第四章 結果與討論
第五節 生物污泥濃度及菌相
一、 生物污泥濃度
（一）以合成廢水為基質在醱酵產氫與甲烷化反應槽之 MLSS 比較
表4-22為活性碳棉CSTR及活性碳粒流體化床反應槽於各種進流有機負荷 下，醱酵產氫及甲烷化各試程反應槽進出流水MLSS濃度，其中同樣操作在有 機負荷為60 g-COD/L．day下，有固定化裝置之醱酵產氫活性碳棉CSTR 反應 槽的生物污泥濃度(4406 mg/L) 高於活性碳粒流體化床反應槽(2664 mg/L)，更 優於傳統無固定化裝置之CSTR 反應槽(2152 mg/L)，顯示生物固定化裝置可 有效滯留污泥，且有固定化裝置之活性碳棉CSTR反應槽及活性碳粒流體化床 反應槽的生物污泥濃度隨著有機負荷的增加而增加，在醱酵產氫反應中生物污 泥濃度最高分別為4462及2758 mg/L，最低分別為4390及2618mg/L；在甲烷化 反應中生物污泥濃度最高分別為4092及3318 mg/L，最低分別為2574及
1918mg/L。活性碳粒流體化床反應槽MLSS濃度皆低於活性碳棉CSTR，這是 因為活性碳顆粒懸浮於反應槽時易相互磨擦，附著於擔體上之生物污泥容易因 此脫落，使污泥容易被沖刷出槽外，而活性碳棉CSTR反應槽則無此問題，導 致活性碳粒流體化床反應槽MLSS濃度較活性碳棉CSTR反應槽少。
表 4-22 不同有機負荷下，兩種型式反應槽在醱酵產氫及甲烷化反應中 MLSS 變
MLSS 濃度（mg/L） 4425 2758 4092 3318
有機負荷
MLSS 濃度（mg/L） 4412 2705 3724 3079
有機負荷 g/L．day
（HRT）
（hrs） 60（4） 15（16）
MLSS 濃度（mg/L） 4406 2664 3312 2746
有機負荷 g/L．day
（HRT）
（hrs） 40（6） 7.5（32）
MLSS 濃度（mg/L） 4390 2618 2574 1918
※有機負荷；
床反應槽MLSS濃度最高為21.3g/L（有機負荷3.33 g/L．day），最低為15.6g/L
（有機負荷0.83g/L．day）。本研究所設計之活性碳棉CSTR反應槽在固定化 的效果上，優於活性碳粒流體化床反應槽，但兩種型式反應槽MLSS濃度皆 高於傳統無固定化裝置之CSTR反應槽，顯示固定化裝置對提升反應槽中污 泥濃度具有實質上的幫助。
表 4-23 不同有機負荷下，二相式反應槽中 MLSS 濃度變化情形
試程 前段醱酵產氫活性碳棉
CSTR
後段甲烷化活性碳粒流 體化床反應槽
有機負荷（g/L．day） 10 0.83
反應槽 MLSS 濃度（g/L） 40.6 15.6
有機負荷（g/L．day） 15 1.66
反應槽 MLSS 濃度（g/L） 43.8 18.6
有機負荷（g/L．day） 20 3.33
反應槽 MLSS 濃度（g/L） 47.2 21.3
註：本試程以黎明污水廠 WAS 為進流基質，COD 濃度為 10100mg/L
二、菌相觀察
本試驗以位相差顯微鏡、螢光顯微鏡及電子顯微鏡等三種顯微鏡對前段反 應槽與後段反應槽中之生物污泥進行觀察，並以螢光發光顏色、菌種形狀與大 小等判斷菌種的差異，以探討在不同有機負荷下，菌相的變化情形。以下分別 位相差、螢光及電子掃描式等三種顯微鏡觀察之結果加以說明。本試驗所使用 之相位差及螢光顯微鏡之接物鏡倍率為 40 倍，相機鏡頭放大倍率為 5 倍，沖 洗成 3×5 吋之相片，其實際放大倍率為 400 倍。
(一) 位相差、螢光顯微鏡觀察結果
根據 Edwards ＆ McBride(1975)之研究中發現，甲烷菌體會發出自發性 螢光，在螢光顯微鏡下以紫外光的照射下可發出淡藍色的螢光，可用來判斷 甲烷菌是否存在。而根據文獻(Balch,Fox,Magrum,Woese ＆ Wofle,1979)，通 常甲烷菌細胞內含有輔酵素 M 及 F420，F420為甲烷生成菌的電子攜帶者，在 氧化狀態下，以波長 420nm 紫外光照射時，會發出淡藍色螢光。本研究亦發 現在相同狀況下觀察產氫菌群及醱酵產氫菌也會發出淡橘色的螢光，這也可 以作為產氫效果好壞判斷的依據。本研究觀察兩種型式反應槽於不同有機負 荷下，藉由了解生物膜污泥發螢光之情形，以判斷產氫菌群、甲烷菌生長之 優劣。當淡橘色螢光多，表示產氫菌群生長多，代表反應槽醱酵產氫效果良 好。當發藍色光多表示甲烷菌生長多，代表反應槽為甲烷化反應；此外並利 用掃描式電子顯微鏡，觀察各反應槽菌種形狀與大小等判斷菌相差異，以探 討各種操作條件對菌相的影響。
（1） 以合成廢水為基質時兩種反應槽之菌相
圖 4-37 至圖 4-44 為醱酵產氫活性碳棉 CSTR 及活性碳粒流體化床反 應槽有機負荷 120 及 40 g/L．d 所觀察到的微生菌相。由位相差顯微鏡觀 察可以發現，反應槽中菌相大部份是以圓頭的短桿菌存在，兼有少部分 的球菌。由螢光顯微鏡照片可看出醱酵產氫活性碳棉完全混合式反應槽
及流體化床反應槽，隨著反應槽有機負荷的增加，發淡橘色螢光的 Clostridium 菌群佔全部菌群面積的比例由 70％增加至 80％，所佔比例逐 漸增高。菌相中沒有發現發淡藍螢光的甲烷菌存在。
圖 4-37 醱酵產氫活性碳棉 CSTR 反應槽在高有機負荷 120g/L．d（進流 COD 濃 度 10000mg/L、HRT=2hrs、放大倍率 400 倍）時之位相差顯微鏡菌相觀 察圖
圖 4-38 醱酵產氫活性碳棉 CSTR 反應槽在高有機負荷 120g/L．d（進流 COD 濃 度 10000mg/L、HRT=2hrs、放大倍率 400 倍）時之螢光顯微鏡菌相觀察 圖
圖 4-39 醱酵產氫活性碳棉 CSTR 反應槽在低有機負荷 40g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=6hrs、放大倍率 400 倍）時之位相差顯微鏡菌相觀察 圖
圖 4-40 醱酵產氫活性碳棉 CSTR 反應槽在低有機負荷 40g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=6hrs、放大倍率 400 倍）時之螢光顯微鏡菌相觀察圖
圖 4-41 產氫活性碳粒流體化床反應槽在高有機負荷 120g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=2hrs、放大倍率 400 倍）時之位相差顯微鏡菌相觀察 圖
圖 4-42 產氫活性碳粒流體化床反應槽在高有機負荷 120g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=2hrs、放大倍率 400 倍）時之螢光顯微鏡菌相觀察圖
圖 4-43 產氫活性碳粒流體化床反應槽在低有機負荷 40g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=6hrs、放大倍率 400 倍）時之位相差顯微鏡菌相觀察 圖
圖 4-44 產氫活性碳粒流體化床反應槽在低有機負荷 40g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=6hrs、放大倍率 400 倍）時之螢光顯微鏡菌相觀察圖
（2）以人工合成廢水為基質時，兩種型式反應槽之菌相
圖 4-45 至圖 4-52 為甲烷化活性碳棉 CSTR 及甲烷化活性碳粒流體化 床反應槽有機負荷 17 及 7.5 g/L．d 所觀察到的微生菌相。由位相差顯微 鏡觀察可知，甲烷化活性碳棉 CSTR 及甲烷化活性碳粒流體化床反應槽 中菌相大部分是以長桿菌存在，兼有少部分的球菌及絲狀菌。由螢光顯 微鏡觀察，甲烷化活性碳棉 CSTR 反應槽及流體化床反應槽之菌相，甲 烷菌菌群佔全部菌群面積的比例隨著反應槽有機負荷的增加由 80％增加 至 90％，所佔比例逐漸增高。在低有機負荷時，甲烷化活性碳棉 CSTR 螢光顯微鏡照片兼有發紅色、綠色螢光之雜菌，而在高有機負荷時，則 較無其他雜菌存在，代表較高的有機負荷能夠抑制其他非目標微生物的 產生；而流體化床並無此現象發生，這代表在低有機負荷時活性碳棉完 全混合式反應槽容易滯留這些雜菌。
圖 4-45 甲烷化活性碳棉 CSTR 在高有機負荷 17g/L．d（進流 COD 濃度
10000mg/L、HRT=14hrs、放大倍率 400 倍）時之位相差顯微鏡菌相觀察 圖
圖 4-46 甲烷化活性碳棉 CSTR 在高有機負荷 17g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=14hrs、放大倍率 400 倍）時之螢光顯微鏡菌相 觀察圖
圖 4-47 甲烷化活性碳棉 CSTR 在低有機負荷 7.5g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=32hrs、放大倍率 400 倍）時之位相差顯微鏡菌相 觀察圖
圖 4-48 甲烷化活性碳棉 CSTR 在低有機負荷 7.5g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=32hrs、放大倍率 400 倍）時之螢光顯微鏡菌相 觀察圖
圖 4-49 甲烷化活性碳粒流體化床反應槽在高有機負荷 17g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=14hrs、放大倍率 400 倍）時之位相差顯微鏡菌相觀察 圖
圖 4-50 甲烷化活性碳粒流體化床反應槽在高有機負荷 17g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=14hrs、放大倍率 400 倍）時之螢光顯微鏡菌相觀察圖
圖 4-51 甲烷化活性碳粒流體化床反應槽在低有機負荷 7.5g/L．d（進流 COD 濃 度 10000mg/L、HRT=32hrs、放大倍率 400 倍）時之位相差顯微鏡菌相觀 察圖
圖 4-52 甲烷化活性碳粒流體化床反應槽在低有機負荷 7.5g/L．d（進流 COD 濃 度 10000mg/L、HRT=32hrs、放大倍率 400 倍）時之螢光顯微鏡菌相觀察 圖
（二）以人工合成廢水為基質之掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察結果
本研究針對活性碳棉 CSTR 及活性碳粒流體化床反應槽，在醱酵產氫及
甲烷化反應下，處理不同有機負荷之有機廢水，以掃描式電子顯微鏡觀察污 泥之菌相。由圖中可看出各反應槽菌種形狀與大小等判斷菌相差異，以探討 各種操作條件對菌相的影響。
圖 4-53 至圖 4-56 分別為醱酵產氫活性碳棉 CSTR 及活性碳粒流體化床 反應槽在有機負荷 120 及 40 kg-COD /m3．d 時的掃描式電子顯微鏡下之菌 相。整體而言，兩種醱酵產氫反應槽均以圓頭長桿菌為主，其次為短桿菌，
兼有球菌存在。隨著反應槽有機負荷的增加，較短、胖的桿菌數量（新生的 產氫菌群）有逐漸增加的趨勢。在相同有機負荷操作下，比較活性碳棉 CSTR 及活性碳粒流體化床 SEM 照片亦可發現，活性碳粒流體化床的菌相較為胖、
短，而活性碳棉 CSTR 的菌相較為瘦、長，這代表因活性碳粒流體化床的質 傳效果優於活性碳棉 CSTR。
圖 4-57 至圖 4-60 分別為甲烷化活性碳棉 CSTR 及活性碳粒流體化床反 應槽在有機負荷 17 及 7.5 kg-COD/m3．d 的掃描式電子顯微鏡下之菌相。比 較活性碳棉 CSTR 及活性碳粒流體化床反應槽在甲烷化反應下中菌相的變化 情形。可以發現反應槽中揭示以平頭長桿菌為主要菌種（此已確定為
Methanothrix 之甲烷菌），兼有球菌及絲狀菌存在；在低有機負荷時，平頭
長桿菌菌群的密度高於高有機負荷，且球菌及絲狀菌的菌群數量較少，顯示 高有機負荷時，水力停留時間較短，未在固定化系統上的雜菌不易生長，而 固定化在擔體上的甲烷菌可被保留下來。
圖 4-53 醱酵產氫活性碳棉 CSTR 在高有機負荷 120g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=2hrs、放大倍率 10000 倍）時之 SEM 菌相觀察圖
圖 4-54 醱酵產氫活性碳棉 CSTR 在低有機負荷 40g/L．d（進流 COD 濃度 10000mg/L、HRT=6hrs、放大倍率 10000 倍）時之 SEM 菌相觀察圖
圖 4-55 醱酵產氫活性碳粒流體化床反應槽在高有機負荷 120g/L．d（進流 COD
圖 4-55 醱酵產氫活性碳粒流體化床反應槽在高有機負荷 120g/L．d（進流 COD