活性碳棉 CSTR 與活性碳粒流體化床反應槽 之產能效率比較

一、活性碳棉 CSTR 與活性碳粒流體化床反應槽之厭氧醱酵產氫效率比較 根據試驗結果及文獻探討發現，以活性碳棉配合完全混合式反應槽，及 以活性碳粒配合流體化床反應槽，此兩種反應槽形式可以得到較佳之氫氣產 率。因此本研究將比較此兩種反應槽何者較適合於醱酵產氫反應，試驗條件為 人工合成廢水之進流 COD 濃度約 10,100 mg/L、HRT＝4 hrs、溫度＝35 ℃、

反應槽體積＝3 L、pH＝5.25、活性碳棉固定化 CSTR 之攪拌架轉速=40rpm、

流體化床反應槽反應槽體積＝3 L、回流速度 4,943ml/min。由表 4-2 試驗結果 發現，活性碳棉 CSTR 反應槽較活性碳粒流體化床反應槽有稍佳之產氣量，

分別為 8,533 及 8,487 ml/L．day。但由於前者的氫氣含率相對較低，使得活性 碳粒流體化床反應槽較活性碳棉 CSTR 反應槽稍佳之產氫率，分別為 5,109 及 5,034 ml/L．day。由試驗結果得知，在相同的操作條件下兩種反應槽其氫氣產 量相當，但活性碳棉 CSTR 反應槽的操作穩定度優於活性碳粒流體化床反應 槽。再者，流體化床反應槽可在較低之 MLSS 濃度下（分別為 4.26 及 2.41 g/L）， 得到與活性碳棉 CSTR 反應槽相當之產氫量，推論流體化床反應槽其質量傳 送效率較佳之故。

之後，本研究以廢水廠 WAS 作為進流基質時，發現此兩種型式反應槽皆 不會產生任何氣體（如圖 4-12 所示），檢測做為進流基質之 WAS 後發現，

除 WAS 在裂解過程中，因 WAS 的細胞有一層細胞壁，於裂解過程會發生耗 氫的現象，且因黎明污水處理廠終沉池 WAS 中含有高濃度之 TKN（1,439 mg/L）及 SO₄^-2（252.6 mg/L），易在醱酵產氫反應中發生秏氫現象；且醱酵 產氫反應槽 pH 維持在 5.25，為抑制甲烷菌生長，但反應槽卻沒有任何氫氣或 甲烷的產生。所以本研究未能如預期的於醱酵產酸階段，WAS 就有足夠的能 量產生，因此必須進行至甲烷階段，才能得到足夠能量。如此全程反應順利完

成後，再設法中斷反應進行，如此或許有可能得到氫氣，建議後續研究變動不

二、活性碳棉 CSTR 與活性碳粒流體化床反應槽甲烷產率之比較

本研究將比較此兩種反應槽何者較適合於甲烷化反應，試驗條件進流 COD 濃度 10000 mg/L、溫度 35℃、pH＝7.0、HRT＝8hrs。結果發現，甲烷化 活性碳棉 CSTR 反應槽，產氣量約為 1514.8 ml / L．day，H₂含率約占總氣體

0 10 20 30 40 50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 試驗時間(days)

單位反應槽產氫及產甲烷率 (百分比)

甲烷操 作於 HRT=16 hrs 氫氣操 作於 HRT=8h rs

圖 4-14 活性碳棉 CSTR 反應槽甲烷與氫氣比例變化圖

之後，利用相同操作條件對甲烷化活性碳粒流體化床反應槽進行試驗。比 較圖 4-13 及 4-15 發現，在相同有機負荷 15kg-COD/m³．day 下甲烷化操作中，

活性碳粒流體化床反應槽之甲烷產率較活性碳棉 CSTR 反應槽為佳，甲烷產 生量分別為 1,321ml/L^．day 及 417 ml/L^．day。由表 4-3 可知，每克進流 COD 產甲烷量，活性碳粒流體化床反應槽之效率較活性碳棉 CSTR 反應槽為佳，

分別為 2.39 及 0.45 mmole-CH₄/g- CODin；活性碳粒流體化床反應槽之產能效 率較活性碳棉 CSTR 反應槽為佳，分別為 5.70 及 1.81kcal/L．day。活性碳棉 CSTR 反應槽較活性碳粒流體化床反應槽有稍高之 MLSS 濃度，分別為 2.35 g/L 及 2.32 g/L，但產氣量卻較少，推論為活性碳粒流體化床有較佳的質傳效 率之故。

HRT=8hrs HRT=16hrs

0

三、探討兩種型式反應槽在醱酵產氫及產甲烷之最佳操作條件 次為 HRT＝3hrs 及 HRT＝6hrs；最差為 HRT＝2hrs 的試程。活性碳棉 CSTR 反應槽的氫氣含率約在 35.3~59.0 ％之間；活性碳粒流體化床反應槽氫氣含率 約在 50.8~55.4 ％之間。在較低的有機負荷 40、60 g/L‧day，HRT 為 4、6hrs 時，活性碳棉 CSTR 有較佳的產氫效率；在高有機負荷 80、120 g/L^‧day，

HRT 為 2、3hrs 時，活性碳粒流體化床反應槽有較佳的產氫效率，代表活性 kcal/L．day 之能量；其次為 HRT＝16hrs 的試程；最差為 HRT＝32hrs 的 試程。活性碳棉 CSTR 反應槽甲烷含率約在 60.6~78.2％之間；活性碳粒流

以人工合成廢水為進流基質，以本研究發展出來的醱酵產氫活性碳棉 CSTR 4631 ml/L．day 之氫氣（能源量 12.9 kcal/L．day）、後段甲烷化活性碳粒流體化 床反應槽（pH=7.0）可產生 1,641 ml/L．day 之甲烷（能源量 14.2 kcal/L．day），

共產生能源量 27.1 kcal/L．day，較單槽式甲烷化活性碳粒流體化床反應槽產生

0

表 4-7 不同反應槽串聯方式操作條件

量分別為 66.2 及 22.5 ml/L‧day； COD 去除率分別為 85.5 及 65.2％；產生能

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

0 5 10 15 20 25

有機負荷(g/L.day) 單位體積反應槽之CODs增加 率(mg/L.day)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

每單位COD之CODs轉換量 (g/g)

圖 4-17 前段 CSTR 產氫之反應槽 CODs 之增加率與每單位 COD 之 CODs 轉換 量的變化曲線

七、後段甲烷化活性碳粒流體化床反應槽的最佳操作條件

本研究將前段 CSTR 產氫反應槽穩定的操作在最佳條件下

（COD=10100mg/L、T=35℃、loading=15 g/L．day），利用前段出流水作為 後段甲烷化活性碳粒流體化床反應槽的進流基質，對後段反應槽變換不同之 HRT 分別為 12、6、3days 觀察其產甲烷率變化情形。試驗結果如表 4-10 所示，

產生能源量，分別為 575、783、947cal/L．day；反應槽中 MLSS 濃度分別為 4.2、4.8、5.1 g/L。後段流體化床反應槽甲烷氣體產量及反應槽中 MLSS 濃度，

有隨著有機負荷之增加而增加之趨勢。由圖 4-18 發現，在 HRT=12、6、3days 時，甲烷產量分別為 66.2、90.1、109 mL/L‧day，甲烷產量有隨著水力停留 時間之縮短而增加之趨勢。

0

爲求出後段流體化床反應槽最佳得操作條件，本研究利用進流每克 COD

1.24~1.32 倍、單位反應槽體積產甲烷率約高 3.98~4.51 倍、單位體積反應槽能