ศักยภาพการผลิตก๊าซชีวภาพจากวัสดุเหลือทิ้งข้าวโพดเลี้ยงสัตว์ร่วมกับกากตะกอนในระบบบำบัดน้ำเสียฟาร์มสุกร
Biogas Production Potential from Maize Residues with Sludge in the Wastewater Treatment System of Pig Farm
Abstract
ปัจจุบันปัญหาการกำจัดวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรเป็นปัญหาที่ควรได้รับการกำจัดให้ถูกวิธี เนื่องจากการกำจัดวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรจะส่งผลกระทบโดยตรงต่อสิ่งแวดล้อม โดยเทคโนโลยีพลังงานทดแทนด้านก๊าซชีวภาพ เป็นเทคโนโลยีหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนวัสดุเหลือทิ้งให้เป็นพลังงาน ในงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาศักยภาพการผลิตก๊าซชีวภาพจากวัสดุเหลือทิ้งข้าวโพดเลี้ยงสัตว์ร่วมกับกากตะกอนในระบบบำบัดน้ำเสียฟาร์มสุกร โดยศึกษาศักยภาพการผลิตก๊าซมีเทน (Biomethane Potential; BMP Test) ในชุดทดสอบขนาด 1,000 มิลลิลิตร ปริมาตรการทำงาน 400 มิลลิลิตร โดยการหมักแยก 3 ประเภทได้แก่ เปลือก ซัง และเปลือกหมักรวมกับซัง จากนั้นนำวัตถุดิบตั้งต้นหมักร่วมกับกากตะกอนมูลสุกรในอัตราส่วน 70 : 30 กรัมของแข็งระเหยต่อลิตร และเปรียบเทียบการปรับสภาพวัตถุดิบด้วยกระบวนการทางชีวภาพแบบ Pre-acidification ระยะเวลาที่ต่างกันได้แก่ 48 (Pre-A48), 72 (Pre-A72) และ 96 (Pre-A96) ชั่วโมง การทดลองควบคุมอุณหภูมิที่ 35 ± 2 องศาเซลเซียส (สภาวะเมโซฟิลิก) ระยะเวลาการหมัก 50 วัน และนำศักยภาพก๊าซชีวภาพที่ได้มาประเมินปริมาณการผลิตไฟฟ้า (จากการคิดค่าปริมาณก๊าซชีวภาพที่ 1 ลูกบาศก์ เมตรต่อปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ต่ำสุด 0.71 และสูงสุดที่ 1.40 กิโลวัตต์ชั่วโมง) จากการศึกษาพบว่า การใช้วัตถุดิบประเภทเปลือกหมักรวมกับซัง เป็นวัตถุดิบที่ให้ปริมาณก๊าซชีวภาพและสัดส่วนก๊าซมีเทนสูงสุด โดยมีระยะเวลาการปรับสภาพที่ 48, 72 และ 96 ชั่วโมง ตามลำดับ ซึ่งมีผลของปริมาณก๊าซชีวภาพที่เกิดขึ้นเฉลี่ยต่อวันเท่ากับ 129, 159 และ 130 มิลลิลิตรต่อวัน ตามลำดับ และปริมาณสัดส่วนของก๊าซมีเทนเท่ากับร้อยละ 56.52 57.04 และ 56.09 ตามลำดับ เมื่อนำไปประเมินศักยภาพการผลิตไฟฟ้าพบว่า เปลือกหมักรวมกับซังที่ Pre-A72 ปริมาณ 1 ตันผลิตก๊าซชีวภาพได้ 454.54 ลูกบาศก์เมตร โดยจะสามารถผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อยู่ที่ 322.72 –451.81 กิโลวัตต์ชั่วโมงส่งผลให้การนำเศษวัสดุเหลือทิ้งข้าวโพดเลี้ยงสัตว์มาผลิตก๊าซชีวภาพสามารถเป็นแนวทางในการจัดการปัญหาของวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรอย่างถูกวิธี และสามารถเปลี่ยนวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรเป็นพลังงานได้
Currently, agricultural waste disposal is a problem that must be addressed properly. This is due to the fact that agricultural waste disposal has a direct impact on the environment. Biogas renewable energy technology is a method of converting waste into energy. The primary goals of this research were to investigate the potential of biogas production from maize residues combined with pig manure sludge of a piggery wastewater treatment system. The biomethane potential (BMP Test) was performed using serum bottles (1,000 milliliter bottles) with a working volume of 400 milliliters in the reactors. The experiments were carried out with three different maize residues, namely husks, cobs, and total fermentation of husk with cob, as substrates with pig manure sludge. Furthermore, the substrate-to-inoculum (S/I) ratio was 70:30 grams volatile solid per liters, and the pretreatment of maize residues by the pre-acidification process was compared at 48 (Pre-A48), 72 (Pre-A72), and 96 (Pre-A96) hours to investigate the optimal substrates for biogas production. The fermentation period was 50 days. The experiments were carried out in bath mode at a controlled temperature of 35 ± 2 degrees Celsius (mesophilic condition). The acquired potential was used to calculate the amount of electricity generated from a biogas charge of 1 cubic meter per electricity at a minimum of 0.71 and a maximum of 1.4 kilowatt hour. The study discovered that maize residues mixed with husks and cobs were ideal raw materials to provide the most biogas and the highest proportion of methane gas at Pre-A48, Pre-A72, and Pre-A96 hours, respectively. The average daily biogas volume was 129, 159, and 130 milliliters per day, and the methane gas content percentages were 56.52, 57.04, and 56.09, respectively. When the acquired potential was used to calculate the amount of electricity generated, it was discovered that 1 ton of total fermentation husk with cob produced 454.54 cubic meter of biogas, which could generate 322.72–451.81 kilowatt hour of electricity. This research can be used as a guideline to properly manage the problem of agricultural waste, thus enabling the conversion agricultural waste into energy.
Keywords
[1] Department of Alternative Energy Development and Efficiency, Bioenergy. Department of Alternative Energy Development and Efficiency Ministry of Energy, Bangkok Thailand, 2020 (in Thai).
[2] Department of Alternative Energy Development and Efficiency, Energy Overview Jan.-Apr. Technology Transfer and Dissemination Office Department of Alternative Energy Development and Efficiency, Bangkok, 2021 (in Thai).
[3] Department of Industrial Works, Operation Manual on Design, Production, Quality Control of Biogas for Industrial Plants. Bangkok, 2020 (in Thai).
[4] Fermentation of Organic Materials Characterization of the Substrate, Sampling, Collection of Material Data, Fermentation Tests, VDI-4630, 2006.
[5] Mittraphap. “Investment guide for biogas power plants from energy plants,” Education Project Information Center: Researching a Green Energy Community Enterprise Model from Energy Plants (Biogas from Energy Plants), 1st ed. Bangkok: Mittraphap Printing 1995, 2013 (in Thai).
[6] K. Sawangphon, “Feasibility study of electricity generation using biogas from cellulose,” KMUTT Research and Development Journal, vol. 36, no. 4, 2013 (in Thai).
[7] Agriculture and Environment Foundation, “Corn for animals Situation/burning and management practices of agricultural waste,” in Agriculture and Environment Foundation, Thailand, 2019 (in Thai).
[8] C. Siriwong, “The use and toxicity of the filler reinforcement in rubber industry,” KKU Science Journal, vol. 43, no.4, pp. 579–594, 2015 (in Thai).
[9] T. Chaichana, “Reducing the amount of greenhouse gas emissions from the disposal of maize waste material. by converting it to renewable energy,” Economic Development Based on Biodiversity Foundation, School of Renewable Energy Maejo University, 2019 (in Thai).
[10] C. Chuangthong, “The system of electricity generation from biogas sewage for community,” Journal of the Asian Graduate College, vol. 9, special issue, 2019 (in Thai).
[11] C. Sun, A. Xia, Q. Fu, Y. Huang, R. Lin, and J. D. Murphy “Effects of pre-treatment and biological acidification on fermentative hydrogen and methane co-production,” Energy Conversion and Management, vol. 185, pp. 431–441, 2019.
[12] N. Chaithanu, “Efficiency and economic analysis of anaerobic fermentation system with continuous stirring tank under thermophilic conditions. To treat waste from pig farms,” M.S. Thesis, Graduate School, Chiang Mai University, 2019 (in Thai).
[13] S. Nontha, “Lactic acid production from fruit waste fermentation process. lactic acid production from fruit waste fermentation,” Journal of KKU Academic, no. 39, 2016 (in Thai).
[14] S. Saipa, “Prototype of biogas production system from sweet corn waste material by dry fermentation process” M.S. Thesis, Graduate School, Renewable Energy Engineering, Maejo University, 2019 (In Thai).
[15] Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, DC, APHA, AWWA, WEF, 2017.
[16] J. Filer, H. H. Ding, and S. Chang, “Biochemical Methane Potential (BMP) Assay Method for Anaerobic Digestion Research,” Water, vol. 11, no. 5, pp. 921, 2019.
[17] N. Menikpura and J. Sang-Arun, “User manual estimation tool for Greenhouse Gas (GHG) emissions from Municipal Solid Waste(MSW) management in a life cycle perspective,” This tool is developed under the project of Measurement, Reporting and Verification (MRV) for low carbon development in Asia, Ministry of Environment, Japan, 2013.
[18] S. Chaiprapat, “Project Assessment of Potential to Increase Biogas Production Rate by Cofermentation and Firewood Replacement Rate of Smoked Sheet Rubber Cooperatives (Phase 2),” Office of the National Research Council of Thailand (NRCT) and the Office of Research Fund (TRF), Bangkok, Thailand, 2015 (in Thai).
[19] S. Chaiprapat, “Biogas production from banana leftovers by high-concentration fermentation system for roasted banana production,” Complete Research Project Report, Prince of Songkla University Hat Yai Campus, 2017 (in Thai).
[20] A. Sripai, “Effect of retention time on volatile fatty acid production. from fermented corn by microorganisms from the rumen of dairy cows,” presented at the Academic conference Khon Kaen University, Khon Kaen, Thailand, 2011 (in Thai).
[21] M. Schroyen, S. V. Van Hulle, S. Holemans, H. Vervaeren, and K. Raes, “Laccase enzyme detoxifies hydrolysates and improves biogas production from hemp straw and miscanthus,” Bioresource Technology, vol. 244, no. 1, pp. 597–604, 2017.
[22] C. Chen, D. Zheng, G.–Jin Liu, L.–Wei Deng, Y. Long, and Z.–Hui Fan, “Continuous dry fermentation of swine manure for biogas production,” Waste Management, vol. 38, pp. 436–442, 2015.
[23] A. Okewale, K. Babayemi and O Adesina, “Biogas production from anaerobic co–digestion of corn cobs, pig and poultry droppings,” ABUAD Journal of Engineering Research and Development, vol. 1, no. 2, pp. 273–282, 2018.
[24] C. Phuttaro, C. Sawatdeenarunat, K. C. Surendra, P. Boonsawang, S. Chaiprapat, and S. K. Khanal “Anaerobic digestion of hydrothermally pretreated lignocellulosic biomass: Influence of pretreatment temperatures, inhibitors and soluble organics on methane yield,” Bioresource Technology, vol. 284, pp. 128–138, 2019.
[25] K. Pomngern, P. Soh-salam and R. Pawongrat, “Biogas production from Steam-Pretreated water hyacinth with cow dung by batch fermentation,” Princess of Naradhiwas University Journal, vol. 8, no. 3, pp. 129–139, 2016.
[26] C. Sawatdeenarunat, S. Sung, and S. K. Khanal, “Enhanced volatile fatty acids production during anaerobic digestion of lignocellulosic biomass via micro-oxygenation,” Bioresource Technology, vol. 237, pp.139–145, 2017.
[27] A. R. Jimmy, “Effect of co-digestion of milk whey and potato stem on heat and power generation using biogas as an energy vector: Techno-economic assessment,” Applied Energy, vol. 241, pp. 504–518, 2019.
[28] M. Zhang, G. Zhang, P. Zhang, S. Fan, S. Jin, D. Wu, and W. Fang, “Anaerobic digestion of corn stovers for methane production in a novel bionic reactor,” Bioresource Technology, vol. 166, pp. 606–609, 2014.
[29] M. Pöschl, S. Ward, and P. Owende, “Evaluation of energy efficiency of various biogas production and utilization pathways,”Applied Energy, vol. 87, no. 11, pp. 3305–3321, 2010.
DOI: 10.14416//j.kmutnb.2023.09.009
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all