不同循序時間之 SBR 水解反應槽串聯不同 HRT CSTR 醱酵產氫

本節將設計SBR 不同的總停留時間(分別為 24、12、6 小時)之產氫試驗，探 討何種循序時間有最佳的產氫效率。整個循序反應過程從基質進流為 15 分，接 著反應槽攪拌時間分別為23、11、5 小時，在反應後，停止攪拌沈降 30 分，沈 降完成後最後為反應過基質抽離階段為15 分，並重複循環操作，直到生物系統 穩定，分析水質、產氫量及成分。在SBR+ CSTR 操作方面，為使完全達到分離 培養SBR 反應槽串連醱酵產氫菌反應槽有較佳產氫，因此前段水解反應槽為主 要總循序時間為用於水解反應，後段醱酵產氫反應槽主要將前段水解反應過後的 基質再用於醱酵產氫。

(一) 不同循序時間之比較試驗

由圖4-9 及表 4-23 可以得知不同循序時間之比較試驗中，在 SBR 串聯 CSTR 系統中當總循序時間+HRT 為 6+18hr 時，有較佳的單位體積產氫率，為 19.8 mmole-H2/L ． day ； 次 佳 為 總 循 序 時 間 +HRT 為 12+36hr ， 產 氫 率 為 16.1 mmole-H2/L ． day ； 最 差 為 總 循 序 時 間 +HRT 為 24+72hr ， 產 氫 率 為 13.2 mmole-H2/L．day。在每克進流 COD 產氫效率以 SBR 串聯 CSTR 為 24+72hr 時，

有較佳每克進流COD 產氫率為 3.93 mmole- H2 / g- CODin；次佳為 12+36hr，每 克進流COD 產氫率為 2.42 mmole- H2 / g- CODin；最差為 6+18hr，每克進流 COD 產氫率1.47mmole- H2 / g- CODin。

由上述試驗結果可得知，當總循序時間+HRT 為6+18hr時，有較佳的單位體 積反應槽產氫率，主要原因為總循序時間+ HRT為6+18hr一天所進流的基質為 4L，比總循序時間+ HRT為12+36 hr、24+72hr時，所進流的基質量來的多，所以 產氫效率也比較佳。在產氫效率方面，每天產氫量、單位體積反應槽產氫效率，

隨著總循序時間減少而增加，故在總循序時間+ HRT為6+18hr時，有較佳的產氫 效率。而在每克進流COD及每克去除COD之產氫率，則是隨著總循序時間增加而 增加。

圖4-9 不同循序時間SBR串聯不同HRT CSTR的每天單位體積產氫量比較圖

由表4-24 可以明顯看出，當總循序時間+ HRT為24+72hr時，前段SBR水解 反應槽出流水分別有較佳的COD及其溶解性COD去除率分別為9.95及8.63%；後 段CSTR醱酵產氫反應槽COD及其溶解性COD去除率分別為12.7及15.8%。

由上述可知COD去除效率隨總循序時間增加而增加，而分離培養進流基質稻 殼經過前段SBR反應槽水解後，其水解過後的細小分子產物更容易被後段CSTR 醱酵產氫反應槽內的醱酵產氫菌所加以利用去除。

2.鹼度

由表4-25 鹼度變化情形可看出，當總循序時間+HRT為6+72hr 時，前段SBR 水解反應槽有較多的鹼度減少量為14.7%，後段CSTR醱酵產氫反應槽鹼度減少量 為21.9%。其次為循序時間+HRT為12+36hr，前段SBR水解反應槽鹼度減少量為 11.8%，後段CSTR醱酵產氫反應槽鹼度減少量為18.3%。最差為總循序時間+HRT 為24+72hr，前段SBR水解反應槽鹼度減少量為10.3%，後段CSTR醱酵產氫反應槽 鹼度減少量為14.3%。

由上述可知，由於SBR串聯CSTR前段水解反應槽不產氫，所以鹼度的消耗 量比後段CSTR醱酵產氫槽鹼度消耗量來的較少；此乃因反應中基質經由前段 SBR反應槽水解所產生的溶解性COD被後段CSTR醱酵產氫菌反應槽轉換為揮發 酸，因而在後段CSTR有大量鹼度的消耗。

3.揮發酸

由表4-25 揮發酸濃度變化情形可看出，三組試驗在前段SBR水解反應槽的揮 發酸增加量差距不大，介於50-80 mg/L之間，而當總循序時間+HRT為6+72hr時，

後段CSTR醱酵產氫反應槽揮發酸濃度增加量最多為3175 mg/L。揮發酸增加量最 少為總循序時間+HRT為24+72hr，後段CSTR醱酵產氫反應槽揮發酸濃度增加量 為1650 mg/L。因為在總循序時間+HRT為6+72hr時，每天進料基質為4L，可利用 的基質也較多，所以在總產氫量是最多的，而相對的其揮發酸增加量也相對較 多；而在總循序時間+HRT為24+18hr時，每天進料為1L，可利用的基質少，因此 相對的在總產氫量上少，揮發酸增加量也較少。

表4-24 不同循序時間SBR串聯不同HRT CSTR其進出流水COD濃度、溶解性COD濃度 及

被CSTR 醱酵產氫微生物分解利用，所以前段 SBR 水解反應槽其總固體物及懸

第八節 SBR 不同起始及 CSTR 中不同 pH 對分離式反應槽 產氫效率之影響

由批次試驗的研究結果，可以得知以水解菌以起始pH 值為7.0 時有最佳的 水解效果，其次為起始pH值為6.5。由上述可知當以稻殼基質被水解菌分解以越 接近中性的水解效果越好。所以本研究將分別探討SBR在不同起始pH(8.0、7.5、

7.0、6.5、6.0)等操作範圍，以及將後段CSTR出流pH操作在(6.0、5.5、5.25、5.0、

4.5)等範圍，以了解何者pH有較佳的水解及產氫效果。

在分離式反應槽系統中，前段為水解反應槽，水解菌將固體基質先轉成較小 的分子，此階段因水解反應使溶解性COD 增加；後段為醱酵產氫反應槽，醱酵 產氫菌利用溶解性COD 經由產酸反應而產氫，此時溶解性 COD 在被利用過程中 逐漸轉變為揮發酸，同時會累積產生氫氣及揮發酸。因此本研究中衡量分離式反 應槽SBR+CSTR，前段 SBR 水解反應槽效果好壞，主要是以溶解性 COD 的增加 量作為判斷的依據。而後段醱酵產氫CSTR 反應槽效果好壞，除直接以產氫率的 高低作判斷的依據，也可以利用溶解性COD 減少量及揮發酸增加量作為衡量的 依據。

一、SBR 不同起始 pH 之試驗比較

本試驗將先變化前段 SBR 反應槽不同起始 pH 為 8.0、7.5、7.0、6.5、6.0 共 五組，固定後段的CSTR 醱酵產氫槽於 pH 5.25，找出前段 SBR 最佳水解之 pH 值。

(一)產氫量之比較

由表4-27可得知以水解反應槽起始pH值為7.0 ，有最佳的水解效果，溶解性 COD增加率為19.9％；其次為起始pH值6.5，溶解性COD 增加率為19.1％；而水 解效果最差為，以起始pH值為8.0，溶解性COD 增加率為15.7％，從試驗初期到 中期的階段因為分離式反應槽SBR+CSTR之前段SBR水解菌發揮水解基質的作 用，將有利於後段的CSTR醱酵產氫反應之進行，所以各組前段在初期的SBR水

解反應槽溶解性COD 都是增加的，再者由表4-28 研究結果，在後段CSTR醱酵 產氫反應槽在每克進流COD產氫率及每克去除COD產氫率都以起始pH 7.0時，有 較佳的每克進流COD產氫率，為2.94mmole H2/g-CODin；其次為進流水起始pH 6.5，產氫率為2.63mmole H2/g-CODin；再其次為進流水起始pH 7.5組，產氫率為 2.41mmole H2/g-CODin；最差為進流水起始pH 8.0，產氫率為1.86mmole

H2/g-CODin。所以綜合上述結果 pH變化的過程中及產氫率可得知，前段起始進

1.COD濃度變化

由表4-29可看出，起始 pH值為7.0組有較佳的COD及其溶解性COD去除率；

在分離式反應槽SBR 串聯CSTR，前段SBR水解反應槽分別有COD及其溶解性 COD去除率分別為12.5及13.3%；後段CSTR醱酵產氫反應槽COD及其溶解性COD 去除率分別為20.2及21.8%。去除率最差為起始pH值為8.0，前段SBR水解反應槽 COD及其溶解性COD去除率分別為5.37及7.41%；後段CSTR醱酵產氫反應槽COD 及其溶解性COD去除率分別為15.4及16.1%。

從上述可知總COD去除率均隨著分離式反應槽SBR 串聯CSTR不同起始pH 值的下降而增加。而在前段SBR水解反應槽越接近中性pH =7.0其水解效果越好；

後段CSTR反應槽水解後的產物更容易被醱酵產氫菌所利用去除，所以有較佳的 COD去除效率。COD去除效率隨總循序批次時間增加而增加，而進流基質稻殼經 過反應槽水解後，其水解過後的細小分子產物更容易被醱酵產氫菌所加以利用去 除。

由圖4-10稻殼搭配水解菌種的溶解性COD反應變化，稻殼因為被前段SBR水 解菌反應槽分解成細小的基質，所以在反應過程試驗前期溶解性COD是增加的，

而試驗反應過程中，初期各組pH到試驗反應第6hr，溶解性COD就停止無法再增 加，試驗第7hr之後溶解性COD濃度開始下降，直到第18hr之後溶解性COD濃度 減少趨勢漸趨平緩。由上述可知水解菌在反應過程中，在第0-6hr大量的水解稻 殼，始溶解性COD是增加上升的。

2.鹼度

由表4-30 鹼度變化量情形可以看出，在分離式反應槽 SBR 串聯 CSTR，起 始pH7.0 前段 SBR 進流組鹼度減少量較多，其出流水鹼度減少量為 11.8%；後段 CSTR 反應槽出流水鹼度減少量為 17.1%。而鹼度減少最少為，起始 pH 8.0，其 前段 SBR 出流水鹼度減少量為 5.74%；後段 CSTR 反應槽出流水鹼度減少量為 8.58%。由上述可知，其反應槽中 pH 值達到前段 SBR 水解反應槽水解稻殼固形 物最佳pH 值範圍，加快水解速率，而緊接在後段 CSTR 醱酵產氫菌產生較多揮

發酸，在發酸產氫的過程，而使鹼度在第二段CSTR 消耗量較前段 SBR 較多。

圖4-10 當稻殼基質之COD濃度為20000 mg/L，SBR不同起始 pH組於反應過程中pH 值變化對溶解性C/C⁰之變化情形

3.揮發酸

表4-30 揮發酸濃度變化情形可明顯看出，在分離式反應槽 SBR 串聯 CSTR，

前段SBR 其出流水揮發酸增加量各組試驗差距不大，範圍在 10-20 mg/L，而後 段CSTR 反應槽出流水則有較多揮發酸增加量，增加最多為起始 pH 7.0，增加 2650mg/L。而當起始 pH 為 8.0，其後段 CSTR 反應槽出流水揮發酸增加量最少，

為1460mg/L。

上述試驗結果顯示，揮發酸的變化量是為產酸反應減掉耗酸反應之差，當起 始pH 為 7.0 時，前段 SBR 能有效水解稻殼固形物，使稻殼能分解成細小分子，

進流到後段CSTR 反應槽以利醱酵產氫菌利用，因而有最大的產氫率而產酸反應 速率增加，耗酸耗鹼的速率更快，所以出流水之揮發酸增加量有上升趨勢。而在 較高的起始pH 值 8.0 之下，由於反應過程 pH 離達到水解菌最佳水解 pH 還有一 段範圍所以其揮發酸的濃度略顯的較低。

表4-30 SBR不同起始pH對SBR串聯CSTR之進出流水鹼度與揮發酸濃度 及20.4 %；其次為pH 6.5，總固體物及懸浮固體物減少量，分別為19.0及17.5 %；

最差為pH 8.0，分別為14.2及11.9 %，而在後段CSTR反應槽出流水之總固體物及

表4-31 SBR不同起始pH對分離式SBR串聯CSTR之進出流水TS與SS濃度

表4-31 SBR不同起始pH對分離式SBR串聯CSTR之進出流水TS與SS濃度