ฉบับที่ 3 ประจำเดือน มิถุนายน 2548

ระบบบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพ

ระบบบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพ เป็นกระบวนการบำบัดน้ำเสีย ซึ่งที่อาศัยจุลินทรีย์ในการย่อยสลายสารอินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้ (biodegradable organic compound) โดยจุลินทรีย์จะใช้สารอินทรีย์เป็นอาหารและสารตั้งต้นในกระบวนการดำรงชีวิต การเจริญเติบโต และการสังเคราะห์เซลล์ใหม่ (new cell) และได้ผลผลิตเป็น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2 ) น้ำ (H 2 O) และสารตกค้างซึ่งไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (non biodegradable residual)

1. ประเภทของระบบบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพ

กระบวนการบำบัดทางชีวภาพ สามารถจำแนกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ ตามชนิดของจุลินทรีย์ที่มีบทบาทสำคัญในการย่อยสลายสารอินทรีย์ ได้แก่ การบำบัดน้ำเสียแบบใช้อากาศ หรือใช้ออกซิเจน (aerobic wastewater treatment) และการบำบัดน้ำเสียแบบไม่ใช้อากาศ หรือไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic wastewater treatment)

•  กระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบใช้อากาศ (aerobic wastewater treatment) เป็นกระบวนการบำบัดน้ำเสียโดยจุลินทรีย์กลุ่มที่ต้องอาศัยออกซิเจนละลายน้ำ (dissolved oxygen) หรือ ออกซิเจนอิสระ ในการย่อยสลายสารอินทรีย์ ปฏิกิริยาการย่อยสลายสารอินทรีย์โดยแบคทีเรียกลุ่มที่ใช้อากาศ (aerobic bacteria) สามารถจำแนกได้เป็น 2 ขั้นตอน ตามลำดับดังนี้ คือ

ขั้นตอนที่ 1 : เป็นกระบวนการนำสารอินทรีย์หรือสารอาหารเข้าไปในเซลล์ โดยจุลินทรีย์จะส่งเอนไซม์ (enzyme) ออกมาย่อยสลายสารอินทรีย์ที่มาเกาะติดที่ผนังเซลล์เพื่อเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของสารโมเลกุลเล็กที่จะสามารถซึมผ่านเข้าไปในเซลล์ของจุลินทรีย์ได้

ขั้นตอนที่ 2 : เป็นกระบวนการทางชีวเคมีภายในเซลล์จุลินทรีย์ เพื่อที่จะผลิตพลังงานไปใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ และการสร้างเซลล์ใหม่ โดยเขียนอยู่ในรูปของสมการโดยรวมได้ ดังนี้

เมื่อสารอินทรีย์ในน้ำเสียถูกเปลี่ยนรูปมาเป็นจุลินทรีย์เซลล์ใหม่ จะรวมตัวกันเป็นฟล็อก (biological flocculation) ก็จะมีน้ำหนักมากขึ้น และแยกออกจากน้ำเสียได้ง่ายด้วยการตกตะกอน

กระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบใช้อากาศ จำแนกได้เป็น 2 ประเภทหลัก คือ

1) ระบบบำบัดที่จุลินทรีย์แขวนลอยอยู่ในระบบ (suspended system) เช่น บ่อแอโรบิก (Aerobic Pond) บ่อเติมอากาศ (Aerated Lagoon) ระบบแอคติเวทเต็ดสลัดจ์ (Activated Sludge) เป็นต้น

2) ระบบบำบัดที่จุลินทรีย์เกาะติดผิวตัวกลาง หรือ ระบบฟิล์มตรึง (fixed film system) เช่น ระบบโปรยกรอง (Trickling Filter) และระบบแผ่นหมุนชีวภาพ (Rotating Biological Contactor) เป็นต้น

•  กระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบไม่ใช้อากาศ (anaerobic wastewater treatment) เป็นกระบวนการบำบัดน้ำเสียในสภาวะไร้ออกซิเจน โดยจุลินทรีย์จะอาศัยสารประกอบอื่นเป็นตัวรับอิเล็กตรอนแทนออกซิเจนละลายน้ำ (dissolved oxygen) หรือออกซิเจนอิสระ

กลไกการย่อยสลายสารอินทรีย์แบบไม่ใช้อากาศหรือออกซิเจน สามารถแบ่งได้เป็น 4 ขั้นตอน ตามลำดับดังนี้

ขั้นตอนที่ 1 : เป็นกระบวนการไฮโดรไลซิส (hydrolysis) โดยอาศัยเอนไซม์ (enzyme) ที่ถูกส่งออกมานอกเซลล์ เพื่อเปลี่ยนสารอินทรีย์โมเลกุลใหญ่ให้เป็นสารโมเลกุลเล็ก

ขั้นตอนที่ 2 : เป็นกระบวนการสร้างกรด (acidogenesis) โดยแบคทีเรียสร้างกรด ซึ่งจะเปลี่ยนผลผลิตที่ได้จากฏิกิริยาไฮโดรไลซิสในขั้นตอนที่ 1 ไปเป็นกรดไขมันระเหย (volatile fatty acid; VFA)

ขั้นตอนที่ 3 : เป็นกระบวนการสร้างกรดอะเซติกจากกรดไขมันระเหย (acetogenesis) โดยแบคทีเรียกลุ่มอะซีโตเจนิก (acetogenic bacteria) จะเปลี่ยนกรดไขมันระเหย ไปเป็นผลผลิตสำคัญในการสร้างก๊าซมีเทน ได้แก่ กรดอะเซติก กรดฟอร์มิก ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซไฮโดรเจน

ขั้นตอนที่ 4 : เป็นกระบวนการสร้างมีเทน (methanogenesis) โดยผลผลิตที่ได้จากแบคทีเรียสร้างกรดในขั้นตอนที่ 3 จะถูกเปลี่ยนไปเป็นก๊าซมีเทนโดยแบคทีเรียกลุ่มสร้างมีเทน (methanogenic bacteria) แบคทีเรียกลุ่มที่สร้างมีเทนนี้ แบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด ชนิดแรก คือ แบคทีเรียที่สร้างมีเทนจากคาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจน (hydrogenotrophic bacteria) โดยได้คาร์บอนมาจากคาร์บอนไดออกไซด์และได้พลังงานจากไฮโดรเจน ชนิดที่สอง คือ แบคทีเรียที่สร้างมีเทนจากกรดอะเซติก (acetotrophic bacteria) ซึ่งใช้อะเซเตดเป็นตัวรับอิเล็กตรอน และใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน ซึ่งสามารถเขียนให้อยู่ในรูปของสมการโดยรวมได้ ดังนี้

จากกลไกการย่อยสลายสารอินทรีย์แบบไม่ใช้อากาศทั้ง 4 ขั้นตอน สรุปได้ว่า ในกระบวนการบำบัดแบบไม่ใช้อากาศอาศัยการทำงานของแบคทีเรีย 2 กลุ่ม คือ กลุ่มที่สร้างกรด และกลุ่มที่สร้างมีเทน ดังนั้น จึงจำเป็นต้องรักษาสภาวะแวดล้อมให้เหมาะสมต่อการทำงานร่วมกันอย่างต่อเนื่องของแบคทีเรียทั้ง 2 กลุ่ม หากการทำงานของแบคทีเรียกลุ่มหนึ่งเปลี่ยนไป ก็จะมีผลต่อการทำงานแบคทีเรียอีกกลุ่มหนึ่งและประสิทธิภาพโดยรวมของระบบได้ ตัวอย่างเช่น กรณีที่ระบบได้รับสารอาหารหรือปริมาณสารอินทรีย์เพิ่มขึ้นมากกว่าปกติ แบคทีเรียกลุ่มที่สร้างกรดก็จะมีอัตราการเจริญเติบโตสูงขึ้น มีการสร้างกรดอินทรีย์และผลผลิตต่าง ๆ เพิ่มขึ้น ก็จะส่งผลให้แบคทีเรียกลุ่มที่สร้างมีเทนซึ่งมีความสามารถในการเจริญเติบโตต่ำกว่า ไม่สามารถย่อยสลายกรดอินทรีย์ที่เพิ่มขึ้นได้ทัน ก็จะมีปริมาณกรดอินทรีย์สะสมเพิ่มขึ้น ซึ่งถ้าระบบไม่มีกำลังบัฟเฟอร์เพียงพอ ค่า pH ของระบบที่ลดลงก็จะไปมีผลยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียกลุ่มที่สร้างมีเทน จนอาจทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง หรือการทำงานของระบบล้มเหลวได้ในที่สุด

กระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบไม่ใช้อากาศ สามารถจำแนกได้เป็น 2 ประเภทหลักเช่นเดียวกับกระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบใช้อากาศ คือ

1) Suspended system เช่น บ่อแอนแอโรบิก (Anaerobic Pond) ถังย่อยแบบธรรมดา (Anaerobic Digester) ถังย่อยแบบสัมผัส (Anaerobic Contact) เป็นต้น

2 ) fixed film syste m เช่น ถังกรองไร้อากาศ (Anaerobic Filter) ระบบชั้นลอยตัวไร้ออกซิเจน (Anaerobic Fluidized Bed) เป็นต้น

2. ข้อแตกต่างระหว่างกระบวนการใช้อากาศ และไม่ใช้อากาศ

โดยทั่วไปแล้ว ข้อแตกต่างโดยรวมระหว่างกระบวนการบำบัดแบบใช้อากาศและไม่ใช้อากาศ สามารถแสดงได้ดังภาพสมดุล COD และพลังงาน ( ภาพที่ 1) กล่าวคือ การย่อยสลายแบบใช้อากาศจะได้น้ำทิ้ง (effluent) ที่มีคุณภาพดีกว่า คือ มีสารที่ต้องการออกซิเจนเหลืออยู่ในน้ำทิ้ง ปริมาณเล็กน้อย ( ประมาณ 10 % ของสารอินทรีย์ตั้งต้น ) โดยสารอินทรีย์ตั้งต้นส่วนใหญ่จะถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นตะกอนส่วนเกิน (excess sludge) ในรูปของมวลชีวภาพของจุลินทรีย์ (bacterial biomass) คิดเป็นปริมาณ COD ประมาณ 60 % ของ COD ที่เข้าระบบ ซึ่งจำเป็นต้องนำไปบำบัดเพิ่มเติม ส่วนการบำบัดแบบไม่ใช้อากาศ จะมีปริมาณของแข็ง (residual solid) และสารที่ต้องการออกซิเจนเหลืออยู่ในน้ำทิ้งปริมาณมากกว่ากระบวนการใช้อากาศโดยทั่วไป ( ประมาณ 30 % ของสารอินทรีย์ตั้งต้น ) แต่จะให้ตะกอนส่วนเกินในปริมาณน้อยกว่าและมีความเสถียร (more stable) กว่ากระบวนการใช้อากาศ ( คิดเป็นปริมาณ COD ประมาณ 5 % ของ COD ที่เข้าระบบ ) นอกจากนั้น ระบบไม่ใช้อากาศยังให้ผลผลิตสุดท้ายเป็นก๊าซมีเทน ซึ่งใช้เป็นเชื้อเพลิง และแหล่งพลังงานได้

ภาพที่ 1 การเปรียบเทียบสมดุล COD และ พลังงานของกระบวนการบำบัดแบบใช้อากาศและไม่ใช้อากาศ

ที่มา : Journey, W.K. and McNiven S., 1996

จะเห็นได้ว่า ระบบบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพ ทั้ง 2 ประเภทดังกล่าวมีข้อแตกต่างกันอยู่หลายประการ ท่านคิดว่าข้อดีและข้อเสียของระบบบำบัดน้ำเสียแบบใช้อากาศ และไม่ใช้อากาศมีอะไรบ้าง ในฉบับหน้าเราจะได้มาวิเคราะห์และเปรียบเทียบกันต่อไป

เอกสารอ้างอิง

กรมโรงงานอุตสาหกรรม . 2545. ตำราระบบบำบัดมลพิษน้ำ . สมาคมวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมแห่งประเทศไทย , กรุงเทพฯ .

มั่นสิน ตัณฑุลเวศม์ . 2542. เทคโนโลยีบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรม . โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย , กรุงเทพฯ .

สาขาวิชาวิทยาศาสตร์สุขภาพ มหาวิทยาลัยสุโขทัยธรรมาธิราช . 2544. ประมวลสาระชุดวิชาการจัดการคุณภาพน้ำในโรงงานอุตสาหกรรม . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยสุโขทัยธรรมาธิราช , นนทบุรี .

Journey, W.K. and McNiven. 1996 , Anaerobic Enhanced Treatment of Wastewater and Options for Further Treatment สืบค้นจาก www.wau.boku.ac.at/fileadmin/_/ H810-asser/811/811_Skripten_2004/811356_04c2.pdf.

Eckenfelder, WW., Jr. 2000. Industrial water pollution control . Third edition. McGraw-Hill , Singapore.