第四章 結果與討論
第七節 不同溫度水解菌之批次產氫試驗
由試驗一至試驗六結果可知，以油菜籽粕作為基質，Bacillus subtilis(A)作為 水解菌種，有最佳的水解效果，其總 COD 去除率為 47.9％、溶解性 COD 增加率為 55.7％、溶解性 COD 去除率 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 組為 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。 在不同基質 COD 濃度試驗中當油菜籽粕基質濃度為 20,000mg/L 時有最佳產氫 率，為 1.14 mmole H2/g-CODin；當油菜基質為 10,000mg/L 時，有最佳產氫率，
為 0.679 mmole H2/g-CODin。
綜合上述所言，因此本節將利用試驗一及試驗六所得之最佳操控條件：(1) 水解菌 Bacillus subtilis(A)，(2)最佳起始 pH 值為 5.0、(3)最佳能源作物基質油菜 籽粕適合作為基質，(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，(6)以油菜籽粕作為基質，以基質 COD 濃度為 20,000mg/L 等為試驗條件，
來進行油菜籽粕搭配不同溫度水解菌(35℃水解菌Bacillus subtilis(A)及 55℃
Clostridium thermocellum 2 組)進行厭氧產氫試驗。
一、不同溫度水解菌種比較
將 Bacillus subtilis、Clostridium thermocellum及本研究室馴養的醱酵 產氫菌 3 組搭配油菜籽粕基質，Bacillus subtilis、Clostridium thermocellum 依食品工業研究所提供的資料，最佳的生長 pH 為 7.0，本研究所馴養醱酵產氫菌
最佳的產氫 pH 為 5.0，菌液/基質配比以 1/3(總體積=100 ml)作為基礎進行試驗，
所進行的試驗溫度為 35℃及 55℃，並每隔 2 天分析反應瓶中的總 COD、溶解性 COD、揮發酸等濃度變化，試驗結果以溶解性 COD 增加率及去除率、揮發酸濃度 增加率作為篩選標準，了解Bacillus subtilis(A)、Clostridium thermocellum、 醱酵產氫菌分別於 35℃及 55℃水解的效果為何?
由表 4-25 可以得知不同溫度水解菌試驗中，水解效果最佳的一組為Bacillus subtilis(A),35℃一組，總 COD 去除率為 44.3％、溶解性 COD 增加率有 30.5％、
溶解性 COD 去除率 86.6％、揮發酸濃度從 620mg/L 到試驗結束為 2670mg/L，濃 度增加量為 2050mg/L 有最好的水解效果。其次是Bacillus subtilis(A),55℃一 組，總 COD 去除率為 14.5％、溶解性 COD 增加率為 5.10％、溶解性 COD 去除率 29.1％、揮發酸濃度從 580mg/L 到試驗結束為 2350mg/L，濃度增加量 1770 為 mg/L。最差的是醱酵產氫菌,55℃，總 COD 去除率為 1.51％、溶解性 COD 增加率 為 0.56％、溶解性 COD 去除率 2.24％、揮發酸濃度從 830mg/L 到試驗結束為 1420mg/L，濃度增加量 590 為 mg/L。其次差為是醱酵產氫菌,35℃，總 COD 去除 率為 4.02％、溶解性 COD 增加率為 0.833％、溶解性 COD 去除率 1.66％、揮發酸 濃度從 800mg/L 到試驗結束為 1750mg/L，濃度增加量 950 為 mg/L。而Clostridium
thermocellum,55℃是適合的生長條件，但是對油菜籽粕基質的水解效果不佳，
總 COD 去除率為 5.97％、溶解性 COD 增加率為 7.14％、溶解性 COD 去除率 3.96
％、揮發酸濃度從 640mg/L 到試驗結束為 1650mg/L，濃度增加量 1010 為 mg/L。
不同溫度水解菌試驗中，總 COD 去除率介於 1.51-87.3％，有最佳的是 35
℃,Bacillus subtilis(A)組有 44.3％的總 COD 去除率；其次是 55℃,Bacillus subtilis(A)組有 14.5％的去除率；最差總 COD 去除率為 55℃醱酵產氫菌組只有 1.51％的去除率；其次差是，35℃醱酵產氫菌組有 4.02％的去除率。溶解性 COD 的增加率介於 0.56-30.5％，增加率最佳的是 35℃,Bacillus subtilis(A)組有 30.5％溶解性 COD 增加率；其次是 55℃,Clostridium thermocellum組有 7.14
％溶解性 COD 增加率；最差的溶解性增加率為 55℃醱酵產氫菌組只有 0.56％增
表4-25 不同溫度下，水解菌種分解油菜籽粕基質之總COD、溶解性COD、揮發酸 濃度變化情形
註:附件三為不同溫度水解菌種，總 COD、溶解性 COD、揮發酸濃度變化情形。
加率；其次差是 35℃醱酵產氫組有 0.833％溶解性 COD 增加率。溶解性 COD 的去 除率介於 1.66-86.6％，最佳的是 35℃,Bacillus subtilis(A)組有 86.6％的溶 解性 COD 去除率，其次是 55℃,Bacillus subtilis(A)組有 29.1％的溶解性 COD 去除率，最差的是 35℃醱酵產氫菌組只有 1.66％的溶解性 COD 去除率，其次差 是 55℃醱酵產氫菌組有 2.24％的溶解性 COD 去除率。揮發酸增加濃度介於 590-2050mg/l，最佳的是 35℃,Bacillus subtilis(A)組由試驗開始 620mg/l 到 試驗結束為 2670mg/l，揮發酸濃度增加達 2050mg/l，其次是 55℃,Bacillus subtilis(A)組由試驗開始 580 到試驗結束為 2350mg/l，揮發酸濃度增加達 1770mg/l。最差的是 55℃,醱酵產氫菌組，揮發酸濃度增加量只有 590mg/l。其 次是 35℃,醱酵產氫菌組，揮發酸濃度增加量有 950mg/l。
從圖 4-23 可以看出Bacillus subtilis(A)、Clostridium thermocellum、 醱酵產氫菌共 3 組菌液在不同溫度 35℃及 55℃的總 COD 反應變化情形，試驗初 期各組的總 COD 殘存率(C/Co)呈現快速下降，到了第十天之後總 COD 的變化殘存 率(C/Co)開始減緩而漸趨平緩，除了Bacillus(A),55℃組(C/Co)曲線一直下降到 35 天以後在平緩，而 Bacillus(A),35℃一組則是在前 10 天 C/Co 下降幅度遠高
Bacillus (A) 44.3 30.5 86.6 2050
Clostridium thermocellum 12.9 1.56 12.5 1170
醱酵產氫菌 4.02 0.833 1.66 950
55℃
Bacillus (A) 14.5 5.10 29.1 1770
Clostridium thermocellum 13.6 7.14 3.96 1010
醱酵產氫菌 1.51 0.56 2.24 590
於其他各組。從圖 4-24 可看出Bacillus subtilis(A)、Clostridium
thermocellum、醱酵產氫菌 3 組菌液，分別於 35℃及 55℃的溶解性 COD 反應變 化情形，試驗初期到第 4 天溶解性 COD 一直往上增加到試驗第 5 天就停止無法再 增加，試驗第 6-8 天溶解性 COD 濃度開始下降，第 15 天之後溶解性 COD 濃度減 少趨勢漸趨平緩。除了Bacillus(A),55℃一組一直到試驗第 30 天之後才漸漸平 緩。圖 4-25 可看出Bacillus subtilis(A)、Clostridium thermocellum、醱酵 產氫菌 3 組菌液分別於 35℃及 55℃反應過程的揮發酸濃度變化情形，試驗各組 的揮發酸濃度增加量從在初期到試驗 30 天不斷大幅度增加，到 30 天後期漸漸平 緩。
由試驗結果得知，以 Bacillus subtilis(A),35℃這一組對油菜籽粕有最好 的水解效果，所以利用Bacillus subtilis(A)在 35℃能有效的水解油菜籽粕基 質，溶解性增加率最多可以利於醱酵產氫菌所利用提高產氫效果，所以本研究將 利用 Bacillus subtilis(A)最為後續研究的水解菌種。
0
Bacillus (A)+35℃
Clostridium thermocellum+35℃
醱酵產氫菌+35℃
Bacillus (A)+55℃
Clostridium thermocellum+55℃
醱酵產氫菌+55℃
圖 4-23 不同溫度下，水解菌種分解油菜籽粕基質之總 COD 濃度變化圖 註:油菜籽粕之 C0濃度為 20,000mg/L；C 為隨反應天數變化之總 COD 濃度。
0
Bacillus (A)+35℃
Clostridium thermocellum+35℃
醱酵產氫菌+35℃
Bacillus (A)+55℃
Clostridium
揮發酸(mg/l) Bacillus (A)+35℃
Clostridium thermocellum+35℃
醱酵產氫菌+35℃
Bacillus (A)+55℃
Clostridium thermocellum+55℃
醱酵產氫菌+55℃
圖 4-25 不同溫度下，水解菌種分解油菜籽粕基質之揮發酸濃度變化圖
二、不同溫度水解菌批次產氫效率之影響
本研究利用 2 株不同最適生長溫度的水解菌 35℃,Bacillus subtilis及 55
℃,Clostridium thermocellum搭配本研究所馴養的醱酵產氫菌組成混合菌液，
用以分解利用油菜籽粕基質。水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/4 組成混合菌液，混 合菌液/油菜籽粕配比為 1/3，基質 COD 濃度為 20,000mg/L，來探討油菜籽粕搭 配不同溫度水解菌(分別放置 35℃下的Bacillus subtilis(A)及 55℃下的 Clostridium thermocellum 2 組)對厭氧產氫效率反應之影響。
由表 4-26 中的每單位基質的產氫量來進行比較，最佳的是＃1 組(35
℃,Bacillus subtilis(A)＋醱酵產氫菌)，最佳產氫率有 1.18 mmole H2/g-CODin； 另一組是＃2 組(55℃,Clostridium thermocellum＋醱酵產氫菌)，產氫率有 1.05 mmole H2/g-CODin。
試驗初期 55℃,Clostridium thermocellum＋醱酵產氫菌組在一開始產氫量 比 35℃,Bacillus subtilis(A)＋醱酵產氫菌組有較好的產氫量，因Clostridium
thermocellum和醱酵產氫菌皆為厭氧菌，所以一開始生長條件就已經很適合，而
且醱酵產氫菌也能馬上適應 55℃的生長環境，所以在一開始產氫量就比較好，如 果反應時間在 5 天以內，其產氫反應累積量確實較佳。35℃,Bacillus subtilis(A)
＋醱酵產氫菌組，到試驗第 6 天卻追上了 55℃,Clostridium thermocellum＋醱 酵產氫菌組；因為Bacillus subtilis(A)屬於耗氧的菌種，在試驗幾天後適應兼 氣厭氧的生長環境，就開始分解基質而加速產氫，在試驗後期產氫超過。55
℃,Clostridium thermocellum＋醱酵產氫菌組。
上述試驗結果得知，水解菌Bacillus subtilis(A)＋醱酵產氫菌組在 35℃
培養下，可以得到適合產氫的生長條件，能有最佳產氫率為 1.18 mmole H2/g-CODin。
表4-26以油菜籽粕為基質，不同溫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 產氫量
(ml) H2 CO2 H2 CO2 (mmole H2/g-CODin) (mmole H2/g-CODre)
＃1 Bacillus subtilis (A)
35℃ 116 52.0 48.0 60.3 55.6 1.99 1.18 61.5
＃2 Clostridium
thermocellum 55℃ 94.0 58.0 42.0 54.5 39.4 2.01 1.05 74.1
0 10 20 30 40 50 60 70
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 反應天數(days)
累積產氫量(ml)
＃1 35℃
+Bacillus (A)
＃2 55℃
+Clostridium thermocellum
圖 4-26 當油菜籽粕基質 COD 濃度為 20,000mg/L，不同溫度水解菌之累 積產氫圖
三、不同溫度水解菌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。
由表 4-27 中可以看出產氫開始到後期結束 pH 值都是下降的，其中以＃1 組 (35℃,Bacillus subtilis(A)＋醱酵產氫菌)的 pH 值降的較低為 4.30，其產氫率 亦為最佳，為 1.18 mmole H2/g-CODin，而另一組＃2 組(55℃,Clostridium
thermocellum＋醱酵產氫菌)的 pH 值為 4.42 產氫效率 1.05 mmole H2/g-CODin。 總 COD 的去除率 1.49-2.01％，＃1(35℃,Bacillus subtilis(A))的去除率 為 2.01％。而溶解性 COD 的增加率，＃1 組(35℃,Bacillus subtilis(A)＋醱酵 產氫菌)的增加率為 1.90％溶解性 COD 為最好，另一組＃2 組(55℃,Clostridium thermocellum＋醱酵產氫菌)的溶解性 COD 增加率為 0.48％。揮發酸的濃度增加 量介於 160-240mg/L，產氫率最好的是＃1 組(35℃,Bacillus subtilis(A)＋醱 酵產氫菌)，揮發酸的濃度增加量達 240 mg/L，另一組＃2 組(55℃,Clostridium thermocellum＋醱酵產氫菌)揮發酸的濃度增加量有 160 mg/L，各組鹼度在反應 結束後都被消耗完畢。
表4-27 以油菜籽粕為基質，不同溫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
＃1 35℃ 5.00 4.51 4.30 19900 19800 19500 2.01 10100 10300 10200 9800 1.90 2.97
＃2 55℃ 5.00 4.60 4.42 20100 20000 19800 1.49 10350 10400 10300 10200 0.48 1.44 註: 35℃：代表在 35℃之水解菌Bacillus subtilis(A)＋醱酵產氫菌組；55℃:代表在 55℃之水解菌 Clostridium
thermocellum＋醱酵產氫菌
表4-28以油菜籽粕為基質不同溫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
＃1 35℃ 0.412 20100 19900 19800 9500 9300 9250
＃2 55℃ 0.412 19000 19000 18500 9600 9550 9500 註: 35℃：代表在 35℃之水解菌Bacillus subtilis(A)＋醱酵產氫菌組；55℃:代表在 55℃之水解菌 Clostridium
thermocellum＋醱酵產氫菌
表4-29以油菜籽粕為基質不同溫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
減少量 mg-CaCO3/L