Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
図（3）－9 ライシメータ試験における浸透水中の $ NO_{3}^{-}-N $ 濃度

## 4 ）作物中の銅および亜鉛

銅や亜鉛は飼料添加物として、特に豚の飼料に添加される。用いた肥料中にも化学肥料には1kg当たり8mgの銅（施用量としては2mg/m²）と64gの亜鉛（14mg/m²）であったのに対し、湿式メタン消化液には1L当たり4mgの銅（32mg/m²）と8mgの亜鉛（64mg/m²）、乾式メタン発酵残さには1kg当たり21mgの銅（64mg/m²）と20mgの亜鉛（106mg/m²）が含まれていた。化学肥料に比べて発酵残さ施用により、銅では10倍以上、亜鉛でも4倍以上が添加される計算となった。これらを施用した水田で収穫されたイネ体の重金属含量は、銅に関してはサンプル間のバラツキがきわめて大きく正しく分析できていない可能性は残るものの、処理区間に有意差は認められなかった（表（3）－3）。

一方、亜鉛についても、湿式メタン消化液区の亜鉛含量が他の処理区と比べ高くなったが、穂部では処理区間の違いはなかった。土壤中の交換態含量は、亜鉛においては0.1N塩酸抽出画分の含量が化学肥料区に比べて発酵残さ添加で有意に高くなり、湿式消化液あるいは乾式発酵残さの添加で土壤中の交換態亜鉛含量が高くなることがわかったが、1N酢安（酢酸アンモニウム）抽出画分ではむしろ減少した。銅では、湿式消化液と乾式発酵残さの添加により0.1N塩酸抽出画分の含量が高くなったが、スラグを同時に添加することでこの増加の程度は緩和された。

欧州において土壌中の上限値が1kg土壌当たりCuでは50～140mg、亜鉛で150～300mg（Commission of the European Communities 1986）と定められている。また、日本の土壌環境基準は0.1N塩酸抽出で銅125mgである。本湿式消化液区は8年間施用されてきたが、それでも化学肥料区の42mgから55mgへと13mg増加したにすぎず、数十年の連用により上限値を超える可能性は極めて低いと考えられる。さらに化肥区の飼料添加物の上限値が1kg当たり銅で125mg、亜鉛で120mgと設定されているので（森昭憲，2010）、イネへの吸収の点でもこの上限値を超える可能性はきわめて低く、これらの重金属蓄積の観点から持続性の高い肥料と言える。
表（3）－３ イネ体の銅・亜鉛含量と土壌中のそれらの交換態含量（2013年度）

Zn(mg/kg)	化学肥料	湿式消化液	乾式発酵残さ	乾式+スラグ
平均値	SD	平均値	SD	平均値	SD	平均値	SD
茎葉部	29.1	2.3	32.7	3.0	31.8	4.8	27.0	1.6
穂部	22.9	6.9	23.5	2.4	20.5	4.2	22.1	3.7
交換態(0.1N塩酸)*	35.8	0.4	38.1	1.5	37.2	2.1	43.3	1.6
交換態(1N酢安)*	1.32	0.08	0.90	0.25	0.68	0.08	0.56	0.19
Cu(mg/kg)	化学肥料	湿式消化液	乾式発酵残さ	乾式+スラグ
平均値	SD	平均値	SD	平均値	SD	平均値	SD
茎葉部	5.7	0.5	4.3	4.3	6.1	4.9	10.4	8.1
穂部	8.2	9.4	6.9	2.6	6.3	4.3	9.8	7.0
交換態(0.1N塩酸)*	41.5	0.3	55.0	2.3	49.0	3.5	36.5	6.6
交換態(1N酢安)*	0.57	0.04	0.75	0.10	0.55	0.08	0.74	0.04

$ ^{*} $ 土壤0-10cm、SD：標準偏差

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

乾式メタン発酵残さを肥料として施肥した際の肥料効果に関する研究はこれまでに報告されていなかった。乾式メタン発酵残さには化学肥料およびその他の肥料と同等の肥効があることが本研究より明らかになった。さらに、豚ふん尿および稲ワラ由来の乾式メタン発酵残さは、天然由来有機肥料であるという点から、農家にとって利用しやすく、乾式メタン発酵-多収米飼料イネ栽培システムへの適用可能性が示された。一方、本研究では発酵残さの施用によりイネの初期生育抑制が観察されたため、そのメカニズムを明らかにし、対策を立てることが今後重要と考えられる。

一方、環境の観点では、豚の飼料に添加される銅や亜鉛の土壌や飼料イネへの蓄積が少ないこと、および硝酸性窒素の溶脱はほとんどないことから、持続性の高い肥料であると考えられる。ただし、温室効果ガス排出の点では、高温乾式メタン発酵を施肥した水田は化学肥料による栽培よりも数倍のメタンを排出するため、間断灌溉など削減策を講じることが重要である。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

豚ふん尿および稲ワラ由来の乾式メタン発酵残さは、天然由来有機肥料であるという点から、発酵残さを活用した多収米飼料イネの環境保全型農業の促進につなげることができると考えられる。また、乾式メタン発酵への稲ワラの適用は、未利用バイオマスの利用促進につながるだけでなく、稲ワラの水田へのすきこみによるメタン排出量の増加を抑制する上でも効果があり、我が
国の農林水産分野の温室効果ガス排出抑制技術として利用可能と考えられる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

<論文（査読あり）>

特に記載すべき事項はない

## <査読付論文に準ずる成果発表>

特に記載すべき事項はない

くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1) K. Toyota: China-Japan Bilateral International Symposium on Decontamination of Biogas Slurry in Paddy Field Ecosystem and Control of Agricultural Diffuse Pollution, Hangzhou, China, Dec. 8–9, 2011 “Biomass Production and lodging resistance of a whole crop rice variety (Oryza sativa L. Leaf star) and CH4 emission in a paddy field fertilized with biogas slurry”

2) F. Li and K. Toyota: China-Japan Bilateral International Symposium on Decontamination of Biogas Slurry in Paddy Field Ecosystem and Control of Agricultural Diffuse Pollution, Hangzhou, China, Dec. 8–9, 2011 “Effects of different agricultural wastes on greenhouse gas emission from and microbiological properties of soil fertilized with them”

3）ヌリバヌム アブドケリム、豊田剛己：2013年度日本土壌微生物学会（2013）「メタン発酵消化液の土壌病害に及ぼす影響」

4) 下田千晶、豊田剛己、本林隆：2013年度日本土壌肥料学会（2013）「異なるメタン発酵消化液を水田に施用した際の環境負荷の定量」

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない
## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない

## (6) その他

特に記載すべき事項はない

### 8 \. 引用文献

Commission of the European Communities (1986) Council directive (86/278/EEC) on the protection of the environment, and in particular of the soil, when sewage sludge is used in agriculture. OJEC, 181, 6–12.

森昭憲（2010）家畜ふん尿の新処理・利用技術と課題：2. 家畜ふん尿に含まれる重金属元素、日本土壌肥料学雑誌、81、413-418
## （４）システムの物質・エネルギー収支の解析

東京農工大学 大学院工学研究院

秋澤 淳

東京農工大学 大学院工学研究院

細見正明

(前 東京農工大学 特任准教授 下ヶ橋雅樹)

(現 国立保健医療科学院 下午橋雅樹)

平成23～25年度累計予算額：5572千円

（うち、平成25年度予算額：1010千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

原単位法を用いて、1000頭の養豚における従来法（豚舎、分離ふんの堆肥化処理施設および分離尿の排水処理施設）および提案法（豚舎、豚ふん尿の高温乾式メタン発酵施設および多収米飼料イネ水田）の導入および運営における物質・エネルギー・コスト・温室効果ガスの収支解析を実施し、提案する循環型豚ふん尿処理システムの優位性を明らかにした。

物質およびエネルギー収支解析の結果、C/N比=20および30の場合、多収米飼料イネ水田はそれぞれ34および84 ha必要になることがわかった。この結果、発酵残渣を肥料として水田に施肥した際の窒素負荷量は、C/N比=20および30でそれぞれ244および158 kg-N/haとなった。

システムにおける環境負荷を比較したところ、年間の水環境への窒素負荷は従来法の排水処理施設は3.8 t-N/年に対し、提案法の多収米飼料イネ水田はC/N比=20および30でそれぞれ0.33および0.54 t-N/年だった。温室効果ガス排出は、従来法では豚ふん尿の処理過程における温室効果ガス排出が支配的だった。一方、提案法では水田の水管理を間断灌漑にすることで、正味の温室効果ガス排出量を従来法に比べC/N比=20および30で73および74%削減可能であることが示された。

システムの経済性を評価した結果、1000頭規模では養豚農家および水田農家の両業者が最低限必要な所得を確保できないことがわかった。しかし、規模を7000頭に拡大し、水田への補助金を活用することで経済的に成り立つことがわかった。以上から、養豚規模7000頭以上、水田を間断灌溉で管理し、補助金を活用した場合、提案システムが経済的に成り立ちかつ環境低負荷型となることが明らかとなった。

[キーワード]

原单位法、温室效果ガス、水環境負荷、経済性、最適化

### 1. はじめに

サブテーマ（1）および（2）では、それぞれ豚ふん尿と稲ワラの高温乾式メタン発酵の最適化および発酵残さを施肥した多収米飼料イネ水田における環境負荷の削減を実施した。一方、高温乾式メタン発酵および多収米飼料イネ栽培は、提案するシステムの一部分に過ぎない。従って、
高温乾式メタン発酵の処理性能および多収米飼料イネ水田における収量・環境負荷を最適化したとしても、プロセス全体の実現可能性や環境負荷およびコストの面で従来の養豚業よりも優位であることを示すことができるわけではない。従って、豚舎、高温乾式メタン発酵および多収米飼料イネ水田を含めた養豚システム全体で物質、エネルギーおよび経済収支を明らかにした上で、システムの実現可能性、環境負荷および収益性を従来の養豚システム（豚舎、排水処理、堆肥化）と比較する必要がある。

## 2 ．研究開発目的

原単位法を用いて、従来の豚ふん尿処理システムと提案する循環型豚ふん尿処理システムの両方で物質・エネルギー・コスト・温室効果ガスの収支解析を行う。従来の豚ふん尿処理システムと比較し、経済性および環境負荷（水環境への窒素負荷量、温室効果ガス排出量）という両面からシステムの実現可能性を評価する。また、システムが実現可能である条件を明らかにする。

### 3. 研究開発方法

本サブテーマにおいては1000頭の養豚における従来法および提案法における各種収支を解析した。従来法におけるシステムフロー（図（4）－1）は、豚舎内でふん尿分離後、ふんは堆肥化・尿污水は活性污泥処理、というものである。提案法におけるシステムフロー（図（4）－2）は、豚舎より発生するふん尿混合スラリーに稲ワラを混合し、乾式メタン発酵処理を行う。発生する発酵残渣は多収米飼料イネ水田へ施肥、収穫した粉部分は豚用配合飼料の10％を代替する、とした。

図（4）−1 従来法のシステムフロー
図（4）－2 提案法のシステムフロー

計算手順を図（4）－3に示す。まず、入力条件を設定した。従来法については、養豚の規模（戸数）を入力条件として、肥育豚1000頭規模の養豚農家（1戸）の戸数を設定した。提案法については、養豚の規模（戸数）に加えて、豚舎・高温乾式メタン発酵施設・多収米飼料イネ水田の各ユニット間の距離、高温乾式メタン発酵の運転条件であるC/N（20 or 30）、飼料イネ水田への補助金（有 or 無）、水田の水管理方法（常時湛水or 間断灌溉）を入力条件として設定した。飼料イネ水田への補助金は、飼料自給率の向上、また経営の成立のために飼料イネ栽培へ国が補助しているものである。また、水田の水管理方法とは、常時湛水および間断灌溉である。従来の水管理方法である常時湛水に対して、水を間欠的に落水する間断灌溉を行うことで飼料イネ栽培中の温室効果ガス排出量の削減が可能である。

入力条件を設定後、文献および実験から収集した原単位を用いて、物質、エネルギー、コストおよび温室効果ガスの収支を計算した。従来法における計算は、豚舎、堆肥化処理施設、排水処理施設に分類して行い、提案法における計算は、豚舎、高温乾式メタン発酵、多収米飼料イネ水田、輸送プロセスに分類して行った。また、物質収支の計算は、消費および生成の両方を行い、エネルギー、コスト、温室効果ガス収支の計算は、導入段階および運営段階の両方を行った。

評価方法は、経済性と環境負荷（水環境への窒素負荷量、温室効果ガス排出量）の観点で、従来法と提案法を比較することで行った。ただし、水環境への窒素負荷量とは、従来法では排水処理後の処理水の放流、提案法では飼料イネ水田における発酵残渣由来の窒素の地下浸透によるものである。
図（4）-3 評価手順

## 4 ．結果及び考察

## （１）物質およびエネルギー収支

従来法および提案法（C/N比=20および30）における物質・エネルギー収支を図（4）－4に示す。ただし、図（4）－4は、1年間あたりのものである。C/N比=20および30の両方において、高温乾式メタン発酵の基質として投入する玄米はそれぞれ73,426 tと、生産される玄米のうち65,92%を占めた。これは、豚ふん尿を処理するために必要な炭素源（稲ワラおよび玄米）を確保しようすると、多収米飼料イネ水田がそれぞれ34,84 haと莫大な面積を要することに起因する。また、C/N比=30では、C/N比=20よりも炭素源が約2倍多く必要であるため、C/N比=20よりも約2倍必要となる項目は、高温乾式メタン発酵施設の発酵槽（C/N=20:159 m³,C/N比=30:321 m³）、稲ワラの輸送に必要な大型トラックの台数（C/N=20:1台，C/N比=30:2台）、発酵残さ輸送に必要なスラリータンカーの台数（C/N=20:3台，C/N比=30:6台）の3項目であり、またそれらの導入・運営にかかる物質・エネルギー量も2倍必要であることがわかった。一方で、回収できるバイオガスの量も約2倍であるため、コ・ジェネ発電により回収できる電力・熱量は約2倍得られることがわかった。また、C/N比=20および30の両方において、コ・ジェネ発電により回収した熱量を高温乾式メタン発酵に供給することで、高温乾式メタン発酵で必要な熱量をまかなえることがわかった。発酵残渣を肥料として水田に施肥した際の窒素負荷量は、C/N比=20および30ではそれぞれ244,158 kg-N/haだった。

以上より、提案法であるC/N比=20および30では、それぞれ多収米飼料イネ水田が34 haおよび84 haと莫大な面積を必要するが、水田面積を十分に確保することができれば、水田への窒素負荷量の観点からも十分に成立可能であることがわかった。
(養豚の規模1000頭、各ユニット間の距離10 km、1年間あたり)

図（4）－4 従来法および提案法における物質・エネルギー収支
従来法のシステムにおける炭素および窒素収支を図（4）－5に示す。炭素収支において、システムへの流入は輸入飼料（172 t C）およびオガクズ（46 t C）だった。収支計算の結果、流入した大部分の炭素は、豚舎における豚の呼気（CO₂）および堆肥として系外に排出されることがわかった。一方、窒素収支においては、流入窒素の大部分が輸入飼料（11 t N）だった。各ユニットからの窒素流出として大部分を占めていたのは、豚舎の肥育豚（2.1 t N）、堆肥化施設の堆肥（4.2 t N）、排水処理施設の処理水（3.8 t N）だった。排水処理施設においては、流入である分離尿窒素に対して処理水窒素は47%のみであり、収支が合わなかった。これは、排水処理過程の脱室によるN₂生成を考慮していないためと考えられる。

図（4）－5 従来法における炭素（上）および窒素（下）収支
提案法のシステムにおける炭素および窒素収支を図（4）－6に示す。炭素収支において、高温乾式メタン発酵への流入は、豚ふん尿、稲ワラおよび玄米であり、C/N比=20および30でそれぞれ合計238および517 t Cだった。一方、流出はメタン発酵によるCO₂、CH₄および発酵残渣で、合計は279および558 t Cであり、概ね収支はとれていると考えられた。一方、多収米飼料イネ水田においては、流入である発酵残渣に対して、生産される多収米飼料イネ（稲ワラおよび玄米の合計）およびその他の流出（CO₂、CH₄および地下浸透）の合計が高くなった。これは、イネの光合成による大気中CO₂の植物体への固定を考慮していないためである。窒素収支の高温乾式メタン発酵施設においては、流入窒素に対して約30～40%の窒素が未確認となった。これは、発酵中のNH₄⁺の揮散と考えられる。多収米飼料イネ水田では、発酵残渣として流入した窒素の45%および70%が多収米飼料イネに吸収された。残りの窒素は、地下浸透および脱窒により環境中へ流出した。以上のように、物質収支だけでなく、炭素および窒素収支の点からも、提案するシステムの実現可能性が示唆された。

図（4）－6 提案法における炭素（上）および窒素（下）収支（高温乾式メタン発酵施設および多収米飼料イネ水田の収支において、括弧外の数字はC/N比=20、括弧内の数値はC/N比=30をそれぞれ示す。）
## （２）システムの環境負荷の比較

従来法および提案法（C/N比=20および30）における水環境への窒素負荷量を図（4）－7に示す。図（4）－7より、水環境への窒素負荷量は提案法のC/N比=30ではC/N比=20の1.6倍となったが、これは高温乾式メタン発酵により多くの原料を受け入れたため、発酵残渣の発生量が多くなり、多収米飼料イネ水田に施肥した発酵残渣の窒素量が1.6倍になったことによるものである。従来法と比較すると、提案法であるC/N比=20および30ではそれぞれ91%、86%を削減可能であることがわかった。以上より、従来法のように畜産業に設定されている硝酸性窒素等の暫定排水基準700mg-N/Lまでの処理を行うよりも、本研究が提案する循環型豚ふん尿処理システムにおける多収米飼料イネ水田による窒素浄化能力を利用することの方が非常に優れており、提案法は水環境への窒素負荷量という観点からは環境負荷低減型のシステムであることがわかった。

図（4）－7 提案法および従来法における水環境への窒素負荷量（養豚の規模1000頭、各ユニット間の距離10 km）

従来法および提案法（C/N比=20および30）における温室効果ガス排出量の結果を図（4）－8に示す。図中には、水田の水管理方法である常時湛水および間断灌溉の場合をそれぞれ示した。また、図中の正味とは、排出量から削減量を差し引いた正味の温室効果ガス排出量のことである。

従来法においては、排水処理施設の処理過程における温室効果ガス排出量が202 t- $ CO_{2} $ eq/年（全体の52%）、堆肥化処理施設の処理過程における排出量が64 t- $ CO_{2} $ eq/年（全体の16%）となっており、導入・運営段階も考慮に入れると、309 t- $ CO_{2} $ eq/年（全体の79%）であり、従来法においては豚ふん尿の処理における温室効果ガス排出量が支配的であることがわかった。

提案法においては、水田の水管理方法として常時湛水を行った場合、C/N比=20および30の両方において、多収米飼料イネ水田の栽培時における温室効果ガス排出量がそれぞれ651,1205

$ t-CO_{2}eq/ $ 年であり（それぞれ全排出量の67，68％に相当）、水田が温室効果ガス排出において支配的であることがわかった。また、C/N比=30では、乾式メタン発酵施設、多収米飼料イネ水田、輸送（発酵残渣）、輸送（稲ワラ）の項目でC/N比=20よりもそれぞれ約2倍となったが、これらは物
質・エネルギー収支で述べたように、炭素源（稲ワラおよび玄米）を約2倍必要とするためである。一方で、温室効果ガス排出量の削減となる、コ・ジェネレーション発電により得られる電力・熱および土壌への炭素貯留量もC/N比=20よりも2倍となっているが、これも同様の理由によるものである。正味の温室効果ガス排出量においては、従来法の390 t-CO₂eq/年に対し、提案法のC/N比=20および30ではそれぞれ513,857 t-CO₂eq/年だった。従って、提案法において多収米飼料イネ栽培を常時湛水で実施した場合、従来法よりも温室効果ガスを排出することがわかった。

一方、水田の水管理方法として間断灌溉を行った場合、C/N比=20および30において、多収米飼料イネ水田の栽培時の温室効果ガス排出はそれぞれ243,449 t- $ CO_{2}eq/年 $ となり、常時湛水よりも63%削減することができることがわかった（それぞれ全体の43,44%までに減少）。その結果、正味の温室効果ガス排出量においては、C/N比=20および30でそれぞれ105,101 t- $ CO_{2}eq/年 $ となり、従来法よりもそれぞれ73,74%削減することがわかった。

以上より、水田の水管理方法として常時湛水を行った場合は従来法よりも温室効果ガスを排出してしまうのに対し、水田の水管理方法として間断灌溉を行った場合は従来法よりも温室効果ガス排出量を約73%削減することができ、水環境の窒素負荷と同様に温室効果ガス排出量という観点からも提案法は環境負荷低減型のシステムであることがわかった。

図（4）－８ 従来法および提案法における温室効果ガス排出量

(養豚の規模1000頭、各ユニット間の距離10 km)

## （３）システムの経済性

従来法および提案法（C/N比=20および30）における経済性の計算結果を図（4）－9に示す。図中には、水田への補助金なしおよび水田への補助金ありの場合をそれぞれ示した。また、図中の所得とは、収入から支出を差し引いたものである。
従来法においては、堆肥化物の販売による収入65万円/年に対し、肥育豚の販売による収入が3032万円/年（全体の98%）であり、肥育豚の販売が収入源として支配的だった。また、支出においては、飼料購入の2076万円/年（全体の73%）が支配的だった。収入から支出を差し引いた所得は264万円/年（2640円/頭）となり、「肥育豚の生産費」（農林水産省，2011）の2836円/頭とほぼ一致する結果となり、計算結果が妥当であることが示された。

提案法において、C/N比=20では乾式メタン発酵、多収米飼料イネ水田、飼料および輸送にかかる支出額はそれぞれ2042、1596、1868および1067万円/年（それぞれ支出額全体の30、23、27および16％に相当）となり、乾式メタン発酵における支出額が支配的だった。C/N比=30では、乾式メタン発酵、多収米飼料イネ水田、飼料および輸送にかかる支出額はそれぞれ3479、3992、1868および2058万円/年（それぞれ支出額全体の30、34、16および16％に相当）となり、C/N比=20とは異なり多収米飼料イネ水田における支出額が支配的となることがわかった。

水田への補助金がない場合では、支出額と比較して、肥育豚の販売およびコ・ジェネ発電により得られた電力の売電による収入は少なく、所得を創出することができなかった。一方、水田への補助金がある場合では、C/N比=20および30の両方で所得を創出できた。

従来法では養豚農家のみを対象とした計算結果であるので、所得は養豚農家のみのものであるが、提案法では養豚農家および水田農家を対象とした計算結果であるので、養豚農家の所得に加えて、水田農家の所得を考慮しなければならない。そこで、最低限必要な水田農家の所得を計算し、養豚農家の所得と水田農家の所得（264万円/年）を確保できるかを確認した。水田農家の所得は、「米および麦類の生産費」（農林水産省，2011）より水田面積15ha以上の所得原単位46572円/10aを用いて計算した。C/N比=20および30ではそれぞれ1567および3920万円/年となり、全体としてはそれぞれ1831，4184万円の所得が必要ということになる。図（4）－9より、C/N比=20および30における所得は、それぞれ833万円/年および2444万円/年となり、養豚農家と水田農家の所得を確保することができないということがわかった。

養豚農家と水田農家の両業者が最低限必要な所得の確保は、養豚の規模を拡大することで達成できると考えられる。そこで養豚の規模を1000から10000頭まで、各ユニット間（豚舎、乾式メタン発酵槽および水田）の距離を10〜30 kmに変更した際の養豚農家および水田農家の所得を評価した結果、7000頭規模以上、ユニット間距離10 kmおよび水田への補助金がある条件において養豚農家および水田農家も所得が得られることが明らかになった（図（4）－10）。
図（4）－9 従来法および提案法における経済性

(養豚の規模1000頭、各ユニット間の距離10 km)

養豚の規模[頭]

図（4）−10 養豚の規模・各ユニット間の距離別の所得（補助金あり）

ここで、養豚規模7000頭、各ユニット間の距離10 kmとして水田の補助金がある条件で再度経済収支を計算した（図（4）－11）。その結果、提案法のC/N比=20および30では従来法の所得（1849万円/年）に対し、11602万円/年および27816万円/年多くの所得を創出させることが可能となった。水田農家の所得は、「米および麦類の生産費」（農林水産省，2011）より水田面積15ha以上の所得原単位46572円/10aおよびC/N比=20および30に必要な水田面積236 haおよび589 haを用いて計算
すると、C/N比=20および30ではそれぞれ10991万円/年および27431万円/年となった。従って、養豚農家のみの所得はそれぞれ2460万円/年および2234万円/年となった。以上から、C/N比=20および30では従来法よりもそれぞれ611万円/年および385万円/年の所得の増加があることがわかった。

図（4）－１１　養豚規模を拡大した場合の従来法および提案法における経済性（養豚規模7000頭、各ユニット間の距離10 km）

表（4）－1に、養豚7000頭規模の収支結果をまとめた。養豚の規模7000頭以上、各ユニット間（豚舎、乾式メタン発酵、飼料イネ水田）の距離10 km、本研究が提案している温室効果ガス削減型の水田管理方法である間断灌溉を行い、水田への補助金がある場合にシステムが実現可能であるということがわかった。この条件において、水環境への負荷量はC/N比=20および30では従来法よりもそれぞれ約24.4，23.0 t-N/年（それぞれ91，86%）を低減することができ、温室効果ガス排出量はC/N比=20および30では従来法よりもそれぞれ約2200，2405 t-CO₂eq/年（それぞれ80，88%）を低減できることがわかった。したがって、提案するシステムは水環境の窒素負荷および温室効果ガス排出量の両面で従来法よりも環境負荷低減型のシステムであることがわかった。さらに、経済性の面においても、従来の養豚農家の所得を増加させることが可能であるとわかった。

以上より、提案する循環型豚ふん尿処理システム全体の物質・エネルギー収支の関係を明確化し、経済性および環境負荷の両面からシステムが実現可能な条件を解明することができた。提案する循環型豚ふん尿処理システムの実現に向けて、非常に大きな成果が得られたと考えられる。
表（4）－1 養豚 7000 頭規模の収支結果

コスト
(万円/年)	システム	收入	支出	養豚農家
收益
従来法	21683	19835	1849
提案法(C/N比=20)	54097	40646	2460
提案法(C/N比=30)	98784	69119	2234
温室効果ガス
(t-CO2eq/年)	システム	排出量	削減量	正味
従来法	2731	0	2731
提案法(C/N比=20)	3731	3220	511
提案法(C/N比=30)	6719	6392	326
水環境窒素負荷
(t-N/年)	システム	排出量
従来法	26.8
提案法(C/N比=20)	2.4
提案法(C/N比=30)	3.8

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

サブテーマ（1）および（2）で得られた各種数値および文献値から、乾式メタン発酵および多収米飼料イネ水田による豚ふん尿処理システムにおける物質・エネルギー、経済収支および環境負荷を明らかにした。特に、従来システムよりも低水環境負荷および低温室効果ガス排出でかつ経済的にも成り立つ条件を提示できたことは養豚排水処理と多収（飼料）米生産の環境低負荷型コベネフィットシステムを構築する上で意義深い。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

本研究にて提案するシステムは、従来の養豚システム（豚舎、堆肥化および排水処理）代わる新しい養豚システムを提案するものである。オフセット・クレジット制度に活用できると考えられる。従来の豚肉生産や豚ふん尿処理システムと比べ、メタン発酵プロセスによるメタンの回収や水田における温室効果ガス排出の削減効果、自給飼料の生産による輸入飼料量の削減によって二酸化炭素削減クレジットの創出が期待できる。また、回収したメタンによるコジェネ発電などエネルギーの有効利用より、さらなるクレジットの創出が可能と考えられる。

さらに、農畜産業における温室効果ガスの排出権取引市場が拡大していくにつれ、発展途上国（特に共通の水田文化を持つアジア諸国）の農畜産業の温室効果ガス排出削減に向けたクリーン開発メカニズム（CDM）に、本研究にて提案する環境低負荷型コベネフィットシステムの応用が考えられる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない
### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

特に記載すべき事項はない

## <査読付論文に準ずる成果発表>

特に記載すべき事項はない

## くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1) M. Hosomi, K. Suzuki, R. Kanai, S. Riya, S. Zhou, A. Terada: 3rd International Congress on Sustainability Science and Engineering, Ohio, U.S., 2013 “Dry Thermophilic Anaerobic Digestion Process of Swine Manure and Rice Straw: Towards a Sustainable Swine Manure Treatment System Based on Forage Rice Paddy.”

2) M. Hosomi, K. Suzuki, R. Kanai, S. Riya, S. Zhou, A. Terada: International Conference on Recent Advances in Pollution Control and Resource Recovery for the Livestock Farming Industry, Jiaxing, China, 2013 “Sustainable Treatment System for Waste from Livestock Farming Industry Based on Dry Thermophilic Anaerobic Digestion Process and Forage Rice Paddy Field.”

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない

## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない

(6) その他

特に記載すべき事項はない

### 8 \. 引用文献

農林水産省（2011）米及び麦類の生産費，

http://www.e-stat.go.jp/SG1/estat/List.do?lid=000001108727
農林水産省（2011）肥育豚生産費，

http://www.e-stat.go.jp/SG1/estat/List.do?lid=000001108729
# Development of Low Environmental Impact-systems to Attain Co-benefits Piggery Wastewater Treatment and Forage Rice

Production

Principal Investigator: Masaaki HOSOMI

Institution: Institute of Engineering, Tokyo University of Agriculture and Technology

2-24-16 Naka, Koganei-shi, Tokyo 184-8588

Tel.: +81-42-388-7070

Fax: +81-42-388-7731

E-mail: hosomi@cc.tuat.ac.jp

## [Abstract]

Key Words: Dry-thermophilic anaerobic digestion, Forage rice, Greenhouse gas emission, Water pollution, Piggery wastewater treatment, Swine manure treatment

This study proposes a sustainable swine manure treatment system, which includes application of forage rice and dry thermophilic anaerobic digestion. The system consists of three processes as follows: 1) forage rice is cultivated and fed to swinery, 2) straw is mixed with swine manure and co-digested by dry thermophilic anaerobic digestion to produce renewable energy, and 3) digested residue is applied to forage rice field as fertilizer.

Dry-thermophilic anaerobic digestion does not require the effluent treatment because of the resulting moisture content (80%), and composting can be done directly after the solids residue is stabilized. However, an important problem is caused by the low C/N ratio, which can lead to ammonia inhibition of the bacteria. Therefore, this study investigates the stability and feasibility of digesting swine manure while providing rice straw as the carbon source.

Dry-thermophilic anaerobic digestion of swine manure and rice straw at different C/N ratio (8, 20 and 30) and sludge retention time (SRT) showed that continuous biogas production could be achieved in 30 days of SRT at 20 of C/N ratio and 20 days of SRT at 30 of C/N ratio in semi-batch reactor.

Application of digested residue into forage rice field managed by continuous flooding increased $ CH_{4} $ emission. On the other hand, intermittent irrigation could mitigate $ CH_{4} $ emission by 40%. However, the nitrogen balance showed that intermittent irrigation reduced N uptake by rice plant by nitrification and denitrification.
When digested residue was used to fertilize forage rice fields, the yield was comparable to what is observed when these fields are fertilized with chemical fertilizer, compost or anaerobically digested slurry. This means that the digested residue investigated in this research have fertilizer value that is equivalent to other well-established nutrient sources.

Finally, a feasibility study was conducted to clarify a condition that achieves lower greenhouse gas emission and water environmental load compared with conventional pig farming system and economically possible system simultaneously. Material, energy and economical balances in conventional and proposed systems were calculated by the unit value method. The results showed that the proposed system could be economically and environmentally (i.e., lower greenhouse gas emission and nitrogen load to water environment) feasible with more than 7000 heads of pig farming scale and utilization of subsidy for rice farmer.
E-0802 アジア太平洋地域を中心とする持続可能な発展のためのバイオ燃料利用戦略に関する研究

（7）アジア太平洋地域における政策パッケージ及び地域的政策協調の検討

(財) 地球環境戦略研究機関

関西研究センター

鈴木 胖

ガバナンスと能力グループ（GC）

マーク エルダー(Mark Elder)

経済分析チーム（EA）

小嶋 公史

<研究協力者>

(財) 地球環境戦略研究機関

適応グループ（AD）サブディレクター 佐野 大輔

GCサブディレクター 林 信濃

気候政策プロジェクト研究員 ジェーン ロメロ(Jane Romero)

EA研究員 アニンディヤ バチャタリヤ(Anindya Bhattacharya)

IGESフェロー 松本 奈穂子

平成20～22年度累計予算額：55,828千円（うち、平成22年度予算額：19,810千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 本サブテーマでは、平成21年度に引き続きアジア太平洋地域の主要なバイオ燃料利用国（中国、インド、インドネシア、日本）におけるバイオ燃料利用に関する政策と現状の分析から共通課題・教訓および国特有の状況などを整理し、持続可能な発展に資するバイオ燃料利用戦略の在り方を検討した。併せてバイオ燃料政策の定量的評価のための経済モデルの開発、及びバイオ燃料の持続性基準策定における議論進展のレビューを行った。その結果、概してアジアにおける第一世代バイオ燃料の持続的生産については、特に土地利用形態の変化が引き起こす問題が適切に対処されるのであれば理論上は可能であり、GHG排出削減やエネルギー安全保障等にある程度寄与しうるものの、非持続的な生産を促す強い経済的誘因が存在するため、持続的な生産の可能性が保証されるまでは、その推進は慎重を期する方が賢明であると結論づけられた。また、各国における極めて多様な状況に留意し、農業からエネルギー・交通までのライフサイクルに対応する関連政策の統合や原油価格や技術革新などの不確定要素への対応、R&D等に対する長期的ビジョンの必要性が明らかになった。一方、日本を含め、セルロース由来（いわゆる第二世代、特に廃棄物の利用）さらには微細藻類由来（いわゆる第三世代）のバイオ燃料開発が各国で進んでおり、持続可能な開発の観点からは第一世代バイオ燃料に比して有望視されるが、商業生産技術は開発途上にあり、またそれらのライフサイクルアセスメント（LCA）に基づく影響は未知であり、さらなる知見の蓄積が必要となっている。バイオ燃料の持続性に関する国際的な基準については、持続可能なバイオ燃料のための円卓会議（Roundtable on Sustainable Biofuels：RSB）などにより、留意すべき事項を包括的に取り込んだドラフトが提示されるなどの進展があったものの、ステークホルダーの参加に対するコミットメント、イニシアチブ自体のガバナンス、実際の基準運用（基準適合の判断や認証機関の設置等）等にまだ多くの課題が残されている。
[キーワード] バイオ燃料、アジア、持続性、一般均衡モデル、バイオ燃料政策

### 1. はじめに

バイオ燃料は、エネルギー安全保障問題、地球温暖化問題、途上国における農村開発・貧困問題等の解決への期待からアジア地域においても推進政策が急速に導入されてきた。バイオ燃料の導入は、初期段階においては、エネルギー安全保障や短期的な経済効果の側面が重視され加速したが、バイオ燃料生産が土地利用や食糧安全保障に与える影響に関する様々な調査が報告されるにつれ、バイオ燃料の利用は、それが持続的な形でなければ、地球温暖化問題や社会問題を解決する一助となるどころか、かえってそれらを悪化することにもなりかねないことが認識されるようになった。

しかしながら、経済成長の著しいアジアの途上国においては、気候の利を生かしたバイオ燃料原料作物の生産および技術に比較的容易なバイオ燃料生産から得られる経済的便益を最大化したいという期待が依然として大きく、途上国の生産現場の現状把握とそれを踏まえたバイオ燃料政策の見直しや修正が必要になっている。また一方、日本においては、京都議定書目標達成や未利用資源の利活用の観点からバイオ燃料政策が進められているがその有効性についても精査する余地がある。さらにバイオ燃料の貿易については、様々な場で基準などの政策協調についての議論が進行しつつあるが、進展が著しいとはいえず課題や有効性などについて持続的開発の観点から検討する必要がある。

## 2 ．研究目的

本課題は、アジア太平洋地域における主要なバイオ燃料利用国（中国、インド、インドネシア、日本）においてバイオ燃料利用推進の現状を具体的に把握し、持続的開発に資する政策のあり方について提言を行うこと、またそれらの結果や進行しつつある地域的・国際的な議論を踏まえ、バイオ燃料の持続的利用に関する政策協調について検討を行うことを目的とする。

## 3 ．研究方法

国レベルの研究については、現地調査や現地関係者へのインタビューを通じたケーススタディを実施し、バイオ燃料政策（目標やロードマップ、補助金などの経済的措置など）やバイオ燃料関連政策（環境、エネルギーなど）、バイオ燃料利用に関する条件（生産方法、バイオ燃料市場、土地利用など）についてデータを収集して市場構造や政策ギャップなどについて検討・分析を行った。また、一般均衡モデルによる政策影響評価ツールを用いて、国レベルでのバイオ燃料政策の経済的・環境的影響を定量的に評価した。バイオ燃料の持続性に関しては、国際的にRSB(Roundtable on Sustainable Biofuels，持続可能なバイオ燃料のための円卓会議)など様々な枠組で検討が進められているところであるが、これらの枠組における議論に参加し、最新の知見を得つつ、国際政治学的な観点から検討・分析を行った。

## 4 ．結果・考察

本年度は、対象国のケーススタディについては、平成21年度の調査により収集・同定した主要
課題について現地調査等を実施してデータの収集を行い、その分析を完結させた。バイオ燃料政策の定量的な経済・環境影響については、中国、インド、インドネシアを対象としたバイオ燃料政策の影響分析を行った。またアジア地域の地域政策協調については、国際的な原則・基準作成のためのイニシアチブである、持続可能なバイオ燃料のための円卓会議（RSB）に参加することにより、今後の議論の趨勢および情報の収集と論点の整理を実施し、今後のアジアにおける国際的基準適用について論じた。以下、結果の概要を示す。

## （１）中国・ケーススタディ

中国においては、エネルギー需要が急増する中にあって、再生エネルギー利用が2005年の再生エネルギー法の施行にともない急速に進んでいる。バイオ燃料もその一部に位置づけられており、現在、例えばバイオエタノールの生産は世界第3位の規模を誇るものの、中国国内においては、風力発電が再生エネルギー関連投資の約7割を占めるのに対し、バイオ燃料はわずか3.6％に過ぎない $ ^{1)} $ 。バイオ燃料利用の推進の背景には、経済成長に伴う自動車の急速な普及があるが、同時に農作物由来のバイオ燃料を生産することによる経済効果の狙いもある。食料を原料とするバイオ燃料生産による世界的な穀物市場への影響が大きく取り上げられた2007年以来、非食料を原料とするバイオ燃料生産が課題となっており、バイオディーゼルの原料としてはジャトロファ、バイオエタノールの原料としては非食用キャッサバが有望視されている。しかし、バイオディーゼル生産に関しては、2008-2009年度にかけて実施した雲南省におけるジャトロファからのバイオディーゼル生産が、導入されてから日が浅いため市場が十分に発達していないこと等、経済的な持続性に関する非確定要素が大きいこと、また都市部への労働人口の流出や本格生産に入ったときの労働力の確保などの面において必ず持続的な農村開発につながるかは疑問の残るところがある。

また、バイオエタノール生産の原料として広西省で推進されているキャッサバの生産については、当作物がこれまで、食用・飼料用・飲料用アルコール生産用として古くから生産されていることから、農業技術や原料のデンプン化にかかる工業プロセスの基盤があるものの、輸送用アルコール生産については、国営企業1社による専売となっており、バイオ燃料の省内導入による農村部への経済効果はそれほど大きくないものと推察される。むしろ、ベトナム等の隣国から原料となる安価なデンプンが流入してきていること、デンプンをアルコールに転換する施設が旧式であること、食用ではなく工業用として優れているキャッサバ品種の導入及び生産技術の更新、また糖化するだけでなく付加価値のあるデンプン関連製品生産への投資など、バイオエタノール生産というよりも、むしろデンプン市場・産業全体の活性化が課題となっていると考えられる。このため、キャッサバからのバイオ燃料生産は、同国において力点が置かれつつある次世代自動車（電気自動車）開発やそれまでのつなぎの役割を果たすバイオ燃料混合燃料自動車の普及の速度を見極めつつ、デンプン産業・市場全体を見据えた政策が必要であると考えられる。

## （２）インド・ケーススタディ

インドの国家バイオ燃料政策は紆余曲折を経て2010年に発表された。この政策は慎重ながら楽観的な性格のもので、2017年までにガソリンへの20％バイオ燃料混合を大量のエタノール供給により達成するものである。2008年10月までに達成するとしていた10％エタノール混合目標を未だに達
成できていないことから、20%混合目標は達成が困難であると考えられる。国家政策において、エタノールが主要バイオ燃料と位置づけられ、それ以外の植物由来バイオ燃料（おもにバイオディーゼル）は二次的な供給源と位置づけられている。インドにおいてサトウキビ生産が不安定であることがバイオ燃料生産のための安定したエタノール供給の大きな障害となっていると認識されている。さらにエタノール由来のバイオ燃料の価格設定は議論の多い問題である。エタノールの主な生産者である製糖業と、バイオ燃料の流通を担う石油販売業は市場におけるエタノール価格をめぐって論争を続けている。国家政策はこの点について簡単に触れてはいるが、バイオ燃料運営委員会に権限を委譲するということを除いて政府がこの問題をどのように解決しようとしているのかについては示唆されていない。この問題はインドにおけるバイオエタノール産業の促進への深刻な障害であると考えられる。

バイオ燃料計画に関する全般的条件と実現を可能にする環境について、およびバイオエタノール生産に関する水資源制約について、以下に論ずる。

## 1 ）インドのバイオ燃料計画を実現可能にする環境

バイオ燃料生産については食料-燃料競合が明白であることから、バイオディーゼル生産については荒廃地においてのみ許可されている。これは新しい考え方であるが、食料不足が深刻化しつつあるインドにおいてそのような荒廃地を見出すことは簡単ではない。劣化した土地および荒廃地の定義は生産性および休耕期間の観点から議論されている。農業専門家は、必要な投入さえあれば一般に荒廃地と呼ばれている土地を少なくとも単作可能な土地に転換できる技術がインドにはあるとしている。さらに、劣化した土地のほとんどは人の手が入らない森林か、村落またはパンチャヤト（草の根自治組織）が所有し土地無し農家か先住民コミュニティが放牧などの目的で使用している共用地のいずれかである。外部の人間にとって荒廃地あるいは不毛の地と見える土地でも、実際には数百万の貧困層の生計手段を提供しているのである。また土地は他省庁に帰属するために、バイオ燃料計画の実施官庁である新・再生エネルギー省はバイオディーゼル生産に必要な荒廃地を取得するうえでほとんど権限がない。

種子収集と搾油のための設備が不足している。必要な施設と脂肪種子がなければ起業家に対しトランスエステル化工場への投資を促すことは困難である。非食用種子の収集は手作業であり、大規模バイオディーゼル工場に対する種子収集は極めて困難である。1日で80キロの種子を収集できるが、これは20~23リットルの油脂生産に相当する。収集期間は1シーズンに3か月程度であり、1日100トン規模の工場であれば種子収集に15000人必要となる。このように大量の季節労働者の確保は困難である。

ジャトロファが実を結ぶには24~30か月かかる。大規模ジャトロファ栽培を促進するためには、初収穫までの無収入期間について農家の生計を保障する必要がある。現時点では民間資本事業を除いてそのような手当は市場においてなされていない。土地無し農家・労働者は担保になる土地がないために暫定払いを受ける資格がないことが大きな問題である。

食料生産に適していない土地で商業的に成り立つ収量を得るために必要となる投入（灌溉、肥料など）の量について不確実である。インドは複数の気候帯にまたがっており、ジャトロファ栽培とその経済性についての知識移転の際の不適切なスコープもさらなる問題となっている。

・インドでは多くの商品について最低買い取り価格や買い取り保証制度が存在するが、ジャト