第二章 文獻回顧
第五節 影響厭氧產能反應之環境因子
一、基質(substrate)
微生物生長中的細胞必須利用外來的基質及營養源進行生長並獲取能量 (謝哲松譯，1999)。而當微生物若無法得到充分基質及營養源會影響其體內的 生化反應，甚至會死亡。
基質 ＋ 營養源 → 生物質量 ＋ 能量
生物產氫供給進料基質主要為碳水化合物，基質之需求要有足夠的濃度以 促使醱酵反應發生和大量地產生能源(賴俊吉，2003)。林明瑞、盧重興、賴欣 宏、邱毓明(2000)的研究證實產氫的效能會隨著基質濃度的增加而增加，而不 同的基質對產氫也會有影響。鄭幸雄等(2001)所進行厭氧生物產氫機制及程序 控制之整合型研究，其研究發現，不同的基質對產氫菌產氫效能有直接的影響，
碳水化合物單位基質的產氫量約有9 mmole-H2/g-glucose，遠大於蛋白質的 0.68 mmole-H2 /g-peptone 及生物污泥的 0.08 mmole-H2/g-sludge。在陳文欽等(2001) 的研究中發現，以易水解的葡萄糖(glucose)為基質，最易達成生物產氫的目標，
相同單位碳水化合物的產氫量約為蛋白質的數倍，而脂肪與纖維質的產氫量最 少。碳水化合物的濃度也會影響厭氧產能反應的產能總量與代謝途徑(Mizuno, Dinsdale, Hawkes & Hawkes, 1997)。而以 peptone 為基質的厭氧醱酵產氫反應 中，在分解的過程會有氨氮的生成，因而產生耗氫反應(鄭幸雄、張仕旻，2001)，
故以 peptone 為基質的醱酵產氫反應，所回收的氫氣比以碳水化合物為基質者 少，可見不管是產氫量或產氫效率，以易分解基質(如葡萄糖)最易達成生物產 氫的目標；但 peptone 因有氨氮的生成及胺基酸的釋出，對系統穩定的操作有 不錯的效果。
而基質種類亦會影響優勢微生物的組成，以蔗糖為進流基質的生物產氫反 應槽，有76％與 Clostridium 之親緣相近之菌群；而以麥粕為基質的生物產氫反
應槽，只有 0.7％與 Clostridium 之親緣相近，顯示生物產氫反應槽的微生物社 會結構會受到進流基質的影響(簡青紅、曾怡禎，2003)。
二、營養源(Nutrients)
營養源是可供細胞利用進而合成細胞物質之化學元素，為了使厭氧產能反 應能夠持續進行，除了提供基質之外，還必須要有足夠的營養源。對微生物而 言，營養物質的主要功能有三個：(一)供予碳及氮來源來合成細胞物質和代謝 產物；(二)產生生物合成和再生過程中所需的各種能量；(三)調節細胞之新陳代 謝(林秋裕，1997)。
為保持厭氧消化之進行，對厭氧菌而言，最佳之C：N：P 比值為 700：5：
1(Sahm, 1984)。而一般厭氧反應對 N、P 的需求較高，其中氮主要是被用來合 成蛋白質、酵素，磷則主要是用於合成儲存能量的化合物，如ATP 等，所以細 菌生長所需的N/P 比為 5-7。厭氧消化反應除了一般大量的營養源如氮、磷之基 本需求外，由於厭氧菌大多無法合成一些必需維生素或胺基酸，因此必需提供 特定的胺基酸與營養源供細胞生長及代謝用。
根據Hans, Jan and Gerhard(1992)有關 Clostridium 菌屬培養的研究中，發現 Clostridium 菌屬的培養，除了酸鹼度緩衝劑與基質外，還需加入鎂、鈣、鈷、
鉬等微量元素。相關研究指出有13 種營養源會影響產氫效率，最適合產氫之營 養物質及濃度如表2-6，其產氫效率可從 190 ml-H2/g sucrose consumed 提升至 253 ml-H2/g sucroseconsumed，效率提升 34％(賴奇厚，2001)。
表2-6 適合產氫之營養物質及濃度(賴奇厚等，2001) saturation constant)變大而最大比生長率變小(Lawrence & McCarty, 1969)。而以 溫度與有機物負荷、產氣量的關係圖(圖 2-7)可發現在厭氧產氫系統中，中溫消 化反應範圍，最佳的消化溫度為30-35℃間(Henze & Harremöes, 1983)；高溫消 化反應範圍內，以50-55℃之間的效果最好；而在 40-45℃之間，甲烷菌生長速 率會大幅減退，主要的原因是在此溫度範圍內，甲烷形成菌之衰退速率(decay
rate)相當快，導致生長速率降低。所以在一般之生活污水處理廠在操作污泥厭 氧消化時，若採用25-40℃之中溫條件，則最佳操作條件為 35℃(Koster, 1988)。
Clostridium 為內生孢子菌種，因此較其他菌種可適應較大的溫度範圍，而 25-45℃為 Clostridium 較佳生長環境，但對產氫速率而言，則以 37-40℃為最佳 產氫溫度。Kumar & Das(1999)指出以 Enterbacter cloacae IIT-BT 08 純種菌株、
蔗糖為基質，進行批次式實驗，發現在 36℃時產氫效果最好(2.25 mole H2
/mole-glucose)。而在 45℃為此菌種產氫的上限溫度，高於此溫度則不產氫。
圖2-7 中溫消化與高溫消化之關係圖(趙金寶等，1989)
厭氧菌對溫度的變化非常的敏感，導致反應速率隨著溫度的增加而增加，最 高可達60℃左右(洪仁陽譯，1988)；而厭氧消化反應的溫度變動須在1.5-2.0℃間，
若發生5℃以上的急遽變化時，雖然對醱酵反應較無影響，但會造成甲烷化反應 的突然終止，造成揮發酸之累積，導致系統失敗的情形發生(趙洪賓等，1989)。
四、pH值
微生物的反應都有其最佳生長的pH值範圍，大多介於中性pH 6.5-7.5之間，
pH值太高或者太低往往會影響細胞內酵素的活性，阻礙了微生物的生長。在厭氧 系統中，甲烷菌生長的最佳的pH值在6.6到7.6之間，因此，當pH值控制在7.0時，
厭氧消化中甲烷產氣量可得到最佳之效果。
另外，產酸菌的最佳生長pH值則介於5.0到6.0之間(Zehnder, Ingvorsen &
Marti, 1981；Lin & Tseng, 1983)，且不可低於4.0，否則會影響產酸反應的進行 (Speece & McGarty, 1964)；相關研究指出當pH值降至6.2以下，會抑制甲烷菌反應 的進行(McGarty, 1964；陳國誠，1991)。所以為了獲得最大量的氫氣產量，需抑 制甲烷化反應的進行，pH值範圍應低於pH 6.2，高於pH 4.0。
大部分之甲烷生成菌在pH值6.7-7.4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(謝哲松，2000)。若pH值降至6.2時，則會對甲烷菌產生急 劇毒性(鄭幸雄等，2001)。但嗜酸菌此時仍繼續分解有機物產生揮發酸，而導致 生物反應槽之pH值降低，若揮發酸持續累積，導致pH值繼續下降，而當pH值降 至4.5左右時，揮發酸亦會對嗜酸菌抑制，導致整個系統破壞而甲烷之生成停止。
在厭氧消化系統初期，pH值會有下降現象，一般認為pH值降至6.0以下時，
會使過量酸產生及累積，造成反應槽酸敗現象而抑制甲烷菌的反應，而產酸菌卻 能持續產生有機酸及氫氣等中間產物。
文獻中指出，pH值的控制對於氫氣生成有決定性的影響，適於氫氣生成的pH 值範圍極廣，界於pH 4.0至pH 9.0之間。Yokoi et al.(1995)研究中指出，Clostridium 菌屬最適生長的pH值為6.5-7.0之間；但Clostridium butyrium其生長環境在pH值為 5.0-5.5之間時，也可以獲得不錯的產氫效果(Taguchi et al., 1992)。Eva and Cao(1995)研究發現，在批次實驗中，有機酸的過度累積會抑制氫氣的生成，所以 批次實驗試程最佳pH值為6.0至7.0間(Taguchi et al., 1991；Yokoi et al., 1995)。
五、抑制物質
助於微生物之分解速率；但當到達某一濃度後，會造成生物反應速率的減退，以 至終止。
(一) 氨氮
厭氧生物處理系統中，氨氮主要以 NH4+
與 NH3兩種形態存在，兩者存在 之比例受水中鹽類濃度、pH 值及溫度等因素之影響。在厭氧系統中，高 pH 值時氨氮以NH3形態存在，而低pH 值時則較有利於 NH4+之形成。
高pH 值時，高濃度NH3對微生物有毒性(張鎮南等，2001)；pH 為中性時，
氨的毒性非常低。氨氮為一必須的營養物質，當濃度在 50-200mg/L 時，被認 為可促進微生物的成長。McCarty(1964)研究中指出，總氨氮濃度在 1,500-3,000 mg/L 之間且 pH＞7.4 時，氨就會對系統產生抑制作用，但總氨氮濃度大於 3,000mg/L 時，無論 pH 值之高低，氨對系統皆有毒性。Onodera, Miyahara &
Noike(1997)研究指出，氨濃度愈高時，厭氧產氫菌的產氫能力與基質分解率都 會受到抑制，特別是產氫能力受到抑制的影響最大。
(二) 硫化物
在厭氧處理過程中，原本不具毒性的硫酸鹽與亞硫酸鹽會被還原成具有毒 性的H2S、HS-和S2-，會對厭氧消化系統造成不同程度之影響，其中以H2S的影響 最大；且硫化物之毒性強弱與pH值有關，當pH值介於6.6-8.0 之間時，H2S會轉 變成毒性較小的HS-。但除了pH值會影響硫化物之毒性外，硫化物濃度的高低也 會對其造成影響，當硫化物之濃度達到150-200mg/L時，即會對甲烷菌造成毒性。
硫化物為厭氧消化抑制劑中最強之一，因為硫酸鹽還原菌能有效地與甲烷 菌競爭可茲利用的醋酸與H2。在H2的吸收系統中，甲烷菌無法於低H2分壓下作 用，進而不能繼續生長。但硫酸還原菌卻可以在這種低H2的分壓下生長，而有 效地阻止了需H2參與的甲烷生成作用。依生長動力學研究顯示，硫酸鹽還原菌 之親和力(Ks＝9.5 mg/L)強於甲烷生成菌(Ks＝32.8 mg/L)，這顯示：在低醋酸根
濃度時，硫酸鹽還原菌有較高之競爭力(Shonheit et al., 1982)。
4H2＋SO42-→H2S＋2H2O＋2OH- (2-7) CH3COO-＋SO42-→2HCO3-＋HS- (2-8)
(三) 輕金屬離子與重金屬離子
厭氧微生物於生長過程中必須利用微量之輕金屬離子，適當濃度可刺激其生 長，但濃度過高時則會對其產生抑制作用，對系統產生危害(鄭幸雄等，2000)。
各種輕離子濃度對微生物厭氧消化之影響，如表2-7：
表2-7 各種輕離子濃度對厭氧消化之影響(鄭幸雄等，2000) 輕離子 刺激濃度
(mg/L)
輕微抑制濃度 (mg/L)
嚴重抑制濃度 (mg/L)
鈣 100-200 2,500-4,500 8,000 鈉 100-200 3,500-5,500 8,000
鎂 75-150 1,000-1,500 3,000
鉀 200-400 2,500-4,500 12,000
污泥中所含之重金屬(如銅、鉛、鎘、鎳、鋅、鉻)會抑制厭氧消化作用(Lin, 1992)。各重金屬對生活污泥進行厭氧消化之抑制能力依序為：Ni＞Cu＞Cd＞
Cr＞Pb。各重金屬之毒性隨金屬與污泥之親和力增加而降低，鉛與污泥之親和 力較高所以毒性較低(Mueller & Steiner, 1992)。污泥中所含之硫化氫會與金屬形 成不可溶之沈澱物，故可降低金屬之毒性。
第六節 厭氧產能反應動力學模式原理
有機物之厭氧分解反應機制圖(圖 2-8)(Benefield & Randall, 1986)中基質的 轉換途徑，可用連續培養理論與相關處理程序的反應動力學加以說明，但在微 生物交互反應機制與影響程序生存力及基質利用率的環境因素等部份，其表達 方式將會變得更複雜。一般數學模式所使用之工具包括：動力學方程式、速率 常數、質量平衡與數學係數來描述一個操作程序(McGarty & Mosey, 1991)，而 這些操作程序模式通常是以「生長限制」與基質、營養元素或微生物生長環境 條件的影響效果，來描述基本反應處理效率、微生物生長及操作條件(如水力停 留時間、pH 值等)的狀況，以獲得高可信度的操作模式。
圖2-8 有機物之厭氧分解反應機制圖(Benefield & Randall, 1986) 大分子有機物
可溶性有機物
揮發酸 二氧化碳 氫氣 其他物質 微生物細胞
揮發酸 二氧化碳 氫氣 其他物質 微生物細胞