DEVELOPMENT OF METHANE ENHANCEMENT SYSTEM OF BIOGAS PRODUCTION FROM WATER PRIMROSE AND COW DUNG

Abstract

Currently, energy resources and the environment have increased interest and this study concerns alternative sources of energy. Anaerobic digestion or biogas technology is alternative energy and this biological process using biomass as the primary feedstock. This thesis investigates the potential of agricultural weed such as water primrose (Ludwigia hyssopifolia) for biogas production. The first research was carried out for 45 days of operation from anaerobic mono-digestion of water primrose in fresh and dry form by using a batch experiment. Pretreatment was applied for substrate using sodium hydroxide (NaOH) solution (w/v) at different concentrations (0, 1, 2, 3, and 4%) with 10% of total solids (TS) based on dry matter. The results showed that the treatment with 2% NaOH was the best condition for water primrose in dry form with the highest performance in biogas yield (8,072.00 mL) and methane content (64.72%). In order to examine the ability of co-digestion with other substrates, different pretreatment time (1, 2 and 3 weeks) of water primrose at 2% NaOH was mixed with cow dung at different ratios (1:1, 2:1 and 1:2 (w/w), water primrose to cow dung). Among the three mixing ratios of co-substrate tested, the best performance in this experiment was achieved at mixing ratio 2:1 for 2 weeks’ pretreatment time on water primrose, including all measurements as biogas production (8,610 mL), methane concentration (68.2%), and percentage of total solids (70.84%), volatile solids (64.76%), and chemical oxygen demand (66.55%) removal efficiency. To further support the result from laboratory-scale experiments, pilot-scale work of anaerobic digestion was implemented under more realistic conditions and facilitated future practical application. The best performance of pretreatment time of sodium hydroxide and cow dung ratio to water primrose was chosen for the pilot-scale experiment. A pilot-scale experiment was performed in 1000 L of the digester, which gave an average biogas yield of 1.7 mL/ gTS/day with the highest methane content of 68.6%, thereby, proved that the results from the lab-scale experiment is reliable. The gas produced was collected for quality upgrading by aqueous solutions of sodium hydroxide (NaOH) and calcium hydroxide (Ca(OH)2) at various concentrations of 1, 2 and 3% (w/v). Also, steel wool and sponge were employed to reduce H2S and humidity in raw biogas. Biogas purification in this study aimed to achieve high CO2 removal efficiency in biogas stream at minimal alkali consumption and that feasibility was confirmed. The method's efficiency using Ca(OH)2 solution under normal conditions was competitive to the method using NaOH. Moreover, CO2 absorption was more prospective for Ca(OH)2 absorbent when 60.33 to 64.00% CO2 removal efficiency was achieved compared to 58.38 to 62.91% for NaOH absorbent at 1% and 3% concentration, respectively. After enriched methane process, the purified biogas of 3% Ca(OH)2 improved the highest value of calorific heating value reached to 28.73%. Consequently, with a low concentration of H2S, CO2, and small operation scale, a simple biogas production and biogas upgrading model implemented in this study is feasible and would be an appropriate choice for rural areas.

ปัจจุบันแหล่งทรัพยากรด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้น และการศึกษาในครั้งนี้ได้ศึกษาเกี่ยวกับแหล่งทางเลือกของพลังงาน การหมักแบบไร้ออกซิเจนหรือเทคโนโลยีการผลิตก๊าซชีวภาพเป็นพลังงานทางเลือกแบบหนึ่ง และกระบวนการทางชีวภาพนี้ได้ใช้ชีวมวลเป็นวัตถุดิบหลัก วิทยานิพนธ์นี้ได้ศึกษาศักยภาพของต้นเทียนนา (Ludwigia hyssopifolia) ซึ่งเป็นวัชพืชทางการเกษตรสำหรับการผลิตก๊าซชีวภาพ โดยงานวิจัยแรกนี้ได้ทำการทดลองแบบกะ (batch) และหมักเชิงเดี่ยว ดำเนินการทดลองเป็นเวลา 45 วัน ซึ่งแบ่งการทดลองออกเป็นวัตถุดิบแบบสดและแห้ง ทำการปรับสภาพต้นเทียนนาโดยใช้สารละลายโซเดียมไดออกไซด์ที่ความเข้มข้นแตกต่างกัน (1, 2, 3 และ 4 เปอร์เซ็นต์) และวัตถุดิบต้นเทียนนาในอัตราส่วนของแข็งทั้งหมด 10 เปอร์เซ็นต์ ผลการทดลองพบว่าที่ความเข้มข้นของสารละลายโซเดียมไดออกไซด์ 2 เปอร์เซ็นต์ ให้ผลการทดลองที่ดีที่สุด โดยให้ผลผลิตก๊าซชีวภาพทั้งหมดสูงที่สุด (8,072.00 มิลลิลิตร) ความเข้มข้นของก๊าซมีเทนสูงที่สุดเช่นกัน (64.72 เปอร์เซ็นต์) สำหรับการประเมินความเป็นไปได้ในการหมักแบบร่วมกับวัตถุดิบอื่น โดยทำการศึกษาระยะเวลาในการปรับสภาพของต้นเทียนนา (1, 2 และ 3 สัปดาห์) โดยใช้สารละลายโซเดียมไดออกไซด์ที่ความเข้มข้น 2 เปอร์เซ็นต์ จากนั้นผสมกับมูลโคที่อัตราส่วนต้นเทียนนาต่อมูลโค 1:1, 2:1 และ 1:2 (น้ำหนัก/น้ำหนัก) ในการหมักแบบร่วมที่อัตราส่วน 2:1 โดยปรับสภาพต้นเทียนนาเป็นระยะเวลา 2 สัปดาห์ ให้ผลการทดลองที่ดีที่สุด ผลการผลิตก๊าซชีวภาพทั้งหมด 8,610 มิลลิลิตร ความเข้มข้นก๊าซมีเทน 68.2 เปอร์เซ็นต์ ค่าประสิทธิภาพการย่อยสลายต่างๆ ได้แก่ ของแข็งทั้งหมด (TS) มีค่า 70.84 เปอร์เซ็นต์ ของแข็งที่ระเหยได้ (VS) มีค่า 64.76 เปอร์เซ็นต์ และ COD มีค่า 66.55 เปอร์เซ็นต์ เพื่อสนับสนุนผลการทดลองจากระดับห้องปฏิบัติการ จึงได้ดำเนินการทดลองระดับต้นแบบ (pilot-scale) ภายใต้สภาวะแวดล้อมที่แท้จริงและเพื่อสามารถปรับใช้ได้จริงในอนาคต โดยได้ผลของระยะเวลาการปรับสภาพด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์และอัตราส่วนมูลวัวต่อต้นเทียนนาที่ดีที่สุดมาใช้ในการหมักระดับต้นแบบ การทดลองระดับต้นแบบได้ใช้ถังหมักขนาด 1,000 ลิตร ซึ่งได้ผลการผลิตก๊าซชีวภาพทั้งหมด 1.7 มิลลิตร/กรัมของแข็งทั้งหมด/วัน ความเข้มข้นของก๊าซมีเทนสูงที่สุดเท่ากับ 68.6 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสามารถสรุปได้ว่า ผลการทดลองจากระบบห้องปฏิบัติการสามารถนำมาปรับใช้ในระบบต้นแบบได้จริง จากนั้นจึงดำเนินการทดลองเพื่อทำบริสุทธิ์ก๊าซ โดยการนำก๊าซที่ได้ไหลผ่านสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์และแคลเซียมไฮดรอกไซด์ที่ความเข้มข้น 1, 2 และ 3 เปอร์เซ็นต์ (น้ำหนัก/ปริมาตร) นอกจากนี้ยังใช้ขี้เลื่อยเหล็กและฟองน้ำในการลดก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์และความชื้น ในการทำบริสุทธิ์ก๊าซชีวภาพนั้นมีวัตถุประสงค์เพื่อลดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งสารละลายด่างอ่อนสามารถใช้ดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ไว้ได้ดี ประสิทธิภาพของวิธีการที่ใช้สารละลายแคลเซียมไฮดรอกไซด์ภายใต้สภาวะปกติได้ผลดีกว่าการใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ นอกจากนี้การดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ของแคลเซียมไฮดอกไซด์มีประสิทธิภาพถึง 60.33 และ 64.00 เปอร์เซ็นต์ เมื่อใช้ความเข้มข้น 1 และ 3 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ ในขณะที่โซเดียมไฮดรอกไซด์มีประสิทธิภาพการดูดซับเท่ากับ 58.38 และ 62.91 เปอร์เซ็นต์ เมื่อใช้ความเข้มข้น 1 และ 3 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ ก๊าซที่ผ่านขั้นตอนการเพิ่มความเข้มข้นของมีเทนด้วยแคลเซียมไฮดรอกไซด์ 3 เปอร์เซ็นต์แล้ว พบว่าค่าความร้อนของก๊าซชีวภาพเพิ่มขึ้นถึง 28.73 เปอร์เซ็นต์ จะเห็นได้ว่าก๊าซที่มีความเข้นข้นของไดไฮโดรเจนซัลไฟด์ คาร์บอนไดออกไซด์ต่ำ และการผลิตก๊าซชีวภาพจากระดับห้องปฏิบัติการ รูปแบบการผลิตก๊าซชีวภาพอย่างง่าย และการเพิ่มคุณภาพของก๊าซชีวภาพจากการศึกษาในครั้งนี้ มีความเป็นไปได้และสามารถเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับพื้นที่ชนบทต่อไปได้