2. ก๊าซชีวภาพเกิดได้อย่างไร
กระบวนการผลิตก๊าซชีวภาพนั้นเป็นกระบวนการทางธรรมชาติ ที่อาศัยการทำงานของจุลินทรีย์จำพวกที่ไม่ชอบออกซิเจน ซึ่งจุลินทรีย์แบบไม่ชอบออกซิเจนนั้นมี 2 พวก คือ พวกที่สร้างมีเทน (Methanogenic bacteria)และ พวกที่ไม่สร้างมีเทน (Non-methanogenic bacteria) โดยจุลินทรีย์ประเภทสร้างมีเทนนี้จะใช้สารอินทรีย์ที่มีโครงสร้างไม่ซับซ้อนเป็นสารอาหาร และให้ผลผลิตเป็นก๊าซมีเทน (สูตรโมเลกุล CH4) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (สูตรโมเลกุล CO2) เป็นหลัก โดยมีก๊าซอื่นๆในปริมาณเล็กน้อยเช่น ก๊าซไข่เน่า หรือ ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (สูตรโมเลกุล H2S) จุลินทรีย์กลุ่มนี้ไม่ชอบออกซิเจนอิสระ (สูตรโมเลกุล O2 เป็นโมเลกุลที่มนุษย์ใช้หายใจเพื่อการดำรงชีพ) ดังนั้นในการผลิตก๊าซชีวภาพนั้นจะต้องระวังไม่ให้ออกซิเจนสามารถเข้าไปสัมผัสกับจุลินทรีย์กลุ่มที่สร้างมีเทน เพราะจะทำให้การผลิตก๊าซมีเทนด้อยประสิทธิภาพ และเนื่องจากแบกทีเรียกลุ่มสร้างมีเทน สามารถใช้สารอาหารที่มีโครงสร้างไม่ซับซ้อนเท่านั้น การผลิตก๊าซมีเทนจากสารอินทรีย์ที่มีโครงสร้างซับซ้อน จึงต้องอาศัยการทำงานของแบกทีเรียกลุ่มไม่สร้างมีเทน เพื่อทำการย่อยสลายสารอินทรีย์ที่มีความซับซ้อนสูง ให้กลายเป็นสารอินทรีย์ที่มีความซับซ้อนต่ำ พอที่แบกทีเรียกลุ่มสร้างมีเทนสามารถย่อยสลายได้ ดังนั้นในการผลิตก๊าซมีเทนจะต้องอาศัยการร่วมมือของแบกทีเรียหลายๆกลุ่มเข้าด้วยกัน โดยทั่วไปน้ำเสียและขยะที่มีสารอินทรีย์นั้นสามารถนำมาผลิตก๊าซชีวภาพได้



3. ระบบผลิตก๊าซชีวภาพที่นิยมใช้เป็นอย่างไร
เมื่อองค์ประกอบต่างๆครบถ้วน เช่น มีแบกทีเรีย สารอินทรีย์ อาหารเสริม และสิ่งแวดล้อมอื่นๆที่เหมาะสมแต่ไม่มีออกซิเจน กระบวนการสร้างก๊าซชีวภาพ ก็สามารถเกิดได้ตามธรรมชาติทันที ดังนั้นในธรรมชาตินั้นการเกิดก๊าซชีวภาพนั้นเกิดในบ่อที่มีการหมัก ในก้นแม่น้ำ ทะเลสาบ ลำไส้คนและวัว ไร่นาข้าวที่มีน้ำท่วมขัง ในเปลือกไม้ที่อับชื้น ใต้ท้องทะเลลึก เป็นต้น อย่างไรก็ตามการเกิดในสภาวะที่กล่าวมาแล้วขั้นต้นนั้นเป็นกระบวนการที่เกิดในธรรมชาติ ซึ่งอัตราการสร้างก๊าซชีวภาพจะเร็วหรือช้านั้นถูกกำหนดโดยธรรมชาติ แต่ในเชิงวิศวกรรมแล้ว วิศวกรจะสร้างระบบขึ้นมาเพื่อควบคุมสิ่งแวดล้อมต่างๆให้เหมาะสม ให้แบกทีเรียสามารถทำงานได้รวดเร็ว ตามที่ต้องการ หรืออีกนัยหนึ่งคือ วิศวกรที่ออกแบบระบบผลิตก๊าซชีวภาพคือ ผู้ที่เข้าใจธรรมชาติของสารอินทรีย์ และสภาวะการทำงานที่เหมาะสมของแบกทีเรียกลุ่มไม่ชอบออกซิเจน และทำการสร้างสภาวะดังกล่าว เพื่อเอาใจแบกทีเรียให้สามารถทำงานได้ ตามที่มนุษย์ต้องการ ประเภทของระบบผลิตก๊าซชีวภาพที่นิยมใช้ (ดูรูปประกอบ) ได้แก่

• ระบบบ่อไร้อากาศ (Anaerobic Ponds)
  ซึ่งเป็นบ่อที่นิยมใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมเนื่องจากค่าใช้จ่ายถูกสุด แต่มีข้อเสียคือเกิดกลิ่นเหม็นรบกวน และใช้พื้นที่มาก
• ระบบบ่อไร้อากาศแบบคลุมบ่อ (Anaerobic Covered Lagoons) เป็นระบบที่ดัดแปลงมาจากระบบบ่อไร้อากาศ โดยมีการคลุมคลุมบ่อเพื่อเก็บก๊าซชีวภาพที่เกิดขึ้นและนำไปใช้ประโยชน์ ข้อดีของระบบนี้คือ ไม่มีกลิ่นเหม็นรบกวนและสามารถใช้ประโยชน์จากก๊าซชีวภาพได้
• ระบบกวนสมบูรณ์ (CSTR)
  โดยทั่วไปมักเป็นถังเหล็กหรือถังคอนกรีตเสริมเหล็ก ภายในถังมีการกวนผสมน้ำอย่างทั่วถึงเพื่อให้สารอาหารสัมผัสกับแบกทีเรียอย่างเต็มที่ แต่ข้อเสียคือ น้ำทิ้งที่ไหลออกจากถังจะมีแบกทีเรีย ปนออกไปด้วย ทำให้ความสามารถของระบบต่ำลง 
• ระบบแอนแอโรบิคคอนแทค (Anaerobic Contact)
  ระบบนี้เป็นระบบที่พัฒนาจากระบบกวนสมบูรณ์ คือมีการนำน้ำที่ไหลออกจากระบบกวนสมบูรณ์ไปแยกตะกอนออกโดยใช้ถังตกตะกอน แล้วสูบตะกอนกลับเข้าสู่ถังกวนสมบูรณ์เพื่อทำหน้าที่ผลิตก๊าซชีวภาพต่อไป
• ระบบถังกรองไร้อากาศ (Anaerobic Filter)
  ระบบนี้จะมีการใส่ตัวกลางซึ่งมักเป็นพลาสติก เพื่อให้แบกทีเรียยึดเกาะติด ไม่ไหลออกไปจากถังผลิตก๊าซชีวภาพเมื่อน้ำไหลออกนอกถัง ระบบนี้จะทำให้ปริมาณของแบกทีเรียในระบบมีมาก สามารถผลิตก๊าซชีวภาพได้ดี
• ระบบยูเอเอสบี (UASB)
  ระบบนี้เป็นที่นิยมอย่างมากทั่วโลก แบกทีเรียในระบบจะรวมตัวจับกันเป็นเม็ดคล้ายกับเม็ดแมงลัก ขนาด 0.4 – 2 มิลลิเมตร การรวมตัวของแบกทีเรียปริมาณมาก (ซึ่งแต่ละเซลมีขนาดเพียงประมาณ 0.001 มม.) ทำให้ตะกอนเม็ดจมตัวและสะสมในระบบผลิตก๊าซชีวภาพได้มาก ทำให้ระบบสามารถผลิตก๊าซชีวภาพได้ดี
• ระบบอีจีเอสบี (EGSB)
  ระบบนี้พัฒนาต่อเนื่องมาจากระบบยูเอเอสบี เพื่อให้สามารถทำงานได้ดีขึ้น โดยเน้นที่การสัมผัสและการถ่ายเทมวลสารระหว่างแบกทีเรียและสารอาหารที่ดีขึ้น แต่ระบบนี้ก็ต้องการการออกแบบและดูแลที่ดีขึ้นเช่นกัน
• ระบบย่อยสลัดจ์แบบราง (Plug Flow Digester)
  มักนิยมใช้ในฟาร์มหมู ซึ่งมีสารแขวนลอยสูง

รูปประเภทของระบบผลิตก๊าซชีวภาพที่นิยมใช้

4. การออกแบบและควบคุมระบบผลิตก๊าซชีวภาพ
ในการบำบัดน้ำเสียโรงงานอุตสาหกรรมที่มีค่าซีโอดีปานกลางและสูงนั้น ระบบไร้อากาศมักจะถูกเลือกใช้สำหรับการบำบัดเบื้องต้นเพื่อลดปริมาณสารอินทรีย์ในน้ำเสีย ให้เหลือน้อยก่อนบำบัดด้วยระบบบำบัดแบบใช้อากาศ วิธีนี้จะเป็นการประหยัด และคุณภาพน้ำทิ้งได้ตามมาตรฐานน้ำทิ้งที่กำหนด โดยทั่วไปน้ำทิ้งหลังบำบัดด้วยระบบไร้อากาศควรมีค่าบีโอดีอยู่ในช่วง 100 – 300 มิลลิกรัมต่อลิตร และเมื่อบำบัดด้วยระบบใช้อากาศค่าบีโอดีจะเหลือน้อยกว่า 20 มิลลิกรัมต่อลิตร

ในอดีตการเลือกใช้ระบบไร้อากาศนั้นมีวัตถุประสงค์เพื่อการลดค่าบีโอดี และซีโอดีเป็นหลักและเน้นระบบที่เสียใช้จ่ายต่ำสุด ทำให้ระบบไร้อากาศที่นิยมใช้ได้แก่ ระบบบ่อหมักไร้อากาศ (anaerobic pond) แต่มีข้อเสียคือ ใช้พื้นที่มาก มีกลิ่นเหม็นรบกวนและก๊าซชีวภาพไม่ได้นำมาใช้ประโยชน์ ต่อมาเมื่อมีการพัฒนาระบบไร้อากาศแบบอัตราสูงขึ้น เช่น ระบบยูเอเอสบี (UASB reactor) ระบบตรึงฟิล์มไร้อากาศ (anaerobic fixed-film reactor) ทำให้ระบบมีขนาดเล็กลงและไม่มีกลิ่นเหม็นรบกวน นอกจากนั้นก๊าซชีวภาพที่เกิดขึ้น ยังสามารถนำมาใช้เป็นพลังงานทดแทนได้เมื่อมีปริมาณสารอินทรีย์ในน้ำทิ้งมากพอ ดังนั้นวัตถุประสงค์อีกข้อหนึ่งก็คือ เพื่อการผลิตพลังงานทดแทนในรูปของก๊าซชีวภาพ

4.1 ความเข้าใจเกี่ยวกับน้ำเสียและลักษณะของสารอินทรีย์ในน้ำเสีย
ในการออกแบบและควบคุมระบบนั้น ผู้ออกแบบและผู้ควบคุมระบบจะต้องเข้าใจธรรมชาติของน้ำเสียนั้นเสียก่อน โดยมุ่งประเด็นไปที่ว่าแบกทีเรียจะสามารถย่อยสลายสารอินทรีย์ได้มากน้อยและยากง่ายเพียงใด โดยทั่วไปสารในน้ำเสียจะแยกได้ออกเป็นสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ ซึ่งอาจจะอยู่ในสถานะของ ของแข็ง คอลลอยด์ หรือ สารละลาย ส่วนสารอินทรีย์นั้นสามารถแยกออกได้เป็น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน ซึ่งประเภท และสถานะของสารอินทรีย์นั้น เป็นปัจจัยสำคัญต่อความยากง่ายในการย่อยสลายของแบกทีเรีย และมีผลอย่างยิ่งต่อการออกแบบ และควบคุมระบบ ดังนั้นผู้ออกแบบและผู้ควบคุมระบบจำเป็นต้องเข้าใจธรรมชาติของน้ำเสียที่กำลังดูแลรับผิดชอบ

สำหรับการรายงานผลของลักษณะน้ำเสียนั้น มักรายงานในค่าของ พีเอช บีโอดี ทีเคเอ็น ฟอสฟอรัส ซัลเฟต ความเป็นด่าง สารอินทรีย์ระเหยง่าย เป็นต้น ซึ่งข้อมูลนี้มุ่งเน้นที่จะให้ผู้ออกแบบ และผู้ควบคุมระบบเข้าใจในประเด็นต่อไปนี้ คือ 1) สารอินทรีย์ย่อยสลายยากหรือง่าย เร็วหรือช้า 2) สารอาหารเสริม เพียงพอหรือไม่ 3) มีสารพิษที่อาจรบกวนการทำงานของแบกทีเรียหรือไม่ และ 4) ระบบผลิตก๊าซชีวภาพ มีเสถียรภาพง่ายหรือยาก ความเสี่ยงสูงหรือต่ำ

4.2 เสถียรภาพของระบบผลิตก๊าซชีวภาพ ออกแบบอย่างไร
เมื่อฝ่ายผู้ประกอบการตัดสินใจเลือกใช้ระบบบำบัดแบบไร้อากาศแล้วนั้นย่อมต้องการระบบที่มีเสถียรภาพที่ดี คุณภาพน้ำทิ้งหลังบำบัด เป็นไปตามที่ออกแบบเอาไว้ อย่างไรก็ตามผู้ประกอบการบางรายอาจพบว่า ระบบบำบัดแบบไร้อากาศที่ตนมีนั้นมีเสถียรภาพไม่ดี บางช่วงเวลาน้ำทิ้งหลังบำบัดมีคุณภาพต่ำ(ค่าบีโอดีและซีโอดีสูง) ซึ่งอาจสูงกว่าที่ออกแบบไว้มาก อย่างไรก็ตามปัจจุบันวิศวกร นักวิทยาศาสตร์และผู้ประกอบการส่วนใหญ่ยังยอมรับว่า ระบบไร้อากาศซึ่งเป็นระบบที่ประหยัดนั้นอาจมีเสถียรภาพต่ำได้ เป็นเรื่องปกติ กล่าวคือ คุณภาพน้ำทิ้งหลังบำบัด จะแปรปรวนเมื่อความเข้มข้นของสารอินทรีย์ในน้ำเสีย อุณหภูมิ และสภาพแวดล้อมอื่นๆที่เปลี่ยนแปลงไป และอาจยอมรับว่าการที่น้ำทิ้งมีค่าบีโอดีหรือซีโอดีสูงในช่วง 500 – 2,000 มิลลิกรัมต่อลิตรนั้น เป็นเรื่องปกติของระบบไร้อากาศ ซึ่งในปัจจุบันนี้ความคิดดังกล่าวควรเปลี่ยนไป เนื่องจากภายใต้การออกแบบ และควบคุมอย่างเหมาะสมน้ำทิ้งหลังบำบัดจากระบบไร้อากาศ สุดท้ายควรมีค่าบีโอดีอยู่ในช่วง 100 – 300 มิลลิกรัมต่อลิตร และระบบควรมีเสถียรภาพดีกล่าวคือเมื่อสิ่งแวดล้อมของระบบเปลี่ยนไป คุณภาพของน้ำทิ้งหลังการบำบัดไม่เปลี่ยนแปลงมากนักและอยู่ในช่วงที่ออกแบบไว้

หลักการออกแบบและควบคุมที่ถูกต้องคือ การออกแบบ และการควบคุมให้ระบบมีค่าคงที่ความปลอดภัย (safety factor, SF) ที่เหมาะสม  โดยที่ค่าคงที่ความปลอดภัยนั้นอาจคำนวณได้โดยนำค่าความสามารถของระบบ (reactor capacity) มาหารด้วยค่าภาระสารอินทรีย์ (organic load) ดังแสดงในสมการด้านล่าง ดังนี้

ค่าคงที่ความปลอดภัย (SF)  =   ความสามารถของระบบ (reactor capacity) / ภาระสารอินทรีย์ (organic load)

โดยที่ความสามารถของระบบนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณ และคุณภาพของแบกทีเรียที่มีในระบบ (คำนวณโดยสมการ reactor capacity = biomass * bacterial activity) และภาระสารอินทรีย์นั้นขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารอินทรีย์ และอัตราไหลน้ำเสีย (คำนวณโดยสมการ organic Load  = flow rate * biodegradable COD concentration) สำหรับปริมาณแบกทีเรียที่สามารถเก็บกักไว้ในระบบ และปริมาตรของระบบที่ต้องการนั้น จะขึ้นอยู่กับเทคนิคที่เลือกใช้ซึ่งอาจได้แก่ การรวมตัวกันของแบกทีเรีย จนเป็นตะกอนเม็ดแบกทีเรีย ในระบบยูเอเอสบี การตรึงฟิล์มของแบกทีเรียบนตัวกลางในระบบตรึงฟิล์ม การใช้แผ่นเมมเบรน ในการกักเซลไว้ในระบบและการหมุนเวียนตะกอนแบกทีเรีย เป็นต้น สำหรับการควบคุมให้แบกทีเรียทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้น จำเป็นต้องเฝ้าระวัง และคอยควบคุมสภาพแวดล้อมให้เหมาะสมเสมอ  สภาพแวดล้อมที่ควรให้ความสำคัญได้แก่ พีเอช อุณหภูมิ ความเข้มข้นสารอาหารและชนิดสารอาหาร ความพอเพียงของสารอาหารเสริมหลักและรอง สารพิษ เป็นต้น

4.3 ระบบผลิตก๊าซชีวภาพ ควบคุมกันอย่างไรไม่ให้ล้มเหลว
วัตถุประสงค์ในการควบคุมระบบ คือ การควบคุมความสามารถของระบบให้มีมากพอ และสามารถรองรับปริมาณสารอินทรีย์ที่จะเข้าระบบได้อย่างประสิทธิภาพ ในการควบคุมความสามารถของระบบนั้นผู้ควบคุมจะต้องควบคุมปริมาณ และคุณภาพของแบกทีเรียในระบบ ซึ่งการควบคุมคุณภาพของแบกทีเรียนั้นจำเป็นต้องอาศัยการควบคุมสิ่งแวดล้อมของแบกทีเรีย เช่น พีเอช ความเป็นด่าง สารอาหารเสริม สารพิษ เป็นต้น ดังนั้นหัวใจของการควบคุมระบบก็คือ การควบคุมสิ่งแวดล้อมในน้ำ เพื่อกำหนดให้แบกทีเรียสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่วนรายละเอียดการควบคุมนั้นจะขึ้นกับประเภทของน้ำเสีย ซึ่งจะมีจุดสำคัญแตกต่างกันไป

5. อยากออกแบบและควบคุมระบบอย่างมืออาชีพ ต้องเรียนรู้อะไรบ้าง
การเข้าใจทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการผลิตก๊าซชีวภาพอย่างคลอบคลุม ถือเป็นเรื่องจำเป็นในการออกแบบ และควบคุมระบบแบบมืออาชีพ ผู้สนใจควรเพิ่มพูนความรู้ในเรื่องดังต่อไปนี้ 1) จุลชีววิทยา (Microbiology) เน้นเข้าใจปัจจัยที่มีผลต่อความอยู่รอดของจุลินทรีย์ 2) เคมีวิทยาน้ำ (Aquatic chemistry) เน้นเข้าใจพฤติกรรมของโมเลกุลของสารอินทรีย์และอนินทรีย์ในน้ำ 3) ชลศาสตร์ (Hydraulics) เน้นเข้าใจพฤติกรรมการไหลของน้ำในสภาวะต่างๆ 4)ไคเนติกส์ (Kinetics) เน้นเข้าใจปัจจัยที่ควบคุมอัตราเร็วของปฏิกิริยาเคมีและชีวเคมี 5) เทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics) เน้นเข้าใจขอบเขตความเป็นไปได้ตามธรรมชาติและการมุ่งเข้าสู่สมดุล และ 6) สมดุล (Equilibrium) เน้นเข้าใจว่าทุกสิ่งย่อมมีสภาวะสมดุลตามธรรมชาติ

เอกสารอ้างอิง
www.uasb.org
www.ees.adelaide.edu.au