การลดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพโดยวิธี simultaneous sulfate reduction and sulfide oxidation

ประเทศไทยประสบความสำเร็จเป็นอย่างดีในโครงการส่งเสริมการผลิตก๊าซชีวภาพสำหรับโรงงานอุตสาหกรรมเกษตรและอาหาร โดยสามารถนำก๊าซชีวภาพไปใช้เป็นพลังงานทดแทนและลดปัญหาสิ่งแวดล้อม แต่การส่งเสริมการผลิตก๊าซชีวภาพสำหรับวัตถุดิบเป้าหมายบางประเภทยังไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ควร เนื่องจากในกระบวนการย่อยสลายเกิดสารยับยั้งที่มีความเป็นพิษต่อจุลินทรีย์ที่ทำหน้าที่ผลิตก๊าซชีวภาพ ทำให้ระบบผลิตก๊าซชีวภาพจากวัตถุดิบดังกล่าวที่ได้รับการส่งเสริมนั้นมีประสิทธิภาพต่ำ น้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมน้ำยางข้นเป็นหนึ่งในวัตถุดิบเป้าหมายที่ได้มีการส่งเสริม เนื่องจากน้ำเสียจากโรงงานผลิตน้ำยางข้นมีสารอินทรีย์เป็นองค์ประกอบอยู่สูง ทำให้มีศักยภาพในการผลิตก๊าซชีวภาพได้ดี โดยที่ผ่านมาในช่วงปี 2551-2556 สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน (สนพ.) ประกาศรับข้อเสนอเชิญชวนให้ผู้ประกอบการ/โรงงานยื่นขอรับเงินสนับสนุนสำหรับจัดทำระบบผลิตก๊าซชีวภาพจากอุตสาหกรรมยางพารา ที่กำหนดให้เงินสนับสนุน 50% ของวงเงินลงทุนก่อสร้างระบบผลิตก๊าซชีวภาพซึ่งรวมค่าที่ปรึกษาออกแบบระบบ โดยมีเป้าหมายส่งเสริมฯ ครอบคลุมจำนวนโรงงานประมาณ 45 โรง อย่างไรก็ตามจากผลการดำเนินโครงการส่งเสริมฯ จนกระทั้งปิดโครงการพบว่ามีโรงงานที่ยื่นขอรับเงินสนับสนุนตลอดระยะเวลาโครงการส่งเสริมฯเพียง 7 แห่ง โดยโรงงานที่ขอรับทุนสนับสนุนเป็นโรงงานน้ำยางข้น 2 แห่ง และโรงงานผลิตยางแท่ง 5 แห่ง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าระบบบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพเป็นพลังงานทดแทนยังประสบปัญหาและต้องการเทคโนโลยีที่จำเพาะต่อคุณสมบัติน้ำเสียดังกล่าว

    สาเหตุของระบบบำบัดน้ำเสียเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพรับอัตราภาระบรรทุกสารอินทรีย์ได้ต่ำและยังไม่สามารถน้ำก๊าซชีวภาพไปใช้ประโยชน์ได้ เนื่องมาจากซัลไฟด์ซึ่งเกิดขึ้นจากกระบวนการย่อยสลายน้ำเสียที่มีความเข้มข้นของซัลเฟตสูง จากองค์ประกอบน้ำเสียที่มีความซับซ้อนดังกล่าวทำให้ไม่สามารถใช้เทคโนโลยีผลิตก๊าซชีวภาพในรูปแบบเดียวกันกับที่มีการประยุกต์ใช้กับน้ำเสียชนิดอื่นๆ หรือระบบที่ใช้กับโรงงานน้ำยางข้นอยู่เดิมในปัจจุบัน ดังนั้นจะต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีเฉพาะสำหรับน้ำเสียจากโรงงานผลิตน้ำยางข้นซึ่งจัดเป็นน้ำเสียที่มีความเข้มข้นของซัลเฟตสูง

    นอกจากนี้ในปัจจุบันโรงงานผลิตน้ำยางข้นส่วนใหญ่ยังนิยมใช้ระบบไร้อากาศโดยเป็นบ่อปิดแบบไร้อากาศที่มุ่งเน้นแก้ปัญหาเรื่องกลิ่นเท่านั้น โดยบ่อปิดไร้อากาศนี้มีการใช้ร่วมกับระบบเติมอากาศ การใช้ระบบบ่อปิดแบบไร้อากาศก่อนน้ำเสียเข้าสู่บ่อเติมอากาศ มีวัตถุประสงค์เพื่อลดค่าซีโอดีก่อนถูกนำไปบำบัดต่อด้วยระบบเติมอากาศเท่านั้น โดยหลักการของระบบบำบัดน้ำเสียดังกล่าวนี้จะสามารถช่วยลดค่าพลังงานที่ใช้ในบ่อเติมอากาศได้ดี อย่างไรก็ตามแม้ว่าระบบบ่อปิดแบบไร้อากาศจะสามารถลดค่าซีโอดีได้แต่หากไม่ได้มีการจัดการซัลไฟด์ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการซัลเฟตรีดักชั่นในบ่อปิดแบบไร้อากาศ ระบบเติมอากาศจะต้องใช้พลังงานที่สูงเพื่อออกซิไดซ์ซัลไฟด์ไปเป็นซัลเฟตรวมทั้งลดค่าซีโอดีที่เหลืออยู่ในน้ำเสีย ซึ่งหากไม่ใช้พลังงานในการเติมอากาศเพียงพอจะเกิดปัญหากลิ่นเหม็นจากน้ำเสีย ส่งผลต่อสุขภาพและพื้นที่ใกล้เคียง

    ที่ผ่านมาศูนย์ความเป็นเลิศเฉพาะทางด้านการจัดการและใช้ประโยชน์จากของเสียอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีได้พัฒนากระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศ (Anaerobic Technology) สำหรับน้ำเสียจากโรงงานผลิตน้ำยางข้น โดยได้พัฒนาระบบบำบัดและผลิตก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียกระบวนการผลิตน้ำยางข้น แบบ Multi-stage treatment system ซึ่งผลการศึกษาพบว่าระบบมีประสิทธิภาพในการผลิตก๊าซชีวภาพเท่ากับ 0.24 m³/kgCOD_removed ระบบสามารถรับอัตราภาระสารอินทรีย์ (OLR) ได้ 2 gCOD/L.d  และมีประสิทธิภาพในการกำจัดซีโอดีและซัลเฟตประมาณ 80 และ 74% ตามลำดับ อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาประสิทธิภาพในแต่ละขั้นตอนการบำบัด พบว่าประสิทธิภาพการกำจัดซัลเฟตยังเกิดขึ้นในขั้นตอนการผลิตมีเทน ซึ่งจะเป็นสาเหตุให้ระบบขาดเสถียรภาพและอาจล้มเหลวหากรับน้ำเสียที่อัตราการการรับภาระบรรทุกสารอินทรีย์สูงขึ้น ดังนั้นทางศูนย์ฯ จึงได้พัฒนาระบบต่อเนื่องโดยมุ้งเน้นการลดความเป็นพิษของซัลไฟด์ ซึ่งระบบ Multi stage treatment system ที่พัฒนาต่อดังกล่าว สามารถรวมขั้นตอนกำจัดซัลเฟตและผลิตมีเทนได้ภายในถังปฏิกรณ์เดียว และมีประสิทธิภาพในการบำบัดและผลิตก๊าซมีเทนสูง โดยระบบสามารถรับ OLR ได้สูงถึง 10 gCOD/L.d และผลิตมีเทนได้ 0.18 m³/kgCOD_added อย่างไรก็ตามก๊าซชีวภาพที่ผลิตได้ยังมีสัดส่วนของก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ค่อนข้างสูง (3-5%) จำเป็นต้องมีหน่วยกำจัดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพก่อนนำไปใช้ประโยชน์ ซึ่งทำให้มีต้นทุนระบบสูงขึ้น หรือเมื่อปล่อยออกจากระบบน่าจะส่งปัญหาเรื่องกลิ่นรบกวนได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพัฒนาระบบที่สามารถลดสัดส่วนก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพ

    โครงการนี้จึงมีเป้าหมายที่จะลดสัดส่วนก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพด้วยการทำให้เกิดกระบวนการกำจัดซัลเฟตพร้อมกับการกำจัดซัลไฟด์ (Simultaneous sulfate reduction and sulfide oxidation) โดยแนวคิดการลดสัดส่วนก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพนี้จะอาศัยหลักการการถ่ายเทมวลระหว่างวัฏภาคก๊าซกับวัฏภาคของเหลวของซัลไฟด์ โดยเมื่อระบบมีความเข้มข้นของซัลไฟด์ที่อยู่ในวัฏภาคของเหลวต่ำ จะส่งผลให้ความเข้มข้นของซัลไฟด์ที่อยู่ในวัฏภาคก๊าซลดลงเช่นกัน ซึ่งการที่จะให้ถังปฏิกรณ์กำจัดซัลเฟตและผลิตมีเทนเกิดสภาวะของซัลไฟด์ที่อยู่ในวัฏภาคของเหลวต่ำนั้น จะต้องอาศัยการวนกลับของน้ำที่ผ่านการกำจัดซัลไฟด์จากถังปฏิกรณ์กำจัดซัลไฟด์ที่ความเร็วในการไหลเข้าเพียงพอเพื่อลดความเข้มข้นซัลไฟด์ในวัฏภาคของเหลวต่ำจนสามารถลดสัดส่วนก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพได้ต่ำกว่า 500 ppm ในขณะเดียวกันน้ำที่ออกจากถังปฏิกรณ์กำจัดซัลเฟตและผลิตมีเทนซึ่งมีความเข้มข้นของซัลไฟด์สูงจะเข้าสู่ถังปฏิกรณ์กำจัดซัลไฟด์ ดังนั้นถังปฏิกรณ์กำจัดซัลไฟด์จะต้องมีการพัฒนาที่จะให้มีประสิทธิภาพสูงรวมทั้งประสิทธิภาพของถังปฏิกรณ์กำจัดซัลเฟตและผลิตมีเทนยังคงที่เช่นกัน

    ดังนั้นโครงการนี้จึงแบ่งขั้นตอนการศึกษาออกเป็น 3 ขั้นตอน คือ 1) การศึกษาและหาสภาวะของอัตราการไหลเข้าของน้ำจากที่ผ่านการกำจัดซัลไฟด์จากถังปฏิกรณ์กำจัดซัลไฟด์เพื่อให้ระบบมีความเข้มข้นของซัลไฟด์ที่อยู่ในวัฏภาคของเหลวต่ำและส่งผลให้ความเข้มข้นของซัลไฟด์ที่อยู่ในวัฏภาคก๊าซลดลง 2) การศึกษาปัจจัยที่ส่งผลต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการกำจัดซัลไฟด์ในถังปฏิกรณ์กำจัดซัลไฟด์ และ 3) การทดสอบกระบวนการลดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพด้วยการเกิดกระบวนการกำจัดซัลเฟตพร้อมกับการกำจัดซัลไฟด์ โดยดำเนินการโครงการที่ระยะเวลา 1 ปี ที่งบประมาณโครงการ 714,400 บาท ซึ่งผลที่คาดว่าจะได้จากโครงการนี้คือ สภาวะที่เหมาะสมและองค์ความรู้สำหรับการพัฒนาระบบเพื่อลดลดสัดส่วนก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพด้วยการทำให้เกิดกระบวนการกำจัดซัลเฟตพร้อมกับการกำจัดซัลไฟด์ นำไปสู่การขยายขนาดในระดับต้นแบบ และหากสามารถลดสัดส่วนก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพได้ได้ต่ำกว่า 500 ppm จะช่วยลดค่าก่อสร้างระบบบำบัดน้ำเสียเนื่องจากไม่ต้องติดตั้งหน่วยกำจัดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ในก๊าซชีวภาพ รวมทั้งแก้ปัญหากลิ่นรบกวนที่เกิดขึ้นซึ่งเป็นปัญหาหลักของน้ำเสียจากโรงงานผลิตน้ำยางข้นได้อย่างดี