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第四節 厭氧產氫 厭氧產氫 厭氧產氫微生物 厭氧產氫 微生物 微生物 微生物
生物產氫程序只需在常溫、常壓下進行，且不需額外提供大量能源，即將含 有再生能量的資源回收利用，是一種對環境具有親和性的處理程序，亦可減輕環 境負擔(Das and Veziroglu, 2001 ; Lay et al., 1999)，因此，微生物產氫在未來生質 能回收再利用將扮演一個重要的角色。
根據 Yokoi et al. (1995)的研究指出，產氫菌主要分為光合作用產氫菌 (Photosynthetic microorganisms)和厭氧醱酵產氫菌 (Fermentative hydrogen producing microorganisms)二大類。
一、醱酵產氫微生物
（一）醱酵產氫微生物的種類
醱酵產氫微生物依其對氧需求性分為兼性厭氧菌(如Bacillus，Enterobacter aerogenes等)，及絕對厭氧菌(如Clostridium等)。醱酵產氫微生物中以Clostridium butyricum菌種，醱酵產物為butyrate，butanol，acetone，有相當高的產氫效率。若 以Escherichia coil，Enterobacter aerogenes菌種，其醱酵產物為 mixed acid butanediol，有次高產氫效率。若以Sarcina ventriculir為菌種，醱酵產物為酒精，
只有少量氫氣產生（Gottschalk, 1986）。
（二）醱酵產氫微生物的特性
厭氧產氫菌生理特性方面，林秋裕、林明正、陳晉照（1999）的研究顯示，不同 的菌種其產氫能力會不同，對於環境的要求亦不同。Clostridium 與 Bacillus 等產 氫菌具有可生成胞子以抵抗惡劣環境的特性，而因甲烷菌不會形成胞子，因而可 以利用此一特性將 Clostridium，Bacillus 等產氫菌由厭氧污泥中分離出來（白明 德，1999）。分離技術包括：加熱（Ueno, Kawai, Sato, Otsuka ＆ Morimoto, 1995）
（林秋裕等，1999）（Lay, Lee ＆ Noike, 1999）、曝氧氣（Ueno et al., 1995）、酸 化（林明正，1999）、鹼篩等前處理可以抑制厭氧污泥中的無內生胞子細菌的生 存，特別是甲烷菌。不同的處理方法可能篩選出不同特性的菌種，例如加熱法可 以篩選出具有內生胞子的菌種，如：Clostridium 與 Bacillus；曝氧氣可以篩選出
兼氣性的細菌（鄭幸雄、曾怡禎、白明德，1999）。
Yokoi et al.（1995）指出以Enterobacter aerogenes菌種之最佳操作條件pH 在6.0~7.0之間，但不能低於pH=4.5，操作溫度在38℃，其產氫效率1.0
mole-H
2/mole-glucose。Hippe, Andreesen ＆ Gottschalk（1992）；Hallenbeck
（1983）；Kumar, Jain, Sharma, Joshi ＆ Kalia（1995）等人則指出Clostridium 菌適宜生長條件之氧化還原電位範圍為-200~-400mV之間；若低於-500mV以下 則為甲烷化反應；若高於-150mV以上，因為存有少量氧化性物質，產氫菌將 會受到抑制；可在反應槽中加入硫化鈉(sodium sulfide)等還原劑，維持其所需 的生長環境。而Clostridium菌屬之最適生長溫度為25~37℃，pH為6.7，其可醱 酵大多數的碳氫化合物，其產氫效率可大於4 mole-H
2/mole-glucose。
二、光合產氫微生物
（一）光合產氫微生物的種類
各種光合作用微生物中大部分被發現在厭氧條件下有產氫氣的現象，例 如：紫色光合作用細菌、綠色光合作用細菌、藍綠細菌、綠藻、紅藻等（蕭景 庭，2000）。許多研究結果都指出紫色不含硫光合作用菌具有最佳的產氫效率
（Odom ＆ Wall, 1983; Imhoff ＆ Trüper, 1992），其產氫效率約為一般厭氧 菌的1.5至2.0倍，但需要照光及靜置的環境中生長。除了可以簡單有機物作為 電子供給者外，還可以利用芳香族有機物（Fiβler, Schirra, Kohring ＆ Giffhorn, 1995），將二氧化碳還原。
三、厭氧甲烷化微生物
甲烷菌（methangogens）為執行甲烷化作用之專責微生物，為一類相當特別 的古細菌。甲烷生成菌為絕對厭氧微生物，所需生長環境亦較酸化菌嚴格。目前 研究中能夠被產甲烷菌利用的基質而生成甲烷的有：二氧化碳（CO2）、甲酸
（HCOOH）、一氧化碳（CO）、甲醇（CH3OH）、甲胺（CH3NH3）、二甲胺、三 甲胺、及醋酸（CH3COOH）等。而其中 CO2則幾乎能被所有產甲烷菌利用，最 主要甲烷化反應是由甲烷生成菌二個族群來進行，即嗜氫甲烷生成菌及嗜乙酸甲
烷生成菌，其反應機制如下：
CO2 ＋ 4H2 → CH4（甲烷） ＋ 2H2O………（2-5）
（嗜氫甲烷生成菌）
CH3COOH → CH4（甲烷） ＋ CO2………..（2-6）
（嗜乙酸甲烷生成菌）
其中，利用氫氣之甲烷生成菌可協助維持轉化揮發有機酸及乙醇為乙酸根所 需之低氫氣分壓條件（Speece，1964）。而經由甲烷化反應中產生之甲烷大約有 2/3 之甲烷是由嗜乙酸甲烷生成菌轉化乙酸所產生，而另外 1/3 則由氫還原二氧化 碳所生成（Mackie & Bryant，1981）。
根據美國 ATCC (American Type Culture Collection, 1989)的分類，甲烷生成菌 之種類可由其型態之特徵區分為四屬： (1)桿菌 (Methanobacterium)、 (2)球菌 (Methanococcus)、 (3)八聯球菌 (Methanosarcina)以及 (4)螺旋菌
(Methanospirillum)。陳是瑩等 (1986)及陳是瑩、曾怡禎 (1986)研究國內各種厭氧 污泥，發現其中所含之甲烷菌主要有 Methanothrix、Methanosarcina、
Methanococcus、Methanobacterium、Methanospirillum 等五屬，如表2-8。
表 2-8 各種厭氧污泥中甲烷菌之種類及特性 甲烷菌種類 (屬)
Methano- Methano- Methano- Methano- Methano- 特性
saeta sarcina coccus bacterium spirillum
型態 細桿菌連
接成絲狀
八聯球菌 群體
單一或
雙球菌 粗桿菌 螺旋菌 溫度 (℃) 37 35-37 - - -
形成孢子 × × × × ×
ORP ＜-200mv ＜-333mv
pH 7.4-7.8 6.0-7.0 - - - 產氣 CH4、CO2 CH4、CO2 - - -
甲烷生成菌之成長速率較嗜酸菌慢，所以即使是很小的溫度變化即可能造成 嚴重的影響。因此當甲烷生成菌分解揮發酸時，若降低溫度會使半飽和常數（half saturation constant）變大而最大比生長速率變小（Lawrence & McCarty，1965）。 而一般生活廢水處理廠在操作污泥厭氧消化時，其最佳操作條件為 35℃。大 部分之甲烷生成菌在 pH 值 6.7 至 7.4 之範圍內均能保有其功能，但最佳之 pH 值 則介於 7.0 至 7.2 之間，若 pH 接近 6.0 時，即對甲烷菌造成影響（Stevens，1984）。
對甲烷生成菌而言，當進流基質成分其 C：N：P 為 700：5：1 時，能夠使 厭氧消化有最佳的效率（Stevens，1984）；而當 C/N 比值為 25/1～30/1 時有最佳 的產氣率（Polprasert，1989）。
甲烷生成菌為絕對之厭氧菌，即使是低濃度之氧存在也會造成極大之傷害
（Ormerod，1961）。當 NH3-N 濃度大於 1700mg/L 時，即對甲烷生成菌造成抑制 作用，且隨著濃度增加，其抑制作用增大（Koster & Lettinga，1984）；而當硫化 物之濃度達 150～200mg/L 時，即對甲烷造成抑制作用（Rinzema & Lettinga，
1988）。
表 2-9 厭氧產氫微生物之種類 (Das ＆ Veziroğlu, 2001)
Broad classification(分類) Name of microorganisms(有機微生物) Scenedesmus obliquus Oscillotoria Miami BG7 Oscillotoria limnetica
Chromatium sp. Miami PSB 1071 Chlorobium limicola