未脫脂米糠與脫脂米糠對批次產能試驗之影響

許多國內外研究指出，米糠中油脂含量高達10-18％(張繁雄，1992)，甚至 是20％(Carrol, 1990; Juliano, 1994)，且大多屬於不飽和脂肪酸，於碾米程序後 發生水解之情形更易使米糠氧化酸敗；而米糠在脫去油脂後，脂肪含量只剩下 0.5-1.5％(Pan et al., 2005)，此脫脂的過程中可將造成脂肪酸敗的脂肪酶完全破 壞，引起生長抑制的胰蛋白酶抑制因子亦減少很多，使米糠更易於保存。因此，

本研究於［試驗二］中將探討米糠的脫脂與否，對整體二相式反應產能效率之 影響。並以試驗一之結果為基礎，於後續二相式反應試程中以早調的方式(試驗 之第 8 天調整 pH 至中性)進行產能試驗。其操作條件如下：將基質總 COD 濃 度控制在10,000 mg/L，進行不同污泥/未脫脂米糠配比及不同污泥/脫脂米糠配 比(5/0、4/1、3/2、2/3、1/4、0/5)之產能試驗比較。

而本試驗中之所使用之脫脂米糠係指將原始米糠以高溫高壓濕熱法進行脫 脂而來，其方法為將第一道碾米程序後之未脫脂米糠置入高壓滅菌釜(autoclave) 中，並控制壓力1.5 kg/cm²、溫度121℃之環境下，進行 15 分鐘之脫脂程序。

而由本試驗的最終結果得知，不同污泥/未脫脂米糠配比及不同污泥/脫脂米 糠配比之試驗，各試驗在最佳產能狀況下，其污泥/未脫脂米糠（脫脂米糠）之 配比均為1/4，不同污泥/未脫脂米糠配比試驗其產氫量及產甲烷量分別為 0.394 及4.37 mmole；而不同污泥/脫脂米糠配比試驗分別為 0.247 及 4.68 mmole。由 數據比較得知，脫脂米糠除產氫能源稍差於未脫脂米糠外，其總產能及甲烷產 能均比未脫脂米糠佳，除此之外，若以每克COD 基質產能效率來比較的話，脫 脂米糠產能效率略高於未脫脂米糠，其產能比較情形如下圖，而各組產氫、產 甲烷及總產能情形如下所述。

圖4-3 試驗二＃5 污泥/未脫脂米糠(脫脂米糠)=1/4 之產能比較圖

一、產氫反應

依圖4-4(a)及圖 4-4(c)未脫脂與脫脂米糠組之每日累積產氫圖中可知，除了

＃1 全污泥(污泥/米糠=5/0)不產 H2外，未脫脂米糠組與脫脂米糠組在實驗初期 之產氣均是以H2為主，未脫脂組之產氫量約為0.045-0.685 mmole，平均約佔總 氣體量之8.78％，而脫脂組之產氫量約為 0.053-0.247 mmole，其平均約佔總氣 體量之 1.74％，大約持續 4-5 天則停止產氣，實驗後期產氣則是以 CH4為主，

未脫脂組之產甲烷量約為1.46-4.37 mmole，平均佔總氣體量之 42.5％，而脫脂 組之產甲烷量約為1.48-4.68 mmole，平均約佔總氣體量之 41.9％；整個二相式 產能試驗於第51 天反應結束。

在初期產氫部分，未脫脂組以＃6 全米糠(污泥/米糠=0/5) 0.685 mmole 之產 量最多，其次是＃5(污泥/米糠=1/4) 0.394 mmole，再其次為＃4(污泥/米糠=2/3) 0.229 mmole，有隨著米糠配比增加而產氫量增加的趨勢。而脫脂組則因高溫高 壓濕熱脫脂過程殺死大部分原存在米糠中的醱酵產氫菌，使得氫氣產量不再是 以＃6 全米糠(污泥/米糠=0/5) 0.200 mmole 為最多，而是以＃5(污泥/米糠=1/4) 之氫氣產量為最多，有 0.247 mmole，其次是＃6 全米糠(污泥/米糠=0/5) 0.200 mmole，再其次為＃4(污泥/米糠=2/3) 0.127 mmole，＃1~＃6 之氫氣產量變化無 一定規則可循；但脫脂組中各不同配比之複合基質(＃2~＃5)，仍有隨米糠配比 增加而產氫量有明顯增加的趨勢。

又因脫脂米糠經過高溫高壓濕熱之脫脂程序後，殺死部分原存在米糠中的 醱酵產氫菌，因此可推測在未脫脂米糠中產氫菌之數量應高於脫脂米糠，所以 各配比＃1~＃6 中之氫氣產量也以未脫脂米糠組高於脫脂米糠組，約為脫脂米 糠組之1.5-3.3 倍。

二、甲烷反應

在後段甲烷反應部分，除了＃6 全米糠(污泥/米糠=0/5)不產 CH4 外，在實 驗初期(0-7 天)，CH4累積產量均是以脫脂米糠組高於未脫脂米糠組，且各配比 間並無一定的變化趨勢。又探討實驗前段(0-12 天)的部分，發現未脫脂組甲烷 化速率(0.58 ml/day)較脫脂組甲烷化速率(0.68 ml/day)為慢。

由圖4-4(b)及圖 4-4(d)可看出，於第 8 天調整 pH 至中性後，未脫脂組與脫 脂組均約於第9-10 天開始有明顯甲烷化的趨勢；而最終累積產甲烷量，在未脫 脂組與脫脂組中均也是以＃5(污泥/米糠=1/4)為最多，分別為 4.37 及 4.68 mmole，其次是＃4(污泥/米糠=2/3)，分別為 3.62 及 3.86 mmole，再其次為＃3(污 泥/米糠=3/2)，產甲烷量分別為 3.29 及 2.67 mmole；有隨著米糠配比增多，產 甲烷量逐漸增多的趨勢。又除了＃1 全污泥及＃6 全米糠組外，米糠含量較多

者，脫脂米糠組之甲烷產量也較高，而污泥含量較高者，未脫脂米糠組之甲烷 產量也增加。其原因有二，一者為因未脫脂米糠組中有一部份的有機物用於產 氫，使甲烷化過程中可利用的基質則相對減少；一者則因產氫過程中會產生揮 發酸，進而抑制甲烷化的進行，使得甲烷產量降低。

而＃1(全污泥)因不含有米糠或脫脂米糠成分，pH 值始終維持在 6.33-6.37 左右，有持續甲烷化的現象；＃6(全米糠)則不論米糠脫脂與否，自實驗初期至 結束均無甲烷化現象發生。

由試驗中可知，以二相式進行厭氧產能的批次試驗，主要能量計算以氫氣 及甲烷為主，又以甲烷氣體所產生的能量為總能量的主要來源，在未脫脂組約 佔總產能的97.2-99.4％、而脫脂組約佔總產能的 98.3-99.4％；氫氣產生的能量 不論在未脫脂組或脫脂組，均只佔總產能的0.59-2.81％。

由此可知，在未脫脂組與脫脂組複合基質＃2~＃5 的部分可發現，當污泥 配比量高於米糠配比量［＃2(污泥/米糠=4/1)、＃3(污泥/米糠=3/2)］時，最終甲 烷產量以未脫脂組高於脫脂組；但又當米糠配比量高於污泥配比量［＃4(污泥/

米糠=2/3)、＃5(污泥/米糠=1/4)］時，最終甲烷產量則有相反的結果，以脫脂組 高於未脫脂組。

三、總產能部分

未脫脂米糠組與脫脂米糠組均以＃5(污泥/米糠=1/4)每克 COD 基質產能為最 多，分別為912 及 951 cal/g-COD，二者相差不大；以＃4(污泥/米糠=2/3)次之，

產能分別為 755 及 786 cal/g-COD，再其次為＃3(污泥/米糠=3/2) 686 及 528 cal/g-COD；最差的則是＃6(全米糠) 47.8 及 13.4 cal/g-COD；又除了＃1 全污泥 及＃6 全米糠組外，米糠含量較多者，脫脂米糠組之總產量也較高，而污泥含 量較高者，未脫脂米糠組之總產量也增加。其原因有二，一者為因未脫脂米糠

一者則因產氫過程中會產生揮發酸，進而抑制甲烷化的進行，使得甲烷產量降 低；又總產能的來源主要為產甲烷，產氫只是佔小部分，因此，總產能的趨勢 也會因此而降低。

而因進行脫脂程序後使得脫脂米糠之產氫效能大幅減低，但總產能部分主 要取決於甲烷之產能，因此，無論是未脫脂米糠組或脫脂米糠組，除了＃1 全 污泥及＃6 全米糠外，其餘各配比(＃2~＃5)複合基質每克 COD 基質產能能高低 之差異約為1.04-1.30 倍；而總產能有隨著米糠配比增加也逐漸增加的趨勢，這 顯示無論米糠脫脂與否，皆為有利於產能利用的基質之一。

又由複合基質(＃2~＃5)的部分來看，在總 COD 濃度控制在 10,000 mg/L 的情況 下，當污泥濃度大於米糠濃度［＃2(污泥濃度/米糠濃度=8,000 mg/L/2,000 mg/L)、＃3(污泥/米糠=6,000 mg/L/4,000 mg/L)］時，未脫脂米糠組之複合基質 總產能效率比脫脂米糠組之複合基質佳，未脫脂組約為脫脂組之1.12-1.23 倍；

但當米糠濃度大於污泥濃度［＃4(污泥/米糠=4,000 mg/L/6,000 mg/L)、＃5(污泥 /米糠=2,000 mg/L/8,000 mg/L)］時，脫脂米糠組之複合基質總產能效率則比未 脫脂米糠組之複合基質佳，脫脂組約為未脫脂組之1.06 倍。

四、水質分析部分

未脫脂米糠中存在大量醱酵產氫菌，所以在反應前期會產生大量的揮發 酸，導致 pH 值下降至 4.64；而脫脂米糠因為經高溫高壓濕熱脫脂過程(操作條 件為：壓力為1.5 kg/cm²、溫度為121℃下，進行 15 分鐘之脫脂作業)，殺死大 部分原本存在於米糠中的醱酵產氫菌，使得前期數天的醱酵產氫反應降低，造 成前期所產生的揮發酸量相對較低、pH 值反而相對較高，此時 pH 值為 5.31，

較未脫脂米糠組之pH 值 4.64 高。

0

1(5:0) 2(4:1) 3(3:2) 4(2:3) 5(1:4) 6(0:5)

(污泥：米糠)

表4-3 基質 COD 濃度為 10,000mg/L 時未脫脂米糠組與脫脂米糠組之不同配比試驗累積氣體組成及產能表

組別 總產氣量 氣體含率(%) 產氣量(mmole) 能量(cal) 總能量 每克COD 產能

(污泥/米糠) (ml) H2 CH4 CO2 H2 CH4 CO2 H2 CH4 (cal) COD(g)

(cal/g-COD) A 84.1 0.00 43.8 56.2 0.00 1.46 1.87 0.00 310 310 1.050 295

＃1 (5/0)

C 85.3 0.00 43.9 56.1 0.00 1.48 1.89 0.00 315 315 1.060 297

A 151 0.76 40.8 58.4 0.045 2.43 3.48 3.08 518 521 1.045 498

＃2 (4/1)

C 134 1.01 41.0 58.0 0.053 2.18 3.08 3.65 463 466 1.085 430

A 187 1.23 44.5 54.3 0.091 3.29 4.01 6.22 700 706 1.030 686

＃3 (3/2)

C 176 1.01 38.3 60.7 0.070 2.67 4.23 4.80 568 573 1.085 528

A 217 2.67 42.2 55.1 0.229 3.62 4.73 15.6 770 785 1.040 755

＃4 (2/3)

C 223 1.43 43.6 55.0 0.127 3.86 4.86 8.66 820 829 1.055 786

A 268 3.72 41.2 55.0 0.394 4.37 5.84 26.9 931 958 1.050 912

＃5 (1/4)

C 278 2.25 42.6 55.1 0.247 4.68 6.06 16.8 996 1013 1.065 951

A 48.8 35.5 0.00 64.5 0.685 0.00 1.25 46.8 0.00 46.8 0.980 47.8

＃6 (0/5)

C 15.3 33.0 0.00 67.0 0.200 0.00 0.41 13.6 0.00 13.6 1.015 13.4 註：A 為未脫脂米糠組；C 為脫脂米糠組

又依COD 去除率來看，去除率愈高代表複合基質中污泥充分利用米糠而轉 換為甲烷之情形愈佳，在產氣量及產能量方面也較佳。而未脫脂組與脫脂組中 各配比間之COD 去除率約介於 12.2-46.0％之間，以＃6 全米糠之 COD 去除率 為最差，其 COD 去除率分別為 12.2 及 13.8％，這顯示：因全米糠中不含有甲 烷菌，且無污泥提供植菌，因此無論是未脫脂或脫脂米糠組中均無法產生甲烷 氣體；但在其餘各不同配比組之COD 去除率，均有隨著米糠配比增加而增加的 趨勢，與產能趨勢相同，也再次顯示出污泥提供之甲烷菌能有效的利用米糠基 質，而達到較佳的產能效率，並以＃5(污泥/米糠=1/4)之產能最好。

又當污泥配比量高於米糠配比量［＃2(污泥/米糠=4/1)、＃3(污泥/米糠=3/2)］

時，未脫脂組之COD 去除率比脫脂組之 COD 去除率佳；但當米糠配比量高於 污泥配比量［＃4(污泥/米糠=2/3)、＃5(污泥/米糠=1/4)］時，脫脂組之 COD 去 除率比未脫脂組之COD 去除率佳；其原因如下：因複合基質中米糠含量增加，

在進行脫脂後，前期產氫較少、pH 值下降不多，所以後期的甲烷化反應則較容 易進行，因此也有較佳的甲烷產能及COD 去除率。

而揮發酸濃度部分之情形也與COD 去除率部分有相同的結果，在前期未調 整 pH 至中性時，因未脫脂組所產生之揮發酸量遠高於脫脂組，所以非游離性 揮發酸對甲烷菌(反應)的影響以未脫脂米糠組高於脫脂米糠組，且以高米糠配 比組(＃4 及＃5)高於低米糠配比組(＃2 及＃3)；又＃6 全米糠部分，因未脫脂米 糠或脫脂米糠均不含有甲烷菌的存在，所以從一開始水解及酸化的過程後(即產 氫結束)，並沒有因為調整 pH 值至中性使得二相式反應進入甲烷化階段，而是 一直停留於酸化的階段，導致揮發酸量大量提升，使反應無法進行。然而除了

＃6 全米糠自實驗中期至實驗結束時之揮發酸濃度為增加外，其餘在未脫脂組 與脫脂組中各配比之揮發酸量均是減少的情形，原因是因為反應後期甲烷菌作 用所造成的結果，且各配比(＃2~＃5)甲烷化現象愈明顯，揮發酸之減少量也愈

綜合上述試驗二之結果得知，污泥/未脫脂米糠複合基質與污泥/脫脂米糠複 合基質之每克COD 基質產能效率僅相差 5.57％，且因純米糠脫脂後，其產氫效

綜合上述試驗二之結果得知，污泥/未脫脂米糠複合基質與污泥/脫脂米糠複 合基質之每克COD 基質產能效率僅相差 5.57％，且因純米糠脫脂後，其產氫效