バイオガス・太陽・水処理複合化によるインド乾燥農地修復と植林
Arid rural area rehabilitation and afforestation by hybrid
development of biogas, solar and water treatment in India
研究代表者

共同研究者

海外共同研究者

成蹊大学工学部応用化学科 教授 小島紀徳
Toshinori Kojima, Professor, Department of Applied Chemistry,Seikei University
筑波大学農林工学系 教授 安部征雄 Yukuo Abe
前橋工科大学 教授 尾崎益雄 Masuo Ozaki
成蹊大学工学部 助手 加藤 茂 Shigeru Kato
Dr. Sanjay Kumar, University Department of Physics,
Dr. Sangeeta Sinha, University Department of Physics,
Dr. Shilpa Chaudhury, Department of Zoology, L.S.College,(以上 BRA Bihar University, Muzaffarpur, Bihar, India)Dr. Seemin Rubab, Department of Physics, National Institute ofTechnology, Hazratbal, Srinagar, Jammu Kashmir, India

和文要旨
インドの 10 億以上の人口の 70%が田園部に暮らしているが、問題が大きい。開発の恩恵を得る前に、持続可能とはいえない開発により引き起こされる地球規模ともいえる気候変動とその影響が、開発の芽を摘んでしまう可能性もある。このような背景の下、土地を持たない田舎の労働者の大都市への移住が、増加しつつある。
本研究では、北ビハールの代表的な農村の持続可能な発展のための統合モデルを、環境ストレス、エネルギー・ニーズ、健康ニーズおよび経済状態といった様々な現状を考慮した上で提示する。
インド農村ではそのエネルギー消費のほぼ 75%が家庭用である。その 9 割は調理用であり、動物の糞や木製品、農業残さが用いられる。確かに化石燃料の供給量は近年増加しつつあるものの、その対象は、潅漑とか耕作のように、上記のバイオマス・エネルギーが使用できない対象に限られていた。一方、燃料としての木の消費は 2004 年までに 1 億 8500 万トンを超すと予想され、これによる森林伐採は地球規模の気候変化をもたらすこととなる。そして、今までに例がないほどの天災の増加、農産物生産量減少、栄養失調による健康被害をもたらす。これまでに政府レベルで行われてきた、補助金ベースの中央主権的、目標指向型、技術主導のプログラムに代えて、再生可能エネルギー技術を多機能的に利用することで、前出の問題を解決せんと考えた。太陽電池を照明に、バイオガスをエネルギーニーズに対応させ、これにより、癌、気管支炎といった健康被害影響縮小をめざした。エネルギー、ビタミン補給用果実、さらには牛飼料、手工芸品、土地開拓といった多目的植林と、バイオガスプラントからの排出汚泥の肥料として利用の組み合わせが試行された。これらの立案および実行の中で、社会経済的影響の重要性も指摘された。この過程では確かに、無学、疑問、土地確保、環境といった難問が多く立ちはだかったが、農民は、あるときは伝統を打ち壊しながらも自発的に本試行プロセスを模倣し、予想以上の成果が上げられたものと考えられる。
Abstract - Rural India shelters 70% of the India’s over one billion population. Rural population of India is a distress lot.
Even before fruits of development could reach them in real sense, global climate change induced environmental stress due
to increased unsustainable economic activity has started eating upon options of development, threatening their very
survival. Consequently, pace of rural migration towards big cities as landless labourers has been continuously increasingover the years. Present work is an attempt to present an integrated model for sustainable rural development in a
representative north Bihar village, taking into account the stark realities of environmental stress, energy needs, healthneeds and economic situation.
House holds sector constitutes nearly 75% of the total energy consumption in rural India. Out of which 90% is forcooking. Animal wastes, wood products and agricultural residues are the only source of energy to meet these demands.
Though commercial fossil fuel based energy supply has increased in recent years, statistics show that they are mostly
limited to areas where other biomass energy cannot be used such as irrigation and tillage. Fuel wood consumption isexpected to exceed 185 million tons by 2004. Deforestation has only added to the global climate change induced
environmental stress at local levels. It has caused unprecedented increase in natural calamities, reduction in agricultural
produce and severe health related problems due to malnutrition. Instead of centralised, target-oriented andtechnology-driven programs with a subsidy component, present work has utilized renewable energy technology
multifunctionally to tackle the above-mentioned problems. Photovoltaic installation is used for lighting, while biogasplants are used to tackle the energy requirements and to reduce health related problems such as cancer, bronchitis etc.
Energy and health plantation is used to meet biomass requirement in the short run and vitamin requirements.
Multiobjective plantation also meet other objectives such as fodder for cattle, wood for handicrafts, land reclamation,
while extracts of biogas plants is used as fertilizer. In the whole planning and execution, socio-economic reflections of thesociety is sensitively dealt with. Though there has been numerous problems due to illiteracy, suspicion, land unavailability,
unexpected environmental problems, the results are more than expected as farmers and villagers are more than willing toimitate the process and/or break their traditionality.

-1-1. 研究目的
インドの人口は１０億人を超え、第二の人口大国でTabulate
GatherAnalyze
DataInterpretSurveyているが、その７０％は農村地域で暮らしている。彼
らのエネルギー源の６０％は、未だ森林生産物、森林
Formulate
problems
No副産物あるいは動物の糞などである。人口の爆発的増Assign Priorities
Among Problems
Evaluate Results
大に伴うエネルギー源の確保のため、これらの地域のGoals achieved?
Goals satisfactory?
植生は、驚異的なスピードで破壊されつつあり、砂漠
Formulate IndividualPriority Problems for化やその他の環境問題が深刻化している。そのため、Planning Solutions
Collect Data forEvaluation
Evaluation
これらの地域の開発は遅れ、都市への大量な移住の原
Define Programme
Objectives and How to因となり、都市部の非人間的な生活すなわちスラム化 Operate Programme
Measure Achievementsの原因ともなっている。
Initiate Integrated
Assign Priorities
Programme
農村地域でのエネルギー源の確保あるいはその効
Among Objectives
率化の重要性は政府によっても認識され、この２０年Orient and train
Design Alternative
Personnel
Progrm to solve problemsくらいの間にいくつかの実行計画が立案され実施されている。しかし、これらのプログラムではその地域
Plan Implementation of
Select Best Programme
Integrated Program(Feasibility/cost/effectiveness)
固有の地域環境や社会的地理学的条件を配慮していCombine Programme
ないことが多く、実効が上がっていない。砂漠化が進Develop Integrated Programme
む乾燥地での新たな水・エネルギー源について提案し、Figure 1. Flow diagram for integrated developmental planning of villages using renewable energy sources
植生を増加させると共に、森林伐採・砂漠化を防止し、
2.3 実施内容
農村地域の活性化と都市への人口流入防止策を策定
a) サイト調査：する必要がある。
研究と開発を組み合わせた図１に示したスキーム
本研究の目的は、再生可能エネルギーを多機能的にに基づき、まず、本稿の当初に掲げた調査を行った。
利用し、環境ストレスを縮小することにより、地方のb) 薪使用およびバイオガス使用に伴う健康影響：
統合的かつ持続可能な開発を可能にすることである。
料理・暖房での薪使用による健康問題特に発ガン性
このことにより都市のスラム街への大量移住を止めについて調査した。屋内環境に与える結果表 1 に示す。
ることが可能となる。
Table 1: Concentration of indoor air contaminants due towood burning stoves for cooking and heating.

2. 研究経過
2.1 対象地区の特徴調査
インドのビハール州 Muzaffarpur 地区 Bochahan ブロックの Punarbara 村を対象とした。インドの人口 10億は 29 州に分割統治されている。ビハールは人口密度の高い州のうちの 1 つであり、37 の地区に分割される。Muzaffarpur 地区(約 500 万人)は、16 のブロックに分割される。Bochahan ブロックはその中でも 6番めに大きなブロックであり、ここにプロジェクトサイトを定めた。
対象とした村の経済成長率は 1%未満であり、インド全体 6-8%という数字に比して小さい。識字率も全国平均 52.1%に比して 38.5%と小さい。Punarbara 村は、およそ 300 組の家族よりなり、90%は貧困線未満である。特にめだつ産業はなく、読み書き可能な人は 10%に満たない。生産農地を有しないものの多くは、都市へ移住する。燃料源は隣接町に至る 20km の間の森林より得ているが、その植生は失われつつある。
2.2. 計画と実行手法
図 1 に、本研究で試みた立案プロセスのスケッチを示す。目標は(1)多機能再生可能エネルギー技術開発（エネルギー利用による防止、燃料薪利用による健康影響被害の縮小、夜間の効率的照影、ビタミンなどの健康促進を含む、エネルギー、農業、飼料等のニーズに対応する植林）、 (2) 農業・天然資源開発による環境劣化地域の修復、 (3) よりよい衛生環境の樹立と農牧畜行の自立、収入増加である。

Carbon monoxide (ppm)
Formadehyde (ppb)
Nitric Oxide (ppb)
Nitrogen dioxide (ppb)
Benzo[a]pyrene (ng/m3)
Benzp[b]fluoranthene (ng/m3)
Benzo[k]fluoranthene(ng/m3)
Benzo[ghi]perylene(ng/m3)
Indeno[1,2,3-cd]pyrene(ng/m3)
Suspended particulates (ug/m3)•improvedcook-stoves
0630
50<20300275
150300450500

tradi
tiona
lcookstove
s
16
60
90
<20600
550
250
560
900
1000

Airtight
woodburningforheating

Non-airti
ght woodburningforheating

0400
<20
<20
0.8
0.73
0.31
1.3
1.8
71

08
49
70
<20490420200450740650

Accuracy is in 10% limit

Table 2: Mean Concentration levels of Cd, Ni, and Cr
in India
StatesMean Concentration (ug/m3)
(Cd)
(Ni)
(Cr)
Andhra Pradesh
1468
32
Bihar
2122271
Chandigarh
05257
207
Gujarat164551Haryana08
13490
Himachal Pradesh
086664
Karnataka
01
4317
Kerala062318
Orissa0878
144
Punjab0410782
Rajasthan
206316
Tamil Nadu
06
2817
Uttar Pradesh
11208
133
West Bengal
2060
67-2-にガス発生量を向上させるための試行を続けている。
この設置により、これまで行われてきた過伐採を防止できるものと期待され、ひいては土壌侵食防止、さらには天然肥料源としても期待される。
(c) 健康向上とエネルギー生産を目的とした植林：

表 2 にはインドの様々な状況下における Cd、Ni および Cr の濃度を示す。
表 3 には、同 3 元素およびホルムアルデヒド、ベンツピレンの摂取リスク評価の結果を示す。
発 ガ ン リ ス ク に つ い て は 、 Integrated Risk
Information System のデータベースと Health Effects
Assessment Summary tables (United States Environmental
Protection Agency)から次式を用いて推定した。

Table 3: Estimation of Intake and Risk for Formadehyde,
Benzo[a]pyrene and three heavy metals, Cd, Ni & Cr.
(standard weight: 70 Kg, intake rate: 0.6 m3/h, AT: 60x365

Risk = Intake (mg/Kg.day) x slope factor (mg/Kg.day)-1d, Slope factor: 6.1 Kg/mg)

S.No.
CAET
EFEDI*Risk
不完全燃焼により生成する一酸化炭
mg/m3h/dd/yymg/Kg
素はヘモグロビンの酸素との結合を阻 Traditional Cooking Stove
害する。10ppm 程度では問題は少ないが、a) Formadehyde
81.5x10-2740x10-435030
2.43x10-3-6-5-4600x10
1.97x101.2x10b)
Benzo[a]pyrene
835030
室内暖房により多大な健康被害をもた
Improved Cooking Stove
らす。ホルムアルデヒドは、呼吸器官粘 a)Formadehyde
370x10-4
1.22x10-3
7.4x10-38350
30-6-6膜への悪影響、頭痛、疲労、腹・胸痛、 b)Benzo[a]pyrene
300x109.86x106.0x10-5835030
Non-airtightburningof
下痢などが指摘されている。また USEPの報告書によれば、発ガン性の危険性も wood for heating
602x10-4
1.02x10-36.2x10-3a) Formadehyde
1212030-6-6指摘されており、実際動物についてはそ b)Benzo[a]pyrene
490x108.3x105.05x10-51212030の確証も得られているといわれている Airtight burning of wood
が、突然変異については十分な確証が得 for heating-a) Formadehyde
1212030られているとは言えない。表 3 のリスク b)Benzo[a]pyrene
0.88x10-6
1.5x10-8
9.1x10-71212030
評価では、発ガン性増加は、0-1.5%とさ Outdoor air contaminant
れている。NOx (NO, NO2) や亜酸化窒素、affecting Indoor air in Bihar
21x10-6
4.1x10-6
2.5x10-5a)Cd2435060
五酸化窒素などの肺への影響が報告さ b)Ni-6-5222x104.4x102.7x10-42435060
れている。特に二酸化窒素は比較的より c)Cr
71x10-6
1.4x10-5
8.5x10-52435060
有毒とされるが、検知範囲外であった。
いくつかの多環炭化水素、すなわち Benzo[a]pyrene,
本研究で提案した植林は、当初、現地の農民には受Benzo[k]fluoranthene,
Benzp[b]fluoranthene,
け入れられなかった。それは、耕作に適している土地
Benzo[ghi]perylene, indeno[1,2,3-cd]pyrene 等が、薪燃の縮小をもたらし、収入の減少になるからである。さ
焼時の煙中に検出されているが、人体影響としては未らに農民の大多数は読み書きができず、そのため、植確実とされる。10,000 の人口に対して、0-1.2 の発ガ林の重要性を納得させることは非常に困難であった。
ン性増大をもたらすとされる。フェノール類は、ベンそこで、はじめは果樹を植樹し、その生長に合わせてゼン環に 1 つ以上の水酸基がついた化学物質群をさ環境問題について教育するとの戦略を取った。さらに、すが、その吸入は呼吸器官に悪影響をもたらし、気管もう一つの目的は、果実から栄養の摂取を行うという、支炎を引き起こす可能性がある。煤塵(0.02-10μm)中健康面でのものであった。現地農民の活動様式から、浮遊粒子は肺中の蓄積し、様々な病理的影響を引き起
また今後の生活の変化をも考慮し、以下の必要カロリこす。特に重金属発癌物質カドミウム、ニッケルおよーを割り出した。
びクロムと結合することで、人口 10000 人当たり発ガン性は 0-3 増大する。
子供‒1700kcal/日
青年‒2400kcal/日
薪燃焼時に発生するすすは、木の種類や燃焼状態に男性‒2800kcal/日
女性‒2200kcal/日
大きく依存するが、現在農村部で多用されている樹種条件に沿う形で解析したものである。現在料理には薪300 家族から構成される村全体でのビタミンおよが使用されており、そのため、バイオガスのような新びミネラルの必要摂取量を以下のように推定した。一たな再生可能エネルギーシステムに置き換えてゆく
家族は夫婦と子供として成年 1 および未成年 2 の計 5必要がある。バイオガスシステムについては、これま人とした。結果は以下の通りである。
でにも幾多の長所があることが示されており、実績がThiamin591 gmRiboflovin
710 gmある方法である。バイオガスの利用によりエネルギー
Niacin7805gmRetinol
312 gm
効率が向上するばかりではなく、プラントからの副生
Vitamin C
22.2 kg
Calcium
286 kgスラリーは、優れた肥料となる。また糞尿中に含まれPhosphorus 482 kg
Iron
13.5 kg
る有害バクテリアの 95%が除去され、衛生的である。
本研究で新たに設置したバイオガスプラントは、規1/4 のビタミンについては、在来種、外来種またハ模は 5ft x 5ft x 5ft の大きさであり、実験目的に使用しイブリッド種のいずれかから取ることを想定した。植た。原料としては、動物廃棄物に加えて、樹木から得樹樹種選択に関して考慮した点は、以下の通りである。
られたバイオマスも用いた。バイオガス発生量はほぼ
a)材木用高成長樹木、b)エネルギー消費パターンに3 家族が調理用に使用する量に相当した。現在、さら基づく燃料用樹木、c)バイオガス製造用樹木、d)家畜-3-飼料、e)健康改良のための果物、f)薬用効果のある果物、g)長期的視点に基づく産業用高付加価値樹木、h)
伝統工芸用樹木、i)環境改善効果を期待しての植樹（天然殺虫剤としての利用を含む）。
上記の要求を満たすべく、樹種の選択を、コンピューター・シミュレーション(Simplex 法、植樹本数一定の下で、解を方程式を解くことにより得る)を用いて行った。果樹については、そのビタミン他の含有量等や、標準的植栽間隔などを調査し、これを計算に用いた。計算結果からは、10 ヘクタールの果樹の植樹で、村全体の栄養上の要求を完全に満たすであろうことが示された。しかしながら、今回の試行で用いたサイトは 2.1 ヘクタールであり、すなわち、必要栄養量の20-22%を満足することになる。ただし、推定にあたっては、表中の低めの値を用いているため、もう少し数字は大きい可能性が高い。この計算結果に基づき、約 1000 本の植樹を行った。
(d) 農村での太陽電池照明の試行実験：エネルギープ
ランテーションによる発電システムと併せて、太陽電池を用いた照明と揚水の可能性について検討した。バイオマスを用いた発電が現実のものになるには当然木の生長が必要であり、長期間を有する。また、必要エネルギーは今後も増大することが予想される。そのため、導入の際には太陽電池の利用が不可欠である。
このようなシステムの導入については、既に、日産科学財団報告書 Vol.23,45-48(2000)にて報告したが、報告書にあるネパールのケースが、インドに於いても成功裏に適用された。
まずはじめに、太陽の「ランタン」2 セットを導入した。10W の太陽電池パネルで、3-4 時間(7W で 4時間、9W で 3 時間)の照明が可能となる。このような試行の結果、今後は、全村民の照明・飲料水ニーズに対応するべく、5-6kW の太陽電池パネルの設置が計画された。運転様式については、以下の 2 モードの可能性を検討した。
① 太陽「ランタン」用パネルの中央設置：各家庭が、USD 60 程度のコストをかけ、寿命 3 年の太陽「ランタン」を各戸に 1 台設置するとした。3 年後には、バイオマスシステムからの電力供給も可能となるものと期待される。確かに現状では国からの太陽「ランタン」への補助金システムがあるが、実際はこのような補助金を得ながらも、実際にはその用途に使用しないケースも多く見られる。この点から、全村民がチャージをしに、「太陽電池パネルが設置された中央広場」に集うという形が望ましいのではないかと考えた。この試行を実施すべく、現在、予算も含め計画を立案している。
② LED と蓄電池との組み合わせ：インドでは基本的に早起きかつ早寝であり、さほどの照明に対するニーズはない。しかし、夜中に一つは照明をつけっぱなしとする習慣があり、この用途に白色 LED を考えた。白色 LEＤは、77%との高い光変換効率と 10,000時間以上の寿命を持つ。たとえば 3 つの LED(3.6V、20mA)で 500LUX 以上が、20 cm 以上の距離で得られる。確かにシステムコストは一トーチ当たり 110USDと高価であるが、ペイバックタイムは 5 年以下である。

しかし、この金額を負担する能力はないため、補助金の導入が必要である。この利用により、エネルギー使用パターン、そして煤塵などの環境汚染に影響を及ぼすことから、現在、このような用途に適したトーチの開発を進めている。
3. 研究成果
本研究により農村地域に以下の変化が見られた。
(1) 農民自身による通常とは異なる作業による好奇心の発生と科学的思考の芽生え：本研究で実施された植林法などは、伝統的な農業とは全く異なったため、彼らの好奇心を引き起こし、さらには日本からの訪問者などもこの重要性を認識させるに至った。その結果として、決して本質的とは言えないが、本研究手法を模擬した手法特に植林が、近郊随所で始まった。
(2) この研究が何のためであるのか、との理解が、特に作業に従事した農民に広がった。
(3) 確かに再生可能エネルギーは効果ではあるが、また政府補助金をあてにしたものではあるが、その導入機運は高まりつつある。
(4) バイオガスによる調理が農民に浸透し始めていることは大きな収穫である。
(5) 太陽電池の導入は現状では農民の好奇心程度に過ぎないが、可能性は大きい。
4. 今後の課題と発展
今回の研究において最も問題となった点は、これが全球規模の気候変動によるものであるかどうかは別問題としても、乾燥地における洪水であった。2002
年夏、ネパールからの洪水が現地を襲い、樹木に相当な被害を与えた。このような点を鑑みるに、本研究に様な取り組みが、国境を越えたレベルで行われることが望ましい。また以下の点が問題点・課題、将来展望として指摘された。
(a)文化宗教などの地域性に応じた発展モデル(b)ビタミン摂取用野菜栽培の組み合わせ(c)蛋白質摂取を目的とした 0.2ha 程度の池の造成(d) 1kW 規模の太陽電池の設置とその効果の観察
そして最後に、農民に新しい考え方、方法論、技術および発展に関する知識を移植するための方法論の確立が多分最も重要であろう。また、本研究では言及できなかったが、塩蓄積防止が可能となる水利用体系の確立も今後の課題である。
発表論文リスト(1) Integrated Resource Management and Renewable
Energy Base Modeling to Reduce Environmental Stress,
Promote Conservation and Stop Mass Migration to Urban
Slums from a Semi-arid Village
accepted for publication in Journal of Arid Land
Studies(2) Innovative Solar Fish Drying Technique and its
experimental verification to supplement food deficit inrural areas
to be communicated to Energy Conversion andManagemen-4-