質量平衡

本研究以質量平衡（mass balance）來檢驗試驗之誤差及可靠性，而 將進流廢水之代謝產物（進出流 COD、甲烷產氣量、氫氣產氣量及污泥增

（g-COD/day） （g-COD/L） （L /day）

2.每日出流總 COD 量＝進流總 COD 濃度×進流量

（g-COD/day） （g-COD/L） （L /day）

3.每日甲烷氣體 COD 量＝每日甲烷產量×甲烷轉換因子

（g-COD/day） （L/day） (g-COD/L) 4. 每日氫氣氣體 COD 量＝每日氫氣產量×氫氣轉換因子

（g-COD/day） （L/day） (g-COD/L) 5.每日污泥增殖 COD 量＝每日污泥增殖量×污泥轉換因子

（g-COD/day） （g-biomass/day） (g-COD/g-biomass) 而各物質之 COD 轉換因子，如表 4-36 所示：

表 4-36 各種 COD 轉換因子之理論值（葉安晉，1995）

種類 轉換因子

厭氧 biomass COD 1.221

H2 COD 16 VSS COD 轉換量

污泥增 值 COD 轉換量

其中氫氣與甲烷的轉換因子是由（4-4）及（4-5）式化學平衡式計算 求得，biomass的COD轉換因子則是假設細菌分子式為C⁵H⁹N²O求得（葉安晉，

1995）。從上述結果得知，每1 mole的氫氣消耗16克COD、每1 mole的甲 烷氣消耗64克COD及每1克的biomass 消耗1.221克COD。故將每一試程量測 的平均每日氫氣與甲烷在乘上氫氣及甲烷的轉換因子，可得氫氣與甲烷之 COD 轉換量；而進出流水VSS之COD方面，在計算過程中則併入每日污泥量 來計算，將出流水中所量測的VSS濃度（mg/l）加上每日增殖污泥量，再 乘上每日的出流水水量（Q）與污泥轉換因子，可得每日VSS及每日污泥增 殖量之COD轉換量。污泥增殖量測後轉換成COD 量之方式，是於每一個試 程前後均量測反應槽中的生物污泥濃度分別為m0 與m1（單位：mg/L）與 總試驗時間d（單位：天），又反應槽反應體積為v，所以每天的污泥增殖 量為（m1-m0）×v÷d；再將污泥增殖量乘上轉換因子（1.221）即得轉換後 的COD 值。

2H2+O2 2H2O （4-4）

CH4+2O2 CO2+2H2O （4-5）

而排泥量測後轉換成COD 量之方式是每天排泥量Q 排泥再乘以污泥 VSS 濃度及污泥轉換因子，即得知排泥量測後轉換成COD 量。GH2（GCH4） 為每日氫氣（甲烷）產量（單位：L/day）。綜合以上可得反應槽之COD 平 衡計算式（4-3）轉換成數學式（4-6），表示如下：

進流水 出流水 氫氣 甲烷 VSS 污泥增殖量 Q Ci = Q Ce +（GH²×16）+（GCH⁴×64）+{（VSS×Q）+[（m1- m0）

×v÷d] }×1.221 …………(4-6)

以黎明污水廠 WAS 為進流基質，經質量平衡方程式計算後，在不同有 機負荷下，二相式能源化反應槽各試程計算數據如表 4-37，可發現，前段

產氫反應槽各試程均以出流水 COD 濃大佔最大比例，且由於皆為短水力停 留時間，因此基質無法被有效利用，因此 VSS 增值量所佔的比率相當少，

又由於並無收集到能源氣體，因此也無氫氣轉換量，可以說，其回收率等 於出流水 COD 濃度的比率。

後段甲烷化反應槽各試程反應均仍以出流水 COD 濃度佔最大的比例，

且在水力負荷大的試程下，出流 COD 比例（78～80％）遠高於水力負荷小 的試程（49～54％），在 VSS 增值量的比例部分則當水力負荷大的試程小 於水力負荷小的試程，表示給予較長時間進行甲烷化反應，會有較高的基 質利用率，因此會大量的消耗 COD 來產能及生殖細胞，因此會有較高的 VSS 污泥增值量，以產氣來說，水力負荷大的試程下，總產氣量較大，但甲烷 氣含量較低，因此在甲烷轉換率部分變化不大。

由二相式反應槽之進、出流水 COD 分析可發現，當低有機負荷之試程，

其基質利用率較高，造成出流水 COD 量低於高有機負荷之試程，又由於低 有機負荷試程中，生物污泥增殖及維持活動所需的比率相對較高，導致產 出甲烷轉換量及 VSS 增值轉換量不足（高有機負荷試程之甲烷產能高於低 有機負荷試程之甲烷產能；高有機負荷之 VSS/SS 約為 0.60，低有機負荷 之 VSS/SS 約為 0.63）；當水力負荷大時，基質利用率低，因此出流水 COD 量高，雖然 VSS 增值轉換量不高，但因為有較大的產能量，可由甲烷轉換 率來補足，所以回收率較高，約可達 95～97％之間。

表 4-37 二相式反應槽各試程 COD 質量平衡及回收率

總 COD 進流量 總 COD 出流量 H²轉換量 出流 VSS 量 污泥增值量 回收率

前段產氫反應槽

HRT(hrs) _(g-COD/d) ％ ^(g-COD/d) ％ ^(g-COD/d) ％ ^(g-COD/d) ％ ^(g-COD/d) ％ ^(g-COD/d) ％

24 20.7 100 19.8 95.6 0 0 0.18 0.9 0.14 0.7 20.1 97.4

16 19.7 100 19.2 97.4 0 0 0.05 0.3 0.02 0.1 19.2 97.8

8 20.0 100 19.8 99.0 0 0 0.01 0.1 0 0 19.8 99.1

前段產氫 反應槽 HRT(hrs)

後段甲烷 化反應槽 HRT(days)

16 1.19 100 0.61 49.7 0.04 4.2 0.15 16.4 0.08 8.5 0.94 78.8 12 1.58 100 1.02 64.8 0.04 2.9 0.16 11.8 0.08 6.2 1.35 85.7 24

8 2.36 100 1.48 78.4 0.04 1.8 0.23 10.7 0.09 4.4 2.24 95.3

16 1.20 100 0.65 54.7 0.05 5.0 0.20 20.0 0.07 7.9 1.00 87.6 12 1.60 100 1.05 65.8 0.05 3.4 0.25 17.0 0.09 6.3 1.48 92.5 16

8 2.40 100 1.91 79.5 0.05 2.1 0.24 10.5 0.09 4.0 2.30 96.1

16 1.22 100 0.66 54.4 0.05 4.9 0.17 16.7 0.08 8.2 1.02 84.2 12 1.62 100 1.07 66.0 0.05 3.4 0.23 15.8 0.08 5.8 1.47 91.0 8

8 2.45 100 1.97 80.5 0.05 2.1 0.25 10.5 0.09 4.1 2.38 97.2