(57)【要約】【課題】人の排泄物からなる汚水を処理して簡易かつ持続的に野菜の水耕栽培用養液として提供すること。【解決手段】少なくとも、好気的雰囲気下で有機物分解菌担持多孔体と接触させて汚水を硝化処理する第１の工程、活性汚泥処理する第２の工程、好気的雰囲気下又は嫌気的雰囲気下で有機物分解菌担持多孔体と接触させて脱窒化処理する第３の工程、を備えるトイレ循環処理系において、前記第１〜第３工程のいずかの工程又は工程間の処理水が、ｐＨ６〜７、かつ、硝酸態窒素濃度３０〜１００ｐｐｍである場合に、当該処理水を野菜の養液栽培用とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、好気的雰囲気下で有機物分解菌担持多孔体と接触させて汚水を硝化処理する第１の工程、前記第１の工程後の処理水を活性汚泥処理する第２の工程、前記第２の工程後の処理水を好気的雰囲気下又は嫌気的雰囲気下で有機物分解菌担持多孔体と接触させて脱窒化処理する第３の工程、を備えるトイレ循環処理系において、前記第１〜第３工程のいずかの工程又は工程間の処理水が、ｐＨ６〜７、かつ、硝酸態窒素濃度３０〜１００ｐｐｍである場合に、当該処理水を野菜の水耕栽培用とすることを特徴とする養液製造方法。
【請求項２】
前記第３の工程における有機物分解菌担持多孔体が、担持する有機物分解菌よりも孔径が大きい有機物分解菌担持領域を有し、さらに前記有機物分解菌担持領域内に前記有機物分解菌よりも孔径が小さい有機物分解菌非担持領域を有し、前記有機物分解菌担持多孔体が好気的雰囲気下にあるとき、前記有機物分解菌が硝化・脱窒作用の両方の機能を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の養液製造方法。
【請求項３】
前記第３の工程における有機物分解菌担持多孔体が、孔径が３μｍ以上の領域を有し、さらに前記領域内に、孔径１μｍ以下の領域を有することを特徴とする有機物分解菌担持多孔体であることを特徴とする請求項１に記載の養液製造方法。
【請求項４】
前記第３の工程における有機物分解菌担持多孔体が有機物分解菌を担持した竹炭であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の養液製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の第１〜第３工程を有するトイレ循環処理系において、前記第１〜第３工程のいずれかの工程又は工程間の処理水がｐＨ６〜７、かつ、硝酸態窒素濃度３０〜１００ｐｐｍである場合に、前記処理水を野菜の水耕栽培を行う栽培工程に供し、再び前記循環処理系に戻すことを特徴とする野菜栽培システム。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の養液製造法で製造した養液を野菜の水耕栽培に用いることを特徴とする野菜栽培方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は汚水（トイレ排泄物を含んだ洗浄水）から水耕栽培用養液（硝酸化養液）を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代、ＮＡＳＡにおいて、宇宙ステーションでの食料生産のため、水耕栽培が検討された。しかしながら、人間排泄物を有機質肥料とした水耕栽培は、排泄物から生じるアンモニアや低分子有機化合物が植物毒素として作物に悪影響を及ぼし、使用が困難とされた。このように宇宙やその他の資源が限られた環境では排泄物の処理、汚水の循環利用、処理水の有効活用の重要性が大きいと言える一方、それらを同時に実現する技術は確立されていないのが現状である。  
【０００３】
ここで、汚水中の有機物を分解し、汚水を洗浄水として再利用するための循環処理系の各工程をおおまかに見ると、
ＣＯＨＮＳ（有機物）＋Ｏ２+栄養塩→ＣＯ２＋ＮＨ３＋Ｃ５Ｈ７ＮＯ２＋他の最終産物
Ｃ５Ｈ７ＮＯ２＋５Ｏ２→５ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋ＮＨ３＋エネルギー
ＮＨ４＋＋３/２Ｏ２→ＮＯ２−＋Ｈ２Ｏ＋２Ｈ+
ＮＯ２−＋１/２Ｏ２→ＮＯ３−
という硝化プロセス、さらに、
２ＮＯ３−＋２Ｈ２→２ＮＯ２−＋２Ｈ２Ｏ
２ＮＯ２−＋３Ｈ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ−
脱窒化プロセスが必要である（上記反応に介在する微生物等については省略）。なお、本発明において、好気的、嫌気的のいずれの雰囲気であるかに関わらず硝化、脱窒化反応に関わる微生物を有機物分解菌とする。
【０００４】
ここで、汚水中の有機物を分解する過程で生じるＮＯ３−は植物栽培における肥料成分として有用であり、これを植物栽培に利用する余地は大きい。
【０００５】
例えば、メタン発酵後に廃棄物として得られるメタン消化液を肥料成分として直接添加して、固形培地耕での養液栽培を行うことを可能とするもの（特許文献１）、発酵していない有機物を微生物の力で分解し、植物の栄養源とし、土耕栽培や水耕栽培にも用いることが出来る肥料もしくは添加剤を提供するもの（特許文献２）がある。
【０００６】
特許文献１に係る発明は、メタン消化液に含まれるアンモニア態窒素を硝化する活性が付与された軽石培地に、アンモニア態窒素濃度が２０〜５００ｐｐｍになるように希釈したメタン発酵後に得られるメタン消化液を含む養液を、供給することにより、メタン消化液を肥料成分として直接添加して前記軽石培地にて養液栽培を行うものである。
【０００７】
特許文献２に係る発明は、タンパク質を分解する枯草菌、およびその産物であるアンモニアを分解する硝化菌を添加することによって、生育に必須な窒素源を供給することを特徴とし、タンパク質源に豆乳を用いることで植物の生育に必要な栄養源を同時に提供することを特徴とする肥料もしくは添加剤するものである。
【０００８】
前記特許文献１に係る発明は、汚水を由来とするメタン発酵消化液が含まれる点では本発明と共通するが、アンモニア態窒素を硝酸態窒素にするための軽石培地の製造を目的としている点で異なり、また、汚水を微生物で分解処理し再びトイレの洗浄水として利用する循環処理系において水耕栽培に適した養液とするものを示唆するものではない。また、前記特許文献２に係る発明は、動物排泄物等の有機物を硝化菌等により液肥とするものであり、有機物を微生物によって処理し、液肥を製造する点で共通するが、特許文献１の発明と同様にトイレの循環処理系において水耕栽培に適した養液とするものを示唆するものではない。
【０００９】
このようにトイレの処理水を直接、水耕栽培用養液とし利用する技術は確立されておらず、また、トイレの循環処理系がどのような処理工程を有するもので、処理工程における処理液がどのような状態の場合に水耕栽培に適した養液となるのか示唆する先行技術は見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−８８３６０号公報
【特許文献２】特開２０１７−７８０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、トイレの循環処理系における処理水を水耕栽培の養液として提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、少なくとも、好気的雰囲気下で有機物分解菌担持多孔体と接触させて汚水を硝化処理する第１の工程、前記第１の工程後の処理水を活性汚泥処理する第２の工程、前記第２の工程後の処理水を好気的雰囲気下又は嫌気的雰囲気下で有機物分解菌担持多孔体と接触させて脱窒化処理する第３の工程、を備えるトイレ循環処理系において、前記第１〜第３工程のいずかの工程又は工程間の処理水が、ｐＨ６〜７、かつ、硝酸態窒素濃度３０〜１００ｐｐｍである場合に、当該処理水を野菜の水耕栽培用とすることを特徴とする養液製造方法である。また、第２の発明は、前記第３の工程における有機物分解菌担持多孔体が、担持する有機物分解菌よりも孔径が大きい有機物分解菌担持領域を有し、さらに前記有機物分解菌担持領域内に前記有機物分解菌よりも孔径が小さい有機物分解菌非担持領域を有し、前記有機物分解菌担持多孔体が好気的雰囲気下にあるとき、前記有機物分解菌が硝化・脱窒作用の両方の機能を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の養液製造方法である。また、第３の発明は、前記第３の工程における有機物分解菌担持多孔体が、孔径が３μｍ以上の領域を有し、さらに前記領域内に、孔径１μｍ以下の領域を有することを特徴とする有機物分解菌担持多孔体であることを特徴とする請求項１に記載の養液製造方法である。また、第４の発明は、前記第３の工程における有機物分解菌担持多孔体が有機物分解菌を担持した竹炭であることを特徴とする前記第１〜３の発明のいずれかの養液製造方法である。また、第５の発明は、前記第１の発明に記載の第１〜第３工程を有するトイレ循環処理系において、前記第１〜第３工程のいずれかの工程又は工程間の処理水がｐＨ６〜７、かつ、硝酸態窒素濃度３０〜１００ｐｐｍである場合に、前記処理水を野菜の水耕栽培を行う栽培工程に供し、再び前記循環処理系に戻すことを特徴とする野菜栽培システムである。また、第６の発明は、前記第１〜第４の発明のいずれかの養液製造法で製造した養液を野菜の水耕栽培に用いることを特徴とする野菜栽培方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、少なくとも、好気的雰囲気下で有機物分解菌担持多孔体と接触させて汚水を硝化処理する第１の工程、活性汚泥処理する第２の工程、好気的雰囲気下又は嫌気的雰囲気下で有機物分解菌担持多孔体と接触させて脱窒化処理する第３の工程を有することで、トイレの汚水の循環処理を行いつつ、処理水のｐＨと硝酸態窒素濃度を指標とすることで処理水が水耕栽培に適した状態であるか否かを容易に判断でき、水耕栽培用養液を簡易かつ持続的に得ることが期待できる。また、前記第３工程における有機物分解菌担持多孔体が所定の孔径を有することで当該多孔体に担持された有機物分解菌にとって好気的な雰囲気となる領域、有機物分解菌にとって嫌気的な雰囲気となる領域ができ、好気的な雰囲気の有機物分解菌担持領域では硝化反応、嫌気的な雰囲気の有機物分解菌非担持領域では脱窒化反応が起こり、トイレの洗浄水としての再利用を行いつつ、水耕栽培用養液としての活用が期待できる。また、トイレの循環処理系において水耕栽培に適した処理水を取り出し、野菜の水耕栽培工程に用い、再び循環処理系に戻すことで、汚水の循環再生処理と野菜栽培を同時かつ持続的に行うことが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は汚水処理システムの構成図である。
【図２】図２は脱窒化検証における硝酸態窒素濃度の経時変化である。
【図３】図３はリーフレタス栽培装置の概念図である。
【図４】図４は水耕栽培よるリーフレタスの育成状況に関する図である。
【図５】図５は汚水処理に水耕栽培を併用した装置のイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
（１）汚水処理システム実証試験
＜試験＞
自然由来の硝化菌を担持した乾燥竹炭約５０ｋｇをトイレに連結した汚水処理システムに適用した場合の実証試験を行った。
試験期間：２０１７年１月から継続試験中
試験場所：松本工業株式会社ビル
装置：図１（各槽の有効容量は汚水の経路順に第１槽が１．４ｍ３、第２槽が１．０ｍ３、第３槽が１．４ｍ３、第４槽が０．５ｍ３、竹炭槽が０．５ｍ３、オゾン槽が０．６ｍ３、処理水槽（貯留槽）が０．３ｍ３）
洗浄水：０．２ｍ３／人・日
エアー：８０Ｌ／分
トイレ使用者：約７人／日
汚水処理システムは一次処理槽（バチルス菌を担持したクラゲール（登録商標）を充填した第１、第２担体槽、活性汚泥槽、沈殿槽）（第１槽は、当初、微生物担体を充填しない好気槽としていたが、第２槽の浮遊担体が第１槽にも拡散したため途中から第１、第２槽を担体槽とした）、二次的な微生物処理を行う竹炭槽（含水率１０％以下の孟宗竹を６４０℃で約２時間（予備加熱を含めると約５時間）かけて炭化した大きさ１０〜１５ｃｍの小札状の孟宗竹炭（孔径分布のピーク０．１μｍ〜１μｍ（水銀圧入法））に自然由来の硝化菌を担持）、微生物処理後にオゾン殺菌処理を行うオゾン槽、処理水量の調整を行う処理水槽から構成される。また、一次処理槽の第１、第２担体槽、活性汚泥槽、竹炭槽にはエアーポンプを通じて常時曝気する構成である。トイレの汚水は一次処理槽、竹炭槽、オゾン槽、処理水槽の順番で処理され、再びトイレ洗浄水として利用される。
＜結果＞
本汚水処理システムにより１年以上試験を行い、汚水を再生利用できることがわかった。また、竹炭槽ではエアーを供給したときには硝化反応と脱窒反応の両方の反応が、エアーの供給を止めたときには脱窒反応のみが起こっていることを確認した。竹炭に硝化菌を担持した場合に脱窒化が起こっていることは別途検証した（図２）。図２は模擬排泄物（米糟１２００ｇ、糟床５０ｇ、ヨーグルト１５０ｇ、水２３２０ｍＬを混合したものを２０Ｌの密閉容器に入れ、３７℃で１０カ月培養したもの）に微生物担体を入れないもの（試験区Ａ）、竹炭２００ｇを入れたもの（試験区Ｂ）、市販微生物担体を入れたもの（試験区Ｃ）の各試験区について、マグネチックスターラーによる攪拌、エアーポンプによる曝気の下、それぞれ３カ月間馴養し、その後、ｐＨを７〜８に調節し、溶存酸素（ＤＯ）が安定（０〜１１時間後にかけて概ね７〜８ｍｇ／Ｌ）させてから、基質（グルコース５ｇ、ＮａＮＯ３ ０．１２５２ｇ、ＭｇＳＯ４ ０．００８５ｇ、ＣａＣｌ２ ０．００５２ｇ、ＫＨ２ＰＯ４ ０．１５７３ｇ）を入れ、ＮａＮＯ３に含まれているＮＯ３−Ｎの経時変化を確認したものである。ＮＯ３−Ｎは試験区Ｂにおいてのみ減少し、無くなり、試験区Ｂにおいてのみ脱窒化反応が起こっていること、すなわち微生物担持竹炭において脱窒化が起こっていることが確認された。本試験では竹炭槽において当初、エアーを導入していたが、汚水の循環処理を行うにあたって脱窒化処理の強化が必要であると判断し、途中からエアーを止め（竹炭槽を嫌気的雰囲気にして）脱窒化のみを行った。
【００１７】
（２）汚水処理システムから汲み取った処理水の評価試験
＜試験＞
前記（１）の汚水処理システムの竹炭槽から汲み取った処理液を野菜栽培用タンクに移し、リーフレタスを栽培した。
試験期間：２０１８年７月から継続試験中
試験場所：明星大学理工学部吉澤研究室及び松本工業株式会社ビル
装置：市販の水槽、ポンプからなるハンドメイドの小型水耕栽培装置（水槽中の処理液２０Ｌ、処理液循環量２２．８Ｌ／分となるようにしたもの）を用いた（図３）。
評価対象：竹炭槽から汲み取った処理液を装置に投入し、処理液を入れ替えることなく栽培したもの、竹炭槽から汲み取った処理液を原則、毎日入れ替えたもの、化成肥料（ＯＡＴアグリオ株式会社製ＯＡＴハウス１号１５００ｇ／１０００Ｌ、ＯＡＴハウス２号１０００ｇ／１０００Ｌとなるように混合処方したもの）を用いたもの（比較対象）の３パターン（それぞれｎ＝３）
栽培条件：温度２３℃、湿度５５％、照度１００００ルクス（１６時間／日）
＜結果＞
収穫したリーフレタスの葉高（装置所定位置から葉の最高部までの高さ）について栽培した比較対象物と比較した。７日間では視認できる差は認められなかったが、１２日間では養液を用いたものがそれぞれ平均２．０ｃｍ、化成肥料を用いた場合は平均３．５ｃｍであった（図４）。
【００１８】
【表１】
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また、リーフレタスの育成が観測された竹炭槽の処理水（図４に係る栽培とは別の日の栽培に用いられた処理水）について、一次処理槽、沈殿槽から採取した処理水とともにその性質を確認した（表１）。竹炭槽の処理水のｐＨは６．６〜６．９（平均６．８）、硝酸態窒素（ＮＯ３−Ｎ）は４２．５５〜６０．１ｐｐｍ（平均５３．７ｐｐｍ）であった。なお、表１における定量下限はＮＯ２−Ｎが０．２ｐｐｍ、ＮＨ４−Ｎが３．９ｐｐｍである。
【００１９】
＜考察＞
今回の試験では化成肥料と比較するとリーフレタスの成長度合いは劣るものの、汚水処理システムの竹炭槽から採取した処理液においても成長効果が認められた。当該処理液で栽培したリーフレタスは化成肥料に比べて葉脈がより鮮明に視認された。経験的にこのような状態のリーフレタスは窒素成分が不足している場合が多いことがわかっている。今回、汚水処理システムに係るトイレの利用者が約７日／日であり、栄養源となる糞尿の絶対量が少なかったことがリーフレタスの成長度合いに影響した可能性がある。この点については利用者数に応じて汚水処理システムの規模を変える（今回の利用者数であれば汚水処理システムをもっと小規模なものとして汚水中の栄養成分濃度を高める）などの対策により栽培効果の向上が期待できる。また、一次処理槽、沈殿槽から採取した処理水のｐＨ、ＮＯ２−Ｎ、ＮＯ３−Ｎ、ＮＨ４−Ｎの測定値が採取日によっては竹炭槽の処理水と同程度であった。処理水中の成分の拡散等により処理水の成分濃度が均質化したことが原因の一つとして挙げられるが、一方、成分濃度に大きな差がないことから、竹炭槽以外の箇所における処理水を水耕栽培用養液として用いても竹炭槽の処理水と同程度の栽培効果が得られる可能性が示唆される。また、今回のリーフレタス栽培は汚水処理システムと直接連動していない装置で行ったものであるが、今回の結果を受けて、汚水処理に連動した水耕栽培システムとすることも可能であると考えられる。ただし、トイレの利用者数が増え、汚水処理システムへの負荷が大きくなった場合、汚水処理システム前段でのアンモニア濃度が高くなり（ｐＨが高くなり）、後段に位置する竹炭槽の処理水の方がより野菜栽培に適したものになり得ると考えられる。その場合、竹炭槽の処理水を水耕栽培に供し、水耕栽培使用後の排水を竹炭槽より後段に戻す構成が有用だと考えられる（図５）。また、前記試験とは別の水耕栽培用試験（人の糞尿を微生物によって分解し、得られた養液を用いた試験）においてｐＨが概ね６〜７、硝酸態窒素（ＮＯ３−Ｎ）濃度が３０〜１００ｐｐｍである場合にリーフレタス栽培に有用であることがわかっている。今回の処理水は当該範囲内のものであることから、硝化処理工程、活性汚泥処理、脱窒化工程を有するトイレ循環処理系において、ｐＨが概ね６〜７、硝酸態窒素濃度が３０〜１００ｐｐｍであることを指標として処理水を野菜の養液栽培用とすることができることを示唆するものである。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明によれば、人の排泄物からなる汚水を処理して、簡易かつ持続的に野菜の水耕栽培用養液として利用することができる。
【符号の説明】
【００２１】
１    リーフレタス
２    水槽
３    ポンプ
４    養液（２０Ｌ）
５    養液の流れ（循環量２２．８Ｌ／分）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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