การเพิ่มมูลค่าของของเสียชีวภาพสำหรับการผลิตพลังงานสะอาดจากก๊าซมีเทนเพื่อการพัฒนาทางสังคมและความยั่งยืนทางสิ่งแวดล้อม

บทคัดย่อ

การศึกษาผลของอัตราส่วนวัตถุดิบต่อหัวเชื้อ (F/M Ratio) ต่อศักยภาพการให้ก๊าซชีวภาพทางชีวเคมีของเศษอาหาร (FW) ภายใต้สภาวะการย่อยแบบไร้ออกซิเจนที่อุณหภูมิปานกลาง กำหนดอัตราส่วน F/M Ratio (VS basis) เป็น 1.53, 3.05, 4.85, 6.11 และ 7.63 สำหรับ FW พบว่าหัวเชื้อและวัตถุดิบมีความชื้นร้อยละ 70 – 90 โดย FW มีปริมาณสารอินทรีย์สูง ทั้งในแง่ของของแข็งระเหย (VS) ร้อยละ 74.21 และสารอินทรีย์ในส่วนที่เป็นของเหลว (CODs) เท่ากับ 7,000 mg/L สำหรับ FW หัวเชื้อมีพีเอช 7.41 สภาพด่าง (Alk) เริ่มต้นค่อนข้างสูง และมีปริมาณกรดอินทรีย์ระเหย(VFAs) สะสมต่ำ ทำให้การศึกษานี้ได้เริ่มต้นระบบจากหัวเชื้อที่มีเสถียรภาพ FW มีค่าพีเอช 4.38 หัวเชื้อพบแอมโมเนียไนโตรเจนทั้งหมด (TAN) ในสัดส่วนที่ใกล้เคียงกับปริมาณอินทรีย์ไนโตรเจนทั้งหมด (Org_N) ที่ร้อยละ 47.27 ต่อ 52.73 พบว่า FW มีปริมาณเจลดาห์ลไนโตรเจนทั้งหมด (TKN) 5.60 โดยมากกว่าร้อยละ 90 ของทั้ง FW พบในรูปของ Org_N อัตราการเกิดก๊าซชีวภาพมีค่าสูงที่สุดใน 7-10 วันแรก หลังจากนั้นจะมีค่าลดลงและเข้าสู่สภาวะคงที่ F/M Ratio ที่เพิ่มขึ้นส่งผลโดยตรงต่อปริมาณก๊าซชีวภาพที่เกิดขึ้น ชุดการทดลอง MN6 ใช้ FW ที่ F/M ratio 7.63 ให้ปริมาณก๊าซชีวภาพสะสมสูงสุดที่ 5,053 มิลลิลิตร คิดเป็น 177.4 mLBiogas/g VSadded อย่างไรก็ตาม MN3 ใช้ FW ที่ F/M ratio 3.05 ให้ปริมาณก๊าซชีวภาพสะสมที่ 2,898 มิลลิลิตร คิดเป็นศักยภาพการผลิตก๊าซชีวภาพสูงสุดเท่ากับ 217 mLBiogas/g VSadded ทุกชุดการทดลองในวันแรก (Day 0) จะมีปริมาณสารอินทรีย์ในรูป VS ร้อยละ 80 (% TS) และเมื่อสิ้นสุดการทดลอง (Day 41) พบว่าสารอินทรีย์ลดลง โดยประสิทธิภาพการกำจัด VS เท่ากับร้อยละ 60-80 สอดคล้องกับ CODs ที่เพิ่มขึ้น มีค่า 3,040 - 4,300 mg/L ชี้ให้เห็นว่า FW เป็นวัตถุดิบที่ง่ายต่อการย่อยสลายทางชีวภาพและมีความเหมาะสมในการเป็นสารตั้งต้นในการผลิตก๊าซชีวภาพ พีเอชในวันเริ่มต้นและสิ้นสุดการทดลองมีค่าไม่แตกต่างกันในช่วง 6.5 - 8.5 ซึ่งเป็นช่วงที่จุลินทรีย์สร้างมีเทนดำรงชีพอยู่ได้และไม่ยับยั้งการผลิตก๊าซชีวภาพของจุลินทรีย์อันเป็นผลมาจากเสริม Alk ทำให้ Alk ไม่แตกต่างกันมากนัก โดยมีค่าในช่วง 4,833 – 8,710 mg/L พบว่ามากเพียงพอที่จะต้านทานการเปลี่ยนแปลงพีเอชจากการเพิ่มขึ้นของ VFAs (194 - 624 mg/L) TKN ของชุด FW มีค่า 1.58 – 2.14 โดยพบในรูปของ Org_N สูงถึงร้อยละ 85 - 94 ส่วนที่เหลืออยู่ใน TAN เพียงร้อยละ 6 - 15 ภายหลังการทดสอบสิ้นสุดพบ Org_N ลดลง ส่งผลให้มีสัดส่วน TAN เพิ่มมากขึ้นอยู่ที่ประมาณร้อยละ 41 ถึง 77 โดยเมื่อเพิ่ม F/M Ratio ให้สูงขึ้น ประสิทธิภาพการกำจัดสารอินทรีย์ในรูป VS (% TS) มีค่าลดลง ในขณะที่สารอินทรีย์ในรูป CODs มีค่าเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ สารอินทรีย์จะถูกย่อยเป็น VFAs ในปริมาณที่มากขึ้นซึ่งสอดคล้องกับการลดลงของ Alk ส่วน TKN มีค่าเพิ่มขึ้นในวันสิ้นสุดการทดสอบ ลักษณะของตะกอนสลัดจ์ที่ได้จากการย่อย FW พบว่า TKN ฟอสฟอรัสทั้งหมด (TP) และโพแทสเซียมทั้งหมด (TK) ไม่ว่าจะพิจารณาในรูปปริมาณธาตุอาหารต่อน้ำหนักสดหรือต่อน้ำหนักของแข็งทั้งหมด ยังไม่ผ่านเกณฑ์มาตรฐานปัจจัยการผลิตทางการเกษตร แต่สามารถใช้เป็นองค์ประกอบเพิ่มเติมในการผลิตวัสดุปรับปรุงดินได้ ผลการทดสอบแบบแบตช์เพื่อประเมินบทบาทของธาตุอาหารรองที่มีต่อการลดลงของกรดไขมันระเหย (VFAs) ในระบบที่มีสภาวะขาดสมดุล พบว่าอัตราการลดลงของ VFAs สูงที่สุดในชุดการทดลองที่ใช้ธาตุอาหารสูตร 6TEs (Co, Ni, Fe, Se, Mo and W) และ full suite 11 elements ทั้งกรณีกรดอะซิติก (Hac) และกรดโพรไพโอนิค (HPr) ซึ่งต้องการระยะเวลาในการย่อย VFAs เพียง 30 วัน โดยให้ผลดีกว่าการเติมธาตุอาหาร 4TEs (Co, Ni, Fe and Se), 3TEs (Co, Ni, Fe and Co, Ni, Se) และ 5TEs ในขณะที่ชุดควบคุม, Se และ Se and Mo ให้อัตราการย่อยสลาย VFAs ช้ากว่า จึงส่งผลให้ใช้ระยะเวลารวมนานขึ้น กรณีเติมธาตุอาหารรองเป็น Co, Ni, Fe and Se (4TEs) และ Co, Ni, Fe, Se and Mo (5TEs) ให้อัตราการย่อย VFAs สูงกว่าและลดระยะเวลาในการลดความเข้มข้นของ Hac และ HPr ได้อย่างชัดเจนเมื่อเปรียบเทียบกับชุดที่ใช้ธาตุอาหารรองพื้นฐาน 3 ชนิดได้แก่ Co, Ni และ Fe ข้อสังเกตที่ได้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการดำเนินระบบแบบต่อเนื่องหรือกึ่งต่อเนื่องด้วย CSTRs โดยหากระบบพบปัญหาขาดสมดุลธาตุอาหารรองซึ่งจะแสดงสภาวะความด้อยเสถียรภาพ การเสริมธาตุอาหารรองนอกเหนือจากกลุ่ม Co, Ni และ Fe ซึ่งเป็นกลุ่มพื้นฐานหลัก ควรพิจารณาเป็น Se เพียงอย่างเดียว หรือ Se ร่วมกับ Mo ซึ่งจากผลการวิจัยขั้นนี้พบว่าสามารถตอบสนองการสะสมของ VFAs ในระบบให้สามารถลดระดับลงได้ และสามารถนำกลับคืนระบบสู่ภาวะสมดุลได้ในระยะเวลาอันสั้น ธาตุอาหารรองอย่างน้อย 4 ชนิดได้แก่ Co, Ni, Fe and Se (4TEs) มีความจำเป็นสำหรับการดำเนินระบบแบบต่อเนื่องระยะยาว เนื่องจากเป็นธาตุอาหารที่ได้พิสูจน์แล้วว่ามีความจำเป็นต่อจุลินทรีย์กลุ่มผลิตมีเทน โดยนอกจากจะสามารถป้องกันการเสียเสถียรภาพจากการย่อยแบบไร้ออกซิเจนแล้ว ในทางกลับกันคือสามารถใช้เพื่อนำกลับคืนสมดุลให้กับระบบที่เกิดการสะสม VFAs ให้สามารถดำเนินต่อได้อย่างเป็นปกติอิทธิพลของธาตุอาหารรองต่อการป้องกันการเกิดภาวะขาดสมดุล การลดลงของ VFAs หรือการนำกลับคืนเสถียรภาพของระบบย่อยแบบไร้ออกซิเจนที่ดำเนินการด้วยระยะเวลาต่อเนื่องยาวนานจากการทดสอบด้วยปฏิกรณ์แบบกึ่งต่อเนื่อง (CSTRs) แสดงให้เห็นว่าการย่อยแบบไร้ออกซิเจนจะเกิดความไม่สมดุลขึ้นในระบบจากการสะสม VFAs ส่งผลให้ไม่สามารถดำเนินระบบอย่างมีเสถียรภาพ หากระบบปราศจากกลยุทธ์การเติมธาตุอาหารรองที่เหมาะสมทั้งในแง่ของชนิดและปริมาณ อีกทั้งไม่สามารถดำเนินระบบได้อย่างมีเสถียรภาพด้วยภาระบรรทุกสารอินทรีย์มากกว่า 1.0 kg VS m-3 d-1 พบว่าปริมาณธาตุอาหารในเศษอาหารสังเคราะห์มีค่าน้อยมากแสดงให้เห็นความเหมาะสมในการใช้เพื่อเป็นวัตถุดิบในขั้นตอนนี้ โดยพบว่า ค่า TKN ไม่ก่อให้เกิดการยับยั้งการทำงานของจุลินทรีย์ในระบบอีกทั้งไม่รบกวนการประเมินผลของ TE ต่อการทำงานของระบบย่อยแบบไร้ออกซิเจน อีกทั้งยังมีข้อเด่นที่สำคัญคือประกอบด้วยองค์ประกอบที่สามารถถูกย่อยและพร้อมใช้งานโดยกลุ่มจุลินทรีย์แบบไร้ออกซิเจน

คำสำคัญ