第三章 研究方法
第二節 反應槽及試驗設備
一、 厭氧光合產氫反應槽 (一) 菌種來源
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本研究所利用的菌株源自於彰化的養猪廢水中，為中興大學李季眉 教授實驗室於1999年的研究中所篩選出紫色不含硫菌中的Rhdopseu- domonas palustris菌株，菌株編號為WP 3-5（涂良君，1999）。蕭景庭（2000）
依上述菌株以乙酸為碳源、glutamate為氮源，在光照度7000lux、培養溫 度為35℃之條件下探討其產氫能力，證實WP 3-5具有良好的產氫能力。
故本研究選用WP 3-5為試驗之主要菌種。
1.菌種保存與培養方法
菌種保存方法為固體培養基保存方法，本實驗利用液體培養基培 養方法大量增殖培養， 故針對液體培養基培養方法加以敘述。
菌種培養方法：取以培養瓶中菌株編號WP3-5之菌種20ml接種於經 滅菌釜滅菌後含glutamate的培養基中，置於光照強度7000lux，溫度35
℃下培養。待菌株生長至外觀成深紫紅色(約需7~10天），此時菌種的 活性最高，適合於提供連續流反應槽試驗所用。
試驗中所有用水均經由Ultra Pure逆滲透膜系統及NANO超純水製 造機所製造之超純水，以減少干擾。
2.試驗藥品 (1)培養基成分
本研究使用的培養基成分是根據Pfennig(1978)所提出之試驗條 件設計培養紫色不含硫光合作用細菌所使用的(Rhodospirillaceae)培 養基，其成分如表3-1與表3-2所示。
(2)碳源及氮源
光合菌一般以簡單的有機物為碳源，大部分文獻中以有機酸為碳 源居多。厭氧產氫ASBR第二階段出流水。
(3)磷酸鹽緩衝液
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為避免試驗進行中pH值起伏過大而影響光合菌之生長，試驗中以 磷酸鹽作為緩衝，以磷酸二氫鉀(KH2PO4)及磷酸氫二鉀(K2HPO4)所 配製而成。
表 3-1 Rhodospiriaceae 培養基成分(Pfennig,1978)
化合物名稱 濃度 Trace element solutionSL7 b 1ml / L Cyanocobalamin(Vit . B12) solution c 1ml / L
表3-2 Trace element solution SL7 成分
化合物名稱 濃度
HCl(25%) 1ml/L
ZnCl2 70mg/L
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(二)反應槽
本研究所使用的厭氧光合產氫反應槽為柱塞流式反應槽、完全混合式 反應槽(CSTR)。根據本研究室之前之研究結果所挑選出來最適合厭氧產氫 光合作用細菌的柱塞流式及完全混合式反應槽（陳嘉正，2003），以及最 適合甲烷化反應的厭氧流體化床反應槽(曾智鉉，2007)來進行連續流試驗。
1.柱塞流式反應槽
如圖3-1所示，柱塞流式反應槽主體材料為橫臥式之壓克力管，以內 徑6.0 cm，長度106.0 cm，外包內徑8 cm之壓克力管所製成，反應槽有效 體積為2.2 L，其細部構造如圖3-1，反應槽平均分成前後二部分，每部分 的兩邊各以水平方式置入光源(27W PL燈管)，反應槽內照度約12000 lux。每部分各有一片有孔隔板平均將反應槽分成二段，每段上方各有內 徑3cm之採樣口，氣體收集也經由此開口導入氣體收集裝置收集。反應槽 前端與末端各設有內徑8mm之進流口與出流口，出流口而以一T形管使出 流水與氣體分流，而出流水則經由U形繞流管排出，內外管間以恆溫水作 為控制溫度之用。
圖3-1 柱塞流式反應槽示意圖
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2.完全混合式反應槽
如圖3-2所示，完全混合式反應槽槽體主體材料為壓克力，以內徑13.5 cm，高度23.0 cm，外包內徑20.0 cm之壓克力管所製成，反應槽有效體積 為2.55 L。兩管之間的差距以恆溫水作為控溫之用。反應槽頂端設有8 cm 之開口，以橡皮塞塞住。在橡皮塞挖孔以置入燈管及溫度計，並以矽膠 填補空隙，防止空氣進入。槽內燈管及溫度計提供厭氧產氫光合菌所需 之光源與監測溫度，反應槽內照度約8500 lux。在反應槽內部，則放一磁 石，並將反應槽置於電磁加熱攪拌器上，試驗進行時，啟動電磁加熱攪 拌器使磁石轉動，攪拌槽內之基質與微生物，以達完全混合之目的，而 在反應槽岀流端的部分，則填塞滅菌後之海綿，避免生物污泥的流失。
圖3-2 完全混合式反應槽示意圖 二、 甲烷化反應槽
(一) 菌種來源
廢棄活性污泥含有相當量的有機物質，本研究試驗複合基質所需
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之污泥取自於台中市黎明社區污水處理廠終沈池底層污泥。而根據Lin et al.（2006）研究，已證實黎明廢水廠的廢棄生物污泥無法直接用來產 氫，但可以用於產甲烷；且也證實了黎明廠的WAS中含有相當量的 Clostridium之醱酵產氫菌及產甲烷菌，所以以黎明廠終沈池污泥做為複 合基質來源應可得到良好的產能效果。
（二）反應槽體:厭氧生物流體化床反應槽
生物流體化床反應槽主體為立式壓克力管柱，槽高106公分、管徑 為內徑6公分，反應槽有效體積為三公升，而反應槽床體體積約為二公 升左右，反應槽外包覆內徑8.5公分的壓克力管，作為保溫管。反應槽 上端設有內徑6公分的圓形開口，是為生物污泥採樣口。距反應槽頂端8 公分處，設有內徑1公分的液氣排出口，並架設T型管使氣體與出流水 分流，排出之氣體與集氣設備相連，而出流水經由U型繞流管排出。而 距反應槽頂端14公分處，設有內徑一公分的基質迴流口，以迴流馬達將 反應槽內基質抽離並經管線流入緩衝槽（1,000ml三角錐瓶）內，然後 在利用高速馬達使緩衝槽內基質流入循環管線並與進流基質混合，並注 入反應槽底部，以達到污泥迴流的目的，本試驗流體化床操作其迴流速 度控制在650 ml/min，在生物固定化技術方面，以活性碳粒做為生物膜 擔體，顆粒直徑大小約0.5～1.0 mm，擔體填充率約為反應槽體積30％。
其操作示意圖如圖3-3。
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圖 3-3 甲烷化生物流體化床反應槽示意圖
三、集氣設備
如圖3-1之上方出口所銜接之裝置。厭氧光合產氫反應槽所產生之氣 體，均分別以氣體收集裝置加以收集。集氣裝置是由氣體收集管（1000ml）
及吐氣瓶所組成。吐氣瓶內添裝含有5%硫酸的飽和食鹽水溶液，並加入甲 基紅指示劑使其成紅色，以便觀察紀錄。
四、其他設備
（一）微量進料馬達
本試驗採用Master-Flex Tubing Pumping(Cole-Parmer Model 7518-1
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0)，馬達轉速範圍為1~100rpm，配合不同口徑之進料管，可控制流量在 0.06~380ml/min之間。
（二）恆溫水槽
作為反應槽溫度控制之用。本試驗所使用之恆溫水槽共分為二種，
一為型號Tungtec Instruments Co. ,Ltd ; Model SF-72之恆溫水槽，其容量 約為20公升，可循環控制水溫，控溫範圍30~90℃，採用PID溫度控制；
另一型號為Cherng Huei Co. , Ltd; Model RC-11之恆溫水槽，其容量為4 公升，可循環控制水溫，控溫範圍-20~90℃，採用PID溫度控制。
（三）酸鹼度與氧化還原控制器
為使試驗之pH值能穩定在欲控制之範圍之內， 本試驗以酸鹼度與氧 化還原控制器（Suntex Instruments Co. ,Ltd; Model PC-330）加以監控，
其pH監控範圍為pH 0~14，氧化還原電位監控範圍為-1999~+1999 mV。
第三節 試驗設計與試程
本研究首先比較厭氧光合產氫反應槽(完全混合式反應槽與柱塞流式 反應槽)以及甲烷化反應槽(流體化床反應槽)，何者有較佳的產能。接著 再以最佳產能的反應槽為後續試驗的反應槽，變化不同的操作條件，以達 到最佳的產能效果。
(一)試驗一：光合產氫與甲烷化反應槽之產能比較試驗
利用甲烷化流體化床反應槽(生物污泥從黎明污水廠終沉池污泥培養 出來)與厭氧光合產氫(柱塞流式與完全混合式)反應槽(中興李季眉教授實 驗室提供的WP3-5)，以達到醱酵產氫後廢水再產能的比較試驗。
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palustris WP3-5(由中興大 學李季眉老師實驗室提供)
HRT為6、12與24 hr
(三)試驗三: 不同pH之甲烷產率比較試驗
以產能效果較佳的甲烷化流體化床為試驗反應槽，變換不同pH(5.0、
5.5、6.0、6.5、7.0、7.5與8.0)，以了解在何種pH下會有最佳的產能效率。
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COD: 10000、20000與30000 mg/L
(五)試驗五:不同溫度之甲烷產率比較試驗
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(六)試驗六:不同迴流流量之甲烷產率比較試驗
以產能效果較佳的甲烷化流體化床為試驗反應槽，變換不同迴流流量 (650與1000 ml/min)，以了解在何種迴流流量下會有最佳的產能效率。
表3-8 不同迴流流量甲烷產率比較試驗之操作條件
控制條件 操作條件
反應槽: 甲烷化流體化床反應槽 HRT: 12 hr
pH: 7.0
COD: 16400 mg/L 溫度: 35 ℃
迴流流量:650與1000 ml/min
第四節 分析方法與項目
一、水質分析
本試驗水質分析包括：進流水與出流水化學需氧量(COD)之測定、總 懸浮固體物(SS)、揮發酸(Volatile acid)、鹼度(Alkalinity)等分析項目，其 分析方法依照「美國標準水質檢驗法」(Standard Methods 21th ed.)。揮發 酸(Volatileacid)之部份則採用Dilallo & Albertson(1961)的直接滴定法進行 分析。
二、pH值
以pH meter(Suntex Instruments Co. , Ltd ; Model PC-330)進行監測。
三、產氣量及氣體組成分析
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以氣體收集設備收集並記錄各段反應槽之產氣量。氣體收集設備所收 集之氣體，以採樣瓶(150ml)採樣，然後使用氣相層析儀進行氫氣、甲烷 及二氧化碳之含量分析。
氣相層析之操作條件如下（林明正，1999）：
Hp 4890 Gas Chromatograph 1.檢測器(TCD)：120℃
2.載流氣體：N2，50 ml/min
3.層析管柱：2m × 2.0 mm ID，max . temp . 150℃
4.填充物：FON 10% on 80/100 mesh Ceilite 545 (A) 5.操作溫度：Injector 120℃
Oven 55℃
Detector 120℃
四、揮發酸組成分析
本研究所分析之揮發酸項目包括乙酸、丙酸及丁酸等三種。水樣由出 流口及採樣口取樣後，經前處理後注入氣相層析儀中進行揮發酸組成分 析，前處理之方法依Dilallo et al . (1961)並參考「美國標準水質檢驗法」
(Standard Methods 19th ed.)中有機酸之萃取方法修改而成，詳細萃取流程 如圖3-4所示：
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水樣8 ml，以HCl酸化至pH 2.0
加入2 ml乙醚，並充分混合均勻
以離心機（3000 rpm）離心
取上層液1μl分析
圖3-4 揮發酸成分分析前處理流程圖
氣相層析之操作條件如下：
Hp 4890 Gas Chromatograph 1.檢測器（FID）：200℃
2.載流氣體：N2，2 ml/min
3.層析管柱：30 m × 0.25 mm ID，max . temp . 250℃之毛細管柱 4.操作溫度：Injector 200℃
Oven 45℃ 停留3分鐘後 以30℃/min升溫 至210℃停留3分鐘 Detector 200℃
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五、MLSS測定
將Whatman Glass Microfibre Filters GF/B 濾紙置於105℃的烘箱內乾 燥24小時後，取出冷卻後秤重，得W0(mg)，再由各個反應槽之取樣口取出 反應槽中之污泥，以吸管吸取Am l之污泥以濾紙過濾後置於105℃之烘箱 內，乾燥24小時後，取出冷卻後秤重，得W1(mg)。由(W1－W0)的差值除以 污泥之體積（A/1000 L），即可得單位反應槽體積的生物量大小(mg / L )。
六、菌種之觀察
（一）以位相差顯微鏡與螢光顯微鏡觀察反應槽之菌相於組別穩定狀態之 下，將反應槽中之污泥取出，分別以位相差顯微鏡與螢光顯微鏡觀
（一）以位相差顯微鏡與螢光顯微鏡觀察反應槽之菌相於組別穩定狀態之 下，將反應槽中之污泥取出，分別以位相差顯微鏡與螢光顯微鏡觀