(57)【要約】【課題】メタン発酵から生じる消化液を改質して、植物栽培における病原菌からの防菌性、病原虫の忌避、病原性フザリウムからの防黴性を発現せしめ、栽培植物の病害を防止できる植物の養液栽培方法を提供すること。【解決手段】メタン発酵槽1で生成された消化液を酸化還元性調整リアクター2に導入し、消化液のｐＨが６．５〜９．５の範囲において、酸化還元電位を−０．４〜＋０．４（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）の範囲に調整し、調整された消化液を、植物栽培床に養液として供給することを特徴とする植物栽培床に養液を供給する方法によって解決される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン発酵槽で生成された消化液を酸化還元性調整リアクターに導入し、該消化液のｐＨが６．５〜９．５の範囲において、酸化還元電位を−０．４〜＋０．４（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）の範囲に調整し、
前記調整された前記消化液を、植物栽培床に養液として供給することを特徴とする植物栽培床に養液を供給する方法。
【請求項２】
前記酸化還元性調整リアクターにおいて、該消化液のｐＨが６．５〜９．５の範囲において、酸化還元電位を調整する際に、ｐＨ６．５のとき酸化還元電位を−０．３〜＋０．４（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）、ｐＨが９．５のとき酸化還元電位を−０．４〜＋０．３（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）範囲に調整することを特徴とする請求項１記載の植物栽培床に養液を供給する方法。
【請求項３】
前記酸化還元電位の調整は、前記酸化還元性調整リアクターに導入された前記消化液を空気と気液接触させることにより行うことを特徴とする請求項１又は２記載の植物栽培床に養液を供給する方法。
【請求項４】
前記気液接触は、（１）曝気槽内に導入した消化液を曝気することにより行うか、（２）棚段を備えた気液接触塔内に導入した消化液と空気とを、該棚段で接触させて行うか、又は（３）充填材を装填してなる充填層を備えた気液接触塔内に導入した消化液と空気とを、該充填層で接触させて行うことを特徴とする請求項３記載の植物栽培床に養液を供給する方法。
【請求項５】
前記酸化還元電位の調整は、前記酸化還元性調整リアクターに導入された前記消化液を所定の電位に保持された電極と接触させて電解酸化することにより行うことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の植物栽培床に養液を供給する方法。
【請求項６】
前記酸化還元電位の調整は、前記酸化還元性調整リアクターに導入された前記消化液を、空気と気液接触させた後、所定の電位に保持された電極と接触させて電解酸化することにより行うことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の植物栽培床に養液を供給する方法。
【請求項７】
前記気液接触は、（１）曝気槽内に導入した消化液を曝気することにより行うか、（２）棚段を備えた気液接触塔内に導入した消化液と空気とを、該棚段で接触させて行うか、又は（３）充填材を装填してなる充填層を備えた気液接触塔内に導入した消化液と空気とを、該充填層で接触させて行うことを特徴とする請求項６記載の植物栽培床に養液を供給する方法。
【請求項８】
前記植物栽培床に供給した後の前記養液を回収し、前記メタン発酵槽に、発酵原料を希釈するための希釈水として返送することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の植物栽培床に養液を供給する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物栽培床に養液を供給する方法に関し、より詳しくは、メタン発酵槽で生成された消化液を改質し、植物栽培床に養液として供給する植物栽培床に養液を供給する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタン発酵に伴って副生する消化液の廃棄が問題となっており、これを有効利用することが試みられている。
【０００３】
メタン発酵消化液を、スラリータンクに貯蔵し、特定の時期に農耕地や牧草地に散布すること（特許文献１）や、メタン発酵槽からの消化液を直接（好気下に保持せず）水田などに散布する利用法が通常行われている。
【０００４】
前者の農耕地、牧草地への散布の場合、消化液に含有される窒素成分は、有機性の窒素も、アンモニア性の窒素も、散布後、比較的速やかに酸化されて、亜硝酸態あるいは硝酸態窒素となって、植物に吸収されるか、または地下に浸透する。
【０００５】
後者の水田散布は、稲がアンモニア性窒素を吸収し易いという性質に沿った施肥方法としての散布であり、このような消化液の利用方法は、メタン発酵の特性に合致していることもあり、近年普及する兆しがある。
【０００６】
しかし、養液栽培に、有機性の固形物の多いメタン発酵消化液を用いることは、肥料成分濃度の管理、好気・嫌気状態の管理維持や、また廃液処理、リサイクルが困難となるため、一般に用いられていない。未熟な堆肥によって、アンモニアガスが発生し、植物の生育に障害が出ることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３４６５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者は、主に、硝酸態、亜硝酸態の窒素を養分として吸収する植物に対して、未分解有機性窒素（ケルダール窒素等）を含有する懸濁液の酸化還元雰囲気を調整して、アンモニアによる障害を防止（窒素の低次水素化物によってもたらされる僅かなアルカリ度によってトマトの根腐れ病等を防止）すると共に、それら化学種、及びこのような懸濁液に含まれる成分（タンニン等を含むキノン−ヒドロキノン系化合物）による防菌性、防黴性を発現させることができることを見出して本発明に至った。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、メタン発酵から生じる消化液を改質して、植物栽培における病原菌からの防菌性、病原虫の忌避、病原性フザリウムからの防黴性を発現せしめ、栽培植物の病害を防止できる植物の養液栽培方法を提供することにある。
【００１０】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１２】
請求項１記載の発明は、メタン発酵槽で生成された消化液を酸化還元性調整リアクターに導入し、該消化液のｐＨが６．５〜９．５の範囲において、酸化還元電位を−０．４〜＋０．４（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）の範囲に調整し、前記調整された前記消化液を、植物栽培床に養液として供給することを特徴とする植物栽培床に養液を供給する方法である。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記酸化還元性調整リアクターにおいて、該消化液のｐＨが６．５〜９．５の範囲において、酸化還元電位を調整する際に、ｐＨ６．５のとき酸化還元電位を−０．３〜＋０．４（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）、ｐＨが９．５のとき酸化還元電位を−０．４〜＋０．３（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）範囲に調整することを特徴とする請求項１記載の植物栽培床に養液を供給する方法である。
【００１４】
請求項３記載の発明は、前記酸化還元電位の調整は、前記酸化還元性調整リアクターに導入された前記消化液を空気と気液接触させることにより行うことを特徴とする請求項１又は２記載の植物栽培床に養液を供給する方法である。
【００１５】
請求項４記載の発明は、前記気液接触は、（１）曝気槽内に導入した消化液を曝気することにより行うか、（２）棚段を備えた気液接触塔内に導入した消化液と空気とを、該棚段で接触させて行うか、又は（３）充填材を装填してなる充填層を備えた気液接触塔内に導入した消化液と空気とを、該充填層で接触させて行うことを特徴とする請求項３記載の植物栽培床に養液を供給する方法である。
【００１６】
請求項５記載の発明は、前記酸化還元電位の調整は、前記酸化還元性調整リアクターに導入された前記消化液を所定の電位に保持された電極と接触させて電解酸化することにより行うことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の植物栽培床に養液を供給する方法である。
【００１７】
請求項６記載の発明は、前記酸化還元電位の調整は、前記酸化還元性調整リアクターに導入された前記消化液を、空気と気液接触させた後、所定の電位に保持された電極と接触させて電解酸化することにより行うことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の植物栽培床に養液を供給する方法である。
【００１８】
請求項７記載の発明は、前記気液接触は、（１）曝気槽内に導入した消化液を曝気することにより行うか、（２）棚段を備えた気液接触塔内に導入した消化液と空気とを、該棚段で接触させて行うか、又は（３）充填材を装填してなる充填層を備えた気液接触塔内に導入した消化液と空気とを、該充填層で接触させて行うことを特徴とする請求項６記載の植物栽培床に養液を供給する方法である。
【００１９】
請求項８記載の発明は、前記植物栽培床に供給した後の前記養液を回収し、前記メタン発酵槽に、発酵原料を希釈するための希釈水として返送することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の植物栽培床に養液を供給する方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、メタン発酵から生じる消化液を改質して、植物栽培における病原菌からの防菌性、病原虫の忌避、病原性フザリウムからの防黴性を発現せしめ、栽培植物の病害を防止できる植物の養液栽培方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る植物栽培システムの一例を説明するためのフロー図
【図２】電位−ｐＨ図の一例
【図３】酸化還元性調整リアクターの第１態様を示す概略図
【図４】酸化還元性調整リアクターの第２態様を示す概略図
【図５】酸化還元性調整リアクターの第３態様を示す概略図
【図６】酸化還元性調整リアクターの第４態様を示す概略図
【図７】植物栽培循環水をメタン発酵槽に導入する態様を示すフロー図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る植物栽培システムの一例を説明するためのフロー図である。
【００２４】
図１において、１はメタン発酵槽、１ａはメタン発酵槽１から生成した消化液を貯留する消化液貯留槽（スラリータンクともいう）、２は酸化還元性調整リアクター、３は植物栽培施設である。
【００２５】
メタン発酵槽１は、バイオマスを導入してメタン発酵を行い、消化液を生成する。
【００２６】
本発明において、メタン発酵槽１は、５５℃以上、好ましくは６０℃以上、最も好ましくは６５℃以上の高温下において、バイオマスを高温発酵することが好ましい。これにより、基質の分解が促進されると共に、多くの病原性菌の死滅と、種子の不活化が起こる。また、悪臭成分の分解率が著しく向上するため、後段の植物栽培床への消化液供給に好適である。
【００２７】
メタン発酵槽１で生成された消化液は、酸化還元性調整リアクター２に導入される。このとき、メタン発酵槽１から酸化還元性調整リアクター２に直接導入してもよいし、メタン発酵槽１からの消化液を消化液貯留槽１ａに貯留した後、該貯留槽１ａから酸化還元性調整リアクター２に導入してもよい。
【００２８】
酸化還元性調整リアクター２では、消化液の酸化還元性を調整することによって、微生物による酵素反応を制御して、一部有機物の分解と、アンモニアの酸化による窒素の低次水素化物（ヒドラジン系、ヒドロキシルアミン系の化合物等）の生成とを進行させる。上記一部有機物の分解に伴ってアンモニア性窒素が生成し得るが、このアンモニア性窒素も、酸化によって窒素の低次水素化物に変換され得る。
【００２９】
酸化還元性調整リアクター２における酸化還元性の調整は、具体的には、酸化還元電位とｐＨの関係を調整することによって成される。
【００３０】
具体的には、ｐＨが６．５〜９．５の範囲、好ましくは７．５〜８．５の範囲であれば、酸化還元電位を−０．４〜＋０．４（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）の範囲に調整する。
【００３１】
本発明においては、図２に示すような電位−ｐＨ図を用いることが好ましい。
【００３２】
図２は、栽培床に供給する消化液の酸化還元性調整領域を示す電位−ｐＨ図であり、消化液の酸化還元性が、図２中、斜線で示した領域に調整されることが好ましいことを示している。
【００３３】
すなわち、前記酸化還元性調整リアクターにおいて、該消化液のｐＨが６．５〜９．５の範囲において、酸化還元電位を調整する際に、ｐＨ６．５のとき酸化還元電位を−０．３〜＋０．４（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）、ｐＨが９．５のとき酸化還元電位を−０．４〜＋０．３（Ｖ  ｖｓ  ＮＨＥ）範囲に調整することが好ましい。
【００３４】
より具体的には、図２に基づいて、消化液のｐＨを、６．５〜９．５の範囲、好ましくは７．５〜８．５の範囲から選ばれるＸとした場合に、該消化液の酸化還元電位Ｅを、−０．１Ｘ＋１．１５≦Ｅ≦−０．１Ｘ＋０．４５の範囲に調整することである。例えば、ｐＨが７．５であれば、酸化還元電位を−０．３〜＋０．４Ｖ（ｖｓ  ＮＨＥ）の範囲に調整し、ｐＨが８．５であれば、酸化還元電位を−０．４〜＋０．３Ｖ（ｖｓ  ＮＨＥ）の範囲に調整することが好ましい。
【００３５】
本発明において、酸化還元性調整リアクター２は、消化液の酸化還元性（酸化還元電位及びｐＨ）を上述した特定の領域に調整できるものであれば格別限定されないが、例えば、以下に説明するような構成が好ましく用いられる。
【００３６】
図３は、酸化還元性調整リアクターの第１態様を示す概略図である。
【００３７】
図３に示すように、酸化還元性調整リアクター２ａは、導入した消化液を貯留する曝気槽２１ａ内に空気を散気する散気管２２ａを備えている。
【００３８】
２００は、曝気槽２１ａ内から排出される消化液の酸化還元性を検出する酸化還元性検出手段である。
【００３９】
本発明において、酸化還元性検出手段２００は、例えば酸化還元電位計とｐＨメータを組合せて構成することが好ましい。この場合、電位計の指示電極としては、導電性の炭素材が好ましい。導電性の炭素材は、本発明が着目する含窒素化合物の酸化還元状態の検出に適しているためである。
【００４０】
あるいは、酸化還元性検出手段２００として、白金（Ｐｔ）を指示電極とする電位計測手段を用いることも好ましい。白金極は、水素イオン濃度変化も出力電位に十分に反映することができ、酸化還元電位計とｐＨメータを兼ねることができるためである。
【００４１】
酸化還元性検出手段２００によって検出されるｐＨ及び酸化還元電位の値が上述した特定の範囲となるように、曝気量（気液接触量）を調整する。気液接触量を増大させることにより、酸化還元電位を上昇させることができ、気液接触量を減少させることにより、酸化還元電位を低下させることができる。
【００４２】
図４は、酸化還元性調整リアクターの第２態様を示す概略図である。
【００４３】
図４に示すように、酸化還元性調整リアクター２ｂは、棚段本体２１ｂ内に、棚段２２ｂを備えている。上部から棚段２２ｂに消化液を供給することで、消化液と導入空気とを気液接触させ、気液接触後の消化液を下部から排出する。
【００４４】
図３の例と同様に、酸化還元性検出手段２００によって検出されるｐＨ及び酸化還元電位の値が上述した特定の範囲となるように、導入空気量（気液接触量）を調整する。
【００４５】
図５は、酸化還元性調整リアクターの第３態様を示す概略図である。
【００４６】
図５に示すように、酸化還元性調整リアクター２ｃは、充填塔本体２１ｃ内に充填層２２ｃと散液手段２３ｃを備えている。充填層２２ｃに消化液を供給することで、消化液と導入空気とを気液接触させ、気液接触後の消化液を下部から排出する。
【００４７】
図３の例と同様に、酸化還元性検出手段２００によって検出されるｐＨ及び酸化還元電位の値が上述した特定の範囲となるように、導入空気量（気液接触量）を調整する。
【００４８】
本態様においては、酸化還元電位の調整は、導入空気量による場合に限定されず、更なる別の態様として、例えば充填層２２ｃへの電位印加により行うことも好ましいことである。電位印加を行う場合、１０００℃以上で焼成された木炭等の導電性炭素材からなる充填層を用い、かかる充填層に電位を付与することが好ましい。
【００４９】
図３〜５で説明したように、気液接触（曝気式、棚段式あるいは充填層式）を行うことで、腐蝕質の分解によってキノン−ヒドロキノン系の腐植酸系の成分濃度が上昇する。これら成分は病原性菌などに対して、殺菌性を発現し得る。  
【００５０】
また、ケルダール窒素成分を主とする有機態窒素も酸化還元性調節時などで分解され、アンモニア性窒素やアンモニアより低次の水素化物であるヒドラジン系、ヒドロキシルアミン系の化合物を生成する。これら低次の窒素水素化物は高濃度では人にとっても有毒であるが、低濃度では毒性よりも防菌性や防黴性に優れた効果を有する。そのため、腐敗を考慮してロックウールなどの無機質の栽培床を使用する必要がなく、廃材など安価な有機質の栽培床を用いることもできる。
【００５１】
図６は、酸化還元性調整リアクターの第４態様を示す概略図である。
【００５２】
図６に示すように、酸化還元性調整リアクター２ｄは、イオン交換膜２２ｄによって反応槽本体２１ｄ内を、陽極２３ｄを備える陽極室２４ｄと、陰極２５ｄを備える陰極室２６ｄに仕切られている。陽極２３ｄの材質は格別限定されないが、多孔質炭素板等を好ましく用いることができる。
【００５３】
本態様では、酸化還元性調整リアクター２ｄに導入された消化液を所定の電位に調整された陽極室２４ｄに導入することにより、上述した特定の範囲となるように酸化還元性の調整を行う。
【００５４】
このように所定の電極電位によって酸化還元性を調整する場合、酸化還元性調整リアクター２ｄに導入される消化液のｐＨが予め把握できていれば、図３〜５で説明したような排出側における酸化還元電位検出手段２００による測定を省略することもできる。
【００５５】
なお、電極電位によって酸化還元性を調整する場合、電位制御の精度を向上させ易いメリットがあるが、図３〜５で説明したような気液接触の場合と比較して、有機態窒素の分解や、腐植性物質の分解が十分に進行しない場合がある。そのため、電極電位による酸化還元性の調整を行う前に、予め気液接触による酸化還元性の調整を行っておくことが好ましい。このように、気液接触法と電極電位法とを組み合わせることで、より効率良く、より高精度に酸化還元性の調整を行うことができ、消化液中における有効成分の生成量を更に増大することができる。
【００５６】
次いで、消化液は、植物栽培施設３に導入され、植物を栽培する栽培床に供給される。
【００５７】
栽培施設が土壌栽培を行う施設であれば、栽培床となる土壌に消化液を散布して供給することができる。
【００５８】
栽培施設が水耕栽培を行う施設であれば、消化液を循環水に添加して栽培床に供給することができる。
【００５９】
一般に、植物栽培に用いる養液に於いては、栄養塩の濃度管理を容易に行なうため、および養液の腐敗を防止するため、清水に近いものに栄養塩を溶解させて使用していた。しかし、酸化還元電位を本発明の範囲に調整することによって、ＢＯＤ成分の腐敗を防止すると共に、窒素の低次水素化物であるヒドロキシルアミン類などによる防菌性、防黴性を発現させることができる。
【００６０】
酸化還元性調整リアクター２によって酸化還元電位が調整された消化液は、水で希釈した後で栽培床に供給してもよいが、本発明においては、希釈しない場合であっても、植物の成長阻害等の問題が生じ難く、栽培植物の病害を好適に防止できる効果が得られる。消化液を希釈しない場合は、消化液のリサイクル効率を向上できる効果も得られる。
【００６１】
また、本発明においては、図７に示す通り、消化液を含む循環水を、植物栽培施設３の栽培床からメタン発酵槽１に導入してメタン発酵のための希釈水として用いることも好ましいことである。
【実施例】
【００６２】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【００６３】
（実施例１）
メタン発酵消化液として生ごみ及び豚糞尿の共発酵消化液（消化液原液）を用い、該消化液を酸化還元性調整リアクター（曝気槽）で酸化還元性を調整した。
【００６４】
＜消化液の性状測定＞
消化液原液、酸化還元性調整後の消化液の各々について、性状測定を行った。
・ＴＳ（固形分濃度）測定
消化液を１１０℃において一晩加熱した後の重量測定に基づいて行った。
・ＶＳ（有機性（揮発性）固形分濃度）測定
消化液を６００℃において３時間加熱した後の重量測定に基づいて行った。
・ｐＨ測定
ｐＨメータにより測定した。
・酸化還元電位測定
指示電極として導電性の炭素材を用いて測定した。
【００６５】
＜栽培試験＞
消化液原液、酸化還元性調整後の消化液の各々を、水道水で５０％に希釈し、又は希釈なしで、トマトロックウール養液栽培床に養液として供給し、栽培試験を行い、植物の成長を観察した。なお、生育状況の評価は以下の基準で行なった。
【００６６】
（評価基準）
・茎の伸び：茎の高さが１００ｃｍ以上のものを良好とし、１００ｃｍ未満のものを不良とした。
・葉色：葉の色が緑色で、黄変の無いものを良好とし、黄変があるものを不良とした。
・葉質：葉の縮れがないものを良好とし、葉の縮れがあるものを不良とした。
・果実数：花房につき、２個以上生っているものを良好とし、１個以下のものを不良とした。
【００６７】
以上の測定結果及び栽培試験結果を表１に示す。
【００６８】
【表１】
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【００６９】
＜評価＞
栽培試験を行なった結果、トマトロックウール養液栽培床に養液として消化液原液を希釈なしで用いた場合では、葉の一部が黄変し、葉が縮れ、落葉が増加した。また、果実数が減少した。
【００７０】
消化液原液を５０％希釈したものを用いた場合は、植物が全体的に矮小化するという現象が見られた。
【００７１】
酸化還元性調整後の消化液を希釈なしで用いた場合は、植物の高さの一部に矮小化が見られた。
【００７２】
酸化還元性調整後の消化液処理液を５０％希釈したものを用いた場合は、植物は良好に生育した。
【００７３】
また、トマトの廃材チップ栽培床を使用して栽培試験を行なった結果、養液として酸化還元性調整後の消化液を希釈なし、又は５０％希釈して用いた場合において、トマトロックウール養液栽培床を用いた場合と同様に、茎の伸び、葉色、葉質、果実数ともに良好な結果を得ることが出来た。
【符号の説明】
【００７４】
１：メタン発酵槽
１ａ：消化液貯留槽
２：酸化還元性調整リアクター
３：植物栽培施設
【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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【図６】
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【図７】
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