Increasing the efficiency of anaerobic microbes to promote the stability of the biogas production system from agro-industrial wastewaters containing high amounts of biodegradable substances (Phase 2)

จากสถานการณ์วิกฤติพลังงานที่ราคาน้ำมันในตลาดโลกปรับตัวสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องประกอบกับมีความต้องการใช้พลังงานในประเทศเพิ่มขึ้น ในขณะที่แหล่งพลังงานภายในประเทศมีอยู่อย่างจำกัด ส่งผลให้ประเทศไทยต้องพึ่งพาพลังงานจากต่างประเทศมูลค่านับล้านล้านบาทต่อปี  รัฐบาลจึงได้กำหนดยุทธศาสตร์การพัฒนาพลังงานทดแทนอย่างยืน โดยกำหนดเป้าหมายการเพิ่มสัดส่วนการใช้พลังงานทดแทนเชิงพาณิชย์จากร้อยละ 0.5 เป็นร้อยละ 8.0 ในในปี 2554 (สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ) ซึ่งจะมีผลให้ลดการใช้น้ำมันประมาณ 6.5 ล้านตันเทียบเท่าน้ำมันดิบ โดยแบ่งแหล่งพลังงาน ทดแทนเป็น 3 รูปแบบหลัก คือ พลังงานไฟฟ้า (จากพลังงานจากแสงอาทิตย์ ลม, น้ำ, ขยะ,  ชีวมวล) ประมาณ 16 % เชื้อเพลิงชีวภาพ (จากเอทานอล, ไบโอดีเซล) ประมาณ 24% และพลังงานความร้อน (จากก๊าซชีวภาพ, ขยะ, ชีวมวล) ประมาณ 60%

          เนื่องจากประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรม จึงมีวัสดุเหลือทิ้งซึ่งเหมาะสมต่อการนำมาใช้เป็นวัตถุดิบเพื่อใช้ผลิตเป็นพลังงานทดแทนเป็นจำนวนมาก อาทิ แกลบ, ฟางข้าว, ปาล์ม, มะพร้าว, ชานอ้อย, ซังข้าวโพด, เศษไม้ รวมทั้งของเสียประเภทมูลสัตว์จากฟาร์มปศุสัตว์และขยะอินทรีย์จากครัวเรือน ก็เป็นแหล่งวัตถุดิบที่มีศักยภาพและมีความเหมาะสมที่จะนำมาผลิตเป็นพลังงานทดแทนเป็นอย่างยิ่ง โดยมูลสัตว์จากฟาร์มปศุสัตว์และขยะมูลฝอยที่สามารถนำมาผลิตเป็นก๊าซชีวภาพได้อีกเป็นจำนวนถึง 1,744.22 ล้านลูกบาศก์เมตร หากนำมาใช้เป็นพลังงานทดแทนจะมีมูลค่าการประหยัดพลังงานเทียบเท่ากระแสไฟฟ้าถึง 5,200 ล้านบาทต่อปี นอกจากนี้ ยังมีน้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมเกษตรที่กระจายอยู่ทั่วทั้งประเทศกว่า 10,000 โรงงาน อาทิ โรงงานแป้งมันสำปะหลัง โรงงานสกัดน้ำมันปาล์ม โรงงานยางพารา โรงงานเอทานอล โรงงานอาหาร ฯลฯ ซึ่งมีศักยภาพในการนำมาผลิตก๊าซชีวภาพเพื่อใช้เป็นพลังงานทดแทนเป็นอย่างยิ่ง จากการประเมินคร่าวๆ หากโรงงานอุตสาหกรรมเกษตรดังกล่าวนำน้ำเสียมาผลิตก๊าซชีวภาพเพื่อใช้ประโยชน์เป็นพลังงานทดแทนแล้ว จะสามารถผลิตก๊าซชีวภาพได้มากกว่า 1,200 ล้านลูกบาศก์เมตร/ปี

ศูนย์ความเป็นเลิศด้านการจัดการและใช้ประโยชน์จากของเสียอุตสาหกรรมเกษตร (ECoWaste) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ได้สนับสนุนงานวิจัยด้านการพัฒนาเทคโนโลยีการบำบัดน้ำเสียเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพจากน้ำทิ้งโรงงานอุตสาหกรรมเกษตรอย่างต่อเนื่อง เพื่อนำมาใช้เป็นพลังงานทดแทน รวมทั้งได้เข้าปรับปรุงประสิทธิภาพโรงงานที่เกิดปัญหาในการเดินระบบ ช่วยให้เกิดการนำพลังงานจากก๊าซชีวภาพมาใช้ประโยชน์มากขึ้น เพื่อรองรับการเติบโตและการขยายตัวของโรงงาน (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 โรงงานอุตสาหกรรมเกษตรในประเทศไทยที่รับการถ่ายทอดเทคโนโลยีการบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศ หรือรับคำปรึกษาจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

จากผลการดำเนินงาน ก๊าซชีวภาพที่ผลิตขึ้นจากน้ำทิ้งของโรงงานอุตสาหกรรมเกษตรเหล่านี้ สามารถนำมาใช้เป็นพลังงานทดแทนภายในโรงงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ลดต้นทุนค่าใช้จ่ายในการบำบัดน้ำเสีย และลดต้นทุนด้านพลังงาน โดยนำมาใช้ทดแทนน้ำมันเตา นำมาผลิตกระแสไฟฟ้า ใช้ทดแทนก๊าซปิโตรเลียมเหลว (Liquid petroleum gas: LPG) หรือทดแทนไม้ฟืน ขึ้นอยู่กับความต้องการในการใช้พลังงานของแต่ละโรงงาน  ซึ่งน้ำทิ้งจากโรงงานแป้งมันสำปะหลังมักนำไปใช้ทดแทนน้ำมันเตาภายในโรงงาน  ส่วนน้ำทิ้งจากโรงงานสกัดน้ำมันปาล์ม นำไปใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับใช้ในโรงงานหรือขายให้กับหน่วยงานของรัฐ ตัวอย่างประสิทธิภาพการบำบัดน้ำเสียและมูลค่าการผลิตพลังงานแสดงในตารางที่ 1 

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าก๊าซชีวภาพที่ได้จากการบำบัดน้ำเสียของโรงงานอุตสาหกรรมเกษตร สามารถนำมาใช้เป็นพลังงานทดแทนภายในโรงงานได้เป็นอย่างดี แต่เทคโนโลยีการผลิตก๊าซขีวภาพจากน้ำเสียเหล่านี้ยังคงมีข้อจำกัดและมีประสิทธิภาพการกำจัดสารอินทรีย์ต่ำ ทำให้ระบบบำบัดน้ำเสียดังกล่าวมีขนาดใหญ่และมีค่าก่อสร้างค่อนข้างสูง ประกอบกับระบบขาดเสถียรภาพที่ดี ทำให้การควบคุมดูแลระบบค่อนข้างยุ่งยาก จึงทำให้เทคโนโลยีดังกล่าวไม่เป็นที่แพร่หลายเท่าทึ่ควร ด้วยเหตุนี้ ถ้าเราสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตก๊าซชีวภาพจากน้ำทิ้งอุตสาหกรรมเกษตรได้สูงขึ้น จะทำให้ใช้ระยะเวลาในการดำเนินระบบสั้นลง ส่งผลให้ระบบมีขนาดที่เล็กลง สามารถลดค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างระบบ รวมไปถึงลดระยะเวลาในการคืนทุนของระบบ ซึ่งประโยชน์เหล่านี้ สามารถเป็นแรงจูงใจให้ผู้ประกอบการหันมาสนใจเทคโนโลยีการผลิตก๊าซชีวภาพจากน้ำทิ้งดังกล่าวมากยิ่งขึ้น ทำให้เราสามารถนำเอาของเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมเกษตรที่มีอยู่มาใช้ประโยชน์ได้อย่างเต็มศักยภาพ และประโยชน์ที่ได้รับก็จะส่งผลกระทบอันดีต่อการแก้ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม ด้านพลังงาน และด้านเศรษฐศาสตร์ทั้งของโรงงานเองและของประเทศ

ตารางที่ 1   ประสิทธิภาพการบำบัดน้ำเสียและผลิตพลังงานจากน้ำทิ้งโรงงานแป้งมันสำปะหลังและโรงงานสกัดน้ำมันปาล์ม (ต่อโรงงาน)

ปัญหาหลักของเทคโนโลยีการผลิตก๊าซชีวภาพ คือ กิจกรรมจุลินทรีย์ในระบบ เนื่องจากต้องอาศัยการทำงานที่สัมพันธ์กันของจุลินทรีย์ 2 กลุ่มหลัก ที่มีความต้องการสภาวะแวดล้อมสำหรับการเจริญเติบโตที่แตกต่างกัน ได้แก่ 1) จุลินทรีย์ที่ไม่ผลิตมีเทน (non-methanogens) ซึ่งประกอบด้วยจุลินทรีย์กลุ่ม Hydrolytic bacteria, Fermentative bacteria และ Acetogenic bacteria. มีอัตราการเจริญเติบโตเร็ว และทนต่อสภาวะที่มีความเป็นกรดได้ดี ทำหน้าที่ย่อยสลายสารอินทรีย์โมเลกุลใหญ่ไปเป็นกรดอินทรีย์ และแอลกอฮอล์ แล้วเปลี่ยนเป็นกรดอะซิติก ไฮโดรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ และ 2) จุลินทรีย์ที่ผลิตมีเทน (methanogens) ประกอบด้วยจุลินทรีย์ acetoclastic และ hydrogenotrophic methanogens ซึ่งมีอัตราการเจริญเติบโตช้าและไม่สามารถทนสภาวะที่เป็นกรดได้ จุลินทรีย์กลุ่มนี้ทำหน้าที่เปลี่ยนกรดอะซิติก ไฮโดรเจน ฟอร์เมท และคาร์บอนไดออกไซด์ ในขั้นตอนแรกไปเป็นก๊าซชีวภาพ ที่มีองค์ประกอบหลักคือก๊าซมีเทนกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Barredo และ Evison, 1991) ซึ่งชนิดและปริมาณของกรดอินทรีย์ที่ผลิตขึ้นระหว่างการย่อยสลายแบบไม่ใช้อากาศ มีผลทำให้เกิดการยับยั้งการเจริญและการย่อยสลายสับสเตรทของจุลินทรีย์ในขั้นตอนอื่นๆ หรือขั้นตอนของตัวมันเอง (Pullammanappallil และคณะ, 2001; Gallert และ Winter, 2008; Uneo และ tatara, 2008) ดังนั้น ถ้าในระบบมีการย่อยสลายสารอินทรีย์และผลิตกรดจำนวนมาก จะส่งผลยับยั้งการเจริญและกิจกรรมของจุลินทรีย์กลุ่มผลิตมีเทนและเสียสมดุลย์ของจุลินทรีย์ทั้งสองกลุ่ม ทำให้ระบบเข้าสู่สภาวะล้มเหลว ด้วยเหตุนี้ การย่อยสลายสารอินทรีย์เพื่อผลิตมีเทนจากน้ำทิ้งโรงงานอุตสาหกรรมเกษตร ซึ่งมีองค์ประกอบของสารอินทรีย์ย่อยง่ายในปริมาณสูง ได้แก่ โรงงานแป้งมันสำปะหลัง โรงงานแป้งข้าว โรงงานน้ำผลไม้ เป็นต้น จึงไม่สามารถเพิ่มภาระการเติมสารอินทรีย์ได้อย่างรวดเร็ว เพื่อป้องกันปัญหาการสะสมของกรดอินทรีย์ในระบบ ที่เป็นสาเหตุให้ระบบมีสภาวะเป็นกรด และมีผลยับยั้งการเจริญเติบโตและกิจกรรมของจุลินทรีย์กลุ่มที่ผลิตมีเทน จึงส่งผลให้ระบบดังกล่าวมีประสิทธิภาพและเสถียรภาพต่ำ 

          ในการเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายสารอินทรีย์ย่อยง่ายเพื่อผลิตมีเทน จึงมุ่งไปที่การพัฒนาคุณภาพของจุลินทรีย์ไร้อากาศ โดยเฉพาะจุลินทรีย์กลุ่ม Acetogens และ Methanogens ที่ทำหน้าที่หลักในขั้นตอน acetogenesis และ methanogenesis เนื่องจากขั้นตอนดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการผลิตและการใช้กรดอินทรีย์ภายในระบบ พร้อมทั้งต้องการวิเคราะห์กลุ่มประชากรจุลินทรีย์ที่เป็นกลุ่มหลักในระหว่างการเลื้องเพิ่มจำนวนจุลินทรีย์กลุ่มดังกล่าว เพื่อใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงในการเลี้ยงเพิ่มจำนวนและเพิ่มประสิทธิภาพของจุลินทรีย์ในการผลิตมีเทน จึงจะมีการนำเอาเทคนิคด้านชีววิทยาโมเลกุลและชีวสารสนเทศมาร่วมวิเคราะห์ด้วย เพื่อให้สามารถเข้าใจการทำงานของจุลินทรีย์ในการผลิตมีเทนได้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้การรักษาเซลล์จุลินทรีย์ให้อยู่ในระบบก็เป็นสิ่งที่มีความจำเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากจุลินทรีย์ไร้อากาศเหล่านี้มีการเจริญเติบโตช้า ส่งผลให้การออกแบบระบบบำบัดแบบไร้อากาศต้องคำนึงถึงการเจริญของจุลินทรีย์เป็นสำคัญ ซึ่งถ้าสามารถพัฒนาเทคนิคในการรักษาเซลล์จุลินทรีย์ในระบบไว้ได้มาก ก็จะทำให้สามารถลดขนาดถังปฏิกรณ์ลงได้ ดังนั้นงานวิจัยนี้ นอกจากเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของจุลินทรีย์ไร้อากาศในระบบแล้ว ยังเป็นการเพิ่มเสถียรภาพของระบบผลิตก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเกษตรได้อีกด้วย