第四章 結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論
第四節 不同起始 不同起始 不同起始 pH 對 不同起始 對 對分離式 對 分離式 分離式 分離式產氫效率 產氫效率 產氫效率 產氫效率之影響 之影響 之影響 之影響
第四節 第四節 不同起始 不同起始 不同起始 pH 對 不同起始 對 對分離式 對 分離式 分離式 分離式產氫效率 產氫效率 產氫效率 產氫效率之影響 之影響 之影響 之影響
由本研究團隊另一研究夥伴(黃倩毓，2008)批次試驗的研究結果，可以得知 以水解菌以起始pH 值為7.0 時有最佳的水解效果，溶解性COD 增加率為50.8
％；其次為起始pH 值為6.5，再其次起始pH 值為7.5 時有較佳的水解效果。由 上述可知當以油菜籽粕基質被水解菌分解以越接近中性的水解效果越好。所以本 研究不同起始pH 操作在8.0、7.5、7.0、6.5、6.0等範圍，以了解何者起始pH 有 較佳的水解及產氫效果。
故本試驗以種能源作物為油菜籽粕作為本研究的能源作物基質，以水解菌為 菌種，了解水解菌在何種 pH 狀態下能有效水解能源作物基質。而在分離培養反 應槽反應過程當中，前段為水解反應槽，水解菌將固體基質先轉成較小的分子，
此階段因水解反應使溶解性COD增加；後段為醱酵產氫反應槽，醱酵產氫菌利用
H2 / L‧ day。這因為在本研究室所採用的水解菌Bacillus(A)以 pH 7.0為最佳水解 效果，而偏離中性pH 值，水解效果逐漸變差了，因此前段SBR的水解反應效率 以接近中性有最佳的水解效果；而後段CSTR反應槽以進流水 pH=5.81有最佳的 產氫效果，同時也可以預估若pH調到5.0~5.5將有更佳的產氫效率，而本實驗室所 馴養的CSTR醱酵產氫菌主要培養 pH= 5.0-5.5有最佳的產氫效果。
圖4-6 是後段的CSTR醱酵產氫反應槽之反應中pH變化，當CSTR反應槽在後 段醱酵產氫反應槽其進流水pH =5.81(SBR起始 pH 6.0組)時的產氫量都明顯的比 起他組來的好，有1.33 mmole H2/g-CODin；從過往文獻可以得知當 pH 5.0-6.0 是 有利醱酵產氫菌生長的，本試驗的水解菌種最佳 pH 值適合在7.0，所以在分離 培養SBR反應槽第一階段水解反應槽一開始 pH 值應盡量控制在 pH7.0 ，以強 化水解反應，可被水解的產氫基質增多，就有利於產氫反應，所以總產氫量比起 始 pH 6.0 及6.5 來得好，但是效果還是比起始 pH 6.0差一點。
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
mmole-H2/ g-CODin /3hr
pH8.0
pH7.5
pH7.0
pH6.5
pH6.0
pH變化
圖 4-6 分離培養前段 SBR 反應槽不同起始 pH 組的後段 CSTR 產氫變化情 形
從上述試驗初期到中期的階段因為分離式反應槽SBR+CSTR前段SBR水解菌發揮 水解基質的作用，將有利於後段的CSTR醱酵產氫反應之進行，所以各組前段在 初期的SBR水解反應槽溶解性COD 都是增加的，再者由表4-15 研究結果，在後 段CSTR醱酵產氫反應槽在每克進流COD產氫率及每克去除COD產氫率都以進流 水pH =5.81(SBR起始 pH 6.0組)時，有較佳的每克進流COD產氫率及每克去除 COD產氫率，分別為3.59 mmole H2/g-CODin 及27.4mmole- H2 / g- COD re；其次 為進流水pH =6.36 (SBR起始 pH 6.5組)，每克進流COD產氫率及每克去除COD產 氫率，分別為3.21 mmole H2/g-CODin 及24.6mmole- H2 / g- COD re；再其次為進 流水pH =6.82 (SBR起始 pH 7.0組)，每克進流COD產氫率及每克去除COD產氫 率，分別為3.01 mmole H2/g-CODin 及23.6mmole- H2 / g- CODre；最差為進流水 pH =7.81 (SBR起始 pH 8.0組)，每克進流COD產氫率及每克去除COD產氫率，分 別為2.82 mmole H2/g-CODin 及21.6mmole- H2 / g- CODre。所以綜合上述結果 pH變化的過程中及產氫率可得知，前段起始進流水 pH=7.0在中性的生長環境 下，能夠有效的水解基質，達到好的水解效率，離pH 7.0越遠，水解效率就越差。
而在後段CSTR反應槽以進流水 pH=5.81(SBR起始 pH6.0組)有最佳的產氫率；反 應結束後其反應中出流水 pH範圍為5.0~5.19將有更佳的產氫效率，而本實驗室所
(一)不同起始 pH 對分離式 SBR+CSTR 產氫試驗之水質變化 1.COD濃度變化
由表4-17 可以看出，起始 pH值為6.0組有較佳的COD及其溶解性COD去除 率；在分離式反應槽SBR +CSTR，前段SBR水解反應槽分別有COD及其溶解性 COD去除率分別為6.61及11.8%；後段CSTR醱酵產氫反應槽COD及其溶解性COD 去除率分別為8.45及13.4%。較差為起始 pH值為8.0組有較差去除效率，前段SBR 水解反應槽COD及其溶解性COD去除率分別為4.89及6.97%；後段CSTR醱酵產氫 反應槽COD及其溶解性COD去除率分別為5.21及7.99%。而在起始 pH值為6.0及 8.0組，總COD及其溶解性COD去除率分別為14.5、23.6%及9.84、14.4%。
從上述可知總COD去除率均隨著分離式反應槽SBR +CSTR不同起始 pH值 的下降而增加。而在前段SBR水解反應槽越接近中性 pH =7.0其水解效果越好；
後段CSTR醱酵產氫反應槽 pH值越接近5.25~6.0，CSTR反應槽水解後的產物更容 易被醱酵產氫菌所利用去除，所以有較佳的COD去除效率。由上述可知pH在 6.0~6.5範圍內有較佳的COD去除率；而離這範圍越遠COD去除率就越低，且COD 去除效率隨總循序批次時間增加而增加，而進流基質菜籽粕經過反應槽水解後，
其水解過後的細小分子產物更容易被醱酵產氫菌所加以利用去除。
由圖4-7 能源作物搭配水解菌種的溶解性COD 反應變化，能源作物基質因 為被前段SBR水解菌反應槽分解成細小的基質，所以在反應過程試驗中期溶解性 COD 是增加的，而試驗反應過程中，初期各組 pH到試驗反應第6hr 溶解性COD 開始一直往上增加到第12hr 就停止無法再增加，試驗第13hr 溶解性COD 濃度開 始下降，第18hr之後溶解性COD 濃度減少趨勢漸趨平緩。
由上述可知水解菌在反應過程中，在第6~12hr 大量的水解能源作物基質油菜 籽粕，始溶解性COD增加而上升，由此可以得知水解菌pH 越近中性水解效果越 佳，所以水解菌以起始pH 為7.0組，在中性的生長環境下，能夠有效的水解基質，
達到好的水解效率，離pH 7.0組越遠，水解效率越差，但pH ≧7.0比pH ＜7.0水 解效率下降的幅度大。
表 4-17 不同起始 pH 對分離式 SBR+CSTR 之進出
0.5 0.75 1 1.25
5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5
pH變化
C/C0
pH8.0
pH7.5
pH7.0
pH6.5
pH6.0
圖 4-7 當油菜籽粕基質之 COD 濃度為 20,000 mg/L，不同起始 pH 組於反應過程 中 pH 值變化對溶解性 C/C0之變化情形
註 : Co 為起始溶解性COD 濃度，C為隨反應天數變化之總溶解性COD 濃度 2.鹼度
由表 4-18 鹼度變化量情形可以看出，在分離式反應槽 SBR +CSTR，前段 SBR 進流 pH 值為 6.0 組鹼度減少量較多，其出流水鹼度減少量為 16.3%；後段 CSTR 反應槽出流水鹼度減少量為 21.9%。而鹼度減少量較少為，起始進流 pH 值為 8.0 組，其前段 SBR 出流水鹼度減少量為 4.91%；後段 CSTR 反應槽出流水鹼度減 少量為 10.3%。而在起始 pH 為 6.0 及 8.0 組總鹼度減少量分別為 34.7%及 14.5%。
由上述可知，隨著起始 pH 值慢慢的遞減，其反應槽中 pH 值達到前段 SBR 水解反應槽水解菜籽粕固形物最佳 pH 值範圍，加快水解速率，而緊接在後段 CSTR 醱酵產氫菌產生較多揮發酸，在發酸產氫的過程，而使鹼度在第二段 CSTR 消耗量較前段 SBR 來的較多。
3.揮發酸
表 4-18 揮發酸濃度變化情形可明顯看出，在分離式反應槽 SBR +CSTR，
前段 SBR 不同進流 pH 值為 6.0 組，其出流水揮發酸增加量較多為 50 mg/L；後 段 CSTR 進流 pH 值為 5.81 時，反應槽出流水分別有較多揮發酸增加量，為 1,850 mg/L。揮發酸增加量較少為，前段 SBR 不同進流 pH 值為 8.0 組，其出流水揮發 酸增加量為 20mg/L；後段 CSTR 不同進流 pH 值分別為 7.81 時，反應槽出流水 分別有較少揮發酸增加量，為 1,620 mg/L。而在起始 pH 為 6.0 及 8.0 組總揮發 酸增加量分別為 1,900 mg/L 及 1,620 mg/L。
上述試驗結果顯示，揮發酸的變化量是為產酸反應減掉耗酸反應之差，在 CSTR 醱酵產氫進流水 pH 5.81 時，一開始反應完整且 pH 為後段 CSTR 醱酵產 氫最適 pH 5.0~5.5 範圍，而有最大的產氫率而產酸反應速率增加，耗酸反應耗酸 耗鹼的速率更快，所以出流水之揮發酸增加量有上升趨勢。而在較高的起始 pH 值 8.0 之下，由於反應過程 pH 達到後段醱酵產氫最適生長醱酵產氫 pH 還有一段 範圍所以其揮發酸的濃度略顯的較低。
表 4-18 不同起始 pH 對分離式 SBR+CSTR 之進出流水鹼度與揮發酸濃度及其變 化量情形
鹼度(mg-CaCO3/L) 揮發酸(mg/L)
pH SBR CSTR 總減少量 SBR CSTR 總增加量 8.0 進流濃度 610 580 610 進流濃度 750 770 750
出流濃度 580 520 520 出流濃度 770 2,370 2,370 變化量(%) 4.91 10.3 14.5 增加量(mg/L) 20 1,600 1,620 7.5 進流濃度 550 500 550 進流濃度 730 760 730
出流濃度 500 430 430 出流濃度 760 2,410 2,410 變化量(%) 9.11 16.3 21.8 增加量(mg/L) 30 1,650 1,680 7.0 進流濃度 540 480 540 進流濃度 670 710 670
出流濃度 480 400 400 出流濃度 710 2,450 2,450 變化量(%) 11.1 16.7 25.9 增加量(mg/L) 40 1,740 1,780 6.5 進流濃度 520 450 520 進流濃度 660 700 660
出流濃度 450 360 360 出流濃度 700 2,520 2,520 變化量(%) 15.6 20.1 30.8 增加量(mg/L) 40 1,820 1,860 6.0 進流濃度 490 410 490 進流濃度 690 740 690
出流濃度 410 320 320 出流濃度 740 2,590 2,590 變化量(%) 16.3 21.9 34.7 增加量(mg/L) 50 1,850 1,900
4.總固體物、懸浮固體物
由表4-19 可看出，當SBR進流 pH值為8.0組，有較多的總固體物及懸浮固體 物減少量，前段SBR水解反應槽出流水之總固體物及懸浮固體物減少量，分別為 23.1及17.8 %；後段CSTR反應槽出流水之總固體物及懸浮固體物減少量，分別為 16.5及13.4 %。減少量較少為進流 pH值為6.0組，SBR水解反應槽出流水之總固 體物及懸浮固體物減少量，分別為12.7及10.8 %；後段CSTR反應槽出流水之總固 體物及懸浮固體物減少量，分別為8.11及7.56 %。而在起始 pH為6.0及8.0組總固 體物及懸浮固體物減少量分別為35.7、28.8 %及19.7、17.5 %。
表 4-19 不同起始 pH 對分離式 SBR+CSTR 之進出流水 TS 與 SS 濃度及其變化量 情形
SBR CSTR 總變化量(%)
pH TS SS DS TS SS DS TS SS DS
8.0 進流濃度 21,090 14,190 4,560 16,230 11,660 3,880 21,090 14,190 4,560 出流濃度 16,230 11,660 3,880 13,560 10,100 3,500 13,560 10,100 3,500 變化量(%) 23.1 17.8 14.9 16.5 13.4 9.79 35.7 28.8 23.2 7.5 進流濃度 20,880 14,550 4,770 16,850 12,330 4,090 20,880 14,550 4,770
出流濃度 16,850 12,330 4,120 14,330 10,770 3,730 14,330 10,770 3,730 變化量(%) 19.3 15.3 13.6 14.9 12.7 8.81 31.4 25.9 21.8 7.0 進流濃度 20,390 14,980 4,510 16,960 12,890 3,970 20,390 14,980 4,510
出流濃度 16,960 12,890 3,970 14,710 11,490 3,650 14,710 11,490 3,730 變化量(%) 16.8 13.9 11.9 13.3 10.9 8.61 27.9 23.3 21.8 6.5 進流濃度 20,270 15,120 4,590 17,350 13,200 4,100 20,270 15,120 4,590
出流濃度 17,350 13,200 4,100 15,320 12,100 3,790 15,320 12,100 3,790 變化量(%) 14.4 12.7 10.7 11.7 8.33 7.56 24.4 19.9 17.4 6.0 進流濃度 20,190 14,690 4,850 17,630 13,100 4,420 20,190 14,690 4,850
出流濃度 17,630 13,100 4,420 16,200 12,110 4,100 16,200 12,110 4,100 變化量(%) 12.7 10.8 8.87 8.11 7.56 7.24 19.8 17.6 15.5
由上述可知，因為油菜籽粕為固形物，當進流水 pH 值較高時，進流水基質 下前段 SBR 水解反應槽達到中性 pH7.0 以利水解油菜籽粕固形物成細小分子，
以利後段 CSTR 醱酵產氫菌所分解利用酸化產生揮發酸，而有效的被醱酵產氫微
生物分解利用，所以前段 SBR 水解反應槽其出流水總固體物及懸浮固體物減少 量均比後段 CSTR 醱酵產氫反應槽出流水的總固體物及懸浮固體物減少量來的較 多。而不同起始 pH 值組越高，其總固體物及懸浮固體物變化量就越大。反之 pH 值越低，其總固體物及懸浮固體物變化量就越小。