を分解する酵素と有機物を餌とする酵母や菌類を配合して曝気処理したものであり、汚泥や下水のにおいは殆ど感じない。
塩素殺菌された下水処理水にもみ殻のケイ酸層を分解し脆くする働き（図５，図６）があることや塩素殺菌されたものに漬け込んだ有機物が発酵することはこれまで想像し得なかったことである。

本発明において処理の対象となる植物と未利用有機資源は、イネ科のセルロースあるいはリグニン等を構成成分としているもみ殻、わら、あるいは竹チップ等と、デンプンや糖質、脂質、タンパク質を蓄積している茎や根、果実、子実、動物の肉や魚など、殆どの有機物が含まれる。
特に、もみ殻は農業用に堆肥化するためには１年以上の歳月を必要とすることはよく知られていることであり、本発明によって短時間で分解し、かつ、臭気の少ない方法が見出されたことは、有機資源の循環と環境に優しい農業育成のためにきわめて重要な意味を持つ。

本発明の製造方法において使用する酵素はアミラーゼ、セルラーゼ、プロテアーゼ、リパーゼ等という、きわめて一般的な酵素であり、菌類はキノコ菌床由来の木材腐朽菌、酵母菌は米ぬかに由来するものである。
添加量は、もみ殻１００に対して酵素・酵母混合物５％、米糠３０％である。米糠が不足すると発酵温度の上昇が緩慢となる。

混合撹拌して堆積した後の切り返しは、中心部温度が７０℃程度の時に行うと全体に均質な発酵もみ殻を製造することが出来る。また、高さが３ｍを超えるような大きな堆積を行うと腐敗が生じやすく、悪臭が発生することがあるので、小型の円錐形に堆積することが望ましいが、やむを得ない場合には温度低下に留意しながら空気の導入を行わなければならない。

また、本発明技術で製造した発酵もみ殻は、畜糞や汚泥、あるいは生ゴミ等に添加することによって、堆肥化や減量化を図ることが出来る。その添加量は、もみ殻１００に対して、２０〜５０％程度が適当である。

以上説明したように、本技術は環境に優しい農業を振興させるためにきわめて重要、画期的な技術である。これまで利用困難であったもみ殻や藁、トウモロコシの芯、あるいは竹や有機物等を耕地へ戻すことによって、地域における資源循環システムを支え、有機農業の推進にも寄与することが出来る。
また、生ゴミ等の未利用有機資源の処理にも適用できるので、各地の行政府が苦慮している有機資源（バイオマス）の有効利用や自然再生、環境保護技術等による循環型社会の構築にも寄与できる。（図１０）

【図１】もみ殻の断面図（川田信一郎編「稲学大成」（農文協）より引用
【図２】内外頴の構造（松田智明ら，日本作物学会紀事Ｖｏｌ．１４６別号１．より引用）
【図３】ケイ素の施用により発病が軽減される病害（日本土壌肥料学会編「ケイ酸と作物生産」（博友社）より引用
【図４】もみ殻の利用（平成１６年農林水産省生産局農産振興課ホーページより引用）
【図５】下水道処理水で処理し、多湿状態で３ヶ月経過後のもみ殻の表面組織（クチクラとケイ酸層の破壊がわずかに進んでいる．撮影：原弘道）
【図６】酵素液に２４時間浸漬して２週間発酵させたもみ殻の表面組織（クチクラとケイ酸層の分解が進んで，組織全体が脆くなっている．撮影：原弘道）
【図７】堆積時の発酵温度の時系列変化（酵素液浸漬を行い，米ぬか，酵素を混和して５時間発酵促進した後に堆積し，切り返し操作を行った場合の温度変化．測定：原弘道）
【図８】無処理もみ殻（生もみ殻）、処理液散布処理後の発酵もみ殻、および酵素液浸漬処理後の発酵もみ殻におけるケイ酸含有量の相違
【図９】下水処理水の排出基準例（茨城県土木部のホームページより引用）
【図１０】有機質資材の資源循環活用（関東農政局バイオマス・ニッポンホームページより引用）

参考資料１．現代農業，第８４巻１１月号，ｐ９４〜１０３，２００５（農文協）
参考資料２．「発酵もみがら」による栽培試験結果，「株式会社アイオム」ホームページより引用

Claims (10)

1. 下水道法に基づいて活性汚泥処理及び殺菌処理され、下水処理施設から排出される下水処理水に、アミラーゼ、プロテアーゼ、セルラーゼ、リパーゼ及び酵母と木材腐朽菌からなる混合物を添加し、曝気を行ってなることを特徴とする有機物の発酵・分解促進用の酵素液。
2. 請求項１に記載の酵素液にイネ科植物を浸漬し、又は請求項１に記載の酵素液をイネ科植物に噴霧し、イネ科植物を発酵・分解させることを特徴とする発酵肥料の製造方法。
3. 前記発酵前に、前記イネ科植物に米糠を添加することを特徴とする請求項２に記載の発酵肥料の製造方法。
4. 前記イネ科植物が、もみ殻であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の発酵肥料の製造方法。
5. 請求項１に記載の酵素液に、もみ殻を浸漬し、前記もみ殻を前記酵素液から引き上げた後、水分を５０〜６０重量％に調整し、米糠と、アミラーゼ、プロテアーゼ、セルラーゼ、リパーゼ及び酵母からなる混合物とを添加し、５０〜６０℃に達するまで撹拌し、次に、堆積し、中心温度６０〜７０℃に達温したとき切り返しを行うことを特徴とする発酵肥料の製造方法。
6. 前記もみ殻１００重量部に対して、前記米糠３０重量％、前記混合物５重量％、添加することを特徴とする請求項５に記載の発酵肥料の製造方法。
7. 請求項２〜請求項６の何れか１項に記載の発酵肥料の製造方法により得られることを特徴とする発酵肥料。
8. 請求項７に記載の発酵肥料に、生ゴミ又は糞尿或いは汚泥を添加して、発酵・分解させたことを特徴とする発酵肥料。
9. 前記発酵肥料１００重量部に対して、前記生ゴミ又は糞尿或いは汚泥を２０〜５０重量％の範囲で添加したことを特徴とする請求項８に記載の発酵肥料。
10. 請求項１に記載の酵素液に、イネ科植物を浸漬した後、イネ科植物を除いた茶褐色の残液として得られることを特徴とする液肥。