試驗設計及流程

本研究採批次式試驗(Batch-type Test)方式進行，以污泥與米糠作為複合基 質應用於二相式厭氧批次產能之可行性，並利用批次試驗具有反應體積小、反 應時間短及操作簡易的特性，以求得最佳產能的操作條件。其不同之操作條件 如下：

(一) 不同基質 COD 濃度及不同污泥/米糠配比對二相式厭氧批次產能試驗的 影響。

(二) 二相式反應於產氫結束後調整 pH 至中性(pH=7.0)時間之快慢，對二相式 厭氧批次產能試驗之影響。

(三) 以污泥混合未脫脂米糠與污泥混合脫脂米糠之批次產能試驗比較。

(四) 進行固定污泥濃度變化米糠濃度及固定米糠濃度變化污泥濃度試驗之批 次產能比較。

(五) 以複合基質最佳混合濃度進行不同起始 pH 對二相式厭氧批次產能試驗之 影響。

(六) 以複合基質最佳混合濃度進行不同起始 ORP 對厭氧批次產能之影響。

一、試驗流程

本研究批次試驗各試程實驗流程及方法大致如下：

(1) 以粗篩方式將原始廢棄活性生物污泥與米糠過濾去除大顆粒及雜質。

(2) 將過濾後之污泥與米糠水溶液(米糠粉末加蒸餾水混合而成)依試程需 求，分別配置其基質COD 濃度約為 10,000、20,000、30,000 及 40,000 mg/L 之水樣。

(3) 將上述配製而成特定 COD 濃度的污泥與米糠水溶液依不同的體積配比 (如表 3-2)均勻混合(總體積=100 ml)，並注入三角錐瓶中。如：基質 COD

濃度為 10,000 mg/L、污泥/米糠=4/1 之組別，則是取於基質 COD 濃度為

二、試驗設計

本研究進行之批次試驗最主要目的為探討污泥與米糠複合基質對厭氧產能 效率之影響，在進行正式試驗之前，以先驅試驗來瞭解基質特性以利後續試驗 設計及進行。

依據曾智鉉(2007)廢水廠污泥及酒糟廢液作為複合基質的研究試驗結果為 基礎，將本研究所有試程以(1) pH 二相式操控模式［起始 pH 控制在 5.25 以利 產H2反應進行，待產H2結束後，再將pH 調至 7.0 以利 CH4反應進行］及(2) 不 添加磷酸鹽緩衝液的方式進行，以預期有較佳之產能(產 H2+CH4)效果。分別進 行不同基質COD 濃度(基質 COD 濃度為 10,000、20,000、30,000 mg/L)與不同 污泥/米糠配比(5/0、4/1、3/2、2/3、1/4、0/5)的產能試驗比較；而許多文獻也指 出米糠中油脂含量較高約佔20％，因此在先驅試驗中發現米糠因油脂含量較高 在初期反應時會使有機酸轉變成為非游離性的有機酸，造成前期 pH 下降太快 且太低，因此在後期甲烷化反應階段，各配比間皆持續一段遲滯期後甲烷菌才 開始活化而逐漸有明顯甲烷化現象的發生。

然而，本試驗設計在不同基質COD 濃度及不同污泥米糠配比部分，由於基 質COD 濃度過高(高污泥及米糠濃度者)時，基質本身產生的滲透壓過大，可預 期其產生的能量也不佳，再加上考量每批二相式批次產能試驗之反應時間需達 51 天之久，因為高污泥濃度及高米糠濃度組都進行試驗，單一不同濃度及不同 米糠/污泥配比之試驗將長達 2.5 年時間(4 濃度× 4 配比＝16 組，51 天×16 組＝

816 天)；因此，當基質 COD 濃度過高的配比組將不進行產能試驗的比較。

(一) 試驗一：二相式反應中 pH 調控時間快慢對批次產能試驗的影響

由先驅試驗的結果得知，整體二相式產能反應會因為較早或較晚調整 pH 值至中性而抑制後段甲烷菌活性的作用，更是去影響最終整體產能之結果(產

反應產能之影響。

［試驗一］：在產 H2現象較不明顯(試驗之第 8 天)時，即調整 pH 至中性 (pH=7.0)，此為「早調組」；與在產 H2現象完全停止(試驗之第 15 天)時，再調 整pH 至中性(pH=7.0)；此為「晚調組」。其試驗操作條件如表 3-3：

表3-3 早調組與晚調組批次產能操作條件(試驗一)

控制條件 操作條件

1.基質總 COD 濃度為 10,000 mg/L 早調組：

2.不植菌(因黎明廠污泥本身及含有 二相式反應中於產氫現象不明顯時 醱酵產氫菌及甲烷形成菌) (試驗之第 8 天)調整 pH 至中性

3.溫度為 35℃ 晚調組：

4.起始 pH 為 5.25 二相式反應中於產氫現象完全停止 於產氫停止後調整pH 至 7.0 時(試驗之第 15 天)調整 pH 至中 5.污泥/米糠 5/0、4/1、3/2 性

、2/3、1/4、0/5

(二) 試驗二：未脫脂米糠與脫脂米糠對批次產能試驗之影響

依據先驅試驗之結果發現，米糠中油脂的含量可能會對批次產能試驗造成 影響，因此將進行未脫脂米糠與脫脂米糠產能之比較。

首先進行米糠脫脂程序，由 Saunders(1990)的研究中提出，米糠的穩定過 程，是需經由熱處理法破壞其活性脂肪分解酵素(active lipases)及過氧化的反應 (peroxidases)而成。在眾多有效的典型方法中包含乾熱法(dry heat)、濕熱法(moist heat)及高壓濕熱穩定法(moist heat on press stabilzation)等(Juliano, 1994；Prakash, 1996)，本試驗則是以高壓濕熱穩定法來進行米糠的脫脂程序，其操作步驟如下：

1. 將米糠粗篩(Φ1mm)後置入三角錐瓶內，並以鋁箔紙封口，以避免樣品污染。

2. 將樣品放入全自動高壓蒸氣滅菌器(型號：EA-652)並依以下設定程序進行 操作，設定範圍如下：

Pressure： 1.5 kg/cm² Temperature： 121 ℃ Time： 15 min

3. 待米糠脫脂作業程序完成後，將樣品取出，於室溫下靜置冷卻，即完成脫 脂。

［試驗二］：將基質COD 濃度控制在 10,000 mg/L，以污泥與未脫脂米糠混 合作為複合基質以進行產能試驗，其配比為污泥/未脫脂米糠為 5/0、4/1、3/2、

2/3、1/4、0/5；此為「未脫脂米糠組」。而將基質 COD 濃度控制在 10,000 mg/L，

以污泥與脫脂米糠混合作為複合基質以進行產能試驗，其配比為污泥/脫脂米糠 為 5/0、4/1、3/2、2/3、1/4、0/5；此為「脫脂米糠組」，其試驗操作條件如表 3-4：

表3-4 未脫脂米糠與脫脂米糠批次產能操作條件(試驗二)

控制條件 操作條件

1.基質總 COD 濃度為 10,000 mg/L 未脫脂米糠組：

2.不植菌(因黎明廠污泥本身及含有 污泥/未脫脂米糠 5/0、4/1、3/2 醱酵產氫菌及甲烷形成菌) 、2/3、1/4、0/5

3.溫度為 35℃

4.起始 pH 為 5.25 脫脂米糠組：

於產氫停止後調整pH 至 7.0 污泥/脫脂米糠 5/0、4/1、3/2 5.未脫脂米糠油脂含量 14.5％ 、2/3、1/4、0/5

脫脂米糠油脂含量14.4％

(三) 試驗三：不同基質 COD 濃度與不同污泥/米糠配比對批次產能試驗之影響 以先驅試驗、試驗一及試驗二所得到最佳產能操作條件為基礎，進行不同 基質 COD 濃度(10,000、20,000、30,000 及 40,000 mg/L)及不同污泥/米糠配比 (5/0、4/1、3/2、2/3、1/4、0/5)之產能試驗。並以試驗所得資料結果以等高線軟

最佳操作濃度。其試驗操作條件如表3-5：

表3-5 不同基質 COD 濃度及不同污泥/米糠配比之批次產能操作條件(試驗三)

控制條件 操作條件

1.不植菌(因黎明廠污泥本身及含有 不同基質 COD 濃度：

醱酵產氫菌及甲烷形成菌) (1)基質 COD 濃度為 10,000 mg/L 2.溫度為 35℃ (2)基質 COD 濃度為 20,000 mg/L 3.起始 pH 為 5.25 (3)基質 COD 濃度為 30,000 mg/L 於產氫停止後調整pH 至 7.0 (4)基質 COD 濃度為 40,000 mg/L 4.污泥/米糠 5/0、4/1、3/2

、2/3、1/4、0/5

(四) 試驗四：固定污泥濃度變化米糠濃度及固定米糠濃度變化污泥濃度之批次 產能試驗結果

為了確認試驗三之產能等高線模擬結果，將進行本試驗四：(1)固定污泥濃 度，變化米糠濃度，以求出最佳米糠濃度的操作範圍；而又為了求得最佳污泥 植入量，將進行(2)固定米糠濃度，變化污泥濃度之試驗，以便進行交叉驗證。

並以試驗所得資料結果與試驗三之結果以等高線軟體進行模擬，求得複合基質 最佳產能效率下，其污泥與米糠之最佳操作濃度。其操作條件如下：

試驗4-1：固定污泥濃度於 6,000 mg/L，變化米糠濃度 12,000、18,000、24,000、

32,000、40,000 mg/L。

試驗4-2：固定污泥濃度於 8,000 mg/L，變化米糠濃度 12,000、18,000、24,000、

32,000、40,000 mg/L。

試驗4-3：固定米糠濃度於 24,000 mg/L，變化污泥濃度 4,000、6,000、8,000、

12,000、16,000 mg/L。

試驗4-4：固定米糠濃度於 32,000 mg/L，變化污泥濃度 4,000、6,000、8,000、

12,000、16,000 mg/L。

(五) 試驗五：二相式厭氧反應不同起始 pH 值批次產能試驗比較

由試驗三及試驗四之產能等高線模擬推估求得最佳污泥與米糠濃度混合之 產能條件，再進行二相式反應中不同起始pH (pH＝4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、

7.5、8.0 及 8.5)之產能批次試驗，共計 9 組，以探討其不同起始 pH 對二相式厭 氧產能效率之影響。

(六) 試驗六：不同起始 ORP 值批次產能試驗比較

由試驗三及試驗四之產能等高線模擬推估，以最佳產能效率下之污泥與米 糠混和濃度為基礎，進行不同起始ORP(未調整+50、0、-50、-100、-150、-200、

-250、-300、-350 及-400 mV)之產能批次試驗，共計 10 組，以探討其不同起始 ORP 對產能效率之影響。