能源作物厭氧產能之相關研究

一、厭氧醱酵產氫技術探討

由林秋裕（2005）的研究指出，國內外目前之厭氧醱酵產氫技術，主要菌種 以純菌 (Clostridium…等)或經馴化具產氫活性之污泥為主，基質則可分為複合 基質、固態有機物及碳水化合物。醱酵產氫系統主要是以批次式實驗、CSTR、

ASBR、UASB 等生物反應器來進行生物產氫程序，其中，以 CSTR 反應器進行醱酵 產氫其產能效率最佳。而目前厭氧醱酵產氫之技術，主要朝以下列這些方向進行：

（一）pH 控制。

（二）有機超負荷。

（三）不穩態操作。

由林秋裕等（2006）的研究指出，當系統操作在 HRT 為 4hrs 時，pH 控制在 6.0 系統之產氫表現優於另外二系統（pH 5.5 及 pH 6.5），而最佳的產氫速率及 氫氣產率分別可達 0.52mol/L‧day 及 5.4mmolH2/g-starch。而鄭幸雄等（2006）

研究指出，高溫厭氧生物在高食微比(S⁰/X⁰＝17g-COD/g- VSS)之超高有機負荷下 進行操作，證實可得到最佳之產氫效能。鄭幸雄、趙禹杰（2006）研究指出，在 高的污泥停留時間（SRT）及水力停留時間（HRT）操作下，蛋白腖的脫氮比例較 高，然而當降低 SRT 操作時，氨氮的產量即下降，顯示高的 SRT 有助於蛋白腖的 裂解；而降低 HRT 操作時間來提升系統負荷，則可以有效地控制有機氮裂解率，

並且使產氫槽恢復產氫之能力。由上述文獻可得知，目前國內之厭氧醱酵產氫技 術，已趨於成熟，並且已有不錯之研究成果。

二、能源作物之厭氧醱酵產能技術探討

王金雄等（2004）研究結果指出，以農業廢棄鳳梨皮為產能基質來源及厭氧 污泥為菌種來源，並添加磷酸鹽緩衝溶液進行醱酵產氫，在最佳操作條件下，產 氫效率可達3.76 ml-H²/g-鳳梨皮。

黃啟裕等（2006）的研究結果指出，以由乳牛糞便篩選出能將纖維素轉化為 酒精的嗜熱厭氧菌群菌為菌種來源，及以濾紙的纖維素為基質，在55℃下進行厭 氣醱酵產能批次試驗，當溫度及pH值分別控制在55～60℃左右及pH 7.7時，可得 到最佳乙醇生成量，而增加氮源(yeast extract, peptone)濃度可得最佳乙醇生 產率；另外，以不同紙類纖維為基質進行試驗，由結果顯示，乙醇產率高低依次 為濾紙＞影印紙＞卡紙＞報紙。而培養基內濾紙(10 g/L)可於9天內可被菌群完 全降解，其最終乙醇的產率約為0.29 g-ethanol/g-cellulose。

黃啟裕、黃美燕（2006）的研究指出，以廢紙回收造紙廠廢水之初沉池水樣 中，培養出可降解纖維素及產甲烷之嗜熱厭氧混合菌群，並以此作為試驗菌種來 源，以批次試驗，在不同的操作條件下進行甲烷產能之試驗。由試驗結果，當溫 度與pH值分別操控在70℃及pH 6.8，及纖維素添加濃度為8g/L操作下，甲烷有最

佳產率達4,287 μmole；而在最佳操作條件下，以不同纖維物質基質進行甲烷產 能研究，其甲烷生成率高低依序為卡德板、報紙、稻稈、纖維素、濾紙、辦公室 紙，其中稻桿仍會殘留一些絲狀纖維殘渣，而其它紙類皆可被完全降解；另外，

添加NaHCO³可提高系統鹼度以減緩因纖維素降解產生有機酸，對甲烷菌所造成的 抑制現象，當NaHCO3添加量為8g/L時，有最佳的甲烷生成率達4287 μmole。

能源作物中經常含有高濃度的澱粉及糖份，鄭幸雄、李學霖（2005）的研究 指出，以澱粉及蛋白腖複合基質作為CSTR連續流反應槽基質來源進行研究，當操 作溫度為35℃、攪拌率為300rpm、HRT為6hrs、有機負荷為80kg-COD/m³‧day時、

以及pH值控制在5.6左右，反應槽可得到最佳的產氫量，但而後又有耗氫的情形 發生。而王金雄、林屏杰（2006）研究結果顯示，以澱粉做為基質並添加磷酸鹽 作為緩衝溶液，當HRT為0.5hrs，有最佳的產氫效能約為4.1 L/h‧L。

Sarada et al., (1993) 的研究指出，以番茄加工廠廢水為CSTR生物反應槽 基質來源進行厭氧醱酵試驗，可得到相當高之甲烷轉換係數 0.420 m ³ /kg-VS。

Rackman et al., (1998) 以葡萄糖作為填充床(packed bed)反應器進料基質來 源，並配合生物固定化技術進行試驗，當HRT為1.5hrs，有最佳產氫速率1.39 mole/L‧day。而Fang et al., (2002) 的研究指出，以蔗糖作為CSTR進流基質 來源來進行試驗，當反應器槽顆粒污泥使用量為12.15 g /L，HRT為6hrs，有最 佳產氫速率0.531 mole/L‧day。

由上述文獻資料可以得知，農業廢棄物及含纖維素的物質是良好的產能基 質，若以上述物質作為基質來源，並配合以下技術應用，應可提升厭氧醱酵產氫 效能：

（一）細胞固定化技術：可應用於醱酵產氫反應槽，可滯留及濃縮反應槽中醱 酵產氫菌群濃度。

（二）尋找強力分解菌種：可應用於高溫消化槽及醱酵產氫反應槽中。

如 pH、ORP 及營養條件），並以此為基礎運用於連續流試驗操作上。

三、厭氧醱酵產氫反應探討

傳統厭氧反應中的前段水解酸化反應，其過程是大分子有機物經微生物水解 酸化後產生小分子有機物，而小分子有機物通常為揮發酸，而在水解酸化反應過 程中會有大量H2、CO2、有機酸及中間代謝物產生物產生，如果系統pH有利於後續 甲烷反應進行，則會繼續進行甲烷化反應，最終的產物為CH⁴、CO²、H²S及NH³等。

而厭氧醱酵產氫反應與傳統厭氧反應不同的是，厭氧醱酵產氫反應目的為產H2， 因此必須設法中斷甲烷化反應使反應停留在水解酸化階段才可延續產氫。

早期Toerien(1967)及Iannotti(1973)等人曾利用Vibrio succinogenes菌 株，將葡萄糖等碳水化合物，於厭氧環境下，醱酵產生氫氣。另外Karube（1993）

則將Clostridium butyricum菌種利用固定化技術於厭氧酸化過程之酸形成相 中，亦能有效回收氫氣。賴奇厚（2002）研究指出，在厭氧狀態下以蔗糖馴養植 種污泥分解澱粉時，濃度為20,000mg/L有最大之產氫率及產氫速率。陳文明、曾 姿錦等人（2004）利用分離技術篩選出兼性厭氧產氫菌 Klebsiella sp.，而由 後續實驗結果發現Klebsiella sp.細胞在pH 7.5情況下，具有較快之生長速率，

在操作條件氫氣濃度均維持在30%左右下，當碳源濃度為30,000 mgCOD/L時，有 最佳的產氫速率0.92mole-H2/mole-sucrose。

根據多方文獻顯示（Nakamura, 1993；Kataoka, 1997；Armitage,1992）： 厭氧產氫反應主要應用在高濃度有機廢水，如食品工廠、啤酒製造廠等具有高糖 份、高澱粉、易酸化、水解之有機物的處理，其是以含碳水化合物之有機廢水。

Majizat et al.(1997)的研究結果，利用完全攪拌反應槽處理含葡萄糖廢水，在 短水力停留時間下，可獲得很好的葡萄糖分解效率，且產氣中的氫氣含量亦大於 80%。另外 Kataoka et al. （1997）的研究結果，以 0.5%～1.0%濃度之 Glucose 做為進流基質，當反應槽操作條件為 pH=6.7、HRT=8 hr、溫度 30⁰C 時，有最佳 的產氫速率 1.4～2.0 mole-H2/mole-Glucose，但實際有機物處理效率為 12～47%

之間，但總 COD 去除率不是很高。Yokoi et al. （1997）的研究結果，以連續 流反應槽處理濃度 3.0g/L 葡萄糖廢水，當反應槽操作在 pH=6、HRT=1.16hrs 時，

有最佳產氫效率 1.45mole H2/mole-Glucose，但 COD 去除率依舊不高。