不同混合菌液/基質配比之批次產氫試驗

由試驗一至試驗四試驗結果可以得知，能源作物中以油菜籽粕作為基質，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 600mg/L 到試驗結束為 2600mg/L，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。

綜合上述所言，因此本節將利用試驗一及試驗四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，(4)水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4，在以本研究推估的基質 COD 濃 度 20,000mg/L，來進行試驗五之研究:(1)以油菜籽粕基質，進行不同混合菌液/

基質配比 (0/6、1/5、1/4、1/3、2/3、2/2、3/2，共 7 組)及(2)以油菜基質，

進行不同混合菌/基質配比(1/4、1/3、2/3，共 3 組)之厭氧產氫效率試驗。

一、不同混合菌液/基質配比批次產氫效率之影響 (一)油菜籽粕

由圖 4-18 可以看出，各組初期都有產氫反應，配比 3/2、1/5、0/6 在試驗 第五天就停止產氫，其他組在產氫反應到試驗第 8 天到第 10 天反應結束，產氫 量介於 9.6 -55.6 ml，產氫最佳的是＃4 組(混合菌液/基質配比為 1/3)有產氫量

55.6 ml，產氫率為 1.081 mmole H2/g-CODin，其次是＃5 組(混合菌液/基質配比 為 2/3)有產氫量 42.9 ml，產氫率為 0.831 mmole H2/g-CODin。而產氫量最差的

0

是＃1 組(混合菌液/基質配比為 0/6)只有產氫量 6.40 ml，產氫率為 0.12 mmole H²/g-CODⁱⁿ，因為沒有添加水解菌及產氫菌，所以產氫效果最差，不過還是有微 量的產氫量，研究應該是油菜籽粕本身就含有微量的產氫菌種。其次是＃2 組(混 合菌液/基質配比為 1/5)產氫量為 8.66 ml，產氫率為 0.171 mmole H2/g-CODin。 研究中發現，因菌量(配比=3/2)太多基質太少，造成菌液沒辦法充足的利用基 質造成產氫量較少，而菌量(混合菌液/基質配比為 1/5、0/6)太少以至於沒辦法 發揮產氫菌的作用提升產氫效率。由試驗結果可以得知適當的混合菌液/基質配 比是有助於產氫效率的提升。

(二)油菜

由油菜籽粕試驗結果可以得知最佳的混合菌/基質配比為 1/3，所以依研究 結果為基礎，在油菜基質不同水解菌/醱酵產氫試驗做配比 1/4、1/3、2/3，共 3 組試驗。

由圖 4-19 可以看出，初期各組都有產氫情況，初期產氫量最好的是＊2 組(混 合菌液/基質配比為 1/3)，其次是＊1 組(混合菌液/基質配比為 1/4)，而最差的 是＊3 組(混合菌液/基質配比為 2/3)，而產氫試驗到第十天就結束。由表 4-22 可得知產氫量最佳的＊2 組(混合菌液/基質配比為 1/3)產氫量 24.5 ml，產氫率 為 0.476 mmole H2/g-COD，其次是＊1 組(混合菌液/基質配比為 1/4)產氫量 16.9 ml，產氫率為 0.323 mmole H2/g-CODin，而最差的＊3 組(混合菌液/基質配比為 2/3) 產氫量有 15.9 ml，產氫率為 0.311 mmole H²/g-CODⁱⁿ。

(三)油菜及油菜籽粕產氫比較

由表 4-16 及圖 4-20 可以得知，油菜及油菜籽粕最好的混合菌液/基質配比 均是 1/3，油菜產氫率為 0.476 mmole H²/g-CODⁱⁿ，油菜籽粕產氫率為 1.08 mmole H²/g-CODⁱⁿ，油菜籽粕產氫率較油菜為佳，而在其次的產氫量來看，油菜是在配 比＊1 組(混合菌液/基質配比為 1/4)時，而油菜籽粕是在＃5 組(混合菌液/基質 配比為 2/3)時有最佳的產氫率，這是 2 者有所差異的地方。油菜及油菜籽粕批 次產氫試驗，反應瓶中總體積=100ml(水解菌/醱酵產氫菌=1/4)，不同混合菌/

表4-16 以油菜及油菜籽粕為基質，不同混合菌/基質配比的批次試驗之氣體組成及累積產氫量

＃6 2/2 0.205 104.6 30.0 70.0 31.3 73.2 1.99 0.613 63.8

＃7 3/2 0.170 65.0 30.0 70.0 19.5 45.5 1.99 0.381 39.8 油菜

＊1 1/4 0.515 33.9 50.0 50.0 16.9 16.9 2.01 0.323 9.85

＊2 1/3 0.412 46.3 53.0 47.0 24.5 21.7 2.01 0.476 12.5

＊3 2/3 0.206 23.3 51.0 49.0 15.9 11.4 1.99 0.311 16.2

基質配比，0/6 為(0.00ml/100ml)、1/5 為(16.6ml/83.3ml)、1/4 為(20ml/80ml)、

1/3 為(25ml/75ml)、2/3 為(40ml/60ml)、2/2 為(50ml/50ml)、3/2 為

(60ml/40ml)，因此由圖 4-20 中歸納出最佳混合菌液/基質配比為 1/3(總體積

=100ml)，所以混合菌液/基質配比為 25ml/75ml，混合菌要維持 25ml 以上，以混 合菌液所測得 MLSS 作為混合菌種量，以下列計算出反應瓶(100ml)中，

混合菌量 5000 mg/L×0.025L=125mg (4-3) 註 1. 5000mg=混合菌原始 MLSS 濃度 單位體積 mg/L=125mg/0.1L=1250mg/L(4-4) 2. 0.005L=為最佳水解菌量

每單位體積所需的混合菌 MLSS，得知混合菌液 MLSS 最適濃度為 1250mg/L，當混 合菌比例高而基質少，因基質量不足混合菌液所使用；再者當基質太多混合菌太

mmoleH2/g-CODin

(S0/X0) (0.00) (0.617) (0.512) (0.412 ) (0.256) (0.205) (0.170)

二、不同混合菌液/基質配比批次產氫試驗之水質變化情形

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(水解菌/醱酵產氫菌)所測得MLSS值作為菌種量，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，油菜籽粕因不同混合菌液及基質配比所以其F/M和以油菜為基 質者也不一樣，前者油菜籽粕者F/M介於0-0.617，而油菜之F/M介於0.206-0.515。

油菜籽粕試驗由表 4-17 中可以看出不同混合菌液/基質配比試驗中，混合菌 液/基質配比≦1/3 的各組，包括＃1 組(混合菌液/基質配比為 0/6)、＃2 組(混 合菌液/基質配比為 1/5)、＃3 組(混合菌液/基質配比為 1/4)、＃4 組(混合菌液 /基質配比為 1/3)等組，其反應過程之 pH 下降幅度較多，各組的起始 pH 為 5.0，

pH 值介於 4.07-4.74 之間，因為前段基質水解酸化所以 pH 下降；當混合菌液/

基質配比≧2/3 時，因而菌量配比較多，其中包括，＃5 組(混合菌液/基質配比 為 2/3)、＃6 組(混合菌液/基質配比為 2/2)、＃7 組(混合菌液/基質配比為 2/3)，

反應過程之 pH 值變化較小，pH 值介於 4.90-4.98 之間。其中總產氫率為最佳的

＃4 組(混合菌液/基質配比為 1/3)反應結束後的 pH 值為 4.74。

各組之總 COD，去除率介於 0.9-3.90％之間，產氫率最好的＃4 組(混合菌液 /基質配比為 1/3)有產氫率 1.08 mmole H²/g-COD，也有最佳去除率為 3.90％，

而每克去除 COD 之產氫率為 28.3mmole H2/g-CODre。溶解性 COD，增加率介於 0-3.48

％之間，＃1 組(混合菌液/基質配比為 0/6)這一組因為沒有加入任何菌液也沒有 水解菌種所以沒有溶解性 COD 的增加量；而＃4 組(混合菌液/基質配比為 1/3)產 氫率最好，產氫率為 1.08 mmole H²/g-CODⁱⁿ，溶解性 COD 增加率也是最好為 3.48

％的增加率，溶解性 COD 去除率為 5.32％。揮發酸濃度增加量介於 310 mg/L-950 mg/L，隨著產氫量越好的揮發酸增加的量也越多，其產氫最好的＃4 組(混合菌液

表4-17以油菜及油菜籽粕為基質，不同混合菌/基質配比之批次產氫試驗的pH、COD、溶解性COD之水質變化情形

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 4.70 4.53 20100 20000 19900 0.90 9500 9500 9400 9190 0 2.10

＃2 1/5 5.00 4.53 4.31 20300 20100 19900 1.97 9860 9930 9740 9480 3.00 3.85

＃3 1/4 5.00 4.80 4.07 19900 19700 19650 1.25 10500 10780 10360 10050 2.60 4.28

＃4 1/3 5.00 4.83 4.74 20100 19500 19300 3.90 9760 10100 9830 9240 3.48 5.32

＃5 2/3 5.00 4.95 4.90 20100 20000 19500 2.98 9940 10240 9750 9430 3.00 5.13

＃6 2/2 5.00 4.98 4.98 19900 19700 19700 1.00 9010 9240 8940 8600 2.55 4.55

＃7 2/3 5.00 4.98 4.98 19900 19600 19700 1.00 9400 9650 9320 9190 2.65 4.76 油菜

＊1 1/4 5.00 4.99 4.96 20100 19700 19400 3.48 6030 6170 5930 5890 2.30 2.32

＊2 1/3 5.00 4.97 4.93 20100 19500 19300 3.98 6200 6440 6330 6030 3.87 2.74

＊3 2/3 5.00 4.96 4.95 19900 19700 19500 2.01 5290 5430 5310 5160 2.64 2.45

表4-18以油菜及油菜籽粕為基質，不同混合菌/基質配比之批次產氫試驗的S/X、總固體物、懸浮固體之水質變化情形 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 0.00 20750 18400 12800 17550 11500 6350

＃2 1/5 0.617 16800 14320 13150 11450 9800 8200

＃3 1/4 0.512 16700 15400 14900 9950 8750 7450

＃4 1/3 0.412 14550 14000 13000 9900 9750 9600

＃5 2/3 0.256 14550 13400 11000 7500 7000 6100

＃6 2/2 0.205 12600 12400 12200 8000 7400 6000

＃7 3/2 0.170 16200 14600 11500 7050 6400 5800 油菜

＊1 1/4 0.515 12250 8970 6950 3800 3540 3300

＊2 1/3 0.412 11650 7630 5850 3650 3420 3000

＊3 2/3 0.206 11250 8750 7500 3300 3270 3100

表4-19以油菜及油菜籽粕為基質，不同混合菌/基質配比之批次產氫試驗的揮發酸、鹼度之濃度變化情形 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 1320 1500 1630 310 23.4 300 150 0 300 100

＃2 1/5 1200 1340 1570 370 30.8 340 0 0 340 100

＃3 1/4 1680 1740 2280 600 35.7 360 130 70 290 80.5

＃4 1/3 1560 1650 2510 950 60.8 480 140 90 390 81.2

＃5 2/3 1800 1840 2430 630 35.0 400 280 180 220 55.0

＃6 2/2 1320 1410 1820 500 37.8 320 270 140 180 56.2

＃7 2/3 1440 1560 1880 440 30.5 360 270 140 220 61.1 油菜

＊1 1/4 1290 1580 1720 430 33.3 360 240 100 260 72.2

＊2 1/3 1320 1620 1830 510 38.6 300 210 70 230 76.6

＊3 2/3 1270 1530 1750 480 37.7 200 140 50 150 75.0

比試驗中我們可以知道揮發酸的濃度增加量與產氫量成正向，產氫越好的揮發酸 的濃度增加量則越多。鹼度的減少比例介於 55.0-100％，鹼度隨基質配比越多的 減少率約高。總固體及懸浮固體的變化情形都是隨反應到後期逐漸減少。

油菜試驗由表 4-17 水質分析中可以得知油菜的 pH 值變化不大，各組起始 pH 為 5.0，pH 值各組反應結束都介於 4.93-4.96 之間，產氫最好的＊2 組(混合 菌液/基質配比為 1/3)反應結束後的 pH 值為 4.93。總 COD 的去除率，介於 2.01-3.48％之間，產氫率最好的＊2 組(混合菌液/基質配比為 1/3)產氫率為 0.476 mmole H²/g-CODⁱⁿ，總 COD 去除率也是最佳，為 3.98％；而每克去除 COD 之產氫率為 12.5mmole H2/g-CODre，隨產氫率越佳，總 COD 去除率也越高。各組 起始反應時的溶解性 COD 的增加率越高，而有愈好產氫效率，各組溶解性 COD 的 增加介於 2.30-3.87％之間，產氫最好的＊2 組(混合菌液/基質配比為 1/3)產氫 率為 0.476 mmole H²/g-COD，其溶解性 COD 增加量也是最高，為 3.87％。揮發酸 濃度的增加量愈高，而有愈佳產氫量，揮發酸濃度增加量介於 430-510 mg/L 之 間，產氫量最多的＊2 組(混合菌液/基質配比為 1/3)，其揮發酸濃度增加量為 510 mg/L。總固體及懸浮固體的變化情形都是隨反應到後期逐漸減少。鹼度的部分減 少率介於 72.2-75.0％，隨基質配比越多的減少率約高。

綜合上述所言，由試驗結果我們可以得知油菜及油菜籽粕不同混合菌/基質 配比產氫試驗中，最佳的混合菌/基質配比均為 1/3，油菜基質產氫率為

0.476mmole H2/g-CODin，而每克去除 COD 之產氫率為 28.3mmole H2/g-CODre及油菜 籽粕基質產氫效率為 1.08 mmole H²/g-CODⁱⁿ而每克去除 COD 之產氫率為 12.5mmole H2/g-CODre，所以本研究將利用不同混合菌/基質配比 1/3 作為後續試驗研究的基 礎。