biogas from โคราช

BIOGAS Energy from Biological Conversion

of Organic Waste

ปฏิกรณ แสนสิ่ง (D4640028)

สาขาวิชาวิศวกรรมสิ่งแวดลอม สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยสีุรนารี

1

กาซชีวภาพ: พลังงานจากการแปรสภาพของเสียอินทรีย (Biogas: Energy from biological conversion of organic waste)

Table of Contents

หนา

Abstract................................................................................................................................. 2 Introduction........................................................................................................................... 3 Biogas ................................................................................................................................... 5 Wastewater characteristics.................................................................................................... 8 Microbial respiration............................................................................................................. 8 Microbiology of Anaerobic digester................................................................................... 10 Biogas bioreactor design..................................................................................................... 11 Bioreactor configuration ..................................................................................................... 12 Application of biogas digester ............................................................................................ 13 Biogas holder ...................................................................................................................... 16 Environmental factors......................................................................................................... 17 Temperature ................................................................................................................... 17 Nutrient .......................................................................................................................... 18 Mixing............................................................................................................................ 20 Retention time................................................................................................................ 21 Start up........................................................................................................................... 22 Biogas utilization ................................................................................................................ 23 Biogas upgrading ................................................................................................................ 29 Case study ........................................................................................................................... 33 References........................................................................................................................... 36

4/2/2005 ปฏิกรณ แสนส่ิง สาขาวิชาวิศวกรรมสิ่งแวดลอม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี โทรศพัท 044-224451, 223485: [email protected]

2

บทคัดยอ (Abstract) เปนที่ทราบกันดีวาระบบบําบัดแบบแอนแอโรบิก (Anaerobic digestion) มีขอไดเปรียบระบบแอโรบิก

(Aerobic) ในเรื่องของเศรษฐศาสตรและพลังงานที่ไดในรูปของกาซชีวภาพ (Biogas) ซ่ึงมีกาซมีเทนเปนองคประกอบประมาณ 60-65% และกาซคารบอนไดออกไซดประมาณ 30-38% และอีกประมาณ 2% เปนกาซอ่ืนๆ สัดสวนของกาซขึ้นอยูกับปจจัยดานสิ่งแวดลอมอื่นๆ ในขณะเดินระบบ กลุมแบคทีเรียที่บทบาทหลักในการผลิตกาซมีเทน ไดแก Hydrogenotrophic Methanogens, Acetotrophic Methanogens และ Methylotrophic Methanogens โดยมีชวงอุณหภูมิที่เหมาะสม 30-35OC และ 50-60OC สัดสวนกาซมีเทนที่ผลิตไดที่สภาวะมาตรฐาน 0.35 L CH4 /g COD (1 atm, 0 OC) การเดินระบบที่อุณหภูมิ 35OC จะเกิดกาซมีเทนประมาณ 0.4 L CH4 /g COD พลังงานความรอนของกาซชีวภาพ (65% CH4) ประมาณ 22,400 kJ/m3 ถาสัดสวนของกาซคารบอนไดออกไซดเพิ่มขึ้นจะทําใหคาความรอนของกาซชีวภาพลดลง ขอกําหนดสําหรับการการออกแบบกระบวนการเบื้องตน ไดแก Solid retention time และ Volumetric loading factors ขอกําหนดอื่นๆ จะตองพิจารณาตามความเหมาะสมของปจจัยที่เกี่ยวของ ถังปฏิกิริยาที่นิยมออกแบบเพื่อผลิตกาซชีวภาพในประเทศไทย ไดแก UASB, ABR และ Cover Lagoon การออกแบบตองคํานึงถึงเรื่องการผสม (Mixing) และความยากงายในการเดินระบบ การจัดรูปแบบถังปฏิกิริยามีทั้ง 1 หรือ 2 ขั้นตอน ซ่ึง 2 ขั้นตอนจะใหประสิทธิภาพสูงกวา การรวบรวมกาซชีวภาพที่เกิดขึ้นสามารถเลือกใชไดหลายรูปแบบไดแก Floating cover, fixed cover และ Membrane cover ทั้งนี้ขึ้นอยูกับชนิดถังปฏิกิริยาที่เลือกใช การเดินระบบใหมีประสิทธิภาพสูงนั้นตองควบคุมปจจัยส่ิงแวดลอมที่สําคัญไดแก อุณหภูมิ องคประกอบของน้ําเสีย pH, alkalinity, HRT, SRT, สารพิษ, Nutrient & Trace element การนํากาซชีวภาพไปใชประโยชน ทั้งการใหความรอน เปนเชื้อเพลิงสําหรับเครื่องยนต เชื้อเพลิงสําหรับยานยนตและการผลิตเซลลเชื้อเพลิง (Fuel Cell) ตองกําหนดระดับความบริสุทธิ์ของเชื้อเพลิงเพื่อปองกันการกัดกรอนและเกิดกาซพิษ วิธีการปรับปรุงกาซชีวภาพใหบริสุทธิ์ ไดแก การกําจัดกาซ CO2, H2S, Halogenate hydrocarbon, Siloxane, Oxygen and Nitrogen อาจเลือกใชไดหลายวิธีขึ้นอยูกับระดับความคุณภาพในการนําไปใชงานและกฎหมายที่เกี่ยวของ ตัวอยางการนําระบบผลิตกาซชีวภาพมาใชงานอยางเปนรูปธรรม ไดแก บริษัท สงวนวงษอุตสาหกรรม จํากัด และ บริษัท General Starch จํากัด อ. ครบุรี จ. นครราชสีมา โดยนําน้ําเสียที่เกิดจากกระบวนการผลิตแปงมันสําปะหลังมาผลิตกาซชีวภาพซึ่งพบวาใหผลตอบแทนที่คุมคาตอการลงทุน ซ่ึงนอกจากจะเปนการพัฒนารูปแบบการใชพลังงานทดแทนแลวยังเปนการลดปริมาณกาซเรือนกระจกที่ออกสูบรรยากาศไดดวย


3

บทนํา (Introduction) จากการสํารวจการบําบัดน้ําเสียของโรงงานอุตสาหกรรมทั่วโลกเมื่อป ค.ศ. 2003 จํานวน 1599 โรงงานพบวา 3 อันดับแรกที่โรงงานอุตสาหกรรมเลือกใชไดแก Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB), Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) และ Fixed-Bed หรือคิดเปนสัดสวน 54%, 15% และ 14% ตามลําดับ สวนที่เหลือคิดเปนระบบบําบัดชนิดอื่นๆ (Kleerebezem, R and Macarie, 2003) จากขอมูลดังกลาวชี้ใหเห็นวาโรงงานตางใหความความสําคัญกับการนําพลังงานจากน้ําเสียกลับมาใชประโยชน ซ่ึงระบบบําบัดที่กลาวมาขางตนเปนระบบที่ออกแบบเพื่อผลิตกาซชีวภาพ (Biogas) จากน้ําเสีย กาซชีวภาพที่ไดสามารถนํามาใชเปนพลังงานทดแทนในขบวนการผลิตในโรงงาน ซ่ึงจะชวยประหยัดคาใชจาย(คาเชื้อเพลิงและคาพลังงานไฟฟา) ของโรงงานไดมาก การบําบัดน้ําเสียแบบแอนแอโรบิก (Anaerobic Digestion) มีขอไดเปรียบและขอดอยเมื่อเปรียบเทียบกับระบบแอโรบิก (Aerobic System) (ดูตารางที่ 1) และเปรียบการใชพลังงานระหวาง 2 ระบบแสดงในตารางที่ 2 (Metcalf & Eddy, 2003; Kleerebezem, R. and Macarie, H., 2003) ตารางที่ 1 Advantage and disadvantage of anaerobic digestion

Advantage Disadvantage 1. Less energy required 2. Less biological sludge production 3. Fewer nutrient required 4. Methane production, a potential energy source 5. Smaller reactor volume required 6. With acclimation most organic compounds can be transformed 7.Rapid response to substrate addition after long period without feeding

1. Longer start-up to develop necessary biomass inventory 2. May required alkalinity and/or specific ion addition 3. May required further treatment with aerobic treatment process to meet discharge requirements 4. Biological nitrogen and phosphorus removal is not possible 5. Much more sensitive to the adverse effect of lower temperatures on reaction rates 6. May be more susceptible to upset due to toxic substances 7. Potential for production of odors and corrosive gases


4

ตารางที่ 2 Comparison of energy balance for aerobic and anaerobic processes for the treatment of wastewater with the following characteristics: Q = 100 m3/d, COD* = 10 kg/m3 and Temp = 25oC

Value, kJ/d Energy

Anaerobic Aerobic Aerationa,b - -1.9 x 106

Methane producedc,d 12.5 x 106 Increase wastewater temperature to 30oC -4.2 x 106 Net energy, kJ/d 8.3 x 106 -1.9 x 106

COD* = Chemical Oxygen Demand; mass of O2 for oxidized organic compound to CO2, H2O a Oxygen required = 0.8 kg/kg COD removed b Aeration efficiency = 1.52 kg O2 /kWh and 3600 kJ = 1 kWh c Methane production = 0.35 m3 /kg COD removed d Energy content of methane = 35,846 kJ/ m3 (at 0oC and 1 atm) กาซชีวภาพ (Biogas)

กาซชีวภาพ (Biogas) เปนกาซที่เกิดจากการยอยแบบแอนแอโรบิก กาซมีเทน (Methane) ซ่ึงเปนกาซที่มีประโยชนทางเศรษฐกิจและสามารถนําไปใชเปนเชื้อเพลิงสําหรับการเผาไหม กาซมีเทนบริสุทธิ์ใหคาความรอนประมาณ 35,800 kJ/m3 กาซชีวภาพ (Biogas) ที่มีสัดสวนกาซมีเทน 65% ใหคาความรอนประมาณ 22,400 kJ/m3 ปริมาณความรอนของกาซชีวภาพขึ้นอยูกับปริมาณของกาซคารบอนไดออกไซด (CO2) หรือระดับความบริสุทธิ์ของกาซชีวภาพ กาซธรรมชาติที่สวนผสมของกาซ Methane, Propane และ Butane ใหคาความรอนประมาณ 37,300 kJ/m3 (Metcalf & Eddy, 2003)

ในถังยอยแอนแอโรบิก (Anaerobic digester) มีกาซอนินทรียเกิดขึ้นจํานวนมากขึ้นอยูกับลักษณะน้ําเสียที่ปอนเขาระบบ ขั้นตอนการเกิดกาซชีวภาพจากสารโมเลกุลใหญแสดงในรูปที่ 1โดยสวนใหญจะเปนกาซมีเทน (CH4) ประมาณ 60-65% และ CO2 ประมาณ 35- 38% สวนที่เหลือประมาณ 2% จะเปนกาซอื่นๆ ซ่ึงไดแก NH3, CO, CS2, N2, N2O, H2 และ H2S สัดสวนของกาซขึ้นอยูกับปจจัยดานสิ่งแวดลอมอ่ืนๆ ในขณะเดินระบบ ไดแก อุณหภูมิ, องคประกอบของน้ําเสีย, pH, alkalinity, Hydraulic Retention Time (HRT), Solid Retention Time (SRT), สารพิษ, Nutrient & Trace element (Metcalf & Eddy, 2003; Gerardi, M. H., 2003)


5

Polymer substrates (Bio-waste suspensions)Proteins,Carbohydrates, Fats (Lipids)

Amino Acids, Sugars Fatty acids

Organic Acids, Alcohols

Acetic Acid Hydrogen, Carbon Dioxide

Methane + Carbon Dioxide

Hydrolizing Bacteria

Acidogenic Bacteria

Acetogenic Bacteria

Hydrolysis

Acidogenesis

Acetogenesis

Methanogenic BacteriaMethanogenesis

รูปที่ 1 ขั้นตอนการเกดิกาซมีเทนเริ่มตนจากสารประกอบโมเลกุลใหญ ในกรณีเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปแบบการเดินระบบ จะสงผลใหระบบยอยแอนแอโรบิกผลิตกาซ

สารประกอบอินทรีย (Organic Compound) (ดูตารางที่ 3) ซ่ึงประกอบดวยกาซมีเทนและสารอินทรียระเหยงาย (Volatile Organic Compound, VOC) VOC ประกอบดวย กรดไขมันระเหยงาย (Volatile Fatty Acid, VFA) สารประกอบไนโตรเจนและสารประกอบซัลเฟอร (Volatile Sulfur Compound, VSC) สาร VSC เกิดจากการยอยสารประกอบโปรตีน (Gerardi, M. H., 2003)

การเกิดกาซมีเทนขึ้นอยูกับอุณหภูมิของน้ํา ที่สภาวะมาตรฐาน (ความดันบรรยากาศ 1 atm และ 0oC) ระบบแอนแอโรบิกสามารถเปลี่ยนสารประกอบในรูป COD ไปเปน CH4 เทากับ 0.35L CH4/ g COD (COD ของมีเทนคือปริมาณออกซิเจนที่ใชสําหรับออกซิไดซมีเทนไปเปนกาซคารบอนไดออกไซดและน้ํา) ดังสมการที่ 1

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O (1) จากสมการที่ 1 COD ตอโมลของมีเทนคือ 2(32 g O2/mole) = 64 g O2/mole CH4 ที่สภาวะมาตรฐานกาซ

มีเทนมีปริมาตรตอหนวยโมล 22.414 L ดังนั้นสมมูลของการเปลี่ยน COD เปนกาซมีเทนเทากับ 22.414/64 = 0.35L CH4/g COD เราสามารถคํานวณปริมาตรของกาซมีเทนที่อุณหภูมิตางๆ ไดจากสมการที่ 2


6

ตารางที่ 3 Organic gases produced through microbial activity in anaerobic digesters

Name Formula VFA VSC Acetate CH3COOH x Butyrate CH3(CH2)2CH2COOH x Caproic acid CH3(CH2)4CH2COOH x Formate HCOOH x Propionate CH3CH2COOH x Succinate CH3CHOHCOOH x Valeric acid CH3(CH2)3CH2COOH x Methane CH4 Dimethylamine CH3NHCH3 Ethylamine C3H5NH2 Methylamine CH3NH2 Propylamine CH3CH2CH2NH2 Pyridine C5H6N Trimethylamine CH3NCH3CH3 Allyl mercaptan CH2=CHCH2SH x Benzyl mercaptan C6H5CH2SH x Dimethyl sulfide (CH3)2S x Ethyl mercaptan C2H5SH x Methyl mercaptan CH3SH x Thiocresol CH3C6H4SH x Thioglycolic acid HSCH2COOH x

PnRTV = (2)

โดยที่ V = volume of gas, L N = mole of gas, mole


7

R = universal gas law constant, 0.082057 atm. L/mole.K T = temperature, K (273.15 + oC) P = absolute pressure, atm ดังนั้น ที่อุณหภูมิเดินระบบแอนแอโรบิก 35oC

atm

KKmoleLatmmoleV0.1

))3515.273)((./.082057.0)(1( +=

= 25.29L และจากสมการที่ 1 จะได CH4 = (25.29 L)/(64 g COD/mole CH4) = 0.40 L CH4/g COD กาซชีวภาพมีกาซมีเทนเปนองคประกอบประมาณ 65% ดังนั้นปริมาณกาซชีภาพที่เกิดขึ้นทั้งหมด

เทากับ (0.40 L CH4/g COD)/0.65 = 0.62 L biogas/ g COD ถาในกรณีที่ทราบโครงสรางทางเคมีของน้ําเสีย สามารถคํานวณปริมาณกาซ CH4, CO2, NH3 และ H2S

ไดจากสมการที่ 3 โดยที่ไมรวมธาตุอ่ืนๆ ที่ใชสําหรับการสังเคราะหเซลล (Metcalf & Eddy, 2003)

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++−→⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +++−+ 42 48

348224

324

CHzyxwvOHzyxwvSNOHC zyxwv

SzHyNHCOzyxwv23248

3482

++⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++− (3)

NH3 ที่เกิดขึ้นจะทําปฏิกิริยากับ CO2 และเปลี่ยนไปเปน NH4

+ และ HCO-3 ดังสมการที่ 4

NH3 + H2O + CO2 NH4+ + HCO-

3 (4) และสามารถคํานวณสัดสวนโมลของกาซ CH4, CO2 และ H2S ไดจากสมการที่ 5-7

)(8

25244 zyv

zyxwvfCH +−−−−+

= (5)

)(8

25242 zyv

zyxwvfCO +−+−++

= (6)

)(82 zyv

zf SH +−= (7)

ลักษณะสมบัติน้ําเสีย (Wastewater characteristics) น้ําเสียที่เหมาะสมสําหรับการบําบัดแบบแอนแอโอบิกเพื่อผลิตกาซชีวภาพควรจะมีคา COD มากกวา

1,500 mg/L และอุณหภูมิสูง (25-35oC) ถาน้ําเสียมีคา COD ต่ํากวา 1,500 mg/L การเลือกใชระบบที่ใชออกซิเจนจะมีความเหมาะสมมากกวา (Metcalf & Eddy, 2003) โดยทั่วไปน้ําเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมจะมีคา COD สูง


8

ซ่ึงสามารถที่จะนําระบบแอนแอโรบิกมาใชไดเปนอยางดี น้ําเสียจากโรงงานผลิตแปงมันสําปะหลังมีคา COD ประมาณ 12,000-35,000 mg/L (Annachhatre, A. P. and Amatya, P. L.,2000; Plevin, R. and Donnelly, D., 2004) การหายใจของจุลชีพ (Microbial Respiration) การหายใจเปนกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในเซลลของแบคทีเรีย เมื่อสารอาหารถูกยอยสลายในเซลล จะไดพลังงานจากอิเล็กตรอนที่ปลดปลอยออกมาจากการทําลายพันธะสารโมเลกุลใหญที่มีพลังงานสูง (ดูรูปที่ 2) อิเล็กตรอนจะถูกสงไปยังตัวรับอิเล็กตรอนตัวอ่ืนๆ หลายข้ันตอน สวนหนึ่งจะนําไปสราง Adenosine Triphosphate (ATP) เพื่อใชเปนแหลงพลังงานสําหรับการเติบโตและรักษาเซลลและอีกสวนหนึ่งจะสูญเสียไปในรูปของความรอนในสิ่งแวดลอม

Glucose, high energy compound

Fermentation, lower energy compound

Acetate H2OEthanol CO2

รูปที่ 2 การยอยสารอินทรียโมเลกุลใหญจะไดผลผลิตเปนสารอินทรียที่มีพลังงานนอยลง การหายใจโดยใช O2 เปนตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดทายเรียกวา Aerobic respiration จะไดพลังงานในรูป ATP มากที่สุด (36 ATP จากกลูโคส 1 โมล) (สาโรจน ศิริศันสนียกุล และ ประวิทย วงศคงคาเทพ, 2538) แบคทีเรียจะใชพลังงานสวนหนึ่งสําหรับการสรางหรือการเติบโตของเซลล เมื่อเปรียบเทียบในรูปของคา COD ที่ถูกใชไป พบวาประมาณ 48-50% จะนําไปสรางเปนเซลล แตการหายใจโดยไมใช O2 (Anaerobic respiration) จะไดพลังงานต่ํา (2 ATP จากกลูโคส 1 โมล) และมีการสรางเซลลประมาณ 5-10% และเปลี่ยนไปเปนกาซชีวภาพประมาณ 85-90% (Kleerebezem, R and Macarie, H., 2003; Gerardi, M. H., 2003) (ดูรูปที่ 3) ลําดับพลังงานตัวรับอิเล็กตรอนสุดทายดังแสดงในตารางที่ 4 และตารางที่ 5 เปรียบเทียบ Yield (สัดสวนผลไดของเซลลตอสารอาหารที่ใช) จากสารตั้งตนในการยอยแบบแอนแอโรบิกในรูปของคา COD ที่ถูกใชไป Aerobic respiration Anaerobic respiration


http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ASCERL&possible1=Annachhatre%2C+Ajit+P.&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true

http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ASCERL&possible1=Amatya%2C+Prasanna+L.&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true

9

Effluent, 4%

CO2, 48% Biomass, 48%

Effluent, 10%

CH4/CO2, 85%

Biomass, 5%

-1.1 MJ/kg-COD +4.3 MJ/kg-COD -31 g NH4-N/kg-COD -3.2 g NH4-N/kg-COD

รูปที่ 3 เปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงสารอินทรีย ในรูป COD ในการหายใจแบบ Aerobic และ Anaerobic

ตารางที่ 4 Final electron carrier molecule, energy yield and cell (sludge) production

Final Electron Carrier Molecule

From of Respiration Energy Yield Rank g of Cell Produce/ g of COD degrade

O2 Aerobic or oxic 1 0.4-0.6 NO3

- Anaerobic or anoxic 2 ~0.4 SO4

2- Anaerobic: sulfate reduction

3 0.04-0.1

Organic Molecule Anaerobic: mixed acid and alcohol

4 0.04-0.1

CO2 Anaerobic: methane production

5 0.02-0.04

ตารางที่ 5 Growth yields (as % of COD removed) Substrate (waste) Yield

Alcohol 0.06-0.08 Carbohydrates 0.08-0.15


10

Organic acids 0.02-0.04 Proteins 0.03-0.06

จุลชีววิทยาของถังยอยแอนแอโรบิก (Microbiology of Anaerobic digester) ในระบบยอยแบบแอนแอโรบิก จะมีกลุมแบคทีเรียที่ไมใชกลุมแบคทีเรียสําหรับสรางกาซมีเทน ซ่ึงจะเปนสวนการยอยสลายสารโมเลกุลและการหมัก (Fermentation) ซ่ึงจะไดสารตั้งตนสําหรับผลิตกาซมีเทน แบคทีเรียที่มีหนาที่สรางกาซมีเทน (Methane-Forming Bacteria) เปนแบคทีเรียชนิดแอนแอโรบิกแท (Strict obligate anaerobe) รูปที่ 4 แสดงขั้นตอนการสรางกาซมีเทนโดยมีกลูโคสเปนสารตั้งตน และแบคทีเรียซ่ึงทําหนาที่สรางกาซมีเทนสามารถแบงได 3 กลุมดังนี้ Group 1 Hydrogenotrophic Methanogens แบคทีเรียกลุมนี้เปลี่ยน CO2 เปน CH4 และแบคทีเรียกลุมนี้ชวยรักษาความดันของของกาซไฮโดรเจนใหมีคาต่ําในถังยอยแอนแอโรบิก ซ่ึงเปนสิ่งจําเปนสําหรับแบคทีเรียกลุมที่ใชกรดอะซิติกสรางกาซมีเทน ดังสมการที่ 8 CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O (8) Group 2 Acetotrophic Methanogens แบคทีเรียกลุมนี้เปลี่ยนกรดอะซิติกเปน CH4 และ CO2 ซ่ึงกรดอะซิติกจะถูกเปลี่ยนไปเปน CH4 โดยอาศยัแบคทีเรียกลุมที่ 1 บางชนิดยังสามารถใช CO เพื่อสรางมีเทนไดดวย ดังสมการที่ 9 และ 10 4CH3 COOH 4CO2 + 2H2 (9) 4CO + 2H2O CH4 + 3CO2 (10)

แบคทีเรียกลุมที่ 2 จะเติบโตชากวาแบคทีเรียกลุมที่ 1 ดังนั้นจึงเกิดการสะสมของโฮโดรเจนซึ่งสงผลตอการทํางานของตัวมันเองและแบคทีเรียที่สรางมีเทนจากกรดอะซิติกชนิดอื่นๆ อีกดวย Group 3 Methylotrophic Methanogens แบคทีเรียกลุมนี้ใชสารที่มี Methyl group(-CH3) เปนสารตั้งตนสําหรับการผลิต CH4 ซ่ึงไดแก Methanol และ Methylamine [(CH3)3-N] ดังสมการที่ 11 และ 12

3CH3 OH + 6H 3CH3 + 3H2O (11) 4(CH3)3 -N + 6H2O 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 (12)


11

Glucose

Acetate

Intermediates:Ethanol, Propionate,

Butyrate

H2 + CO2

Acid-producingBacteria

Sulfate-reducingBacteria

AcetogenicBacteria

AcetolasticBacteria

Hydrogen-utilizingBacteria

CH4 + CO2

HomoacetogenicBacteria

SO42-

H2S

CO2

Inhibited by Acetic Acid

Inhibited by H2

70% 30%

รูปที่ 4 กลุมแบคทีเรียที่ใชกลูโคสเปนสารตั้งตนสําหรับผลิตกาซชีวภาพ การออกแบบถังปฏิกิริยาชีวภาพสําหรับผลิตกาซชีวภาพ (Biogas bioreactor design) โดยพื้นฐานของการออกแบบถังปฏิกิริยา (Reactor) ตองอยูบนพื้นฐานของความเขาใจในหลักการทางชีวเคมีและจุลชีววิทยา ที่ผานมาในอดีตยังไมเขาใจในหลักการอยางถองแทเทาที่ควร จึงจําเปนตองใชขอมูลที่ไดจากการทดลองเพื่อออกแบบถังปฏิกิริยา ในการออกแบบขนาดของถังปฏิกิริยาจะพิจารณาถึง Solid retention time, The use of the volumetric loading factor, Volatile solids destruction, Observed volume reduction และLoading factors base on population (Metcalf & Eddy, 2003) โดยทั่วไปจะนิยมใช 2 หลักการแรกเพราะมีความสะดวกมากกวา 3 วิธีการหลัง Bioreactor Configuration


12

รูปแบบถังปฏิกิริยาสําหรับผลิตกาซชีวภาพอาจจะออกแบบเปนขั้นตอนเดียว (Single-stage) หรือสองขั้นตอน (Two-stage) (ดูรูปที่ 5-6) ซ่ึงแตละรูปแบบสามารถแบงตามภาระบรรทุกและการเดินระบบได 2 ประเภทไดแก 1. Low-Rate Digesters เปนถังปฏิกิริยาแบบพื้นฐาน มีระยะเวลาเก็บกัก (Hydraulic Retention Time, HRT) 30-60 วัน ภาระบรรทุก (Organic Loading Rate, OLR) 0.64-1.60 kg/m3-day การเดินระบบอาจจะทําการผสม (Mixing), การเติมน้ําเสียและการเอาสลัดจ (Sludge) ออกเปนครั้งคราว ถังปฏิกิริยาชนิดนี้สามารถจะใชฝาปดที่ลอยไดหรือแบบติดกับที่แตการใชฝาปดชนิดติดกับที่จะไมสะดวกในการเดินระบบหรือการทํางานของผูเดินระบบ (Reynolde, T. D. and Richards, P. A., 1996)

2. High-Rate Digesters ถังปฏิกิริยาชนิดนี้มีระยะเวลาเก็บกัก (HRT) 10-20 วัน ภาระบรรทุก 2.4-6.4 kg/m3-day การเดินระบบจะทําการผสม, เติมน้ําเสียและการทิ้งสลัดจอยางตอเนื่อง โดยทั่วไปถังปฏิกิริยาชนิดนี้มักจะใชฝาปดแบบติดกับที่ (Reynolde, T. D. and Richards, P. A., 1996)

Sludgeheater

Sludgeoutlet

Sludgeinput

MixerFixedcover Biogas (CH4+CO2)

Gas storage

รูปที่ 5 Single stage high-rate digester


13

Sludgeheater

Sludgeinput

MixerFixedcover

Biogas (CH4+CO2)

Gas storage

Supernatantoutlet

Floatingcover

Gas storage

Digested sludge

Supernatant layer

Scum layer

Sludgeoutlet

รูปที่ 6 Two-stage digester

การประยุกตถังปฏิกิริยาสําหรับผลิตกาซชีวภาพ (Application of Biogas Reactor) จากขอมูลการสํารวจของ Kleerebezem, R. and Macarie, H. (2003) ช้ีใหเห็นวาถังปฏิกิริยา Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB) เปนที่นิยมออกแบบและนํามาใชอยางแพรหลาย เปนระบบที่มีการศึกษาวิจัยและพัฒนาอยางตอเนื่องทั้งรูปแบบถังปฏิกิริยา กลไกทางชีวเคมีและชีววิทยา (ดูรูปที่ 7) ถังปฏิกิริยาชนิดนี้พบครั้งแรกประมาณปลายป ค.ศ. 1970 โดย Lettinga และคณะ (ประเทศเนเธอรแลนด) (Metcalf & Eddy, 2003) ลักษณะถังปฏิกิริยาเปนการรวมกันระหวางสวนที่เกิดปฏิกิริยายอยสลาย สวนการตกตะกอนและสวนแยกกาซ (3 phase separator) การที่ระบบมีแบคทีเรียความเขมขนสูง (20,000-30,000 mgVSS/L) สามารถบําบัดน้ําเสียที่มีความเขมขนประมาณ 5,000 mg COD/L ไดอยางดีที่เวลาเก็บกัก (Hydraulic Retention Time, HRT) 10 ชม. และอายุสลัดจ (Solids Retention Time, SRT) 50 วัน ความไมสัมพันธกันระหวางคา HRT กับ SRT เปนผลใหระบบ UASB มีความสามารถในการบําบัดมากกวาระบบทั่วๆ ไป (Kleerebezem, R and Macarie, H., 2003) คาแนะนําสําหรับการออกแบบภาระบรรทุก เวลาเก็บกัก และความเร็วการไหลของระบบ UASB แสดงในตารางที่ 6, 7 และ 8 ตามลําดับ


14

Influent

Effluent

Biogas

Weir

Baffles

Gas bubbles

Sludge granule

Settler

Sludge bed

3 phase seperator

Gas cap

รูปที่ 7 Upflow anaerobic sludge bed (UASB) reactor

ตารางที่ 6 Recommended volumetric organic loadings as a function of temperature for soluble COD substrate for 85% to 95% COD removal, Average sludge concentration is 25,000 mg/L

Volumetric loading, kg sCOD/m3.d

VFA wastewater Non-VFA wastewater

Temperature, OC

Range Typical Range Typical 15 2-4 3 2-3 2 20 4-6 5 2-4 3 25 6-12 6 4-8 4 30 10-18 12 8-12 10 35 15-24 18 12-18 14 40 20-32 25 15-24 18


15

ตารางที่ 7 Applicable hydraulic retention time (HRT) for treatment of raw domestic wastewater in a 4 m-high UASB reactor

Temperature, OC Average HRT, h Max. HRT for 4-6 h peak, h 16-19 10-14 7-9 22-26 7-9 5-7 >26 6-8 4-5

ตารางที่ 8 Upflow velocities and reactor heights recommended for UASB reactor

Upflow velocity, m/h Reactor height, m Wastewater type

Range Typical Range Typical COD nearly 100% soluble 1.0-3.0 1.5 6-10 8 COD partially soluble 1.0-1.25 1.0 3-7 6 Domestic wastewater 0.8-1.0 0.7 3-5 5

ทั้งนี้การเลือกรูปแบบถังปฏิกิ ริยาตั้ งตั้ งอยูบนพื้นฐานของความเหมาะสมทั้งทางวิศวกรรม เศรษฐศาสตร และกฎหมาย สําหรับประเทศไทยเริ่มใหความสําคัญกับการนําพลังงานจากน้ําเสียมาใชประโยชน มากขึ้น โดยเฉพาะฟารมสุกรมีหนวยงานของรัฐใหการสนับสนุนในการลงทุน รูปแบบถังปฏิกิริยาที่นิยมเรียกวา Anaerobic Baffled Reactor (ABR) (ดูรูปที่ 8) หรือสถานประกอบการที่มีระบบบําบัดน้ําเสียแบบ Anaerobic pond สามารถปรับปรุงและแกไขใหสามารถนํากาซชีวภาพมาใชงานไดโดยคลุมบอดวยแผนใยสังเคราะหเรียกถังปฏิกิริยานี้วา Cover Lagoon นอกจากจะไดกาซชีวภาพมาใชประโยชนแลวยังสามารถชวยลดกล่ินเหม็นของระบบไดอีกดวย (ดูรูปที่ 9)


16

Gas

Influent

Recycle

Effluent

รูปที่ 8 Anaerobic baffled reactor (ABR)

InfluentEffluent

Geomembrane coverFoam float

Geomembraneliner

Gas recovery pipe

รูปที่ 9 Cover lagoon ถังเก็บพักกาซชีวภาพ (Biogas holder) ในการเก็บรวบรวมกาซชีวภาพที่เกิดขึ้นจะถูกรวบรวมที่ตําแหนงใตฝาปดถังปฏิกิริยา ซ่ึงพบไดทั่วไป 3 รูปแบบ ไดแก Floating cover, Fixed cover และ Membrane cover (ดูรูปที่ 10) การเลือกใชรูปแบบใดขึ้นอยูกับขนาดถังปฏิกิริยาและความยากงายในการกอสราง การใชรูปแบบ Floating cover และ Membrane cover จะไดเปรียบในเรื่องการรักษาความดันของกาซภายในถังปฏิกิริยา ทั้งนี้ตองมีระบบปองกันความดันภายในเก็บพักกาซเพิ่มขึ้นมากเกินไป เพื่อลดความดันของกาซที่มีมากเกินไปอาจจะนําไปเก็บในภาชนะอัดความดันหรือเผาทิ้งกลางแจง (Biogas flare) ถังรวบรวมกาซชีวภาพอาจจะแยกออกจากถังปฏิกิริยาก็ได (ดูรูปที่ 11) วิธีดังกลาวจะลดขอจํากัดขนาดของถังรวบรวมกาซที่ตองขึ้นกับขนาดถังปฏิกิริยาและมีความคลองตัวหรือยืดหยุนในการควบคุมมากขึ้น (Metcalf & Eddy, 2003)


17

Biogas Biogas

Biogas

Floating Cover Fixed Cover Membrane Cover

รูปที่ 10 ลักษณะการเก็บรวบรวมกาซชีวภาพแบบ Floating cover, Fixed cover และ Membrane cover Biogas

Water

Biogas from

digester

รูปที่ 11 รูปแบบถังรวบรวมกาซชีวภาพแบบ External floating cover ปจจัยสิ่งแวดลอม (Environmental Factors)

อุณหภูมิ (Temperature) อุณหภูมิที่เดินระบบแอนแอโอบิกมี 2 ชวง ไดแก 30-35OC และ 50-60OC โดยอุณหภูมิชวง 40-50OC กลุมแบคทีเรียที่ผลิตกาซมีเทนจะถูกยับยั้ง (Gerardi, M. H., 2003) สวนใหญจะเดินระบบที่อุณหภูมิ 30-35OC มากกวา 50-60OC เนื่องจาก Thermophillic bacteria มีความออนไหวตอการเปลี่ยนแปลงของปจจัยส่ิงแวดลอม มักจะประสบปญหาในการควบคุมระบบไดงายกวา Mesophillic bacteria รายละเอียดกลุมแบคทีเรียแสดงในตารางที่ 9-10 และเปรียบเทียบการเดินระบบระหวาง Mesophillic digesters และ Thermophillic digesters แสดงในตารางที่ 11 ตารางที่ 9 Optimum temperature ranges for the growth of methane-forming bacteria


18

Bacteria Group Temperature Range, OC Psychrophiles 5-25 Mesophiles 30-35 Thermophiles 50-60 HyperThermophiles >65

ตารางที่ 10 Temperature range for methane production for municipal anaerobic digesters

Temperature, OC Methane Production 35 Optimum 32-34 Minimum 21-31 Little, digester going “sour” <21 Nil, digester is “sour”

ตารางที่ 11 Comparison of mesophillic and thermophillic digesters

Feature Mesophillic digester Thermophillic digester Loading rates Lower Higher Destruction of pathogens Lower Higher Sensitivity to toxicants Lower Higher Operational costs Lower Higher Temperature control Less difficult More difficult

ความตองการธาตุอาหาร (Nutrient Requirements)

ลักษณะโครงสรางพื้นฐานของเซลลแบคทีเรียมีน้ําเปนองคประกอบประมาณ 80% สวนที่เหลือ 20% ประกอบดวยอินทรียสาร 90% และอนินทรียสาร 10% สูตรโครงสรางอยางงายของเซลล (C5H7O2N) จะมีธาตุคารบอนเปนองคประกอบประมาณ 50% (ดูตารางที่ 12) แตถาพิจารณารวมฟอสฟอรัสดวย สูตรโครงสรางจะเปลี่ยนเปน C60H87O23N12P (องคประกอบจะเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและชนิดของแบคทีเรีย) (Metcalf & Eddy, 2003) ตารางที่ 12 Elementary composition of bacterial cells


19

Element Approximate Percent Composition Carbon 50 Oxygen 22 Nitrogen 12 Hydrogen 9 Phosphorus 2 Sulfur 1 Potassium 1 Sodium 1 Calcium 0.5 Magnesium 0.5 Chloride 0.5 Iron 0.2 Other trace element 0.3

ธาตุอาหารที่จําเปนสําหรับการเติบโตของแบคทีเรียสามารถแบงได 2 กลุม ไดแก Macronutrient และ

Micronutrient ซ่ึง Macronutrient ถือไดวาเปนธาตุอาหารหลักสําหรับการสังเคราะหเซลล ไดแก C, N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na และ Cl สวน Micronutrient ไดแก Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni และ Vitamin ซ่ึงมีบทบาทในกระบวนการสันดาปและการทํางานของเอนไซมของเซลล สัดสวน COD: N: P ขึ้นอยูกับภาระบรรทุกของระบบ โดยทั่วไป 1000: 7: 1 และ 350: 7: 1 สําหรับ น้ําเสียความเขมขนสูงและน้ําเสียความเขมขนต่ําตามลําดับ ทั้งนี้สามารถคํานวณธาตุอาหาร (N, P) ที่ตองการไดโดยพิจารณาจากสัดสวนองคประกอบของเซลล (ดูตัวอยางการคํานวณ)โดยมีสมมติฐานการสรางเซลลสําหรับการหายใจแบบแอนแอโรบิกประมาณ 5% สําหรับ Micronutrient สามารถคํานวณความตองการอยางนอยประมาณ 0.02-0.03 mg/g COD สําหรับ Fe, Zn และ0.003-0.004 mg/g COD สําหรับ Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni (McCarty, P. L. and Rittmann, B. E., 2001)

ตัวอยางการคํานวณ


20

Influent COD = 10,000 mg/L Treatment efficiency = 80% COD removed = 8,000 mg/L Biomass growth (0.05 x 8,000) = 400 mg VSS/L Nitrogen required (400 x 0.12) = 48 mg/L Phosphorus required (400 x 0.02) = 8 mg/L

การผสม (Mixing) การผสมเปนการทําใหแบคทีเรียมีโอกาสสัมผัสกับอาหาร(น้ําเสีย) มากขึ้น สงผลใหปฏิกิริยาการยอยสลายเกิดไดเร็วขึ้น ในกรณีน้ําเสียแปงมันสําปะหลังจะลดการจับตัวกันเปนกอนแปงซ่ึงจะทําใหเกิดการยอยแปงไดรวดเร็วข้ึน การผสมสามารถลดเวลาเก็บกักของถังปฏิกิ ริยาได วิธีการผสมโดยใชใบพัดกวนจะมีประสิทธิภาพสูงกวาการผสมโดยหมุนเวียนกาซที่เกิดขึ้นภายในระบบ (ดูรูปที่ 12) การผสมสามารถเลือกรูปแบบไดทั้งการผสมแบบตอเนื่องและเปนชวงเวลา กลุมแบคทีเรียที่ผลิตกาซมีเทนมีความไวตอการผสมเร็ว (Rapid Mixed, Velocity gradient, G >500 s-1) มาก ควรหลีกเล่ียงการผสมที่อาจทําใหแบคทีเรียที่ผลิตกาซมีเทนหลุดออกจากระบบ เพราะจะทําใหระบบลมเหลวได (Gerardi, M. H., 2003) ขอกําหนดการออกแบบระบบการผสมสําหรับการยอยแบบแอนแอโรบิกแสดงในตารางที่ 13

Motor and gear box

Mechanical Stirring System Confined gas-injection

Gas compressor

Biogas Biogas

Baffle

Turbine

Internaldraft tubes

รูปที่ 13 รูปแบบการผสมในถังยอยแอนแอโรบิก Advantages of Mixing Digester Content


21

1. Eliminating or reducing scum buildup 2. Eliminating thermal stratification or localized pockets of depressed temperature 3. Maintaining digester sludge chemical and physical uniformity throughout the tank 4. Rapid dispersion of metabolic wastes (products) produced during substrate digestion 5. Rapid dispersion of any toxic materials entering the tank (minimizing toxicity) 6. Prevent deposition of grit

ตารางที่ 13 Typical design parameters for anaerobic digester mixing systems Parameter Type of mixing system Typical values

Unit power Mechanical system 0.005-0.008 kW/m3 of digester volume

Unit gas flow Gas mixing Unconfined Confined

0.0045-0.005 m3/m3.min 0.005-0.007 m3/m3.min

Velocity gradient, G All 50-80 s-1

Turnover time of tank contents Confined gas mixing and mechanical systems

20-30 min

เวลาเก็บกัก (Retention Time)

มี 2 ตัวแปรที่สําคัญที่เกี่ยวของกับเวลาในถังปฏิกิริยา ไดแก Solid Retention Time (SRT) และ Hydraulic Retention Time (HRT) โดยที่ SRT เปนเวลาเฉลี่ยที่แบคทีเรียอยูในถังปฏิกิริยา สวน HRT เปนเวลาเฉล่ียที่น้ําเสียหรือสลัดจอยูในถังปฏิกิริยา ตัวแปรทั้งสองอาจจะสัมพันธกันหรือไมก็ไดขึ้นอยูกับลักษณะการเดนิระบบ Methane-Forming Bacteria ตองการเวลาสําหรับการฟกตัวและเพิ่มจํานวนมากกวาแบคทีเรียกลุมที่ใชออกซิเจน (ดูตารางที่ 14) ดังนั้นการเดินระบบไมควรให SRT นอยกวา 10 วัน เนื่องจากอาจจะเกิดการชะลาง (Washout) Methane-Forming Bacteria ออกจากระบบ SRT ถือไดวามีความสําคัญกวา HRT เพราะไมขึ้นกับลักษณะน้ําเสียหรือลักษณะของสลัดจ การเพิ่มตัวกลางเขาไปในระบบทําให SRT เพิ่มขึ้นได ขอดีของการเดินระบบที่คา SRT มาก ไดแก เพิ่มความสามารถในการบําบัด ลดขนาดถังปฏิกิริยา ลดผลกระทบจากภาวะรับภาระ


22

เกิน (Shock loading) หรือมีสารพิษที่เขามากับน้ําเสีย การเพิ่มคา SRT อาจทําได 2 วิธี ไดแก การเพิ่มขนาดถังปฏิกิริยาและการเพิ่มความเขมขนของแบคทีเรียในระบบ ทั้งนี้ HRT มีผลตออัตราการเปลี่ยนแปลงกรดไขมันระเหยงายไปเปนกาซมีเทน ตารางที่ 14 Approximate generation times of important groups of wastewater bacteria

Bacterial group Function Approximate Generation Time

Aerobic organotrophs Floc formation and degradation of soluble organics in the activated sludge and trickling filter processes

15-30 min

Facultative Anaerobic organotrophs

Floc formation and degradation of soluble organics in the activated sludge and trickling filter processes, hydrolysis and degradation of organics in the anaerobic digester

15-30 min

Nitrifying bacteria Oxidation of NH4+ and NO2

- in the activated sludge and trickling filter processes

2-3 days

Methane-forming bacteria

Production of methane in the anaerobic digester 3-30 days

การเริ่มเดินระบบ (Start-up) การเริ่มเดินระบบสามารถดําเนินการได 2 ลักษณะไดแก การบมเพาะเชื้อข้ึนเองจากน้ําเสียที่มีอยูแลวซ่ึงอาจจะใชเวลาในการบมเพาะนานหลายเดือนและการนําเชื้อ (Seeds) มาจากระบบอื่นที่มีลักษณะน้ําเสียคลายคลึงกัน ซ่ึงวิธีการหลังจะใชเวลาในการเริ่มเดินระบบสั้นกวาวิธีแรกแตยังคงใชเวลามากกวา 1 เดือน (Kleerebezem, R and Macarie, H., 2003) แหลงเชื้อเบื้องตนควรนําสลัดจมาจากถังตกตะกอนแรกและถังตกตะกอนที่ 2 ในสัดสวนประมาณ 10: 1 (สลัดจจากถังตกตะกอนแรกจะมี Facultative Anaerobes ซ่ึงจะทําหนาที่ยอยสารโมเลกุลใหญใหมีขนาดเล็กลงจํานวนมาก สวนตะกอนจากถังตกตะกอนที่สองจะมี Anaerobes มากกวาซึ่งรวมถึง Methane-Forming Bacteria) แมวาสัดสวนของสลัดจจากถังตกตะกอนจะนอยกวาแตมีความเขมขนของแบคทีเรียมากกวา


23

เนื่องจาก Methane-Forming Bacteria เปนกลุมจุลชีพที่ไมสามารดํารงชีพในสภาวะที่มีออกซิเจนอิสระได ดังนั้นสลัดจจากระบบแอกติเวทเต็ดสลัดจอาจจะมีความเขมขนของ Methane-Forming Bacteria ต่ํา การปอนสลัดจจากระบบแอกติเวทเต็ดสลัดจอยางเดียวอาจจะไมเพียงพอ ในการเริ่มเดินระบบในระยะเริ่มตนถาปริมาณของ Methane-Forming Bacteria ไมมากพอจะมีการสะสมของกรดไขมันระเหยงาย (Volatile Fatty Acid, VFA) ทําใหมีกลิ่นเปรี้ยว (Sour) อาจจําเปนตองเพิ่มปริมาณ Methane-Forming Bacteria จากมูลวัวสด ปอนดวยอัตรา 5 L:10,000 L ของปริมาตรถังปฏิกิริยา ปอนตอเนื่องจนทั่งระบบมีประสิทธิภาพเปนที่พอใจ กอนการปอนเชื้อจากแหลงอ่ืนควรปรับอุณหภูมิของเชื้อไปที่ 35OC จะทําใหระบบทํางานไดรวดเร็วขึ้น การดําเนินการชวงการเริ่มเดนิระบบจะตองดําเนินการอยางคอยเปนคอยไปและตองรักษาคาความเปนกรด-ดาง (pH) ใหคงที่ในชวง 6.8-7.2 และ Alkalinity ประมาณ 1,500-3,000 mg/L (Gerardi, M. H., 2003; Metcalf & Eddy, 2003) การใชประโยชนจากกาซชีวภาพ ( Biogas Utilization) กาซชีวภาพที่ไดจากระบบแอนแอโรบิกสวนใหญจะอิ่มตัวดวยไอน้ํา ในเบื้องตนกอนการนําไปใชประโยชนตองทําการแยกไอน้ําออกโดยผานเครื่องควบแนน (Condenser, Cooler at 4OC) กาซชีวภาพสามารถนําไปประยุกตใชงานอยางกวางขวางเชนเดียวกับกาซธรรมชาติ (ดูตารางที่ 15) ระดับความบริสุทธ์ิของกาซขึ้นอยูกับลักษณะการนําไปใชประโยชนและมาตรฐานของเครื่องจักรกล (ดูตารางที่ 16) ตารางที่ 15 เปรียบเทียบลักษณะสมบัติของกาซชีวภาพกบักาซธรรมชาติ

Parameter Unit Natural Gas Biogas (60% CH4,

38% CO2, 2% Other Calorific value (lower) MJ/m3 36.14 21.48 Density Kg/m3 0.82 1.21 Wobbe Index (lower) MJ/m3 39.9 19.5 Max. ignition velocity m/s 0.39 0.25 Theory air requirement m3air/m3gas 9.53 5.71 Max. CO2 conc. in stack gas vol% 11.9 17.8 Dew point OC 59 60-160

ตารางที่ 16 คําแนะนําสําหรับการปรับปรุงคุณภาพกาซชีวภาพ (ขึ้นอยูกับการนําไปใชประโยชน) Application H2S CO2 H2O


24

Gas heater (boiler) <1,000 ppm no recommended Kitchen stove Yes no recommended Stationary engine (CHP) <1,000 ppm no yes Vehicle fuel Yes recommended yes Fuel Cell Yes yes yes

การใชประโยชนจากกาซชีวภาพสามารถจําแนกตามลักษณะการใชงานได 4 กลุม ไดแก Heating (ใชเปนเชื้อเพลิงสําหรับเครื่องทําน้ํารอน), Stationary Engine (Combined Heat and Power, CHP), Vehicle Fuel (คุณภาพขึ้นอยูกับกฎหมายของแตละประเทศ (ดูตารางที่ 17)) และ Fuel Cell (การผลิตพลังงานไฟฟา (DC) โดยรวมเชื้อเพลิง (Biogas) กับออกซิเจนจากอากาศในถังปฏิกิริยาไฟฟาเคมี ปฏิกิริยาเกิดขึ้นคลายกับแบตเตอรี่แตไมสามารถเก็บสํารองไฟฟาไดเหมือนแบตเตอรี่ (ดูรูปที่ 13) ในปจจุบันเซลลเชื้อเพลิงที่นํามาใชงานมีประมาณ 5 ชนิดแยกตามชนิดของสารอิเล็คตรอไลท ไดแก Alkaline (AFC), Phosphoric Acid (PAFC), Molten Carbonate (MCFC), Solid Oxide (SOFC) และ Proton Exchange Membrane (PEM) ซ่ึงแตละชนิดมีความสามารถในการผลิตกระแสไฟฟาไมเทากัน (ดูตารางที่ 18) การประยุกตใช และขอดีและขอเสียแตกตางกัน (Spiro, T. G. and Stigliani, W. M., 2003) (ดูตารางที่ 19-20))

ตารางที่ 17 Quality demands in different countries for utilization of biogas as vehicle fuel Parameter Unit France1) Switzerland1) Sweden


25

Wobbe indexlower MJ/m3 45.5 Wobbe indexupper MJ/m3 48.2 Water dew point OC 5OC lower than the lowest ambient

temp. Energy content upper kWh/m3 10.7 Water content, max. mg/m3 100 5 32 Methane, min. vol% 96 97 Carbon dioxide, max. vol% 3 Oxygen, max. vol% 3.5 0.5 1 Carbon dioxide + oxygen + nitrogen, max.

vol% 3 3 3

Hydrogen, max. vol% 0.5 Hydrogen sulfide, max. mg/m3 7 5 23 Total sulfur mg/m3 14.3 Particles of other solid contaminants, max. diameter

mm 5

Halogenated hydrocarbon mg/m3 1 0


26

BiogasCleaning

BiogasUpgrading

H2S, NH3, CO2

Biogas

Off gas

Air

Heatconsumer

Electricityconsumer

H2

H2O

H2O H2, CO

H2

Anod

e

Ele

ctro

lyte

Cat

hodeReformer

Conerter

CO + H2O H2 + CO2

CH4 + H2O 3H2 + CO

รูปที่ 13 กระบวนการผลิตไฟฟาของเซลลเชื้อเพลิงจากกาซชีวภาพ ตารางที่ 18 Fuel cell application for biogas

Fuel Cell and Characteristics

PAFC MFC SOFC PEM

Electrolyte Phosphoric Acid H3PO4

Melton Carbonate LiKCO3

Solid Oxide Y2O3 and ZrO2

Membranes

System Efficiency (%) 40-50 50-57 45-50 Module Size 200 kW-2 MW 2 MW 3-100 kW Fuel Type Natural gas, coal or biogas Gases MeOH Commercial Availability now 1999 2001 2004


27

ตารางที่ 19 Comparison of five fuel cell technologies Fuel cell type Electrolyte Operating

temperature (oC) Electrochemical

reactions Alkaline (AFC) Aqueous solution of

potassium hydroxide soaked in matrix

90-100 Anode: H2+2OH- 2H2O+2e-

Cathode: 1/2O2+2H2O+2e- 2OH-

Cell: H2+1/2O2 H2O Polymer Electrolyte Membrane (PEM)

Solid organic polymer polyperfluorosulfonic acid

60-100 Anode: H2 2H++2e-

Cathode: 1/2O2+2 H++2e- H2O Cell: H2+1/2O2 H2O

Phosphoric Acid (PAFC)

Liquid phosphoric acid soaked in a matrix

175-200 Anode: H2 2H++2e-


Molten carbonate (MSFC)

Liquid solution of lithium, sodium and/or potassium carbonates, soaked in a matrix

600-1,000 Anode: H2+ CO32- H2O+ CO2+2e-

Cathode: 1/2O2+ CO2+2e- CO32-

Cell: H2+1/2O2+CO2 H2O+CO2

Solid oxide (SOFC)

Solid ziconmuim oxide to which a small amount of ytrria is added

600-1,000 Anode: H2 H++2e-



28

ตารางที่ 20 Application of five fuel cell technologies Fuel cell type Applications Advantages Disadvantages

Alkaline (AFC) - Military - Space

- Cathode reaction faster in alkaline electrolyte- so high performance

- Expensive removal of CO2 from fuel and air streams required

Polymer Electrolyte Membrane (PEM)

- Transportation - Electric utility - Portable power

- Solid electrolyte reduces corrosion & management problems -Low temperature -Quick start - up

- Low temperature required expensive catalyst - High sensitivity to fuel impurities

Phosphoric Acid (PAFC)

- Transportation - Electric utility

- Up to 85% efficient in co-generation of electricity and heat - Impure H2 as fuel

- Pt catalyst - Low current and power - Large size/weight

Molten carbonate (MSFC)

- Electric utility

- High temperature advantages

- High temperature enhance corrosion and breakdown of cell components

Solid oxide (SOFC)

- Electric utility

- High temperature advantages - Solid electrolyte advantages

- High temperature enhance corrosion and breakdown of cell components


29

การเพิ่มคุณภาพกาซชีวภาพ (Biogas Upgrading) นอกจากการเพิ่มคุณภาพของกาซชีวภาพจะขึ้นอยูกับลักษณะการนําไปใชประโยชนแลว ยังขึ้นอยูกับราคาและปจจัยส่ิงแวดลอมที่เกี่ยวของ ในเบื้องตนควรแยกไอน้ําออกเพื่อปองกันการควบแนนเปนหยดน้าํ เพราะจะสงผลตอเครื่องยนตหรืออุดตันระบบจายเชื้อเพลิงของเครื่องยนตได สําหรับ H2S เมื่อทําปฏิกิริยากับไอน้ําจะกลายเปนกรด H2SO4 ที่มีฤทธิ์กัดกรอนโลหะ ขั้นตอนและวิธีที่นิยมในการเพิ่มคุณภาพกาซชีวภาพแสดงในรูปที่ 14 ในขั้นตนจะเปนการแยก H2S, NH3, halogenated hydrocarbon, Silosane, O2, N2 และในขั้นถัดไปจะเปนการลดสัดสวนของ CO2 ซ่ึงเปนการเพิ่มคาความรอนตอปริมาตรของกาซชีภาพ วิธีการกําจัด H2S และ CO2 ที่นิยม ไดแก Water scrubbing และ Carbon molecular sieves ตามลําดับ (Wellinger, A. and Lindberg, A, 2005) รูปที่ 15 แสดงขั้นตอนการกําจัด H2S และ CO2 โดยใชวิธี Water scrubbing และรูปที่ 16 แสดงขั้นตอนการกําจัด CO2 โดยวิธี Carbon molecular sieves และตารางที่ 21 เปนวิธีการปรับปรุงคุณภาพกาซชีวภาพในตางประเทศ

BiogasCleaning

BiogasUpgrading

Heating

CHP-Engine

Vehicle fuel

Fuel cells

Biogas flare

H2S, NH3, halogenated hydrocarbon,Silosane, O2, N2 CO2

Excess biogas or Emergency flaring

Water scrubbing

Biological desulphurisation

Water scrubbingCarbon molecular sievesImpregnate activate carbon

Iron choride dosing to digester slurryIron oxideIron oxide wood chipsIron oxide pelletsSelexol scrubbingSodium hydroxide scrubbingPressurised tube exchangerGas-liquid absorption

MembranePolyethylene glycol scrubbingHigh pressure gas separationGas-liquid absorption membranes

Membrane

รูปที่ 14 ขั้นตอนการปรับปรุงคุณภาพกาซชีวภาพ (ขึ้นอยูกับการนําไปใชประโยชน)


30

Biogas InletCompression 10 bar

Absorbtion tower

CO2+ H2S

Water pump Water pump

Water

Upgrade biogas~ 90% CH4Dryer

Biogas Outlet

Desorption tower (regenerate of

water)

รูปที่ 15 รูปแบบการกําจัด CO2 และ H2S โดยวิธี Absorption (Water scrubbing)

4-bed Adsorber

Upgrade biogas> 96% CH4

Vacuum pump

CO2

Compressor

Condensation Cooler

H2O

Biogas Outlet

Biogas Inlet

รูปที่ 16 รูปแบบการกําจัด CO2 โดยวิธี Carbon molecular sieves


31

ตารางที่ 21 List of selected reference plants with full gas Country City Product Gas

Utilization Biogas

Production CH4

Requirement, %

CO2 removal technique

H2S removal technique

Czech Rep. Bystrica Chanov/Most Liberec Zlin/Tecovice

Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel

Sewage sludge Sewage sludge Sewage sludge Sewage sludge

95 95 95 95

Water scrub. Water scrub. Water scrub. Water scrub.

Water scrub. Water scrub. Water scrub. Water scrub.

France Chambery Lille Tours

Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel

Sewage sludge Sewage sludge Landfill

96-97

Water scrub. Water scrub. Water scrub.

Biofilter/ Water scrub. Water scrub. Water scrub.

The Netherlands

Collendorn Gorredijk Nuenen Tilburg Wijster

Natural gas Natural gas Natural gas Natural gas Natural gas

Landfill Landfill Landfill Sewage sludge Landfill Green waste Landfill

88

88

88

88

88

Membranes Membranes Carbon molecular sieves Water scrub. Carbon molecular sieves

Activated carbon Activated carbon Activated carbon Iron oxide pellets Activated carbon

New Zeeland

Christchurch Vehicle fuel Water scrub.


32

ตารางที่ 21 List of selected reference plants with full gas (ตอ) Country City Product Gas

Utilization Biogas

Production CH4

Requirement, %



Sweden Eslov Goteborg Helsigborg Kalmar Linkoping Stockholm Trollhattan Uppsala

Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel

Sewage sludge Vegetable waste Sewage sludge Slaughterhouse waste Sewage sludge + manure+ Slaughterhouse waste Sewage sludge + manure+ Slaughterhouse waste Sewage sludge Sewage sludge +fish waste Sewage sludge +manure

97

97

97

97

97

97 97

97

Water scrub. Carbon molecular sieves Carbon molecular sieves Water scrub. Water scrub. Water scrub. Water scrub. Water scrub.

Water scrub. Activated carbon Activated carbon Water scrub. Iron chloride dosing+water scrub. Water scrub. Water scrub. Water scrub.

Switzerland Bachenbulach Otelfingen Rumlang Samstagern

Vehicle fuel Vehicle fuel Vehicle fuel Natural gas

Biowaste Biowaste Biowaste Biowaste

96

96

96

96

Carbon molecular sieves Carbon molecular sieves Carbon molecular sieves Carbon molecular sieves

Activated carbon Activated carbon Activated carbon Activated carbon


33

ตารางที่ 21 List of selected reference plants with full gas (ตอ) Country City Product Gas

Utilization Biogas

Production CH4

Requirement, %



USA Croton landfill Westchester Co, (NY) Fresh Kills, Staten Island (NY) Puente Hill Landfill, Los Angeles (CA) Renton (WA) Mc Carty Road (NY)

Vehicle fuel Natural gas Vehicle fuel Natural gas Natural gas

Landfill Landfill Landfill Sewage sludge Landfill

90

96

98

Selexol scrub. Selexol scrub. Membranes Water scrub. Selexol scrub.

Selexol scrub. Selexol scrub. Activated carbon Water scrub. Selexol scrub.

กรณีศึกษา: การใชประโยชนจากกาซชีวภาพ (Case study: Biogas utilization) บริษัท สงวนวงษอุตสาหกรรม จํากัด เปนโรงงานอุตสาหกรรมผลิตแปงมันสําปะหลัง ตั้งอยู อ.เมือง จ.นครราชสีมา ที่มีการนําน้ําเสียจากขบวนการผลิตแปงมันสําปะหลังมาผลิตกาซชีวภาพ ซ่ึง บ. สงวนวงษอุตสาหกรรม จก. ประยุกตระบบบําบัดน้ําเสียแบบดั้งเดิมที่เปน Anaerobic lagoons แลวคลุมดวยผาใยสังเคราะหเพื่อรวบรวมกาซที่เกิดขึ้นนํามาเปนเชื้อเพลิงภายในโรงงานและบางสวนถูกสงไปปอนโรงงานผลิตกระแสไฟฟา (ดูรูปที่ 17) กรอบแนวคิดการใชประโยชนจากกาซชีวภาพแสดงรายละเอียดในรูปที่ 18 (Waste Solutions Ltd., 2001) ปจจุบันโรงงานมีน้ําเสียจากกระบวนการผลิตประมาณ 8,400 ลบ.ม./วัน คา COD และ BOD5 ( ฺBiological Oxygen Demand, 5 days) มากกวา 32,000 mg/L และ 16,000 mg/L ตามลําดับ ระบบสามารถผลิตกาซชีวภาพไดประมาณ 124,000 ลบ.ม./วัน (CH4~ 62%) (Plevin, R. and Donnelly, D., 2004) พลังงานไฟฟาที่ผลิตไดสามารถทดแทนพลังงานไฟฟาที่ตองการทั้งหมดของโรงงาน แตปจจุบันใชประโยชนเพียงรอยละ 50% เทานั้น


34

Biogas Plant

Cassava Processing Plant

Electricity Generation Plant

Biogas Flare

Rotary Drum Screen

Sand Trap/Grid Chamber

Buffer Pond

Gas-Fired Dryer

Biogas

Treated Wastewater to Lagoon System

ElectricityWastewater

Biogas

รูปที่ 17 รูปแบบการใชประโยชนจากกาซชีวภาพของ บริษัท สงวนวงษอุตสาหกรรม จํากัด

Glucose Factory Effluent

Fluel OilGrid Fed Electricity &

Emissions

SWI Facility - Production of starch product -Production of wastewater -Use of electricity -Use of fuel oil/biogas

Fuel Oil Emission

Pond 3

Biogas-To SWI heaters

KWTE-Project Operating Company -Management of ABR -Provider of energy services

Fujitive Methane from pipeline, or incomplete combustion

Electricity to SWI

Gen Sets-Biogas electricity production

Biogaspipeline

Flare Stack -Excess biogas -Emergency flaring

ABR -Receives SWI wastewater flows -Delivers biogas

Ponds 1, 2 & 4 -Receives SWI wastewater bypass flows -Receives residual ABR wastewater flows

Project Fugitive Pond Methane Emission

Pond 5+Receives wastewater from pond 1-4

Fugitive Methane Emission

รูปที่ 18 กรอบแนวคดิการใชประโยชนจากกาซชีวภาพของ บริษัท สงวนวงษอุตสาหกรรม จํากัด


35

General Starch Co., Ltd อ. ครบุรี จ. นครราชสีมา เปนโรงงานผลิตแปงมันสําปะหลังหนึ่งที่ใหความสําคัญกับการใชประโยชนจากกาซชีวภาพจากน้ําเสียที่เกิดขึ้น ปจจุบันมีน้ําเสียประมาณ 2,000 ลบ.ม/วัน ปอนเขาระบบ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed) เพื่อผลิตกาซชีวภาพ และกําลังกอสรางระบบ UASB เพิ่มอีกโดยมีความสามารถรองรับน้ําเสียมากกวาระบบปจจุบัน 2 เทา (ดูรูปที่ 19-21)

รูปที่ 19 บอหมักกรด (เตรียมน้ําเสียกอนเขา UASB) (2 มี.ค. 2548)

รูปที่ 20 Operating UASB reactor (2,000 m3/day) (2 มี.ค. 2548)


36

รูปที่ 21 New Project UASB reactor (4,000 m3/day) (2 มี.ค. 2548)

References สาโรจน ศิริศันสนียกุล และ ประวิทย วงศคงคาเทพ. (2538). วิศวกรรมเคมีชีวภาพพื้นฐาน 1. กรุงเทพฯ:

จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย. Gerardi, M. H. (2003). The microbiology of anaerobic digesters. New Jersey: John Wiley & Son. Kleerebezem, R. and Macarie, H. (2003). Treating industrial wastewater: Anaerobic digestion comes of age.

AIChemJ. april: 56-64. Metcalf & Eddy. (2003). Wastewater engineering: treatment and reuse. (4 th ed.). Boston: McGraw Hill. McCarty, P. L. and Rittmann, B. E. (2001). Environmental biotechnology: Principles and applications.

Boston: McGraw Hill. Plevin, R. and Donnelly, D. (2004). Converting waste to energy and profit: Tapioca starch power in

Thailand [On-line]. Available: http://palangthai.org/en/docs/KWTE_REW.pdf Reynolds, T. D. and Richards, P. A. (1996). Unit operations and processes in environmental engineering.

Boston: PWS. Waste Solutions Ltd. (2001). Prospects for Biogas Harvesting at Sanguan Wong Industries Co. Ltd

(Thailand) [On-line]. Available: http://cdm.unfccc.int/UserManagement/FileStorage/FS_211159673


37

Wellinger, A. and Lindberg, A.(2005). Upgrading and utilization of biogas [On-line]. Available: http://www.novaenergie.ch/iea-bioenergy-task37/Dokumente/Biogas%20upgrading.pdf

Annachhatre, A. P. and Amatya, P. L. (2000). UASB Treatment of Tapioca Starch Wastewater. J. Envir. Engrg. 126 (12): 1149-1152.

Spiro, T. G. and Stigliani, W. M. (2003). Chemistry of the environment. (2nd ed.). New Jersey: Prentice Hall.


http://www.novaenergie.ch/iea-bioenergy-task37/Dokumente/Biogas%20upgrading.pdf

http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ASCERL&possible1=Annachhatre%2C+Ajit+P.&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true

http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ASCERL&possible1=Amatya%2C+Prasanna+L.&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true

biogas from โคราช

Documents