ผลงานวิจัย

วิจัยแปรรูปกากตะกอนสิ่งปฏิกูลจากโรงบำบัดสิ่งปฏิกูลในกรุงเทพมหานคร และขยะเศษอาหารใช้ทำปุ๋ยทดแทน

ผู้ดำเนินการหลัก: รองศาสตราจารย์ ดร. สุภาวดี ผลประเสริฐ, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. วิธิดา พัฒนอิสรานุกูล

ความสำคัญและที่มาของปัญหา :

เนื่องจาก "ฟอสฟอรัส" เป็นแร่ธาตุที่ขาดไม่ได้สำหรับการปลูกพืช เพื่อให้เมล็ดพืชเจริญงอดงาม แต่โลกกำลังหวั่นวิตกว่า แร่หินฟอสฟอรัสกำลังใกล้จะหมดไปจากโลก ซึ่งจะนำมาสู่ต้นทุนการผลิตสินค้าเกษตรที่เพิ่มสูงขึ้น และส่งผลกระทบต่อประชาชนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ทางออกที่สำคัญโดยการนำของเสียจำพวกกากตะกอนจากระบบบำบัดสิ่งปฏิกูล และระบบบำบัดน้ำเสีย รวมไปถึงขยะอาหารจากโรงอาหารในสถาบันการศึกษา มาทดสอบผ่านกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เพื่อสกัดเอาแร่ธาตุฟอสฟอรัสมาผลิตเป็นปุ๋ยสตรูไวท์ หรือ "ปุ๋ยละลายช้า" ใช้ทดแทน "ปุ๋ยเคมีจากแร่หินฟอสฟอรัส" ที่กำลังหมดโลก จากผลการทดสอบ พบว่า ในแง่ของ "คุณภาพ" พบว่าปุ๋ยที่ได้จากตะกอนสิ่งปฏิกูลและเศษอาหาร มีค่าฟอสฟอรัสใกล้เคียงกับปุ๋ยที่วางจำหน่ายในท้องตลาด โดยสามารถผลิตผลึกปุ๋ยฟอสฟอรัสได้ 13.0 - 20.1% ในขณะที่ในแง่ราคา พบว่า ปุ๋ยฟอสฟอรัสที่ได้จากตะกอนสิ่งปฏิกูลและเศษอาหาร คาดว่าจะสามารถสร้างกำไรได้ราว 167 บาทต่อกิโลกรัม เมื่อเทียบกับราคาสูงสุดของปุ๋ยในท้องตลาดที่ซื้อขายกันกิโลกรัมละประมาณเกือบ 300 บาท โดยข้อดีของ "ปุ๋ยละลายช้า" ในแง่ของสิ่งแวดล้อม สามารถช่วยลดการปนเปื้อนของธาตุอาหารลงสู่แหล่งน้ำธรรมชาติได้ในกรณีที่เกิดฝนตก หรือมีไหลบ่าจากพื้นที่เกษตรกรรมลงสู่แหล่งธรรมชาติ ซึ่งหากมีการสูญเสียธาตุอาหารจากพื้นที่เกษตรกรรมไปสู่แหล่งน้ำ อาจทำให้เกิดปัญหามลพิษทางน้ำได้ เนื่องจากธาตุอาหารดังกล่าวจะไปเร่งการเจริญเติบโตของพืชน้ำทำให้แหล่งน้ำนั้นมีค่าออกซิเจนละลายน้ำลดลง นอกจากนี้ การนำวัสดุเหลือทิ้งจากภาคเกษตรกรรมมาเป็นส่วนผสมในการผลิตปุ๋ยฟอสฟอรัส และยังเป็นส่วนหนึ่งในการช่วยลดวิกฤติมลพิษทางอากาศ PM2.5 ซึ่งเกิดจากการเผาไหม้วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรที่มักพบโดยทั่วไปอีกด้วย

จากการค้นพบวิธีแปรรูปกากตะกอนสิ่งปฏิกูลจากโรงบำบัดสิ่งปฏิกูลและขยะเศษอาหารใช้ทำปุ๋ทดแทน ที่เป็ยเพียงการทดลองในห้องปฏิบัติการ นำไปสู่การให้ความสำคัญกับการขับเคลื่อนเศรษฐกิจชีวภาพ เศรษฐกิจหมุนเวียน และเศรษฐกิจสีเขียว (Bio-Circular-Green Economy: BCG Economy) โดยเน้นการจัดการของเสียเพื่อสามารถนำกลับมาใช้ประโยชน์ใหม่ ทำให้เกิดแนวคิดในการจัดทำโครงการ “เทคโนโลยีของกระบวนการสำหรับการก่อผลึกฟอสฟอรัสจากขยะอาหารและตะกอนสิ่งปฏิกูลรีดน้ำแล้ว (Process technology for Phosphorus crystallization from food waste and dewatered nightsoil sludge)” เนื่องจากประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรมและอุตสาหกรรม เป็นแหล่งผลิตและส่งออกสินค้าเกษตรที่สำคัญแห่งหนึ่งของโลก มีการนำเข้าปุ๋ยเคมีโดยรวมมากถึง 5,141,068 ตัน มูลค่ากว่า 46,342 ล้านบาท (สำนักวิจัยเศรษฐกิจการเกษตร กรมวิชาการเกษตร, 2563) ซึ่งปริมาณความต้องการฟอสฟอรัสเพิ่มสูงขึ้น ในขณะเดียวกันปริมาณแร่หินฟอสฟอรัสโลกกลับลดลงอย่างต่อเนื่องและจะหมดลงในอีก 50 – 100 ปี (Cordell et al., 2009)

ปัญหาการขาดแคลนแหล่งฟอสฟอรัสโลกส่งผลกระทบโดยตรงต่อความมั่นคงทางอาหารของประเทศไทย เนื่องจากไม่มีแหล่งฟอสฟอรัสธรรมชาติภายในประเทศ ประกอบกับอุตสาหกรรมการเกษตรจำเป็นต้องอาศัยปุ๋ยฟอสฟอรัสเป็นปัจจัยหลักในการขับเคลื่อน ดังนั้นการพัฒนาเทคโนโลยีทางสิ่งแวดล้อมที่สามารถแปรรูปฟอสฟอรัสจากแหล่งของเสียที่เหลือทิ้งจากการบริโภคให้กลับมาเป็นปุ๋ยฟอสฟอรัสที่สามารถประยุกต์ใช้ทางการเกษตรได้ จึงเป็นอีกหนึ่งแนวทางในการจัดการของเสียอย่างมีประสิทธิภาพและการผลิตปุ๋ยฟอสฟอรัสที่ยั่งยืนของประเทศไทย งานวิจัยนี้จึงทำการศึกษาการนำกลับฟอสฟอรัสจากของเสียที่เกิดขึ้นภายในประเทศ ได้แก่ ขยะอาหาร เศษเครื่องในปลา และตะกอนสิ่งปฏิกูลที่ผ่านยการบำบัดแล้วซึ่งยังคงมีฟอสฟอรัสหลงเหลืออยู่มาผลิตปุ๋ยฟอสฟอรัสโดยผ่านกระบวนการหมักแบบไร้อากาศ และการตกตะกอนทางเคมีที่เหมาะสม โดยหากของเสียเหล่านี้ได้ถูกนำกลับมาใช้ประโยชน์อย่างถูกวิธีไม่เพียงแต่จะจัดการของเสียเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพแล้ว ยังสามารถนำกลับฟอสฟอรัสสู่ภาคการเกษตรได้อีกครั้ง ทั้งนี้เพื่อลดการนำเข้าปุ๋ยฟอสฟอรัส เพิ่มความมั่นคงด้านอาหารในประเทศ และยังเป็นการสร้างต้นแบบนวัตกรรมอย่างยั่งยืนแบบบูรณาการ

วัตถุประสงค์ของโครงการ :

1. เพื่อศึกษาตัวแปรเชิงวิศวกรรมของกระบวนการหมักร่วม (Anaerobic Co-digestion) และประสิทธิภาพของการปลดปล่อยฟอสฟอรัส โดยใช้ขยะอาหาร (Food Waste) และตะกอนสิ่งปฏิกูลที่ผ่านการบำบัดแล้ว (Night-soil Treated Sludge: NTS) เพื่อผลิตฟอสฟอรัส (P) ควบคู่กับการปลดปล่อยก๊าซชีวภาพ (Biogas) ออกมาได้อย่างเหมาะสม
2. เพื่อศึกษาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับปฏิกิริยาการก่อตะกอนทางเคมี (Chemical precipitation) ของฟอสฟอรัสที่ได้จากน้ำที่ผ่านกระบวนการหมักร่วมแอนแอโรบิค
3. เพื่อประเมินด้านเศรษฐศาสตร์และความคุ้มค่าของเทคโนโลยีที่ใช้ในกระบวนการหมักร่วมแอนแอโรบิค เพื่อการผลิตก๊าซชีวภาพและกระบวนการก่อตะกอนทางเคมีเพื่อนำกลับฟอสฟอรัสให้อยู่ในรูปของปุ๋ยเพื่อการเพาะปลูก

พื้นที่ดำเนินกิจกรรม :

คณะสาธารณสุขศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

ระยะเวลา :

พ.ศ. 2565 – พ.ศ. 2569

ผลการดำเนินงาน :

วัตถุดิบตั้งต้นในกระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์ภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนโดยการหมักร่วมในการศึกษาครั้งนี้ ได้แก่ เศษอาหาร (Food Waste) เศษเครื่องในปลา (Fish Offal) และตะกอนสิ่งปฏิกูลที่ผ่านการบำบัดแล้ว (NTS) ซึ่งคุณลักษณะทางเคมีของวัตถุดิบที่นำมาใช้เป็นปัจจัยหลักในการกำหนดสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการเดินระบบถังหมักร่วมแบบไม่ใช้อากาศ โดยถังหมักร่วมแบ่งเป็น 2 ถังตามสภาวะการทดลอง ได้แก่ ถังหมักร่วมที่ 1 (เศษอาหารกับตะกอนสิ่งปฏิกูลที่ผ่านการบำบัดแล้ว) และถังหมักร่วมที่ 2 (เศษเครื่องในปลากับตะกอนสิ่งปฏิกูลที่ผ่านการบำบัดแล้ว) จากการศึกษา พบว่า สัดส่วนระหว่างเศษอาหารหรือเศษเครื่องในปลาต่อตะกอนสิ่งปฏิกูลที่ผ่านการบำบัดแล้วเท่ากับ 75:25 และระยะเวลาในการกักเก็บน้ำที่เหมาะสมของถังหมักร่วมที่ 1 คือ 30 วัน โดยมีประสิทธิภาพในการบำบัดซีโอดี (COD) ของแข็งทั้งหมด (TS) และของแข็งแขวนลอย (SS) เท่ากับร้อยละ 98.6 89.6 และ 95.9 ตามลำดับ นอกจากนี้ยังพบว่าน้ำออก (Effluent) ที่ได้จากถังหมักร่วมที่ 1 มีความเข้มข้นของฟอสฟอรัสที่อยู่ในรูปละลายน้ำ (Ortho-P) เฉลี่ยเท่ากับ 48.96 ± 1.93 mg P/L อีกทั้งยังสามารถผลิตก๊าซชีวภาพ (Biogas) ได้เฉลี่ยเท่ากับ 0.419 L/LR/d ในขณะที่ถังหมักร่วมที่ 2 (เศษเครื่องในปลากับตะกอนสิ่งปฏิกูลที่บำบัดแล้ว) มีระยะเวลากักเก็บน้ำที่เหมาะสมเท่ากับ 15 วัน หลังจากถังหมักเข้าสู่สภาวะคงที่พบว่าประสิทธิภาพการบำบัดซีโอดี ของแข็งทั้งหมด และของแข็งแขวนลอยของระบบหมักร่วมแบบไร้อากาศเท่ากับร้อยละ 96.2 80.7 และ 97.3 ตามลำดับ สามารถผลิตก๊าซชีวภาพได้ เฉลี่ย 0.553 L/LR/d นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพที่ดีในการสกัดฟอสฟอรัสจากวัตถุดิบตั้งต้นให้อยู่ในรูปของฟอสฟอรัสที่ละลายน้ำ โดยพบว่าความเข้มข้นของฟอสฟอรัสที่ละลายอยู่ในน้ำออกเท่ากับ 48.58 ± 1.65 mgP/L ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับถังหมักร่วมที่ 1

เมื่อนำน้ำออก (Effluent) ที่ได้จากกระบวนการหมักร่วมแบบไร้อากาศมาตกตะกอนทางเคมีเพื่อแปรรูปฟอสฟอรัสให้อยู่ในรูปผลึกปุ๋ย พบว่ากระบวนการก่อตะกอนทางเคมีมีประสิทธิภาพในการนำกลับฟอสฟอรัสจากน้ำออกของถังหมักร่วมสูงกว่าร้อยละ 69.53 ภายใต้สภาวะที่เติมเกลือทะเลเพื่อควบคุมค่า Mg:P ให้ได้เท่ากับ 2 และสามารถผลิตผลึกปุ๋ยฟอสฟอรัสที่มีร้อยละความเข้มข้นของฟอสฟอรัสในผลึกสูง อยู่ในช่วง 9.43-11.49 โดยน้ำออกของถังหมักร่วมที่ 2 สามารถผลิตผลึกปุ๋ยในรูปของปุ๋ยสตรูไวท์สูงถึงร้อยละ 33.53 ภายใต้สภาวะที่เติมเกลือทะเล การประเมินเชิงเศรษฐศาสตร์และความคุ้มค่าชี้ให้เห็นว่าเทคโนโลยีการนำกลับฟอสฟอรัสจากเศษอาหารร่วมกับตะกอนทิ้งจากโรงกำจัดสิ่งปฏิกูลมีความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์มากกว่าการนำกลับฟอสฟอรัสจากเศษเครื่องในปลาร่วมกับตะกอนทิ้งจากโรงกำจัดสิ่งปฏิกูล เนื่องจากถังหมักร่วมเศษเครื่องในปลาต้องใช้สารเคมีในการปรับค่าความเป็นกรด-ด่างมากกว่าถังหมักร่วมขยะอาหาร จากข้อสรุปดังกล่าวชี้ให้เห็นว่ากระบวนการหมักร่วมแบบไร้อากาศจากของเสียอินทรีย์เหลือทิ้งและตะกอนสิ่งปฏิกูลที่ผ่านการบำบัดแล้วสามารถนำมาประยุกต์ใช้เพื่อแปรรูปฟอสฟอรัสที่สะสมอยู่ในแหล่งของเสียให้กลับมาอยู่ในรูปของปุ๋ยฟอสฟอรัสที่สามารถใช้ได้จริงในภาคเกษตรกรรม และยังสร้างพลังงานทดแทนในรูปของก๊าซชีวภาพอีกด้วย ถือเป็นนวัตกรรมทางสิ่งแวดล้อมที่สอดคล้องกับเป้าหมายการพัฒนาอย่างยั่งยืนและสร้างความมั่นคงทางอาหารให้กับประเทศไทย

ตารางสรุปผลการดำเนินงาน

หัวข้อ	ถังหมักร่วมที่ 1 (เศษอาหาร + NTS)	ถังหมักร่วมที่ 2 (เศษเครื่องในปลา + NTS)
สัดส่วนวัตถุดิบ	75:25	75:25
ระยะเวลากักเก็บน้ำ (HRT)	30 วัน	15 วัน
ประสิทธิภาพการบำบัด (%) :
COD (สารอินทรีย์)	98.6%	96.2%
TS (ของแข็งทั้งหมด)	89.6%	80.7%
SS (ของแข็งแขวนลอย)	89.6%	80.7%
ปริมาณ Biogas ที่ผลิต	0.419 L/LR/d	0.553 L/LR/d
ความเข้มข้นฟอสฟอรัสละลายน้ำ (Ortho-P)	48.96 ± 1.93 mg P/L	48.58 ± 1.65 mgP/L
ประสิทธิภาพการกู้คืนฟอสฟอรัส (ตกผลึก)	> 69.53%	> 69.53%
ความเข้มข้นฟอสฟอรัสในผลึกที่ผลิตได้	9.43-11.49%	9.43-11.49%
ร้อยละของปุ๋ยสตรูไวท์ที่ผลิตได้	-	33.53%
ความต้องการสารเคมีปรับค่า pH	ต่ำ (ไม่ต้องใช้มาก)	สูง (ต้องใช้มาก)
ข้อดีเด่น	ประหยัดสารเคมีในการปรับค่า pH	ได้ปริมาณก๊าซชีวภาพสูงกว่า
ความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์	สูงกว่า	ต่ำกว่า

ปุ๋ยสตรูไวท์

ปุ๋ยสตรูไวท์ (Struvite) หรือแมกนีเซียมแอมโมเนียมฟอสเฟต (Magnesium Ammonium Phosphat: MAP) มีสูตรทางเคมี คือ  MgNH₄PO₄ เป็นแนวทางการดึงสารอาหารในน้ำเสีย เช่น น้ำเสียจากฟาร์มสุกร เป็นต้น กลับมาใช้ให้เกิดประโยชน์ โดยการตกตะกอนของแมกนีเซียมไอออน (Mg2+), แอมโมเนียมไอออน (NH4+) และฟอสเฟตไอออน (PO43-) มีลักษณะเป็นผลึกสีขาวแกมเหลืองอ่อน หรือน้ำตาลอ่อน ด้วยความสามารถในการละลายที่น้อย (ค่า Ksp≈ 7.08x10-4) (กรมควบคุมมลพิษ, 2554) มีคุณสมบัติเป็นปุ๋ยละลายช้า พืชสามารถใช้ประโยชน์ได้อย่างยาวนานเหมาะสำหรับใช้ในภาคการเกษตรเพื่อเพิ่มผลผลิตและบำรุงพืช

ประโยชน์ร่วมกันแก่ผู้เกี่ยวข้องทุกฝ่าย :

ผลลัพธ์จากโครงการนี้จะแสดงความเป็นไปได้ในการใช้เทคโนโลยีต้นแบบ ทั้งในกรุงเทพมหานคร และยังรวมถึงเทศบาลเมือง เทศบาลนคร และเทศบาลตำบล ในการสร้างเศรษฐกิจหมุนเวียนที่สามารถนำฟอสฟอรัสกลับมาใช้ใหม่จากของเสียร่วมกับการผลิตก๊าซชีวภาพ เพื่อช่วยลดผลกระทบจากสิ่งแวดล้อม และลดการนำเข้าปุ๋ยฟอสฟอรัสจากต่างประเทศ ซึ่งเป็นผลดีกับเกษตรกร หากได้ผลลัพธ์ที่ชัดเจนแล้วเป็นการผลักดันและสนับสนุนงานวิจัยนี้ไปใช้งานได้จริงในระดับชุมชน และสามารถพัฒนาต่อยอดให้เป็นระดับอุตสาหกรรมได้

ผลกระทบในระดับชุมชน/ประเทศ :

เป็นเทคโนโลยีต้นแบบในการจัดการของเสียจากขยะอาหารและตะกอนสิ่งปฏิกูล เพื่อผลิตปุ๋ยสตรูไวท์และก๊าซชีวภาพ ปุ๋ยที่ได้จะมีความเข้มข้นฟอสฟอรัสสูงประมาณ 10 - 20% มีประสิทธิภาพเทียบเคียงกับแม่ปุ๋ยฟอสเฟตที่ขายตามท้องตลาด และสามารถพัฒนาต่อยอดให้เป็นระดับอุตสาหกรรมได้ จะเป็นการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันในระดับสากล โดยการลดการใช้พลังงานฟอสซิลในการผลิตปุ๋ย และหันมาใช้ของเสียเพื่อผลิตปุ๋ยฟอสฟอรัสความเข้มข้นสูง ซึ่งเป็นการสร้างความมั่นคงทางอาหารในกับประเทศไทย

แผนงานต่อไปที่จะทำให้เกิดความยั่งยืน :

หาวิธีในการลดค่าใช้จ่ายในส่วนของการหมักแบบไร้อากาศ โดยการนำเอาน้ำเสียที่ผ่านบวนการหมักแล้วมาเป็นวัตถุดิบตั้งต้นในการก่อตะกอนผลึกสตรูไวท์จะเป็นการช่วยลดต้นทุนในการผลิตปุ๋ยสตรูไวท์ได้ เช่นน้ำเสียที่ผ่านกระบวนการบำบัดแบบไร้อากาศของโรงงานผลิตแป้ง เพื่อนำน้ำเสียนั้นมาก่อตะกอนสตรูไวท์ซึ่งค่าใช้จ่ายในการผลิตจะต่ำลงโดยคาดว่าจะดำเนินการในโครงการวิจัยเรื่อง “เทคโน-เศรษฐศาสตร์ของการก่อตะกอนผลึกสตรูไวท์จากน้ำเสียที่ผ่านกระบวนการหมักแบบไร้อากาศของโรงงานผลิตแป้งข้าวเจ้าและข้าวเหนียว” ภายใต้การสนับสนุนทุนวิจัยจากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.)

Update : 2 กุมภาพันธ์ 2569