Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
# Development of LCA Database and Education Materials about Daily Behaviors aiming for Common Platform Provision

Principal Investigator: Keisuke HANAKI

Institution: The University of Tokyo

7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, JAPAN

Tel: +81-3-5841-6236 / Fax: +81-3-5841-6252

E-mail: hanaki@env.t.u-tokyo.ac.jp

Cooperated by: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology,

Kagawa University, The Society of Non-Traditional Technology

## [Abstract]

Key Words: Life cycle thinking (LCT), Environmental education, Pro-environmental behaviors, Life cycle assessment (LCA), Inventory data, Greenhouse gas (GHG), Home economic education, Textbook, Application, Game

A questionnaire survey was conducted for 72,738 people in Japan to examine recognition of the pro-environment behaviors. A factor analysis of the results revealed that there were five factor groups. Based on the factor scores, people were categorized into five types. These are 1) moderate people having rather low environmental consciousness, 2) moderate people having rather high environmental consciousness, 3) people having concern about the environment but no intention of paying effort, 4) people with low concern of the environment, and 5) people with high concern of the environment. There was no difference among prefectures.

A smart phone game was developed to educate people about the concept of life cycle thinking. Beef production in Australia and Japan was used as the game topic. This game was intended to attract young people to learn about the life cycle thinking. Life cycle carbon dioxide emission from feeding and transportation were compared in the game. Collaboration with a company at school education on life cycle thinking was attempted.

LCA database was developed for evaluating the housework. Major types of housework were selected, and the detailed actions for each of the work were identified. By using this database, life cycle carbon dioxide emission from major housework and its option were evaluated. The database consists of analysis of detailed action of housework and application of the existing database for major industrial products, IDEA, to show LCA of each of the housework. This database was used in the education and game development within this project.
Education material of life cycle thinking was developed for junior and senior high school and high school. Use of towel and cooking of curry and rice were taken as educational case studies. Manufacturing and washing of towel, and production of meat and vegetables of curry and rice are major emission sources of carbon dioxide. These case studies were taught in schools with a follow up survey of the students to know the effectiveness of education.

Analysis of Textbooks of home economics revealed that the current environmental and LCA education is limited. Teaching experiences of LCA education were collected from schools. The education for sustainable development covering environment, safety, human right and multi-cultural symbiosis was shown to be important. Education guideline on life cycle thinking was newly developed for such purpose. This guideline was adopted in a sub-text for the teachers.
平成 24 年度

環境研究総合推進費補助金 研究事業

総合研究報告書

未利用リン資源の有効活用に向けたリン資源循環モデル開発

(K2404) K2307, K22001

平成25年3月

(代表研究者) 国立大学法人 東北大学 松 八 重 一 代
· 補助事業名 環境研究総合推進費補助金研究事業（平成 22 年度～平成 24 年度）

· 所管 環境省

· 国庫補助金 34,480,800 円

·研究課題名

未利用リン資源の有効活用に向けたリン資源循環モデル開発

· 研究期間 平成 22 年 4 月 1 日 ～ 平成 25 年 3 月 31 日

· 代表研究者名 松八重一代（東北大学）

## · 共同研究者名

平木岳人（東北大学）

長坂徹也 (東北大学)

中島謙一（独立行政法人国立環境研究所）、

廣田 憲之 （独立行政法人物質・材料研究機構）、

大竹久夫（大阪大学）、

後藤逸男（東京農業大学）、

杉山 茂 (徳島大学)

久保裕也（福岡工業大学）
## 目次

総合研究報告書概要

研究成果報告書 本文
1．未利用り資源の有効活用に向けたり資源循環モデル開発にむけて
1.1 研究の目的と意義
1.2 本報告書の構成
2．化学工業部門におけるリンのマテリアルフロー分析
2.1 はじめに
2.2 化学工業部門のマテリアルフローおよびリン
3．リン資源循環モデル IPCIO Model の整備
3.1 産業連関表の構造と産業連関分析の手法論
3.2 IPCIO データベースの構築
3.3 循環シナリオの設定と波及効果分析
3.4 結論と考察
4．リンの資源循環を目的とした技術開発とインベントリデータの構築
4.1 未利用資源からの回収リンの肥料への活用
4.2 スラグからのリン回収に対する基礎研究
-回分式およびカラム通水式操作によるスラグからのリンの回収技術の開発
4.3 下水処理施設等におけるリンフロー解析プログラムの開発
4.4 超伝導磁気分離技術を用いた未利用リン資源の回収に関する検討
5．リン資源およびリン含有製品の国際サプライチェーン分析
5.1 はじめに
5.2 手法
5.2 結果
6．研究発表
論文発表
学会等発表
研究概要図
英文概要
## 研究成果の概要

環境研究総合推進費補助金 研究事業 総合研究報告書概要

・研究課題名 未利用リン資源の有効活用に向けたリン資源循環モデル開発

· 研究番号 (K2404) K2307, K22001

・国庫補助金精算所要額（円）34,480,800円（複数年度の総計）

· 研究期間（西暦）2010.4-2013.3

· 研究代表者名 松八重一代（東北大学）

· 研究分担者名 平木岳人（東北大学）、長坂徹也（東北大学）、

中島謙一 （独立行政法人国立環境研究所）、廣田 憲之 （独立行政法人物質・材料研究機構）、大竹久夫（大阪大学）、後藤逸男（東京農業大学）、杉山 茂（徳島大学）、久保裕也（福岡工業大学）

## · 研究目的

世界的な食料需要増大、バイオ燃料生産増を受けて、リン資源の需給逼迫が懸念されているが、下水污泥や鉄鋼スラグ中にリンが含まれることは知られている。このような未利用のリン資源を有効に活用するためには、リンが具体的にどのような形状でどの程度社会に流通し、活用され、廃棄物中に含まれるリンがどの程度発生し、また、どのような手段によって資源としての再活用が可能かを明らかにすることが必要である。

このようなことから、本研究では第一に、リンの形態別、純度別物質フローを整備することを目的とする。第二に、未利用リンの回収、再資源化技術について、それぞれ何がどのような形状・純度で回収可能で、どのために必要な資源・エネルギーはどの程度なのか調査を行う。最後にリン資源循環分析用 IPCIO モデルを用いたシナリオ分析を行うことで、リン資源に関わる廃棄物・資源管理戦略について検討することを目的とする。

## ·研究方法

本研究は、①リン資源に関するマテリアルフロー分析（MFA）、及び②リン関連財の生産ならびに未利用リン資源の回収に関わるLCAと③モデルを用いたシナリオ分析で構成される。

① リンの MFA
経済活動に投入されるリン資源をリン酸、黄リン、赤リン、高純度赤リン等に分類してマテリアルフローを整備すると同時に、経済活動から排出される未利用リンについても排水、家畜糞尿、スラグ等について、その回収可能性を考慮しつつ発生量と状態を明らかにした。また輸入作物の背後にある、生産段階で投入されたリンを考慮したバーチャルリンフロー解析を行うことで、ライフサイクル視点から見た日本国内の食料需要を支えるリン鉱石需要量を明らかにした。

## ② リン関連財の生産とリンの回収、アップグレードに関わる LCA

リンの需要は半導体部門における高純度赤リンから肥料用途のリン酸までその形態、純度によって幅広い。肥料、農薬、化合物半導体原料等のリン関連財の生産に関わるインベントリ分析を行い、再資源化物を用いる可能性がどれほどあるのか、導入に関わる課題について検討を行った。さらに酸洗浄、微生物を用いたハイドロキシアパタイト晶析法、磁気分離等の未利用リン資源の回収に関わるインベントリ分析を行った。

用途によっては、鉱石から不純物、重金属類を除去・精製して生産を行うプロセスよりも、汚泥やスラグといった廃棄物に含有される未利用リン資源をアップグレードする方が資源・エネルギー投入が少なくて済む場合もある。ここでは回収ターゲットとその用途別に、未利用リン資源の回収・アップグレードに関わるインベントリ分析を行い、③の資源循環分析モデルに接続してシナリオ分析を行った。

## ③リン資源循環分析用 IPCIO モデルを用いたシナリオ分析

本年度は昨年度整備した 2005 年の日本におけるリンのマテリアルフローを基礎として (Fig.2)、リン資源循環分析用統合モデル（Integrated Phosphorus Cycle Input Output Model: IPCIO model）を整備した。IPCIO のモデル構築の流れを Fig.3 に示す。IPCIO は、産業連関表の行列をベースとする。既存の産業連関表は金額ベースで記述されているが、本研究では国内のリンのマテリアルフロー分析の結果を利用し、リン関連財に関して産業連関表の部門の拡張と物量化を行い、国内のリンの二次資源ポテンシャルを抽出するのと共に、リンの循環利用によるリン関連財の需給への影響を定量的に考察した。

## ④リンの国際フローネットワーク解析

さらにリン資源循環促進の先にある国際的なリン資源保全にどの程度、循環技術導入が寄与するのかを検討するためにリンの国際フロー解析を行った。中島（NIES）松八重（東北大）は231カ国を対象として、国際貿易統計BACI (Base pour l 'Analyse du Commerce International)(CEPII)より、各国間の品目別国別貿易データ(バイオマス系:256品目、非バイオマス系:51品目)を抽出すると共に、品目別の含有量を乗じることによりリンの地域間移動量等（(a)リン総輸出入量、(b)品目別リン輸出入量、(c)国別リン生産量・輸出入量、(d)国別リン消費量）の推計・解析を行った。
## ·結果と考察

未利用リンの回収、再資源化技術について、排水処理設備における投入資源・エネルギー量と回収リン量に関するインベントリ解析を進めた。

回収リンの肥効について、今年度は後藤（東京農大）により有害元素含有量が低い下水灰を対象に、従来の実用化技術に比べて簡易な処理のみで、どの程度リン酸資材として利用できるかを検討した(Fig.1)。モルデナイトを主体とする天然ゼオライト粉末とクエン酸あるいはクエン酸発酵廃液を一定の割合(0～25%)で混合・乾燥した資材に全P20522.5%、Cd4mg/kgのG市下水灰を1：1の割合で混合し、ディスクペレッターにより3.0×7.0mmに成型した。可給態リン酸を著しく欠く未耕地多腐植質黒ボク土にこの資材をP205として0.7g施用して、1/5000aワグネルポットでチンゲンサイを栽培した。対照リン酸肥料として、過石と下水灰から回収したリン酸カルシウムを供試した。下水灰単独区では、無リン酸区と同程度の生育でリン酸利用率も1%であったが、ゼオライトのみ(クエン酸0%)の混和により生育が増進し、リン酸利用率が3.5%に上昇した。さらに、クエン酸添加ゼオライトを混合することにより、著しい生育増進とリン酸利用率向上が認められた。特に、クエン酸8.5～25%混和区では過石区と同等あるいはそれを上回る結果となった。また、全てのクエン酸・ゼオライト混和区でリン酸カルシウム区よりもはるかに良好なリン酸肥効を示した。チンゲンサイ現物当たりのCdは、下水灰単独区の0.12mg/kgに対して、ゼオライトのみ(クエン酸0%)混和区で0.04mg/kg、クエン酸・ゼオライト混和区で0.03mg/kg以下となった。以上の結果より、下水灰にクエン酸とゼオライトを混合・成型するのみで、リン酸の肥効を著しく高め、かつCd含有量を軽減させることができた。

未利用リンの回収技術インベントリ調査として、今年度は杉山（徳島大）により化学プラントから排出されるスラグ（化学スラグ）に多くのリンが含まれていることに着目し、化学スラグを湿式処理に関する調査が行われた。ここではリンとともに湿式処理による主要溶出成分である鉄(Fe3+)およびアルミニウム(A13+)カチオンをカルシウム水酸アパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2:CaHAp)を回収剤として用いて分離-回収する検討を行った。化学スラグを1M硝酸に溶解させ、濾別した。濾液はICP-AESにより、また固体は乾燥後XRFにより元素分析を行った。湿式処理では、リンとともにFe3+やA13+も溶出するため、これらの水溶性カチオンを分離する必要がある。それで、溶解-沈殿機構で多くの水溶性カチオンを分離-回収することが知られているCaHApによってこれらのカチオンの分離-回収実験を行った。その結果、pH=1.4～1.5、0.5 mmolのFe3+を含む溶液にCaHApを0.4 g投入すると、2時間後には、Fe3+は完全に分離-回収された。この能力は、化学スラグから溶出される主構成イオン種が処理水中に共存しても低下しなかった。一方、A13+のCaHApによる分離-回収の場合、上記のFe3+に比較すると25%程度の分離-回収効率であった。溶解-沈殿機構では、CaHApの溶解で生ずるリン酸イオンが、水溶性カチオンと反応し、難溶性リン酸化合物として分離-回収されるが、A13+とリン酸イオンとの反応が遅いため、上記のような結果となったと考えられる。上記の結果、化学スラグを脱リンスラグと同様にリン鉱石に代わる新た
なリン資源として期待できることが示すことができた。脱リンスラグや化学スラグのような未利用資源は他にも多く存在すると考えられ、さらなる資源開発への可能性を示した。

また IPClO モデルを用いたシナリオ分析において排水処理に関わるインベントリデータは重要不可欠である (Fig.3, Fig.4)。このインベントリデータの収集として大竹ら (大阪大) によって下水処理施設における水処理および汚泥処理フロー調査が行われた。W水処理センター全体および MAP 法処理装置のフローシートをもとに、施設内におけるリンの物質収支計算の基礎となるマテリアルフローを、昨年度に開発したリンフロー解析プログラムを用いて作成した。平成21年度のW水処理センター運転実績データから、当下水処理施設各工程における流入流出水量と全リン濃度のデータを抜き出し、分岐のある工程についてリンの分配率を推定した。W水処理センターへの流入水量および流入水中の全リン濃度のデータおよび分岐工程におけるリンの分配率を用い解が収束するまで繰返し計算を行って、W水処理センターにおけるリンフローを求めた。W水処理センターでは、汚泥消化槽脱離液から MAP 法によるリン回収を行っているが、リンの流入量 111kg/日に対して、MAP 法によるリンの回収量はわずかに 7.1kg/日（回収率 6.4%）であることがわかった。回収されなかったリンは、放流水に 7.5 kg/日、脱水ケーキに 95.8 kg/日の速度で排出されていると推算された。

これまでに得られたリンのマテリアルフローデータならびに、リン資源回収・循環のインベントリデータをもとに作成したリン資源循環分析用統合産業連関モデル（Integrated Phosphorus Cycle Input Output Model: IPCIO model）を整備、これを下にリン資源循環のシナリオ分析を行った(Fig.5, Fig.6)。リンの需給に関する4つの産業部門の生産額の増加に伴う、リンの新規投入量と、製品中のリンの含有量を計算した結果、米の生産100万円のために、主に湿式リン酸由来の肥料として10kgのリンが必要である一方、工業製品中のリンの由来は、主に高純度な乾式リン酸や黄リンであることを定量的に示した。また、石鹸・洗剤は主原料として界面活性剤を多く含むために、製造に必要なリン量と含有量も大きくなる一方、飲食サービスや乗用車は付加価値が大きいために、単位生産額あたりのリン量が少なくなっていることが示された。さらにいくつかのリン回収・リサイクル技術に関して、その波及効果を推定した。

リンの国際フロー解析により、2005年における世界全体での貿易に伴うリン総移動量は約2,015万トン（バイオマス系品目：304万トン、非バイオマス系品目：1,710万トン）であると得られた。カテゴリ別では肥料(37.1%)が最も多く、リン鉱石(24.2%)、工業(18.1%)、食料(10.7%)と続き、これら4つのカテゴリが全体に占める割合は約9割を占めると得られた。また、リンの輸出入量および生産量の推計結果より、リン鉱石の一部の産出国によるリン資源の囲い込みの現状、更には、世界の数か国において、リンの約6割が集中的に消費されている構造が明らかとなった。
## ・環境政策への貢献

リンのマテリアルフロー解析により我が国のリンフローのうち最も大きな需要は肥料を介した農業部門にあり、土壌蓄積量は無視できない量であることから、土壌診断等をすすめ効率的な施肥によるリン利用の効率化を図る必要があることが明らかになった。また鉄鋼スラグを介して拡散するリンの量は我が国が輸入しているリン鉱石中のリン量に匹敵するものであり、回収・資源化技術イノベーション牽引が必要とされることが示された。

さらにリンの質に着目すると、化学工業部門を通じて供給される肥料用途以外のリンの主な行先は金属表面処理（27%）、食品添加物（21%）、界面活性剤（12%）である。純度を要求されるこれらの用途に向かう乾式リン酸の生産には黄リンが必須であるにも関わらず、国内に黄リン酸生産拠点は無く、9割以上を中国に依存している。黄リン生産の欠落は重大な資源調達リスクになりうることから、戦略的な産業育成が望まれることが示唆される。

未利用リン資源をそれぞれ土壌、排水、製鋼スラグに着目して考察をすると以下の知見が得られた。

○リン酸が多量に蓄積した農耕地では、長年にわたり無リン酸あるいはリン酸大幅削減栽培が可能であること、完熟牛ふん堆肥や下水污泥焼却灰から回収したリン酸資材が化学肥料に匹敵する肥効を示す。

○農耕地中に蓄積したリン酸あるいは国内産未利用資源を有効活用することにより、リン酸肥料の削減効果あるいは代替資源効果が大いに期待できる。ただし、そのためには、農家のリン酸施肥意識改革や土壌診断分析に基づいた施肥設計実践のための啓発が不可欠である。

○施肥試験を行った結果、製鋼スラグのうち、脱リンスラグをリン酸肥料、転炉スラグを土壌酸性改良資材として併用した結果、既存のリン酸肥料に匹敵するリン酸の肥効を示しており、有望なリサイクルリン酸資源である。

○下水処理施設はすでにリンが濃化した状態で汚泥が集積するインフラは整っていることから、リン資源のリサイクルは、技術的に実現性が高く大きな社会的貢献が期待できる事業分野であるが、コスト高などの理由で未だ実現するには至っていない。

○全国の下水処理場でリンフローに関するデータの統一的収集・蓄積を進め、プログラム上で様々なリン回収プロセスの導入効果を見積もり、実現可能な個所については速やかにリン資源の有効活用に向けた下水インフラを整えるべきである。

○脱リンスラグからのリンの溶出を検討した結果、硝酸濃度が1.0 mol/Lで4 h処理するとスラグの約90％程度を溶出できることを確認した。

○酸溶出によるリン回収後の沈殿物の大部分はリン酸カルシウムとリン酸マンガンから形成されていると考えており、沈殿物をリン鉱石の主成分であるリン酸カルシウムの純度を高めることが今後の課題

○超伝導磁気分離によるリン回収は、リン回収後の残渣物を鉄鋼業の上工程で再資源化できるメリットがある。しかしながら実プロセスにおけるリンの分離・濃縮のためには鉄鋼
業におけるスラグ中のリン濃縮相制御等の技術的な協力が必須である。

また産業連関モデルとリンのマテリアルフロー分析を基盤としたリン資源循環モデル(Integrated Phosphorus Cycle Input-Output model: IPCIO)を用いることで、サプライチェーンを通じたリン関連財の需給を定量評価可能にし、以下の知見を得た。

○サプライチェーンを通じた黄リン需要を推計した結果、石けん・合成洗剤や染色は経済活動単位あたりの黄リン需要が大きいプロセスであることがわかった。

○最終財生産に着目すると、複写機や自動車産業等が単位あたりの需要量が大きな産業として挙げられ、これらの産業はリン需要量そのものは小さいものの、黄リン消費においては重要なステークホルダーであることが示された。

さらに貿易を介した国際フローを明らかにし、以下の知見を得た。

○黄燐として知られるリン(HS 280470)については、HHIは0.27と比較的高い集中傾向にあり、約9割を中国に依存している。

○めっき工程の脱脂処理等において必要不可欠な原料であり、素材製造の観点からもリン資源の安定的な確保のための資源戦略の必要性がある。

## ・研究成果の実現可能性

本研究プロジェクトの大きな貢献はサプライチェーンを通じたリン資源フロー解析を可能するモデルを提案したことである。本モデルはただちに政策立案に役立てることが可能であり、結果の正確性についてはMFAデータの正確性に依存する。今後、リンを利用する各産業の需要量と化合物の形態をさらに精査することで不確実性を減らすことができる。また未利用リン資源を有効活用するための技術についても検討を行った結果、土壤中に蓄積したリン酸あるいは製鋼スラグ・下水污泥を有効活用することにより、リン酸肥料の削減が可能である。ただし、そのためには、農家のリン酸施肥意識改革や土壤診断分析に基づいた施肥設計実践のための啓発が不可欠である。

## · 結論

マテリアルフロー分析の結果、我が国において未利用リン資源として排水、畜産糞、鉄鋼スラグ、メッキスラッジ等が重要であることが示され、質の観点から見ると化学工業部門から排出される廃棄物を高純度で回収再利用することが有用であることが推察された。

さらにサプライチェーンを通じた黄リン需要を推計した結果、石けん・合成洗剤や染色は経済活動単位あたりの黄リン需要が大きいプロセスであることがわかった。最終財生産に着目すると、複写機や自動車産業等が単位あたりの需要量が大きな産業として挙げられ、これらの産業はリン需要量そのものは小さいものの、黄リン消費においては重要なステークホルダーであることが示された。黄リンは国内にその生産拠点が無く、9割以上を中国か
らの輸入に依存している。自動車産業は我が国の重要な産業であり、その中間プロセスである金属表面処理に要する黄リンの供給が、サプライチェーン寸断リスクになりうることがわかった。

作物/畜產物/海產物/加工食品/人間/家畜/下水污泥/尿

单位：kt-P

Fig.1 我が国の産業部門におけるリンのマテリアルフロー
化学工業部門からリン酸(51%)

リン酸カルシウム(17%)

塩化リン(14%)

リン酸ナトリウム(10%)

の形態で各用途へ供給

# 化学工業部門におけるリンのマテリアルフロー解析

Fig.2 化学工業部門におけるリンのマテリアルフロー分析

社会全体への波及効果分析

リン
関連財
(物量)	リン
関連財
(金額)	非リン
関連財
(金額)	最終
需要	輸入	国内
生産
リン
関連財
(物量·t)	V_{PP}	V_{PM}	V_{PN}	F_{P}	I_{P}	X_{P}
リン
関連財
(金額·百万円)	V_{MP}	V_{MM}	V_{MN}	F_{M}	I_{M}	X_{M}
非リン
関連財
(金額·百万円)	V_{NP}	V_{NM}	V_{NN}	F_{N}	I_{N}	X_{N}

①産業連関表を拡張し、

二次資源ポテンシャルを抽出

リン1tを回収するのに要するエネルギーと原料	回収技術
磁気分離	MAP法	Heatphos法	蒸発分離	…
投入エネルギー	石炭	t
石油	t
天然ガス	k8
電力	kw
…
CO2発生量	t
二次資源ターテット	家畜薬尿	t
鉄鋼スラグ	t
下水汚泥	t
化学工業副産物	t
…
リン回収量	t

②回收技術の原単位表を用いて、循環利用による一次的な影響を計算

Fig.3 IPCIO の概念図
リンの二次資源の回収技術の原単位表

回収技術
施肥量の調整	鶏糞炭化処理	磁気分離	HAP法	MAP法	焼却広アルカリ溶出	Heatphos法	焼却広還元溶融
回収リン1tあたり	リン1t回収に要する二次資源(t-P)	肥料	1
鶏糞	1.43
鉄鋼スラグ	1.61
排水	1.25	1.1
下水污泥	2.22	2.86	1.47
リン回収率	1	0.70	0.62	0.80	0.91	0.45	0.35	0.68
リン1t回収に要する新規投入(百万円)	電力	0.250	0.040	0.058	0.058	0.117	0.259	0.270
薬剤費	0.022	0.219	0.244	0.283	0.546
燃料	0.165	0.035
その他原料	0.011	0.003
合計	0.000	0.448	0.043	0.277	0.302	0.400	0.806	0.305
回収技術
施肥量の調整	鶏糞炭化処理	磁気分離	HAP法	MAP法	焼却広アルカリ溶出	Heatphos法	焼却広還元溶融
想定シナリオ回収リンあたり	投入する二次資源(t-P)	肥料	0
鶏糞	21160
鉄鋼スラグ	0
排水	0	0
下水污泥	0	18507	18507
リン回収率	1	0.70	0.62	0.80	0.91	0.45	0.35	0.68
必要新規投入量(百万円)	電力	3688	0	0	0	0	1679	3400
薬剤費	0	323	0	0	0	3539	0
燃料	0	2436	0	0	0	0	435
その他原料	0	158	0	0	0	0	0
合計	0	6605	0	0	0	5218	3836
リン回収量(t-P)	0	14747	0	0	0	0	6477	12585
回収形態	施肥の減量	肥料原料	肥料原料	肥料原料	肥料原料	肥料原料	バイオリン鉱石黄リン

Fig.4 リン二次資源回収技術のエネルギー資源投入原単位

Fig.5 IPCIO による 100 万円の生産活動に伴うリン資源需要
シナリオ①	シナリオ②	シナリオ③	シナリオ④	シナリオ⑤	シナリオ⑥
施肥量の調整	鶏糞の炭化処理	スラグの磁気分離	排水からのHAP法	バイオリン鉱石回収	黄リンとして回収
リン関連財(t-P)	リン鉱石	-41666.2	-6420.8	-8916.5	-4349.5	-6468.4	0.1
リン酸質肥料	-18120.2	-3.6	-6.2	2.3	8.7	0.1
複合肥料	-24791.3	-4.9	-8.5	3.2	12.0	0.2
湿式リン酸	-40574.4	-6240.3	-8665.8	-4227.2	8.6	0.1
黄リン	-2.0	0.0	0.0	0.0	0.1	-12584.5
リン酸アンモニウム	-398.0	-71.9	-99.9	-48.7	0.1	0.0
排水・下水污泥	0.0	0.0	0.0	10000.0	-3728.7	2378.4
各産業部門(百万円)	その他の無機化学工業製品	-4306.4	153.8	-138.7	1644.4	2766.9	0.9
石油製品	-4417.4	2238.8	-47.4	55.1	185.4	524.5
事業用電力	-2061.1	3835.6	804.8	625.1	1825.8	3555.6
工業用水・上下水道等	-140.4	186.4	-3.0	2.4	8.4	5.1
回収自体に必要なコスト(百万円)	0.0	6605.0	874.0	2770.0	5218.0	3836.0

Fig.6 IPCIO によって推定された各シナリオの波及効果

(a) Minerals

(d) Foods and Feeds

(b) Materials

(e) Others

(c) Fertilizers

Fig.7 品目分類別の貿易に伴うリンの国際移動量 (P 純分、2005 年)
研究成果報告書
### 1. 未利用リン資源の有効活用に向けたリン資源循環モデル開発に応募して 東北大学 松八重 一代

### 1.1 研究の目的と意義

世界的な食料需要増大、バイオ燃料生産増を受けて、リン資源の需給逼迫が懸念されているが、下水污泥や鉄鋼スラグ中にリンが含まれることは知られている。未利用のリン資源を有効に活用するためには、リンが具体的にどのような形状でどの程度社会に流通し、活用され、廃棄物中に含まれるリンがどの程度発生し、また、どのような手段によって資源としての再活用が可能かを明らかにすることが必要である。本研究では第一に、リンの形態別、純度別物質フローを整備することを目的とする。第二に、未利用リンの回収、再資源化技術について、それぞれ何がどのような形状・純度で回収可能で、どのために必要な資源・エネルギーはどの程度なのか調査を行い、最後にリン資源循環分析用 WIO-MFA モデルを用いたシナリオ分析を行うことで、リン資源に関わる廃棄物・資源管理戦略について検討することを目的としている。

### 1.2 本報告書の構成

本報告書の構成は以下の通りである。はじめに本プロジェクトは我が国のリンのマテリアルフロー解析を通じ、どれほどのリン資源が用いられているのか、質と量の観点から議論を行う（第2章）。リンの国内フローの中で回収、再資源化の受け入れ先として重要な位置づけにある化学工業部門におけるリンのフローの精緻化を図り、本プロジェクトの目標であるリン資源循環分析モデル(Integrated Phosphorus Cycle Input Output model: IPCIO model)の提案を行い、さらに IPCIO モデルの提案とそれを用いた各種シナリオ分析を行った（3章）。第4章では IPCIO を整備するにあたり、IPCIO の基礎データとなる未利用リン資源の活用に関わる根拠・インベントリデータの整備について解説を行う。4-1では農業生産における肥料代替として用いた際にどのような施肥効果が得られるのかについて東京農業大学 後藤が解析を行った。また4-2ではリンの国内フローにおいて排水中のリンは大きな回収ポテンシャルを持っているが、河川や下水処理施設からのリン回収に関わる技術インベントリ解析について大阪大 大竹が報告を行っている。4-3では化学工業ならびに鉄鋼業から排出されるスラグ中のリンの回収技術開発進捗について実験をふまえた報告を行っている。さらに4-4においては未利用リン資源からの回収技術の一つの有力候補と考えられる超伝導磁気分離について、その適用の可能性を物質・材料研究機構の廣田が検討を行った。4章における研究報告は IPCIO データベースを作成する上で、それぞれ農業分野における肥料の歩留まりデータ、リン回収技術シナリオ作成の上でのインベントリデータとして組み込まれている。またリン資源のほぼ全量を海外に依存する我が国において、貿易統計に基づく多地域多国間のリンの国際マテリアルフローについて、国立環境研究所 中島が報告を行った（5章）。最後に本研究グループの今年度の研究発表実績を示す。
### 2. 化学工業部門におけるリンのマテリアルフロー分析 東北大学 松八重一代・梶山純・平木岳人・長坂徹也

### 2.1 はじめに

資源の有効利用や循環利用を図るにあたっては、現状の経済システム内の各産業部門における需給関係、あるいは物質フローを把握しておくことが重要である。それらの把握によって、回収可能・循環利用可能な二次資源ポテンシャルの量やその利用方法・利用先について定量的な考察を行うことができるようになる。また本研究においては前章で示したように、リンの関連財に関して、既存の産業連関表の部門の拡張や、値の物量ベースへの変換を行うので、そのためのデータとして、各産業部門間の需給関係を物量ベースで把握する必要がある。

その評価手法の1つがマテリアルフロー分析(MFA)であり、例えば石油天然ガス・金属鉱物資源機構(JOGMEC)は46元素(平成22年度レポート時)のマテリアルフローチャートを毎年作成・公表している1)。しかし、これらのマテリアルフローは資源を利用する動脈部門側は詳細に表現されているが、廃棄物や副生物等の静脈部門側の経路に関しては不足しているものが多い。それは認識不足なのではなく、動脈側では統計や工業規格等から比較的容易に原料や製品のフローを推計できるのに対して、静脈側ではそれらの資源は経済ベースに乗らず、他の物質や製品の随伴成分として移動するため、明確なデータを得にくく推計が困難なためである。

リンは工業分野にてリン酸やリン酸塩といったリン濃度の高い状態で存在するものもあるものの、社会全体で見ればリンは他の物質や製品に随伴して濃度が比較的薄い状態で流通しており、供給ルートも多岐にわたり拡散性が強い元素である。そのため前述した様な理由により、国内に限定してもリンのマテリアルフローを正確に把握することは容易ではない。本研究では、これまで農業分野に限らず、海外からの輸入を含めた国内の経済活動全体を対象としたリンのマテリアルフロー分析を行ってきた。

産業分野全体のフローを図1に示す。産業分野におけるリンの起源は、鉱物資源やリン化合物などの半製品・原料の輸入である。産業分野においてリン製品の製造に用いられる原料としてはリン鉱石やリン化合物に限られるが、実際は石炭や石灰石、鉄鉱石といった鉱物資源に付随して輸入・使用されるリンの量も大きく(輸入量126.6kt、国内生産20.9kt)、それらの量は全量輸入に頼るリン鉱石中に含まれるリンの量(101.4kt)をも上回る。このように産業部門においては、リンそのものの利用を目的としていない鉱物資源中にも多くのリンが含有されており、それらの多くは鉄鋼スラグや石炭灰などの副産物を介し、道路の舗装材料やセメントといった土木・建設材として環境中に拡散し、リン資源としては利用されていないことが分かった。

特にその鉄鋼スラグ中に含まれるリンの量は、111.9ktとリン鉱石の輸入量に匹敵する量であり、産業分野における流出フローの中で、肥料製造の次に大きな値を示してい
る。また、化学工業部門に流入するリンの7割程度(197.8kt)は肥料の製造に使用されるが、肥料以外に使用される量も77.6ktと比較的大きな値を示している。本章はこの化学工業部門におけるリンのフローを細分化し、詳細に記述することでリン資源循環モデルの基礎データを作成する。

作物/畜產物/海產物/加工食品/人間/家畜/下水污泥/尿

図１ 産業部門におけるリンのフロー推計

### 2.2 化学工業分野のマテリアルフローおよびリン

図1の化学工業部門のフローにおける「その他」への流出とは、主にリン酸やリン酸ナトリウムといったリン化合物であり、リンが微量成分として含まれる食糧や鉄鋼等工業製品と異なり、リンが高い純度で含まれるフローであると言える。しかしそういったリン化合物の生産量やその用途に関してのまとまったデータは日本国内に限っても存在せず、化学工業に流入したリンの行き先と使用量に関しては不透明な状態である。しかし例えば、金属表面処理に使用される無電解ニッケルめっき浴には年間で2011.5tものリンが使われており、そのうち約9割にも及ぶ1816.9tが金属自体には乗らず廃液側に含まれるといった調査結果も存在し2)、リン化合物やその用途中のリン量を推計することは、化学工業分野におけるリンの使われ方を明らかにするのと共に、歩留まり落
ちする高濃度な副産物等の新たなリンの二次資源ポテンシャルの評価にも繋がる。

さらに近年は回収したリンを肥料原料としてではなく、黄リンとしてのリンの回収等、高い品質・純度でリンを回収する技術も考案されてきており2)、そういった高純度な回収リンの再利用先として、化学工業分野で使われるリン化合物がターゲットとなりうる。黄リンの精製には黄リン1tあたり14,000kWの電力が必要3)であることからも分かるように、本来、高純度のリン化合物の製造には大きなエネルギーが必要であるため、エネルギー消費の観点から考えても、高い純度でリンを回収・再利用するのは望ましい循環利用法であると言える。なおアルミニウム1トンの電解精錬に必要とされる電力は13000～14000kwhであり、黄リン精錬はこれに匹敵する。実際に、オランダのThermphos International B.V社は下水污泥、工業污泥、家畜の骨や糞尿からリンを黄リンの形態で回収し、Thermphos社で製造している黄リン量の15%を回収黄リンでカバーしている4)。

以上のような背景から本研究では、高純度のリンについての部門間の需給を明らかにするため、IPCIOの部門分類において各リン化合物とその用途について部門の拡張と、各部門における値の物量化を行うこととし、そのデータを得るために無機薬品5,6)や農薬7)などの統計資料を基に化学工業分野におけるマテリアルフローの細分化を行った。詳細を図2に示す。

单位：kt-P

図２ 化学工業部門におけるリンのマテリアルフロー
また各リン化合物の投入量と用途別使用量についても推計を行った。リン酸は工業用途のリン化合物で最も多くの量が使用されており、その主な用途は金属表面処理、界面活性剤であることが分かった。2番目に投入量が多いのはリン酸カルシウムであり、その主な用途は食品添加物であるが、無機薬品データによるリン酸カルシウムの国内生産量は少なく、殆どが輸入によるものである。そのため、国内生産の推計である無機薬品データの用途別生産量の割合を輸入のリン酸カルシウムにも適用する結果となっている本推計の方法は粗があり、その用途別の使用量に関しては更なる詳細な推計が必要であると思われる。3番目に投入量が多いのは塩化リンであり、その主な用途は、界面活性剤、可塑剤、農薬である。4番目に投入量が多いのはリン酸ナトリウムであり、その主な用途は食品添加物や金属表面処理（無電解ニッケルめっき浴）である。また、「その他の化学最終製品」として計上されているリン酸ナトリウムの用途としては、工業薬品・清缶剤としての利用が大きいと予想される。また、無水リン酸は主に農薬として使用され、「その他の化学最終製品」の中では脱水剤や触媒としての利用が考えられる。リン酸カリウムの主な用途は食品添加物であり、「その他の化学最終製品」の中では、清缶剤や醸造・発酵としての利用が考えられる。リン酸アンモニウムの主な用途は食品添加物であるが、「その他の化学最終製品」に含まれる難燃剤・消火剤や醸造・発酵に使用される量も多いと予想される。赤リンの殆どは「その他化学最終製品」に含まれる難燃剤やマッチに利用されると考えられる。

一方、用途別生産割合の結果を見ると、工業用途として化学工業部門に投入されるリン69.9ktのうち最も大きな用途は金属表面処理（26.5%）であり、次いで食品添加物（21.2%）、界面活性剤（12.4%）である。工業分野全体のリンの使用量に関して推計が行われたデータが他に存在しないため、結果の妥当性を判断することは難しいが、大量生産されている自動車のボディ等の鋼板に施されるめっきの一部にリンが使用されていること、様々な食料品にpH調整剤等の食品添加物が使用されていること、界面活性剤は洗剤の他幅広い分野で使用されていることから、リンの使用量も多くなっていると考えられる。

しかし、特にリン酸、塩化リン、リン酸アンモニウム、赤リンに関しては「その他の化学最終製品」に分類されるリンの割合がとても大きく、それらの用途や量に関しては本推定では正確な把握はできなかった。しかし詳細不明な用途や量が存在するということは、他の用途への使用量を小さく評価している、またはそれらの用途以外の想定外のリンの用途や副産物が存在する可能性があり、工業分野におけるリンの需給や二次資源ポテンシャルの存在の評価を左右する可能性があり、今後の研究ではこれらの各用途や量の推計に関して詳細を調査する必要がある。現時点では、金属表面処理のためのめっき浴や、界面活性剤を利用した際の工業排水等、水域部門への拡散が31.9ktと量的ポテンシャルも大きく、化学工業部門における二次資源ポテンシャルとして考えられる。特に無電解ニッケルめっき浴などの金属表面処理液に関しては、乾燥状態でリンを20%
にも及ぶ高濃度で含んでおり、高純度のリン二次資源ポテンシャルとして期待できる。また、化学工業部門のフローの用途別細分化を行うことで、化学工業分野におけるリンの需給の不透明さの一因も見えてきた。リン酸や塩化リン、無水リン酸等のリン化合物の一部は、一度リン酸トリクレジルやラウリルリン酸などのリン酸エステルの形を経て、可塑剤や農薬、界面活性剤、難燃剤などの製品へと形を変えるケースが存在する6)。さらに可塑剤や界面活性剤に関しては、それらの製品自体が更にまた別の産業部門で使用されるといった段階的な需給構造が存在する。そのため、上工程側（黄リンや乾式リン酸からのリン化合物製造）と下工程側（リンを含有する最終製品の製造）の間でそのリンの供給源や濃度についての共通の認識を持つことが難しいのではないかと考えられる。そういった要因が、無機薬品データにおけるリンの使用総量（＝黄リンと乾式リン酸の投入量）のカバー率の低さや用途別生産量における「未分類」の値の大きさといった不正確性を生み出していると考えられる。今回の推計では無機薬品データを元に計算した、各リン化合物の用途別生産割合のデータをベースにすることにより、比較的簡単に推計を行うことができたが、リン酸や塩化リン以外のリン化合物についても同様に、他の形態のリン系化合物を通した複雑な段階を踏んで最終製品に向かっているパターンがあると予想でき、工業分野におけるリンの正確な需給の推計は非常に困難であると言える。本プロジェクトで推定した化学工業部門におけるリンフローのさらなる検討は今後も続けて行う予定である。

## 参考文献

1）石油天然ガス・金属鉱物資源機構(JOGMEC)：鉱物資源マテリアルフロー，（2007）.

2）大竹久夫，“リン資源の回収と有効利用”，サイエンス&テクノロジー，東京(2009)

3) ポケット肥料要覧 2008

4) 神鋼リサーチ株式会社: 化学工業およびリン系触媒におけるリンのマテリアルフロー調査 報告書(2011)

5) 日本無機薬品協会，“無機薬品の実績と見通し 平成17年度実績”，日本無機薬品協会，東京（2006）

6）化学工業日報社，“化学工業年鑑2006年版”，化学工業日報社，東京(2006)

7) 経済産業省, 農薬に係る排出量

http://www.meti.go.jp/policy/chemical_management/law/prtr/h16kohyo/gai/sanko2-18.pdf
### 3. リン資源循環モデル IPCIO Model の整備

東北大学 松八重一代・梶山純・長坂徹也

### 3.1 産業連関表の構造と産業連関分析の手法論

本研究で開発したリン資源循環モデル「Integrate Phosphorus Cycle Input Output model」は、産業連関表の行列をベースとしている。その産業連関表の構造と仕組みについて、本章で述べる。

我々の日常生活は、様々な消費財や企業の設備インフラのような資本財によって支えられているが、これらは農林水産業、鉱工業、流通・サービス業等、多数の産業によって生産されている。各産業は、原材料、燃料、製品等の取引を通じ、密接な相互依存関係を持っている。例えば、鉄鋼業においては、鉄鋼材料の生産のために、鉄鉱石、コークス、石灰、油、電力、水等、多くの製品が原材料として必要であり、国内外の様々な産業からこれらを調達している。また、製造された鉄鋼製品をユーザーに供給するために輸送・流通産業が必要であり、電力やスラグ等の副生品の受け入れ産業も必要である。すなわち、鉄鋼産業は、必然的に複数の産業と取引関係を持っており、鉄鋼需要の増減があった場合には、その影響は鉄鋼業内に留まらず、関連する各産業の需要増減に次々に波及することになる。また、鉄鋼業の生産活動は、ユーザーの最終需要、鉄鋼および関連各産業での労務費にも影響を与え、一般市民の消費マインドにも波及する。このような複数の産業間にまたがる経済取引を、特定の期間について一覧表（行列）にしたものが産業連関表（Input-Output Table：IO 表）であり、重要な国家統計データのひとつとして、総務省から5年毎に更新、公開されている。

また本研究で行うリンに関する産業連関分析の際には、以下のような、輸入を考慮した産業連関モデルが必要となる。

$$ \begin{aligned}&AX+F+E-M=X\quad( 式 1)\quad\\ &M=m\ (AX+F)\quad( 式 2)\\ &\\X=[I-(I-m)A]^{-1}\left[(I-m)F+E\right]\quad( 式 3)\\ \end{aligned} $$

ここで A は投入係数行列、X は生産額、F は最終需要、E は輸出、M は輸入、m は輸入係数行列を示す。例えば、日本では肥料製造の際の原料として多くのリン酸アンモニウムを海外から輸入しているが、中間投入行列の要素 $ x_{ij} $ は国内での産業間の需給量や需給の変化を表している。そのため、リン酸アンモニウムの増産量 a を最終需要として波及効果の分析を行った場合の $ x_{ij} $ の変化量は、リン酸アンモニウムを a だけ国内で生産するのに必要となる製品やサービスの量を表すこととなるが、実際は a のうちの多くは従来通り輸入に頼っていると考えられるため、実際の国内での生産量やそれに伴う製品やサービスの投入はそれより少ない。そこで、輸入係数行列 m を用いた、輸入を考慮し
たレオンチェフ逆行列 $ \left[\mathrm{I}-(\mathrm{I}-\mathrm{m})\mathrm{A}\right]^{-1} $ を利用した計算を行うことで、輸入量の増減を除いた国内生産活動の変化が分析できるようになる。

本研究において上記で示した投入係数行列 A を用いることで、各産業部門の活動で使用されるリンの量や製品・サービスの金額を分析することが出来る。一方、各産業製品に含まれるリンの量を分析する際には、産業連関表においてサービス産業のような非物質的な財の流れや、製造のためのエネルギー・触媒・産業機械のような、産業部門には投入されても実際にその産業部門が生産する製品中には含まれない財の流れ、また、投入された財のうち実際に製品中には含まれず歩留まり落ちする原料の量を排除する必要がある。ここでは中村ら1)の提案したWIO-MFA モデルに従い、物質フローフィルター $ \varPhi $ と歩留まり係数行列 $ \varGamma $ を用いる。物質フローフィルター $ \varPhi $ は、投入 i が産出 j の質量を構成するとき $ \varPhi_{ij}=1 $ 、それ以外の場合 $ \varPhi_{ij}=0 $ となる行列である。 $ \varPhi $ を A に作用させることで、物質的な財の流れのみを記述できるようになる。歩留まり係数行列 $ \varGamma $ は投入 i のうち産出 j に含まれるものの割合 $ \gamma_{ij} $ で構成され、 $ \varGamma $ を A に作用させることで、各産業部門で実際に生産される製品には向かわない投入の流れを取り除くことができる。以上の 2 つの行列を投入係数行列 A に作用させることで、実際の製品に含まれる物質の量を記述する行列 $ \tilde{A} $ を得られる。

$$ \widetilde{A}=\varPhi\otimes\varGamma\otimes A\qquad( 式 4) $$

次に今、産業連関表の全ての産業部門を3種類の排他的かつ非空のグループP, R, Mに分割し、それに対応して$\tilde{A}$を以下のように9つの部分行列に分割する。

$$ \widetilde{\boldsymbol{A}}=\left(\begin{array}{c}\widetilde{\boldsymbol{A}}_{P P}\widetilde{\boldsymbol{A}}_{P M}\widetilde{\boldsymbol{A}}_{P R}\\ \widetilde{\boldsymbol{A}}_{M P}\widetilde{\boldsymbol{A}}_{M P}\widetilde{\boldsymbol{A}}_{M R}\\ \widetilde{\boldsymbol{A}}_{R P}\widetilde{\boldsymbol{A}}_{R M}\widetilde{\boldsymbol{A}}_{R R}\end{array}\right) $$

P は製品、M はマテリアル、R は資源を表し、これらは加工度によって以下の条件を満たす。

(a) 資源は地球環境から採取され生産はされない。 $ \tilde{A}_{iR}=0,\ i=P,M,R $

(b) マテリアルは資源から生産される。 $ \tilde{A}_{iM}=0 $ , i=P,M,R

(c) 製品はマテリアルと製品から生産される。 $ \tilde{A}_{RP}=0 $

(a)から、資源はこのシステム内では生産されない。つまり、資源の加工度が最も低いことを表している。(b)から、マテリアルは自身よりも加工度の低い資源からのみ生産される。マテリアルの加工度は全て同じであるため、マテリアルが他のマテリアルに投入されることはない。これは二重勘定を排除するために必要な条件である。(c)から、