研究背景與動機

第一章 緒論

本章主要在說明研究的背景、動機及目的。全章共分二節：第一節為 研究背景及動機、第二節為研究目的。

第一節 研究背景與動機

能源是人類經濟發展的推手，能源危機常涉及到石油，電力或其他自 然資源的短缺。化石燃料為人類目前最主要的使用能源，然而世界各國蘊 藏量已逐漸匱乏，依據現有資料顯示，預估石油可開採41年、天然氣67年、

煤192年（曲新生，2005）。能源短缺通常會使得經濟發展受到嚴重限制，

很多突如其來的經濟衰退通常就是由能源危機引起的。而在過去能源危機 的主要原因是石油價格過於便宜，以致於使世界對其產生了過度的依賴性 造成石油迅速消耗殆盡。化石燃料的過度開發導致趨於耗竭，不僅對生態 環境造成傷害，且燃燒化石燃料更會造成空氣污染及酸雨、溫室效應等現 象。

生質能源是一種極具開發潛力的再生能源，一般用來轉換成能源的生 物質是經過生物產生的有機質，如木材、農產品、能源作物與農、林、畜 牧業廢棄物等。植物的有機物是由光合作用將吸收的太陽能轉變成化學能 後，將水、二氧化碳與土壤吸收來的各種礦物元素同化成的代謝產物(碳 水化合物、蛋白質、油脂等)。將這些有機質轉換成不同形式的生質能源 後燃燒，又將固定的碳釋放回大氣中循環，因此並不會產生額外的二氧化 碳，可減少環境污染，生產技術困難降低，物料來源生生不息，故為符合 環保與永續之綠色再生能源。目前主要回收的能源有氫及甲烷，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

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氧消化反應，有機物經微生物水解、酸化、甲烷化而生成甲烷氣體。

由於農業廢棄物因富含大量的纖維素(cellulose)、半纖維素(hemi- cellulose)及木質素(lignocellulose)…等成分，相當難以分解，必須先使用水 解菌加以分解其中纖維後再以醱酵產氫菌來進行厭氧醱酵加以反應以提 升產H2、產能效果。而纖維素經水解細菌分解反應後，使能源作物基質可 以被產氫菌加以利用，使經過水解、醱酵、酸化等過程得以回收H2能源。

根據樊國恕(2002)的研究指出，厭氧發酵過程可分為三個階段：水解、

酸化、甲烷化，而複雜有機物首先經由非甲烷菌分解為揮發酸及二氧化碳 等中間產物，而後再藉由甲烷菌轉換為甲烷。張嘉修(2008)的研究中指出，

光合菌能夠使用乙酸以及丁酸當做碳源，對於厭氧產氫之代謝物以及其它 發酵程序之代謝產物(如乙酸、丁酸等)，光合菌都能直接利用該代謝物並 產生氫氣。由此推估經由水解、醱酵產氫後之出流水，內含豐富的揮發酸 及小分子的有機物質，十分適合光合產氫菌及甲烷菌再加以利用繼續產 能。

根據謝孟宏(2009)研究利用好氧循序批次反應槽( Sequencing Batch Reactor，SBR)串聯厭氧發酵CSTR反應槽，處理農業廢棄物稻殼廢水，搭 配批次試驗所得的最佳操作條件來醱酵產氫，發現其出流水仍含有大量的 有機物質、適量的COD濃度與揮發酸，並且把稻殼由半固體物轉化為液 體，所以十分適合厭氧光合產氫菌與甲烷菌加以利用繼續產能。所以本研 究將利用其出流水於產能(H2+CH4)，並且評估可回收再利用部分。

在本實驗室陳嘉正(2003)厭氧光合產氫的研究中指出，進流每克 COD 產氫率及單位體積反應槽產氫率方面以柱塞流式反應槽最佳，且柱塞流式 反應槽長柱狀且橫躺的形式使WP3-5 不易流失而易於增殖，因此柱塞流式 反應槽有較高的生物污泥濃度，加上其光照度也最佳，故為三種反應槽中

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最佳的光合產氫率；完全混合式反應槽因有攪拌，而有較佳的質傳效率。

所以本研究選用柱塞流反應槽與完全混和式反應槽進行厭氧光合產氫光 合試驗。

在本研究室過去的研究中，研究結果顯示厭氧醱酵產氫的確有不錯的 產氫效率，且反應過後的出流水中含有大量的揮發性有機酸。再者根據光 合產氫菌群之相關研究文獻顯示，厭氧光合產氫系統非常適合處理厭氧醱 酵產氫之出流廢水，因厭氧醱酵產氫之出流水含有大量之揮發性有機酸，

正是適合於光合產氫菌群之生長基質，且光合產氫菌群亦會產生氫氣，可 達到廢水處理及產生氫氣之雙重效果(紀又華，2006)。

在本實驗室曾智鉉(2007)的研究中指出，以後段甲烷化活性碳流體化 床反應槽，用以處理前段醱酵產氫活性碳棉攪拌式反應槽產氫後所排出之 廢水，能達到第二相甲烷產能的目標。因此本實驗將會比較兩種產能方式 (光合產氫與甲烷化)搭配不同的反應槽以比較何種會有最佳的產能效率。

進流基質方面，本實驗室謝孟宏(2009)反應槽之出流水: COD 濃度大 約為11,000 ~ 17,000 mg/L、揮發酸濃度大約為 2,000 ~ 3,000 mg/L，十分適 合厭氧光合產氫菌與甲烷菌的生長，因此本研究以本實驗室謝孟宏(2009) 反應槽的出流水為進流基質。在厭氧光合產氫微生物方面，以光合作用產 氫細菌中產氫能力最好的菌株Rhodopseudomonas palustris ，菌株編號為 WP3-5 以其生理特性及所需生長環境的各項條件為基礎；在甲烷化反應方 面，以甲烷化活性碳流體化床反應槽最適的生長條件操作，同時比較三種 反應槽的產能情況，並且以產能效率最佳之反應槽，進行後續不同操作條 件下的厭氧產能試驗。

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