อิทธิพลของระยะเวลากักเก็บน้ำ (Hydraulic Retention Time: HRT) และค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) ต่อประสิทธิภาพเชิงความร้อนของก๊าซชีวภาพที่ผลิตจากเศษอาหารด้วยกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน
Article Sidebar
Main Article Content
บทคัดย่อ
การศึกษานี้มุ่งวิเคราะห์อิทธิพลของระยะเวลากักเก็บน้ำ (Hydraulic Retention Time: HRT) และค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) ต่อประสิทธิภาพการผลิตก๊าซชีวภาพและความเข้มข้นของก๊าซมีเทน (CH₄) ในระบบย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน ผลการศึกษาพบว่าการเพิ่มค่า HRT ส่งผลให้ปริมาณก๊าซชีวภาพเพิ่มขึ้นและความบริสุทธิ์ของก๊าซมีเทนสูงขึ้น ขณะเดียวกันความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ออกซิเจน (O₂) และไนโตรเจน (N₂) ลดลง ซึ่งสะท้อนถึงประสิทธิภาพของกระบวนการสร้างมีเทน (methanogenesis) ที่ดีขึ้น
เมื่อค่า HRT เพิ่มจาก 10 เป็น 30 วัน ปริมาณก๊าซชีวภาพเพิ่มขึ้นจาก 0.6 เป็น 1.0 ลูกบาศก์เมตรต่อกิโลกรัมของของแข็งระเหยได้ (m³/kg VS) และความเข้มข้นของมีเทนเพิ่มขึ้นจาก 54.71% เป็น 65.92% นอกจากนี้ ปริมาณ CO₂ ที่ลดลงจาก 37.89% เหลือ 31.38% ยังแสดงถึงการพัฒนาสภาวะไม่ใช้ออกซิเจนที่มีเสถียรภาพมากขึ้น อย่างไรก็ตาม การใช้ค่า HRT ที่ยาวขึ้นจำเป็นต้องใช้ถังย่อยสลายที่มีขนาดใหญ่ขึ้น และทำให้ต้นทุนการดำเนินงานสูงขึ้น จึงจำเป็นต้องพิจารณาหาช่วงการดำเนินงานที่เหมาะสมในเชิงเศรษฐศาสตร์
ที่ค่า HRT เท่ากับ 30 วัน การเปลี่ยนแปลงของค่า pH ส่งผลต่อการผลิตมีเทนอย่างมีนัยสำคัญ โดยความเข้มข้นของมีเทนเพิ่มขึ้นจาก 63.78% ที่ pH 6.0 ไปจนถึงค่าสูงสุดที่ 73.46% ที่ pH 9.0 และพบว่าช่วง pH ที่เหมาะสมต่อกระบวนการสร้างมีเทนอยู่ระหว่าง 7.0 ถึง 8.5 นอกจากนี้ ยังพบว่าค่าความต้องการออกซิเจนทางเคมี (Chemical Oxygen Demand: COD) ลดลงอย่างมีนัยสำคัญภายในช่วง 10 วันแรก ซึ่งบ่งชี้ถึงการย่อยสลายสารอินทรีย์ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว
สภาวะที่เป็นด่างมีแนวโน้มช่วยลดผลกระทบยับยั้งจากกรดไขมันระเหย (volatile fatty acids) ส่งผลให้คุณภาพของก๊าซมีเทน ค่าความร้อน และประสิทธิภาพเชิงความร้อนโดยรวมดีขึ้น โดยสรุป ผลการศึกษานี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการปรับค่า HRT และ pH อย่างเหมาะสม เพื่อเพิ่มปริมาณก๊าซชีวภาพ ยกระดับการกู้คืนพลังงาน และส่งเสริมความยั่งยืนของระบบย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน
Article Details
อนุญาตภายใต้เงื่อนไข Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
เนื้อหาและข่อมูลในบทความที่ลงตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ เทคโนโลยี พลังงาน และสิ่งแวดล้อม บัณฑิตวิทยาลัย วิทยาลัยเทคโนโลยีสยาม ถือเป็นข้อคิดเห็นและความรับผิดชอบของผู้เขียนบทความโดยตรง ซึ่งกองบรรณาธิการวารสารไม่จำเป็นต้องเห็นด้วย หรือว่าร่วมรับผิดชอบใด ๆ
บทความ ข้อมูล เนื้อหา รูปภาพ ฯลฯ ที่ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ เทคโนโลยี พลังงาน และสิ่งแวดล้อม บัณฑิตวิทยาลัย วิทยาลัยเทคโนโลยีสยาม ถือเป็นลิขสิทธิ์ของวารสารวิชาการ เทคโนโลยี พลังงาน และสิ่งแวดล้อม บัณฑิตวิทยาลัย วิทยาลัยเทคโนโลยีสยาม หากบุคคล หรือหน่วยงานใดต้องการนำทั้งหมด หรือส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่ต่อ หรือเพื่อกระทำการใด ๆ จะต้องได้รับอนุญาต เป็นลายลักษณ์อักษรจากวารสารวิชาการ เทคโนโลยี พลังงาน และสิ่งแวดล้อม บัณฑิตวิทยาลัย วิทยาลัยเทคโนโลยีสยาม เท่านั้น
เอกสารอ้างอิง
Karthikeyan, O. P., & Heimann, K. (2019). Sustainable biogas production in municipal wastewater treatment plants. Energy for Sustainable Development, 52, 69–79.
Wang, X., Yang, G., Feng, Y., Ren, G., & Han, X. (2012). Optimizing the efficiency of biogas production from anaerobic digestion of food waste: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7), 5633–5642.
Angelidaki, I., & Sanders, W. (2004). Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutants. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 3, 117–129.
Browne, J. D., & Murphy, J. D. (2013). The impact of increasing organic loading in two-phase digestion of food waste. Waste Management, 33(12), 2390–2398.
Monlau, F., Sambusiti, C., Barakat, A., et al. (2012). New opportunities for agricultural and agro-industrial residues in anaerobic digestion: Highlights and perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7), 4396–4405.
Rao, P. V., Baral, S. S., Dey, R., & Mutnuri, S. (2010). Biogas generation potential by anaerobic digestion for sustainable energy development in India. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(7), 2086–2094.
Holm-Nielsen, J. B., Al Seadi, T., & Oleskowicz-Popiel, P. (2009). The future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresource Technology, 100(22), 5478–5484.
Mata-Alvarez, J., Dosta, J., Romero-Güiza, M. S., Fonoll, X., & Peces, M. (2014). A critical review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 36, 412–427.
Li, Y., Park, S. Y., & Zhu, J. (2011). Solid-state anaerobic digestion for methane production from organic waste. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(1), 821–826.
Bolzonella, D., Battistoni, P., Susini, C., & Cecchi, F. (2006). Anaerobic co-digestion of waste activated sludge and OFMSW: The experiences of Viareggio and Treviso plants (Italy). Water Science and Technology, 53(8), 203–211.
Kleerebezem, R., & van Loosdrecht, M. C. (2007). Mixed culture biotechnology for bioenergy production. Current Opinion in Biotechnology, 18(3), 207–212.
Labatut, R. A., Angenent, L. T., & Scott, N. R. (2011). Biochemical methane potential and biodegradability of complex organic substrates. Bioresource Technology, 102(3), 2255–2264.
Silvestre, G., Fernández, B., & Bonmatí, A. (2015). Significance of co-digestion to enhance anaerobic biodegradability of organic wastes. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 14, 649–663.
Madsen, M., Holm-Nielsen, J. B., & Esbensen, K. H. (2011). Monitoring of anaerobic digestion processes: A review perspective. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(6), 3141–3155.
Angelidaki, I., & Ellegaard, L. (2003). Codigestion of manure and organic wastes in centralized biogas plants. Applied Biochemistry and Biotechnology, 109(1-3), 95–105.
Weiland, P. (2010). Biogas production: Current state and perspectives. Applied Microbiology and Biotechnology, 85(4), 849–860.
Li, J., Xu, X., Chen, C., Xu, L., Du, Z., Gu, L., Xiang, P., Shi, D., Huangfu, X., Liu, F., 2023a. Conductive materials enhance microbial salt-tolerance in anaerobic digestion of food waste: microbial response and metagenomics analysis. Environ. Res. 227, 115779.
Hung, C.-Y., Tsai, W.-T., Chen, J.-W., Lin, Y.-Q., Chang, Y.-M., 2017. Characterization of biochar prepared from biogas digestate. Waste Manag. 66, 53–60.
Du, J., Tian, C., Xiao, J., Liu, Y., Zhang, F., Gao, X., Xing, B., Zhao, Y., 2024. Co- fermentation of titanium-flocculated-sludge with food waste towards simultaneous water purification and resource recovery. Water Res. 251, 121110.
Deng, L., Zhao, Y., Sun, S., Feng, D., Zhang, W., 2023. Thermochemical method for controlling pore structure to enhance hydrogen storage capacity of biochar. Int. J. Hydrogen Energy 48 (57), 21799–21813.
Lyu, F., Zhang, H., Shao, L., He, P., 2017. Problems and Countermeasures of Anaerobic Digestion Process of Food Waste Based on Material Flow Analysis. Environmental Sanitation Engineering. 25 (01), 1–9. In Chinese.
Nordahl, S.L., Devkota, J.P., Amirebrahimi, J., Smith, S.J., Breunig, H.M., Preble, C.V., Satchwell, A.J., Jin, L., Brown, N.J., Kirchstetter, T.W., Scown, C.D., 2020. Life-Cycle Greenhouse Gas Emissions and Human Health Trade-Offs of Organic Waste Management Strategies. Environ. Sci. Tech. 54 (15), 9200–9209.
Rehl, T., Müller, J., 2011. Life cycle assessment of biogas digestate processing technologies. Resour. Conserv. Recycl. 56 (1), 92–104.
Santagata, R., Zucaro, A., Fiorentino, G., Lucagnano, E., Ulgiati, S., 2020. Developing a procedural method for the integration of life cycle assessment and emergy analysis. The amalfi paper case study. Ecol. Ind. 117, 106676.
Santagata, R., Ripa, M., Genovese, A., Ulgiati, S., 2021. Food waste recovery pathways: Challenges and opportunities for an emerging bio-based circular economy. A systematic review and an assessment. J. Clean. Prod. 286, 125490.
Sarigiannis, D.A., Handakas, E.J., Karakitsios, S.P., Gotti, A., 2021. Life cycle assessment of municipal waste management options. Environ. Res. 193, 110307.
Shen, J., Zhang, X., Lv, Y., Yang, X., Wu, J., Lin, L., Zhang, Y., 2019. An improved emergy evaluation of the environmental sustainability of China’s steel production from 2005 to 2015. Ecol. Ind. 103, 55–69.
Shi, C., Li, K., Bian, X., Wang, K., 2023. Comprehensive benefit evaluation of “carbon neutrality” in anaerobic treatment of kitchen waste. Environmental Science in China. 43 (01), 436–445. In Chinese.
Singh, D., Tembhare, M., Machhirake, N., Kumar, S., 2023. Impact of municipal solid waste landfill leachate on biogas production rate. J. Environ. Manage. 336, 117643.
Sulis, F., Agostinho, F., Almeida, C.M.V.B., Giannetti, B.F., 2024. Assessing the food recovery hierarchy concept from an emergy accounting perspective: Validation and theoretical insights. Waste Manag. 190, 131–140.
Zhang, X., Jiang, W., Deng, S., Peng, K., 2009. Emergy evaluation of the sustainability of Chinese steel production during 1998–2004. J. Clean. Prod. 17, 1030–1038.
Zhang, X., Xiang, N., Wang, W., Liao, W., Yang, X., Shui, W., Deng, S., 2018. An emergy evaluation of the sewage sludge treatment system with earthworm compositing technology in Chengdu. China. ecol Eng. 110, 8–17.
Agrawal, A., Chaudhari, P.K., Ghosh, P., 2022. Anaerobic digestion of fruit and vegetable waste: a critical review of associated challenges. Environ. Sci. Pollut. Res. 2022 30: 10 30, 24987–25012.
Aryal, N., Ghimire, N., Bajracharya, S., 2020. Coupling of microbial electrosynthesis with anaerobic digestion for waste valorization. In: Li, Y., Khanal, S.K. (Eds.), Advances in Bioenergy. Academic Press, pp. 101–127
Chakravarty, I., Mandavgane, S.A., 2020. Valorization of fruit and vegetable waste for biofertilizer and biogas. J. Food Process Eng. 44
Ghaderikia, A., Yilmazel, Y.D., 2024. Methane recovery from cattle manure: role of granular activated carbon amendment into anaerobic digestion-microbial electrolysis cells (AD-MECs) integrated systems. ACS Sustain. Chem. Eng. 12, 1437–1445.
Li, Y., Park, S.Y., Zhu, J., 2011. Solid-state anaerobic digestion for methane production from organic waste. Renew. Sust. Energ. Rev. 15, 821–826.
Ugwuanyi, J., 2005. Effect of digestion temperature and pH on treatment efficiency and evolution of volatile fatty acids during thermophilic aerobic digestion of model high strength agricultural waste. Bioresour. Technol. 96, 707–719.
Wang, H., Liu, Y., Du, H., Zhu, J., Peng, L., Yang, C., Luo, F., 2021. Exploring the effect of voltage on biogas production performance and the methanogenic pathway of microbial electrosynthesis. Biochem. Eng. J. 171, 108028
Wang, S., Ma, F., Ma, W., Wang, P., Zhao, G., Lu, X., 2019. Influence of temperature on biogas production efficiency and microbial community in a two-phase anaerobic digestion system. Water (Basel) 11, 133.
Wang, W., Lee, D.-J., Lei, Z., 2022. Integrating anaerobic digestion with microbial electrolysis cell for performance enhancement: a review. Bioresour. Technol. 344, 126321
Sengupta MY, Xie A, Lopez A, Habte G, Maclaurin G, Shelby J. The National Solar Radiation Data Base.
Li X, Xu E, Song S, Wang X, Yuan G. Dynamic simulation of two-tank indirect thermal energy storage system with molten salt. Renew Energy 2017;113:1311–9.
Khaleghi S, Asiaei S, Siavashi M. A smart grid poly-generation design for hot arid regions composed of multi-effect distillation (MED), compressed air energy storage (CAES), and parabolic trough solar collector field (PTSC). J Clean Prod 2022;372: 133693.
Membere E, Sallis P. Effect of temperature on kinetics of biogas production from macroalgae. Bioresour Technol 2018;263:410–7.
Balasubramanian P, Bajaj I, Hasan MMF. Simulation and optimization of reforming reactors for carbon dioxide utilization using both rigorous and reduced models. J CO2 Utiliz 2018;23:80–104.
Zhao F, Virkar AV. Dependence of polarization in anode-supported solid oxide fuel cells on various cell parameters. J Power Sources 2005;141:79–95.
