行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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以固定化菌體反應器處理養殖場廢氣(硫化氫及氨)之研究
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計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 90-2317-B-009-001
執行期間： 90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日
計畫主持人：曾慶平 教授
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學生物科技研究所
中 華 民 國 91 年 10 月 28 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
以固定化菌體反應器處理養殖場廢氣(硫化氫及氨)之研究
Biotreatment of H
2S and NH
3Containing Waste Gases By
Immobilized Cell Reactor
計畫編號：NSC 90-2317-B-009-001
執行期限：90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日
主持人：曾慶平教授 交大生物科技研究所
一、中文摘要 本 年 度 為 多 年 期 研 究 計 畫 之 第 三 年，乃依據模場之研究結果，設計實場系 統，並進行長時間操作，以了解實場操作 可能遭遇之問題或本系統優越之處。研究 結果顯示，硫化氫(0.15~17.5 ppm)與氨氣 (0.5~5.0 ppm)之去除率分別可達 100%和 97%，而大部分之有機硫與有機氮廢氣亦 可併同去除。此外根據系統之 pH 變化、 壓損、溼度、優勢菌相穩定度與生物氣膠 產量，顯示本系統已可實際應用在不同實 場以去除臭味。 關鍵詞：硫化氫、氨、生物滴濾床 AbstractThis project is the third year of multi-years project. The field-scale system was designed according to the results of pilot-scale system. The experimental results indicated that the removal efficiency for H2S
and NH3 achieved to 100% and 97%,
respectively, and most organic sulfur and nitrogen compounds were simultaneously removed. In addition, the changes in pH, pressure drop, moisture content, bacterial communities and bioaerosol also showed that the system was available for the further commercial application.
Keywords: Hydrogen sulfide, Ammonia,
二、緣由與目的 本計劃屬於「農業生物技術國家型科 技計畫」中環境保護之範疇，目前計畫之 重點乃是應用於農產事業之除臭，並建立 本土化除臭生物技術。過去兩年本實驗室 已完成實驗室內與模場規模之除臭研究， 其成果豐碩(自營性系統：適用於中高濃度 NH3/H2S 之產業如堆肥場、橡膠加工業。 異營性系統：適用於中低濃度 NH3/H2S 之產業如畜殖場、污水處理場)。本年度依 據過去所累積之實驗結果，設計實場系 統，並實際以養豬場之固液分離槽之惡臭 為廢氣源，採用異營性固定化系統進行長 期除臭效果之評估，以滿足現在及將來趨 嚴之固定污染源排放標準與周界標準。. 三、結果與討論 本研究實場操作時間共 288 天，圖一 顯示氨氣之處理狀況。由空白研究可知生 物濾料對於氨氣之吸附貫穿時間約為 11 天，但從圖中可知直至第 25 天後才在出氣 口處偵測到極微量的氨氣(0.001 ppm)，此 現象代表在這 25 天操作期間，微生物亦具 有分解能力，同時反應系統之物理吸附與 生物氧化作用已達動態平衡，因此才延長 了氨氣在整個系統的貫穿時間。整個操作 期平均去除效率可達 97%，因此本系統在 去除氨氣上具有相當不錯的去除效果。 圖二表示不同氣體停留時間對氨氣去
時間愈長，氨氣的去除效果也會愈好，停 留時間控制在 40 秒時，氨氣之去除效率可 以達到 99.2%以上的去除效率。 圖三顯示硫化氫之處理狀況。結果顯 示在此操作流速下，僅需第一段的生物滴 濾床系統即可完全達到 100%除硫效率， 表示此系統對於低濃度(0.2~17.5 ppm)之 硫化氫有極佳的除臭效果。 圖四為長期操作下生物滴濾床各取樣 口之 pH 值變化。結果顯示整個操作期間， 反應槽上下呈現 pH 值由高至低之梯度現 象，此乃因為愈接近入氣口未被分解之氨 離子或有機胺愈多所造成，雖然系統中有 此梯度現象，但在長達 288 天操作期中， pH 值之範圍仍維持在 6.8~8.0 之間，系統 沒有嚴重的酸化現象發生。長期操作下原 植種菌株於生物滴濾床內之分佈比例變 化，從微生物之比例變化情形可發現，取 樣 口 2 所植種的菌株維持較大之優勢 (84%±3%)，其次是取樣口 1 (77%±2%)， 最後是取樣口 3 (73%±4%)，顯示所植種之 菌株雖然處於實場環境，但依然可維持相 對之優勢。 圖五為長期操作下生物滴濾床之濾料 水含量變化。由於在長期操作下，系統中 的水氣將會隨氣體而釋出，因此系統的水 含量將可能隨氣體流速之增加而逐漸降 低，但本研究結果顯示，本系統生物濾料 的 保 濕 能 力 相 當 穩 定 ， 平 均 保 持 41.5±0.7%的含水量，因此除了可提供微生 物生長外，且能因而產生較少之壓損。 生物處理系統已成為未來去除臭氣之 主要趨勢，然而生物處理系統中包含著大 量微生物，因此在處理高流量的廢氣時， 必須考慮到固定化效果，以防止微生物從 生物系統中釋出，進而對環境造成衝擊的 可能性。在長期操作後期，我們檢測生物 氣膠之產量，由實驗結果得知出流氣體中 含有微生物約 2.9×103 ~1.2×104 CFU/m3， 這些生物氣膠的濃度都低於一般傳統泥炭 土生物濾床(1.4×105 CFU/m3)和養豬場之 豬舍內空氣(3.3×105 CFU/m3)所釋出的濃 度。因此本系統將來可安全無慮地應用於 人口稠密之都會區。 圖六顯示進行填充前之菌體固定化於 顆粒活性濾料表面之電顯圖(9,000×)，可發 現此時尚未有生物膜形成。連續操作 90 天後，生物活性濾料表面菌相變化如圖七 (9,000)，生物濾料表面上已有明顯形成生 物膜之現象。操作 250 天後，生物活性濾 料表面菌相變化如圖八(4,500)，可發現經 由長時間操作，生物濾料表面微生物附著 程度仍相當良好及穩定，生物膜外觀和活 性濾料皆無崩解現象發生，微生物依然可 以持續進行生長與降解污染物。 圖九為儲存槽內含硫化合物之代謝 產物變化。由結果得知硫酸根之濃度隨操 作時間的增加而遞增，而不完全氧化產物 硫離子之濃度沒有明顯的累積趨勢。 圖十為儲存槽內含氮化合物之代謝 產物變化。由結果得知氨離子與亞硝酸之 濃度皆隨操作時間的增加而遞增。而硝酸 根之濃度則沒有明顯的累積趨勢，顯然此 系統所代謝硫化物與氮化物之主產物以硫 酸與亞硝酸為主。 圖十一流速和系統壓損之關係，由此 可看出流速和壓損呈現相當良好之線性關 係，流速愈大壓損也愈大。本生物滴濾床 系統之壓損介於 10~45 mm H2O/m 之間， 遠低於傳統生物濾床之壓損值。本實驗亦 於第 45~55 天，進行 10 天之停工期，並 觀察去除效率、pH、微生物及產物之變 化，其結果請參見圖一、三、四、五、九 及十。對於硫化氫與氨氣之處理，停工期 對於本系統之操作幾乎沒有影響，同時微 生物之數量也未因系統停工而大量死亡。 顯見本系統極適合運用於實場操作。 四、計畫成果自評 本研究計劃已依原計畫提案之內容及 時完成，並另行評估去除有機氮與有機硫 之可行性。研究結果整體顯示，系統各種 操作參數皆符合工程化標準，而經濟性評 估亦符合商業化條件，目前正進一步進行 產學合作之構想研擬與計畫申請中。
五、參考文獻
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biofilter packed with immobilized
heterotrophic bacteria, Chemoshere, 43, 1043-1050, 2001. 0 20 40 60 80 100 0 40 80 120 160 200 240 280 Operation time (day)
NH3 r em o v al e ff icien cy ( %) Sampler 1 Sampler 2 Sampler 3 圖一 氨氣之去除效果變化 90 92 94 96 98 100 20 25 30 35 40 45 Retention time (sec)
NH3 r em o v al e ff icien cy (%) 圖二 停留時間對氨氣去除效率之影響 0 20 40 60 80 100 0 40 80 120 160 200 240 280 Operation time (day)
H2 S remov al effici ency ( %) Sampler 1 Sampler 2 Sampler 3 圖三 硫化氫之去除效果變化 4 5 6 7 8 9 10 0 40 80 120 160 200 240 280 Operation time (day)
p H v alu e Sampler 1 Sampler 2 圖四 長期操作下滴濾床各取樣口 pH 值變化 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 40 80 120 160 200 240 280 Operation time (day)
Mo ist u re co n ten t ( %) Sampler 1 Sampler 2 Sampler 3 圖五 生物滴濾床各取樣口濾料之水含量變化
圖六 填充前之菌體固定化顆粒活性濾料表面 電顯圖(9,000×) 圖七 連續操作 90 天後，生物活性濾料表面菌 相(9,000×) 圖八 連續操作 250 天後，生物活性濾料表面 菌相(4,500×) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 40 80 120 160 200 240 280 Operation time (day)
Con tent rati on of su lfur comp ou d s (mg-S/l ) Sulfate Sulfide 圖九 儲存槽內含硫化合物之變化 0 100 200 300 400 500 0 40 80 120 160 200 240 280 Operation time (day)
C o n cen tra tion o f n itro g en co m p o u n d s (m g -N /l) Ammonia Nitrate Nitrite 圖十 儲存槽內含氮化合物之變化 y = 0.122x - 20.739 R2 = 0.9806 0 10 20 30 40 50 60 200 250 300 350 400 450 500 550 Flow rate (l/min)
Pressur e d ro p ( m m H2 O/m ) 圖十一 不同流速下和系統壓損的關係
