第四章 結果與討論
第六節 不同有機負荷下，產能效率比較
一、不同有機負荷下，前段醱酵產氫反應槽之產能試驗結果
本試驗的目的為探討不同有機負荷對於 WAS 產能效率之影響，因此設 計前段醱酵產氫反應槽有機負荷分別為 20、30、40 g/L．day，pH=5.25 進 行產能試驗，本試驗中均無法收集到氣體，因此產能率均為零。
由於經過批次試驗得知，欲以 WAS 為基質，而在前段醱酵產氫階段即 產出能量是有相當大的困難，因此就著眼於在何水力負荷下，可有效分解 WAS 提供予後段的甲烷化槽利用，又由文獻（Kim et al.,2002）得知可以 取溶解性 COD（CODs）為指標，因此前段醱酵產氫反應槽之操作條件，可 以利用 CODs 溶出量的多寡來判斷醱酵產氫菌（也就是水解醱酸菌）是否 有達到有效裂解 WAS 的功效。再者，由於後段甲烷菌多利用有機酸類及 H2
來產生甲烷，因此也監測揮發酸類（VAFs）濃度的變化量，掌握其變化情 形，求取最適當的第一段水力停留時間。
將不同有機負荷下，前段醱酵產氫反應槽之進出流水 CODs 與揮發酸
改變量作圖，可得圖 4-12；由圖 4-12 可發現，當前段醱酵產氫反應槽之
進出流水揮發酸改變量 （mg-HAc/L）
進出流水 CODs改變量
進出流水 VFAs改變量
圖 4-12 前段醱酵產氫反應槽之進出流水 CODs 與揮發酸變化量圖
表 4-26 前段反應槽進出流水水質分析
20 20730 19817 233 453 220 1381 1418 37
30 19730 19268 204 451 247 1404 1451 47
40 20074 19805 228 482 254 1365 1432 67
註：本試驗前段反應槽均無蒐集到氣體
表 4-27 前段反應槽有機負荷對 CODs 與揮發酸變化量
試程
（g-COD/ L．day）
進出流水 CODs
20 220 0.0106 0.0106 37 0.0185 0.0185
30 247 0.0125 0.0082 47 0.0157 0.0157
40 254 0.0127 0.0063 67 0.0361 0.0153
0
每單位體積反應槽之CODs增加率 （g/L．day）
0
二、後段甲烷化反應槽之產能試驗結果
本研究參照台中市福田水資源中心甲烷醱酵槽為傳統無攪拌反應槽
，水力停留時間約 24～28 天，而文獻中（陳嘉正，2002；楊聰宏，2002）
證實完全攪拌式反應槽，可提高質傳效果，因而達到有效提高厭氧醱酵化 反應，使其在較短的水力停留時間，即可有效進行厭氧醱酵產能反應，因 此選定水力停留時間 12 天為基礎，進行後段甲烷反應槽產能試驗，進而 變動水力停留時間，求取最佳的水力負荷。
因此本試驗計有前段醱酵產氫反應槽有機負荷為 20、30、40 g-COD /L．day 分別串接後段甲烷化反應槽有機負荷為 1.25、1.66、2.50 g-COD/L．
day 試驗，總計有九組，試驗設計如表 3-2 所示：
（一）單位體積反應槽之產甲烷率
前段為醱酵產氫槽，串聯後段的甲烷化反應槽，以相同的前段有機負 荷為一組，以後段甲烷槽甲烷產生率對有機負荷作圖，可發現當前段反應 槽有機負荷為 30 g-COD/L．day（水力停留時間為 16hrs），所串聯後段甲 烷化反應槽有機負荷為 2.5 g-COD/L．day（水力停留時間為 8days），會有 最大甲烷產量，可達 0.89 mmole-CH4/L．day；其次為前段反應槽有機負荷 為 40 g-COD/L．day（水力停留時間為 12hrs），所串聯後段甲烷化反應槽 有機負荷為 2.5 g-COD/L．day（水力停留時間為 8days），會有 0.88 mmole-CH4/L．day 的產量；更其次為前段反應槽有機負荷分別為 30、40 g-COD/L．day（水力停留時間為 12、16hrs），所串聯後段甲烷化反應槽有 機負荷為 1.66 g-COD/L．day（水力停留時間為 12days），會有 0.85 mmole-CH4/L．day 的產量；前段反應槽有機負荷為 20 g-COD/L．day（水力 停留時間為 24hrs），所串聯後段甲烷化反應槽有機負荷為 1.25 g-COD/L．
day（水力停留時間為 16days），僅有 0.65 mmole-CH4/L．day 的產量，產 甲烷率為最低。
本研究分別以各前段反應槽，分別串聯後段甲烷化槽之甲烷產量作 圖，可得圖 4-15 可以發現以前段反應槽有機負荷為 30 g-COD/L．day（水
力停留時間為 16hrs），所串聯後段甲烷化反應槽會有最佳的產能表現，可 達 0.74～0.89 mmole-CH4/L．day；其次為前段反應槽有機負荷為 40
g-COD/L．day（水力停留時間為 12hrs），所串聯後段甲烷化反應槽之試程，
可達 0.75～0.88 mmole-CH4/L．day；產能效果最差的為前段反應槽有機負 荷為 20 g-COD/L．day，所串聯後段甲烷化反應槽之試程，僅有 0.65～0.73 mmole-CH4/L．day。
當前段反應槽有機負荷為 30 g/ L．day（水力停留時間為 16hrs）時，
後段甲烷產量優於前段反應槽有機負荷為 40 g/ L．day 時之甲烷產能，其 原因為：當前段反應槽有機負荷為 30 g/ L．day 時已具有能有效水解 WAS 的效果，增加後段甲烷化反應槽的產能效率；但若前段反應槽有機負荷為 40 g/ L．day（水力停留時間為 12hrs）則反應時間不足以有效率裂解污 泥（或許已經有部分裂解效果，但並不充分），因此產能量與前段反應槽 之水力停留時間 16hrs 的產氣表現相差不遠。
在不同操作條件下，後段甲烷化反應槽單位體積反應槽產甲烷率受前 段有機負荷及後段有機負荷之關係式，以 SPSS 10.0 軟體之逐步迴歸法求 出，說明如下:
單位體積反應槽產甲烷率（mmole-CH4/L．day）=
0.638（V1）＋0.582（V2）………(4-1)式 p=0.002**，r2=0.746
其中 V1為前段有機負荷量 V2為後段有機負荷量
（4-1）式；1.前段有機負荷量為主要影響。
2.後段有機負荷量影響次之。
可發現，甲烷產率會受前、後段反應槽有機負荷所影響，而前段反應 槽之有機負荷影響大於後段有機負荷之影響；顯示當前、後段反應槽有機 負荷增加時，單位體積反應槽產甲烷率也會隨之增加。
0 5 10 15 20 25
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
後段反應槽有機負荷（g/ L．day）
累積產甲烷量（ml/L．day）
前段HRT=24小 時；後段 HRT=8、12、16 天
前段HRT=16小 時；後段 HRT=8、12、16 天
前段HRT=12小 時；後段 HRT=8、12、16 天
圖 4-15 後段不同有機負荷對後段甲烷化反應槽產甲烷比較圖
表 4-28 二相式完全攪拌式反應槽產能比較
（mmole-CH4 / L．day）
1.25 19070 30.6 0.65 47.7 52.3 50.3 0.54 1.07 0.14 1.66 18937 37.5 0.73 52.0 48.0 35.2 0.46 1.30 0.15 20
2.50 18831 40.2 0.74 55.1 44.9 21.6 0.31 1.43 0.15
1.25 19302 40.3 0.74 51.2 48.8 45.3 0.66 1.47 0.17 1.66 19268 45.8 0.85 54.4 45.6 34.2 0.53 1.55 0.18 30
2.50 19204 52.8 0.89 58.7 41.3 20.5 0.37 1.80 0.19
1.25 19639 39.1 0.75 52.9 47.1 45.6 0.61 1.33 0.16 1.66 19530 42.3 0.85 50.3 49.7 34.0 0.52 1.55 0.18 40
2.50 19639 50.9 0.88 56.6 41.4 19.5 0.36 1.88 0.19 註:本試驗均無蒐集到 H2氣體
二、每克進流 COD 之產能率
以前段醱酵產氫槽，串聯後段甲烷化反應槽，而後段甲烷槽之每克進 流 COD 之產能率結果作圖，可得圖 4-16，可發現，以前段反應槽有機負荷 為 30 g-COD/L．day（水力停留時間為 16hrs），所串聯後段甲烷化反應槽 有機負荷為 1.25 g-COD/L．day（水力停留時間為 16days），會有最大每克 進流 COD 產甲烷率，達 0.66 mmole-CH4/g-CODin；其次為前段反應槽有機 負荷為 40 g-COD/L．day（水力停留時間為 12hrs），所串聯後段甲烷化反 應槽有機負荷為 1.25 g-COD/L．day（水力停留時間為 16days），會有 0.61 mmole-CH4/g-CODin；更其次為前段反應槽有機負荷為為 20 g-COD/L．day
（水力停留時間為 24hrs），串聯後段甲烷化反應槽有機負荷為 1.25
g-COD/L．day（水力停留時間為 16days），可達 0.54 mmole-CH4/g-CODin；
每克進流 COD 之產甲烷率率最低的試程出現於前段反應槽有機負荷為 20 g-COD/L．day（水力停留時間為 24hrs），所串聯後段甲烷化反應槽有機負 荷為 2.5 g-COD/L．day（水力停留時間為 8days），僅有 0.31mmole-CH4 /g-CODin。
再者，就不同的前段有機負荷進行比較，可以發現以前段反應槽有機 負荷為 30 g-COD/L．day（水力停留時間為 16hrs），串聯後段甲烷化反應 槽會有最佳的每克進流 COD 甲烷產率表現，平均可達 0.52 mmole-CH4/ g-CODin（0.37～0.66mmole-CH4/g-CODin）；其次為前段反應槽有機負荷為 40 g-COD/L．day（水力停留時間為 12hrs），串聯後段甲烷化反應槽之試 程，平均可達 0.49 mmole-CH4/g-CODin（0.36～0.61 mmole-CH4/g-CODin）； 每克進流 COD 甲烷產率最差的為前段反應槽有機負荷為 20 g-COD/ L．day，
串聯後段甲烷化反應槽之試程，平均值僅有 0.43 mmole-CH4/g-CODin
（0.31～0.54 mmole-CH4/g-CODin）。可看出以前段反應槽有機負荷為 30 g-COD/ L．day（水力停留時間為為 16hrs）的每克進流 COD 產能率最高，
與單位體積反應槽產氣量的比較結果相符合，即是當前段醱酵產氫反應槽 水力停留時間 16 小時可有效分解 WAS，提高後段甲烷化反應槽產能。
也可發現，每克進流 COD 之產甲烷率均會隨著後段甲烷化反應槽之有 機負荷增加而減少；以前段反應槽有機負荷為 30 g-COD/L．day（水力停 留時間 16hrs），串聯後段甲烷化反應槽結果為例，其產氣量分別為 0.74、
0.85、0.89 mmole-CH4/L．day（換算成能量約為 171、181、190 cal/L．
day），可看出彼此間產生的能量差異量並不大，但是以每天進流 COD 量為
（ g-COD/L．day）
每克進流COD甲烷產率 （mmole-甲烷/g-CODin）
前段HRT=24
負荷為 40 g-COD/L．day（水力停留時間為 12hrs），所串聯後段甲烷化反 應槽有機負荷為 2.5 g-COD/L．day（水力停留時間為 8days），會有最大每 克去除 COD 之產甲烷率，達 1.88 mmole-CH4/g-CODre；其次為前段反應槽 有機負荷為 30 g-COD/L．day（水力停留時間為 16hrs），所串聯後段甲烷 化反應槽有機負荷為 2.5 g-COD/L．day（水力停留時間為 8days），會有 1.80 mmole-CH4/g-CODre；更其次為前段反應槽有機負荷分別為 30、40 g-COD/L．day（水力停留時間為 12、16hrs），所串聯後段甲烷化反應槽有 機負荷為 1.66 g-COD/L．day（水力停留時間為 12days），可達 1.55 mmole-CH4/g-CODre；前段反應槽有機負荷為 20 g-COD/L．day（水力停留 時間為 24hrs），所串聯後段甲烷化反應槽有機負荷為 1.25 g-COD/L．day
（水力停留時間為 16days），有最低的每克去除 COD 之產甲烷率，僅有 1.07 mmole-CH4/g-CODre。
因此以前段反應槽有機負荷為 30 g-COD/L．day（水力停留時間為 16hrs），所串聯後段甲烷化反應槽會有最佳的每克去除 COD 產甲烷率表 現，可達 1.47～1.8 mmole-CH4/g-CODre；而前段反應槽有機負荷為 40 g-COD/L．day（水力停留時間為 12hrs），所串聯後段甲烷化反應槽之試程 與前段反應槽有機負荷為 30 g-COD/L．day，所串聯後段甲烷化反應槽之 每克去除產甲烷率相似，可達 1.33～1.88 mmole-CH4/g-CODre；每克去除 COD 產甲烷率最差的為前段反應槽有機負荷為 20 g-COD/ L．day，所串聯 後段甲烷化反應槽之試程，僅有 1.07～1.43 mmole-CH4/g-CODre。
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
後段甲烷化反應槽有機負荷
（g-COD/ L．day）
每克去除COD之甲烷產率（mmole-甲烷 /g-CODre）
前段HRT=24小 時；後段 HRT=8、12、16 天
前段HRT=16小 時；後段 HRT=8、12、16 天
前段HRT=12小 時；後段 HRT=8、12、16 天
圖 4-17 不同後段有機負荷對後段甲烷化反應槽之每克去除 COD 甲烷 產率比較圖