圓筒雙槽式 MFC 反應槽操作之情形

將馴養污泥植入有效體積為1 L的圓筒雙槽式MFC反應槽中，使用不鏽鋼網 作為電極，接著進行批次試驗。每天輔以三用電錶紀錄MFC產電情形，並採樣作 為水質分析之用，待污泥狀態或產電數據穩定後，取此 6 天數據平均值代表未添 加醱酵產物之空白組數據。

一、 MFC 操作參數分析

混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）

圖 4-1 為第 0 天至第 5 天各操作階段 MFC 未添加醱酵產物陽極（厭氧）槽 MLSS 變化之情形，MLSS 平均濃度為 23,477.1 ± 462.7 mg/L；圖 4-2 為 MFC 未 添加醱酵產物陰極（好氧）槽 MLSS 變化之情形，圖中顯示陰極槽 MLSS 平均 濃度為 2,008 ± 73.6 mg/L，結果顯示，MFC 陰、陽極批次反應槽之污泥狀態皆 為穩定，適合進行產電試驗。

圖 4-1 未添加醱酵產物陽極槽 MLSS 趨勢圖

圖 4-2 未添加醱酵產物陰極槽 MLSS 趨勢圖 0

10,000 20,000 30,000 40,000 50,000

0 1 2 3 4 5

MLSS (mg/L)

Operation Time (days)

Anaerobic MLSS-Blank

0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000

0 1 2 3 4 5

MLSS (mg/L)

Operation Time (days)

Oxic MLSS-Blank

揮發性懸浮固體物濃度（volatile suspended solids, VSS）

圖 4-3 為 MFC 未添加醱酵產物 VSS 變化之情形，圖中顯示本研究第 0 天 至第 5 天，批次反應槽內 VSS 濃度約為 2,069 ± 89.3 mg/L，由結果可得知，污 泥狀態相當穩定。

圖 4-3 未添加醱酵產物 VSS 趨勢圖

酸鹼值（pH）與溫度（Temperature）

學者 Gil 等人於 2003 年研究發現，陽極槽內 pH 值約為 6 時，有利於微生 物生長，且產電效能最佳；當溫度從 24℃上升至 41℃時，MFC 最大輸出功率 會先升高再下降，於 35℃可得最大輸出功率（Moon, 2006）。

根據上述之參考文獻，本研究溫度與 pH 控制於相關研究結果及實場操作 範圍之內，如圖 4-4 為 MFC 未添加醱酵產物陽極（厭氧）槽溫度與 pH 變化之 情形，圖中顯示第 0 天至第 5 天，批次反應槽內 pH 平均為 6.8 ± 0.1，溫度平均 為 28.8 ± 0.1 ℃；圖 4-5 為 MFC 未添加醱酵產物陰極（好氧）槽溫度與 pH 變 化之情形，圖中顯示第 0 天至第 5 天，批次反應槽內 pH 平均為 6.9 ± 0.1，溫度 平均為 28.7 ± 0.1 ℃。

0 1,000 2,000 3,000 4,000

0 1 2 3 4 5

VSS concentration (mg/L)

Operation Time (days)

VSS-Blank

圖 4-4 未添加醱酵產物陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

Operation Time (days)

Anaerobic Temp. -Blank Anaerobic pH-Blank

0

Operation Time (days)

Oxic Temp. -Blank Oxic pH-Blank

溶氧量（Dissolved Oxygen）

MFC系統產電原理，需仰賴含有溶氧的陰極槽溶液作為最終電子接受者，以 接收來自陽極槽傳遞的H^＋與e^－進行還原成水分子，若陰極槽中之溶氧濃度過低可 能會使其無法提供H^＋與e^－進行還原，進而影響MFC系統產電效率（謝雨澄，2011）。

由圖 4-6 陰極槽未添加醱酵產物之 DO 趨勢圖，可發現本試驗陰極槽各批 次第 0 天至第 5 天 DO 平均操作值約為 2.60 mg/L，藉由曝氣設備之調整，以維 持反應槽內最適合產電之溶氧狀態。

圖 4-6 未添加醱酵產物 DO 趨勢圖

氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP）

ORP 於廢水處理之應用相較溶氧度計更具彈性，可作為好氧及厭氧的控制 指標（Kjaergaard, 1977），當 ORP 為-100 mV 以下時，為絕對厭氧狀態，ORP 值 為+40 mV 以上時，屬於好氧狀態，而 MFC 陽極維持在厭氧狀態時，ORP 不會 直接影響 MFC 產電之效果（陳仕桀，2009；張信堃，2011），因此本研究以 ORP 監測批次反應槽內污泥生長環境，並藉由監測結果得知物質氧化還原之程度，

數值單位皆以 mV 表示。本研究未添加醱酵產物時，MFC 陰陽極 ORP 變化情 形如圖 4-7 所示，陽極槽 ORP 平均為-319.5 ± 8 mV；陰極槽 ORP 平均為 237.2

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4 5

DO (mg/L)

Operation Time (days)

Oxic DO-Blank

± 32.8 mV。

圖 4-7 未添加醱酵產物 ORP 趨勢圖

溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）

圖 4-8 顯示未添加醱酵產物陽極槽 SCOD 變化情形，陽極槽 SCOD 平均最 大值為 5,203.40 mg/L，逐日遞減至第 5 天為 1,402 mg/L，平均值為 3,306 ± 1,219.4 mg/L，去除率為 74.75 %；圖 4-9 顯示未添加醱酵產物陰極槽 SCOD 變化情形，

陰極槽 SCOD 最大值為 404 mg/L，逐日遞減至第 5 天為 102 mg/L，平均值為 270 ± 112.9 mg/L，去除率為 73.06 %。

-500 -300 -100 100 300 500 700

0 1 2 3 4 5

ORP (mV)

Operation Time (days)

Anaerobic ORP-Blank Oxic ORP-Blank

圖 4-8 未添加醱酵產物陽極槽 SCOD 變化趨勢圖

圖 4-9 未添加醱酵產物陰極槽 SCOD 變化趨勢圖

二、 MFC 產電情形 電壓

由圖 4-10 可得知未添加醱酵產物之 MFC 批次試驗平均電壓變化趨勢，當 MFC 系統開始啟動的第 0 天，平均電壓為 22.36 mV，最大電壓出現在第 1 天平 均約為 35.32 mV，爾後第 2 天至第 5 天分別為 33.56、24.16、17.38 及 8.20 mV，

0 2,000 4,000 6,000 8,000

0 1 2 3 4 5

SCOD concentration (mg/L)

Operation Time (days)

Anaerobic SCOD-Blank

0 200 400 600 800

0 1 2 3 4 5

SCOD concentration (mg/L)

Operation Time (days)

Oxic SCOD-Blank

第 0 天至第 5 天平均電壓為 23.5 ± 9.3 mV。

Operation Time (days)

Voltage-Blank

Operation Time (days)

Current-Blank

三、 MFC 揮發酸之變化

經多組批次試驗後，本研究於MFC穩定狀態下，進行MFC揮發酸之檢測，未 添加醱酵產物之空白組中，有機酸生成以乙酸、丁酸為主，乙酸第0天濃度為264.95 mg COD/L，丁酸第0天與第1天濃度分別為261.83 mg COD/L與109.52 mg COD/L，

期間未有產生醇類之情形，結果顯示於圖4-12與圖4-13中，可發現未添加醱酵產

HAc concentration (mg COD/L)

Operation Time (days)

HAc

HBu concentration (mg COD/L)

Operation Time (days)

HBu

四、 初步結果

經建立圓筒雙槽式MFC反應槽，同時依據MFC水質分析與揮發酸檢測，進行 批次試驗以獲得MFC最佳產電狀態，再以批次試驗探討未添加醱酵產物之微生物 產電過程與MFC產電效能，獲得初步結果如下：

1. MFC 陽極與陰極反應槽污泥分別控制在 23,043 ~ 24,380 mg/L 及 1,864

~ 2,083 mg/L 時，污泥狀態穩定，且較適合進行產電試驗。

2. 未添加醱酵產物時，陽極槽溫度和 pH 分別控制在 28.8 ± 0.1 ℃與 6.8 ± 0.1，另陰極槽溫度與 pH 分別控制在，28.7 ± 0.1 ℃與 6.9 ± 0.1，可獲 得最佳產電效率。

3. ORP 不會直接影響 MFC 產電之效果，且可作為好氧及厭氧的控制指 標，當陽極槽 ORP 為-319.5 ± 8 mV；陰極槽 ORP 為 237.2 ± 32.8 mV 時，可獲得較佳的產電狀態。

4. 最大電壓出現在第 1 天，平均約為 35.32 mV；整體而言，第 0 天至第 5 天平均電壓為 23.5 ± 9.3 mV。

5. 最大電流約為 7.71 µA，第 0 天至第 5 天平均電流為 2.8 ± 2.9 µA。

6. 於未添加醱酵產物的情況下，微生物產電進行的是乙酸與丁酸的代謝途 徑。

7. 由圖 4-14 可發現，乙酸與丁酸伴隨 SCOD 之下降而減少。

圖 4-14 未添加醱酵產物之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖