ประสิทธิภาพการผลิตแก๊สชีวภาพจากกระบวนการหมักร่วมของผักบุ้ง และขี้เลื่อยร่วมกับมูลแพะ

อัณธิกา เสงี่ยมใจ

ผู้แต่ง

อัณธิกา เสงี่ยมใจ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏพระนครศรีอยุธยา จ.พระนครศรีอยุธยา ประเทศไทย

คำสำคัญ:

แก๊สชีวภาพ, ผักบุ้ง, ขี้เลื่อย, มูลแพะ, การปรับสภาพ

บทคัดย่อ

ความเป็นมาและวัตถุประสงค์ : การพัฒนาพลังงานทางเลือกในปัจจุบันนิยมนำวัสดุเหลือทิ้งจากกระบวนการผลิต วัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรและวัชพืชในท้องถิ่น รวมทั้งมูลสัตว์ มาเป็นวัตถุดิบในการผลิตแก๊สชีวภาพ อย่างไรก็ตาม การผลิตแก๊สชีวภาพจากวัสดุประเภทลิกโนเซลลูโลสควรมีการปรับสภาพวัสดุก่อนการหมักเพื่อทำลายโครงสร้างของลิกโนเซลลูโลส ซึ่งจะส่งผลให้จุลินทรีย์สามารถย่อยสลายวัสดุได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้ การใช้มูลสัตว์เป็นหัวเชื้อตั้งต้นยังอาจช่วยลดค่าใช้จ่ายในการกำจัดของเหลือทิ้งและลดปัญหามลพิษต่อสิ่งแวดล้อมได้ งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาศักยภาพการผลิตแก๊สชีวภาพโดยการหมักร่วมของผักบุ้งและขี้เลื่อยภายใต้สภาวะการหมักแบบไร้อากาศ และเปรียบเทียบความเข้มข้นของแก๊สชีวภาพก่อนและหลังการปรับสภาพวัสดุหมัก

วิธีดำเนินการวิจัย : ปรับสภาพวัสดุหมัก (ผักบุ้งและขี้เลื่อย) ด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ความเข้มข้น 2% (w/v) เป็นเวลา 1 ชั่วโมงก่อนการทดลอง ดำเนินการทดลองโดยใช้ถังหมักไร้อากาศแบบขั้นตอนเดียวขนาด 6 L ปริมาตรใช้งาน 3 L ระยะเวลาการทดลอง 35 วัน เติมวัสดุหมักเพียงครั้งเดียวในขณะเริ่มต้นการทดลอง แบ่งการทดลองออกเป็น 3 ชุดการทดลอง ชุดการทดลองละ 3 ซ้ำ ได้แก่ ชุดควบคุม (มูลแพะ: ผักบุ้ง: ขี้เลื่อย ที่อัตราส่วน 5: 0: 0) ชุดการทดลองที่ไม่ผ่านการปรับสภาพ (มูลแพะ: ผักบุ้ง: ขี้เลื่อย ที่อัตราส่วน 3: 1: 1) และชุดการทดลองที่ผ่านการปรับสภาพ (มูลแพะ: ผักบุ้ง: ขี้เลื่อย ที่อัตราส่วน 3: 1: 1) วัดความเข้มข้นของแก๊สชีวภาพที่เกิดขึ้นในถังหมักทุกวัน ได้แก่ แก๊สมีเทน (CH₄) (%vol) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) (%vol) แก๊สออกซิเจน (O₂) (%vol) และแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) (ppm) เพื่อเปรียบเทียบศักยภาพการผลิตแก๊สชีวภาพเมื่อใช้วัสดุหมักที่ผ่านการปรับสภาพและไม่ผ่านการปรับสภาพ จากนั้นจึงวิเคราะห์ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตแก๊สชีวภาพ

ผลการวิจัย : การปรับสภาพวัตถุดิบทำให้ C/N ratio สูงขึ้น โดยชุดการทดลองชุดควบคุม ชุดการทดลองที่ไม่ผ่านการปรับสภาพ และชุดการทดลองที่ผ่านการปรับสภาพ ให้ค่า C/N ratio เท่ากับ 10.22, 11.37 และ 12.34 ตามลำดับ ชุดการทดลองที่ผ่านการปรับสภาพมีศักยภาพในการผลิตแก๊สชีวภาพสูงสุด โดยมีความเข้มข้นของแก๊สมีเทน เท่ากับ 34% vol รองลงมา ได้แก่ ชุดการทดลองที่ไม่ผ่านการปรับสภาพและชุดการทดลองชุดควบคุม ซึ่งมีความเข้มข้นของแก๊สมีเทน เท่ากับ 25% vol และ 23% vol ตามลำดับ

สรุป : เมื่อเปรียบเทียบชุดการทดลองที่ผ่านการปรับสภาพกับชุดการทดลองที่ไม่ผ่านการปรับสภาพ พบว่า ชุดการทดลองที่ผ่านการปรับสภาพผลิตแก๊สมีเทน (CH₄) ที่ความเข้มข้นสูงสุด 34% vol แสดงให้เห็นว่ากระบวนการปรับสภาพเบื้องต้นด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์สามารถเพิ่มศักยภาพการผลิตแก๊สชีวภาพได้ กระบวนการปรับสภาพช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายชีวมวล ซึ่งส่งผลต่อกระบวนการผลิตแก๊สชีวภาพของจุลินทรีย์กลุ่มผลิตมีเทนให้เกิดการย่อยสลายสารอินทรีย์จนเกิดเป็นแก๊สชีวภาพได้ง่ายขึ้น

การนำไปใช้ประโยชน์ในเชิงปฏิบัติ : ผลการวิจัยที่ได้สามารถนำไปปรับใช้ในสถานที่จริงเพื่อส่งเสริมการผลิตแก๊สชีวภาพใช้เองภายในฟาร์มให้กับผู้ทำฟาร์มแพะหรือเกษตรกรผู้เลี้ยงแพะ อีกทั้งยังอาจนำหลักการนี้ไปประยุกต์ใช้กับชีวมวลและมูลสัตว์ชนิดอื่นได้อีกด้วย

References

Mao, C., Feng, Y., Wang, X. and Ren, G., 2015, “Review on Research Achievements of Biogas from Anaerobic Digestion,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45, pp. 540-555. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.02.032

Yadvika, S., Sreekrishnan, T.R., Kohli, S. and Rana, V., 2004, “Enhancement of Biogas Production from Solid Substrates Using Different Techniques -A Review,” Bioresource Technology, 95 (1), pp. 1-10. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.02.010

Yentekakis, I.V. and Goula, G., 2017, “Biogas Management: Advanced Utilization for Production of Renewable Energy and Added-value Chemicals,” Frontiers in Environmental Science, 5, pp. 1–7. https://doi.org/10.3389/fenvs.2017.00007

Kadam, R. and Panwar, N.L., 2017, “Recent Advancement in Biogas Enrichment and Its Applications,”Renewable and Sustainable Energy Reviews, 73, pp. 892–903. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.167

Scarlat, N., Dallemand, J.F. and Fahl, F., 2018, “Biogas: Developments and Perspectives in Europe,” Renewable Energy, 129, pp. 457-472. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.03.006

Abbas, Y., Yun S., Mehmood A., Shah, F.A., Wang, K., Eldin, E.T., Al-Qahtani, W.H., Ali, S. and Bocchetta, P., 2023, “Co-digestion of Cow Manure and Food Waste for Biogas Enhancement and Nutrients Revival in Bio-circular Economy,” Chemosphere, 311, pp. 137018. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137018

Maduang, T., Chunhachat, O. and Phawongrat, R., 2021, “The Effect on Morphological Change of Cellulose Fibers by Sonochemical-assisted Pretreatment of Lignocellusic Biomass,” RMUTSB Academic Journal, 6 (1), pp. 26-36. (In Thai)

Jun, S.K., Lee, Y.Y. and Tae, H.K., 2016, “A Review on Alkaline Pretreatment Technology for Bioconversion of Lignocellulosic Biomass,” Bioresource Technology, 199, pp. 42-48. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.085

Phattakamon, S., 2018., Potential of Biogas Production from Water Hyacinth Mixed with Brewer’s Grains by Two Stage Anaerobic Digester, Research Reports, Faculty of Engineering, Rajabhat Mahasarakham University, p. 44. (In Thai)

Yamsri, P., Rojanasaeng, N., Dararat, S. and Ngaophuthong, A., 2020, “Biogas Production from Sweet Sorghum with Leach-Bed Reactor,” The 19th National Environmental Conference, 27-29 May 2020, Chiang Rai, Thailand, pp. 97-104. (In Thai)

Kayhanian, M. and Tchobanoglous, G., 1992, “Computation of C/N Ratios for Various Organic Fractions,” Biocycle, 33, pp. 58–60.

Okeh, C.O., Onwosi, O.C. and Odibo, C.F., 2014, “Biogas Production from Rice Husks Generated from Various Rice Mills in Ebonyi State Nigeria,” Renewable Energy, 62, pp. 204-208. https://doi.org/10.1016/j.renene.2013.07.006

Abraham, A., Mathew, A.K., Park, H., Choi, O., Sindhu, R., Parameswaran, B., Pandey, A., Park, J.H. and Sang, B., 2020, “Pretreatment Strategies for Enhanced Biogas Production from Lignocellulosic Biomass,” Bioresource Technology, 301, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122725

Babaei, A. and Shayegan, J., 2019, “Effects of Temperature and Mixing Modes on the Performance of Municipal Solid Waste Anaerobic Slurry Digester,” Journal of Environmental Health Science and Engineering, 17 (2), pp. 1077–1084.

El-Mashad, M.H., Zeeman, G., Loon, K.P.W., Bot, P.A.G. and Lettinga, G., 2004, “Effect of Temperature and Temperature Fluctuations on Thermophilic Anaerobic Digestion of Cattle Manure,” Bioresource Technology, 95, pp. 191-201. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2003.07.013

Schiraldi, C. and De Rosa, M., 2014, “Mesophilic Organisms,” pp. 1,285-1,286, in E. Drioli and L. Giorno (Eds.) Encyclopedia of Membranes, Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-40872-4_1610-2

Gonde, L., Wickham, T., Brink, H.G. and Nicol, W., 2023, “pH-Based Control of Anaerobic Digestion to Maximise Ammonium Production in Liquid Digestate,” Water, 15 (3), p. 417. https://doi.org/10.3390/w15030417

Singharat, K., Sangkarak, S., Pongsuk, O. and Junyapoon, S., 2017, “Biogas Production from Bakery Wastewater in Two-Stage Anaerobic Digestion System,” KMITL Science and Technology Journal, 17 (1), pp. 103-112.

Utami, I., Redjeki, S., Astuti, H.D. and Sani., 2016., “Biogas Production and Removal COD–BOD and TSS from Wastewater Industrial Alcohol (Vinasse) by Modified UASB Bioreactor,” The 3rd Bali International Seminar on Science & Technology (BISSTECH 2015), 15-17 October 2015, Bali, Indonesia, pp. 1-5.

Chanatawon, J. and Poodnoi, N., 2017, Co-digestion of Coffee Grounds and Pretreated Coffee Husk with Cow Manure for Enhancing the Efficiency of Biogas Production,” The 13th Conference on Energy Network of Thailand, 31 May-2 June 2017, Chiang Mai, Thailand, pp. 1112-1119. (In Thai)

Fernandez, A.V., Vargas, G., Alarco, N. and Velasco, A., 2008, “Evaluation of Marine Algae as a Source of Biogas in a Two-stage Anaerobic Reactor System,” Biomass and Bioenergy, 32 (4), pp. 338-344. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2007.10.005

Liebetrau, J., Weinrich, S., Sträuber, H. And Kretzschmar, J., 2017, “Anaerobic Fermentation of Organic Material: Biological Processes and Their Control Parameters,” pp. 1-30, in R.A. Meyers (Ed.) Encyclopedia of Sustainability Science and Technology, Springer, New York, p. 12,555. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2493-6_962-1

Karki, B.A., Nakarmi M.A., Dhital, P.R., Sharma, I. and Kumar, P., 2015, Biogas as Renewable Source of Energy in Nepal. Theory and Development, 3rd ed., Alternative Energy Promotion Center (AEPC), Kathmandu, p. 5.

Pomngern, K., Soh-salam, P. and Pawongrat R., 2015, “The Effects of Steam Pretreatment on Production of Biogas from Cattail (Typha angustifolia L.) with Cow Dung by Batch Fermentation Process,” Proceedings of the 12th KU-KPS Conference, Nakhon Pathom, Thailand, pp. 549-558. (In Thai)

Attiya, K., Pairat, U. and Hanphon, P., 2021, “A Study of Biogas Production Potential from Napier Grass,” Proceedings of The 16th RSU National Graduate Research Coference, Rangsit University, Thailand, pp. 61-69. (In Thai)

Adanikin, B.A., Ogunwande, G.A. and Adesanwo, O., 2017, “Evaluation and Kinetics of Biogas Yield from Morning Glory (Ipomoea aquatica) Co-digested with Water Hyacinth (Eichhornia crassipes),” Ecological Engineering, 98, pp. 98-104.

Ipeghan, O. and Evelyn, V.O., 2013, “Biogas Production from Sawdust Waste, Cow Dung And Water Hyacinth - Effect of Sawdust Concentration,” International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management, 2 (6), pp. 91-93.

Madu, K.E. and Onwuamaeze, P.I., 2018, “Evaluation of Sawdust Concentration on Biogas Production from Sawdust Waste, Cow Dung and Water Hyacinth,” Journal of Industrial Technology, 3 (1), pp. 41–46.