โครงสร้างหัวข้อ
-
-
Students mustMark as done
ก๊าซชีวภาพ (อังกฤษ: biogas หรือ digester gas) คือก๊าซที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจากการหมักย่อยสลายของสารอินทรีย์ภายใต้สภาวะที่ปราศจากออกซิเจน (anaerobic digestion) โดยทั่วไปจะหมายถึงก๊าซมีเทน ที่เกิดจากการหมัก (fermentation) ของสารอินทรีย์ โดยกระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในหลุมขยะ กองมูลสัตว์ และก้นบ่อแหล่งน้ำนิ่ง กล่าวคือเมื่อใดก็ตามที่มีสารอินทรีย์หมักหมมกันเป็นเวลานานก็อาจเกิดก๊าซชีวภาพ แต่นี่เป็นเพียงแค่หลักการทางทฤษฏี
องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นแก๊สมีเทน (CH4) ประมาณ 50-70% และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ประมาณ 30-40% ส่วนที่เหลือเป็นแก๊สชนิดอื่น ๆ เช่น ไฮโดเจน (H2) ออกซิเจน (O2) ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ไนโตรเจน (N) และไอน้ำ
ก๊าซชีวภาพมีชื่ออื่นอีกคือ ก๊าซหนองน้ำ และ มาร์ชก๊าซ (marsh gas) ขึ้นกับแหล่งที่มันเกิด กระบวนการนี้เป็นที่นิยมในการเปลี่ยนของเสียประเภทอินทรีย์ทั้งหลายไปเป็นกระแสไฟฟ้า นอกจากกำจัดขยะได้แล้วยังทำลายเชื้อโรคได้ด้วย การใช้ก๊าซชีวภาพเป็นการบริหารจัดการของเสียที่ควรได้รับการสนับสนุนเพราะไม่เป็นการเพิ่มก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในชั้นบรรยากาศที่เป็นต้นเหตุของปรากฏการณ์เรือนกระจก (greenhouse effect) ส่วนการเผาไหม้ก๊าซชีวภาพซึ่งมีก๊าซมีเทนเป็นส่วนประกอบหลักจะสะอาดกว่า
ความเป็นมาของการผลิตก๊าซชีวภาพ
นักวิทยาศาสตร์ค้นพบก๊าซที่เกิดจากการย่อยสลายผุพังของสารอินทรีย์ครั้งแรกในศตวรรษที่ 17 โดย Robert Boyle และ Stephen Hale โดยทั้งสองได้พูดถึงการกวนตะกอนในลำธารและทะเลสาบซึ่งทำให้มีก๊าซที่สามารถติดไฟได้ลอยขึ้นมา ในปี 1859 Sir Humphrey Davy ได้กล่าวไว้ว่าในก๊าซที่เกิดจากขี้วัวนั้นมีก๊าซมีเทนอยู่ด้วย ในอินเดียในปี1859 ได้มีการสร้างถังหมักก๊าซในสภาวะไร้อากาศ(anaerobic digester)ขึ้นเป็นครั้งแรก และต่อมาในปี 1885 ในอังกฤษได้มีการคิดค้นนวัตกรรมใหม่ขึ้นมาโดยใช้ถังสิ่งปฏิกูลผลิตก๊าซแล้วนำก๊าซไปจุดไฟส่องสว่างตามถนน พอถึงปี1907 ก็ได้มีการออกสิทธิบัตรสำหรับถังหมักก๊าซชีวภาพในเยอรมนี
ในช่วงทศวรรษที่ 1930 การหมักก๊าซในสภาวะไร้อากาศก็เริ่มเป็นที่รู้จักในแวดวงนักวิชาการกันมากขึ้น ได้มีการวิจัยค้นคว้าและพบจุลินทรีย์ที่เป็นตัวทำให้เกิดปฏิกิริยาและมีการศึกษาถึงสภาวะแวดลัอมที่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์เหล่านี้
ในชนบทในประเทศกำลังพัฒนา การใช้ก๊าซชีวภาพจากขยะทางการเกษตรหรือเศษอาหารจากครัวเรือน สามารถเป็นทางเลือกสำหรับพลังงานราคาถูก ไม่ว่าจะเพื่อแสงสว่างหรือการทำอาหาร ในช่วง 30 ปีทีผ่านมา ทั้งรัฐบาลของอินเดียและจีนต่างก็ได้ให้การสนับสนุนการผลิตก๊าซชีวภาพระดับครัวเรือนซึ่งนอกจากจะลดค่ายังชีพแล้ว ยังเป็นการลดภาระของโครงข่ายพลังงานของชาติด้วย ในประเทศพัฒนาแล้ว การนำเทคโนโลยีการผลิตก๊าซชีวภาพไปใช้ ยังเป็นการลดการปล่อยมลภาวะรวมถึงก๊าซเรือนกระจกสู่สิ่งแวดล้อมที่นับวันจะยิ่งเสื่อมโทรมลง นอกจากนี้ยังมีผลผลิตพลอยได้ต่างๆ เช่นปุ๋ยอินทรีย์
ยิ่งในทุกวันนี้โลกกำลังเผชิญวิกฤติปัญหาสิ่งแวดล้อมและวิกฤติพลังงาน ก๊าซชีวภาพจึงยิ่งมีความสำคัญมากขึ้น เพราะเป็นการช่วยแก้ทั้งสองปัญหา ปัจจุบันรัฐบาลของหลายๆ ประเทศรวมถึงประเทศไทยต่างก็ให้การส่งสริมการผลิตก๊าซชีวภาพ และสนับสนุนผู้ที่ทำการผลิตก๊าซชีวภาพในรูปแบบต่างๆอีกด้วย
การส่งเสริมการผลิตก๊าซชีวภาพในประเทศไทย
ประเทศไทยมีการส่งเสริมเทคโนโลยีก๊าซชีวภาพมานานกว่า 20 ปีแล้ว แต่ในระยะแรกจำกัดอยู่ในระดับครัวเรือนหรือเกษตรกรรายย่อย ต่อมาในปี พ.ศ. 2531 คณะทำงานของมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ร่วมกับกรมส่งเสริมการเกษตร กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ โดยการสนับสนุนจากองค์การ GTZ (Gesellschaft fur Technische Zusammenarbeit) ประเทศเยอรมนี ได้จัดตั้ง "โครงการก๊าซชีวภาพไทย-เยอรมัน" ขึ้น เพื่อศึกษาปัญหาการใช้ระบบก๊าซชีวภาพในช่วงเวลาที่ผ่านมา พร้อมทั้งปรับปรุงและพัฒนาเทคโนโลยีก๊าซชีวภาพให้มีความเหมาะสมในการประยุกต์ใช้กับฟาร์มเลี้ยงสัตว์ในประเทศไทยมากขึ้น
ปี พ.ศ. 2534 ได้มีการจัดตั้งหน่วยบริการก๊าซชีวภาพ สังกัดสถาบันวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ เพื่อดำเนินการส่งเสริมเทคโนโลยีก๊าซชีวภาพ ต่อเนื่องจากโครงการก๊าซชีวภาพไทย-เยอรมัน รวมทั้งเพื่อดำเนินการศึกษาวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีให้สามารถประยุกต์ใช้ในฟาร์ม เลี้ยงสัตว์ได้อย่างกว้างขวางมากยิ่งขึ้น และในปลายปี พ.ศ. 2538 กองทุนเพื่อส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงาน สำนักงานคณะกรรมการนโยบายพลังงานแห่งชาติ หรือ สพช. (ปัจจุบัน คือ สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน หรือ สนพ. กระทรวงพลังงาน) ได้ให้การสนับสนุนแก่หน่วยบริการก๊าซชีวภาพ ดำเนินงาน "โครงการส่งเสริมการผลิตก๊าซชีวภาพในฟาร์มเลี้ยงสัตว์ ระยะที่ 1" จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2551 หน่วยบริการก๊าซชีวภาพได้รับการจัดตั้งเป็น "สถาบันวิจัยและพัฒนาพลังงาน มหาวิทยาลัยเชียงใหม่" และต่อมา ในปี พ.ศ. 2553 สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารีได้พระราชทานชื่อหน่วยงานใหม่ เป็น "สถาบันวิจัยและพัฒนาพลังงานนครพิงค์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่"[ลิงก์เสีย] ซึ่งได้ดำเนินโครงการส่งเสริมการผลิตก๊าซชีวภาพต่อเนื่องมาจวบจนปัจจุบัน
ใหญ่จำนวนของเทคโนโลยีเพื่อนคนเคลื่อนย้ายงั้นขอ biogas แนะนำที่บริษัท Biteco ซึ่งเป็นตลาดเป็นผู้นำในการก่อสร้างของ biogas ต้นไม้ด้วย
กระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์ในสภาวะปราศจากออกซิเจน(Anaerobic digestion)
ก๊าซชีวภาพเกิดจากการหมักของสารอินทรีย์โดยมีจุลินทรีย์จำพวกแบคทีเรียเช่นจุลินทรีย์กลุ่มสร้างมีเทน (methane-producing bacteria)หรือเมทาโนเจน และจุลินทรีย์กลุ่มสร้างกรด (acid-producing bacteria) มาช่วยย่อยในสภาวะไร้อากาศ ในกระบวนการย่อยในสภาวะไร้อากาศ เป็นการที่จุลินทรีย์ต่างๆ ทำปฏิกิริยาย่อยสลายสารอินทรีย์ ลงจากสิ่งมีชีวิตซึ่งมีโครงสร้างที่ซับซ้อนลงเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนน้อยลงเป็นขั้นๆ ไป
กระบวนการหมักย่อยในสภาวะไร้อากาศแบ่งเป็น 4 ขั้นดังนี้
ไฮโดรลิซิส(Hydrolysis): สารอินทรีย์(เศษพืชผัก เนื้อสัตว์) มีองค์ประกอบสำคัญคือ คาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีน แบคทีเรียจะปล่อยเอ็นไซม์เอกซ์ตราเซลลูลาร์ (extra cellular enzyme) มาช่วยละลายโครงสร้างโมเลกุลอันซับซ้อนให้แตกลงเป็นโมเลกุลเชิงเดี่ยว (monomer) เช่นการย่อยสลายแป้งเป็นน้ำตาลกลูโคส การย่อยสลายไขมันเป็นกรดไขมัน และการย่อยโปรตีนเป็นกรดอะมิโน
แอซิดิฟิเคชั่น หรือ แอซิโดเจเนซิส(Acidification/ Acidogenesis):การย่อยสลายสารอินทรีย์เชิงเดี่ยว (monomer)เป็นกรดระเหยง่าย (volatile fatty acid) กรดคาร์บอน แอลกอฮอลล์ คาร์บอนไดออกไซด์ แอมโมเนีย และไฮโดรเจน
อะซิโตเจเนซิส (Acetogenesis) เปลี่ยนกรดระเหยง่ายเป็นกรดอะซิติกหรือเกลืออะซิเทตซึ่งเป็นสารตั้งต้นหลักในการผลิตมีเทน
เมทาไนเซชั่น หรือ เมทาโนเจเนซิส (Methanization/Methanogenesis): กรดอะซิติก และอื่นๆ จากขั้น 2 รวมถึงคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจนบางส่วน จะเข้าสู่กระบวนการเปลี่ยนเป็นมีเทนโดยเมทาโนเจน (methanogen)
CH3COOH --> CH4 + CO2
กรดอะซิติก มีเทน คาร์บอนไดออกไซด์
2CH3CH2OH + CO2 --> CH4 + 2CH3COOH
เอทานอล คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน กรดออะซิติก
CO2 + 4H2 --> CH44 + 2H2O
คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจน มีเทน น้ำ
แบคทีเรียเมทาโนเจนิคหรือเมทาโนเจน(Methanogenic bacteria หรือ methanogens)
เมทาโนเจน คือแบคทีเรียที่ดำรงชีวิตภายใต้สภาวะไร้อากาศ(anaerobic) ในวงจรชีวิตของมัน เมทาโนเจน จะย่อยสารอาหารและปล่อยก๊าซต่างๆ ซึ่งรวมถึงมีเทนด้วย เมทาโนเจน มีอยู่หลายชนิดโดยแบ่งออกเป็นสี่ประเภทหลักๆ ตามลักษณะทางเซลล์วิทยา (cytology) (Alexander, 1961).
A. Rod-shaped Bacteria
(a) Non-sporulating, Methanobacterium
(b) Sporulating, Methanobacillus
B. Spherical
(a) Sarcinae, Methanosarcina
(b) Not in Sarcinal groups, Methanococcus
Methanogenนั้นพัฒนาและเพิ่มจำนวนได้ช้า ทั้งยังค่อนข้างอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันทั้งทางกายภาพ หรือทางเคมี ซึ่งหากมีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันเกิดขึ้นก็จะส่งผลกระทบต่อการเพิ่มจำนวนและการเกิดก๊าซ อย่างไรก็ตามเมทาโนเจนนั้นสามารถอยู่ได้โดยไม่มีอาหารเพิ่มเติมได้นานเป็นเดือน
ปัจจัยและสภาพแวดล้อมต่างๆที่มีผลต่อการผลิตก๊าซชีวภาพ
การย่อยสลายสารอินทรีย์และการผลิตก๊าซมีปัจจัยต่าง ๆ เกี่ยวข้องดังต่อไปนี้
อุณหภูมิในการเดินระบบ (operating temperature)เมทาโนเจน ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่ต่ำมากหรือสูงมากได้ ถ้าหากอุณหภูมิลดลงต่ำกว่า10 °Cแบคทีเรียจะหยุดทำงาน
อุณหภูมิในการเดินระบบแบ่งเป็นสองระดับตามสปีชีส์ของเมทาโนเจน ได้แก่เมโซฟิลิก(Mesophilic)และเทอร์โมฟิลิก(Thermophilic)
อุณหภูมิที่เหมาะที่เมโซฟิลิก ทำงานได้ดีคือประมาณ 20 °C – 45 °C แต่ที่เหมาะสมที่สุดคือ ช่วง 37 °C – 41 °C โดยในช่วงอุณหภูมิระดับนี้แบคทีเรียส่วนใหญ่ในถังหมักจะเป็นเมโซฟิลิก
เทอร์โมฟิลิก ทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่สูงกว่า โดยอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดคือประมาณ 50 °C – 52 °C แต่ก็สามารถทำงานในอุณหภูมิที่สูงขึ้นไปถึง 70 °C
แบคทีเรียMเมโซฟิลิกนั้นมีจำนวนสปีชีส์มากกว่าเทอร์โมฟิลิก นอกจากนี้ยังสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมได้ดีกว่าเทอร์โมฟิลิกอีกด้วย ทำให้ระบบหมักก๊าซชีวภาพที่ใช้เมโซฟิลิก เสถียรกว่า แต่ขณะเดียวกันอุณหภูมิซึ่งสูงกว่าในระบบที่ใช้เทอร์โมฟิลิกก็เป็นการช่วยเร่งปฏิกิริยาส่งผลให้อัตราการผลิตก๊าซสูงกว่า ข้อเสียอีกข้อของระบบเทอร์โมฟิลิก คือการที่ต้องใช้พลังงานจากภายนอกมาเพิ่มความร้อนให้ระบบ ทำให้อาจได้พลังงานสุทธิที่ต่ำกว่า
ความเป็นกรด-ด่าง (pH Value) ค่าpH ที่เหมาะสมที่สุดในการผลิตก๊าซชีวภาพคือระหว่าง 7.0 – 7.2 ค่าpHในถังหมักขึ้นอยู่กับช่วงของการหมักด้วย เพราะในช่วงแรกแบคทีเรียที่สร้างกรดจะสร้างกรดเป็นจำนวนมากและทำให้ค่าpHลดลง ซึ่งถ้าหากpHลดลงต่ำกว่า5ก็จะหยุดกระบวนการย่อยและหมักทั้งหมดหรืออีกนัยหนึ่งก็คือแบคทีเรียตาย Methanogen นั้นอ่อนไหวต่อความเป็นกรดด่างมาก และจะไม่เจริญเติบโตหากpHต่ำกว่า6.5 ในช่วงท้ายของกระบวนการ ความเข้มข้นของ NH4 จะมากขึ้นตามการย่อยสลายไนโตรเจนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้ค่าpHเพิ่มโดยอาจเกิน 8 จนกระทั่งระบบผลิตเริ่มมีความเสถียร pH จะอยู่ระหว่าง 6.8 – 8
อัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจน(C/N Ratio) อัตราส่วนของคาร์บอนต่อไนโตรเจนของขยะอินทรีย์ที่สามารถใช้ผลิตก๊าซชีวภาพคือตั้งแต่ 8– 30 แต่อัตราส่วนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตก๊าซชีวภาพคือประมาณ 23 ถ้าอัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจน สูงมาก ไนโตรเจนจะถูกMethanogenนำไปใช้เพื่อเสริมโปรตีนให้ตัวเองและจะหมดอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ได้ก๊าซน้อย แต่ถ้าหากC/N Ratio ต่ำมากๆ ก็จะทำให้ไนโตรเจนมีมากและไปเกาะกันเป็นแอมโมเนีย แอมโมเนียจะไปเพิ่มค่าpHซึ่งถ้าหากค่าpHสูงถึง8.5ก็จะเริ่มเป็นพิษกับแบคทีเรียทำให้จำนวนMethanogenลดลง นอกจากนี้หากC/N ratio อยู่นอกเหนือจากช่วง 8-30 จะทำให้มีสัดส่วนปริมาณก๊าซที่ได้เป็นก๊าซอื่นๆ เช่นคาร์บอนไดออกไซด์สูงขึ้น
มูลสัตว์โดยเฉพาะวัวควายมีอัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจนที่เหมาะสมที่สุด รองลงมาก็ได้แก่พวกดอกจอกผักตบและเศษอาหาร ขณะที่ฟางมีอัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจนที่ค่อนข้างจะสูง อย่างไรก็ตามสามารถนำวัตถุดิบที่มีอัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจนสูงมาผสมกับวัตถุดิบที่มีอัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจนต่ำได้ เพื่อให้ได้วัตถุดิบที่มีอัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจนที่ต้องการ
ปริมาณสารอินทรีย์เข้าสู่ระบบ(Loading) ปริมาณสารอินทรีย์เข้าสู่ระบบคือ ปริมาณสารอินทรีย์ที่เราเติมใส่ถังหมักในแต่ละวัน ซึ่งถ้าหากว่าปริมาณที่เราเติมนั้นมากเกินไป ก็จะส่งผลให้ค่า pH ลดลงมากเกินไป(เนื่องจากในช่วงแรกของกระบวนการคือ acidogenesis กรดจะถูกผลิตขึ้นมา)จนทำให้ระบบล้มเหลวเนื่องจาก methanogen ตายหมด ซึ่งหากสิ่งนี้เกิดขึ้นจริงก็จะต้องเริ่มต้นระบบใหม่หมด แต่ถ้าหากปริมาณสารอินทรีย์เข้าสู่ระบบน้อยก๊าซที่ผลิตได้ก็จะน้อยตามไปด้วย เท่ากับว่าไม่ได้เดินระบบเต็มตามกำลังการผลิต ทำให้ถังหมักมีขนาดใหญ่เกินไปโดยไม่จำเป็น
ระยะเวลาการกักเก็บสารอินทรีย์ในถังหมัก (Retention time) ระยะเวลาในการกักเก็บสารอินทรีย์ในถังหมักขึ้นอยู่กับปริมาณ และประเภทของสารอินทรีย์ที่เติมเข้าไปซึ่งมีลักษณะและคุณสมบัติที่แตกต่างกันไป รวมถึงรูปแบบของระบบ/ถังหมัก หากระยะเวลาในการกักเก็บสั้นไปก็จะไม่พอสำหรับแบคทีเรียที่จะผลิตก๊าซชีวภาพ นอกจากนี้แบคทีเรียยังจะถูกถ่ายออกจากระบบเร็วเกินไปส่งผลให้จำนวนแบคทีเรียลดลงไป ทำให้แบคทีเรียที่เหลืออยู่ทำการย่อยไม่ทันและอาจทำให้ค่าpHในถังหมักลดลงขึ้น ขณะเดียวกัน การที่ระยะเวลากักเก็บนานเกินไปจะทำให้เกิดตะกอนของสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียย่อยสลายแล้วสะสมอยู่ทำให้ถังหมักมีขนาดใหญ่โดยไม่จำเป็น ระยะเวลาในการกักเก็บส่วนใหญ่จะประมาณ 14- 60 วัน ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ คือ ค่าTSC อุณหภูมิขนาดและประเภทของdigesterและปริมาณสารอินทรีย์ที่เติม ระยะเวลาในการกักเก็บนั้นเป็นตัวบ่งชี้ว่าแบคทีเรียจะมีชีวิตได้นานเท่าไหร่โดยไม่มีการเติมอาหาร เนื่องจากระยะเวลาการกักเก็บนั้นหมายถึงระยะเวลาที่แบคทีเรียต้องการเพื่อย่อยอาหารให้หมด ดังนั้นเมื่อไหร่ก็ตามที่แบคทีเรียยังย่อยอาหารไม่หมดก็หมายความว่าแบคทีเรียจะยังไม่ตายจากการขาดอาหาร
ปริมาณของแข็ง (Total Solid Content, TSC)
Solid content ของสารอินทรีย์ในการผลิตก๊าซชีวภาพแบ่งเป็นสองระดับคือ
High-solid (ปริมาณของแข็งสูง) TSC สูงกว่า ~ 20%
Low-solid (ปริมาณของแข็งต่ำ) TSC ต่ำกว่า ~ 15%
ถังหมักที่ออกแบบสำหรับเติมสารอินทรีย์ high solid จะต้องใช้พลังงานมากกว่าในการสูบน้ำตะกอน (slurry) แต่เนื่องจากในระบบ high solid ความเข้มข้นของน้ำในถังหมักสูงกว่า พื้นที่ที่ใช้ก็จะน้อยกว่า ในทางกลับกัน ถังหมัก Low solid สามารถใช้เครื่องสูบน้ำทั่วไปที่ใช้พลังงานน้อยกว่าสูบน้ำตะกอน แต่ก็ต้องใช้พื้นที่มากกว่าเนื่องจากปริมาตรต่อสารอินทรีย์ที่เติมเข้าไปสูงขึ้น กระนั้นก็ดี การที่น้ำตะกอนมีความใสกว่าก็ทำให้การหมุนเวียนและกระจายตัวของของแบคทีเรียและสารอินทรีย์ดีขึ้นและการที่แบคทีเรียสามารถสัมผัสสารอินทรีย์อย่างทั่วถึงก็ช่วยให้การย่อยและการผลิตก๊าซเร็วขึ้น
การคลุกเคล้า (Mixing) การคลุกเคล้าตะกอน น้ำ และ สารอินทรีย์ เป็นส่วนที่สำคัญอีกส่วนเพราะจะทำให้แบคทีเรียสัมผัสกับสารอินทรีย์ได้อย่างทั่วถึง ทำให้แบคทีเรียทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่งผลให้การเกิดก๊าซเร็วขึ้นและมากขึ้น นอกจากนี้ยังป้องกันการตกตะกอนและตะกอนลอย(Scum) ซึ่งตะกอนอาจจะไปอุดช่องทางสำหรับระบายของเหลวจากถัง
สารอาหาร(nutrient) สารอาหารที่แบคทีเรียต้องการเพื่อการเจริญเติบโต นอกเหนือไปจากคาร์บอนและไฮโดรดเจนแล้ว ยังมีไนโตรเจน ซัลเฟอร์ ฟอสฟอรัส โปแตสเซียม แคลเซียม นอกจากนี้ก็มีธาตุที่จำเป็นในปริมาณน้อยมากๆ เช่น เหล็ก แมงกานีส ลิบดินัม สังกะสี โคบอลต์ ซิลิเนียม ทังเสตน และนิเกิลเป็นต้น แต่ขยะอินทรีย์โดยทั่วไปจะมีธาตุอาหารเหล่านี้ในระดับที่สมดุลพอเพียง เพราะฉะนั้น ในการหมักจึงไม่จำเป็นต้องเติมสารอาหารใดๆ ลงไป
สารยับยั้งและสารพิษ (inhibiting and Toxic Materials) เช่น กรดไขมันระเหยได้ ไฮโดรเจน หรือแอมโมเนีย รวมถึงธาตุไอออน, สารพิษ, โลหะหนัก, สารทำความสะอาดต่างๆ เช่นสบู่ น้ำยาล้างต่างๆ และยาปฏิชีวนะ สามารถส่งผลยับยั้งการเจริญเติบโตและการผลิตก๊าซของแบคทีเรียได้
ธาตุไอออนในปริมาณน้อย(เช่น โซเดียม, โปแตสเซียม, แคลเซียม, แมกนีเซียม, ซัลเฟอร์, แอมโมเนียม)สามารถช่วยกระตุ้นการเติบโตของแบคทีเรียเช่นกัน แต่ถ้าหากปริมาณนั้นมากก็จะส่งผลเป็นพิษได้ ยกตัวอย่างเช่นแอมโมเนียในปริมาณ50-200มิลิกรัมต่อลิตรจะเป็นผลดี ช่วยในการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย แต่เมื่อใดที่ความเข้มข้นของแอมโมเนียสูงกว่า1,500 มิลิกรัมต่อลิตรก็จะเริ่มส่งผลเสีย ในทางเดียวกัน โลหะหนักบางประเภท(เช่น ทองแดง, นิเกิล, โครเมียม, สังกะสี, ตะกั่ว และอื่นๆ) ในปริมาณที่น้อยๆ ช่วยในการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย แต่เมื่อความเข้มข้นสูงก็จะเป็นพิษ
อัลคาลินิตี้ (Alkalinity) ค่าอัลคาลินิตี้ หมายถึง ความสามารถในการรักษาระดับความเป็นกรด-ด่าง ค่าอัลคาลินิตี้ที่เหมาะสมต่อการหมักมีค่าประมาณ ๑,๐๐๐-๕,๐๐๐ มิลลิกรัม/ลิตร ในรูปของแคลเซียมคาร์บอร์เนต (CaCO3)
ชนิดและแบบของบ่อแก๊สชีวภาพ (Biogas Plant) บ่อแก๊สชีวภาพ แบ่งตามลักษณะการทำงาน ลักษณะของของเสียที่เป็นวัตถุดิบ และประสิทธิภาพการทำงานได้เป็น ๒ ชนิดใหญ่ ดังนี้
บ่อหมักช้าหรือบ่อหมักของแข็ง บ่อหมักช้าที่มีการสร้างใช้ประโยชน์กันและเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป มี ๓ แบบหลักคือ
แบบยอดโดม (fined dome digester)
แบบฝาครอบลอย (floating drum digester) หรือแบบอินเดีย (Indian digester)
แบบพลาสติกคลุมราง (plastic covered ditch) หรือแบบปลั๊กโฟลว์ (plug flow digester)
บ่อหมักเร็วหรือบ่อบำบัดน้ำเสีย แบ่งได้เป็น ๒ แบบหลัก คือ
แบบบรรจุตัวกลางในสภาพไร้ออกซิเจน (Anaerobic Filter) หรืออาจเรียกตามชื่อย่อว่า แบบเอเอฟ (AF) ตัวกลางที่ใช้ทำได้จากวัสดุหลายชนิด เช่น ก้อนหิน กรวด พลาสติก เส้นใยสังเคราะห์ ไม้ไผ่ตัดเป็นท่อน เป็นต้น ในลักษณะของบ่อหมักเร็วแบบนี้ จุลินทรีย์จะเจริญเติบโตและเพิ่มจำนวนบนตัวกลางที่ถูกตรึงอยู่
แบบยูเอเอสบี (UASB หรือ Upflow Anaerobic Sludge Blanker) บ่อหมักเร็วแบบนี้ใช้ตะกอนของสารอินทรีย์ (sludge) ที่เคลื่อนไหวภายในบ่อหมักเป็นตัวกลางให้จุลินทรีย์เกาะ ลักษณะการทำงานของบ่อหมักเกิดขึ้น โดยการควบคุมความเร็วของน้ำเสียให้ไหลเข้าบ่อหมักจากด้านล่างขึ้นสู่ ด้านบนตะกอนส่วนที่เบาจะลอยตัวไปพร้อมกับน้ำเสียที่ไหลล้นออกนอกบ่อตะกอนส่วนที่หนัก จะจมลงก้นบ่อ
-
-
-
-
-
-
-
Students mustMark as done
ปัจจุบัน ประเทศไทยมีการติดตั้งระบบผลิตก๊าซชีวภาพไปทั่วประเทศ ทั้งขนาดเล็ก กลาง และใหญ่ ครอบคลุมของเสียต่างๆ ที่มีในประเทศ ไม่ว่าจะเป็นของเสียจากฟาร์มเลี้ยงสัตว์ หรือของเสียจากภาคอุตสาหกรรมเกษตร และขยะ เช่น โรงงานผลิตแป้งมันสำปะหลัง โรงงานน้ำมันปาล์ม และโรงงานเอทานอล โดยมีวัตถุประสงค์มากมาย ไม่ว่าจะเป็นการลดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม แก้ไขเรื่องกลิ่นเหม็นต่อชุมชนใกล้เคียง หรือการผลิตพลังงานไว้ใช้เองเพื่อทดแทนก๊าซหุงต้ม น้ำมันดีเซล หรือไฟฟ้า พร้อมกับมีแรงกระตุ้นจากกระบวนการทางด้านกลไกการพัฒนาที่สะอาด(CDM) ถือเป็นการนำของเสียที่เคยปล่อยทิ้งไปกลับมาสร้างมูลค่า และยังเป็นพลังงานทดแทนที่เราผลิตได้เองไม่ต้องนำเข้าจากต่างประเทศ แต่อย่างไรก็ตามหากเราไม่มีความระมัดระวัง และวางมาตรการด้านความปลอดภัยอย่างดีพอแล้ว ระบบก๊าซชีวภาพอาจสร้างเสียหาย และเกิดอันตรายได้ ดังนั้น การทำความรู้จักกับระบบก๊าซชีวภาพ อันตรายและความปลอดภัยจึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่งที่ผู้ใช้งานต้องมีความรู้อย่างเพียงพอ
การติดตั้งระบบก๊าซชีวภาพนั้น ก่อนอื่นต้องทราบก่อนว่าระบบก๊าซชีวภาพมีหลายแบบ แต่มีหน้าที่หลักเหมือนกัน คือเปลี่ยนของเสียหรือน้ำเสียที่เป็นสารอินทรีย์ให้เป็นก๊าซชีวภาพ และยังได้กากที่เป็นปุ๋ยอินทรีย์นำไปใช้กับพืช และน้ำที่ผ่านระบบก็มีความสกปรกลดลงโดยจะต้องมีระบบบำบัดขั้นหลังมาต่อร่วม เพื่อให้น้ำนั้นมีค่าความสกปรกตามที่กฎหมายกำหนดเพื่อปล่อยลงสู่แม่น้ำ หรือนำกลับมาใช้ล้างโรงเรือน ระบบก๊าซชีวภาพสามารถลดกลิ่นเหม็นได้มาก เนื่องจากเป็นระบบปิดและเป็นกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้อากาศ ซึ่งอันตรายจากน้ำเสียหรือตัวโครงสร้างของระบบนั้นมีน้อยมาก เพราะได้มีการออกแบบให้มั่นคง แข็งแรง ดังนั้นอันตรายที่เกิดในระบบก๊าซชีวภาพส่วนใหญ่จะเป็นอันตรายที่เกิดจากก๊าซชีวภาพที่ผลิตขึ้นแล้วเก็บอยู่ในถังเก็บ หรือพลาสติก ซึ่งก๊าซชีวภาพนั้นถือได้ว่าเป็นก๊าซผสม ยกตัวอย่างระบบก๊าซชีวภาพในฟาร์มสุกร จะประกอบไปด้วยก๊าซมีเทน (CH4) ประมาณ 60-65% โดยปริมาตรก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ประมาณ 30-35% ก๊าซอื่นๆ ประมาณ 5% เช่น ก๊าซไนโตรเจน (N2) ก๊าซออกซิเจน (O2) และก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ที่มีประมาณ 2,000 – 4,000 ppm นอกจากนั้นยังประกอบไปด้วยความชื้นที่เกือบจะอิ่มตัว
จากองค์ประกอบดังกล่าว พบว่า ก๊าซมีเทนและก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ เป็นก๊าซที่จุดติดไฟและให้ความร้อนได้เป็นอย่างดีแต่หลักๆ จะมาจากก๊าซมีเทนเนื่องจากมีปริมาณที่มากกว่า ส่วนก๊าซอื่นๆ ไม่ติดไฟ ซึ่งองค์ประกอบทั้งหมดจะเกิดขึ้นมาพร้อมกันมากบ้างน้อยบ้างตามชนิดของเสียและกระบวนการหมัก โดยหากต้องการให้ได้ก๊าซมีเทนที่บริสุทธิ์มากขึ้น หรือหากต้องการลดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ ก็จะใช้วิธีการทางด้านฟิสิกส์ เคมี หรือทางชีวภาพ เพื่อให้ได้ค่าความร้อนที่มากขึ้นหรือลดการกัดกร่อนต่ออุปกรณ์นำก๊าซไปใช้ประโยชน์ สำหรับอันตรายที่เกิดขึ้นจากก๊าซชีวภาพที่เกี่ยวข้องกับผู้ใช้งานจะมี 2 แบบ ได้แก่ อันตรายด้านสุขภาพ และอันตรายจากการเกิดอัคคีภัยหรือการระเบิด
อันตรายต่อสุขภาพ โดยมากจะเกิดจากการสูดดมหรือหายใจเอาก๊าซชีวภาพเข้าไป และการสัมผัส โดยก๊าซแต่ละชนิดในก๊าซชีวภาพก็จะให้ผลที่คล้ายกันคือ เริ่มจากวิงเวียน ปวดศีรษะ อาเจียน หน้ามืด เป็นลม หมดสติ และเสียชีวิตไปในที่สุด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระยะเวลาและปริมาณที่ได้รับ หากสูดดมเข้าไปน้อยแต่เป็นระยะเวลานานก็เป็นอันตรายได้ เช่น หากได้รับก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในระดับ 400-600 ppmในเวลาครึ่งถึง 1 ชั่วโมง หรือได้รับในปริมาณเข้มข้นในระยะเวลาอันสั้น ก็ส่งผลทำให้เสียชีวิตได้เช่นกัน หากสัมผัสก๊าซชีวภาพอาจเกิดการระคายเคือง และหากสัมผัสถูกดวงตาอาจทำให้ตาอักเสบได้สำหรับการป้องกันในขณะปฎิบัติงานมีข้อแนะนำคือ ควรใส่เสื้อผ้าแขนยาวให้รัดกุม ใส่ถุงมือ และรองเท้าหุ้มส้น หากต้องทำงานที่เครื่องยนต์ ควรสวมหมวก แว่นตานิรภัย ที่อุดหู และหน้ากากป้องกันก๊าซด้วย สำหรับการปฐมพยาบาลก็ใช้หลักการโดยทั่วไปรักษาตามอาการ เช่น หากแสบตาและผิวหนังก็ให้ล้างด้วยน้ำสะอาด หากเกิดจากการสูดดมจนหน้ามืด หรือเป็นลม ก็ให้ย้ายหรือพาออกไปยังบริเวณที่โล่งเหนือลม คลายเสื้อผ้าให้หลวม แต่หากอาการยังไม่ดีขึ้นให้รีบนำส่งแพทย์โดยด่วน ดังนั้นการทำงานในระบบก๊าซชีวภาพต้องระมัดระวังตลอด การลงไปตรวจในบ่อน้ำเสียหรือบ่อหมักซึ่งเป็นสถานที่อับอากาศก็เช่นกัน ต้องแน่ใจว่าได้ทำการระบายก๊าซจนหมด มีพัดลมเป่า หรือทิ้งไว้หลายวัน การปฏิบัติงานในระบบก๊าซชีวภาพควรทำงานกันเป็นทีม เพื่อที่จะได้ช่วยเหลือกันได้ในกรณีที่เกิดเหตุการณ์สุดวิสัย และต้องคอยตรวจสอบการรั่วของก๊าซจากบ่อเก็บก๊าซ หรือท่อก๊าซต่างๆ ให้ดี หากพบว่าเสียควรรีบซ่อมแซมอย่างเร่งด่วนอย่าปล่อยทิ้งไว้อย่างเด็ดขาด
อันตรายต่อมาเป็นอันตรายจากการเกิดอัคคีภัยหรือการระเบิด อย่างที่ทราบว่าก๊าซชีวภาพมีก๊าซมีเทนเป็นส่วนประกอบ ดังนั้นหากมีการรั่วไหลจนทำให้เกิดการติดไฟก็จะดับได้ยาก เนื่องจากเป็นเชื้อเพลิงก๊าซที่เผาไหม้อย่างรวดเร็ว ปกติหากเกิดการรั่วไหลก๊าซมีเทนจะลอยขึ้นสู่บรรยากาศเนื่องจากเบากว่าอากาศ แต่หากเกิดการรั่วไหลในบริเวณที่มีข้อจำกัดเรื่องการระบายอากาศ หรือมีปริมาณมากก็จะผสมกับอากาศได้พอดี หากไปโดนประกายไฟก็จะเกิดการลุกไหม้ได้ง่ายมาก ดังนั้นผู้ใช้งานต้องทราบก่อนว่าการที่ไฟจะไหม้ได้นั้น เกิดจากองค์ประกอบ 3 อย่าง ได้แก่ เชื้อเพลิง อากาศหรือออกซิเจน และความร้อนหรือเปลวไฟ โดยหากทั้ง 3 ส่วนมาเจอกันพอดีก็จะเกิดการลุกไหม้ โดยเชื้อเพลิงแต่ละชนิดจะมีอัตราส่วนผสมกับอากาศที่ต่างกัน รวมไปถึงการติดไฟก็จะต่างกัน ซึ่งก๊าซชีวภาพที่มีก๊าซมีเทนจะมีจุดติดไฟค่อนข้างสูง หากขาดความระมัดระวังก็อาจเกิดอัคคีภัยได้เช่นกัน ดังนั้นต้องระวังเรื่องของการก่อให้เกิดประกายไฟเป็นอันดับแรก จึงควรติดป้ายห้ามไม่ให้มีการสูบบุหรี่ หรือจุดไฟในบริเวณระบบก๊าซชีวภาพ รวมไปถึงการใช้เครื่องเชื่อมไฟฟ้าอย่างเด็ดขาด นอกจากนั้นจะต้องมีท่อน้ำเอาไว้สำหรับดับเพลิง และมีถังดับเพลิงประเภทที่สามารถดับไฟฟ้าจากก๊าซได้ นำไปติดไว้ในจุดที่ง่ายต่อการใช้งาน
อุปกรณ์ที่นำก๊าซไปใช้ประโยชน์เช่น เครื่องกำเนิดไอน้ำ หรือเครื่องยนต์จะต้องทำการลดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ให้อยู่ในระดับที่กำหนด เพื่อลดการกัดกร่อนต่ออุปกรณ์ต่างๆ และเพื่อให้อุปกรณ์ควบคุมความปลอดภัยยังคงทำงานได้เนื่องจากอุปกรณ์บางตัวทำจากโลหะที่เป็นเหล็ก ซึ่งก๊าซชีวภาพจะเป็นสาเหตุที่ก่อให้เกิดอันตรายขึ้นมาได้ นอกจากนี้บ่อเก็บก๊าซต้องออกแบบให้ปลอดภัย มีเชือกหรือตาข่ายรัดในกรณีที่เก็บก๊าซด้วยพลาสติก และต้องมีชุดควบคุมแรงดันทำงานร่วมด้วย ทั้งนี้อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการเผาก๊าซชีวภาพเช่น ชุดเผาก๊าซส่วนเกิน (Flare) และเครื่องกำเนิดไอน้ำ จะต้องมีการติดตั้งชุดกันไฟย้อน เพื่อป้องกันเปลวไฟที่อาจจะย้อนเข้าไปในท่อก๊าซซึ่งเชื่อมไปยังบ่อเก็บก๊าซชีวภาพด้วย และหากตรวจพบว่าอุปกรณ์ใช้งานมีความเสียหายก็ต้องรีบทำการซ่อมแซม ควรมีการตรวจสอบเพื่อป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นด้วย ทั้งนี้กรณีเป็นโรงงานก็ควรอ้างอิงกฎหมาย มาตรฐานต่างๆ ที่เกี่ยวข้องด้านความปลอดภัยในการนำมาใช้ในโรงงาน ส่วนในระดับฟาร์ม ครัวเรือน หรืออื่นๆ ก็สามารถนำมาประยุกต์ใช้เพื่อให้เกิดความปลอดภัยได้เช่นกัน
-
-
-
-
-
-
-
-