Solid waste

ภาควิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม           คณะวิทยาศาสตร์           มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์           


................

 

.........................บทที่ 1บทที่ 2บทที่ 3บทที่ 4บทที่ 5บทที่ 6บทที่ 7

 

 


กระบวนการทางชีววิทยาเปลี่ยนรูปสารอินทรีย์ในขยะให้เป็นผลิตผลที่เสถียรกว่าเดิม ตัวอย่างเช่น การทำปุ๋ยหมักแบบใช้อากาศ (aerobic composting) และการหมักแบบไร้อากาศของขยะที่มีปริมาณของแข็งต่ำ (low-solid anaerobic digesting)


  หลักการทางชีววิทยาที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปของขยะ

(1) ความต้องการธาตุอาหาร (nutrition requirement) ของจุลินทรีย์ ธาตุอาหารที่เป็นสาร    อนินทรีย์ได้แก่ไนโตรเจน (nitrogen,N) ฟอสฟอรัส (phosphorus, P) ซัลเฟอร์ (sulfur, S) โปแทสเซี่ยม (potassium, K) และแมกนีเซี่ยม (magnesium, Mg)  ในการขยายพันธุ์รวมทั้งเพื่อการทำหน้าที่อย่างมีประสิทธิภาพนั้น จุลินทรีย์ต้องการแหล่งพลังงานและคาร์บอน รวมเรียกว่า substrate ซึ่งได้มาจากคาร์บอนอินทรีย์และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

      (2) ในบางโอกาสธาตุอาหารและปัจจัยที่ก่อให้เกิดการเจริญเติบโตอาจจะทำตัวเป็นปัจจัยจำกัด (limiting factors) ในการสร้างเซลและการเจริญของจุลินทรีย์ ธาตุอาหารอนินทรีย์ที่สำคัญได้แก่ N, S, P, K, Mg. Ca, Fe, Na, Cl ที่สำคัญรองลงมาได้แก่ Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, W ปัจจัยที่ก่อให้เกิดการเจริญเติบโตเป็นธาตุอาหารอินทรีย์ที่ใช้เป็นตัวตั้งต้น (precursor) และองค์ประกอบของเซลอินทรีย์ที่ไม่สามารถสร้างได้จากแหล่งคาร์บอนได้แก่กรดอมิโน (amino acids) พิวรีน (purines) ไพริดีน (pyridines) ไวตามิน (vitamins) ซึ่งขึ้นกับชนิดของจุลินทรีย์ว่าจะเลือกใช้สารชนิดใด


  เมแทบอลิซึมของจุลินทรีย์

            แบ่งประเภทเมแทบอลิซึมของจุลินทรีย์ได้เป็น

           (1) เมแทบอลิซึมของการหายใจ (respiratory metabolism) ได้พลังงานมาจากการการเคลื่อนย้ายของตัวให้อิเลคตรอนไปยังตัวรับอิเลคตรอนข้างนอกเช่น ออกซิเจน

(2) เมแทบอลิซึมของการหมัก (fermentative metabolism) เป็นกระบวนการที่ไม่ได้ใช้พลังงานจากตัวรับอิเลคตรอนข้างนอกจึงให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าเมแทบอลิซึมของการหายใจ จุลินทรีย์ที่มีเมแทบอลิซึมประเภทนี้จะมีอัตราการเจริญเติบโตและการสร้างเซลช้ากว่า

(3) การหายใจที่ต้องใช้อากาศ (aerobic respiration) ใช้โมเลกุลออกซิเจนเป็นตัวรับอิเลคตรอน การเจริญเติบโต


  ชนิดของจุลินทรีย์

แบ่งชนิดของจุลินทรีย์ตามพื้นฐานของโครงสร้างและหน้าที่ของเซลดังรายละเอียดในตารางที่ 5-1 

ตารางที่ 5-1 ชนิดของจุลินทรีย์ 

Group

Cell structure

Characterization

Representative members

Eukaryotes

Eukaryoticb

Multicellular with extensive differentiation of cells and tissue

Plants (seed plants, ferns, mosses)

 

 

 

Animals (vertebrates, invertebrates)

 

 

Unicellular or coenocytic or mycelial; little or no tissue differentiation

Potists (algae, fungi, protozoa)

Eubacteria

Prokaryoticc

Cell chemistry similar to eukaryotes

Most bacteria

Archaebacteria

Procaryoticd

Distinctive cell chemistry

Methanogens, halophiles, thermacidophiles

a  from staract, R.Y., J.L. ingraham, M.L., Wheetis, and P.R. Painter, the Microbial World, 5th ed,1996. 
    Reprinted by permissionof Prentice Hall, Inc

b  Contain true nucleus.

c  contain no nuclear membrane.

ที่มา: Tchobanoglous et al. (1993)
 

ความต้องการด้านสิ่งแวดล้อม (environmental requirements) ได้แก่

ความต้องการด้านสิ่งแวดล้อมของจุลินทรีย์ในกระบวนการเปลี่ยนรูปขยะได้แก่ อุณหภูมิ ความชื้นความเป็นกรด-เบส (pH) 

ชนิดของแบคทีเรียแบ่งตามช่วงอุณหภูมิที่สามารถทำหน้าที่ได้ดีที่สุด

(1) psychrophillic bacteria           มีช่วงอุณหภูมิที่    –10-30°C อุณหภูมิที่พอเหมาะ 15°C

(2) mesophillic bacteria              มีช่วงอุณหภูมิที่       20-50°C อุณหภูมิที่พอเหมาะ 35°C

(3) thermophillic bacteria            มีช่วงอุณหภูมิที่      45-75°C อุณหภูมิที่พอเหมาะ 55°C


  ขั้นตอนของกระบวนการเปลี่ยนรูป

(1) กระบวนการที่เปลี่ยนรูปสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลที่สูงกว่าโดยใช้เอนไซม์ ไปเป็นสารที่เหมาะสำหรับเป็นแหล่งพลังงานและเนื้อเยื่อของเซล ตัวอย่างเช่นกระบวนการไฮโดรไลซีส (hydrolysis)

(2) กระบวนการเปลี่ยนรูปโดยแบคทีเรียเกิดขึ้นต่อเนื่องจากขั้นตอนแรกได้สารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำกว่าเดิม (lower-molecular-mass intermediate compounds)

(3) กระบวนการเปลี่ยนรูปโดยแบคทีเรียต่อจากขั้นตอนที่ 2 ได้ก๊าซมีเทน และคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารหลัก 

Biological pathways ในขั้นตอนของ methanogenesis

4H2 + CO2                  --------------------->           CH4 + 2H2O

4HCOOH                    --------------------->           CH4 + 3CO2 + H2O

CH3COOH                  --------------------->            CH4 + CO2

4CH3OH                    --------------------->             3CH4 + CO2 + 2H2O

4(CH3)3N + 6H2O       --------------------->             9CH4 + 3CO2 + 4NH3

4CO + 2H2             --------------------->             CH4 + 3CO2 

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่ก่อให้เกิดความสมดุลพลวัต (dynamic equilibrium)

(1) ช่องว่างที่มีออกซิเจนที่ละลายน้ำ (void of dissolved oxygen)

(2) ปราศจากแอมโมเนียอิสระ (free NH3 ) ในปริมาณที่จะก่อการยับยั้งได้

(3) ปราศจากโลหะหนักและซัลไฟด์ในปริมาณที่จะก่อการยับยั้งได้

(4) มี pH อยู่ในช่วง 6.5-7.5 ค่าต่ำกว่า 6.5 แบคทีเรียสร้างมีเทนไม่สามารถทำงานได้

(5) มีปริมาณธาตุอาหารเพียงพอ

(6) มีปัจจัยของการเจริญเติบโต (growth factor) เพียงพอ ทั้งนี้ขึ้นกับชนิดของจุลินทรีย์

(7) มีอุณหภูมิที่เหมาะสมกับชนิดของจุลินทรีย์เช่น mesophillic bacteria อยู่ที่ 30-38°C ...........
     thermophillic bacteria ที่ 55-60
°C

ผลผลิตของก๊าซที่เกิดขึ้นตามสมการของ การเปลี่ยนรูปโดยกระบวนการไร้อากาศ

 

 organic matter + H2O        ------------------>          new cells + resistance microorganism

 + nutrients + microorganism                                          + CO2 + CH4 + NH3 + H2S + heat

 

การเปลี่ยนรูปทางชีววิทยาโดยอาศัยอากาศ (aerobic biological transformation)

การเปลี่ยนรูปโดยอาศัยอากาศเป็นกระบวนการที่มีความยุ่งยากน้อยกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับการเปลี่ยนรูปโดยไม่อาศัยอากาศ การเปลี่ยนรูปโดยอาศัยอากาศเป็นการใช้ออกซิเจนเปลี่ยนรูปและสามารถลดปริมาตรของสารอินทรีย์ในขยะได้อย่างมีนัยสำคัญ


  การหมักทำปุ๋ยและวัสดุปรับปรุงดิน (composting)

composting เป็นเป็นกระบวนการสลายตัวของสารอินทรีย์และให้เกิดสารที่เสถียรกว่าเดิมโดยกระบวนการทางชีววิทยาภายใต้สภาวะที่ก่อให้เกิดอุณหภูมิสูงขึ้นเรียกว่า thermophilic condition ผลที่ได้จากกระบวนการดังกล่าวจะให้ความร้อนกับผลิตภัณฑ์ที่เสถียรเพียงพอที่จะกักเก็บและเหมาะสมที่จะใช้กับพื้นที่ดินโดยไม่เกิดผลเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม 

ชนิดของขยะที่นิยมนำมาใช้ในการทำ composting ใช้ได้แก่

(1) ของเสียจากการทำสวน (yard waste)

(2) ขยะเทศบาลที่ผ่านการแยก (separated MSW)

(3) ขยะเทศบาลผสมที่ยังไม่ผ่านการแยก (commingled MSW)

(4) ขยะผสมร่วมกับกากตะกอนที่ได้จากการบำบัดน้ำเสีย (co-composting with wastewater sludge)

 

วัตถุประสงค์หลักและข้อดีของการทำ composting

(1) การปรับเสถียรของของเสีย (waste stabilization)

(2) การทำลายเชื้อโรค (pathogen inactivation)

(3) ธาตุอาหารและการปรับมาใช้ในการปรับปรุงพื้นที่ (nutrient and reclamation)

(4) การทำกากตะกอนให้แห้ง (sludge drying)

 

หลักการออกแบบในการทำ composting

(1) ขนาดของขยะที่ใช้ มักจะผ่านกระบวนการ shredding ให้มีขนาดเล็กกว่า 2 นิ้วเพิ่มความหนาแน่นรวม (bulk density) เพิ่มความเสียดทานภายในและคุณลักษณะของการไหล เพิ่มแรงฉุดของวัสดุ เพิ่มอัตราของปฏิกิริยาชีวเคมีในกระบวนการ

            (2) อัตราส่วนของคาร์บอนและไนโตรเจน (C/N ratio) อัตราส่วนดังกล่าวมีความสำคัญที่สุดในการออกแบบ ค่าที่เหมาะสมอยู่ระหว่าง 20 และ 25

            (3) การเติมเชื้อ (seeding) เป็นการเติมจุลินทรีย์เพื่อช่วยการย่อยสลายให้ดีขึ้นและมีอัตราการย่อยสลายที่เร็วขึ้น

            (4) ปริมาณความชื้นที่เหมาะสมคือ 50-60 % การปรับความชื้นให้เหมาะสมอาศัยผลที่ได้จากการผสมวัสดุที่มีความชื้นแตกต่างกันและการกลับกองหมัก (mixing and turning)

            (5) อุณหภูมิ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกองขยะเป็นชนิดที่ให้ความร้อน (exothermic reaction) และเป็นเมแทโบลิซึมของการหายใจ อุณหภูมิช่วง mesophillic 30-38°C ส่วนในช่วง thermophillic  55-60°C

(6) การควบคุมเชื้อโรคที่เกิดขึ้น

(7) ความต้องการอากาศ

           (8) การควบคุม pH ในกรณีที่การถ่ายเทของอากาศไม่ดี จะเกิดสภาวะไร้อากาศ (anaerobic condition) pH จะลดลงถึง 4.5 ทำให้กระบวนการชะงักหรือช้าลง

(9) การควบคุมกลิ่นที่เกิดขึ้น กลิ่นที่ได้คือกรดอินทรีย์เนื่องจากมีกระบวนการประเภทไม่ต้องการอากาศเกิดขึ้น แก้ไขโดยการลดขนาดของขยะลง หรือแยกขยะที่ไม่สามารถย่อยสลายโดยกระบวนการทางชีววิทยาได้เช่น พลาสติก ออกจากกอง

(10) ความต้องการพื้นที่ในการทำงาน ตัวอย่างเช่น windrow: composting มีความต้องการพื้นที่ 2.5 เอเคอร์ สำหรับโรงงานที่มีกำลังผลิต 50 ตันต่อ วัน ทั้งนี้ พื้นที่1.5 เอเคอร์จะเสียไปกับ อาคาร โรงเรือนของเครื่องมือ และถนน

 

ปฏิกิริยาชีวเคมีที่เกิดใน composting

ตัวอย่างของการย่อยสลายโปรตีน

protein  ---->    peptides    --->   amino acids ---->   ammonium compounds ---->    bacteria protoplasm, atmospheric nitrogen หรือ ammonia

การย่อยสลายคาร์โบไฮเดรต

      carbohydrates    ---->   simple sugars  organic acids  CO2 และ bacterial protoplasm

 

            การทดแทนทางชีววิทยา (biological succession 

 

ภาพที่ 5-1 โซ่อาหารในกอง compost

ที่มา: Polprasert (1996)           

       สภาวะแวดล้อมที่เหมาะสม

(1) ความสมดุลย์ของธาตุอาหาร (nutrient balance) พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดคืออัตราส่วนของ C/N ที่สำคัญรองลงไปได้แก่ปริมาณฟอสฟอรัส ซัลเฟอร์ แคลเซี่ยมและธาตุอื่นๆ

(2) ขนาดของวัสดุที่ใช้ในการทำ composting

(3) การควบคุมความชื้น

(4) ความต้องการอากาศ

(5) อุณหภูมิและความเป็นกรด-เบส

(6) composting maturity


  ระบบ Composting

  แบ่งเป็น 2 ระบบ คือ

(1) การทำ composting ในที่ (On-site composting) ได้แก่

1) aerobic composting toilets

2) anaerobic composting

 

(2)    การทำ composting นอกพื้นที่ (Off-site composting)

1) Chinese ground - surface aerobic composting pile

2) window composting

3) forced-air aeration composting

4) The DANO system

5) the Jersey system 

 

ภาพที่ 5-2 วิธีทำ composting (a) windrow with periodic turning (b) aerated static pile and (c)

               in-vessel plug flow

         ที่มา: Tchobanoglous et al. (1993) 

 

ภาพที่ 5-3 ระบบ aerated static pile composting ที่มี screen filter

ที่มา: Tchobanoglous et al. (1993)


 
 CopyRight @ 2004 Environmental Science Kasetsart University. All rights Reserved. :•: Contact Webmaster :  TheGarg