第四章 結果與討論
第六節 不同基質 COD 濃度之批次產氫試驗
由試驗一至試驗五試驗結果可以得知，以油菜籽粕作為基質，當水解菌為 Bacillus subtilis(A)分解時，有最佳的水解效果，總 COD 去除率為 47.9％、溶解性 COD 增加率為 55.73％、溶解性 COD 去除率為 86.6％、揮發酸濃度從試驗初期 600mg/L 到試驗結束為 2600mg/L，揮發酸濃度增加量為 2000 mg/L。在不同起始 pH 試驗中，最佳的產氫率之起始 pH 值為 5.0，以油菜籽粕為基質最佳產氫率為 1.13 mmole H2/g-CODin，以油菜為基質其最佳產氫率為 0.432 mmole H2/g-CODin。 在不同能源基質試驗中最佳的產氫基質是油菜籽粕，產氫率為 1.03 mmole
H2/g-CODin。在不同水解菌/醱酵產氫菌配比試驗中，以 1/4 之水解菌/醱酵產氫菌 有最佳的產氫率，以油菜籽粕為基質組，其最佳產氫率為 1.10 mmole H2/g-CODin
及以油菜為基質組，其最佳產氫率為 0.441 mmole H2/g-CODin。在不同混合菌液/
基質配比試驗中，以 1/3 的混合菌/基質組有最佳的產氫率，以油菜籽粕為基質 組，其最佳產氫率為 1.08 mmole H2/g-CODin；以油菜為基質組，其最佳產氫率為 0.476 mmole H2/g-CODin。
綜合上述所言，因此本節將利用試驗一及試驗五所得之最佳操控條件：(1) 水解菌為 Bacillus subtilis(A)，(2)最佳的起始值為 5.0、(3)最佳能源作物基質為 油菜籽粕，(4)水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4、(5)混合菌液/基質配比為 1/3，
來進行試驗六之研究：(1)以油菜籽粕為基質之不同基質 COD 濃度 (10,000、
20,000、30,000、40,000mg/L，共 4 組)及(2)以油菜為基質之不同基質 COD 濃度 (10,000、20,000、30,000mg/L，共 3 組)之厭氧產氫效率試驗。
一、不同基質 COD 濃度批次產氫效率之影響 (一)油菜籽粕
由圖 4-21 可看出，各組初期都有產氫反應，試驗前三天產氫量都差不多，
＃3(30,000 mg/L)在第 4 天產氫量大幅增加超越其他組，而一開始產氫不錯的
＃4(40,000mg/L)後來在第 3 天也被＃2(20,000mg/L)、＃3(30,000mg/L)後來居 上。因此就總產氫量而言，COD 濃度＃3(30,000 mg/L)組有最佳總產氫量為
0
＃1 10000
＃2 20000
＃3 30000
＃4 40000
圖 4-21 以油菜籽粕為基質，不同基質 COD 濃度之累積產氫量
＊2 20000
＊3 30000
圖 4-22 以油菜為基質，不同基質 COD 濃度之累積產氫量
63.2mmole H2，其次是＃2(20,000 mg/L)為 58.0 mmole H2，最差的是＃1(10,000 mg/L)為 29.0 mmole H2。
再由，表 4-26 可以得知，以每克進流 COD 產氫率高低來比較，以＃2 組 (20,000mg/L)有最佳的產氫率，產氫率為 1.14 mmole H2/g-CODin；其次是＃1 組 (10,000mg/L)，產氫率為 1.12 mmole H2/g-CODin，最差的是＃4 組(40,000mg/L)，
產氫率為 0.50 mmole H2/g-CODin。
以每克去除 COD 之產氫率來看＃2 組(20,000mg/L)為 59.1mmole
H2/g-CODre，＃1 組(10,000mg/L)為 73.9mmole H2/g-CODre，＃3 組(30,000mg/L) 為 36.8 mmole H2/g-CODre，為＃4 組(40,000mg/L)為 30.4 mmole H2/g-CODre。 (二)油菜
由油菜籽粕試驗結果可以得知最佳的基質濃度為＃2 組(20,000mg/L)，所以 依此研究結果為基礎，在進行油菜基質產氫試驗時，試驗油菜基質之 COD 濃度 僅採 10,000、20,000、30,000mg/L，共 3 組進行試驗。
由表 4-20 中可以得知，換算成每克進流 COD 產氫率來比較，最佳的是＊1 組(10,000mg/L)，產氫效率為 0.679 mmole H2/g-CODin，其次是＊2 組
(20,000mg/L)，產氫率為 0.456 mmole H2/g-CODin，而最差的＊3 組 (30,000mg/L)，產氫效率為 0.230 mmole H2/g-CODin。
以每克去除 COD 之產氫率來看 1 組(10,000mg/L)為 23.9mmole H2/g-CODre，
＊2 組(20,000mg/L)為 11.8mmole H2/g-CODre，＃3 組(30,000mg/L)為 21.1mmole H2/g-CODre，為＃4 組(40,000mg/L)為 30.4 mmole H2/g-CODre。
以圖 4-22 可以看出，試驗初期＊2(20,000mg/L)產氫量就比其他 2 組來的 好，而產氫量本來最差的＊1 組(10,000mg/L)最後也往上增加，而與＊3 組 (30,000mg/L)產氫量並駕齊驅。
(三)油菜及油菜籽粕產氫比較
由每克進流 COD 之產氫率表 4-26 可以得知，以油菜及菜油籽粕為基質在不 同基質 COD 濃度試驗中，最佳的產氫濃度分別為 10,000mg/L 及 20,000mg/L，油
表4-20 以油菜及油菜籽粕為基質不同基質COD濃度批次試驗之氣體組成及累積產氫量 總產氣量 氣體含率(％) 產氣量(ml)
加入的 基質量 (g-COD)
每克基質之 產氫量
每克去除 COD 之 組別 COD 產氫量
(mg/l)
(ml) H2 CO2 H2 CO2
(mmole H2/g-CODin)
(mmole H2/g-CODre) 油菜籽粕
＃1 10000 64.5 45.0 55.0 29.0 35.4 1.01 1.12 73.9
＃2 20000 107.5 54.0 46.0 58.0 49.4 1.98 1.14 59.1
＃3 30000 117.5 51.0 49.0 63.2 54.2 2.97 0.81 36.8
＃4 40000 106.5 49.0 51.0 52.2 54.4 4.02 0.50 30.4 油菜
＊1 10000 32.6 54.0 46.0 17.6 14.9 1.01 0.679 23.9
＊2 20000 47.5 49.0 51.0 23.2 24.2 1.99 0.456 11.8
＊3 30000 34.6 51.0 49.0 17.6 16.9 2.99 0.230 21.1
菜組產氫率為 0.679 mmole H2/g-CODin及油菜籽粕組為 1.14 mmole H2/g-CODin。 而油菜次佳產氫率組為的濃度 20,000mg/L 組，油菜籽粕次佳組為 10,000mg/L。
二者產氫的 COD 濃度都是比較低的，而如高濃度為 30,000 及 40,000mg/L，反而 產氫率不佳，所以高濃度的基質 COD 是不利於油菜及油菜籽粕之產氫反應。
而油菜籽粕的產氫效率又比油菜多一倍以上，因為油菜籽粕經榨油過後纖 維被破壞，所以在加入適當的水解菌可以大幅提高產氫效率，而且油菜籽粕含 有豐富的蛋白質且渣油之後還有殘留油份這些都是利於產氫的成份。以油菜及 油菜籽粕基質產氫試驗結果可以得知，利用油菜籽粕基質產氫效率比油菜基質 好。表 4-21 本研究利用油菜及油菜籽粕產氫結果和過去文獻利用能源作物產氫 來比較，產能效果算是不錯的，所以利用油菜及油菜籽粕基質來產氫是可行的。
表4-21能源作物基質產能比較
基質 能源 產氫率
農業廢棄鳳梨皮 氫氣 3.76 ml-H2/g-鳳梨皮 稻桿纖維素 乙醇 0.29g-ethanol/g-cellulose 蔗糖及蔗渣 氫氣 0.531 mole H2/L‧day。
油菜籽粕 氫氣 1.14 mmole H2/g-CODin
油菜 氫氣 0.679 mmole H2/g-CODin
二、不同基質 COD 濃度批次產氫試驗之水質變化
由試驗結果可得知S0/X0，在基質來源提供方面，油菜及油菜籽粕為主要的基 質，而混合菌液僅提供少量可利用基質(SCOD)；在菌種提供方面，主要以混合菌 液所測得(水解菌/醱酵產氫菌)MLSS作為菌種量，剩下的混合菌液(水解菌/醱酵 產氫菌)之SCOD值為有殘留的培養基質所以和油菜及油菜籽粕基質合併列，為基 質用以計算F/M，可得油菜籽粕F/M為0.412，油菜F/M為0.512。
油菜籽粕試驗由表 4-22 中可以看出反應中的 pH 值會因進流基質 COD 濃度越 高而降得越低，pH 值介於 4.14-4.41，產氫效率最佳的＃2 組(20,000mg/L)當反 應結束時的 pH 值為 4.28。總 COD 的去除率部分，介於 1.58-2.33％，隨 COD 去
除率較高者的產氫量較佳。而溶解性 COD 的增加率與每單位進流基質的產氫量的 增加率成正相關，而溶解性的增加率介於 1.50-1.83％，產氫率最好的＃2 組 (20,000mg/L)溶解性 COD 增加率為 1.83％，產氫率為 1.14 mmole H2/g-CODin。各 組鹼度在反應結束後都被消耗完畢，揮發酸的濃度增加量介於 100-300 mg/L，產 氫效率最好的＃2 組(20,000mg/L)揮發酸的濃度增加量達 300 mg/L。
油菜試驗由表 4-22 中可以看出各組 pH 值變化不大，pH 值介於 4.91-4.95，
產氫效率最佳的＊1 組(10,000mg/L)反應結束的 pH 值為 4.93。溶解性的 COD 增 加率介於 2.10-4.07％，溶解性 COD 增加率與產氫率有成正相關的趨勢，因此＊1 組有最佳溶解性 COD 增加率 5.09％，也有最佳的產氫率，產氫率為 0.679 mmole H2/g-CODin。揮發酸濃度，增加量介於 400-600 mg/L 之間，揮發酸濃度增加量越 多產氫量就越好。
表4-22 以油菜及油菜籽粕為基質，不同基質COD濃度之批次產氫試驗的pH、COD、溶解性COD水質變化情形
pH COD(mg/l) 溶解性 COD(mg/l)
前 中 後 前 中 後 第十天
去除率 前 中 中 後 COD 增加率
(％)
COD 減少率 組別 (％)
0 天 4 天 10 天 0 天 4 天 10 天 (％) 0 天 4 天 7 天 10 天 0-4 天 0-10 天 油菜籽粕
＃1 10000 5.00 4.71 4.41 10100 9950 9940 1.58 8750 8890 8640 8610 1.60 1.02
＃2 20000 5.00 4.87 4.28 19800 19600 19400 2.02 9800 9980 9810 9750 1.83 1.53
＃3 30000 5.00 4.63 4.21 30100 29700 29400 2.33 12300 12500 12100 11850 1.62 1.65
＃4 40000 5.00 4.56 4.14 40200 40100 39500 1.70 12850 13000 12900 12700 1.50 1.16 油菜
＊1 10000 5.00 4.96 4.93 10100 9960 9800 2.97 4910 5160 4930 4710 5.09 4.07
＊2 20000 5.00 4.94 4.91 19900 19700 19100 4.02 5270 5490 5270 5090 4.17 3.41
＊3 30000 5.00 4.98 4.95 29940 29940 29600 1.66 6190 6380 6210 6060 3.06 2.10
表4-23以油菜及油菜籽粕為基質，不同基質COD濃度之批次產氫試驗的S/X、總固體物、懸浮固體水質變化情形 S0/X0 TS 總固體物(mg/l) SS 懸浮固體(mg/l)
前 中 後 前 中 後
組別 F/M(值)
0 天 4 天 10 天 0 天 4 天 10 天
油菜籽粕
＃1 10000 0.412 17800 15800 13570 8950 8870 8430
＃2 20000 0.412 23250 13970 12850 9860 9750 9010
＃3 30000 0.412 31800 28520 26800 12500 12350 12160
＃4 40000 0.412 36540 34880 32540 14780 14150 13780 油菜
＊1 10000 0.412 11200 8760 6350 2100 2080 2050
＊2 20000 0.412 12450 11250 8640 3300 3210 3030
＊3 30000 0.412 16850 14130 12500 4450 4370 4150
表4-24以油菜及油菜籽粕為基質，不同基質COD濃度之批次產氫試驗的揮發酸、鹼度濃度變化情形 揮發酸(mg/l) 鹼度(mg-CaCO3/L)
前 中 後 前 中 後
組別
0 天 4 天 10 天
增加量 (mg/l)
增加率
％
0 天 4 天 10 天
減少量
mg-CaCO3/L ％ 油菜籽粕
＃1 10000 1450 1500 1550 100 6.89 500 300 0 500 100
＃2 20000 1800 2010 2100 300 16.6 400 360 0 400 100
＃3 30000 2870 3000 3200 330 11.4 600 450 0 600 100
＃4 40000 2650 2700 2750 100 3.77 500 370 0 500 100 油菜
＊1 10000 1100 1420 1500 400 36.3 180 120 80 100 55.5
＊2 20000 1360 1570 1960 600 44.1 200 110 60 140 70.0
＊3 30000 1450 1630 1890 440 30.3 250 140 30 220 88.0