โครงการศึกษาการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพ จากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล

ได้รับการสนันสนุน        สำนักงานคณะกรรมการกำกับกิจการพลังงาน

งบประมาณ              2,536,920 บาท

ระยะเวลาดำเนินการ  23 เดือน (1 ตุลาคม 2561 – 31 สิงหาคม 2563)

 บทสรุปผู้บริหาร

          โครงการศึกษาการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล เพื่อหาแนวทางการในการจัดการน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลได้อย่างดียิ่งขึ้น และเพื่อเป็นการจัดการสิ่งแวดล้อมจากโรงไฟฟ้าให้ยั่งยืน โดยทำการศึกษาเปรียบเทียบวิธีการกำจัดสารอินทรีย์และสีในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลภายหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว 2 วิธี ได้แก่ กระบวนการกำจัดทางกายภาพ (เช่นกระบวนการดูดซับ, Adsorption) และกระบวนการกำจัดด้วยวิธีทางชีวภาพ (เช่นการใช้เชื้อจุลินทรีย์ หรือ เชื้อรา เป็นต้น) เพื่อให้ทราบความเหมาะสมด้านประสิทธิภาพในการกำจัด และ ความเป็นไปได้หรือความเหมาะสมในการพัฒนาต่อยอดเทคโนโลยีในการกำจัดสารอินทรีย์และสีในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพในระดับเชิงพาณิชย์ ทำให้การผลิตพลังงานทดแทนของอุตสาหกรรมเอทานอลควบคู่ไปกับการบริหารจัดการของเสียในอุตสาหกรรมเอทานอลมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ส่งผลให้ธุรกิจเอทานอลของไทยดำเนินไปอย่างมีเสถียรภาพและยั่งยืน อีกทั้งยังเป็นการจัดการด้านการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากโรงไฟฟ้าของน้ำเสียจากโรงงานผลิตเอทานอลได้อย่างยั่งยืนอีกด้วย โดยมีผลการศึกษาดังนี้

• น้ำทิ้งจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว มีลักษณะสีน้ำตาลเข้ม โดยมีค่าสีมากกว่า 500 ADMI และมีค่าพีเอชเป็นกลาง (7.9-8.2) มีค่าซีโอดี (TCOD), ของแข็งทั้งหมด (TS), ของแข็งระเหย (VS), ปริมาณไนโตรเจน (TKN) และ ฟอสฟอรัส (TP) เท่ากับ 30,355-57,537, 40,156-67,753, 22,471-39,320, 2,186-3,733 และ 18-54 mg/L ตามลำดับ ซึ่งจะเห็นว่าได้ว่า น้ำทิ้งจากระบบจากระบบก๊าซชีวภาพของน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลยังคงมีค่าความสกปรกค่อนข้างสูง นอกจากนี้ยังพบว่า น้ำทิ้งจากระบบจากระบบก๊าซชีวภาพของน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลยังคงมีสีน้ำตาลเข้ม หรือมีค่าสีสูงถึง 119,975-218,000 ADMI ซึ่งไม่สามารถปล่อยทิ้งลงสู่แหล่งน้ำธรรมชาติได้ โดยสีน้ำตาลเข้มนี้เป็นผลเนื่องมาจากองค์ประกอบของสารเมลานอยดิน ซึ่งเกิดจากกระบวนการทำปฏิกิริยาของกรดอะมิโนและคาร์โบไฮเดรต ซึ่งไม่สามารถถูกกำจัดได้ในระบบบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศ
• ผลการลดสีและสารอินทรีย์ด้วยกระบวนการดูดซับ โดยถ่านกัมมันต์ทางการค้าที่ได้นำมาใช้ในการศึกษาและให้ผลการดูดซับสีได้ดี คือ ถ่านกัมมันต์ C-BON ซึ่งมีลักษณะเป็นผง (Powder activated carbon, PAC) ซึ่งผลิตจากขี้เลื่อยไม้และนำไปแช่ในกรดฟอสฟอริค และกระตุ้นด้วยความร้อน ในกระบวนการดูดซับสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียด้วยถ่านกัมมันต์ พบว่า ความเข้มข้นน้ำเสีย ปริมาณสารดูดซับ ระยะเวลาดูดซับ มีผลต่อประสิทธิภาพในการดูดซับสีและสารอินทรีย์ จากการศึกษาพบว่า ผลของปริมาณสารดูดซับและระยะเวลาดูดซับแปรผันตรงต่อประสิทธิภาพการดูดซับสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียตัวอย่าง ในขณะที่ความเข้มข้นน้ำเสียมีค่าแปรผกผันกับประสิทธิภาพการลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำเสีย พบว่า ได้นำถ่านกัมมันต์ทางการค้า C-BON มาทดสอบการลดสีของน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วที่มีความเข้มข้นของซีโอดีประมาณ 6,000 mg/L (หรือเท่ากับความเข้มข้น 25% v/v) ที่พีเอชเท่ากับ 2 ปริมาณถ่านดูดซับเท่ากับ 20 g/L ที่ระยะเวลาดูดซับ 30 นาที (0.5 ชั่วโมง) เป็นระยะเวลาดูดซับที่มีความเหมาะสมต่อการลดสี และสามารถส่งผลให้น้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วมีค่าผ่านเกณฑ์มาตรฐานน้ำทิ้ง (300 ADMI, กรมควบคุมมลพิษ) โดยมีค่าสีเท่ากับ 238 ADMI (ที่พีเอชเท่ากับ 7) และมีประสิทธิภาพในการลดสีเท่ากับร้อยละ 96.9
• สภาวะที่เหมาะสมต่อการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งจากระบบจากระบบก๊าซชีวภาพของน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลด้วยกระบวนการทางชีวภาพ โดยการคัดแยกและคัดเลือกกลุ่มจุลินทรีย์จากระบบบำบัดแบบตะกอนเร่ง คือ แบคทีเรียไอโซเลต PC ซึ่งอยู่ในกลุ่ม Pseudomonas sp. ร้อยละความเข้มข้นน้ำเสียเท่ากับ 50 โดยปริมาตร และไม่ต้องเติมฟอสฟอรัส (อัตราส่วน C:N:P เท่ากับ 100:8.73:0.06 ภายใต้สภาวะอุณหภูมิ 30°C เป็นระยะเวลา 6 วัน
• สภาวะที่เหมาะสมต่อการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งจากระบบจากระบบก๊าซชีวภาพของน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลด้วยกระบวนการทางชีวภาพ ด้วยเชื้อราสายพันธุ์ P. chrysosporium ร้อยละความเข้มข้นน้ำเสียเท่ากับ 25 โดยปริมาตร และไม่ต้องเติมฟอสฟอรัส (อัตราส่วน C:N:P เท่ากับ 100:8.73:0.06 ภายใต้สภาวะอุณหภูมิ 30°C เป็นระยะเวลา 10 วัน
• การศึกษาสภาวะที่เหมาะสมต่อประสิทธิภาพการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลด้วยแบคทีเรียได้ใช้ถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกวนขนาด 10 ลิตร (ปริมาตรใช้งาน 6 ลิตร) และได้ศึกษาระดับความเร็วของการกวนที่ 200, 250 และ 300 rpm ร่วมกับการเติมอากาศที่อัตรา 1.0 vvm จากการศึกษาพบว่า ที่ระดับความเร็วของการกวนที่ 250 rpm มีประสิทธิภาพในการลดสีมากกว่าที่ระดับความเร็วของการกวนที่ 200 rpm อย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P=0.033) แต่เมื่อเพิ่มระดับความเร็วของการกวนเป็น 300 rpm พบว่า ประสิทธิภาพในการลดสีมีค่าไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P>0.05) โดยมีค่าอยู่ในช่วง 29.14-29.77% สำหรับประสิทธิภาพในการลดสารอินทรีย์ในรูปซีโอดีมีค่าไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P>0.05) โดยมีค่าอยู่ในช่วง 25.72-36.36%
• การศึกษาสภาวะที่เหมาะสมต่อประสิทธิภาพการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลด้วยเชื้อราสายพันธุ์ P. chrysosporium ได้ใช้ถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบฟองอากาศขนาด 7 ลิตร (ปริมาตรใช้งาน 4 ลิตร) และได้ศึกษาอัตราการเติมอากาศที่ 0.5, 1.0 และ 1.5 vvm จากการศึกษาพบว่า ประสิทธิภาพการลดสีมีค่าไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P=0.645) โดยมีค่าอยู่ในช่วง 37.98%-40.31% สำหรับประสิทธิภาพในการกำจัดสารอินทรีย์พบว่า ที่อัตราการเติมอากาศ 1.0 vvm มีประสิทธิภาพในการกำจัดสารอินทรีย์ในรูปซีโอดีได้สูงที่สุดอย่างมีนัยสำคัญ (P=0.009) โดยมีค่าเท่ากับ 42.92±3.02% ในขณะที่การเติมอากาศ 0.5 และ 1.5 vvm มีค่าใกล้เคียงกัน โดยมีค่าอยู่ในช่วง 33.8-35.13%
• เมื่อนำสภาวะที่เหมาะสมของการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วด้วยเชื้อราสายพันธุ์ P. chrysosporium กับ เชื้อแบคทีเรียไอโซเลต PC พบว่า ทั้งประสิทธิภาพการลดสีและสารอินทรีย์ในรูปซีโอดี มีค่าไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P=0.144 และ 0.176 ตามลำดับ) ดังนั้นจึงเลือกเชื้อแบคทีเรียไอโซเลต PC สำหรับการศึกษาการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วด้วยกระบวนการทางชีวภาพร่วมกับกระบวนการทางกายภาพ เนื่องจาก สภาวะที่เหมาะสมสำหรับการลดสีด้วยแบคทีเรีย มีข้อดีกว่า การลดสีด้วยเชื้อราสายพันธุ์ P. chrysosporium คือ ความเข้มข้นของน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพมีค่าสูงกว่า และใช้ระยะเวลาในกระบวนการลดสีและสารอินทรีย์น้อยกว่า
• ผลการศึกษาการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ด้วยกระบวนการทางชีวภาพด้วยเชื้อแบคทีเรียตามด้วยกระบวนการดูดซับในรูปแบบอนุกรม โดยสภาวะที่เหมาะสมและน้ำทิ้งมีค่าสีผ่านเกณฑ์มาตรฐานตามประกาศของกระทรวงอุตสาหกรรม (ADMI < 300) ประกอบด้วยกระบวนการลดสีทางชีวภาพด้วยแบคทีเรียไอโซเลต PC คือ น้ำเสียที่ความเข้มข้น 25% โดยปริมาตร (หรือเทียบเท่ากับค่าซีโอดีประมาณ 15,000 mg/L) และใช้เชื้อแบคทีเรียไอโซเลต PC ในปริมาณ 10% โดยปริมาตร เป็นระยะเวลา 6 วัน แล้วตามด้วยกระบวนการดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์ทางการค้า C-BON ที่ปริมาณสารดูดซับ 15 g/L ระยะเวลาดูดซับ 12 ชั่วโมง ที่พีเอชของน้ำเสียมีค่าเท่ากับ 2 โดยน้ำเสียที่ผ่านกระบวนการลดสีแล้ว จะมีค่าสีเท่ากับ 224±6 ADMI
• ผลการวิเคราะห์ความคุ้มค่าทางการเงินและเศรษฐศาสตร์ของการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล ด้วยการใช้กระบวนการดูดซับเพียงอย่างเดียว (น้ำเสียไม่มีการเจือจาง) และ กระบวนการทางชีวภาพร่วมกับกระบวนการดูดซับแบบอนุกรม พบว่า การลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำทิ้งด้วยกระบวนการทางชีวภาพร่วมกับกระบวนการดูดซับแบบอนุกรมมีประสิทธิภาพสูงกว่าการลดสีและสารอินทรีย์ด้วยกระบวนการดูดซับเพียงอย่างเดียว แต่อย่างไรก็ตามการลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำเสียของทั้งสองวิธีไม่มีประสิทธิภาพทางการเงินและทางเศรษฐศาสตร์
• แม้ว่าการลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ด้วยกระบวนการทางชีวภาพร่วมกับกระบวนการดูดซับจะไม่คุ้มค่าทั้งทางด้านการเงินและทางเศรษฐศาสตร์ อย่างไรก็ตามการลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำเสียให้เป็นไปตามค่ามาตรฐานน้ำทิ้งเป็นสิ่งจำเป็นที่โรงงานต้องพึงปฏิบัติ เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและชุมชนในพื้นที่ของโรงงานหรือพื้นที่ใกล้เคียง และยังส่งผลลัพธ์ทางสังคมดีขึ้น ลดการขัดแย้งและเพิ่มการยอมรับในชุมชน ตลอดจนทำให้การสนับสนุนนโยบายในการผลิตเอทานอลจากภาครัฐเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพและยั่งยืน

ที่มาของโครงการ

จากปัญหาการปิดโรงงานผลิตเอทานอลแห่งหนึ่งในปี พ.ศ. 2560 เนื่องมาจากปัญหาระบบบำบัดบัดน้ำเสียที่ทำงานได้อย่างไม่มีประสิทธิภาพ อีกทั้งน้ำเสียจากระบบบำบัดได้ไหลล้นเข้าสู่พื้นที่ทางการเกษตร แหล่งน้ำชลประทาน และแม่น้ำ ส่งผลให้ชาวบ้านได้รับความเดือดร้อนเนื่องมาจากสาเหตุของลักษณะน้ำเสียที่มีสีน้ำตาลเข้มและส่งกลิ่นเหม็น รวมถึงการปนเปื้อนของสารต่างๆ ปัญหาดังกล่าวส่งผลต่อชุมชนและสิ่งแวดล้อม รวมถึงเสถียรภาพของธุรกิจการผลิตเอทานอลและโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลอีกด้วย หากเราเพิกเฉยต่อคุณภาพน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลหรืออุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องอาจส่งผลเสียในระยะยาวที่มีแนวโน้มทวีความรุนแรงขึ้นอันเนื่องมาจากการส่งเสริมการผลิตและใช้เชื้อเพลิงเอทานอลจากภาครัฐฯ ตามแผนพลังงานทดแทนและพลังงานทางเลือก พ.ศ 2558-2579 (AEDP2015) โดยระบุเป้าหมายการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ อาทิ  เอทานอล 11.3 ล้านลิตรต่อวัน ภายในปี พ.ศ. 2579 การเติบโตของอุตสาหกรรมผลิตเอทานอลของประเทศนั้นสอดคล้องกับปริมาณการใช้เชื้อเพลิงเอทานอลที่เพิ่มมากขึ้น การใช้และการผลิตเอทานอลที่มากขึ้นจึงส่งผลให้มีของเสียเกิดขึ้นจากกระบวนการผลิตอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้เป็นจำนวนมาก (ประมาณ 12-15 ลิตรต่อการผลิตเอทานอล 1 ลิตร) (Mariano et al., 2009) ของเสียที่เกิดขึ้นนี้ต้องผ่านการบำบัดก่อนทิ้งลงสู่แหล่งน้ำธรรมชาติเพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเนื่องจากปริมาณสารอินทรีย์ที่สูง (มีค่า COD = 80,000-100,000 mg/l) และมีค่าพีเอชค่อนข้างต่ำ (pH 4-6) ซึ่งโดยส่วนใหญ่การบำบัดน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลจะนิยมใช้ระบบบำบัดแบบไร้อากาศ (Anaerobic digestion) เนื่องจากเป็นระบบที่มีการใช้อุปกรณ์เครื่องจักรกลน้อย ประหยัดพลังงาน อีกทั้งยังได้ผลผลิตเป็นก๊าซชีวภาพซึ่งสามารถใช้เป็นพลังงานทดแทนทั้งในรูปแบบไฟฟ้า ความร้อน หรือก๊าซไบโอมีเทนอัดได้อีกด้วย แต่อย่างไรก็ตามเนื่องด้วยน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลมีลักษณะเป็นสีน้ำตาลเข้ม ซึ่งมาจากองค์ประกอบของสารเมลานอยดิน (Melanoidin) ในสัดส่วนร้อยละ 2 โดยประมาณ ซึ่งเกิดจากกระบวนการทำปฏิกิริยาของกรดอะมิโนและคาร์โบไฮเดรต (หรือที่เรียกว่า Maillard reaction) (Tsioptsias et al., 2015 และ Kaushik and Thakur, 2009) นอกจากนี้ยังประกอบด้วย โพลีฟีนอล (Polyphenols) หรือสารประกอบฟีนอล (8,000-10,000 mg/L) สารประกอบที่เกิดจากกระบวนการย่อยสลายน้ำตาลในสภาวะด่าง (Alkaline degradation of hexose (ADPH)) และ คาราเมล เป็นต้น ซึ่งสารประกอบเหล่านี้นอกจากจะย่อยสลายด้วยกระบวนการทางชีวภาพที่ยากแล้ว ยังมีผลต่อการยับยั้งการทำงานของเชื้อจุลินทรีย์อีกด้วย (Reis et al., 2015 และ España-Gamboa et al., 2011) ด้วยคุณสมบัติทางเคมีนี้ทำให้น้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลมีความยากต่อการบำบัด แม้ว่าสามารถใช้กระบวนการบำบัดแบบไร้อากาศได้แต่น้ำเสียที่ออกจากระบบบำบัดยังมีสารอินทรีย์ที่ย่อยสลายได้ยากและยังคงมีสีน้ำตาลเข้มอยู่ ทำให้ไม่สามารถปล่อยน้ำเสียนี้ทิ้งลงสู่แหล่งน้ำธรรมชาติได้ แม้ว่าผู้ประกอบการจะนำน้ำทิ้งนี้ไปใช้ในการเกษตร แต่ด้วยปริมาณน้ำทิ้งที่มากจึงไม่สามารถนำไปจัดการได้ทั้งหมด อีกทั้งเนื่องจากในน้ำทิ้งยังมีปริมาณสารอินทรีย์ที่เหลืออยู่ ในระยะยาวจึงอาจส่งผลต่อปัญหาการปนเปื้อนของน้ำใต้ดิน ดังนั้นหากสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการกำจัดสารอินทรีย์และสีที่ยังคงเหลืออยู่ในน้ำทิ้งหลังจากบำบัดด้วยระบบผลิตก๊าซชีวภาพแล้ว จึงเป็นการช่วยจัดการน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลได้อย่างดียิ่งขึ้น อีกทั้งยังเป็นการจัดการด้านการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากโรงไฟฟ้าของน้ำเสียจากโรงงานผลิตเอทานอลได้อย่างยั่งยืนอีกด้วย

ดังนั้นทางสถาบันวิจัยและพัฒนาพลังงานนครพิงค์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้มีความมุ่งมั่นในการหาแนวทางในการจัดการน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลได้อย่างดียิ่งขึ้น และเพื่อเป็นการจัดการสิ่งแวดล้อมจากโรงไฟฟ้าให้ยั่งยืน โดยจะทำการศึกษาเปรียบเทียบวิธีการกำจัดสารอินทรีย์และสีในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลภายหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว 2 วิธี ได้แก่ กระบวนการกำจัดทางกายภาพ (เช่นกระบวนการดูดซับ, Adsorption) และกระบวนการกำจัดด้วยวิธีทางชีวภาพ (เช่นการใช้เชื้อจุลินทรีย์ หรือ เชื้อรา เป็นต้น) เพื่อให้ทราบความเหมาะสมด้านประสิทธิภาพในการกำจัด และ ความเป็นไปได้หรือความเหมาะสมในการพัฒนาต่อยอดเทคโนโลยีในการกำจัดสารอินทรีย์และสีในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพในระดับเชิงพาณิชย์ ทำให้การผลิตพลังงานทดแทนของอุตสาหกรรมเอทานอลควบคู่ไปกับการบริหารจัดการของเสียในอุตสาหกรรมเอทานอลมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ส่งผลให้ธุรกิจเอทานอลของไทยดำเนินไปอย่างมีเสถียรภาพและยั่งยืน อีกทั้งยังเป็นการจัดการด้านการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากโรงไฟฟ้าของน้ำเสียจากโรงงานผลิตเอทานอลได้อย่างยั่งยืนอีกด้วย

วัตถุประสงค์

1. เพื่อทราบถึงสภาวะที่เหมาะสมของกระบวนการทางกายภาพสำหรับการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล
2. เพื่อทราบถึงสภาวะที่เหมาะสมของกระบวนการทางชีวภาพในการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล
3. เพื่อทราบถึงกระบวนการที่เหมาะสมในการพัฒนาต่อยอดเพื่อการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล

ขอบเขตของการศึกษา

1.  วิเคราะห์ลักษณะน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว

2.  ศึกษาการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วด้วยกระบวนการทางกายภาพ คือ กระบวนการดูดซับ โดยปัจจัยที่ทำการศึกษาได้แก่ ร้อยละของการเจือจางน้ำเสียเอทานอล ชนิดและปริมาณของสารดูดซับ ระยะเวลาของการดูดซับ และผลของการนำสารดูดซับกลับมาใช้ใหม่ ต่อประสิทธิภาพการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียเอทานอลภายหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว

3. ศึกษาการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วด้วยกระบวนการทางชีวภาพ คือ การใช้เชื้อจุลินทรีย์จากระบบบำบัดน้ำเสียแบบตะกอนเร่ง (Activated sludge) และกลุ่มเชื้อรา โดยการคัดเลือกกลุ่มจุลินทรีย์และเชื้อราที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพในการกำจัดสีในน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล และทำการศึกษาปัจจัยของ ร้อยละของการเจือจางน้ำเสีย ชนิดของ Supplement และการเติม/ไม่เติมอากาศ ต่อประสิทธิภาพการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียเอทานอลภายหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว

4. ศึกษาการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ด้วยกระบวนการดูดซับร่วมกับกระบวนการทางชีวภาพ

5. ประเมินความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ในแง่ของเงินลงทุนและค่าดำเนินการในการกำจัดสีและสารอินทรีย์ด้วยกระบวนการดูดซับ และ กระบวนการทางชีวภาพ เพื่อพัฒนาต่อยอดในการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล

ขั้นตอนการศึกษา

ผลการศึกษา

1. ได้ทำการเก็บตัวอย่างน้ำทิ้งจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ซึ่มีลักษณะดังนี้ มีค่าพีเอชเป็นกลาง (7.9-8.2) มีค่าซีโอดี (TCOD), ของแข็งทั้งหมด (TS), ของแข็งระเหย (VS), ปริมาณไนโตรเจน (TKN) และ ฟอสฟอรัส (TP) เท่ากับ 30,355-57,537, 40,156-67,753, 22,471-39,320, 2,186-3,733 และ 18-54 mg/L ตามลำดับ ซึ่งจะเห็นว่าได้ว่า น้ำทิ้งจากระบบจากระบบก๊าซชีวภาพของน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลยังคงมีค่าความสกปรกค่อนข้างสูง นอกจากนี้ยังพบว่า น้ำทิ้งจากระบบจากระบบก๊าซชีวภาพของน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลยังคงมีสีน้ำตาลเข้ม หรือมีค่าสีสูงถึง 119,975-218,000 ADMI ซึ่งไม่สามารถปล่อยทิ้งลงสู่แหล่งน้ำธรรมชาติได้ โดยสีน้ำตาลเข้มนี้เป็นผลเนื่องมาจากองค์ประกอบของสารเมลานอยดิน ซึ่งเกิดจากกระบวนการทำปฏิกิริยาของกรดอะมิโนและคาร์โบไฮเดรต ซึ่งไม่สามารถถูกกำจัดได้ในระบบบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศ
2. ผลการลดสีและสารอินทรีย์ด้วยกระบวนการดูดซับ โดยถ่านกัมมันต์ทางการค้าที่ได้นำมาใช้ในการศึกษาและให้ผลการดูดซับสีได้ดี คือ ถ่านกัมมันต์ C-BON ซึ่งมีลักษณะเป็นผง (Powder activated carbon, PAC) ซึ่งผลิตจากขี้เลื่อยไม้และนำไปแช่ในกรดฟอสฟอริค และกระตุ้นด้วยความร้อน ในกระบวนการดูดซับสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียด้วยถ่านกัมมันต์ พบว่า ความเข้มข้นน้ำเสีย ปริมาณสารดูดซับ ระยะเวลาดูดซับ มีผลต่อประสิทธิภาพในการดูดซับสีและสารอินทรีย์ จากการศึกษาพบว่า ผลของปริมาณสารดูดซับและระยะเวลาดูดซับแปรผันตรงต่อประสิทธิภาพการดูดซับสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียตัวอย่าง ในขณะที่ความเข้มข้นน้ำเสียมีค่าแปรผกผันกับประสิทธิภาพการลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำเสีย พบว่า ได้นำถ่านกัมมันต์ทางการค้า C-BON มาทดสอบการลดสีของน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วที่มีความเข้มข้นของซีโอดีประมาณ 6,000 mg/L (หรือเท่ากับความเข้มข้น 25% v/v) ที่พีเอชเท่ากับ 2 ปริมาณถ่านดูดซับเท่ากับ 20 g/L ที่ระยะเวลาดูดซับ 30 นาที (0.5 ชั่วโมง) เป็นระยะเวลาดูดซับที่มีความเหมาะสมต่อการลดสี และสามารถส่งผลให้น้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังจากการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วมีค่าผ่านเกณฑ์มาตรฐานน้ำทิ้ง (300 ADMI, กรมควบคุมมลพิษ) โดยมีค่าสีเท่ากับ 238 ADMI (ที่พีเอชเท่ากับ 7) และมีประสิทธิภาพในการลดสีเท่ากับร้อยละ 96.9
3. สภาวะที่เหมาะสมต่อการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งจากระบบจากระบบก๊าซชีวภาพของน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลด้วยกระบวนการทางชีวภาพ โดยการคัดแยกและคัดเลือกกลุ่มจุลินทรีย์จากระบบบำบัดแบบตะกอนเร่ง คือ แบคทีเรียไอโซเลต PC ซึ่งอยู่ในกลุ่ม Pseudomonas sp. ร้อยละความเข้มข้นน้ำเสียเท่ากับ 50 โดยปริมาตร และไม่ต้องเติมฟอสฟอรัส (อัตราส่วน C:N:P เท่ากับ 100:8.73:0.06 ภายใต้สภาวะอุณหภูมิ 30°C เป็นระยะเวลา 6 วัน
4. สภาวะที่เหมาะสมต่อการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งจากระบบจากระบบก๊าซชีวภาพของน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอลด้วยกระบวนการทางชีวภาพ ด้วยเชื้อราสายพันธุ์ P. chrysosporium ร้อยละความเข้มข้นน้ำเสียเท่ากับ 25 โดยปริมาตร และไม่ต้องเติมฟอสฟอรัส (อัตราส่วน C:N:P เท่ากับ 100:8.73:0.06 ภายใต้สภาวะอุณหภูมิ 30°C เป็นระยะเวลา 10 วัน
5. การศึกษาสภาวะที่เหมาะสมต่อประสิทธิภาพการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลด้วยแบคทีเรียได้ใช้ถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกวนขนาด 10 ลิตร (ปริมาตรใช้งาน 6 ลิตร) และได้ศึกษาระดับความเร็วของการกวนที่ 200, 250 และ 300 rpm ร่วมกับการเติมอากาศที่อัตรา 1.0 vvm จากการศึกษาพบว่า ที่ระดับความเร็วของการกวนที่ 250 rpm มีประสิทธิภาพในการลดสีมากกว่าที่ระดับความเร็วของการกวนที่ 200 rpm อย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P=0.033) แต่เมื่อเพิ่มระดับความเร็วของการกวนเป็น 300 rpm พบว่า ประสิทธิภาพในการลดสีมีค่าไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P>0.05) โดยมีค่าอยู่ในช่วง 29.14-29.77% สำหรับประสิทธิภาพในการลดสารอินทรีย์ในรูปซีโอดีมีค่าไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P>0.05) โดยมีค่าอยู่ในช่วง 25.72-36.36%
6. การศึกษาสภาวะที่เหมาะสมต่อประสิทธิภาพการกำจัดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลด้วยเชื้อราสายพันธุ์ P. chrysosporium ได้ใช้ถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบฟองอากาศขนาด 7 ลิตร (ปริมาตรใช้งาน 4 ลิตร) และได้ศึกษาอัตราการเติมอากาศที่ 0.5, 1.0 และ 1.5 vvm จากการศึกษาพบว่า ประสิทธิภาพการลดสีมีค่าไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P=0.645) โดยมีค่าอยู่ในช่วง 37.98%-40.31% สำหรับประสิทธิภาพในการกำจัดสารอินทรีย์พบว่า ที่อัตราการเติมอากาศ 1.0 vvm มีประสิทธิภาพในการกำจัดสารอินทรีย์ในรูปซีโอดีได้สูงที่สุดอย่างมีนัยสำคัญ (P=0.009) โดยมีค่าเท่ากับ 42.92±3.02% ในขณะที่การเติมอากาศ 0.5 และ 1.5 vvm มีค่าใกล้เคียงกัน โดยมีค่าอยู่ในช่วง 33.8-35.13%
7. เมื่อนำสภาวะที่เหมาะสมของการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วด้วยเชื้อราสายพันธุ์ P. chrysosporium กับ เชื้อแบคทีเรียไอโซเลต PC พบว่า ทั้งประสิทธิภาพการลดสีและสารอินทรีย์ในรูปซีโอดี มีค่าไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% (P=0.144 และ 0.176 ตามลำดับ) ดังนั้นจึงเลือกเชื้อแบคทีเรียไอโซเลต PC สำหรับการศึกษาการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้วด้วยกระบวนการทางชีวภาพร่วมกับกระบวนการทางกายภาพ เนื่องจาก สภาวะที่เหมาะสมสำหรับการลดสีด้วยแบคทีเรีย มีข้อดีกว่า การลดสีด้วยเชื้อราสายพันธุ์ P. chrysosporium คือ ความเข้มข้นของน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพมีค่าสูงกว่า และใช้ระยะเวลาในกระบวนการลดสีและสารอินทรีย์น้อยกว่า
8. ผลการศึกษาการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ด้วยกระบวนการทางชีวภาพด้วยเชื้อแบคทีเรียตามด้วยกระบวนการดูดซับในรูปแบบอนุกรม โดยสภาวะที่เหมาะสมและน้ำทิ้งมีค่าสีผ่านเกณฑ์มาตรฐานตามประกาศของกระทรวงอุตสาหกรรม (ADMI < 300) ประกอบด้วยกระบวนการลดสีทางชีวภาพด้วยแบคทีเรียไอโซเลต PC คือ น้ำเสียที่ความเข้มข้น 25% โดยปริมาตร (หรือเทียบเท่ากับค่าซีโอดีประมาณ 15,000 mg/L) และใช้เชื้อแบคทีเรียไอโซเลต PC ในปริมาณ 10% โดยปริมาตร เป็นระยะเวลา 6 วัน แล้วตามด้วยกระบวนการดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์ทางการค้า C-BON ที่ปริมาณสารดูดซับ 15 g/L ระยะเวลาดูดซับ 12 ชั่วโมง ที่พีเอชของน้ำเสียมีค่าเท่ากับ 2 โดยน้ำเสียที่ผ่านกระบวนการลดสีแล้ว จะมีค่าสีเท่ากับ 224±6 ADMI
9. ผลการวิเคราะห์ความคุ้มค่าทางการเงินและเศรษฐศาสตร์ของการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซชีวภาพจากน้ำเสียอุตสาหกรรมเอทานอล ด้วยการใช้กระบวนการดูดซับเพียงอย่างเดียว (น้ำเสียไม่มีการเจือจาง) และ กระบวนการทางชีวภาพร่วมกับกระบวนการดูดซับแบบอนุกรม พบว่า การลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำทิ้งด้วยกระบวนการทางชีวภาพร่วมกับกระบวนการดูดซับแบบอนุกรมมีประสิทธิภาพสูงกว่าการลดสีและสารอินทรีย์ด้วยกระบวนการดูดซับเพียงอย่างเดียว แต่อย่างไรก็ตามการลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำเสียของทั้งสองวิธีไม่มีประสิทธิภาพทางการเงินและทางเศรษฐศาสตร์ แม้ว่าการลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ด้วยกระบวนการทางชีวภาพร่วมกับกระบวนการดูดซับจะไม่คุ้มค่าทั้งทางด้านการเงินและทางเศรษฐศาสตร์ อย่างไรก็ตามการลดสีและสารอินทรีย์ของน้ำเสียให้เป็นไปตามค่ามาตรฐานน้ำทิ้งเป็นสิ่งจำเป็นที่โรงงานต้องพึงปฏิบัติ เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและชุมชนในพื้นที่ของโรงงานหรือพื้นที่ใกล้เคียง และยังส่งผลลัพธ์ทางสังคมดีขึ้น ลดการขัดแย้งและเพิ่มการยอมรับในชุมชน ตลอดจนทำให้การสนับสนุนนโยบายในการผลิตเอทานอลจากภาครัฐเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพและยั่งยืน

สรุปผลการศึกษา

การลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ให้มีค่าผ่านเกณฑ์มาตรฐานตามประกาศของกระทรวงอุตสาหกรรม (ADMI < 300) ต้องประกอบด้วยกระบวนการทางชีวภาพด้วยเชื้อแบคทีเรียแล้วตามด้วยกระบวนการดูดซับในรูปแบบอนุกรม โดยสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการลดสีและสารอินทรีย์ คือ น้ำเสียความเข้มข้นร้อยละ 25 โดยปริมาตร (หรือเทียบเท่ากับค่าซีโอดีประมาณ 15,000 mg/L) ทำการลดสีด้วยกระบวนการทางชีวภาพด้วยแบคทีเรียเป็นระยะเวลา 6 วัน แล้วตามด้วยกระบวนการดูดซับด้วยถ่านกัมมันต์ทางการค้า C-BON ที่ปริมาณสารดูดซับ 15 g/L ระยะเวลาดูดซับ 12 ชั่วโมง ที่พีเอชของน้ำเสียมีค่าเท่ากับ 2 ซึ่งน้ำเสียที่ผ่านกระบวนการลดสีแล้ว จะมีค่าสีเท่ากับ 224±6 ADMI

เอกสารอ้างอิง

Bernal, M., Ruia, M.O., Geanta, R.M., Benito, J.M., Escudero, I. 2016. Colour removal from beet molasses by ultrafiltration with activated charcoal. Chemical Engineering Journal. 283, 313-322.

Chandra, R., Kumar, V., Tripathi, S. 2018. Evaluation of molasses-melanoidin decolourisation by potential bacterial consortium discharged in distillery effluent. 3 Biotech. 8 (187), 1-16.

Kaushik, A., Basu, S., Singh, K., Batra, V.S., Balakrishnan, M. 2017. Activated carbon from sugarcane bagasse ash for melanoidins recovery. Journal of Environmental Management. 200, 29-34.

Liakos, T.I., Lazaridis, N.K. 2016. Melanoidin removal from molasses effluents by adsorption. Journal of Water Process Engineering. 10, 156-164

Mohana, S., Desai, C., Madamwar, D. 2007. Biodegradation and decolorization of anaerobically treated distillery spent wash by a novel bacterial consortium. Bioresourec Technology. 98, 333-339.

Satyawali, Y., Balakrishnan, M. 2007. Removal of color from biomethanated distillery spentwash by treatment with activated carbons. Bioresource Technology. 98, 2629–2635.

Simaratanamongkol., Thiravetyan, P. 2010. Decolorization of melanoidin by activated carbon obtained from bagasse bottom ash. Journal of Food Engineering. 96(1), 14-17.

Sirianuntapiboon, S., Phothilangka, P., Ohmomo, S. 2004. Decolorization of molasses wastewater by a strain No. BP103 of acetogenic bacteria. Bioresource Technology. 92(1), 31-39.

การศึกษาการลดสีและสารอินทรีย์ในน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ด้วยกระบวนการทางชีวภาพตามด้วยกระบวนการดูดซับ (กระบวนการชีวภาพและกายภาพร่วมแบบอนุกรม)

ลักษณะสีของน้ำเสียจากกระบวนการผลิตเอทานอลหลังการบำบัดด้วยระบบก๊าซชีวภาพแล้ว ด้วยกระบวนการทางชีวภาพตามด้วยกระบวนการดูดซับ (กระบวนการชีวภาพและกายภาพร่วมแบบอนุกรม)