第四章 結果與討論
第五節 不同污泥/酒糟濃度之批次產能試驗
由前次批次試驗（不同COD濃度及不同污泥/酒糟混合比）之結果得知，複 合基質總能量來源主要以CH4為主，H2只佔少部分而已。而複合基質中酒糟成 分太多或太少對產能均會有影響，酒糟成分太多，pH值會下降太快且相對的甲 烷菌（甲烷菌主要來源為黎明污泥）含量低而影響產甲烷；酒糟成分太少，相 對的雖然甲烷菌含量多，但可供利用的產能基質變少，無法達到最佳產能。
由每克COD 之產能等高線圖推估，當污泥 COD 濃度操作在 4,000mg/L、
酒糟COD 濃度操作在 16,000mg/L 時，複合基質能夠獲得最佳產能。另外，由 試驗4-1、4-2 得知，當污泥操作在 4,000mg/L 有最佳產效率，為了確認此結果，
進行一組驗證組試驗，固定總COD 濃度 15,000mg/L，變化污泥濃度 2,000、
4,000、8,000mg/L，其產能結果與試驗 4-1、4-2（因為試驗 4-3 複合基質最低污 泥濃度組別＃5，其污泥濃度為 6,000mg/L，因此不進行比較）比較的結果如圖 4-9。
0 200 400 600 800 1000
0 5 10 15 20 25
10000mg/L
驗 證 組 試驗 30000mg/L
污泥濃度（g/L）
Cal/g-CODin
圖4-9 污泥濃度與每克 COD 產能之關係圖
由驗證組試驗結果，依然為污泥濃度在4,000mg/L 時，其產能效率最佳，
因此推測，當污泥與酒糟複合基質在固定反應體積（本次批次試驗實際反應體 積100ml）內進行厭氧醱酵反應時，若植入一定量濃度（4,000mg/L）的污泥，
能夠有最佳的產能。有鑑於此，本試驗（試驗五）將進行二組試驗：（1）固定 污泥濃度（4,000mg/L），變化酒糟濃度（8,000、12,000、16,000、20,000、
26,000mg/L）試驗，以求出酒糟濃度的操作範圍，而為了求出最佳污泥植入量 進行（2）固定酒糟（16,000mg/L）變化污泥濃度（2000、4000、8000、12000、
16000mg/L）試驗。
一、產能部分
從H2及CH4累積產量圖（圖4-10）及累積氣體產能量表（表 4-11）可看出，
當固定污泥濃度（4,000mg/L），酒糟濃度為 16,000mg/L時有最佳的產H2量 0.42mmole，其次為 12,000mg/L（0.32mmole）；而產H2量 最 差 的 酒 糟 濃 度 8,000mg/L（0.18mmole），其次為26,000mg/L（0.27mmole）；而當固定酒糟濃度
（16,000mg/L），污泥濃度為 4,000mg/L時有最佳的產H2量 0.42mmole，其次為 2,000mg/L （ 0.37mmole ）； 而 產 H2量 最 差 的 為 污 泥 濃 度 16,000mg/L 時
（0.27mmole），其次為 12,000mg/L（0.29mmole）。因此由結果可確定，當污泥 濃度操作在4,000mg/L、酒糟濃度操作在 16,000mg/L時，可得到最佳的產H2量。
酒 糟 濃 度 太 高 或 太 低 對 產H2量 的 確 會 對 造 成 影 響 ， 而 當 污 泥 濃 度 超 過 4,000mg/L，產H2量也會隨著污泥濃度增加而遞減。
由試驗5-1（固定污泥濃度 4,000mg/L）結果得知，當酒糟濃度為 16,000mg/L 時，有最佳產能545 cal/g- CODin，其次為酒糟濃度12,000mg/L(531 cal/g- CODin）、20,000mg/L (508cal/g-CODin）。而當酒糟濃度為26,000mg/L，其產能最 差，為243cal/g-CODin。由試驗結果可發現當複合基質其酒糟濃度16,000mg/L 時，有最佳的產能量，小於或大於此濃度，產能效率都會降低。因為當酒糟濃 度小於16,0000mg/L時，總產能量會隨著酒糟含量增加而增加，主要是其中可
0
（a）固定污泥濃度（4,000mg/L）變化酒糟濃度
（b）固定酒糟濃度（16,000mg/L）變化污泥濃度
污泥濃度 酒糟濃度
圖4-10 不同污泥及酒糟濃度批次產能試驗之H2及CH4累積產量圖（試驗五）
表4-11 不同污泥及酒糟濃度批次產能試驗之累積氣體產能量（試驗五）
克數（g） cal/CODin cal/CODre
試驗5-1：固定污泥濃度 4,000mg/L 酒糟濃度
#1（8,000） 194.9 2.32 37.95 59.73 0.18 2.93 12.2 623 635 1.35 470 1323
#2（12,000） 260.0 3.09 38.45 58.46 0.32 3.96 21.7 842 863 1.63 531 1233
#3（16,000） 315.8 3.39 40.92 55.70 0.42 5.11 28.9 1088 1117 2.05 545 1353
#4（20,000） 370.5 1.96 39.30 58.74 0.29 5.76 19.6 1226 1246 2.45 508 1993
#5（26,000） 217.9 3.07 38.85 58.08 0.27 3.35 18.1 713 731 3.01 243 609 試驗5-2：固定酒糟濃度 16,000mg/L
污泥濃度
#1（2,000） 247.7 3.81 37.90 58.29 0.37 3.72 25.5 791 816 1.82 450 1067
#2（4,000） 326.0 3.24 39.52 57.24 0.42 5.10 28.6 1085 1,113 2.01 555 1060
#3（8,000） 226.8 3.96 38.56 57.48 0.36 3.46 24.3 736 761 2.40 317 742
#4（12,000） 217.2 3.35 36.48 60.17 0.29 3.14 19.7 667 687 2.81 245 547
#5（16,000） 148.0 4.59 34.56 60.84 0.27 2.02 18.4 431 449 3.17 142 298
用於產能的有機物逐漸增加的緣故；而當酒糟濃度大於16,000mg/L，雖然酒糟 可用的有機物相對較多，但總能量反而明顯降低，尤其當酒糟濃度達26,000ng/L 以上時，更是如此，且已產生顯著抑制作用，推測原因可能是部分受到滲透壓 的影響及部分受到pH 值的影響。
由試驗5-2（固定酒糟濃度 16,000mg/L）實驗結果得知，當污泥濃度為 4,000mg/L時，除了有最佳產H2量及產CH4量，同時也有最佳產能555 cal/g- CODin，其次為污泥濃度2,000mg/L(449 cal/g-CODin）、8,000mg/L(317cal/g- CODin）；而當污泥濃度為16,000 mg/L，其產能最差，為 142cal/g-CODin。由試 驗結果亦可發現當複合基質其污泥濃度為4,000mg/L時，有最佳的產能量，小 於或大於此濃度，產能效率都會降低。這是因為當污泥濃度小於4,0000mg/L，
產能菌太少（包括Clostridium和甲烷形成菌），所以相對產能較差；而當污泥濃 度大於4,000mg/L，雖然污泥濃度變高，但COD去除率並沒有降低，反而有升 高的趨勢（污泥濃度：8000、12000、16000mg/L；去除率：42.7、44.7、47.5
％），因此推論可能還有其他菌滋生，才導致產能降低。
將試驗5-1、5-2 各組酒糟與污泥之比值（S/X）與每克 COD 之產能做圖，
以探討彼此間關係，由S/X 值與 COD 每克產能之關係圖（圖 4-11）可看出在 試驗中（試驗5-1、5-2），當S/X＝4（污泥濃度 4,000mg /L ；酒糟濃度 16,000mg/L）
時，均有最佳的產能效率。而在試驗5-1（固定污泥濃度）中，當 2≦S/X≦5 時，每克COD 產能變化情形不大，但是當 S/X≧6.5 時，因酒糟成分突然增加 太多導致產能效果不佳。在試驗 5-2（固定酒糟濃度）中，當 4≦S/X≦8，每克 COD 產能變化情形不大，且隨著 S/X 增加而遞減，但是當 S/X≦2 時，因複合 基質其污泥成分太少（產氣菌太少），因此導致產能效果不佳。
0 100 200 300 400 500 600
0 2 4 6 8 10
S/X
cal /g -C O D
in固 定 污 泥 濃 度 試 驗 固 定 酒 糟 濃 度 試 驗
S：酒糟濃度；X：污泥濃度 S/X
圖4-11 S/X 值與 COD 每克產能之關係圖
二、水質監測部分
由表4-11 水質變化情形可看出，在試驗初期，由於各組起始 pH 均控制在 5.25 因此有利於酸化水解反應進行，待產氫已結束後，在試驗中期觀察試驗各 組pH 值變化，在試驗 5-1（固定污泥濃度）各組 pH 值均有下降的情形（pH4.46
～4.62），且隨著酒糟成分愈多，pH 值降的愈低；而在試驗 5-2（固定酒糟濃度）
各組pH 值也相同有下降的情形（pH4.07～4.86），但卻隨著污泥成分增加，pH 值愈不易下降。為了使各組於試驗中後期有利於甲烷化進行，因此在試驗中期 將各組pH 值調至 7.0，由產氣成分分析可知各組在試驗後期均有甲烷化反應進 行，量測其pH 值不降反升，各組 pH 值約介於 7.2～7.4 之間。
在揮發酸濃度方面，因為各組在試驗初期隨著水解酸化反應進行，因此在 試驗中期，各組其揮發酸濃度均有增加的情形，而在試驗後期，隨著甲烷化反 應的進行，各組之揮發酸濃度均有減少。在 COD 去除率方面，在試驗 5-1（固 定污泥濃度），當酒糟濃度介於 8,000～20,000mg/L，總產氣量隨著酒糟濃度增 加而增加，而COD 去除率也隨之增加，這是因為污泥中已提供足夠的菌量，而
所增加的有機物量是容易去除者，因此其有機物的增加量愈多，則相對的 COD 去除率則愈高，但是當酒糟濃度達26,000mg/L，其產能效率卻降低，而 COD 去除率減少，推測原因可能為菌群受到部分pH 值及部分滲透壓的影響。而在 試驗5-2（固定酒糟濃度）水質分析數據可明顯看出，隨著污泥濃度的增加，
COD 去除率也隨著之增加，這是因為污泥中含有相當豐富的菌相，因此相對的 污泥含量愈多菌數則愈多，因此有機物質消耗也就愈多。
表4-12 不同污泥及酒糟濃度批次產能試驗之水質變化情形（試驗五）
試驗5-1：固定污泥濃度 4,000mg/L 酒糟濃度
#1（8,000）5.25 4.62 7.26 13,500 11,750 8,700 35.56 7,350 6,250 4,500 5,000 4,400 3,450 372 720 294
#2（12,000）5.25 4.52 7.26 16,250 13,650 9,950 38.77 9,100 7,100 5,350 6,350 4,700 3,750 492 846 348
#3（16,000）5.25 4.50 7.35 20,500 18,200 12,250 40.24 11,450 7,600 7,050 6,800 5,500 4,350 582 1,188 432
#4（20,000）5.25 4.48 7.40 24,500 22,100 14,150 42.24 12,900 8,450 7,850 7,800 6,900 4,900 660 1,224 498
#5（26,000）5.25 4.46 7.45 30,100 28,050 18,100 39.87 16,500 10,850 8,550 8,700 8,250 5,000 822 1,668 606 試驗5-2：固定酒糟濃度 16,000mg/L
污泥濃度
#1（2,000）5.25 4.07 7.32 18,150 14,500 10,500 42.15 10,700 6,350 5,550 5,600 3,850 3,300 492 1,260 456
#2（4,000）5.25 4.46 7.41 20,050 17,600 9,550 42.37 12,350 7,550 6,650 7,200 5,300 4,250 618 1,206 432
#3（8,000）5.25 4.55 7.43 24,000 21,100 13,750 42.71 14,900 10,600 8,700 10,000 8,850 6,550 846 1,488 576
#4（12,000）5.25 4.62 7.42 28,050 24,650 15,500 44.74 17,000 15,450 10,650 12,500 11,850 8,800 948 1,746 726
#5（16,000）5.25 4.86 7.45 31,700 29,550 16,650 47.48 20,750 17,450 13,850 17,150 15,000 11,250 1,026 2,004 906
第六節 批次試驗反應動力學之探討與模擬
本節將針對批次試驗各試程之累積產能與時間的關係以Gompertz equation 迴歸，並為各試程之最大產能速率（Rm）、產能潛勢（P）及遲滯期（λ）的關
將每日累積總產能量與反應時間代入修正式中，利用軟體SigamaPlot V10 之Statistics→Dynamic Fit Wizard功能，即可得到最大產能速率（Rm）、產能潛勢
（P）及遲滯期（λ）。
由圖4-12 可看出，真實值與模擬值幾乎相同，誤差極小，因此由圖可知，
以Gompertz equation 來模擬複合基質產能是相當適合，以下就各試驗之反應動 力學分析結果來探討。
表4-13 不同污泥/酒糟混合比批次產能試驗動力學分析結果（試驗一）
試程別 組別
（污：酒）
最大產能速率Rm
（cal/day）
遲滯期λ 看出在#3 組（污/酒＝3/2）有最大產能速率（Rm）31.3cal/day，及產能潛勢（P）
295cal、模擬產能潛勢（P）305cal。而酒糟成分含量較多的組別（#5、#6）遲 滯期均較長，因此不論真實產能潛勢或者模擬產能潛勢，其產能效果均不佳。
由表4-14 可看出在不同起始 pH 批次試驗中，當起始 pH 值≧7 時，因為愈 容易使甲烷反應驅動，所以遲滯期較短，約為 16～19 天；而當起始 pH≦5.0 時，
可發現遲滯期有愈來愈長趨勢，不利於產能反應進行。當起始pH 為 7.0 時，有 最大產能速率22.6cal/day；而當起始 pH≦5.0 時或≧8.0 時，可看出反應之最大 產能速率均最不佳。在產能潛勢方面，可看出隨著起始pH 增高（pH4.5～7.0），
不論是真實或模擬產能潛勢（P）也均隨著增高，當 pH 為 7.0 時，有最大值（真
實：307.2cal；模擬：420.7）；但是當 pH＞7.0 時，產能潛勢（P）卻隨著 pH 值
（cal/day）
遲滯期λ 大致比試驗3-1（起始pH5.25）、3-2（起始pH7.0）佳，但是當磷酸鹽濃度≧
7.5g-PO43-/L時，其最大產能效率（Rm）也會受到影響。因為試驗3-3 採pH二相 式操作比試驗3-2（單相甲烷化反應）多出一段產氫反應階段，因此其遲滯期（λ）
大約多出5～8day，除此之外，亦可看出pH二相式操作其遲滯期（λ）也會受 到磷酸鹽濃度的影響。而在產能潛勢（P）方面可看出，當起始pH為 7.0 其產能
潛勢（P）受到磷酸鹽濃度影響不大，當起始pH為 5.25（試驗 3-1、3-3）則會
（cal/day）
遲滯期λ
為12～20cal/day；酒糟約為 0.13～0.72cal/day）來的佳。而當COD濃度為 20,000mg/L、污泥/酒糟=1/4 時，有最佳的最大產能效率（Rm）156.2cal/day。由 各濃度試驗可看出，因為組#1（基質為全污泥）於試驗一開始即進行甲烷化反 應，所以其遲滯期（λ）比試驗中各複合基質之組別（#2～#5）短約為 10～16 天左右。除此之外，遲滯期（λ）大致上會隨著複合基質酒糟成分增加而增加。
（cal/day）
遲滯期λ 10,000mg/L
#6（0：5） 0.13 -98.5 16.0 15.5 20,000mg/L
#6（0：5） 0.72 -49.1 56.4 57.03 30,000mg/L
#6（0：5） 0.66 -42.0 47.4 48.4
由表4-17 可看出在不同污泥與酒糟濃度批次產能試驗中，固定污泥COD濃 度（4,000mg/L），當酒糟COD濃度於 20,000、16,000mg/L，分別有較佳的最大 產能效率（Rm）118.7、92.7cal/day；而固定酒糟COD濃度（16,000mg/L），當污 泥COD濃度於 4,000mg/L，有最佳的最大產能效率（Rm）99.1cal/day。由試驗 5-1（固定污泥濃度），由於各組所添加污泥濃度均相同（4,000/L），而產能反應 大部分的菌來自污泥，因此各組的產能菌在數量上應差不多，所以驅動反應時 間也差不多，故遲滯期（λ）也相差不大，約介於20～22day之間。且由試驗 5-2（固定酒糟濃度）亦可看出，污泥濃度愈高，其遲滯期（λ）較短，反之，
則較長。而當污泥濃度為4,000mg/L、酒糟濃度為 16,000mg/L時，有最佳真實
則較長。而當污泥濃度為4,000mg/L、酒糟濃度為 16,000mg/L時，有最佳真實