フジタ技術研究報告㻌第㻡㻤号㻌 㻌 㻞㻜㻞㻞年㻌
㻌㻌

炭素貯留を実現する水処理と肥料化技術の開発（その２）㻌
㻌横 山 㻌 茂 輝㻌㻌

松 澤 㻌 大 起㻌㻌

倉 澤 㻌 響㻌㻌袋 㻌 昭 太㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌概㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 要㻌㻌
2050年までの脱炭素社会の実現には、CDR（大気中二酸化炭素の直接除去技術）の実現が必要不可欠である。バイオ炭の農業利用は、大気中のCO2を低コストかつ十分な規模で行えるCDR技術の一つであり、その炭素貯留ポテンシャルは最大2GtCO2/年と世界全体の約6%に相当すると試算されている。我が国においてもJ-クレジットの方法論として整備されるなど、バイオ炭の利用は一層の拡大が期待されている。筆者らは、木質ガス化発電にて副生するバイオ炭（以降、副生バイオ炭）をカスケード利用することで炭素貯留可能なシステムの構築に取り組んできた。前報では、副生バイオ炭からリン吸着材（以降、プライムカーボン）を作成し、リン酸調製溶液を対象とした吸着特性について明らかとした。また、リン吸着後のプライムカーボン（以降、リン吸着後炭）について、緩効性のりん酸肥料成分を含むことや、コマツナ栽培試験においても植害を生じないことを報告した。
本報では、実排水での効果検証を目的とし、下水処理施設にリン回収装置を設置し、プライムカーボンによる中長期的なリン除去特性を解析するとともに、リン吸着後炭を用いて水稲の栽培試験を実施した。この結果、60日以上の連続的なリン回収効果を確認し、水稲栽培試験では化成肥料と比較して遜色ない生育がみられた。㻌
㻌

Development of water treatment and fertilizer technology to realize carbon storage（Part 2）㻌Abstract
In order to achieve a decarbonized society by 2050, it is essential to realize CDR (technology fordirect removal of carbon dioxide from the atmosphere). Agricultural use of biochar is one of theCDR technologies that can remove CO2 from the atmosphere at a low cost and on a sufficient scale.
The use of biochar is expected to further expand in Japan as well, such as being developed as a Jcredit methodology. The authors have been working on building a system that can store carbon bycascading the biochar that is a by-product of wood gasification power generation (by-productbiochar). In the previous report, we created a phosphorus adsorbent (PRIME-Carbon) from byproduct biochar and clarified its adsorption properties for a phosphoric acid-adjusted solution. Inaddition, we reported that PRIME-Carbon after phosphorus adsorption (charcoal after phosphorusadsorption) contains a slow-release phosphate fertilizer component and that it does not cause
vegetation damage in Komatsuna cultivation tests.
㻌 㻌 In this report, for the purpose of verifying the effects in actual wastewater, a phosphorus recovery device
was installed in a sewage treatment facility, and a medium- to long-term phosphorus recovery test using
PRIME-Carbon was conducted. As a result, we confirmed the continuous phosphorus recovery effect for morethan 60 days, and in the paddy rice cultivation test, growth was comparable to that observed with chemicalfertilizers.

キーワード：㻌

炭素貯留、バイオマス、バイオ㻌

炭、吸着材、リン回収、堆肥、肥料㻌㻌 㻌㻌
㻌−55−㻌

㻌フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻤号㻌§１．㻌 はじめに㻌㻞㻚㻞㻌 リン回収試験㻌

㻌（㻝）㻌 処理対象水㻌㻝㻚㻝㻌 背景・目的㻌

リン回収の処理対象水はA市下水処理施設の汚泥分離

我が国は IPCC「1.5℃特別報告書」 を受け、2050 年ま1)

液処理施設処理水（以降、原水）とし、分離液処理施設最でに温室効果ガス排出実質ゼロを目指すことを宣言した。

終沈殿池から採取した。採取フローを図1に示す。

また、「革新的環境イノベーション戦略」では、農地土壌へのバイオ炭の投入は大気中の CO2 を土壌に隔離・貯留する方法として期待されており、世界全体での炭素貯留ポテンシャルは最大 2GtCO2 と試算 2)されている。
他方、木質バイオマスガス化発電は蒸気タービン発電方式と比較して小規模でも高い発電効率が得られるため、地域の分散型電源として期待されるが、熱需要確保と副生バイオ炭の処分が課題となっている。また、我が国は農業生産に必須のリンを全量輸入に依存しているため、地図㻝㻌 リン回収処理対象水の採取フロー㻌

域におけるリン資源の循環利用が求められている。
そこで、筆者らは、ガス化発電で発生する副生バイオ㻌（㻞）㻌 リン回収試験装置㻌

炭をカスケード利用することで炭素貯留可能なシステムの装置は、原水貯留槽、流量調整槽、吸着材充填槽、処理構築を目指した取り組みを行っている。具体的には、副水貯留槽および吸着材充填槽の水切り場にて構成した。装生バイオ炭からリン吸着材プライムカーボンを製造し、下置の外観、仕様をそれぞれ写真2、表1に示す。

水等の排水中から水質汚濁要因物質であるリンを除去回

㻌計量槽㻌

収し、リン吸着後炭として農地に施用する。これにより、事業全体の経済性を向上させるとともに、未利用リン資源の㻌㻌

対象水貯留槽㻌
原水貯留槽㻌
処理水貯留槽㻌

流入側㻌

活用と農地への炭素貯留等による温室効果ガス排出量流出側㻌の大幅な削減が期待できる。
前報 3)では、プライムカーボンは既知のリン吸着材と比較して遜色ないリン吸着特性を示し、リン吸着後炭は緩効性の肥料として利用できる可能性があることを報告した。

吸着材充填槽㻌
吸着材充填槽㻌
リン吸着炭㻟㻢㎏充填㻌
プライムカーボン㻟㻢㎏充填㻌

本報では、A 市の下水処理施設にリン回収試験装置を設置し、実排水を対象としたプライムカーボンのリン吸着

写真㻞㻌 リン回収試験装置㻌

特性と、得られたリン吸着後炭の水稲への肥効について検証した結果を報告する。

表㻝㻌 仕様㻌§２．㻌 試験材料および方法㻌
試験装置全体㻞㻚㻝㻌 リン吸着材㻌
木質ガス化発電の副生バイオ炭を原料に弊社独自の技術で鉄を含有させて製造したリン吸着材（プライムカーボン）を供試試料とした。外観を写真 1 に示す。有機炭素吸着材充填槽を 40～60 %、鉄を約 10 %含有している、長さ 4～10 mm程度の円柱状のペレットである。

全長Lmm

3,440

全幅Wmm

1,668

全高Hmm

2,056

総重量kg

1,290

全長Lmm

470

全幅Wmm

436

全高Hmm

1,146

容積

L149930

原水貯留槽
処理水貯留槽容積

L80

計量槽
処理水量

写真 1 プライムカーボン−56−－㻞－㻌

308

設定

L/h48

炭素貯留を実現する水処理と肥料化技術の開発（その２）㻌

（㻟）㻌 リン回収処理フロー㻌

供試資材の成分組成を表2に示す。なお、リン吸着後炭はリン回収試験の処理フローを図2に示す。原水は原水貯田植え時期の関係で予定より通水期間（吸着期間）を短縮

留槽からポンプにて計量槽に送られ、そこで流量調整されして調製した。㻌

た水量が吸着材充填槽①へ送られる。その後、吸着材充填㻌

槽①から⑤を通過して処理水貯留槽まで自然流下させた。

表㻞㻌 供試資材の組成（現物あたり％）㻌

処理水は分離液処理施設最終沈殿池にポンプで返送した。

全炭素

全窒素

全リン酸

全カリウム

水分C%

N%

P2O5%

K2O%

%

吸着材充填槽は7日毎に流出側の槽を取り外してリン吸

リン吸着後炭

24.1

0.11

0.41

0.3

30.0

着後炭を回収し、流入側に新しい槽を追加することでプライ

副生バイオ炭

86.7

0.15

0.26

2.8

1.2

ムカーボンを交換した。㻌

牛ふん堆肥

17.5

0.99

0.87

1.655.9㻌㻌㻌（㻞）㻌 試験条件㻌

㻌㻌 㻌 東北大学の非アロフェン質黒ボク土水田に設置した

㻌

27.5cm×27.5cmの試験枠内へ各資材を施用し、水稲（品㻌

種：ひとめぼれ）を栽培した。試験区は(1)リン吸着後炭区(P㻌炭)、(2)リン吸着後炭＋堆肥区(P炭＋堆)、(3)副生バイオ単㻌

独炭区(炭)、(4)副生バイオ炭＋堆肥区(炭＋堆)、(5)堆肥単㻌

独区(堆)、(6)慣行区（慣行）の6つとした。慣行区は資材を㻌施用せずに化学肥料のみを慣行量施用し、N-P2O5-K2O：7-

㻌7-7）とした。リン吸着後炭、未処理炭の施用量は現物で500

㻌

g/㎡、牛ふん堆肥の施用量も現物で500g/㎡とした。慣行区

㻌を除く試験区での化学肥料の施用量はN-P2O5-K2O：7-5-7

図㻞㻌 リン回収処理フロー㻌とした。試験は5反復で実施し、1週間に1回チャンバー法で（㻠）㻌 試験条件㻌
原水を流量1.1 m3/日、吸着材充填槽あたりの滞留時間ガスを採取し、メタンフラックスを求めた。試験区の施肥量を表3に、田植え後およびチャンバー法でのガス採取の状況

1.7h、充填槽あたりの線速度0.4 m/hとして、リン回収試験装を写真3および4に示す。

置に63日間通水した。また、回収したリン吸着後炭の一部㻌を回収し、別の充填槽を用いて21日間追加通水した。
プライムカーボンは、吸着剤充填槽1槽あたり乾燥重量として36 kg充填した。
（㻡）㻌 分析㻌
原水および処理水の全リン、リン酸態リン、全窒素、硝酸態窒素、亜硝酸態窒素、アンモニア態窒素、pHをJIS K01024) に 準じて測定した 。 また、 リン吸着後炭の りん 酸

写真 㻟㻌 田植え後㻌

（P2O5）含有量は肥料等試験法5)に準じて分析した。

㻞㻚㻟㻌 リン吸着後炭の水稲栽培試験㻌（㻝）㻌 供試資材㻌
㻌 本試験で用いたリン吸着後炭は、2.2試験とは別にラボにてカラム（内径100mm×高さ1,000mm）にプライムカーボンを充填し、2.2試験における原水を2週間通水し、風乾して調製した。副生バイオ炭は稼働中のガス化発電施設より入手した。堆肥は東北大学大学院農学研究科附属複合生態

写真 㻠㻌 チャンバー法㻌

フィールド教育研究センター（以下、東北大学）内で製造した牛糞堆肥を使用した。肥料等試験法5)に準じて分析した−57−－㻟－㻌フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻤号㻌表 㻟㻌 施肥量㻌

処理区名

略称

資材施用量

化学肥料施用量

総成分投入量g現物量/m2g成分/m2g成分/m2

炭資材

堆肥N

P2O5K2O

TC

N

P2O5K2O

500-757121

75

7.1

8.3

500

500

757208

12.5

11.4

16.3

炭

500-

75

7434

7.8

6.3

20.9

炭＋堆500500757521

12.7

10.7

28.9

堆肥単独区

堆-500

75787

12.0

9.4

15.0

慣行区

慣行--

7770

7.0

7.0

7.0

リン吸着炭単独区
リン吸着炭・堆肥区
副生バイオ炭単独区
副生バイオ炭＋堆肥区

P炭P炭＋堆㻌§３．㻌 試験結果㻌
㻟㻚㻝㻌 リン回収試験㻌（㻝）㻌 リン吸着性能㻌
試験結果の概要を表 4、原水および処理水における全㻌㻌㻌㻌

リンおよびリン酸態リンの推移を図 3 に示す。全リン(TP)のPJ/推移は、原水では 30 mg/L 程度であったが、試験経過 21日目から 35 日目の期間は雨水の流入等によって 11mg/L まで低下し、平均で 26 mg/L となった。一方、処理水では経時変化は小さく、平均で 5 mg/L となった。原水と処理水の全リン濃度の差分から求めた除去率は平均で78 %となり、安定的な除去が可能と考えられた。また、処323原水
32
3原水
323処理水
32
3処理水㻌㻌㻌

ら、除去されたリンは懸濁態として流出せずにプライムカ

73処理水73処理水㻌

理水中の全リンの大半はリン酸態リン(PO4-P)だったことか

㻌

73原水
73原水

㻌㻌



ーボンにより回収されたことが示された。

㻌㻌

GD\V㻌

なお、既存規格にある副産肥料に該当するのであれば、

図㻟㻌 原水および処理水のリン濃度推移㻌

りん酸（P2O5）含有量 1%以上が必要となる。上記で得られ㻌たリン吸着後炭の含有量は乾燥重量あたり 0.84%であっ（㻞）㻌 その他の水質項目㻌

たが、原水の追加通水 7 日で 1.06%、14 日で 1.21%、21

原水および処理水における pH の推移を図 4、全窒素、日で 1.48%に増加したため、通水条件の選定等により、リ硝酸態窒素、亜硝酸態窒素、アンモニア態窒素の推移をン吸着後炭は副産肥料として使用できる可能性が示唆さ

図 5 に示す。
pH は、原水では平均 6.8 であったのに対し、処理水でれた。

は 8.3 となり、未反応のプライムカーボンを追加した直後

表㻠㻌 リン回収試験結果概要㻌
‘21年7～9月

試験期間に pH が上昇する傾向がみられた。全窒素は、原水の平均 29.0 mg/L に対して処理水では平均 21.3 mg/L となり、試験期間中のリン除去率%78

プライムカーボン滞留日数日

35mg/L に対して処理水では平均 2.3 mg/L となり、除去率は%0.8468％だった。一方、亜硝酸態窒素は原水の平均 0.7 mg/L%

1.48に対して処理水では平均 3.4 mg/L と増加した。また、アンリン吸着後炭のりん酸（P2O5）含有量*

通水35日
追加通水21日

㻖乾燥重量あたり㻌

除去率は 27％だった。硝酸態窒素は、原水の平均 7.2

モニア態窒素は原水と比較し、ほとんど変動が見られなかった。全窒素の一部はプライムカーボン内部が局所的

㻌に嫌気的になることで、脱窒反応により減少したと考えら㻌れた。
−58−－㻠－㻌

炭素貯留を実現する水処理と肥料化技術の開発（その２）㻌

14121086420

原水

慣行区を含めて処理間で有意差は認められなかった。これ

処理水により、リン吸着後炭の施用で炭素投入量が増加しても、水田からのメタンの放出は増加しないことが示唆された。
収穫後土壌の有機炭素含有率は処理区間で有意差が020days

40

認められなかったが、リン吸着後炭および副生バイオ炭を60施用した処理区で炭素が増加する傾向がみられた。また、

図㻠㻌 原水および処理水の㼜㻴推移㻌
80mg/L用した処理区で増加傾向であった。

(a)全窒素原水60

土壌中鉄分の指標である遊離酸化鉄はリン吸着後炭を施㻌

処理水

40200020days

4060(b)硝酸態窒素

原水

60mg/L100㻌

80

㻌80㻌㻌㻌

604005/31

㻌㻌

2002040days

mg/L60処理水

4020080

40days60800

P炭+堆炭+堆慣行400
20005/316/20

7/10月/日

7/308/19

図㻣㻌 茎数の推移㻌

40days40CH4フラックス（mgC/㎡/h）

20208/19600

処理水07/30P炭
炭堆(d)アンモニア態窒素

原水60
mg/L207/10

図㻢㻌 草丈の推移㻌

60(c)亜硝酸態窒素

原水

P炭+堆炭+堆慣行
月/日

茎数（本/㎡）

80

06/20

㻌

10000P炭
炭堆20㻌

処理水400㻌
草丈（cm）

pHに推移する傾向はあったが、栽培期間中の積算放出量は60

図㻡㻌 原水および処理水の各態窒素濃度推移㻌㻌㻟㻚㻞㻌 リン吸着後炭の水稲栽培試験㻌
水稲の草丈および茎数の推移、メタンフラックスを図6～
図8、米の収量を表5、収穫後土壌の有機炭素含有率を図9、遊離酸化鉄を図10に示す。稲の生育は各処理区間で明確な違いは見られず、資材による特段の生育阻害は認めら

30P炭
P炭+堆炭
炭+堆堆慣行

25201510505/31

7/20
月/日

図㻤㻌 メタンフラックス㻌

れなかった。米の収量についても資材の影響は特に認められなかった。メタンフラックスは、牛ふん堆肥区でやや高め−59−－㻡－㻌

9/8フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻤号㻌表㻡㻌 米の収量㻌
処理区名

精玄米量

穂数

１穂籾数

総籾数

精玄米歩合

千粒重(g/m2)(本/m2)(粒)(千粒/m2)

(%)

(g)

P炭

508423

63.8

26.9

85.0

22.2

P炭＋堆496

428

64.8

27.7

83.1

21.6

炭

496

439

61.4

26.9

84.3

21.9

炭＋堆494

423

64.2

27.1

84.1

21.8

堆522

418

66.3

27.786.122.0

慣行479

43964.5

28.281.021.2

ANOVA

NSNS

NSNSNSNS

全炭素含有率（%）2)

水稲栽培試験では、リン吸着後炭の稲の生育は他6の処理区と同程度であり、生育の阻害は見られな5かった。また、メタンの排出量も有意な差が認めら4れなかった。一方、リン吸着後炭を施用した処理区の土壌中炭素および遊離酸化鉄は有意差が認め3られなかったものの、増加する傾向がみられた。

2㻌

1

今後は、自治体での実証を通じて、リン吸着能力のさらな0る向上を図るとともに、リン吸着後炭の肥料登録を行うなど、実用化・商品化に向けた取り組みを進めて行く予定である。
㻌謝辞㻌 㻌

遊離酸化鉄含有率（%）

図㻥㻌 収穫後土壌の有機炭素含有率㻌
1.6
1.41.210.80.60.40.20

本研究に際し、東北大学様には多大なご協力を得ました。
関係各位に感謝申し上げます。㻌㻌
参㻌 考㻌 文㻌 献㻌1)2)
3)
4)
㻡㻕IPCC(2018),Global Warming of 1.5℃
岸本（莫）文紅, 地球温暖化防止の土壌炭素隔離機能から見たバイオ炭,木質炭化学会誌,15(1）, 2-7,2018
横山茂輝,倉澤響,袋昭太, 炭素貯留を実現する水処理と肥料化技術の開発（その１）,フジタ技術研究報告,第55号,pp 69-72,2019
日本産業規格（2020）, JIS K 0102:2016 工場排水試験方法
独立行政法人農林水産消費安全技術センター,肥料等試験法(2021)㻌

㻌
ひとこと図㻝㻜㻌 収穫後土壌の遊離酸化鉄含有率㻌

脱炭素社会の実現は、誰もが§４．㻌 まとめ㻌

取り組まなければならない地球木質ガス化発電の副生バイオ炭を原料に製造したプライ規模の課題です。

ムカーボンの下水処理への適用と、回収したリン吸着後炭

本研究を通じて、炭素を地中の肥料化について、以下の知見を得た。
1)に貯留する技術の実用化を目指

リン回収試験では、下水処理施設の実排水を用い、60日間以上の安定的なリン除去効果が示され

横山 茂輝

㻌

た。また、リン吸着後炭について、1週間の追加通水でりん酸含入量が1%以上となり、副産肥料としての有用性が示唆された。

−60−－㻢－㻌

して取り組んでまいります。