Application of agricultural residues biochar for increasing efficiency and stability of biogas production from agro-industrial wastewater

การเกษตรเป็นอุตสาหกรรมหลักที่สำคัญของประเทศไทย ซึ่งมีการดำเนินงานมาอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน มีมูลค่าทางเศรษฐกิจคิดเป็นร้อยละ 8 ของมูลค่าทางด้านเศรษฐกิจโดยรวมของประเทศไทย โดยเฉพาะประเทศไทยเป็นประเทศที่มีการส่งออกผลิตภัณฑ์จากมันสำปะหลัง ปาล์มน้ำมัน ข้าวโพด และอ้อย มากเป็นอันดับต้นๆของโลก ส่งผลให้ปริมาณน้ำเสียจากอุตสาหกรรมเหล่านี้มีจำนวนมาก อีกทั้งยังมีองค์ประกอบของสารอินทรีย์ในปริมาณสูง (มากกว่า 20,000-70,000 มก./ล.) ถ้ามีการจัดการน้ำเสียไม่ดี ก็จะส่งผลกระทบทางด้านสิ่งแวดล้อม และทางด้านสังคม โดยทั่วไปจะนิยมใช้วิธีการบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศ ซึ่งก๊าซชีวภาพที่ได้จากการบำบัดน้ำเสียของโรงงานอุตสาหกรรมเกษตร สามารถนำมาใช้เป็นพลังงานทดแทนภายในโรงงานได้เป็นอย่างดี แต่เทคโนโลยีการผลิตก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียเหล่านี้ยังคงมีข้อจำกัดและมีประสิทธิภาพการกำจัดสารอินทรีย์ต่ำ

ถ่านชีวภาพ หรือ ไบโอชาร์ (Biochar) คือวัสดุที่อุดมด้วยคาร์บอน ผลิตจากชีวมวล หรือสารอินทรีย์ที่ย่อยสลายได้จากธรรมชาติ หรือวัสดุเหลือใช้จากการเกษตร เช่น ใบไม้ กิ่งไม้ หญ้า ฟางข้าว เหง้ามันสําปะหลัง ซังและต้นข้าวโพด มูลสัตว์ กากตะกอนของเสีย เป็นต้น แม้กระทั่งมูลสัตว์นำมาผ่านกระบวนการเผาไหม้ที่มีการควบคุม อุณหภูมิและอากาศหรือจำกัดอากาศให้เข้าไปเผาไหม้น้อยที่สุดซึ่งกระบวนการเผาไหม้นี้ เรียกว่า “การแยกสลายด้วยความร้อนหรือกระบวนการไพโรไลซิส” ในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีออกซิเจนน้อยมาก ที่ผ่านมามีการนำไบโอชาร์มาใช้ประโยชน์หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นสารปรับปรุงดิน หรือการนำมาใช้เพิ่มประสิทธิภาพของระบบบำบัดน้ำเสียและผลิตก๊าซชีวภาพ ซึ่งจากรายงานการวิจัยก่อนหน้านี้พบว่าเมื่อไบโอชาร์ถูกเติมในระบบผลิตก๊าซชีวภาพสามารถลดระยะเวลาช่วง Lag time ได้ร้อยละ 44 และช่วยเพิ่มอัตราการผลิตก๊าซชีวภาพได้ร้อยละ 25 ซึ่งมีความสัมพันธ์กับค่าความเป็นด่างและค่าพีเอชที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากไบโอชาร์มีความสามารถในการดูดซับและการตรึงเซลล์จุลินทรีย์ได้ดีเพราะมีความจำเพาะของพื้นที่ผิวสูงและมีรูพรุนบนพื้นที่ผิวจำนวนมาก นอกจากนี้ไบโอชาร์เป็นวัสดุที่ถูกประยุกต์ใช้ในการเพิ่มค่าความเป็นด่าง (Alkalinity) ในระบบผลิตก๊าซชีวภาพ ด้วยเหตุนี้ ไบโอชาร์จึงน่าจะมีความเหมาะสมที่จะนำมาใช้กับน้ำเสียที่มีปริมาณค่าอัลคาไลนิตี้ต่ำ เช่น น้ำเสียจากกระบวนการผลิตแป้งมันสำปะหลัง เพื่อเพิ่มปริมาณค่าอัลคาไลนิตี้และความเป็นบัฟเฟอร์ของระบบบำบัดน้ำเสียและผลิตก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียโรงงานแป้งมันสำปะหลัง

“ไบโอชาร์ยังเป็นผลพลอยได้จากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรในประเทศไทย เช่น แปลงเกษตรหรือพื้นที่ปลูกมันสำปะหลัง ข้าวโพด อ้อย และปาล์มน้ำมัน เป็นต้น โดยวัสดุเศษเหลือจากกิจกรรมทางการเกษตรดังกล่าว ได้แก่ เศษกะลา เส้นใย ทะลายปาล์มเปล่า เหง้ามันสำปะหลัง ซังข้าวโพด และชานอ้อย นิยมนำมาใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับเผาเป็นเชื้อเพลิงให้กับหม้อต้มไอน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าใช้ในโรงงาน” อุณหภูมิที่ใช้ในการเผาไหม้ประมาณ 800-900 องศาเซลเซียส หลังจากการเผาทำให้เกิดเถ้าที่มีลักษณะเป็นผงฝุ่น น้ำหนักเบา สามารถฟุ้งกระจายได้ง่าย โดยมีปริมาณโดยเฉลี่ย 1-2 ตันต่อวันสำหรับโรงงานขนาดกลางและขนาดใหญ่ (กำลังการผลิต 30-60 ตันต่อชั่วโมง) ซึ่งไบโอชาร์โดยทั่วไปจะประกอบด้วย SiO₂, Al₂O₃ และFe₂O₃ ประมาณร้อยละ 70 และประกอบด้วยแหล่งแร่ธาตุที่เป็นประโยชน์ต่อจุลินทรีย์ เช่น Na, Ca, Mg, K, และ Al ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ในการนำไบโอชาร์ (ฺBiochar) ที่ได้จากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรในประเทศไทย เช่น แปลงเกษตรหรือพื้นที่ปลูกมันสำปะหลัง ข้าวโพด อ้อย และปาล์มน้ำมัน เป็นต้น มาประยุกต์ใช้เพื่อให้เป็นวัสดุดูดซับ (Absorption) และใช้ตรึงเซลล์จุลินทรีย์ (Immobilization) ในถังปฏิกรณ์บำบัดน้ำเสียและผลิตก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมการเกษตร โดยให้จุลินทรีย์ที่เกาะบนวัสดุตัวกลางอยู่ทางด้านบนของถังปฏิกรณ์ และคาดว่าไบโอชาร์จะสร้างความเป็นบัฟเฟอร์ (Buffering ability) ให้กับระบบ และช่วยส่งเสริมความสามารถในการถ่ายโอนอิเล็กตรอน (Electron transfer ability) ของจุลินทรีย์ในระบบผลิตก๊าซชีวภาพ ซึ่งจะส่งผลให้จุลินทรีย์ในระบบมีความสามารถในการใช้กรดอินทรีย์ในระบบได้มากขึ้นและรวดเร็วขึ้น ทำให้สามารถผลิตมีเทนได้สูงขึ้น และส่งผลต่อเสถียรภาพในการบำบัดน้ำเสียของระบบในระยะยาว