第四章 結果與討論
第九節 反應動力學之探討及模擬
本研究在開放式系統中以二相式連續流反應槽（前段活性碳綿攪拌式 反應 槽＋後段活性碳顆粒流體化床）的方式進行厭氧甲烷化反應，在反 應進行中，除了產甲烷菌以及其它孳的生菌種會造成影響外、另外進流基 質組成成分以及水力停留時間（有機負荷）等也均會對厭氧甲烷化反應造 成影響。由於上述所提因素會使動力模式在推估上變的更加複雜且影響其 準確度，因此文 獻上對於厭氧動力模式的建立都予以簡化。
一般經常使用的厭氧動力學模擬的生物反應動力學有（1）Monod equation，（2）Gompertz equation 及（3）Haldane eguation 等三種，但由 於 Gompertz equation 所探討之生物反應僅用於批次試驗（白明德，
1999）。而本試驗之進流基質為經水解、醱酵之稻殼廢水，為微生物易於 分解之物質，並不會對反應槽中之微生物造成抑制，所以 Haldane eguation 也應該不適用來進行本研究連續流試驗結果之模擬。綜合上述，本研究擬 使用Monod equation來進行厭氧甲烷化反應動力學之模擬。
表4-29為在水力停留時間（不同有機負荷）下，以Monod equation模 擬反應槽的基質利用率計算值，包括：水力停留時間、有機負荷、進出流 水COD濃 度(Ci、Ce)、去除係數R與Ce/R，其中：
Ci：進流水COD濃度(mg/L) Ce：出流水COD濃度(mg/L) Ks：半反應速率常數(mg/L)
P：體積負荷，每天單位體積反應槽之基質的最大去除量(g-基質去除 /m3‧day)
R：去除係數，每天單位體積反應槽之基質去除量（g-基質去除/m3‧day）
R=Q（Ci-Ce）/V
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Ci：進流水COD濃度（mg/L）
Ce：出流水COD濃度（mg/L）
R：去除係數（mg/L‧day）
Q：每天出流水流量(L) V : 反應槽反應體積(L)
將本試驗所得到的結果Ce、R、Ce/R 值，帶入已由第二章所推導出的 Hanes equation，此公式可視為二元一次直線方程式（y= ax＋b），其中y = Ce /R、x = Ce ，a=1/P、b=Ks/P，求得P 與Ks。
P C p K R
Ce = S + e
因此由上述方法可得到各循序試驗之Michaelis-Menten 迴歸式與迴歸 直線，如圖4-7至圖4-11所示，而各試驗Michaelis-Menten 反應動力參數整 理於表4-19、4-20。
而由基質利用率P值可發現，各個試程的試驗的P值大都介於1.00左 右，代表各個試驗的反應槽在平衡後最大甲烷產率並無太大差別，代表各 個試驗最大產能均能充分利用基質而達到最大產能。而在KS值方面，以不 同COD濃度之甲烷產能試驗最小，代表試驗過程中變換不同的COD濃度較 快達到最高基質轉換率，基質利用效率較不受COD濃度變化的影響，試驗 較易達到平衡；而不同溫度之甲烷產能試驗最大，代表試驗過程中變換不 同的溫度需經過較長時間才能達到最高基質轉換率，基質利用效率易受溫 度變化的影響，試驗較慢達到平衡。
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表4-19 以Michaelis-Menten模擬連續流各試驗基質利用率之計算值 試驗一:光合產氫與甲烷化反應槽之產能比較試驗
24 13900 9210 4690 1.96
12 13900 10100 9000 1.12 20000 21200 15100 12200 1.24 30000 29700 21600 16200 1.33 試驗五: 不同溫度之甲烷產能比較試驗
Ci Ce R Ce/R
25 14400 13200 2400 5.50
30 14800 11600 6400 1.81
35 14500 9800 9400 1.04
40 14800 13400 2800 4.79
試驗六: 不同迴流速率之甲烷產能比較試驗
650 15500 10800 9800 1.10 1000 15500 10100 10800 0.94
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表4-20 以 Michaelis-Menten 迴歸所求得動力學參數 試驗二: 不同水力停留時間之甲烷產能比較試驗
Ks（mg/L） P（mg/L‧day） r2
6.77 1.14 0.530
試驗三: 不同pH之甲烷產能比較試驗
Ks（mg/L） P（mg/L‧day） r2
3.10 1.05 0.890
試驗四: 不同COD濃度之甲烷產能比較試驗
Ks（mg/L） P（mg/L‧day） r2
0.948 1.01 0.969
試驗五: 不同溫度之甲烷產能比較試驗
Ks（mg/L） P（mg/L‧day） r2
12.2 1.07 0.877
試驗六: 不同迴流速率之甲烷產能比較試驗
Ks（mg/L） P（mg/L‧day） r2
2.67 1.00 1.00
圖4-7 甲烷化流體化床反應槽之不同HRT反應動力學迴歸直線
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圖4-8 甲烷化流體化床反應槽之不同pH反應動力學迴歸直線
圖4-9 甲烷化流體化床反應槽之不同COD濃度反應動力學迴歸直線
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圖4-10 甲烷化流體化床反應槽之不同溫度反應動力學迴歸直線
圖4-11 甲烷化流體化床反應槽之不同迴流速率反應動力學迴歸直線
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