メタン発酵消化液の膜分離等による濃縮・改質とその利用 [PDF:1.89MB]

メタン発酵消化液の
膜分離等による濃縮・改質と
その利用
一般財団法人畜産環境整備機構
畜産環境技術研究所
主任研究員 長峰 孝文
メタン発酵消化液の濃縮・改質による
野菜栽培利用マニュアル
冊子またはpdfで配布
しています。
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背景
メタン発酵消化液とは
メタン発酵処理を行った後に残る残渣
炭水化物の多くが分解
（C/N比やBODが低下）
窒素、リン、カリウムなどは保持
窒素の半分程度がアンモニウムイオン
（速効性の窒素肥料）
臭気はふん尿スラリーより低減
体積は原料と同じで水分は95％程度
背景
メタン発酵消化液を浄化処理
BODが窒素と同程度しかない
（脱窒には3倍程度のBODが必要）
処理水の着色が濃い
（CODがBODの5倍程度）
メタン発酵で回収したエネルギーの多くを
浄化処理で消費
↓
農地への利用が基本
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目的
栽培利用における問題点
水分が多いために運搬と散布が高コスト
基本的には耕作前のみの施用
（水田の場合は流し込みで追肥も可）
１回あたりの施用量に限界
SSと粘度が高く点滴栽培での利用が困難
窒素の多くがアンモニア態
（水耕栽培では硝化されにくい）
↓
肥料成分を濃縮できないか
質を改善できないか
方法
濃縮・改質試験の内容
膜透過液と硝酸化
液で灌水同時施肥
栽培試験
膜濃縮液と乾燥物
で露地栽培試験
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メタン発酵消化液の成分
方法
施設
記号
M
H
B
S
T
水分
原料
豚ふん尿
豚ふん
生ゴミ
集落排水汚泥
焼酎粕
食品残渣
酪農ふん尿
敷料
酪農ふん尿
T-N
NH4-N P2O5
％現物
K2O
97
0.45
0.32
0.10
0.22
98
0.33
0.22
0.07
0.12
95
0.47
0.23
0.08
0.11
95
0.38
0.23
0.10
0.39
97
0.28
0.18
0.07
0.24
MF膜分離実験装置
方法
膜分離槽
平均孔径0.32μmの平膜
を使用
M F膜
バッチ処理
緩衝タンク
5分吸引、5分停止
5施設の消化液を試験
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濃縮・改質実験装置
方法
スクリ ーン透過液タンク
1 m m スクリーン
膜分離槽
緩衝タンク
膜濃縮液タンク
消化液タンク
硝酸化槽
沈殿槽
膜透過液タンク
硝酸化液タンク
栽培試験に使用する濃縮・改質資材を調製
T施設の消化液を試験
方法
濃縮・改質実験装置の硝酸化槽
ろ材を設置した生物膜
法
硝酸化槽
沈殿槽
剥離した生物膜を沈殿
槽で分離
ろ材
T施設の消化液を試験
投入ポンプ
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方法
乾燥試験
低コストの天日乾燥を試験
T施設の消化液を試験
方法
灌水同時施肥栽培試験
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灌水同時施肥栽培試験
方法
試験区
使用資材
栽培方法
施用内容
膜透過液
Ｎ標準区
膜透過液
Ｎ50％区
硝酸化液
Ｎ標準区
硝酸化液
Ｎ50％区
膜透過液、
膜透過液で窒素の100％を
ようりん
施用
BM
膜透過液、尿素、
膜透過液で窒素の50％を施
用し、残りを尿素で補填
BMようりん
硝酸化液、
潅水同時 硝酸化液で窒素の100％を
施肥 施用
BMようりん
硝酸化液、尿素、
硝酸化液で窒素の50％を施
用し、残りを尿素で補填
BMようりん
養液土耕3号、
潅水同時施肥の慣⾏栽培
化学液肥区
尿素
固形化学肥料による慣⾏栽
CDU555、
土耕
化学肥料区
培
燐硝安加⾥S604
春作：トマト
秋作：長ネギ
露地栽培試験
方法
試験区
使用資材
化学肥料区
硫安、熔リン、硫加
濃縮液、熔リン、
硫加
乾燥物、熔リン
濃縮液、硫安、
熔リン、硫加
乾燥物、硫安、
熔リン
熔リン、硫加
濃縮液区
乾燥物区
濃縮特栽区
乾燥特栽区
無窒素区
施用内容
慣⾏栽培
慣⾏栽培と窒素が同量の濃縮液
慣⾏栽培と窒素が同量の乾燥物
濃縮液区に窒素の半分量の硫安
を追加
乾燥物区に窒素の半分量の硫安
を追加
慣⾏栽培から窒素を除く
春作：ニンジン、バレイショ
秋作：ホウレンソウ、コカブ
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結果
スクリーンによる分離
施設
記号
M
スクリーン スクリーン
分離残渣率
目開き
％（±SD）
mm
2.8 ±0.1
1
H
4.2 ±0.4
1
B
6.2 ±0.4
2
S
34.5 ±2.4
1
T
2.9 ±0.3
1
B施設は粘度が高くて1mmのスクリーンを通らなかった。
S施設は残渣が多量に出た。
結果
MF膜による分離 圧力とフラックス
屈曲点
AIC（赤池の情
報量規準）にて
決定した。
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結果
施設
記号
MF膜による分離 濃縮倍率
液量
フラックス
TS
（ ）
濃縮
開始 屈曲点 倍率
（％）
3
2
濃縮 （m /m ・日）
開始 屈曲点 倍率 開始 屈曲点
M
70
23
3.0
2.9
10.9
3.8
0.015
0.015
H
70
43
1.6
1.3
2.3
1.8
0.016
0.014
B
70
69
1.0
4.5
4.6
1.0
0.016
0.015
S
70
69
1.0
3.6
3.7
1.0
0.015
0.016
T
70
47
1.5
3.1
4.9
1.6
0.016
0.015
施設Mは高い濃縮ができた。
施設B,Sはほとんど濃縮できなかった。
結果
MF膜による低フラックスでの分離
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MF膜分離前後の粘度
結果
施設
記号
スクリーン
透過液
膜透過液
膜濃縮液
（mPa・s、25℃）
M
3
1.5
600
H
20
1.5
140
B
75
1.5
350
S
1,000
1.5
850
T
21
1.5
165
膜透過液は点滴施用でも問題ない粘度となった。
S施設は曝気の作用で膜濃縮液の粘度が低下した。
適正な負荷量は、0.070
0.103kg/m3・日の間にあると
考えられた。
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
硝酸化液濃度(mg/ )
アンモニア態窒素の流入量を
0.103kg/m3・日にして7日目に
亜硝酸の上昇が見られた。
NH4 -N流入量(kg/m 3 ・ 日)
膜透過液の硝酸化
700 0
10
600
20
30
時間（ 日）
40
500
400
アンモニア態窒素
亜硝酸態窒素
硝酸態窒素
300
200
100
0
8.0 0
20
時間（ 日）
40
20
30
時間（ 日）
40
7.5
pH
結果
7.0
6.5
6.0
0
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10
10
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結果
最初の深さを変えた天日乾燥
液の深さに関係なく乾燥。
日平均気温20.7～23.4℃、
湿度35～90％、晴天の条
件で5 /m2・日程度。
堆肥舎と同等と考えて
1.0 /m2・日で設計すべき。
最初の深さ
回帰直線の傾き
相関係数
乾燥速度
（ /m2・日）
結果
1cm
-0.546
-0.994
2cm
-0.661
-0.995
3cm
-0.518
-0.988
4cm
-0.543
-0.994
5cm
-0.607
-0.997
6cm
-0.621
-0.996
4.6
5.6
4.4
4.6
5.2
5.3
乾燥物の性状
乾燥途中
乾燥速度が低下すること
なく固形物になった。
乾燥物は硬く、水に入れ
ても溶解しなかった。
5施設とも同様の結果であ
った。
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乾燥終了
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物質収支
結果
膜透過液はTSを
除去した成分とな
った。
膜濃縮液と乾燥
物には、有機態窒
素と燐酸が濃縮さ
れた。
結果
栽培
品目
トマト
葉ネギ
灌水同時施肥栽培試験の
資材の成分
肥料成分
（％）
イオン濃度（mg/ )
資材
タイプ
NH4 NO2 NO3
K
Cl
Na Mg
N K2O
-N -N -N
膜透過液 1152 nd
nd 2,012 886 458 111.0 0.12 0.24
硝酸化液
371
9
438 2,015
926
480
膜透過液
842
124
82 2,141
902
482 52.0 0.10 0.26
硝酸化液
269
246
763 1,781
789
387
115 0.08 0.24
120 0.13 0.21
nd：定量下限値以下
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結果
灌水同時施肥栽培試験の結果
【トマト】
収量に大きな差は見られなかった。
糖度に差は見られなかった。
配管のつまりなどのトラブルはなかった。
【葉ネギ】
収量に大きな差は見られなかった。
配管のつまりなどのトラブルはなかった。
結果
露地栽培試験の資材の成分
栽培品目
ニンジン
バレイショ
資材
タイプ
膜濃縮液
乾燥物
ホウレンソウ 膜濃縮液
コカブ
乾燥物
成分（％現物）
水分
N
P205
有効態
窒素率
K2O
（％）
0.14
32.3
97.3
11.7
0.20
0.18
4.20
5.90
4.66
14.6
94.7
0.33
0.13
0.25
48.3
2.1
1.62
2.38
4.63
45.5
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結果
露地栽培試験の結果
【ニンジン】
収量に大きな差は見られなかった。
障害の発生は見られなかった。
【バレイショ】
試験区は化学肥料区よりも収量が劣った。
試験区は障害の発生が多く見られた。
【ホウレンソウ】
試験区の収量が多くなった。
障害の発生は見られなかった。
【コカブ】
収量は濃縮液区が同等、乾燥物区が劣った。
試験区に障害が多く見られた。
まとめ
膜透過液はTSが除去され、硝酸化液は硝酸態
窒素の割合が増加した。
膜濃縮液と乾燥物は、有機態窒素と燐酸が濃縮
された。
スクリーン分離とMF膜分離は、消化液の性状に
よって分配が大きく変化した。
膜透過液と硝酸化液は、灌水同時施肥栽培で、
化学液肥と同等の効果があった。
膜濃縮液と乾燥物は、露地栽培で、作物により
適・不適が見られた。
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