ก๊าซชีวภาพและขบวนการเกิดก๊าซ
ก๊าซชีวภาพ (Biogas) คือ ก๊าซที่เกิดจากมูลสัตว์ หรือสารอินทรีย์ต่างๆถูกย่อยสลาย โดยเชื้อจุรินทรีย์ในสภาพไร้ออกซิเจน (Anaerobic Digestion) ก๊าซที่เกิดขึ้นเป็นก๊าซที่ผสมกันระหว่างก๊าซมีเทน (CH4) กับก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ (CO2) ก๊าซไนโตรเจน (N2) ก๊าซไฮโดรเจน (H2) และก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) แต่ส่วนใหญ่แล้วประกอบด้วยก๊าซมีเทนเป็นหลัก ซึ่งทีคุณสมบัติติดไฟได้ จึงใช้เป็นพลังงานให้ความร้อน แสงสว่าง และเดินเครื่องยนต์ได้ นอกจากนั้น กระบวนการหมักแบบไร้ออกซิเจนยังจะลดปริมาณสารอินทรีย์ในรูป COD (Chemical Oxygen Demand) และ BOD (Biogical Oxygen Demend) ที่มีอยู่ในสารหมักลงได้ 50 - 70 % ซึ่งเป็นวิธีการบำบัดน้ำเสียและลดมลภาวะด้วยเทคโนโลยีก๊าซชีวภาพ ซึ่งให้ประโยชน์ถึง 3 ประการ คือ 1. ให้พลังงานในรูปของก๊าซชีวภาพ 2. ลดปัญหามลภาวะและสภาพแวดล้อม 3. กากที่ผ่านการย่อยสลายแล้วสามารถนำไปใช้เป็นปุ๋ยอินทรีย์ในสภาพปุ๋ยน้ำ และปุ๋ยแห้ง เพื่อการปรับปรุงบำรุงดินได้ดี
ก๊าซมีเทนบริสุทธิ์มีคุณสมบัติเบากว่าอากาศประมาณครึ่งหนึ่ง (น้ำหนักโมเลกุล 16.04) ละลายน้ำได้เพียงเล็กน้อย ไม่มีรส ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ส่วนก๊าซชีวภาพซึ่งเป็นก๊าซผสมอากาศ เป็นก๊าซที่มีกลิ่นเล็กน้อย ซึ่งเกิดจากก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ทำให้ผู้ใช้บางคนไม่ชอบเอาไปหุงต้ม แต่จริงๆแล้วกลิ่นของก๊าซนี้ไม่ได้ทำให้รสชาดของอาหารมีกลิ่นเลย พอเผาไหม้แล้วก็ระเหยไป ค่าความหนาแน่นของก๊าซชีวภาพ จะขึ้นอยู่กับความดันและอุณหภูมิ ส่วนค่าความร้อนของก๊าซชีวภาพจะขึ้นอยู่กับเปอเซ็นต์ของก๊าซมีเทนในก๊าซชีวภาพและความหนาแน่นของก๊าซชีวภาพ
ก๊าซชีวภาพเกิดขึ้นได้อย่างไร ?
ก๊าซชีวภาพเกิดขึ้นได้ โดยขบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์ด้วยจุรินทรีย์ จนเกิดเป็นก๊าซชีวภาพ สารอินทรีย์ที่ใช้ในการสร้างก๊าซชีวภาพ ได้แก่ เศษอาหารที่ย่อยไม่ได้และถูกขับออกจากร่างกายสัตว์ ซึ่งประกอบด้วยสารที่ใช้สร้างก๊าซชีวภาพคือ
- เซลลูโลส (Cellulose)
- โปรตีน (Protein)
- ลิกนิน (Lignin)
- แป้งและน้ำตาล (Tanin)
- ไขมัน (Fit)
- กรดนิวคลีอิค (Nucleic acid)
- แอลกอฮอล (Alcohol)
ตัวการสร้างก๊าซชีวภาพ ได้แก่จุลินทรีย์บางกลุ่มจะย่อยสลายมูลสัตว์จนมีอนูเล็กลงและได้สารที่จุลินทรีย์กลุ่มที่สร้างก๊าซมีเทน (Methanogenic bacteria) นำไปสร้างก๊าซมีเทนในที่สุด โดยมีการแบ่งออกได้ 3 ขั้นตอน คือ
ขั้นตอนที่ 1 การย่อยสลายสารอินทรีย์ (Hydrolytic stage) เป็นปฏิกริยาการย่อยสลายสารอินทรีย์ (Hydrolysis)ที่มีโมเลกุลใหญ่ เช่น คาร์โบรไฮเดรต ไขมัน โปรตีน โดยกลุ่มของแบคทีเรีย ให้เป็นโมเลกุลเล็กละลายน้ำได้ เช่น กลูโคส กรดอะมิโน กลีเซอรอล เป็นต้น ในขณะเดียวกัน ผลจากปฏิกริยาย่อยสลายนี้ก็จะเป็นก๊าซไฮโดรเจน และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ รวมทั้งแอลกอฮอล จากนั้นปฏิกริยานี้จึงทำให้สภาพในบ่อหมักมีความเป็นกรด (ค่า pHต่ำ)และแบคทีเรียที่เจริญเติบโตได้ดีในสภาพความเป็นกรดจะทำหน้าที่ต่อไป โปรตีน กรดอะมิโน กรดอินทรีย์ ไขมัน กลีเซอลอน + กรดไขมันระเหยง่าย แอลกอฮอล คาร์โบไฮเดรต น้ำตาล ไฮโดรเจน (แป้ง) คาร์บอนไดอ๊อกไซด์
ขั้นตอนที่ 2 การสร้างกรดอะซิติก (Acetogenic Stage) การสร้างกรดอะซิติก จากกรดอินทรีย์ชนิดต่างๆโดยแบคทีเรียที่สร้างกรดอะซิติก ในขณะเดียวกันผลจากปฏิกริยานี้ก็จะทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ ที่จะปนอยู่ในก๊าซชีวภาพ กรดอินทรีย์โมเลกุลใหญ่ กรดอะซิติก+คาร์บอนไดอ๊อกไซด์ แอลกอฮอล (กรดน้ำส้มสายชู+น้ำ)
ขั้นตอนที่ 3 การสร้างก๊าซมีเทน (Methanogenic Stage) ปฏิกริยาการสร้างก๊าซมีเทนโดยแบคทีเรียชนิดที่ผลิตก๊าซมีเทน(Methane Produing หรือ Methanogenic Micro Organism) ซึ่งมีอยู่หลายชนิดและเป็นแบคทีเรียที่ต้องอยู่ในสภาวะที่ปราศจากอ๊อกซิเจน ถ้ามีอ๊อกซิเจนเพียงเล็กน้อยก็จะทำให้แบคทีเรียพวกนี้หยุดการเจริญเติบโต ก๊าซมีเทนอาจเกิดจากปฏิกริยาระหว่างกรดอินทรีย์(ส่วนใหญ่เป็นกรดอะซิติก)กับน้ำและคาร์บอนไดอ๊อกไซด์กับไฮโดรเจน
ขบวนการเกิดก๊าซชีวภาพ
1.) Hydrolysis ย่อย สารอาหารโมเลกุลเล็กละลายน้ำได้
2.) Acid Formantation ย่อย กรดอินทรีย์ (Organie Acid)
3.) Methane Fomantation ย่อย
ก๊าซชีวภาพ มีเทน คาร์บอนไดอ๊อกไซด์ เชื้อแบคทีเรียทั้ง 3 กลุ่มจะต้องมีปริมาณสัมพันธ์กัน เพราะถ้าหากสารอาหาร(มูลสัตว์)มีมากเกินไป แบคทีเรียกลุ่มที่ 1 และกลุ่มที่ 2 จะผลิตกรดออกมามาก จนกระทั้งแบคทีเรียกลุ่มที่ 3 หยุดทำงาน(ก๊าซไม่เกิด) หากสารอาหารมีน้อยเกินไป แบคทีเรียก็จะเจริญเติบโตช้า(ผลิตก๊าซได้น้อย) หากมีการกวนสารอาหารพอสมควร จะทำให้แบคทีเรียทั้ง 3 กลุ่มสัมพันธ์กันดี แต่ถ้าหากมีการกวนสารอาหารมากเกินไปก็กลับทำให้การผลิตก๊าซลดลงเพราะไม่มีเวลาย่อยสลาย
ปัจจัยสำคัญในการผลิตก๊าซชีวภาพ
เนื่องจากขบวนการผลิตก๊าซชีวภาพเป็นผลการทำงานของแบคทีเรียหลายชนิดเกี่ยวข้องกัน การที่จะทำให้แบคทีเรียผลิตก๊าซได้ดีนั้นจะต้องสร้างสภาพแวดล้อมให้เหมาะสมกับการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย เพราะถ้าหากสภาพแวดล้อมไม่เหมาะสมจะทำให้การผลิตก๊าซได้ผลลดลง ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตก๊าซชีวภาพ ได้แก่
1. ต้องไม่มีก๊าซออกซิเจนในบ่อหมัก การย่อยสลายสารอินทรีย์หรือส่วนผสมมูลสัตว์เพื่อให้เกิดก๊าซมีเทนหรือก๊าซหุงต้มนั้น จำเป็นจะต้องทำให้บ่อหมักอยู่ในสภาพที่ไม่มีก๊าซออกซิเจนอยู่เลย หากมีก๊าซออกซิเจนอยู่ก็ จะทำให้แบคทีเรียที่ผลิตก๊าซมีเทนหยุดการเจริญเติบโต นั่นหมายความว่าจะไม่มีการผลิตก๊าซมีเทนและสารอินทรีย์ ดังนั้นบ่อหมักก๊าซชีวภาพถ้ามีรอยรั่วหรือปิดไม่สนิท ก็จะทำให้ก๊าซมีเทนหยุดชะงักไป
2.อุณหภูมิที่เหมาะสม อุณหภูมิในบ่อหมักมีผลต่อการผลิตก๊าซชีวภาพ เนื่องจากความเร็วของปฏิกริยาทางเคมีจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปฏิกริยาการเกิดก๊าซมีเทนจะอยู่ในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 3 - 70๐C แบคทีเรียที่สามารถผลิตก๊าซมีเทนในช่วงอุณหภูมินี้แบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม คือช่วงอุณหภูมิต่ำ ช่วงอุณหภูมิปานกลาง และช่วงอุณหภูมิสูง อุณหภูมิในแต่ละช่วงจะมีผลต่ออัตราการเกิดก๊าซชีวภาพ คืออุณหภูมิยิ่งสูงขึ้น การย่อยสลายสารอินทรีย์จำนวนหนึ่งเพื่อที่จะให้ได้ปริมาณก๊าซชีวภาพที่ต้องการก็จะเร็วขึ้น ซึ่งทำให้สามารถสร้างบ่อก๊าซขนาดเล็กลงได้ (แต่อุณหภูมิจะไม่มีผลต่อปริมาณก๊าซที่ควรจะผลิตได้ทั้งหมดจากสารอินทรีย์นั้น ซึ่งจะเป็นค่าคงที่ขึ้นอยู่กับชนิดของสารอินทรีย์)
ความเข้มข้นของๆแข็งในบ่อหมัก (Substrate Solids Content) เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด ความเข้มข้นของของแข็งในบ่อหมักแบบมีการเติมสารอินทรีย์อย่างสม่ำเสมอควรมีค่าระหว่าง 5 - 10 % และควรมีค่าประมาณ 25 % สำหรับบ่อหมักแบบเติมสารอินทรีย์เพียงครั้งเดียว ความเข้มข้นของของแข็งในบ่อหมักมีมากไปหรือน้อยไปก็จะเกิดผลเสียคือ ถ้าความเข้มข้นของของแข็งเพิ่มมากขึ้นเกินไป ก็จะทำให้เกิดการสะสมของกรดเพิ่มขึ้น ( pH ต่ำลง ) ทำให้ขบวนการหมักหยุดชะงัก เป็นผลทำให้ไม่มีการผลิตก๊าซ แต่ถ้าความเข้มข้นของของแข็งในบ่อหมักน้อยเกินไป ก็จะทำให้อัตราการผลิตก๊าซชีวภาพต่อปริมาตรของบ่อไม่มากเท่าที่ควร ทำให้ได้ก๊าซน้อย
ระบบของการหมักก๊าซชีวภาพ แบ่งตามแบบการเติมสารหมัก(อินทรียสาร + น้ำ ) คือ
- แบบเติมครั้งคราว ( Batch Operation ) โดยการเติมอินทรียสารครั้งเดียวแล้วปล่อยให้อินทรียสารถูกย่อยสลายจนหมดแล้วจึงเอาออก และเติมสารอินทรีย์ลงใหม่ ทำให้ประสิทธิภาพการเกิดก๊าซต่ำ ประมาณก๊าซไม่คงที่
- แบบกึ่งต่อเนื่อง (Semi - Continuous Operation ) โดยการเติมอินทรียสารเป็นประจำ วันเว้นวัน หรือวันเว้น สองวัน ขึ้นอยู่กับสภาพสารอินทรีย์ที่มีและขนาดของบ่อหมัก ผลที่ได้ประสิทธิภาพสูงกว่าแบบแรก ประมาณก๊าซที่ได้ค่อนข้างคงที่
- แบบต่อเนื่อง ( Continuous Operation ) เป็นการเติมสารอินทรีย์เข้าและเอาสารอินทรีย์ที่ถูกย่อยสลายแล้วออกอยู่ตลอดเวลา ด้วยอัตราการไหลเข้าและออกคงที่ ประสิทธิภาพของระบบนี้จะสูงสุด เหมาะสมกับโรงงานอุตสาหกรรม ประมาณก๊าซที่เกิดขึ้นค่อนข้างคงที่อยู่ตลอดเวลา
ปริมาณก๊าซที่ผลิตได้จากสารอินทรีย์ชนิดต่างๆ
สารอินทรีย์ชนิดต่างๆเมื่อย่อยสลายหมดแล้วให้ก๊าซชีวภาพไม่เท่ากัน มูลสัตว์ มักจะย่อยสลายได้ง่ายและให้ปริมาณก๊าซมาก ดังตารางที่ 5 แต่ในการพิจารณาความเหมาะสมของสารเหล่านี้จะต้องคำนึงถึงปัจจัยอื่นๆประกอบด้วย เช่น ความหนาแน่น ความชื้น การอุดตัน กากที่ย่อยไม่ได้ ราคาและวิธีการเก็บ ตัวอย่างเช่น ผักตบชวามีความหนาแน่นต่ำ จึงมีปริมาณมากต่อน้ำหนักกิโลกรัมของของแข็ง ทำให้ต้องใช้บ่อหมักที่มีขนาดใหญ่ นอกจากนี้ยังมีน้ำเป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ จึงต้องมีวิธีการทำให้น้ำระเหยออกบ้าง ปัจจัยประกอบเหล่านี้ทำให้การผลิตก๊าซชีวภาพจากผักตบชวามีค่าใช้จ่ายสูง ถึงแม้ผักตบชวาจะผลิตก๊าซชีวภาพได้มากต่อกิโลกรัมของของแข็งก็ตาม
ระยะเวลาการพักตัวของการเกิดก๊าซ ( Retention Time )
ระยะเวลาการพักตัวของการเกิดก๊าซ เป็นระยะเวลาที่ให้สารอินทรีย์ถูกผสมอยู่ในบ่อหมักก๊าซ เพื่อให้แบคทีเรียได้ย่อยสลายสารอินทรีีิีย์และใช้เป็นอาหารในการเพิ่มจำนวนจุรินทรีย์ให้มากขึ้นก่อนที่จะถูกถ่ายเทออกจากบ่อหมัก ปกติจะใช้เวลา 20 - 50 วัน ระยะเวลาการพักตัวของการเกิดก๊าซ สำหรับบ่อหมักก๊าซที่มีการเติมสารอินทรีย์ตลอดเวลาหรือเป็นระยะๆ สามารถคำนวณเป็นค่าเฉลี่ยได้โดย
ปริมาตรบ่อก๊าซ
ระยะเวลาการพักตัว = ปริมาตรการเติมสารหมักต่อวัน
ถ้าระยะเวลาการพักตัวสั้นเกินไป การชะล้างของแบคทีเรียในบ่อหมักจะมีอัตราเร็วกว่าการสร้างแบคทีเรียใหม่ ปฏิกริยาการย่อยสลายก็จะหยุดชะงัก เนื่องจากปริมาณแบคทีเรียในบ่อหมักลดลงหรือหมดไป แต่ถ้าให้ระยะเวลาพักตัวนานเกินไป ก็หมายความว่าบ่อหมักจะต้องมีปริมาตรใหญ่ขึ้น ทำให้ราคาค่าก่อสร้างบ่อก๊าซชีวภาพแพงตามไปด้วย
ค่าความเป็นกรดเป็นด่าง ( pH ) และความเข้มข้นของกรดระเหย ( Valatile acid )
ค่าความเป็นกรดเป็นด่างของสารละลายวัดค่าH ถ้าค่า pH = 7 แสดงว่าสารละลายนั้นเป็น กลาง ถ้าค่า pH ต่ำกว่า 7 แสดงว่าสารละลายนั้นมีความเป็นกรด และถ้าค่า pH มากกว่า 7 ก็แสดงว่าสารละลายนั้นมีความเป็นด่างเมื่อขบวนการหมักเข้าสู่สภาพคงที่แล้ว ก็จะทำให้เกิดความสมดุลของความเป็นกรดและด่าง เนื่องจากเกิดคาร์บอนไดออกไซด์ - ไบคาร์บอเนต ( CO2 - HCO3 ) และเกิดแอมโมเนีย - แอมโมเนียม (NH3 - NH4 ) ทำให้สารละลายในบ่อหมักมีค่า pH ระหว่าง 7.0 ถึง 8.5 ซึ่งเป็นค่า pH ที่วัดได้ในสารละลายในบ่อหมักก๊าซชีวภาพที่ทำงานเป็นปกติ ถ้าค่า pH ของสารละลายในบ่อหมักลดลงต่ำกว่า 6.2 จะหยุดยั้งการทำงานของแบคทีเรียที่ผลิตก๊าซมีเทน เป็นผลทำให้การผลิตก๊าซมีเทนลดลงหรือไม่มีการผลิตเลย สำหรับขบวนการหมักปกติ ความเข้มข้นของกรดระเหยได้ ซึ่งวัดในรูปของกรดอะซิติค ( Acetic acid ) ควรจะต้องต่ำกว่า 2000 PPM. (ส่วนในล้านส่วน) ถ้ากรดระเหยมีค่าสูงกว่านี้ ก็จะไปหยุดยั้งการทำงานของแบคทีเรียที่ผลิตก๊าซมีเทน เช่นกัน
อัตราส่วนระหว่างคาร์บอนกับไนโตรเจน (C/N Ratio)
อัตราส่วนระหว่างคาร์บอนกับไนโตรเจนที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย ควรอยู่ระหว่าง 30 : 1 ถึง 10 : 1เนื่องจากแบคทีเรียต้องใช้ทั้งคาร์บอนและไนโตรเจนในการเจริญเติบโตถ้าปริมาณไนโตรเจนมากจนเกินไปจะเกิดการสร้างแอมโมเนียมากขึ้น เป็นผลทำให้สภาพในบ่อหมักมีความเป็นด่างซึ่งจะไปหยุดยั้งการทำงานของแบคทีเรีย
สารเคมีและยาปฎิชีวนะ
สารเคมีและยาปฎิชีวนะที่ใช้ในการดูแลรักษาสุขภาพสัตว์ ล้างคอกและอื่นๆอาจมีผลต่อการผลิตก๊าซชีวภาพทั้งนั้น ทั้งนี้เป็นเพราะสารเคมีและยาปฎิชีวนะบางอย่างเป็นอันตรายกับแบคทีเรียที่ผลิตก๊าซชีวภาพ ทำให้เกิดก๊าซชีวภาพน้อยลงหรือไม่เกิดเลย ดังนั้นการใช้และบำรุงรักษาบ่อก๊าซชีวภาพจะต้องระวังไม่ให้สารเคมีและยาปฎิชีวนะเข้าไปในบ่อก๊าซชีวภาพได้ เช่นเมื่อใดที่มีการใช้ยาฆ่าเชื้อโรคล้างคอกสัตว์ ก็ให้นำน้ำนั้นไปทิ้งที่อื่น หรือถ้ามีการนำยาปฎิชีวนะให้สัตว์กินหรือฉีด ก็ต้องไม่ปล่อยให้มูลสัตว์นั้นไหลลงไปในบ่อเติมของบ่อก๊าซชีวภาพ ผลของสารเคมีและยาปฎิชีวนะบางอย่างแสดงไว้ใน ผลของสารเคมีชนิดต่างๆต่อการผลิตก๊าซชีวภาพ
------------------ ------------------------
ยาวบัดซรบเรยอ่ะ - -*
แต่เรากะอ่านแร้วน๊ะ - 0 -
งุงิ *-*
สมัครสมาชิก:
ส่งความคิดเห็น (Atom)
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น