ต้นแบบระบบผลิตก๊าซชีวภาพจากวัสดุเหลือทิ้งข้าวโพดหวาน ด้วยกระบวนการหมักแบบแห้ง

Abstract

งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษากระบวนการผลิตก๊าซชีวภาพจากวัสดุเหลือทิ้งข้าวโพดหวาน โดยใช้ถังปฏิกรณ์แบบกวนสมบูรณ์ ขนาด 1,000 L ทำการศึกษาในระดับ Pilot Scale ภายใต้สภาวะการย่อยสลายแบบไม่ใช้อากาศแบบแห้ง ที่อุณหภูมิตามสภาพแวดล้อมในช่วง 31.88–36.66 °C ค่าของแข็งเริ่มต้นทั้งหมด (TS) เท่ากับ 25% (w/v) ระบบมีลักษณะการป้อนวัสดุหมักแบบกะ (Batch Fermentation) วัตถุดิบที่ใช้คือ วัสดุเหลือทิ้งของข้าวโพดหวาน ประกอบไปด้วย ซัง เปลือก และเมล็ดคัดทิ้งในสัดส่วน 54:44:2 (w/w) หัวเชื้อจุลินทรีย์ที่ใช้คือ กากตะกอนน้ำเสียและกากตะกอนมูลสุกรในสัดส่วน 1:2 (v/v) อัตราส่วนของวัตถุดิบต่อหัวเชื้อจุลินทรีย์ (F/I Ratio) เท่ากับ 1 kg : 4 L เป็นระยะเวลาในการทดลองจำนวน 30 days โดยแบ่งการทดลองออกเป็น 4 ส่วน ประกอบด้วยส่วนที่ 1 การศึกษาผลของการปรับสภาพเบื้องต้นของวัตถุดิบด้วยด่าง NaOH 2% (w/v) เป็นระยะเวลา 48 h และด้วยกระบวนการแบบ Pre-acidification เป็นระยะเวลา 72 h จากการศึกษาพบว่า การปรับสภาพเบื้องต้นของวัตถุดิบด้วยด้วยกระบวนการแบบ Pre-acidification เป็นระยะเวลา 72 h ให้ประสิทธิภาพในการกำจัดค่า COD, TS และ VS ได้ดีกว่าการปรับสภาพด้วยด่าง NaOH 2% (w/v) เป็นระยะเวลา 48 h เท่ากับ 56.84%, 41.96% และ 39.81% ตามลำดับ ส่วนที่ 2 การศึกษาผลของระยะเวลาการกวนผสมและการหมุนเวียนตะกอนที่เหมาะสม โดยระบบมีการกวนและไม่กวนผสมภายในระบบ สำหรับการกวนผสมจะทำการกำหนดอัตราการกวนผสมและหมุนเวียนตะกอนทุก ๆ 3, 6 และ 12 h จากการศึกษาพบว่า ที่อัตราการกวนผสมและหมุนเวียนตะกอนทุก ๆ 3 h ให้ประสิทธิภาพในการกำจัดค่า COD, TS และ VS ดีที่สุด เท่ากับ 85.42%, 62.92% และ 64.59% ตามลำดับ อีกทั้งยังมีปริมาณของก๊าซชีวภาพที่เกิดขึ้นต่อวัน และก๊าซชีวภาพสะสมมากที่สุด เท่ากับ 293.36 L/day และ 9,094.24 L สัดส่วนของก๊าซมีเทนสูงสุด และสัดส่วนของก๊าซมีเทนเฉลี่ยมากที่สุด เท่ากับ 59.6% และ 49.5% ตามลำดับ รวมถึงให้ผลผลิตของก๊าซมีเทนจำเพาะเฉลี่ย เท่ากับ 0.771 L CH4/gVSadded ส่วนที่ 3 การออกแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบการผลิตก๊าซชีวภาพจากวัสดุเหลือทิ้งของข้าวโพดหวานด้วยกระบวนการหมักแบบแห้ง จากผลการศึกษาพบว่าลักษณะของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ชนิดสมการถดถอยแบบโพลีโนเมียล (Polynomial Regressions) กำลัง 5 จะให้ค่า R2 มีค่าเท่ากับ 0.998 โดยแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ของตัวแปรต้นในแนวแกน X (Time, Day) ที่มีความสัมพันธ์ต่อตัวแปรตามในแนวแกน Y (Biogas Accumulation, Liter) อย่างมีนัยสำคัญ โดยจะมีลักษณะของสมการ ดังนี้ Y = 0.005X5 – 0.451X4 + 15.247X3 – 249.291X2 + 2,104.425X + 278.354 และส่วนที่ 4 การวิเคราะห์หาต้นทุนพลังงานต่อหน่วยของระบบการผลิตก๊าซชีวภาพจากวัสดุเหลือทิ้งของข้าวโพดหวานด้วยกระบวนการหมักแบบแห้ง โดยต้นทุนการผลิตก๊าซหุงต้มต่อหน่วยของระบบผลิตก๊าซชีวภาพที่ให้ค่าน้อยที่สุดคือ การกวนผสมและหมุนเวียนทุกๆ 6 ชั่วโมง มีค่าเท่ากับ 17.47 Baht/kg LPG โดยให้ต้นทุนการผลิตก๊าซหุงต้มต่อหน่วยของการผลิตก๊าซหุงต้มถูกกว่าอัตราการกวนผสมและหมุนเวียนทุก ๆ 3 h มากถึง 5.79% ดังนั้นในการพิจารณาถึงความเหมาะสมของกระบวนการผลิตก๊าซชีวภาพจากวัสดุเหลือทิ้งข้าวโพดหวานด้วยกระบวนการหมักแบบแห้งจะเลือกการเลือกอัตราการกวนผสมและหมุนเวียนตะกอนทุก ๆ 6 h โดยอัตราการกวนผสมของระบบผลิตก๊าซชีวภาพที่ค่าของแข็งทั้งหมด (TS) ที่มากกว่า 20% ไม่จำเป็นต้องกวนผสมตลอดเวลา แต่เพียงต้องกวนเป็นครั้งคราว เพื่อให้สารอินทรีย์กับจุลินทรีย์ได้เกิดการผสมกันเข้ากันมากยิ่งขึ้น เพื่อเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการผลิตก๊าซชีวภาพได้อีกทางหนึ่ง