第四章 結果與討論
第一節 不同擔體產氫率及固定化成效之比較
一、固定化擔體之選擇
本研究一開始考慮以 CSTR 反應槽處理以污泥為基質，進行產能試驗時，
爲能有效滯留及濃縮生物污泥，須採有效的固定化技術，以有效滯留生物污 泥。本次試驗以 CSTR 為反應槽，採用三種擔體，包括：活性碳棉（比重約 1.0，經剪裁後尺寸 0.8 cm×0.8 cm×0.2 cm，擔體填充率約 30％，以磁石攪拌 機作為攪拌動力）、多角度生化球（一般 PVC 材質，比重小於 1，擔體填充 率約 30％，以磁石攪拌機作為攪拌動力）、顆粒狀活性碳（顆粒大小約 2.36~1.70mm，為椰子殼材質，比重約 1.34，擔體填充率約 30％，以磁石攪拌 機作為攪拌動力）等（形狀、大小詳見表 3-1），利用完全混合式反應槽，以 人工合成廢水為基質（成分、濃度詳見表 3-2），有機負荷 60 kg-COD/m3．d、
溫度為 35℃下進行測試。由表 4-1 試驗結果得知，三種擔體中以活性碳棉為 最佳之固定化擔體，其所得產氫率分別為 2,246 ml/L．day；其次為活性碳粒，
其所得產氫率為 1,684 ml/L．day；而多角度生化球擔體為最差，其所得產氫 率為 500 ml/L．day。反應槽 MLSS 濃度亦以活性碳棉為最高，其濃度為 10.7 g/L；其次為活性碳粒 2.34 g/L；而多角度生化球擔體為最差濃度為 0.73 g/L；
反應槽中氫氣含率分別為 50.1、45.5、39.0％。由圖 4-1 可知利用活性碳棉作 為醱酵產氫菌群之固定化擔體，其產氫反應的遲滯期最短，反應槽中可累積之 MLSS 為最高，單位反應槽體積產氫率為最大，顯示此一介質材料對微生物不 具毒性，且可快速的累積高濃度之菌體量，是為對醱酵產氫菌固定化材質的最 好選擇。本研究在試驗過程中發現（如圖 4-2~4-4），活性碳棉雖然能夠有效 固定化產氫菌群，但因為活性碳棉擔體會隨著氫氣而上浮至反應槽上端，造成 出流口堵塞，故將重新進行反應槽之設計，避免因上述情況發生，而造成反應 槽操作不良。
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圖 4-2 活性碳棉 CSTR 反應槽示意圖
圖 4-3 活性碳粒 CSTR 反應槽示意圖
圖 4-4 多角度生化球 CSTR 反應槽
二、反應槽設計對醱酵產氫效率之影響
本研究曾將剪成 0.8 cm×0.8 cm×0.2 cm 大小活性碳棉（填充率 30％）放 入 CSTR 反應槽中，最為污泥附著之介值，活性碳棉塊會隨著所產生的氫氣 上浮至槽頂，無法在反應槽中呈懸浮狀態，故重新設計反應槽之固定化裝置，
期能促進能源的產率及提升固定化之效果。反應槽之改進分為三個階段及效果 如下：
（一）傳統式 CSTR 反應槽
如圖 4-5 所示：利用磁石攪拌台作為攪拌動力，以人工合成廢水基質，
反應槽溫度控制在 35℃下進行測試。由外觀觀察，黑色活性碳棉表面附著了 一層白色菌體，反應槽產氫率約 2,246 ml/L．day，氫氣含率約占 39％，反 應槽中 MLSS 濃度為 10.9 g/L，故推論為產氫菌群能有效附著於活性碳棉擔 體上。此反應槽缺點為活性碳棉會懸浮於反應槽上端，且易堵塞出流口，造 成反應器操作不佳。
圖 4-5 傳統式 CSTR 反應槽
（二）氣密馬達攪拌式反應槽
如圖 4-6 所示：將傳統式 CSTR 反應槽改裝為利用氣密馬達帶動攪拌支 架作為攪拌動力，並設計兩支循環水流，想利用水流的衝擊力來擾動活性碳 棉，使活性碳棉擔體懸浮於反應槽中，但因水流之衝擊力過大，易使附著於 擔體上之附著菌體脫落，嚴重影響氫氣效率，故重新進行反應槽設計。
圖 4-6 氣密馬達攪拌式反應槽
（三）氣密式活性碳棉 CSTR 反應槽
本研究再將前述氣密馬達攪拌式反應槽加以改裝，帶動支架，將活性碳 棉剪成 2.5cm×2.5cm×0.5cm 大小，固定於活性碳棉攪拌支架上（如圖 4-7、
4-8 所示），使活性碳棉擔體均勻分布在反應槽中（如圖 4-9 所示），且無 擔體上浮及堵塞出流口之虞，其產氣量約為 8533.3 L/m3.day，H2含率約占總 氣體組成之 59.0％、CO2約 41％、沒有 CH4產生，氫氣產率約為 5034.6 L/m3.day，COD 去除率約 12.5％。反應槽於第 15 天產氣達穩定，MLSS 為 4.26 g/L，反應槽操作容易，且產氣狀況良好。由圖 4-10 及 4-11 比較可知，
菌體外觀呈白色之產氫菌群能夠大量且有效的固定在活性碳棉攪拌架上。
圖 4-7 活性碳棉攪拌架
圖 4-8 將活性碳棉擔體置於支架後
圖 4-9 改良後活性碳棉 CSTR 反應槽
圖 4-10 活性碳攪拌架與攪拌馬達
圖 4-11 置入活性碳棉擔體後 46 天結果
由試驗結果得知經過改善反應槽之設計能有效的提升氫氣之產率。以下 實驗皆是利用改善完成之活性碳棉完全混合式反應槽所完成。