第四章 結果與討論
第四節 不同水解菌/醱酵產氫菌配比之批次產氫試驗
由試驗一至試驗三研究結果可以得知，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 55.7％、溶解性 COD 去除率為 86.6％、揮發酸濃度從試驗初期的 600mg/L 到試驗結束增為 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。
綜合上述所言，因此本節將利用試驗一及試驗三所得之最佳操控條件：(1) 水解菌為 Bacillus subtilis(A)，(2)最佳的起始 pH 值為 5.0，(3)最佳能源作物基質 為油菜籽粕，在以本研究推估的混合菌液/基質配比=1/3、基質 COD 濃度為 20,000mg/L，來進行試驗四之研究:(1)以油菜籽粕為基質，進行不同水解菌/醱
酵產氫菌配比 (0/6、1/5、1/4、1/3、2/3、2/2，共 6 組)及(2)以油菜為基質，
進行不同水解菌/醱酵產氫菌配比(1/5、1/4、1/3，共 3 組)之厭氧產氫效率試驗。
一、不同水解菌/醱酵產氫菌配比批次產氫效率之影響 (一)油菜籽粕
由表 4-12 中可以得知，各組在初期都有產氫反應，產氫量隨反應天數逐漸 增加，最後在第 10 天產氫結束。在＃3 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4)的時 候，有最佳的產氫量，為 59.4 ml，產氫率為 1.10 mmole H2/g-CODin。其次為＃
4 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/3)有產氫量 56.7 ml，產氫率有 1.05 mmole H2/g-CODin。而產氫最差的是＃1 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 0/6)，產氫率為 0.435 mmole H2/g-CODin最少，因為沒有加入水解菌所以產氫效果不好，不及產 氫率最好組別＃3(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4)之 1/2 倍，所以能源作物基質 加入水解菌的確可以提升產氫的效率。其次為＃2 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/5)產氫率為 0.50 mmole H2/g-CODin。
(二)油菜
由油菜籽粕試驗結果可以得知最佳的水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4，所以 依研究結果為基礎，在油菜不同水解菌/醱酵產氫試驗為配比 1/5、1/4、1/3，
共 3 組試驗。
由表 4-12 中可以得知，水解菌/醱酵產氫菌為＊2 組(水解菌/醱酵產氫菌 配比為 1/4)時有最佳的產氫量 22.5 ml，最佳產氫率為 0.441 mmole H2/g-CODin。 其次為＊3 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/3)產氫量為 15.4ml，產氫率為 0.300 mmole H2/g-CODin；最差的是＊1 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/5)產氫 量為 14.2 ml，產氫率為 0.279 mmole H2/g-CODin。
由圖 4-16 可以看出，各組在一開始都有產氫反應，水解菌/醱酵產氫菌在 配比 1/4 一開始產氫就大幅上升到試驗第 7 天才漸漸停止，產氫試驗第 10 天就 結束。水解菌/醱酵產氫菌配比 1/5 及 1/3 產氫量差不多，可是配比 1/3 組之最 後產氫比配比 1/5 組好，試驗結果得知產氫率最差的是 1/5 配比組。
表4-12以油菜及油菜籽粕為基質，不同水解菌/醱酵產氫菌配比的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 產氫量
水解菌 /醱酵
產氫菌 (ml) H2 CO2 H2 CO2 (mmole H2/g-CODin) (mmole H2/g-CODre) 油菜籽粕
＃1 0/6 67.4 33.0 67.0 22.2 45.1 1.99 0.435 30.2
＃2 1/5 72.1 36.0 64.0 25.9 46.1 2.00 0.500 48.1
＃3 1/4 94.3 63.0 37.0 59.4 34.8 2.10 1.10 16.1
＃4 1/3 86.0 66.0 34.0 56.7 29.2 2.10 1.05 17.8
＃5 2/3 70.0 70.0 30.0 49.0 21.0 2.10 0.91 16.6
＃6 2/2 58.0 58.0 42.0 33.6 24.3 2.00 0.65 27.4 油菜
＊1 1/5 30.1 49.0 51.0 14.2 15.3 1.99 0.279 14.4
＊2 1/4 38.9 52.0 48.0 22.5 16.3 1.99 0.441 13.1
＊3 1/3 32.9 47.0 53.0 15.4 17.4 2.01 0.300 12.5
(三)油菜及油菜籽粕產氫比較
由表 4-12 及圖 4-17 可以得知，油菜及油菜籽粕都在水解菌/醱酵產氫菌配 比均為 1/4 時，有最佳的產氫率，分別是 0.441 mmole H2/g-CODin 及 1.10 mmole H2/g-CODin。兩者都因為水解菌量配比越多(1/3、2/3、2/2)產氫逐漸減少，因為 水解菌量太多導致產氫菌量變少無法提高產氫效能，所以造成了產氫效率的影 響。反應總體積=100ml(混合菌液/基質=1/3)( 混合菌液/基質=25ml/75ml)，不 同水解菌/醱酵產氫菌配比，0/6 為(0.00ml/25ml)、1/5 為(4.10ml/20.9ml)、1/4 為(5.00ml/20.0ml)、1/3 為(6.20ml/18.8ml)、2/3 為(10.0ml/15.0ml)、2/2 為 (12.5ml/12.5ml)，因此由圖 4-17 中歸納出最佳混合菌液/基質在配比 1/3(總體 積=100ml)，所以混合菌液/基質配比為 25ml/75ml，水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4(5ml/20ml)，所以要維持 5ml 以上的水解菌，以 Bacillus subtilis(A)之所測得 MLSS 作為菌種量，以下列計算出反應瓶(100ml)中每單位體積所
水解菌量 1000mg/L×0.005L=5mg (4-1) 註 1.1000mg=水解菌原始 MLSS 濃度 單位體積 mg/L=5mg/0.1L=50mg/L (4-2) 2.0.005L=為最佳水解菌量
需的水解菌 MLSS，得知水解菌 MLSS 最適濃度為 50mg/L，水解菌比例高於此 時，因較多水解菌會和醱酵產氫菌生長競爭，反而抑制醱酵產氫反應之進行；因 而產氫量減少；但當水解菌太少時，會因水解菌量太少，而不足以分解基質，所 以少於這個濃度，或多於這個配比都是不好的。由產氫量來看，油菜籽粕產氫量 比油菜多上一倍以上，所以油菜籽粕的產氫率是較油菜為佳。
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0/6 1/5 1/4 1/3 2/3 2/2
水解菌/醱酵產氫菌
油菜籽粕
油菜
圖 4-17 以油菜及油菜籽粕為基質，COD 濃度為 20,000mg/L，在不同水解菌/醱 酵產氫菌配比與產氫量之關係圖
二、不同水解菌/醱酵產氫菌配比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。
油菜籽粕組試驗由表 4-13 水質變化可以得知，初期 pH 值一開始因為水解酸 化反應，所以 pH 都是降低的，反應結束的 pH 值都介於 4.36-4.52 之間，產氫最 佳的＃3 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4) 反應結束 pH 值為 4.40。油菜組試驗 由表 4-19 水質變化可以得知，各組的 pH 值變化不大，產氫結束的 pH 值介於 pH 4.91-4.94，產氫最好的＊2 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4)反應結束後的 pH 值為 4.91。
mmoleH2/g-CODin
＃3 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4)有 7.10％，而且產氫率也是最佳的為 1.10 mmole H2/g-CODin。油菜組總 COD 的去除率介於 2.01-3.51％，去除率隨產氫量越 好的去除效果越佳，產氫量最多的＊2 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4)去除率 有 3.51％，其產氫率為 0.441 mmole H2/g-CODin。
油菜籽粕組的溶解性 COD，增加量的部分介於 1.25-4.92％，溶解性 COD 增加率 最好的是＃3 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4)有 4.92％的增加率，而增加率都 隨著產氫越好的溶解性 COD 增加率越多。油菜組溶解性 COD 增加量介於 1.50-4.14
％，產氫量越多的，溶解性 COD 增加率也是隨著增加的，所以溶解性 COD 增加的 越多，使產氫菌可以利用這些基質以提升產氫效率。油菜籽粕組的溶解性 COD 減 少率，減少率介於 0.63-5.40％之間，減少率最多的是＃3 組(水解菌/醱酵產氫 菌配比為 1/4)有 5.40％，產氫率為 1.10 mmole H2/g-CODin；最少的是＃1 組(水 解菌/醱酵產氫菌配比為 0/6)只有 0.63％，產氫率也是最差的只有 0.435 mmole H2/g-CODin。
表 4-15 油菜籽粕組揮發酸的濃度增加量介於 220-600 mg/L，隨著產氫量增 加，揮發酸的增加濃度也是較多的，所以產氫率好的相對的揮發酸濃度增加的也 越多。鹼度的部分各組初期大約在 500-800 mg-CaCO3/L，到後期各組都被消耗完。
油菜組揮發酸的變化，各組在水解酸化反應初期都是增加的，濃度增加量介於 470 -580 mg/L，其中產氫量最好的＊2 組(水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4)濃度增加 量達 580 mg/L。
綜合上述，由試驗四的結果可以得知，在油菜籽粕基質搭配不同水解菌/醱 酵產氫菌，在配比 1/4(水解菌/醱酵產氫菌配比)時有最佳的產氫率 1.10 mmole H2/g-CODin，且油菜籽粕組之產氫量比油菜組多出一倍以上的產氫率，而油菜基質 搭配不同水解菌/醱酵產氫菌的時候，在配比 1/4 時有最佳的產氫率 0.441 mmole H2/g-CODin，所以本研究將利用水解菌/醱酵產氫菌配比 1/4 作為油菜籽粕及油菜 後續研究的基礎。
表4-13以油菜及油菜籽粕為基質，不同水解菌/醱酵產氫菌配比之批次產氫試驗的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 0/6 5.00 4.52 4.52 19900 19700 19600 1.50 15800 16000 15800 15700 1.25 0.63
＃2 1/5 5.00 4.40 4.39 20000 19800 19780 1.10 15700 16000 15510 15500 1.28 1.20
＃3 1/4 5.00 4.42 4.40 21000 19600 19500 7.10 10150 10650 10430 9600 4.92 5.40
＃4 1/3 5.00 4.41 4.36 21000 19850 19700 6.10 9800 10170 10000 9700 3.77 2.04
＃5 2/3 5.00 4.48 4.43 21000 19850 19800 5.70 9700 10750 9950 9550 3.60 1.54
＃6 2/2 5.00 4.50 4.46 20000 19500 19500 2.50 10600 10900 10800 10450 2.83 1.41 油菜
＊1 1/5 5.00 4.97 4.92 19900 19600 19500 2.01 5420 5580 5410 5360 2.90 1.10
＊2 1/4 5.00 4.95 4.91 19900 19400 19200 3.51 5310 5530 5460 5160 4.14 2.82
＊3 1/3 5.00 4.98 4.94 20100 19700 19600 2.48 5280 5360 5270 5140 1.50 2.65
表4-14以油菜及油菜籽粕為基質，不同水解菌/醱酵產氫菌配比之批次產氫試驗的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 0/6 0.412 23750 18100 13450 12650 10600 9550
＃2 1/5 0.412 23150 13800 12200 11900 8850 7650
＃3 1/4 0.412 20950 15800 13050 14950 8000 7950
＃4 1/3 0.412 26300 23500 12850 9850 9350 7300
＃5 2/3 0.412 29000 21500 12700 11900 8150 7000
＃6 2/2 0.412 19350 16950 14250 12800 11450 9250 油菜
＊1 1/5 0.512 11150 9860 5700 4720 4660 4620
＊2 1/4 0.512 10800 8740 5350 4520 4410 4310
＊3 1/3 0.512 10150 8660 5900 4630 4520 4480
表4-15以油菜及油菜籽粕為基質，不同水解菌/醱酵產氫菌配比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 0/6 1200 1400 1420 220 18.3 500 0 0 500 100
＃2 1/5 1320 1480 1620 300 22.7 500 0 500 100
＃3 1/4 1800 2130 2400 600 33.3 800 0 0 800 100
＃4 1/3 1320 1380 1920 600 45.4 800 0 0 800 100
＃5 2/3 1320 1500 1860 540 40.9 500 0 0 500 100
＃6 2/2 1200 1320 1620 420 35.0 500 0 0 500 100 油菜
＊1 1/5 1320 1570 1860 540 40.9 370 240 60 310 83.7
＊2 1/4 1380 1730 1960 580 42.0 380 290 90 290 76.3
＊3 1/3 1350 1620 1820 470 34.8 410 260 70 340 82.9