本研究比較不同顆粒大小及不同的水力停留時間及改變曝氣方式的影響，求 得不同操作條件產生的污泥量，係由兩個相同大小之反應槽，填充直徑1 cm 污泥 粒及直徑2.5 cm 污泥粒分別進行實驗。
4-1 合成廢水
本研究利用人工合成廢水配合不同操作參數進行污泥產率之探討，合成廢水 之組成如表4.1 所示，此人工合成廢水參考目前生活污水之設計水質，固定以 COD 為300 mg/l，NH3為25 mg/l 為操作水質。
表4-1 人工合成廢水組成
Composition of synthetic wastewater
content Concentration (mg/L)
sucrose 267.85
(NH4)2SO4 133.93
KH2PO4 141.16
K2HPO4 286.62
MgSO4·7H2O 21.43
MnSO4·H2O 2.68
CaCl2 3.8
FeCl3·6H2O 0.134
4-1-1 不同粒徑之污泥產生量
在不同粒徑(1 cm 及 2.5 cm)之污泥粒條件下，改變水力停留時間(HRT)為 6 小時以及12 個小時和連續曝氣、1 小時曝氣/1 小時不曝氣及 1 小時曝氣/2 小時不 曝氣，進行COD 去除率、總氮去除效率和污泥產生量實驗。
由圖4-1 中可知當反應槽內載體為直徑 1 cm 污泥粒時，改變水力停留時間或 是曝氣模式，對於 COD 去除效率並無明顯的影響，其平均去除率均達 92.3％以 上；總氮去除率方面，於1 小時曝氣/2 小時不曝氣之曝氣模式搭配 6 小時之水力 停留時間時，其去除效率為最佳(39.6％)；另在連續曝氣條件下，其總氮之去除效 率則較不理想，於6 及 12 小時之 HRT 下分別為 22.9 及 30.4%。
carrier size=1 cm
0%
20%
40%
60%
80%
100%
continues 1:1 1:2 continues 1:1 1:2
6 6 6 12 12 12
COD Removal Efficiency (%)
Total Nitrogen Removal Efficiency (%)
Aeration (on/off) HRT (hr)
Removal Efficiency (%)
圖4-1 粒徑 1 cm 污泥粒於不同曝氣模式和水力停留時間之 COD 及總氨氮去除率
carrier size=1 cm
continues 1:1 1:2 continues 1:1 1:2
6 6 6 12 12 12
Aeration (on/off) HRT (hr) Total Solid (mg/L)
0.00
Biomass Yield ( kg SS/kg COD) Total Solid (mg/L)
Biomass Yield (kg SS/kg COD)
圖4-2 直徑 1 cm 污泥粒改變曝氣和水力停留時間之固體量
carrier size=2.5 cm
0%
20%
40%
60%
80%
100%
continues 1:1 1:2 continues 1:1 1:2
6 6 6 12 12 12
Aeration (on/off) HRT (hr)
Removal Efficiency (%)
COD Removal Efficiency (%)
Total Nitrogen Removal Efficiency (%)
圖4-3 直徑 2.5 cm 污泥粒改變曝氣和水力停留時間得到的 COD 和總氨氮去除率
綜合上述數據之研究結果得知，改變粒徑、水力停留時間及曝氣模式並不會 影響其COD 之去除效率，均可達 92.3%以上。於總氮之去除效率方面，2.5 cm 粒 徑之污泥粒之平均總氮去除效果(40.0-64.8%)均較 1 cm 粒徑(22.9-39.6%)佳，最高 可達64.8%。
於總懸浮固體產生量及污泥產率方面，1 cm 污泥粒之平均總懸浮固體產生量 (4.490 – 10.910 g)及污泥產率(0.107 – 0.21 kg SS/kg COD)較 2.5 cm 之污泥粒低，
其2.5 cm 之總懸浮固體產生量及污泥產率分別介於 5.980 – 20.750 g 及 0.157 – 0.275 kg SS/kg COD。其中又以 1 cm 之污泥粒，於水力停留時間為 12 小時及連 續曝氣時，其污泥產率為最低，為0.107 kg SS/kg COD。
carrier size=2.5 cm
continues 1:1 1:2 continues 1:1 1:2
6 6 6 12 12 12
Aeration (on/off) HRT (hr) Total Solid (mg/L)
0.00
Biomass Yield ( kg SS/kg COD) Total Solid (mg/L)
Biomass Yield (kg SS/kg COD)
圖4-4 直徑 2.5 cm 污泥粒改變曝氣和水力停留時間之固體量
HRT=12 hr
0%
20%
40%
60%
80%
100%
continues 1:1 1:2 continues 1:1 1:2 1 cm 1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm 2.5 cm
COD Removal Efficiency (%)
Total Nitrogen Removal Efficiency (%)
Aeration (on/off) Size(cm)
Removal Efficiency (%)
圖4-5 水力停留時間 12 小時之所得到之 COD 去除效率及總氨氮去除效率 如圖4-6 得知總懸浮固體產生量及污泥產率，1 cm 污泥粒之平均總懸浮固體 產生量(4.49 – 8.58 g)及污泥產率(0.107 – 0.210 kg SS/kg COD)較 2.5 cm 之污泥粒 低，其2.5 cm 之總懸浮固體產生量及污泥產率分別介於 5.980 – 10.330 g 及 0.157 – 0.235 kg SS/kg COD。其中 1 cm 之污泥粒於連續曝氣時，其污泥產率為最低，為 0.107 kg SS/kg COD。
HRT=12 hr
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
continues 1:1 1:2 continues 1:1 1:2 1 cm 1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm 2.5 cm
Aeration (on/off) Size(cm) Total Solid (mg/L)
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Biomass Yield ( kg SS/kg COD) Total Solid (mg/L)
Biomass Yield ( kg SS/kg COD)
圖4-6 水力停留時間 12 小時之所得到之總固體量及污泥產率
將水力停留時間由12 小時縮短為 6 小時增加總反應槽負荷為 1.2 kg COD/M3 day，如圖 4-7，COD 平均去除率仍達 92.3％以上，總氮去除率於曝氣 1 小時/不 曝氣1 小時，2.5 cm 污泥粒時有最大去除效率 64.8％。
HRT=6 hr
0%
20%
40%
60%
80%
100%
continues 1:1 1:2 continues 1:1 1:2
1 cm 1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm 2.5 cm
Aeration (on/off) Size(cm)
Removal Efficiency (%)
COD Removal Efficiency (%)
Total Nitrogen Removal Efficiency (%)
圖4-7 水力停留時間 6 小時之所得到之 COD 去除效率及總氨氮去除效率 總固體量和污泥產率方面如圖 4-8，1 cm 污泥粒連續曝氣時總固體量 8.693 g，污泥產率為 0.110 kg SS/kg COD；1 小時曝氣/2 小時不曝氣時，總固體量 9.727 g 而污泥產率為 0.121 kg SS/kg COD。由實驗觀察發現 1cm 污泥粒反應槽於水力 停留時間12 小時改變為 6 小時使體積負荷增加，得到的 COD 去除率一開始稍微 減少，後來恢復平穩最後去除率可達98%以上，但 TSS 也因此增加。
2.5cm 污泥粒連續曝氣時總固體量 16.81 g，污泥產率 0.195 kg SS/kg COD；
於1 小時曝氣/1 小時不曝氣時污泥產率最高，有總固體量 20.753 g 而污泥產率為 0.275 kg SS/kg COD。
HRT= 6 hr
continues 1:1 1:2 continues 1:1 1:2 1 cm 1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm 2.5 cm
Aeration (on/off) Size(cm) Total Solid (mg/L)
0.00
Biomass Yield ( kg SS/kg COD) Total Solid (mg/L)
Biomass Yield ( kg SS/kg COD)
圖4-8 水力停留時間 6 小時之所得到之總固體量及污泥產率 0.107-0.237 kg SS/kg COD。水力停留時間六小時，1cm 污泥粒反應槽平均懸浮固 體產量(8.693 g-10.91g)及污泥產率(0.110-0.146 kg SS/kg COD)，有較 2.5cm 污泥粒 平均懸浮固體產量(16.801 g-20.753 g)及污泥產率(0.195-0.275 kg SS/kg COD)小之 懸浮固體產量及污泥產率。
4-1-3 不同曝氣模式之污泥產生量
2.5 cm 及 1 cm 污泥粒生物反應槽操作曝氣條件，連續曝氣及間歇曝氣(1 小 時曝氣/1 小時不曝氣及 1 小時曝氣 2 小時不曝氣)進行實驗。
在連續曝氣之空氣供給條件下，COD 平均去除率達 92.3％，總氨氮去除率於 2.5 cm 污泥粒有較佳的效果(40.0％及 40.6％)，由圖 4-9 得知水力停留時間在此操 作條件下對反應效率影響不顯著。
Aeration on/off = continues
0%
20%
40%
60%
80%
100%
6 12 6 12
1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm
COD Removal Efficiency (%)
Total Nitrogen Removal Efficiency (%)
Aeration (on/off) Size(cm)
Removal Efficiency (%)
圖4-9 不同直徑污泥粒及水力停留時間之 COD 及總氨氮去除效率
Aeration on/off = continues
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
6 12 6 12
1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm
Aeration (on/off) Size(cm) Total Solid (mg/L)
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Biomass Yield ( kg SS/kg COD) Total Solid (mg/L)
Biomass Yield ( kg SS/kg COD)
圖4-10 不同直徑污泥粒及水力停留時間總固體量及污泥產率
由圖4-10 得知，連續曝氣條件下 1 cm 污泥粒有較少總固體量，於水力停留 時間6 小時及 12 小時分別有總固體量為 8.693 g 及 4.490 g，污泥產率為 0.110 kg SS/kg COD 及 0.107 kg SS/kg COD。而 2.5 cm 污泥粒於水力停留時間 6 小時及水 力停留時間12 小時之總固體量為 16.80 g 及 10.33 g，污泥產率為 0.195 kg SS/kg COD 及 0.235 kg SS/kg COD。
在1 小時曝氣 1 小時不曝氣條件下，COD 平均去除率達 94.5％以上，總氨氮 平均去除率以水力停留時間6 小時有最大氨氮平均去除率 64.8％，由圖 4-11，2.5 cm 污泥粒有較佳總氨氮去除效率。
如圖4-12 在間歇曝氣條件下，直徑 1 cm 污泥粒且水力停留時間為 12 小時有 最小總固體量8.58 g，污泥產率為 0.210 kg SS/kg COD；直徑 2.5 cm 污泥粒且水 力停留時間為6 小時有最大總固體量 20.753 g，污泥產率為 0.275 kg SS/kg COD。
Aeration on /off = 1 : 1
0%
20%
40%
60%
80%
100%
6 12 6 12
1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm
COD Removal Efficiency (%)
Total Nitrogen Removal Efficiency (%)
Aeration (on/off) Size(cm)
Removal Efficiency (%)
圖4-11 一小時曝氣一小時不曝氣之 COD 去除效率及總氨氮去除效率
Aeration on /off = 1 : 1
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
6 12 6 12
1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm
Aeration (on/off) Size(cm) Total Solid (mg/L)
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Biomass Yield ( kg SS/kg COD) Total Solid (mg/L)
Biomass Yield ( kg SS/kg COD)
圖4-12 一小時曝氣一小時不曝氣之總固體量及污泥產率
在 1 小時曝氣 2 小時不曝氣條件下如圖 4-13，COD 平均去除率達 92.6％以 上，氨氮總平均去除率在38.6％至 48.1％之間，就整體而言 1 小時曝氣 2 小時不 曝氣條件下，得到總氨氮平均去除率最為穩定，1 cm 污泥粒於此曝氣條件之總氨 氮平均去除率最佳。
如圖4-14 所示，直徑 2.5 cm 污泥粒且水力停留時間為 12 小時有最小總固體 量5.983 g，污泥產率為 0.157 kg SS/kg COD；但直徑 2.5 cm 污泥粒當水力停留時 間為6 小時，總固體量有增高的趨勢，總固體量為 19.710 g，污泥產率為 0.250 kg SS/kg COD。
Aeration on /off = 1 : 2
0%
20%
40%
60%
80%
100%
6 12 6 12
1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm
Aeration (on/off) Size(cm)
Removal Efficiency (%)
COD Removal Efficiency (%)
Total Nitrogen Removal Efficiency (%)
圖4-13 一小時曝氣二小時不曝氣之 COD 去除效率及氨氮去除效率 综合上述實驗數據發現水力停留時間6 小時及水力停留時間 12 小時， COD 平均去除效率無明顯差異均可達92％以上。而總氮平均去除效率方面，似乎於連 續曝氣條件下較弱，，1cm 之污泥產率有 0.110 kg SS/kg COD、0.107 kg SS/kg COD、0.195 kg SS/kg COD、0.235 kg SS/kg COD。雖在 2.5cm 污泥粒反應槽於水 力停留時間12 小時，有較高之污泥產率 0.235 kg SS/kg COD，就整體而言仍有較 少污泥產生之趨勢。且為了提供足夠生物反應之時間， 往後實驗將以水力停留時 間12 小時且連續曝氣繼續進行。
Aeration on /off = 1 : 2
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
6 12 6 12
1 cm 1 cm 2.5 cm 2.5 cm
Aeration (on/off) Size(cm) Total Solid (mg/L)
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Biomass Yield ( kg SS/kg COD) Total Solid (mg/L)
Biomass Yield ( kg SS/kg COD)
圖4-14 一小時曝氣二小時不曝氣之總固體量及污泥產率
以下圖片為固定化生物反應槽進行合成廢水COD 300 mg/L 之微生物生長之 對照圖，以直徑1 cm 污泥粒生物反應槽進行說明。 圖 4-15 與圖 4-17 為實驗進 行第 1 天之反應槽之情形，可看出完全無微生物生長，圖 4-16、4-18 和圖 4-19 為實驗進行第7 天之照片，圖 4-16 與 4-18 可看出較圖 4-19 生長更多的微生物，
推測在此反應槽中氧氣與養分充足的部份，有較多生物生長，但實際原因與微生 物菌種有待後續研究。
圖4-15 實驗第 1 天反應槽底部曝氣管
圖4-16 實驗第 7 天反應槽底部曝氣管
圖4-17 實驗第 1 天填充物無生物生長
圖4-18 實驗進行第 7 天反應槽下層填充物生物生長
圖4-19 實驗第 7 天反應槽中層填充物生物膜生長情形
4-2 高COD合成廢水
利用連續曝氣直徑1 cm 及 2.5 cm 污泥粒生物反應槽之 COD 去除效率皆高達 92.3％以上，以水力停留時間 12 小時進行高濃度 COD 合成廢水進行實驗。此高 COD 實驗之合成廢水配方僅提高入流 COD 為 1000 mg/L，其於配方均不改變，
進行不同顆粒且為期7 日之實驗。
由於COD 濃度由 300 mg/L 提高至 1000 mg/L，進行本實驗前，1 cm 與 2.5 cm 污泥粒之生物反應槽均有經過一星期之1000 mg/L COD 廢水之馴養，人工合成廢 水組成如下：
表 4-2 高 COD 人工合成廢水組成 Composition of synthetic wastewater
content Concentration (mg/l)
sucrose 890.63
(NH4)2SO4 133.93
KH2PO4 141.16
K2HPO4 286.62
MgSO4·7H2O 21.43
MnSO4·H2O 2.68
CaCl2 3.8
FeCl3·6H2O 0.134
經1 星期實驗觀察，直徑 1 cm 之污泥粒，平均 COD 去除率為 96.0％，總氨 氮平均去除率達99.6％，詳如圖 4-20 及圖 4-21，總固體量為 30.230 g，污泥產率 為0.228 kg SS/kg COD。
將得到之數值與同樣大小濾料且均為連續曝氣之 COD 為 300 mg/L 比較，
COD 去除率為 94.6％、總氨氮平均去除率為 39.6％(NH3-N 平均去除率為 30％，
出流水NO3--N 幾乎測不到)、總固體量為 9.727 g，而污泥產率為 0.121 kg SS/kg COD，提高 COD 後總氨氮平均去除率有很大的改善，推究硝化作用與碳源有很 大的關係。
1 cm carrier-areation continue , HRT=12 hr
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7
day COD Removal Efficiency (%)
圖4-20 直徑 1 cm 顆粒之 COD 去除率
1 cm carrier-aeration continue, HRT=12 hr
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5 6 7
day Total Nitrogen Removal Efficiency (%)
圖4-21 直徑 1 cm 直徑顆粒之總氨氮去除率
2.5 cm 污泥粒反應槽平均 COD 去除率為 94.6％，總氨氮平均去除率達到 99.7
％，詳如圖4-22 及圖 4-23，總固體量為 35.330 g、污泥產率為 0.270 kg SS/kg COD，
與1 cm 污泥粒生物反應槽之總氨氮平均去除率 99.6％相同。COD 為 300 mg/L 且 其他操作參數相同做比較，COD 去除率為 98.1％、總氨氮平均去除率為 40.6％
( NH3-N 平均去除率為 42％，出流水 NO3--N 於實驗第四天開始測出 )，總固體量 為10.330 g，污泥產率為 0.235 kg SS/kg COD。
無論是直徑1 cm 污泥粒或直徑 2.5 cm 污泥粒之生物反應槽對於高 COD 之合 成廢水同樣具有良好的去除效果。