第一節 研究背景與動機
隨著經濟的發展，能源的需求也愈來愈龐大，正逐漸消耗著非再生的化石 能源。根據國際能源機構預測，全世界的能源消耗大約於50 年後將會出現化石 能源供應上的危機(經濟部能源局，2005)；經濟部能源委員會 91 年 5 月「臺灣 能源統計年報(90 年)」資料顯示，在技術與成本的限制下，預估世界石油蘊藏 量只可再開採 40 年，天然氣可開採 62 年，煤炭可開採 227 年。由於化石燃料 的過度開發使其趨於耗竭，對生態環境造成傷害，而燃燒過後產生的物質(如氮 氧化物及硫氧化物等)也造成了空氣污染與酸雨的現象，影響最甚的就是二氧化 碳排放量增加所導致的全球暖化現象。為了因應地球暖化及全球氣候變遷，國 際間已簽訂「氣候變化綱要公約」及「京都議定書」，用以規範工業化國家二氧 化碳等六種溫室氣體排放減量的責任及時程，並呼籲各國政府制定相關的能源 政策及價格機制，減少對有限化石能源的浪費以及致力於再生能源的開發與利 用(陳振源，2005)。
再生能源(Renewable Energy)指的是來源無所匱乏的能源，包含太陽能、風 力能、生質能、地熱能、潮汐能、海洋溫差及小水力等(蔡信行，2003；徐瑞鐘，
2004)，目前除傳統大水力已被開發殆盡外，其餘具有應用及發展潛力的有太陽 能、風力能及生質能，其中國際間公認最廣泛使用的再生能源為生質能，約佔 全球所有再生能源應用的三分之二。
近年來，生質能源(biomass energy)技術廣受科學界的重視，即是以厭氧或 兼氣微生物進行醱酵作用來產生乙醇、甲烷、氫氣、揮發酸等物質，不僅可用 來產能外，更能去除有機廢棄物而達到資源化目的。目前主要回收的生質氣體 (biogas)有氫氣跟甲烷，在產氫方面，以厭氧醱酵產氫技術最具有發展潛力；而
在產甲烷方面，則利用傳統厭氧消化反應，使有機物經微生物水解、酸化、甲 烷化而生成甲烷氣體來加以利用。使用廢棄物再利用來產能的技術均能夠取之 不盡、用之不竭，因而被視為最值得重視及發展潛力的生質能源技術。
廢棄的有機物質包括廢水廠廢棄生物污泥、農業廢棄物、農作物、垃圾以 及其他有機物質等，以廢棄有機物質為主的生質能源技術，主要有以 Clostridium 等兼氣菌為主的醱酵產氫技術，以產生氫氣為主，或是以 Methanogens(甲烷形 成菌)為主的甲烷化技術，用以產生甲烷氣體；而將這兩種反應串聯應用之技 術，可預期獲得較佳的生質能源。
厭氧生物處理法係指控制生物反應系統於厭氧條件下，藉著兼氣性及厭氧 性微生物生化代謝作用，將複雜之高分子有機物降解、轉換成甲烷與二氧化碳 等最終產物，並從反應中獲取能量以供厭氧菌生存及合成新細胞之生物處理程 序(張鎮南、曾四恭、鄭幸雄、趙家珍、謝永旭、Zimpro lnc., 2001)。微生物在 厭氧條件環境下，將富含有機物的廢水經由一連串的水解酸化進行降解，分解 出中間產物揮發酸及氫分子(即氫氣)等。若能在氫分子尚未與有機碳及耗氫菌 進行生化反應形成甲烷及二氧化碳前，設法中斷傳統厭氧反應而攔截氫分子，
即可回收高能量的氫分子。
碳水化合物具有良好的產氫效能，而稻穀即是最典型的例子。聯合國糧農 組織統計資料顯示，世界稻穀生產和消費的主要地區是亞洲，占世界總產量的 91％，米糠是稻米加工後的副產物，經常被視為一種農業廢棄物，並含有大量 豐富的營養物質，如蛋白質、糖分、有機物質、碳水化合物以及微量元素等，
目前主要用途為養猪的飼料添加物，是微生物生長與代謝的重要基質來源，有 利於生化反應進行提高回收生質氣體的產量。
米糠是糙米精製白米時所產生的種皮、外胚乳和糊粉層的混合生產物，依 稻米精米率的高低區分，它的成份自然會隨米的精純度而有變化。米糠一般包
種皆可算是良好的飼料來源，其維他命含量，較麥皮、大麥等其他糠類為豐富(鄭 長義，1987)。
McGarty(1964)的研究報告指出，污水處理廠產生之廢棄生物污泥處理費用 高，約佔廢水處理處操作費的40％，若能用於產能，則可減少處理費，又可增 加能源產生。根據陳佑慈(2006)的研究，生物污泥因含有細胞壁，無法有效醱 酵以產生氫氣，需至甲烷化反應階段，才有甲烷能源產生。因此，本研究擬以 污水廠生物污泥與一般有機廢料(如酒糟、米糠等)組成複合基質，以提高生物 污泥的再利用及產能。
林明瑞、陳佑慈、葉明泰(2005)的研究中發現台中市黎明社區污水處理廠 的廢棄生物污泥(Waste Active Sludge, WAS)無法直接產生氫氣，但可以用於產甲 烷；也發現此污水廠的廢棄生物污泥中含有相當量的 Clostridium 醱酵產氫菌及 Methanogens 甲烷形成菌。根據文獻指出，以污泥與廚餘為複合基質或污泥與酒 糟廢液為複合基質，其產氫效能比單一基質產氫效能佳，而產氫效能會隨著複 合基質成分混和配比不同而異(Kim, Han & Shin, 2004；Lin & Tseng, 2006)。因 此本研究主要以批次試驗來評估污泥與米糠作為複合基質用於產能的可行性，
並探討其最佳產能操作條件。本研究採批次試驗並未進行連續流試驗，因此，
本研究所稱之可行性，是指複合基質能被厭氧微生物菌群(水解酸化菌、甲烷化 菌...等)分解產生 biogas(H2+CH4)之可行性，故無法推估至工程上的可行性。
因此，本次研究將以曾智鉉(2007)的研究以黎明污水處理廠廢棄生物污泥 與台中酒廠酒糟處理廠廢液複合基質的概念及操作條件(pH 二相式操作及不添 加磷酸鹽緩衝液)為基礎，將黎明污水處理廠之廢棄生物污泥與米糠，依不同比 例混合成複合基質作為本研究再能源化的研究對象，並評估具再能源化的可行 性及探討出最佳的操作條件，包括：不同基質化學需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)濃度、不同污泥/米糠混合配比、不同起始 pH 值及不同起始氧化 還原電位(Oxidation-Reduction Potential, ORP)等。