第四章 結果與討論
第三節 不同起始 pH 值之批次產氫試驗
由試驗一及試驗二的結果研究可以得知，以油菜籽粕為基質，當水解菌為 Bacillus subtilis(A)分解時，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 55.73％、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，揮發酸濃度增加量為 2000 mg/L。
本節將利用試驗最佳水解菌種 Bacillus subtilis(A)分解能源作物-油菜及油菜 籽粕，COD 濃度配成 20,000mg/L，混合菌液/基質配比 1/3(總體積=100ml)，培養 箱溫度控制在 35℃；進行下列實驗。
(1)當基質為油菜籽粕時水解菌/醱酵產氫菌配比為 1/3，探討不同起始 pH 為 4.50、5.00、5.25、5.50、6.00、6.50、7.00 及「5.0 有添加醱酵產氫菌，但未 添加水解菌種的控制組」共計 8 組，(2)當基質為油菜時水解菌/醱酵產氫菌配比 為 1/4，探討不同起始 pH 為 4.75、5.00、5.25、5.50 共計 4 組，對厭氧產氫率 反應之影響。(3)以水解菌 Bacillus subtilis(A)及 Clostridium cellulolyticum 搭配油 菜、油菜籽粕進行不同起始 pH(5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0)總共 28 組，
了解 Bacillus subtilis(A)及 Clostridium cellulolyticum 在何種 pH 下有最佳的水解效 果，以利後續研究者進行水解菌/醱酵產氫菌分離培養試驗時有所依據。
一、不同起始 pH 之批次產氫效率之影響 (一)油菜籽粕
由圖 4-5 及表 4-7 發現，當起始 pH 控制在 5.0 時，可以得到最佳的產氫率，
為 1.13 mmole H2/g-CODin，其次為起始 pH 5.25，產氫率為 0.895 mmole
H2/g-CODin，再其次為 pH 5.50、pH 7.0。而當控制在 pH 4.5 時，其產氫率為 0.034 mmole H2/g-CODin最少，其次為起始 pH 5.0 空白組(有添加醱酵產氫菌，但未添 加水解菌種)，其產氫率為 0.050 mmole H2/g-CODin。
0
當起始 pH 值≧4.5 時，於試驗初期均有產氫情形，pH 控制在 5.0-5.5 之間 的產氫量都明顯的比起他組來的好，除了 pH 值 7.0 這一組產氫量一開始就和 pH 5.0 及 5.5 的產氫量並駕齊驅，從過往文獻可以得知 pH 5.0-6.0 是有利產氫菌 生長的，本試驗的水解菌種最佳 pH 值適合在 7.0，所以可能因為一開始 pH 值控 制在 7.0 是有效加強水解菌進行水解作用，被水解的產氫基質一多，就有利於 產氫反應，所以產氫量比起始 pH 6.0 及 6.5 來得好，但是效果還是比起始 pH 5.5 差一點。
由圖 4-5 可以看出，當起始 pH 值≦4.5 的時候，只在第一天產生氫氣就停 止產生，因為起始 pH 值控制的太低，又加上基質被水解酸化後導致 pH 值降的 更低，使產氫菌無法發揮作用，造成產氫停止。所以當起始 pH 值低於 4.5 的時 候，會因為太低的 pH 會對產氫造成影響，然而 pH 5.0 空白組雖有添加醱酵產 氫菌但也因為未添加水解菌，因而無法有效水解固體狀之油菜籽粕基質，因而 無法有效產氫，所以加入適當的水解菌種搭配醱酵產氫菌是有利於產氫效率提 升。
由試驗中可以得知油菜籽粕在起始 pH 為 5.0 可以有好的產氫效率，而加入 水解菌是可以有效水解固體狀的油菜籽粕有利於產氫氫效率提升
(二)油菜
油菜試驗是利用油菜籽粕試驗中得知的最佳產氫起始 pH 為 5.0，所以油菜 試驗做不同起始 pH 4.75、5.00、5.25、5.50 共 4 組。由圖 4-6 可以看出，當 起始 pH 值為 5.0 的時候產氫量最多，從試驗第二天開始就大幅領先其他組的產 氫量，有產氫率 0.432 mmole H2/g-CODin，而當起始 pH 為 4.75 及 5.5 的時候產 氫量最少，由其是起始 pH 4.75，產氫率只有 0.246 mmole H2/g-CODin。
試驗初期各組均有產氫反應，當 pH 4.75 及 5.5 這 2 組產氫率是差不多的，
到試驗後期 pH 5.5 產氫超過 pH 4.75 這一組，所以當 pH≦4.75 產氫反應就漸 漸變差。而 pH 5.0 在試驗第二天產氫率就大幅超過其他各組，產氫一直到第 7 天才停止產氫反應。
所以起始 pH 為 5.0 的時候有好的產氫率，但如果 pH≦4.5 或≧5.5 產氫率 都不佳，所以證明油菜產氫試驗起始為 pH 5.0 是有利產氫率的提升。
(三)油菜及油菜籽粕產氫比較
由圖 4-5 及圖 4-6 我們可以看出，油菜及油菜籽粕在起始 pH 為 5.0 時都有 最好的產氫率分別為 0.432 mmole H2/g-CODin及 1.13 mmole H2/g-CODin。而油菜 籽粕的產氫效率又比油菜多一倍以上，因為油菜籽粕經榨油過後纖維被破壞，
所以在加入適當的水解菌可以大幅提高產氫效率，而且油菜籽粕含有豐富的蛋 白質且榨油之後還有殘留油份這些都是利於產氫的成份。
以油菜及油菜籽粕基質產氫試驗結果可以得知，利用油菜籽粕基質產氫效 率比油菜基質好。
（四）產氫效率 pH 值校正係數
本研究為探討反應pH值對每克進流COD產氫率之影響，遂以計算pH值之校正
係數θpH 每克進流COD產氫率值表示，若θpH 每克進流COD產氫率值越接近1，表示該試驗受反
應pH值的影響越小，θpH 每克進流COD產氫率值距1越遠，表示該試驗受pH值的影響越 大。再者，由試驗結果得知，以pH 5.0的組別每克進流基質產氫為最佳，故以 pH 5.0為基礎pH。
(1)當pH≧5.0
以(YpH/Y5.0)=θpH 每克進流COD產氫率(pH-5.0)來作迴歸，兩邊取對數可得 lnYpH–lnY5.0=（pH–5.0）lnθpH，每克進流COD產氫率
(2)當pH＜5.0
以(YpH/Y5.0)=θpH 每克進流COD產氫率(5.0-pH)來作迴歸，兩邊取對數可得 lnYpH–lnY5.0=（5.0–pH）lnθpH，每克進流COD產氫率
由於pH、YpH與Y5.0均為已知，可代入求取反應瓶中之θpH每克進流COD產氫率值。
在每克進流COD產氫率方面，以下列方式計算求出，
pH:pH值
YpH：在何操作pH值下之每克進流COD產氫率（mmol-H2/g-CODin）。
Y5.0：在pH=5.0組別時之每克進流COD產氫率（mmol-H2/g-CODin）。
θpH，每克進流C O D 產氫率：不同pH值下，每克進流COD產氫率之溫度校正係數。
油菜公式YpH,油菜 =Y5.0,油菜×0.2051│pH-5.0│ (4-1)
油菜籽粕公式YpH,油菜籽粕=Y5.0,油菜籽粕×0.1981│pH-5.0│ (4-2)
由迴歸之後可以得到 pH 校正係數油菜為 0.2051、油菜籽粕為 0.1981 帶入 公式可以得到油菜在 pH 5.0 的時候為 0.4783 mmole H2/g-COD，油菜籽粕在 pH 5.0 的時後為 1.129 mmole H2/g-COD(見表 4-5)。
表4-6 油菜及油菜籽粕不同操作pH值下，反應瓶中YpH與pH校正係數θ pH 4.75 5.0 5.25 5.5 pH 校正係數 θ 油菜 YpH 0.3218 0.4783 0.3218 0.2166 0.2051 油菜籽粕 YpH 0.753 1.129 0.753 0.502 0.1981
由圖 4-5 及 4-6 還有表 4-7 研究結果，可以得知油菜及油菜籽粕最佳的產 氫起始 pH 值為 5.0，以油菜籽粕為基質其最佳產氫率為 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。由圖 4-7 將所有 pH 試 驗組別的，每日產氫與每日 pH 反應結果反應曲線變化得知，反應過程 pH 值低 於 4.5 以下或 pH 值高於 6.0，產氫反應就受到了明顯的抑制，所以利用油菜及 油菜籽粕產氫 pH 值反應變化要控在 4.5≦pH≦6.0 的範圍之內。圖 4-8 為本研 究團隊另一個研究夥伴(洪培營，2008)的 ASBR 共培養反應槽的不同起始 pH 組 的產氫反應之 pH 的變化情形，得知產氫率好的 pH 值在 4.70≦pH≦6.10 的範圍 之內。所以產氫率要佳，反應過程的 pH 值要控在 4.70≦pH≦6.10 的範圍之內。
綜合上述研究結果，我們可以得知油菜及油菜籽粕在不同 pH 試驗中都是以 起始 pH 5.0 有最佳的產氫效率為 0.432 mmole H2/g-CODin及 1.13 mmole
H2/g-CODin，所以後續試驗將起始 pH 5.0 為基礎。
0
表4-7 以油菜及油菜籽粕為基質不同起始pH批次試驗之氣體組成及累積產氫量
＊3 5.25 32.5 49.0 51.0 15.92 16.5 1.99 0.312 25.9
＊4 5.50 29.8 0.45 55.0 13.41 16.3 1.99 0.262 36.4
二、不同起始 pH 之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。
油菜籽粕組試驗由表4-8水質變化的情形可看出，在試驗初期到中期的階 段，為水解酸化的過程，使得各組之反應中期pH值均有下降的情形，試驗結束後 各組pH值除了＃1組(pH=4.5)以外，其他pH值都在pH 4.5-5.5之間。油菜組試驗 由表4-7水質變化的情形可以看出，初期到試驗結束各組pH值都是降低，但是變 化幅度不大，試驗結束後pH值介於4.71-5.41之間。
試驗初期到中期的階段因為水解菌發揮水解基質的作用，將有利於後續的醱 酵產氫反應之進行，所以各組在初期的溶解性 COD 都是增加的，且隨著溶解性 COD 增加量越多其產氫量越好，其中＃2 組(pH=5.0)有 2.35 ％的溶解性 COD 為最好 產氫率為 1.13mmole H2/g-CODin，其次＃3 組(pH=5.25)有 2.15％溶解性 COD。油 菜組試驗初期到中期階段因為水解菌發揮作用水解基質，所以各組在初期的溶解 性 COD 都是增加的，而且隨著溶解性 COD 增加量越多的產氫越好，＊2 組(pH=5.0) 有增加 4.09 ％的溶解性 COD，其產氫率為 0.432 mmole H2/g-CODin為最好產氫，
其次為＊3(pH=5.25)有增加 2.03％的溶解性 COD，0.312 其產氫率為 0.432 mmole H2/g-CODin。
由表 4-10 油菜籽粕揮發酸變化情形，試驗初期到中期產酸量較多，產氫量 最好其中以＃2 組(pH=5.0)，揮發酸的濃度達 660 mg/L，為最多其產氫率也最好 有 1.13 mmole H2/g-CODin，其次為＃3 組(pH=5.25)組的揮發酸濃度達 570 mg/L，
其產氫率為 0.89 mmole H2/g-CODin。油菜籽粕組在總 COD 的去除率方面，各組去 除率約介於 0.50-10.4％之間
表4-8 以油菜及油菜籽粕為基質，不同起始pH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 4.50 4.50 4.10 3.50 20100 19900 19600 2.48 10300 10350 10280 10200 0.48 0.97
＃2 5.00 5.00 4.83 4.57 20100 19600 19400 3.48 10600 10850 9800 9580 2.35 9.62
＃3 5.25 5.25 5.12 4.90 19900 19700 19500 2.01 10200 10420 10260 9600 2.15 5.88
＃4 5.50 5.50 4.97 4.71 20100 19800 19500 2.98 10700 10880 10650 10100 1.68 5.60
＃5 6.00 6.00 5.49 5.01 20100 19500 18000 10.4 10450 10570 10250 9980 1.14 4.49
＃6 6.50 6.50 5.86 5.10 20100 19800 18600 7.46 10120 10230 10100 9890 1.08 2.27
＃7 7.00 7.00 6.46 5.52 19900 19600 19700 1.00 10200 10340 9840 9650 1.37 5.39
＃8 空白 5.00 4.85 4.60 19900 19750 19800 0.50 9900 9990 9860 9750 0.90 1.51 油菜
＊1 4.75 4.75 4.73 4.71 20100 20100 19900 1.00 5310 5390 5300 5280 1.50 0.56
＊2 5.00 5.00 4.94 4.90 20100 19700 19500 2.98 5130 5340 5170 5010 4.09 2.33
＊3 5.25 5.25 5.20 5.20 19900 19900 19650 1.25 5410 5520 5380 5360 2.03 0.95
＊4 5.50 5.50 5.44 5.41 19900 19800 19750 0.75 5240 5330 5260 5190 1.71 0.92
表4-9以油菜及油菜籽粕為基質，不同起始pH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 4.50 0.412 25000 21500 17600 9900 8650 7650
＃2 5.00 0.412 29850 26500 14500 11100 9750 8750
＃3 5.25 0.412 26400 24500 13900 13800 11650 10450
＃4 5.50 0.412 28500 26540 11200 14550 8760 7650
＃5 6.00 0.412 25450 23500 17800 11600 10100 9250
＃6 6.50 0.412 21950 21850 21150 12950 9850 8350
＃7 7.00 0.412 22800 21000 15850 14250 12500 11000
＃8 空白 0.412 16750 12650 9400 6450 5980 3500 油菜
＊1 4.75 0.512 11450 9710 8030 4100 3960 3600
＊2 5.00 0.512 10950 8650 7063 4450 3820 3250
＊3 5.25 0.512 11000 8720 7050 4350 3680 3000
＊4 5.50 0.512 11000 7980 6800 3800 3650 3100
而溶解性的 COD 各組去除率約介於 0.97-9.62％之間，由表 4-7 產氫量和表 4-8 相比較，發現一般而言總 COD 去除率及溶解性 COD 增加率愈佳，產氫量就愈 好，其中以＃2 組(pH=5.0)及＃3 組(pH=5.25)，其產氫率也最好，其溶解性 COD 減少量也相對提高，減少量介於 5.88-9.62％。油菜組在總 COD 的去除率方面，
各組去除率約介於 0.75-2.98％之間，溶解性的 COD 各組去除率約介於 1.50-4.09
％之間，以＊2(pH=5.0)及＊3(pH=5.25)組去除率最好且產氫量越佳，表 4-5 產 氫量和表 4-6 相比較，發現一般而言 COD 去除率及溶解性 COD 增加率愈佳，其產 氫量也愈最好，其中以＊2(pH=5.0)及＊3(pH=5.25)，其溶解性 COD 減少量也相 對提高，減少量介於 0.56-2.33％。
油菜籽粕不同起始 pH 值批次產氫試驗瓶中的初期總固體物介於 16750-29850 mg/L，試驗結束後的總固體物介於 9400-21150 mg/L，各組經產氫反應後總固體
油菜籽粕不同起始 pH 值批次產氫試驗瓶中的初期總固體物介於 16750-29850 mg/L，試驗結束後的總固體物介於 9400-21150 mg/L，各組經產氫反應後總固體