有機物リサイクルシステムで持続可能な社会を
正和電工株式会社
自然の力で分解できない大量の糞尿は土壌汚染、そして環境破壊へとつながります。正和電工のバイオトイレシリーズはこうした問題の解決に取り組みます。 バイオトイレBio-Luxイメージ バイオトイレBio-Lux国土交通省認定・新技術NETIS No.HK040017-A
   
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 >>季刊 環境研究 2005/No.139「特集:第32回環境賞/環境技術の最新動向」より
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バイオトイレについて
究極の循環型「バイオトイレ」に世界が注目
聞いて流せぬトイレの話(土木学会誌より)
廃棄有機物の分解処理装置の開発
第32回環境賞文献より
オガクズの能力を見直す
公開実験報告
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本体・図面
活用例
バイオトイレの現況報告
本製品の法律的根拠
中小企業海外展開支援事業

正和電工株式会社
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第32回環境賞文献より

第32回環境賞環境大臣賞・優秀賞
おがくずを用いた乾式し尿処理装置の開発
Development of Dry Toilet Systems Using Sawdust as Matrix
季刊環境研究 2005 No.139より
寺沢 実
北海道大学大学院農学研究科環境資源学専攻教授
橘井 敏弘
正和電工(株)代表取締役社長

 おがくずを用いた乾式し尿処理装置を開発した。水を用いないトイレ、すなわちドライトイレットである。バイオトイレと略称されることがある。
 本乾式し尿処理装置は、おがくずの有する固有の特質(多孔質、粒形、高空隙率、高水分保持能、低比重、高比表面積、高水分蒸発能、高耐摩耗性、高抗バクテリア性、生分解性)を利用して、悪臭の発生なしに、し尿を減容化する装置である。し尿に含まれる固形 分はバクテリアによって炭酸ガスと水とに分解され、最終的にフミン質と無機成分とがおがくず中に残る。これら分解残漬は、良好な有機肥料・土壌改良材として土壌に還元される。
 本乾式し尿処理装置は、(1)水を使わない、(2)臭わない、(3)し尿が資源化される、(4)生ゴミの処理も行える、(5)水環境の保全に貢献、(6)取り付け簡単、(7)移動可能、(8)イベント時や災害時に強い、(9)ベッドの脇に置ける、(10)水洗トイレ方式に比べ安価、などの諸特性を有する地球環境に優しい21世紀のトイレである。

水洗トイレの問題点

 し尿処理の方法として、上水通水を運搬手段として用いた従来型の水洗トイレの今後の拡大普及は困難である。財政上の問題、水不足の問題、環境保全上の問題などか山積しているからである。
 297の市町村が、水洗トイレを完備したが、水が来ないので、ダムの建設を訴えている。また、合流式下水水処理システムが、全国にまだ50%以上あり、大雨などの際には下水処理場で処理されることなく河川へ直接ポンプアウトされ、生活排水の汚染水垂れ流しの主要な原因となっている。

し尿処理の独立分離

 下水道へ流れ込む水の流れに、し尿を含む水洗トイレの水(ブラックウオーター)を混入させなければ、台所、洗濯機、風呂場からの水(グレイウオーター)の処理は比較的容易に出来る。そこで、し尿処理を独立分離させることで下水処理場の負担の軽減を図る試みがなされている。すなわち、し尿処理の独立分離に、ドライトイレを採用する考え方である。JST/CRESTプロジェクトが進行中である。

バイオトイレとは

 バイオトイレには、“生物の力でし尿を処理すること”の意味を託している。従って、現行の水洗トイレもおがくずやチップを用いたドライトイレも、水循環式トイレも、化学処理や燃焼処理に頼らずに、生物の力でし尿を処理しているという点で、すべてがバイオトイレの範躊にある。
 本稿では、おがくずを人工土壌マトリックスとして利用した乾式し尿処理装置を、資源化エコ・バイオトイレ、略してバイオトイレと仮称する。富七山の頂上・8合目・5合目やサハリンの天然ガス開発現場、南極昭和基地、旭川の旭山動物園、各地の公園、工事現場などで活躍中である(図1,図2)。
図1.図2

バイオトイレの特色

図3  バイオトイレの特色は、(1)水を使わない(省エネ・水環境の保全に貢献)、(2)臭わない(快適空間の創造)。(3)くみ取り不要(省エネ・無臭)、(4)し尿が資源化される(資源循環・バイオマス廃棄物の資源化)、(5)生ゴミを同時に処理できる(複合処理)、(6)水環境の保全に貢献(環境浄化)、(7)取り付け簡単(簡便性)、(8)移動可能(広域利用)、(9)イベント時や災害時に強い(備蓄・レンタル対象)、(10)ベッドの脇に置ける(介護用・高齢者社会への対応)、(11)水洗トイレ方式に比べ安価(省エネ・インフラ投資の軽減)、(12)病原菌などの死滅(安全性)などの諸特性を有する地球環境に優しい21世紀のトイレである(図3)。

150万人のし尿処理

 水を使わないので、極寒の冬の旭川でもトイレの使用が可能である。バイオトイレの導入に踏み切った旭山動物園は、冬期間の水道凍結の問題から解放され、冬期間も開園が可能となった。また、ユニークな野生動物の行動展示等の工夫から入園者が増え続けており、平成16年度は144万人が訪園した。早成17年度の夏季の入園者数は、昨年度の同時期に比べて更に増加したとのことである。旭川市の人口が35〜36万人であるから、この数字大きさが分かる。人が集まれば、すぐに困るのはトイレである。この入園者の急増を陰で支えているのが、30台強のバイオトイレであり、150万人分のし尿を無臭の内に処理している(図1)。

し尿処理のポイント

 本装置のし尿処理のポイントは、臭気の発生をさせずに、如何に迅速に水分を蒸発させるかにある。おがくずを用いると、なぜし尿は臭わないのか。その答えは、おがくずが、し尿を保持しつつ好気的条件を維持するのに適した性質を有することにある。し尿の95〜96%は水分である。空気中の酸素は水に溶けづらい。したがって、スラリー状態のし尿混合体は、嫌気状態にある。嫌気状態では、糞に含まれていた嫌気性バクテリアがスラリー中で増殖し酵素ウリアーゼを生産する。このウリアーゼが尿中に含まれていた尿素を効率的に分解して、炭酸ガスとアンモニアを生成する。
 くみ取り式のトイレの臭さには閉口するが、この臭さは、糞と尿とが同じ容器で混合・貯蔵されることに起因する。糞と尿とを別々に集めると臭気の発生は少ない。また、糞と尿とを混合しても、おがくず中であれば臭わない。おがくずの好気的条件下では、嫌気性の腐敗菌は繁殖できず、通性嫌気性菌や好気性菌の増殖が促進され、尿素の分解によるアンモニアの生成が大幅に抑制されるからである。

希釈廃棄から濃縮資源化へ

図4  し尿の大部分は水分であるから、臭気の発生を抑制しつつ水分を飛ばすと、バクテリアで分解すべき対象の固形分は、たかだか4〜5%に過ぎない。もともと水っぽいし尿を、その50倍以上の水道水で下水処理場に運搬する水洗トイレは、希釈・排棄気型トイレであると言え、水資源が不足気味な昨今では再考の余地がある。地球規模での水資源の保全を考えるとき、水を使わないトイレは、時代の要請でもある。おがくずは、臭気を発生させずにし尿から水分を蒸発除去するのに優れた資材であり、濃縮・資源化型の乾式トイレの主役である。21世紀はバイオトイレの需要度、重要度が高まるであろう(図4)。

おがくずの特性

 おがくずが臭気を発生させずにし尿から水分を蒸発除去するのに優れた資材であると述べた。その理由を解明するために、おがくずの特性を検証する。

好気性条件の保持

図5  おがくずを使用すると、臭気なしにし尿の処理が可能となる。まず、その理由の第1は、何と言っても、おがくずの好気的条件保持能の高さである。おがくずは、構成粒了自身が多孔質であるとともに、一定容積の入れ物に入れられた場合にその粒子と粒子との間に多大な空隙が出来あがる。この空隙率の高さこそが、おがくずの一大特性である。一定容量のおがくずの85〜90%が空気であり、実質は10〜15 %に過ぎない。これは、一般的にあまりよく知られていない事実で、聞くと誰もが、えっと驚く。これは、トドマツのような材料では、粒子の大きさによって変化がない。一般的には、粒径の減少に伴って空隙率は減少するのに対して、かなり特有な性質である。
 このふかふか状態のおがくずに、ゆっくり水を加えて行き、下から水が漏れてくる直前で止める。この時どれほどの水が保持されるか?おかくずの容量の30〜35%に相当する水が保持される。水分保持能は30〜35%であると言う。そのとき、系内の残りの50〜60%は、依然と空気である。おがくず中の水は、もはや液体状態では存在せず、おがくずの粒子表面や細孔中に薄くフィルム状に広がった状態に なっている。であるから、し尿をおがくずに加えて静かに攪拌すると、し尿中の水分はおがくず中に広がり、固形分はおがくずの粒子表面に付着した状態になり、系内の空気に触れる状況が生まれる。このような状況下の有機物は、好気性バクテリアによって分解されることになる。
 このおがくずの水分保持能は、粒子の大きさによって変化し、粒子の大きさが80メッシュをパスするような小径になると、水分保持能が急激に上昇し空隙の全てに水分が入り込み、空気の存在する余地を残さない。従って、絹かすぎるおがくずのみではマトリックとしては使えない。しかし、その存在量に比例して、全体のおがくずの水分保持能を上昇させることが出来るので、実用レベルでは、篩分けをする必要は、ほとんどの場合にない。
 いずれにしても、おがくずは、基本的には好気的条件を保持しつつ、好気性バクテリアにその活躍の場を提供する優れた材料なのである(図5)。

大きい比表面積

 おがくずの第2の特性は、その比表面積の大きさである。おがくずの表面からは水分が発し易い。バイオトイレは、間歇的におがくずをゆっくりと攪拌しており、攪拌されると底の方にあった水分の多い部分のおがくずが表面に現れて来る。表面に出てきた水分は、おがくずの表面から蒸散する。絞ったままの洗濯物は乾きにくいが、広げてやると乾きが速い。攪拌はこの洗濯物を広げるという行為に類似する。水分が蒸発すれば、系内はさらにより好気的条件になる。もちろん、攪拌はおがくずに新たな空気の導入を促す効果もあり、全体として系内を好気的条件に保つのに貢献する。

リグニンの存在

 第3に、リグニンの存在が、おがくずの物理的磨耗抵抗性を付与している。また、リグニンは難分解性の天然高分子で、化学反応に強く抵抗し、また、天然界にあっては、バクテリアはほとんどリグニンを分解することか出来ない。抗バクテリア性能が高い。そのため、おがくずに混ぜられた易分解性の有機物は、好気性バクテリアによって効率よく分解・消滅されて行くが、マトリックスとしてのおがくずはいつまでもその形状を変えることがない。このように、おがくずは、リグニンの存在によって、マトリックス材料としてバクテリアに抵抗し、かつ攪拌下での摩耗にも耐えるので、長期間使用することが可能となる。

小さい見かけ比重

 第4に、おがくずは見かけ比重が小さい。先に、おがくずの85%〜90%が空隙であると述べたが、この空隙率の高さは、見かけ比重を小さくすることに通じる。おがくずが軽い材料であることは、おがくずを攪拌する際の動力を軽減してくれる効果があり、比重の大きいセラミック材料などを攪拌するときの動力に比べれば雲泥の差である。

生分解性

 第5に、おがくずはリグニンも含めて、生分解性の天然高分子材料である。バクテリアにはめっぽう強いおがくずであるが、キノコの仲間である担子菌類の攻撃には弱い。バイオトイレで使用したあとのおがくずは、土壌に戻すことで、蓄積したミネラル類は肥料となり、おがくずは担子菌やミミズなどの上壌生物の餌となる。ミミズの糞は最高の土壌改良剤である。このようにおがくずは植物の生育に適した土壌環境を作る資材として最終的に環境に戻すことが可能である。ここに物質循環が完了する。
 おがくずを畑に人れると良くないと言われるのには理由がある。それは、おがくずそれ自身には窒素、隣、カリなどの無機栄養素がほとんどないことが原因である。新しいおがくずを土壌中に人れると、これを分解するために担子菌やバクテリアが、周囲の土壌から窒素、隣、カリなどの栄養素をかき集める。そのため、植物が、栄養不足となって育たないような状況が生まれる。しかしながら、バイオトイレから出た使用済みのおがくずには、窒素、隣、カリなどの栄養素がたっぷり蓄積しているので心配はない。むしろ、栄養分が濃すぎないように希釈して施肥する必要があるくらいである。

空気の流れ

図6  ところで、我々がアンモニアを嗅覚で感じる濃度の同値は20ppm前後である。従って、20ppm以下の濃度のアンモニアは、存在してもほとんどの人が、臭気として感じることがない。バイオトイレには排気口に電動ファンがセットされている。そのため、トイレ内の空気は、上から下へと流れ、部屋の空気は便器の中へと流れ込み、最終的に排気口から排出される。従って、構造上、トイレ内では、たとえ臭気があったとしても、臭気は鼻に向かって移動しない。目隠しをされて連れて行かれれば、恐らくそこがトイレとは気がつかないであろう。また、排気□のアンモニア濃度が、20ppm以下であれば、バイオトイレの周辺では、アンモニアの存在に気がつかない。反応層内ではアンモニアを生成しているバイオトイレも、流れる空気に希釈されて、あたかもアンモニアを生成していないかのごとく振舞う。それでも実用レベルでは、なんら問題はなく、多くの方々が、臭いが無くて快適だとアンケートに答えている(図6)。

屎尿とオガ屑の量比

 糞のみだと、大体20〜25倍の容量のおがくずがあれば順調に分解が進む。糞に尿が加わったし尿混合物では、これが80倍になる。糞と尿の重量比は1:10で、約10倍である。しかしながら、200〜250倍のおがくずを必要としない。これは、尿が5%しか固形分を含まない液体であることが原因である。少なくとも、処理対象屎尿の80倍容量のおがくずがあれば、稼動初期のアンモニアの生成を、とりあえず我々が臭気として感知する同値である20ppm以下の濃度に抑えることが出来る。

酸性官能基

 おがくずがなぜアンモニアの揮散を低濃度で抑えるのか。おがくず中に存在する酸性官能基類がアンモニアの揮散防止に一役買っている。すなわち、タンニンなどのポリフェノールのもっているフェノール性水酸基、ペクチン質などがもっているカルボキシル基、フェノール酸などがもっているフェノール性水酸基とカルボキシル基、リグニンのフェノール性水酸基、フミン質のカルボキシル基などの各種の酸性官能基が、アルカリ性であるアンモニウムイオンをトラップするという能力を発揮する。
 バイオトイレの稼動初期は、アンモニアの揮散がほとんどない。むしろ、おがくずが含む抽出成分の影響が出ることがある。熱帯産の木材のおがくずでは、強力な生物活性を有する抽出成分が、バクテリアの繁殖を抑制することがある。日本産でもヒノキ、ヒバ、クスノキなどは、要注意であるが、これらの純粋なおがくずを得ることの方がむしろ難しい。

ウリアーゼ活性の低下

 おがくずは、アンモニアの生成を抑える事も実験で分かってきた。おがくずが存在すると、水中での反応に比べてウリアーゼの尿素分解速度が低下する。おがくずの存在がウリアーゼの反応を抑制するようである。緩衝液を用いると、おがくずの有無での反応の差はさらに顕著になり、アルカリ側に行くほど反応が急激に落ちる。これは、ウリアーゼの至適pHが6.0付近に存在するためである。しかし、逆にアンモニアの揮散は、アルカリ側で激しくなる。おがくずのアンモニア生成・揮散の抑制力も、大量の尿を短期間に投入されると、その能力を超える。 おがくずの能力にも限界が存在ある。し尿の80倍のおがくず容量が必要である事がそのことを如実に示している。
 バイオトイレは、少しずつ連続的にし尿か投入されることを設計の基本としている。稼動の経過とともに、1日のし尿の役人量と、1日の水分の蒸発量および固形分の分解量との和が平衡状態になること、アンモニアの発生・揮散とがあるレベル以下に保たれること、などが期待されている。この様にバイオトイレは、限界あるおがくずの能力を巧みに利用して、臭いを感じさせずに、し尿の資源化のために、けなげに稼動していることになる。

水分蒸発装置

図7  バイオトイレの装置を大きくすると、家畜糞尿の処理装置となる。やはり、おがくずを人工土壌マトリックスとして使用している。現在、8m3と24m3の装置が試験稼動中である。それぞれ0.3t/日、l.Ot/日の糞尿の資源化処理能力を発揮している。S-2400(24m3)の大型装置での家畜糞尿の資源化の状況を見ると、30日目の実際の投入蓄総量は60tであり、残存重量が20tであった。従って、30日で40tの糞尿が消滅したということになる、この処理実態は、蒸発した水が大部分をしめている。残りの有機物の処理にバクテリアが頑張っているという図式である(図7)。
 水分の蒸発量の多さを見ると、バイオトイレも家畜糞尿処理装置も、し尿や糞尿を微生物分解処理する装置と言うよりは、水分を蒸発させる装置であると考えた方がよいくらいである。蒸発水を回収するような冷却装置を取り付けると、水がトン単位で回収できます。水の少ない地域に行けば、この回収水は貴重な水資源となるであろう。

林業活性化

 おがくずの能力が広く認識され、生ゴミ、屎尿、家畜糞尿が資源化処理に各地で利用されると、おがくずが大量に必要になる時期が来る。それに備えて、地域ごとにおがくずや使用済みのおがくずの集積地を作って、状況に対応する必要が出るであろう。農林水畜産関係のバイオマス廃棄物は、個々に処理を考えると困難さが先に立つが、これら厄介者同士を複合処理することで、ともに有用な資源に変換する事が可能となる。おがくずを地域ごとに集積する事は、間伐木利用の促進につながり、各地域の山林の整備による林業の活性化が期待される。

《参考文献》
(1) Minoru Terazawa:バイオ|ヽイレ・コンポスト利用(英文) CRST/JST:第3回シンポジウム(西安),pp.33-36,2005.
(2)Minoru Terazawa:バイオトイレからの水の蒸発とアンモニアの揮散(英文) JST/JST:第2回シンポジウム(長春),pp. 9-12,2004.
(3)MinoruTerazawa:オガ屑が地球を救う−オガ屑を人工土壌マトリックスとして用いたバイオマス廃棄物の資源化・循環(英文)− CRST/JST:第1回シンポジウム(南京),pp. 9-12, 2003.
(4)Minoru Terazawa and Antonius Subiyatno: Composting of Biomass Wastes into Multifunctional Recyclates, Proc. of the 3rdIWSS (Bogor),293-296, 2000.
(5)Minom Terazawa et al.:Composting of Biomass Wastes into Multifunctional Recyclates, ”Science for Sustainable Utilization of Forest Resources in the Tropics” (Parangaka Raya〉, 52-53, 2000.
(6)Minoru Terazawa : Effective Utilization of Forest Biomas―Utilization of Sawdust as Artificial Soil Matrix for Bio-conversion of Biomass Wastes into Multi-functional Recyclates ,拠点校JSPS/LIPIシンポジウム(京都),2002.
(7)Minoru Terazawa : オガ屑の利用に関する国際シンポジウを主催(北大・院農),2001
(8)Masahide Sunagawa, Sakae Horisawa, Yutaka Tamai, Yuki Matsuoka. Toru Miura, and Minoru Terazawa :Biodecradation of Non-Hgnocellulosic Substances III.Effect of hot- and cold-water extractives of sawdust on bacterial multiplication, Research Bulletin of the Hokkaido University Forests, 57, 66-70, (2000)
(9)若山真人,猪瀬響,中有秀,寺沢実:南洋産ビリアン材の含有成分,日本木材学会北支講.30,87-89 (1999)

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