การบำบัดน้ำเสียเพื่อผลิตพลังงานชีวภาพ (Wastewater Treatment into Bioenergy)

เรียบเรียงโดย ดร.มณีรัตน์ เข็มขาว

_______________________________________________________

 

น้ำเสียประกอบด้วยน้ำและสารอินทรีย์หลายชนิด ซึ่งสารอินทรีย์เหล่านี้สามารถนำมาใช้เป็นแหล่งสารอาหารหรือแหล่งคาร์บอนในการผลิตพลังงานชีวภาพจากจุลินทรีย์ได้ ซึ่งพลังงานชีวภาพจากจุลินทรีย์แบ่งออกเป็น 3 ประเภทใหญ่ ๆ คือ

  1. 1. เชื้อเพลิงชีวภาพ เช่น ไบโอดีเซล, เอทานอล และบิวทานอล
  2. 2. ก๊าซชีวภาพ เช่น ก๊าซมีเทน และก๊าซไฮโดรเจน
  3. 3. พลังงานไฟฟ้า เช่น เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ

การผลิตพลังงานชีวภาพ (bioenergy) จากน้ำเสีย ได้แก่

  1. การผลิตน้ำมันจากน้ำเสียโดยจุลินทรีย์เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตไบโอดีเซล จุลินทรีย์ที่ใช้ในการผลิตน้ำมันได้แก่ แบคทีเรีย (Acinetobacter sp.) ยีสต์ (Rhodosporidium sp.) และสาหร่าย (Chlorella sp.) โดยจุลินทรีย์เหล่านี้ผลิตน้ำมันอยู่ในรูปไตรกลีเซอร์ไรด์ (triglyride) ในการผลิตไบโอดีเซล ไตรกลีเซอร์ไรด์จะทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ เช่น เมทานอล ด้วยกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชั่น (transesterification) และนิยมใช้โซเดี่ยมไฮดรอกไซด์ (NaOH) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเนื่องจากช่วยเร่งปฏิกิริยาได้เร็วกว่ากรด มีการควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ระหว่าง 60 และ 70 องศาเซลเซียส เพื่อไม่ให้เกินจุดเดือด (boiling point) ของเมทานอล จากปฏิกิริยานี้ทำให้โครงสร้างของไตรกลีเซอร์ไรด์เปลี่ยนเป็นโมโนอัลคิลเอสเทอร์ (mono alkylester) หรือไบโอดีเซล และกลีเซอรีน ดังสมการในรูปที่ 1

Wastewater Treatment into Bioenergy_01

รูปที่ 1: การผลิตไบโอดีเซลด้วยปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชั่น (ที่มา Lee, S. 2015)

 

  1. การผลิตไบโอเอทานอลจากน้ำเสียอาศัยกระบวนการไกลโคไลซิส (glycolysis) เป็นการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีจากการทำงานของเชื้อยีสต์ Saccharomyces ceveresiae ดังแสดงในรูปที่ 2

Wastewater Treatment into Bioenergy_02

รูปที่ 2:  การหมักเอทานอลด้วยยีสต์ (ที่มา Cuellar, M.C. and Straathof, A.J.J., 2015)

  1. การผลิตบิวทานอลจากน้ำเสียด้วยเชื้อแบคทีเรีย Clostridium sp. ในสภาวะไร้อากาศอาศัยกระบวนการอะซิโตน-บิวทานอล-เอทานอล (acetone-butanol-ethanol, ABE) ซึ่งบิวทานอลมีค่าออกเทนใกล้เคียงน้ำมันจึงทำให้สามารถผสมกับน้ำมันได้ และมีค่าพลังงานและจุดเดือดสูงกว่าเอทานอล
  2. การผลิตก๊าซชีวภาพโดยอาศัยกระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบไม่ใช้อากาศ (anaerobic treatment) สารอินทรีย์ในน้ำเสียถูกย่อยด้วยแบคทีเรียกลุ่มย่อยสลาย (hydrolytic bacteria) กลายเป็นน้ำตาล กรดอะมิโน และกรดไขมัน หลังจากนั้นจะถูกเปลี่ยนเป็นกรดไขมันระเหยได้ (volatile fatty acids) ด้วยแบคทีเรียกลุ่มผลิตกรด (fermentative or acidogenic bacteria) กรดไขมันระเหยได้ถูกเปลี่ยนเป็นกรดอะซิติก ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจนด้วยแบคทีเรียกลุ่มผลิตกรดอะซิติก (acetogenic bacteria) แล้วอาร์เคียกลุ่มผลิตมีเทน (methanogens) ใช้กรดอะซิติก ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจนเปลี่ยนเป็นก๊าซมีเทน หรือที่เรียกว่าก๊าซชีวภาพ ดังแสดงในรูปที่ 3

Wastewater Treatment into Bioenergy_03

รูปที่ 3: กระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้อากาศเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพ (ที่มา Zhang, B. and Wang, L., 2014)

 

  1. การผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากเชื้อจุลินทรีย์มีหลายวิธีดังแสดงในรูปที่ 4 อาทิเช่น หมักแบบไม่ใช้แสง (dark fermentation) ในสภาวะไร้อากาศ (รูปที่ 3) กระบวนการหมักแบบใช้แสง (photo fermentation) สารอินทรีย์ในน้ำเสียถูกย่อยสลายแล้วเปลี่ยนไปเป็นก๊าซไฮโดรเจนโดยอาศัยแสงอาทิตย์ และวิธีเซลล์อิเล็กโทรไลซิสชีวภาพ (microbial electrolysis cell) เชื้อจุลินทรีย์ที่ขั้วลบย่อยสลายสารอินทรีย์ได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และปล่อยอิเล็กตรอน (e) และโปรตอน (H+) ออกมา แล้วอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้วลบผ่านทางเชื่อม (bridge) ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ขณะที่โปรตอนจะเคลื่อนผ่านเมมเบรนที่ยอมให้โปรตอนผ่านได้เท่านั้น ที่ขั้วบวกโปรตอนทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนเกิดเป็นก๊าซไฮโดรเจน ดังแสดงในรูปที่ 5(ขวา)

Wastewater Treatment into Bioenergy_04

รูปที่ 4: การผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากจุลินทรีย์ด้วยกระบวนการต่างๆ (ที่มา Daud, N.M., 2015)

 

  1. การผลิตไฟฟ้าจากน้ำเสียด้วยเชื้อเพลิงชีวภาพ (microbial fuel cells, MFC) ซึ่งสารอินทรีย์ในน้ำเสียถูกเปลี่ยนเป็นกระแสไฟฟ้าด้วยการกระตุ้นจากจุลินทรีย์ในสภาวะไร้อากาศ MFC ประกอบด้วยขั้วบวก (cathode) และขั้วลบ (anode) ที่มีจุลินทรีย์เกาะอยู่เมื่อเติมน้ำเสียเข้าไป เชื้อจุลินทรีย์จะย่อยสลายสารอินทรีย์ได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และปล่อยอิเล็กตรอน (e) และโปรตอน (H+) ออกมา แล้วอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบผ่านวงจรเพื่อไปจับกับโปรตอนที่ขั้วบวก ขณะที่โปรตอนจะเคลื่อนผ่านเมมเบรนที่ยอมให้โปรตอนผ่านได้เท่านั้น ที่ขั้วบวกโปรตอนและอิเล็กตรอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนกลายเป็นน้ำ เกิดความต่างศักย์ทำให้อิเล็กตรอนไหลเวียนต่อเนื่องเกิดกระแสไฟฟ้าเรื่อยๆ ดังแสดงในรูปที่ 5(ซ้าย)

Wastewater Treatment into Bioenergy_05

รูปที่ 5: ขวา-การผลิตไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงชีวภาพ; ซ้าย-การผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากเซลล์อิเล็กโทรไลซิสชีวภาพ (ที่มา Escapa, A. et al., 2016)

น้ำเสียแต่ละชนิดมีแหล่งกำเนิดที่แตกต่างกัน การเลือกวิธีบำบัดน้ำเสียเพื่อผลิตพลังงานชีวภาพที่เหมาะสม จึงขึ้นอยู่กับชนิดและองค์ประกอบของน้ำเสียด้วย ติดตามรายละเอียดได้ในบทความครั้งต่อไป

 

เอกสารอ้างอิง

  1. Cuellar, M.C. and Straathof, A.J.J. “Biochemical conversion: biofuel by industrial fermentation” in “Biomass as a sustainable energy source for the future”, de Jong, W. and van Ommem, J.R., ARChE Willey, Hoboken, New Jersey, 2015.
  2. Daud, N.M., Abdullah, S.R.S., Hasan, H.A. and Yaakob, Z. Process Safety and Environmental Protection 94: 487-508, 2015
  3. Escapa, A., Mateos, R., Martínez, E.J. and Blanes, J. Renewable and Sustainable Energy Reviews 55: 942–956, 2016.
  4. Lee, S. “Biodiesel” in “Handbook of alternative fuel technologies” 2nd Ed., Lee, S., Speight, J.G. and Loyalka, S.K., Eds, CRC Press, New York, pp. 441-454, 2015.
  5. Mohan, V.S. “Waste to Renewable Energy: A Sustainable and GreenApproach Towards Production of Biohydrogen by Acidogenic Fermentation” in “Sustainable Biotechnology Sources of Renewable Energy”, Singh, O.V. and Harvey, S.P., Eds. Springer Science+Business Media, pp. 129-164, 2010.
  6. Zhang, B. and Wang, L., “Anaerobic digestion of organic wastes” in “Sustainable bioenergy production”, Wang, L., Ed, CRC Press, pp. 401-416, 2014.