添加不同有機酸對微生物燃料電池產電效率影響之研究

國立臺中教育大學科學教育與應用學系

環境教育及管理碩士班碩士論文

指導教授：白子易 教授

添加不同有機酸對微生物燃料電池產電

效率影響之研究

The Study of the Influence on the Efficiency of Microbial Fuel

Cell by the Addition of Various Organic Acid

研究生：施立華 撰

誌 謝

在論文完成之際，首先感謝我的指導教授白子易博士，在學習期間給予

我的教導與鞭策，使能順利完成論文，更教導學生待人接物、做人處事之道

理，在此謹致上學生由衷的感謝。此外，並要感謝林明瑞主任、林素華老

師、劉思岑老師及陳品詩學姊兩年來的指導與教誨；而口試期間承蒙歐陽嶠

暉教授、黃志斌教授及萬騰州教授對於本論文提供寶貴的指導及建議，使本

論文得以更為完整，在此亦致上對三位教授之謝意。

兩年的研究所生涯，眨眼即逝，感謝的人卻數也數不盡，感謝在大學的

指導老師張簡水紋博士啟發我對環境的熱愛進而繼續深造，及前輩偉嘉、珮

玉、欣憶、佩郁、雪峯、瑜芳、淑雯、珮蓉、雅鳳、芳庭、佳青、家偉、鈞

嵐、程釩、秀貞、偉祺、宗霖、僾瑾、資玲、慶仁、淑慧、佩芸、慧玲、源

庭、慧雯、兆廸、煒筌、富美等眾人的照顧與幫忙；並感謝同組夥伴育澤、

靜音夫婦及隆誼學弟總是不分你我的互相幫忙合作與全力協助。更感謝好友

立亨、杰蔚、克勤、劉諭、九羽、家維、嘉楷、晏豪、歆昀、思文、暐淂、

奕勛、瑋仟、奕儒、梓婷、毓藩、晏霆、凱倫、等給我的鼓勵與打氣。

最後，感謝我的家人，謝謝你們給予我的支持與勉勵，僅以本文獻給我

最愛的家人及所有關心我的人，謝謝!

摘 要

本研究利用雙槽式微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell, MFC）進行批次試 驗，以固定濃度探討乙酸（Acetic acid, HAc）、丙酸(Propanoic acid, HPr)、丁酸 (Butyric acid, HBu)與戊酸(Valeric acid, HVa)對 MFC 產電效率之影響。研究目的 為：(1)建立圓筒雙槽式 MFC 反應槽；(2)了解相同濃度下，不同醱酵產物之化學需 氧量去除率；(3)探討不同有機酸對 MFC 產電效率之影響。

本實驗採用自行研發設計有效體積為 1L 之圓筒雙槽式 MFC 進行試驗，以不 銹鋼網作為陰、陽槽電極，兩槽體間以質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）區隔，菌種於固定條件中進行馴養，接著進行添加濃度 4 g/L 乙酸、丙酸、 丁酸及戊酸等四項批次試驗，並觀察固定操作天數（6 天）下，MFC 產電效率之變 化。實驗結果經討論後，獲得以下結論：(1)相較於添加 4 g/L 丙酸、丁酸及戊酸之 MFC，添加 4 g/L 乙酸的陰極槽，可以獲得最佳的 COD 去除率。有機酸之生成會 隨時間增加，而逐漸遲緩；微生物產電的過程中主要會生成乙酸、丙酸兩種代謝產 物；其次，發現產出微量的丙酮和乙醇；(2)本研究發現，添加丙酸試驗之電壓， 在第 0 天可測出最高電壓 437 mV，且平均電壓也以 263.4±135.1 mV 高於其他試 驗；(3) 在添加丁酸試驗第二天之中，電流可達最高至 47.4 µA，添加丙酸試驗之平 均電流以 35.8±7.8 µA 高於他組；(4)在添加丙酸及戊酸兩項試驗，可獲得較高電流 密度，並能達到 0.002mA/cm2，添加乙酸試驗則為最低；(5)依據添加丙酸試驗數 據 顯 示 ， 平 均 電 壓 為 263.4 mV 、 平 均 電 流 為 35.8µA 及 平 均 電 流 密 度 為 0.002mA/cm2，推測丙酸分解菌在分解丙酸時大量釋出電子。本研究結果，有助於 後續研究之參考依據，以提升 MFC 產電之效能。 關鍵字：微生物燃料電池、有機酸、產電效率

The Study of the Influence on the Efficiency of Microbial Fuel Cell

by the Addition of Various Organic Acid

Abstract

This study used double-chamber microbial fuel cells (MFC) for batch tests, in order to investigate the respective impacts imposed on the cell’s power generation by acetic acid (HAc), propanoic acid (HPr), butyric acid (HBu) and valeric acid (HVa) when the density is pre-established. The research objectives are: (1) to set up a cylindrical double-chamber MFC reaction tank; (2) to understand the chemical oxygen demand (COD) removal rates of different fermentation products under a common density; (3) to investigate the impacts imposed on MFC's power generation by different organic acids. This experiment was conducted in the cylindrical double-chamber MFC reaction tank independently developed and designed by the researcher, which had an active volume of 1 L. Stainless steel nets were used as negative electrode and positive electrode of the tank, while the tank was divided into two parts by a proton exchange membrane (PEM).The bacteria were cultured under pre-established conditions, after which they were subject to four batch tests when acetic acid, propanoic acid, butyric acid and valeric acid, all with a density of 4 g/L were added. The variation of the MFC's power generation was observed within the pre-established time period (6 days). Based on the results, the conclusions are as follows:

(1) Compared with the addition of propanoic acid, butyric acid and valeric acid with a density of 4 g/L, the addition of acetic acid with a density of 4 g/L to the part of the tank boasting the negative electrode brought about the highest COD removal rate. The amount of organic acids generated in the process would increase as time went by, although the increasing rate would be slower in the process; during the power generation of the microorganisms, the major metabolites were acetic acid and propanoic acid; small amounts of acetone and ethanol were also discovered. (2) When propanoic acid was added, the highest voltage of 437 mV was measured on the

(4) In terms of the two tests where propanoic acid and valeric acid were added, relatively higher current density was discovered, the maximum value of which could be up to 0.002 mA/cm2. This item saw its lowest value in the test where acetic acid was added.

(5) According to data in the test where propanoic acid was added, the average voltage was 263.4 mV, the average current was 35.8 µA while the average current density was 0.002 mA/cm2. It was thus inferred that a huge number of electrons were released when propanoic acid was decomposed by its decomposing bacteria.

目 錄

摘 要 ... i Abstract ... ii 目 錄 ... iv 圖目錄 ... vi 表目錄 ... ix 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的 ... 2 第三節 名詞解釋 ... 3 第二章 文獻回顧... 5 第一節 厭氧發酵酸化反應機制... 5 第二節 微生物電化學 ... 7 第三節 微生物燃料電池之發展... 11 第四節 微生物燃料電池產電原理 ... 13 第五節 微生物燃料電池型式... 17 第三章 研究方法... 19 第一節 研究流程 ... 19 第二節 研究架構 ... 20 第三節 研究設備與材料 ... 21 第四章 結果與討論... 29 第一節 添加乙酸於 MFC 操作之情形 ... 29 第二節 添加丙酸於 MFC 操作之情形 ... 37

第二節 建議 ... 72 參考文獻 ... 73

圖目錄

圖 2-1 傳統厭氧消化反應過程 ... 6 圖 2-2 微生物能量轉換途徑示意圖 ... 7 圖 2-3 細胞內電子傳遞路徑 ... 11 圖 2-4 微生物燃料電池發電原理圖 ... 15 圖 3-1 研究流程圖 ... 20 圖 3-2 實驗架構圖 ... 21 圖 3-3 好氧污泥馴養設備 ... 22 圖 3-4 厭氧污泥馴養設備 ... 23 圖 3-5 圓筒雙槽式 MFC 批次反應槽 ... 24 圖 3-6 厭氧顆粒化污泥 ... 26 圖 3-7 馴養基質之主要碳源（台糖貳號砂糖） ... 26 圖 3-8 揮發酸與醇類分析流程圖 ... 28 圖 4-1 添加乙酸之陽極槽 MLSS 趨勢圖 ... 30 圖 4-2 添加乙酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 ... 30 圖 4-3 添加乙酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 31 圖 4-4 添加乙酸之陽陰槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 31 圖 4-5 添加乙酸之 DO 趨勢圖 ... 32 圖 4-6 添加乙酸之 ORP 趨勢圖 ... 32 圖 4-7 添加乙酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 33 圖 4-8 添加乙酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 33

vii 圖 4-13 添加丙酸之陽極槽 MLSS 趨勢圖 ... 37 圖 4-14 添加丙酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 ... 38 圖 4-15 添加丙酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 38 圖 4-16 添加丙酸之陽陰槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 39 圖 4-17 添加丙酸之 DO 趨勢圖 ... 39 圖 4-18 添加丙酸之 ORP 趨勢圖 ... 40 圖 4-19 添加丙酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 41 圖 4-20 添加丙酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 41 圖 4-21 添加丙酸之電壓變化趨勢圖 ... 42 圖 4-22 添加丙酸之電流變化趨勢圖 ... 42 圖 4-23 添加丙酸之之丙酸濃度變化趨勢圖 ... 43 圖 4-24 添加丙酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖 ... 44 圖 4-25 添加丁酸之陽極槽 MLSS 趨勢圖 ... 45 圖 4-26 添加丁酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 ... 46 圖 4-27 添加丁酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 46 圖 4-28 添加丁酸之陽陰槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 47 圖 4-29 添加丁酸之 DO 趨勢圖 ... 47 圖 4-30 添加丁酸之 ORP 趨勢圖 ... 48 圖 4-31 添加丁酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 49 圖 4-32 添加丁酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 49 圖 4-33 添加丁酸之電壓變化趨勢圖 ... 50 圖 4-34 添加丁酸之電流變化趨勢圖 ... 50 圖 4-35 添加丁酸之之丁酸濃度變化趨勢圖 ... 51 圖 4-36 添加丁酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖 ... 52 圖 4-37 添加戊酸之陽極槽 MLSS 趨勢圖 ... 53 圖 4-38 添加戊酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 ... 54

圖 4-39 添加戊酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 54 圖 4-40 添加戊酸之陽陰槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 55 圖 4-41 添加戊酸之 DO 趨勢圖 ... 55 圖 4-42 添加戊酸之 ORP 趨勢圖 ... 56 圖 4-43 添加戊酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 57 圖 4-44 添加戊酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 57 圖 4-45 添加戊酸之電壓變化趨勢圖 ... 58 圖 4-46 添加戊酸之電流變化趨勢圖 ... 58 圖 4-47 添加戊酸之之戊酸濃度變化趨勢圖 ... 59 圖 4-48 添加戊酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖 ... 60 圖 4-49 陽極槽 MLSS 趨勢綜合比較圖 ... 60 圖 4-50 陰極槽 MLSS 趨勢綜合比較圖 ... 61 圖 4-51 陽極槽溫度與 pH 變化綜合比較圖 ... 62 圖 4-52 陰極槽溫度與 pH 變化趨勢綜合比較圖 ... 62 圖 4-53 陰極槽 DO 趨勢綜合比較圖... 63 圖 4-54 ORP 趨勢綜合比較圖 ... 63 圖 4-55 陽極槽 SCOD 變化趨勢綜合比較圖 ... 64 圖 4-56 陰極槽 SCOD 變化趨勢綜合比較圖 ... 66 圖 4-57 電壓變化趨勢綜合比較圖 ... 65 圖 4-58 電流變化趨勢綜合比較圖 ... 66 圖 4-59 添加乙酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢綜合比較圖 ... 67 圖 4-60 添加丙酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢綜合比較圖 ... 67 圖 4-61 添加丁酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢綜合比較圖 ... 68

表目錄

表 2-1 MFC 重要歷程一覽表 ... 13 表 2-2 不同微生物產電之差異 ... 16 表 3-1 實驗設備彙整表 ... 25 表 3-2 營養物質配方（Endo，1982） ... 27 表 3-3 水質分析項目 ... 27

第一章 緒論

第一節 研究背景與動機

自工業革命到目前科技發展過程中，各種衝擊對地球環境產生急劇影響，之中 包括工業廢棄物、環境污染等，使得環保意識日漸受到重視，人類對於環境保護 觀念與態度亦日趨成熟，因此減少能源消耗與發展低污染技術被視為科技發展的 重要目標。世界各地的科學家們不斷積極地尋求各種產能方法，而當前極具潛力 且新穎的產能方式，即為微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell, MFC）（Du et al., 2007）。 MFC 是一電化學系統，藉微生物於分解污染物過程中，將化學能轉換為電能， 不僅能去除污染物，更可以產生電能此技術，不僅符合乾淨、有效率且安靜的電力 來源，更對於能源需求提供了一種新的產生方法，也在環境保護的工作上給未來新 科技的誕生作了一個最佳模範。 據相關研究報告顯示，MFC 同時有處理廢水及產生能源的潛力（Liu et al., 2004a）。因此，若能充分利用廢水中微生物降解有機物質的特性，將其轉換成 可利用之能源，不但可以節省污水處理成本，甚至更可以提供做為其他之用途。但一 般而言廢水生物處理的過程中，微生物生化反應及廢水成份皆相當複雜繁瑣，其中 包含微生物、有機物及無機物等，操作前都必需經過篩選或試驗才能達到良好的處 理效果。假若，想要了解其中變化和對 MFC 產電效率的探討與預測，單純藉由模式 模擬預測將容易導致結果誤差，因此，進行模廠試驗不僅可以節省實廠試驗所耗費 的成本與時間，亦可降低數學模式模擬之誤差，甚至作為模式模擬之基礎（Pai et al., 2003a; Pai, 2007a; Pai et al., 2007b; Pai et al., 2007c; Pai, 2008a; Pai et al., 2008b; Pai et al., 2009a; Pai et al., 2010a; Pai et al., 2010b; Pai et al., 2010c; Pai et al., 2011; Pai et al., 2013）

溫度、溶氧、酸鹼值、基質轉換率、有機負荷、水力停留時間以及污泥停留時間等 （Park and Zeikus, 2002; Rabaey et al., 2005; Mohan et al., 2008）。

此外，有鑑於當前的研發技術每秒僅能產生毫安培至微安培等級的電流，亦無 法正常供應每日所需之電力，因此瞭解微生物能量轉換過程中，電子傳遞的關鍵， 以增強電流之輸出，成為 MFC 研究所致力的方向之一，但當前對於 MFC 系統微生 物能量轉換的研究，仍舊相當缺乏（Liu et al., 2010）。

第二節 研究目的

本研究採用自行研發設計有效體積為 1L 之圓筒雙槽式 MFC 進行試驗，探討 添加不同有機酸對微生物產電之影響；以不銹鋼網作為陰、陽極材料，兩槽體間以 質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）區隔，菌種於固定條件（蔗糖基 質為濃度 20,000 mg COD/L、pH 6.8 ± 0.5，溫度 30 ± 1 ℃）中進行馴養，接著進 行添加濃度皆為4 g/L 的醋酸、丙酸、丁酸和戊酸等四項批次試驗，並觀察固定 操作天數（6 天）下，MFC 產電效率之變化。

本研究主要研究目的如下：

1. 了解相同濃度下，不同有機酸之化學需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）降解率。 2. 探討不同有機酸對 MFC 產電效率之影響。 本研究之重要性及預期效益如下： 1. 國際間仍缺乏探討 MFC 系統中，微生物代謝途徑之電子釋出機制，後 續亦可藉由此研究結果調整基質操作參數，使提升 MFC 產電效率。 2. 透過 MFC 試驗，探討有機酸變化之情形。 3. 提供未來對 MFC 能源開發之參考依據與評估重點。

第三節 名詞解釋

一、 微生物燃料電池 MFC（Microbial Fuel Cell, MFC）

MFC 是一種微生物電化學（bio-eletrochemical）發電的裝置。典型的 MFC 包 含陽極與陰極反應槽、質子或是陽離子交換膜以及外部電路。產電理論發展已久， 但作為產電方式卻相當新穎，主要利用微生物作為催化劑行能量轉換（例如碳水化 合物的代謝或光合作用等），再透過呼作用將電子傳遞至電極上，進而產生電流。 此技術不同過往之廢水處理方法，不僅免除耗費其他能源，更可利用廢水中的 有機物質轉換能量，在處理廢水的同時，亦能產生電能，是一項合乎環保的替代能 源技術。 二、質子交換膜由細菌的新陳代謝引起的電壓損失並不顯著，因為這些損失是由細 菌氧化有機物所導致的。在有機質磷酸化產生 1 mole ATP 的循環中，質子為 穿過薄膜， 細菌必需擁有足夠之能量(Bruce E. Logan, 2008)。 質子交換膜在傳輸過程時，交換膜必須充滿水分子，質子則是經由中間通道從 陽極傳遞到陰極，中間通道的亞硫酸根離子-SO3- 固定不動地附著在主幹上的側 鏈，當陰極發生反應時，-SO3H 就會解離出 H+ 反應成水，靠近陽極-SO3- 便會因 靜電吸引鄰近的 H+_{，進而形成 H}+ _傳遞。

第二章 文獻回顧

科學家們為減少能源消耗，不斷尋求各種產能方法，而微生物燃料電池是最具 潛力且新穎的產能方式(Du et al., 2007)，故本章節首先探討微生物電化學之原 理，再透過微生物燃料電池之發展、發電原理、型式等進行文獻回顧。

第一節 厭氧醱酵酸化反應機制

在一般厭氧醱酵指厭氧環境之中，厭氧微生物之代謝作用將高分子有機 物 分 解 轉 換 為 甲 烷 和 二 氧 化 碳 等 最 終 產 物 之 過 程 ； 其 程 序 可 分 為 水 解 (Hydrolysis) 、 酸 化 (Acidogenesis) 及 甲 烷 化 (Methanogenesis) 三 項 階 段 （ 劉 安 琪，1996），流程如圖 2-1 所示，各項階段的主要微生物都有特定的產物，首 先，由兼氧性及厭氧性細菌透過水解、產酸的反應 (即厭氧醱酵階段)，將廢水 中有機物 (如不溶性有機物質、碳水化合物、脂肪或蛋白質等)轉化成揮發酸、 氫氣、醇類或醛類等中間代謝產物之後；這些中間代謝產物再轉化成甲烷及 二氧化碳等最終穩定產物。 厭氧酸化的機制依控制環境下不同，參與微生物不同而有差異即使參與 反應的微生物一樣，在不同控制環境，並也會產生不同的生化反應，造成產 氫效率上的不同。 在不同的反應路徑所生成的代謝產物就有所不同，包括乳酸 (lactate)、乙 酸(acetate)、丁酸 (butyrate)、乙醇 (ethanol)、丙酮 (acetone)、丁醇 (butanol) 等。

烷。而厭氧醱酵產氫則是設法終止後面甲烷化反應，使厭氧反應仍繼續進行 前面的水解產酸反應。 圖 2-1 傳統厭氧消化反應過程 厭氧醱酵反應則發生在水解及酸化階段，以下就這二階段進行討論。 (一)水解階段 本階段利用細胞外水解酶(extracellular enzymes)將複雜的有機物 (如蛋白 質、脂肪、多醣類等)分解變成簡單化合物 (如胺基酸、甘油、單醣等)，因為 能源作物大部分屬於半固體基質物，所以需要經過水解階段，加以分解成氨 Ｈ2+CO2 CH4 產醋酸作用 產甲烷作用 醋酸 產醋酸菌 產甲烷菌 _產甲烷菌 產氧脂肪 酸氧化菌 丙酸、丁酸 醋酸 Ｈ2+CO2 醱酵 醱酵性細菌 複合性聚合體 (纖維素、多醣體、蛋白質) 單體(Oligomers) (醣、胺基酸) 醋酸 纖維素或其他水解細菌 水解 醱酵

基酸、單糖類、長鏈脂肪酸即甘油等可溶性的小分子物質，以便能被微生物 利用，加強後續產氫效率。水解的效率受到 pH 值、水力停留時間 (HRT)及基 質種類（Henze & Harremöes, 1983）等因素影響。而進流之基質為一般性有機 廢水，所以在水解階段不易形成速率限制（Kennedy & van den Berg, 1982）。 (二)產酸階段 隨著其他副產物的生成。當開始生長時，細胞內需大量能量以供生長， 所以會偏向於生成乙酸之路徑，以利於能量的不斷累積。而高氫氣分壓時會 抑制乙酸根之生成，而致基質大部分轉化為丙酸、丁酸、乙醇，因此在傳統 厭氧消化必需監控氫氣之濃度。

第二節 微生物電化學

在 MFC 產電的過程中，微生物能量的轉換可區分為三個階段：(1)醣解作 用（glycolysis）；(2)檸檬酸循環（TCA cycle）；以及 (3)電子傳遞鏈（electron transport chain），如圖 2-2 所示。 NADH 攜帶電子 氧氣 NAD 及 FAD 攜帶電子 糖解作用 Glycolysis 檸檬酸循環 TCA cycle 電子傳遞鏈 Electron transfer chain

是細胞糖類代謝過程中非常重要的一種代謝途徑，透過十個轉化步驟將葡萄糖 轉換成中間產物的丙酮酸，其步驟分述如下（Rittmann, & McCarty, 2001)：

（一） 葡萄糖藉由六碳己糖激酶（hexokinase）合成葡萄糖六磷酸（glucose- 6-phosphate, G-6-P） 利用存在於大部分動植物及微生物細胞內的己糖激酶進行催化反應，在 6 號碳中藉由 ATP 將 r 葡萄糖磷酸化，進而產生 G-6-P。 （二） 磷酸葡萄糖異構酶（phosphoglucose isomerase）將葡萄糖六磷酸轉化 為果糖六磷酸（fructose-6-phosphate, F-6-P） 在磷酸葡萄糖異構酶的催化下，第一步驟產物 G-6-P 的氧原子由 1 號 碳 移至 2 號碳，轉化為 F-6-P。

（三） 果糖六磷酸利用磷酸果糖激酶（phosphofructo kicase）活化消耗 ATP 成為果糖-1-6 雙磷酸（fructose-1,6-diphosphate, F-1,6-P2） 在磷酸果糖激酶

的催化下，將第二步驟產物 F-6-P 的磷酸根轉移至 1 號碳位置，進而成為 F-1,6-P2。

（四） 果糖二磷酸醛縮酶（aldolase A）幫助 F-1,6-P2 分解成二羥丙酮磷酸 dihydroxyacetone phosphate, DHAP）與甘油醛-3-磷酸（glyceraldehyde-3- phosphate, G-3-P）

當第三步的反應過程中，分子失去穩定性，果糖二磷酸醛縮酶會將己糖環 分解成 DHAP 與 G-3-P。

（五） 磷酸丙糖異構酶（triose-phosphate isomerase, TPI）使 DHAP 與 G-3- P 產生互變

磷酸丙糖異構酶（triose-phosphate isomerase, TPI）使 DHAP 與 G-3-P 產生互變，作為進入糖解作用的後續步驟。

（六） 甘 油 醛 -3- 磷 酸 脫 氫 酶 glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH）使 G-3-P 氧化形成 1,3-二磷酸甘油酸（1,3-bisphosphoglycerate, 1,3-BPG）

甘油醛-3-磷酸脫氫酶使 G-3-P 被氧化後，再添加 1 分子無機磷酸，即 可 形成 1,3-BPG；而氧化剩餘的氫與 NAD+結合後，形成 NADH。 （七） 磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase, PGK）幫助 1,3-BPG 形成 甘油酸-3-磷酸（3-phosphoglycerate, 3-PG） 1,3-BPG 在磷酸甘油酸激酶的幫助下，轉移磷酸基團至 ATP，形成 3- PG 與 ATP。

（八） 磷酸甘油變位酶（phosphoglycerate mutase, PGAM）幫助 3-PG 形成 甘油酸-2-磷酸（2-phosphoglycerate, 2-PG）

（九） 藉由烯醇化酶（enolase, NSE）使 2-PG 脫水，產生分子共振形成磷酸 烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate, PEP）

（十） PEP 透過丙酮酸激酶（pyruvate kinase, PK）進行催化，形成丙酮酸 （pyruvate）與 ATP。 二、 電子轉移機制質子交換膜燃料電池，是兩槽體間夾一質子交換膜之微生物燃料 電池，此系統電子動力來源，需要陽極槽內厭氧微生物代謝後之副產物 H 質 子經靜電、 擴散、接觸等各方式碰觸質子交換膜，在質子交換膜內經過一連 串反應，使 H 質子進入陰極，此時陰極會因為缺乏電子的供應，需要更多的電 子進行還原反應，其電子就經由陽極槽內擴散、靜電、接觸等方式接觸極 板，再經過外部導線（銅線）進一步進入陰極完成陰極槽內之還原反應 （余菀婷，2006）。其原理如下： 1. 在陽極中，H 質子為厭氧微生物代謝之負產物，其可解離成為氫離子與電子： H2 → 2H+ + 2e -E = 0VSHE(標準氫電極) 2. 氫離子受電滲透力驅策，伴隨數個水分子，經由交換膜輸送至另一端的陰極觸媒 反應層

3. 游離的電子經導電板收集，因電位差的緣故，通過連接在導電板上的電路， 流向陰極的導電板，變成電流產生電力，電子最後會由陰極導電板送到陰極 觸 媒反應層 4. 氫離子通過質子交換膜往陰極移動，而電子則經由外電路對外負載作功後移 往陰極。陰極半分應則是氧分子、電子以及氫離子在觸媒的催化下發生： 4H+ + 4e- + O2 → 2H2O E = 1.299VSHE(標準氫電極₎ MFC 電壓產生的過程較化學電池極複雜，並難以預測。以 MFC 內的微生物 而論，電子於細胞外進行傳遞，需先經過一段時間培養才能使其生長在電極表面，進 而產生酶或是其他的結構。陰極和陽極在電位限制能量產生過程所得到的最大電 壓，但反應物所產生之電位並不足以說明能量產生的生物化學機制，所以利用氧氣 或鐵等替代電子受體的微生物經檸檬酸循環完成反應物的氧化，同時會伴隨三種電 子截體（NADH、FADH 和 GTP）的生成。由於 NADH 和氧氣之間的電位差最 大，因此在有氧條件下 ATP 產率最高。而 ATP 的產生來自呼吸酶作用時質子穿 透內膜的動力。根據相關研究指出，在能夠產生能量的檸檬酸循環中，進入呼吸鏈 的還原劑為 NADH，而不是醋酸（Rabaey & Verstraete, 2005），因此可證明

NADH/NAD+_{與最終電子受體（MFC 中的氧氣）有直接關係。}

在厭氧的環境中，MFC 陽極槽內微生物將有機物作用所產生的電子，藉由電 子傳遞鏈傳遞，使電子依 NADH 脫氫酶、輔酶及細胞色素等順序傳遞後，再釋出 電子與質子至電極表面，並產生電流的過程稱為微生物產電呼吸作用（ microbial electricigenic respiration）（Lovley, 2008），其過程如圖 2-3 所示，而微生物也因此 獲得能量，得以持續維持生命。學者 Kim 於 2004 年探討細胞內電子代謝路徑時，

NADH 脫氫酶 陽 極 外膜 周質 細胞色素複合體 內膜 輔酶 細胞質 己碳二醯亞胺（N,N-dicyclohexylcarbodiimide）及 2,4-二硝基酚（2,4-dinitrophenol） 可分別抑制 NADH → CoQ（NADH 脫氫酵素）之電子傳遞，而 ATPase 抑制劑

與解偶聯劑（uncoupler），則驗證 MFC 系統中，細菌氧化代謝過程之電子傳遞呼 吸鏈路徑，並同時驗證 NADH 脫氫酵素與醌類（quinones）於電子傳遞過程中， 作為電子載體的重要性（Kim et al., 2004）；但是，反觀當前關於 MFC 系統中微 生物電子傳遞的相關研究，依舊缺乏（Liu et al., 2010）。 資料來源：Lovely, 2008 圖 2-3 細胞內電子傳遞路徑

第三節 微生物燃料電池之發展

微生物燃料電池的發展情況，可追溯至 1791 年歷史上第一位發現「生物電」現 象學者 Luigi Galvani，在分離青蛙腿實驗中發現生物電（bioelectricity）現象。其次， 1839 年英國科學家 William R. Grove 進行水逆解之研究，將氫氣及氧氣重組形成 水並產生電流，成為世界上第一個『燃料電池（fuel cell）』。而 MFC 技術則起源於 1911 年，英國學者 Potter 利用白金電極、微生物大腸桿菌（E. coli）及酵母菌研發 第一座『微生物燃料電池』，Potter 發現不同槽體間的電壓差異，以電阻連結使電子移 動並獲得電流，而該技術之後經由 Allen 與 Bennetto 兩位學者，利用微生物將化學能 轉換為電能後開始蓬勃發展（Allen and Bennetto, 1993）。但此後五 十幾年亦無其 他重大發現，直至 1960 年 NASA（美國航空暨太空總署）科學家開始研究 MFC，使 其逐漸受到重視（Shukla et al., 2004），越來越多人投入 MFC 研發工作。1999 年，人們在 MFC 領域有了重大突破，發現不添加介質的 MFC 亦能產電（Kim et al., 1999）。而後，眾多研究趨向研發功率輸出大、庫倫效率高、產電 效能穩定、燃 料電池壽命長等條件的構造（Logan, 2008），本研究彙整 MFC 重要發展歷如表 2-1 所示。 最初，MFC 主要應用於廢水處理之過程，經由廢水中獲取能源，再將能源妥善 利用之新興技術；然而，廢水成份複雜包含許多微生物、有機物及無機物等，操作 前皆需要經過篩選或試驗才可達到良好的處理效果，因此，陸續有許多學者以廢水 處理的角度切入 MFC 系統之試驗，探討廢水處理與 MFC 產電效率等可能性。而微生 物則主要應用於 MFC 系統中，作為催化劑（catalyst）之用途，目的是將廢水中有機 物的化學能轉換為電能，目前廣泛使用的菌種包含：絕對好氧菌（Bond andLovley, 2003）、絕對厭氧菌（Bond and Lovley, 2005）及兼性厭氧細菌（Kim et al., 2002; Chaudhuri and Lovley, 2003），根據相關研究指出，上述菌種皆可降解有機物並產 生電能，其中又以絕對厭氧菌有較佳的產電能力。而微生物產能方式，主要透過細 胞本身的分解代謝方式，將大分子分解為更小的單位，以利吸收及利用，通常糖鏈

被分解為單糖後，即可以被細胞所吸收（Bell et al., 1993）。 進入細胞內的糖，如葡萄

試是以廢水中可轉換成電能之有機物為主，通常廢水經過厭氧降解的過程會生成許 多小分子的有機酸，其中醋酸為最容易被微生物利 用的有機酸之一，因此常被用 於 MFC 之基礎試驗（Liu et al., 2005），而另一種常被使用之有機物則包括葡萄糖 （Rabaeyet al., 2003），上述兩種可被微生物直接利 用之物質，均適合作為 MFC 燃料之來源。

表 2-1 MFC 重要歷程一覽表 年份 研究者 發展歷程 1791 年 Galvani, L. 從分離青蛙腿實驗，發現生物電（bioelectricity）現象。 1839 年 _{Grove, W. R.} 進行水逆解之研究，將氫氣與氧氣重組形成水並產生 電流，成為世上第一個『燃料電池（fuel cell）』。

1911 年 _{Potter, M. C.} 利用白金電極、大腸桿菌（E. coli）及酵母菌，研發

第一座 MFC。 1960 年 NASA （美國航空暨太空總署） NASA 的科學家開始研究微生物燃料電池，使得微生 物燃料電池才開始受到重視。 1999 年 Kim, H. J. et al. 研究者發現 MFC 不添加介質亦能產電。 本研究自行彙整。

第四節 微生物燃料電池產電原理

最初，MFC 系統的產電機制主要以額外加入電子介體（mediator）的方式進行產 電，添加的電子介體例如中性紅（McKinlay and Zeikus, 2004）、硫堇（Choi et al., 2003）等以加快產電速率，但過程中常因為更換基質而使電子介體受到流 失，因此需要不斷添加，導致操作上的不便與成本的增加，而且當前已發表的研究 中，MFC 系統所使用的電子介體大部分為有毒化合物，因此，添加電子介體的操作 方式使 MFC 系統的實用價值降低。爾後，學者 Kim 等人首次發現，廢水中的

Shewanella 微生物具備產電特性，無需額外添加其他電子介體即可產電，因此設計

無電子介體之 MFC 系統（mediator-less MFC）（Kimet al., 1999）。

現今，雙槽式 MFC 主要藉由陰陽兩槽體加上質子交換膜組合而成，連接 外部 電阻後，系統形成一個封閉的迴路；以陽極槽作為電子供給者(electron donor），

通常包含微生物與可分解之基質進行氧化作用（Logan,2009），而陰極槽則通常提供氧 氣作為最終電子接受者（electron acceptor）以進行還原作用。 MFC 發電原理主要是藉由微生物作為催化劑，再以微生物呼吸鏈反應進行氧化代 謝作用，使電子依 NADH 去氫酶（dehydrogenase）、輔酶及細胞色素等順序傳遞後，釋 出電子及質子（H+_{），而微生物的呼吸作用，尚可分為有氧呼吸及無氧呼吸，前者反} 應流程依序:糖解作用→糖解作用→丙酮酸脫羧→三羧酸循環→氧化磷酸化（電子傳遞 鏈 + 三磷酸腺苷合酶），後者反應順序:糖解作用→發酵（丙酮-丁醇-乙醇發酵、乙 醇發酵、乳酸發酵）。 整 體 而 言 ， 反 應 槽 體 之 間 的 關 係 主要 以 質 子 交 換 膜 （ Proton exchange membrane, PEM）作為陽極厭氧槽傳遞氫離子於陰極好氧槽的介質，轉換過程中可由 下列反應式得知，陽極槽內微生物氧化葡萄糖，將其分解為質子並同時釋出電子（式 2-5）；緊接著，質子藉由薄膜移動至陰極槽，再與陰極槽內氧氣進行還原作用形成水 （式 2-6），此時，葡萄糖為總反應之電子供應者，而水與二氧化碳則為最終反應後之 產物（式 2-7），故 MFC 於處理有機物質之同時，還可同時具被 淨化水質之功效 （Patrick et al., 2011），圖 2-4 為上述概念之示意圖。陽極槽之氧化半反應式： C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e -陰極槽之還原半反應式： 6O2 + 24H+ + 24e-→ 12H2O 總反應式： C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e

-資料來源：Patrick et al., 2011 圖 2-4 微生物燃料電池發電原理圖 一、 微生物種類 MFC 於厭氧環境下，微生物氧化有機物轉化成 CO2，過程中生成電子於電極 上進而產生電流。2006 年學者 Logan 提出以 Exoelectrogens 作為產電菌統稱，其 利用電極為電子受體能氧化有機物的微生物。 利用葡萄糖轉換成 CO2，以葡萄糖作為電子供給者時，電流密度可達 31 mA/m， 電子回收率 81 %，亦可利用果糖、蔗糖、乳糖和木糖等長期穩定產電；後者屬 δ -變形細菌綱（δ-Proteobacteria）具有較佳的凝聚力，利用醋酸轉換成 CO2，以 有機酸為電子供給者時，電流密度 65 mA/m，電子回收率高達 95 %，同時可完全 氧化有機酸，但需藉由發酵菌將大分子有機物降解為小分子基質（Rabaey & Verstraete, 2005）。 比較不同 MFC 研究之產電情形，並依電流密度由大至小排列如表 2-2，可以 三用電表

e

- _電阻

e

有機物 H+ H2O O2 CO2 陽極 薄膜 陰極 曝氣機

發現不同微生物種類及種源會影響 MFC 電流密度，其中電流密度最高的純種菌 與混合菌種源，分別為雙槽式 Clostridium butyricum 與單槽式活性污泥。 表 2-2 不同微生物產電之差異 純種菌 MFC 類型 電流密度 (mA/cm2_） 參考文獻

Clostridium butyricum 雙槽 1.300 Niessen et al., 2004

S. japonica 雙槽 0.400 Biffinger et al., 2011

S. platensis 單槽 0.450 Fu et al., 2010

Enterobacter cloacae 雙槽 0.067 Mohan et al., 2008

Shewanella oneidensis MR-1 雙槽 0.005 Manohar and Mansfeld, 2009

Exoelectrogenic 單槽 1.120 Ishii et al., 2012

混合菌種源 活性污泥 單槽 _{0.600 Yuan et al., 2011} 活性污泥 雙槽 _{0.302 Patil et al., 2009} 釀酒廠廢水 單槽 _{0.200 Feng et al., 2008} 生活污水 單槽 _{0.150 Zuo et al., 2006} 厭氧污泥 雙槽 0.050 Oh and Logan, 2005 厭氧污泥 單槽 0.050 Ren et al., 2011 本研究自行彙整。 二、 陽極材料 陽極材料的特點，包含高導電率、抗腐蝕性、高孔隙、微生物不易附著（即無細菌 填充）、廉價、容易製造。常見的材質有碳紙、碳步、玻璃電極（RVC）、石墨棒、石墨 氈、不鏽鋼網。 三、 陰極材料 陰極材質多以碳為基礎，其設計較陽極材料更具挑戰，困難點在於難以控制陰極內 電子、質子、氧氣間的三項反應（固體催化劑、空氣、水），因催化劑需附蓋在導電體表 面，但又必須同時暴露於水和空氣中，以便質子與電子之傳遞。

第五節 微生物燃料電池型式

微生物燃料電池已發展出許多種型式，MFC 的設計多以厭氧環境作為陽極，好 氧環境作為陰極。可分為平板式、上流式、底泥式、填充式、單槽式等，以及本研 究所使用的雙槽式 MFC，其中又以單槽式 MFC、雙槽式 MFC，及平板式 MFC 較 為常見，本研究於下列說明之。

基本構造包含陽極槽（Anode chamber）、陰極槽（Cathode chamber），中間

以陰極曝氣、質子交換膜（proton exchange membrane, PEM）、陽離子交換膜（Cation

selective membrane）或是可提供離子選擇性的半透膜作為阻隔，再搭配陰、陽電 極，必要時還可搭配外部電路（Lovley, 2006）。而菌種則接種於陽極槽體中，負責 降解基質中的有機物質並產生二氧化碳、電子以及質子等產物。 一、 常見的微生物燃料電池種類 （一） 雙槽式 雙槽式結構簡單，其設計為兩個獨立反應槽體組成，中間以質子交換膜和陰 極曝氣區隔，稱之 H 型系統，連接這兩槽體間的質子交換膜的尺寸通常會限制 功率的產出。因為質子交換膜對氧氣及溶液中的其他化學成分都具有防滲透性， 所以面積較大的質子交換膜能提高功率。但是陽極槽微生物代謝損失以及傳遞到 陰極槽化學還原損失，使得庫倫效率可能下降。 （二） 單槽式 單槽式微生物燃料電池大多為單槽式空氣陰極微生物燃料電池，槽體頂端設 計兩組開口方便進料和排出，系統運行過程之中這兩個開口以塞子密封，電極末 端略微凹陷處，上面放置一橡膠墊圈，然後使用平板末端密封，以防止漏水，此 方法密封較緊實，對於單槽式為生物燃料電池較不會出現漏水時，實驗數據上呈 現的人為誤差。單槽式為一種槽體體積需求較小的微生物燃料電池，極板間距離 也較相近功率密度輸出會提高（Liu, Ramnarayanan, & Logan, 2005）。

（三） 平板式

為使微生物燃料電池產生更大電能，平版型微生物燃料電池，極板間的間距 更短，電阻下降，且內部隔出蛇形軌跡，形成類似活塞反應器，類似汽車鉛電 池，可用多組的極版串連起來，以加大其電壓進而提高產電的功率。

第三章 研究方法

本研究採用自行研發設計有效體積為 1L 之圓筒雙槽式 MFC 進行試驗，以不 銹 鋼網作為陰、陽極材料，兩槽體間以質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM） 區隔，菌種於固定條件（蔗糖基質為濃度 20,000 mg COD/L、pH 6.8 ± 0.5， 溫度 30± 1 ℃）中進行馴養，接著進行添加不同有機酸，以及添加濃度 4 g/L 乙 酸、丙酸、丁酸及戊酸等四項批次試驗，並觀察固定操作天數（6 天）下，MFC 產電 效率之變化，茲將本研究之研究流程、研究架構、研究設備與材料等分述如下：

第一節 研究流程

本研究以陰極（好氧槽）作為最終電子接受者，利用相同濃度之葡萄糖與醋 酸等有機酸對 MFC 產電效率影響進行研究探討。透過文獻回顧，找出 MFC 最佳 操作條件後，設計 MFC 批次反應槽與污泥馴養模廠；接著，啟動污泥馴養模廠， 每日以水質分析方法及三用電錶，進行 MLSS、DO、SCOD、pH、ORP、電 壓和 電流等監測項目，以監控污泥狀態，再進行 MFC 批次試驗；其中，透過氧化還 原電位量測及揮發酸之量測，可更加明確瞭解反應槽體內基質醱酵的階段（吳 亞謙，2011），此外，本研究最後藉由揮發酸檢測結果，包含乙酸、丙酸、丁酸、 戊酸、丙酮和乙醇等，推測微生物代謝途徑及產電效率，研究流程如圖 3-1 所 示。

圖 3-1 研究流程圖

第二節 研究架構

本研究先透過蒐集文獻設定 MFC 最佳操作條件，再進行 MFC 批次反應槽與污 泥馴養模廠之設計，並於固定操作天數（6 天）與水質條件下，測試圓筒雙槽式 MFC 反應槽是否達穩定狀態且適合進行產電試驗，並分別添加乙酸、丙酸、丁酸及 戊酸作為基質時，MFC 系統產電進行比較，實驗架構圖如 3-2 所示。 撰寫論文 結論與建議 MFC 模廠 進行批次試驗 文獻分析比較 基本監測 MLSS、DO、SCOD、 pH、ORP、 電壓、電流 污泥馴養 模廠 揮發酸檢測 葡萄糖、乙酸、丙酸、 丁酸、戊酸、丙酮、 乙醇、胺基酸、脂質、 長鏈脂肪酸 設計實驗模廠 結果分析 文獻回顧 確立研究目的 啟動實驗

圖 3-2 實驗架構圖

第三節 研究設備與材料

根據學者謝雨澄於 2011 年研究指出，MFC 系統產電效率會因為陽極槽的微生 物種類及陰極槽的最終電子接受者提供方式而有所影響。因此，本研究藉由一系列 相關試驗，可瞭解污泥於 MFC 系統的產電效率與特性，並提供後續實驗之參考依 據，而各項試驗之分析方法與材料則於本章各小節中進行詳述。 一、 研究設備 將樣品均勻混和後，進行分析 相關文獻蒐集 馴養污泥 取出污泥 進行MFC批次試驗 添加 4g /L 乙酸 添加 4g /L 丙酸 添加 4g /L 丁酸 添加 4g /L 戊酸 推求微生物產電效率 彙整數據 撰寫論文

20 天，混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）濃度控制 約為 1,700~ 3,000 mg/L 之間、氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP） = +210 ~ +400 mV，溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD） = 100 ~ 500 mg/L，溶氧（Dissolved oxygen, DO）維持在 2.00 ~ 2.80 mg/L，pH 約 為 6.8±0.2 之間。好氧污泥基質以蔗糖（20,000 mg COD/L）作為碳源，並配合 微生物生長所需之無機營養物質配製而成（Endo, 1982），組成成分詳述於表 3- 2。直至馴養污泥狀態穩定，即可進行 MFC 批次試驗。 圖 3-3 好氧污泥馴養設備 (本研究自行繪製) 厭氧污泥馴養設備 本研究厭氧污泥馴養設備以 PVC 材質製成，其尺寸內徑為 670 mm、深度 為 680 mm，總容積為 30 L，並設有攪拌設備及蠕動幫浦，馴氧設備實體如圖 3- 4 所示。MLSS 濃度控制約為 15,000 ~ 27,000 mg/L，SCOD = 1,000 ~ 6,000 mg/L， pH 約為 7.0±0.2 之間；此外，ORP 為得知厭氧狀態的重要指標（Kjaergaard, 1977）， 故本研究厭氧污泥馴養之 ORP 維持於 -224 ~ -397 mV。降低馴養基質對於 MFC 曝氣 裝置 批次 反應槽 磁石 攪拌器

試驗之影響，本研究以相同的基質馴養厭氧污泥與好氧污泥，皆以蔗糖（20,000 mg COD/L）作為碳源，並配合學者 Endo 於 1982 年研究配方，如表 3-2 所列。待馴 養污泥狀態穩定後，再進行 MFC 批次試驗。 圖 3-4 厭氧污泥馴養設備 微生物燃料電池 學者梁鵬於 2009 年研究指出，雙槽式 MFC 啟動期為 10 小時為一般平板 填充式 MFC 的啟動期的 1/2。因此，本研究參考學者 Lovley 與梁鵬兩位學者所

製成，中間以質子交換膜阻隔，兩反應槽有效體積（active volume）為 1.178 L， 槽體直徑 100 mm 高 170 mm，連接橋直徑 60 mm 總長 40 mm，槽體蓋有 5 個置 入孔，作為連接監測儀器及基質進流使用，兩槽體側邊皆設計一個取樣開關，便於 取樣；實驗進行時，於陽極與陰極槽體內置入 75 × 85 mm 之不鏽鋼網作電 極，架設完成後，每一批次每日兩槽體皆進行水質分析並紀錄電壓及電流變化， 以了解 MFC 產電之情形。 圖 3-5 圓筒雙槽式 MFC 批次反應槽

樣本分析與監測器材 本研究於實驗中所使用的各項分析儀器與設備，其名稱、型號及用途，彙 整如表 3-1 所示。 表 3-1 實驗設備彙整表 名稱 廠牌 型號/規格 用途 火焰離子氣相層析儀 _{SHIMADZU GC-2014} 分析 VFAs

烘箱 _{DENG YNG} DO 45、DOS 45 分析 SCOD、MLSS

高溫烘箱 _{DENG YNG DH400} 分析 VSS 攜帶型氧化還原電位/ 酸鹼度計 PORTABLE METER EC210 測量 pH 與 ORP 水銀溫度計 測量溫度 攜帶型溶氧計 _{YSI 550A} 測量 DO 三用電錶 _{KILTER 355} 測量電壓、電流 質子交換膜 Dupont Fayetteville Plant- USA Nafion Membrane N-115 MFC 離子交換媒介 電子天平 _{Sartorius BP211D} 配藥 不鏽鋼網 150 目 導電材料 離心機 _{HSIANGTAI CN-3101} 樣本分析 加熱攪拌器 _{CORNING PC-420D} 配藥 蠕動幫浦 污泥馴養

COD 滴定儀 _{Metrohm 876} SCOD 檢測

本研究自行彙整。

二、 實驗材料

泥作為陰極材料、厭氧顆粒化污泥作為陽極材料，厭氧污泥顆粒化程度如圖 3- 6 所示。 圖 3-6 厭氧顆粒化污泥 基質之組成 馴養污泥所添加的基質，以濃度約 20 g COD/L 的蔗糖作為主要碳源，如圖 3-7 本研究採用台糖貳號砂糖，並搭配學者 Endo 於 1982 年研究的營養物質配 方，其成分如表 3-2 所示。 在不同有機酸 MFC 批次試驗中，則分別以相同濃度 4 g/L 之葡萄糖與醋酸 作為實驗基質。 圖 3-7 馴養基質之主要碳源（台糖貳號砂糖）

表 3-2 營養物質配方（Endo，1982） 成分 濃度（mg/L） Sucrose 20000* NH4HCO3 5240 NaHCO3 6720 K2HPO4 125 MgCl2．6H2O 100 MnSO4．6H2O 15 FeSO4．7H2O 25 CuSO4．5H2O 5 CoCl2．5H2O 0.125 * Sucrose 濃度為 20,000 mg COD/L 三、 分析方法 水質分析

水質分析方法參照 Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water (1998），如表 3-3。

表 3-3 水質分析項目

分析項目 單位 參考方法

MLSS mg/L NIEA W210.58A SCOD mg/L NIEA W517.52B

pH - PORTABLE EC-210 pH meter

溫度 ℃ 水銀溫度計

ORP mV PORTABLE EC-210 pH meter DO mg/L YSI 550A DO meter 電壓 mV KILTER 355 multimeter

揮發性脂肪酸（Volatile Fatty Acid, VFAs）及醇類分析

本研究以 GC-FID（SHIMADZU GC-2014）分析厭氧醱酵程序中所產生的 代謝產物，項目包含乙酸（Acetate，簡稱為 HAc）、丙酸（Propionate，簡稱為

HPr）、丁酸（Butyrate，簡稱為 HBu）、戊酸（Valerate，簡稱為 HVa）、丙酮（Acetone，

簡稱為 Ace）及乙醇（Ethanol，簡稱為 Et）等六項。

樣品前處理方式：取離心過濾後之水樣 0.5 mL，加入 0.5 mL 0.1N HCl 酸化 稀釋，分析流程如圖 3-8 所示。液相層析儀之分析條件及設備條件如下：

SHIMADZU GC-2014 Gas Chromatograph： Detecor： Flame Ionization Detector, FID（185 ℃）

Carrier gas：N2（60 ml/min）

Injector Temperature：175 ℃ Oven Temperature：125 ℃

Column：3.2 mm ID × 1.6m 玻璃管柱（145 ℃）

Column packing：FON 10% （Celite 545；80/100；混合溫度 250℃）

圖 3-8 揮發酸與醇類分析流程圖 將樣品均勻混和後，進行分析 取 0.5 ml 水樣， 加入 0.5 ml 0.1N HCl 酸化，以固定揮發酸 以轉速 600 rpm 離心 10 分鐘 取 10 ml 厭氧污泥

第四章 結果與討論

本研究污泥取自國立臺中教育大學環境系統分析暨綠色能源實驗室之馴養槽，於 固定條件下，以自行研發之圓筒雙槽式MFC反應槽進行試驗，每批次試驗連續操 作 6 天。分別各添加 4 g/L 乙酸、丙酸、丁酸及戊酸之不同有機酸，探討有機酸對 微生物燃料電池產電效率之影響，各操作階段藉由固定監測觀察MFC操作之情 形，包含基本監測（MLSS、DO、SCOD、pH、ORP、電壓和電流）與揮發酸檢 測（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、丙酮和乙醇）。

第一節 添加乙酸於 MFC 操作之情形

將馴養污泥植入有效體積為1 L的圓筒雙槽式MFC反應槽中，使用不鏽鋼網作為電 極，接著進行批次試驗。每天輔以三用電錶紀錄MFC產電情形，並採樣作為水質 分析之用，待污泥狀態或產電數據穩定後，取此 6 天數據平均值代表添加乙酸數 據。 本試驗以 4 g/L 乙酸作為圓筒雙槽式MFC之基質，每批次進行 6 天，每日以三用電 錶進行電壓與電流之監測，並藉由水質分析與揮發酸之檢測，探討添加乙酸對 MFC產電效能之影響。 一、 MFC 操作參數分析

（一） 混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）

圖 4-1 為第 0 天至第 6 天 MFC 添加乙酸陽極（厭氧）槽 MLSS 變化之情形， MLSS 平均濃度為 22,785 ± 2,156.7 mg/L；圖 4-2 為 MFC 添加乙酸陰極（好氧）槽 MLSS 變化之情形，圖中顯示陰極槽 MLSS 平均濃度為 4,636.7 ± 56.7 mg/L，結果 顯示，MFC 陰、陽極批次反應槽之污泥狀態皆為穩定。

圖 4-1 添加乙酸之陽極槽 MLSS 趨勢圖 圖 4-2 添加乙酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 （二） 酸鹼值（pH）與溫度（Temperature） 為使本研究獲得較佳產電效率，因此使溫度與 pH 維持於穩定範圍內，如圖 4-3 為 MFC 添加乙酸之陽極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 6 天，批次反 應槽內平均 pH 值為 6.6 ± 0.1，溫度平均為 28.9 ± 0.1 ℃；圖 4-4 為 MFC 添加乙酸 之陰極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 6 天，批次反應槽內平均 pH 值為 6.6 ± 0.1，溫度平均為 28.9 ± 0.1 ℃。

圖 4-3 添加乙酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

圖 4-4 添加乙酸之陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

圖 4-5 添加乙酸之 DO 趨勢圖

（四） 氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP）

透過 ORP 之監測，可瞭解批次反應槽內污泥生長之環境，並藉由數據結果得知物 質氧化還原之程度，單位以 mV 表示。本試驗添加乙酸時，MFC 陰陽極 ORP 變化 情形如圖 4-6 所示，陽極槽 ORP 平均為-316.1 ± 15.2 mV；陰極槽 ORP 平均為 315.6 ± 32.8 mV。

圖 4-6 添加乙酸之 ORP 趨勢圖

（五） 溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）

別 為 7851.00 、 7214.00 、 6548.00 、 6024.00 、 5462.00 、 5024.00 及 4824mg/L ， SCOD 平均值為 6135.3 ± 1048.7 mg/L，去除率為 38.56 %；圖 4-8 顯示添加乙酸之 陰極槽 SCOD 變化情形，陰極槽第 1 天至第 6 天分別為 221.30、149.60、90.40、 75.00、64.00、56.00 及 51.00 mg/L，SCOD 平均值為 101 ± 58 mg/L，去除率為 77.06 %。 圖 4-7 添加乙酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 圖 4-8 添加乙酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖

299.80 mV。第 0 天至第 6 天，電壓變化依序為 257.00、299.80、174.20、123.10、 95.60、72.00 和 70.00 mV，平均電壓為 156.3 ± 84.8 mV。 圖 4-9 添加乙酸之電壓變化趨勢圖 （二） 電流 添加乙酸之電流變化趨勢如圖 4-10 所示，電流平穩，最大電流為 18.30µA，第 0 天至第 6 天電流變化依序為 14.6、12.60、18.30、6.30、9.30、3.60 及 2.80 µA，平 均電流為 9.6 ± 5.4 µA，經結果發現添加乙酸之電流密度可達 0.001 mA/cm2 。 圖 4-10 添加乙酸之電流變化趨勢圖

三、 MFC 揮發酸之變化 藉由添加乙酸作為 MFC 基質之試驗，發現微生物代謝產物以乙酸為主，其次是丁 酸。乙酸於第 0 天至第 6 天濃度變化如圖 4-11，分別為 3690.09、2983.98、 2308.79、1823.98、1008.53、887.97 和 744.56 mg COD/L。 圖 4-11 添加乙酸之乙酸濃度變化趨勢圖 四、 初步結果 於圓筒雙槽式MFC反應槽內，添加濃度4 g/L乙酸，以探討有機酸對於微生物產電 過程與MFC產電效能之影響，並於每日進行MFC水質分析與揮發酸檢測，獲得初 步結果如下： 1. 添加乙酸於 MFC 時，生成乙酸和丁酸兩種代謝產物。 2. 以乙酸作為 MFC 基質時，獲得較大電壓為 299.80 mV，第 0 天至第 6 天 平均電壓為 156.3 ± 84.8 mV。 3. 添加濃度 4 g/L 乙酸時，可獲得最大電流為 18.3µA，第 0 天至第 6 天平均

第二節 添加丙酸於 MFC 操作之情形

本試驗以 4 g/L 丙酸作為圓筒雙槽式MFC之基質，每批次進行 6 天，每日以三用電 錶進行電壓與電流之監測，並藉由水質分析與揮發酸之檢測，探討添加丙酸對 MFC產電效能之影響。

一、 MFC 操作參數分析

（一） 混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）

圖 4-13 為第 0 天至第 6 天 MFC 添加丙酸陽極（厭氧）槽 MLSS 變化之情形， MLSS 平均濃度為 22,470.0 ± 1,370.0 mg/L；圖 4-14 為 MFC 添加丙酸陰極（好 氧）槽 MLSS 變化之情形，圖中顯示陰極槽 MLSS 平均濃度為 4447.1 ± 108.6 mg/L，結果顯示，MFC 陰、陽極批次反應槽之污泥狀態皆為穩定。

圖 4-14 添加丙酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 （二） 酸鹼值（pH）與溫度（Temperature） 為使本研究獲得較佳產電效率，因此使溫度與 pH 維持於穩定範圍內，如圖 4-15 為 MFC 添加丙酸之陽極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 6 天，批次 反應槽內平均 pH 值為 6.3 ± 0.3，溫度平均為 28.2 ± 1.9 ℃；圖 4-16 為 MFC 添加丙 酸之陰極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 6 天，批次反應槽內平均 pH 值為 6.5 ± 0.4，溫度平均為 26.8 ± 0.4 ℃。 圖 4-15 添加丙酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

圖 4-16 添加丙酸之陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

（三） 溶氧量（Dissolved Oxygen）

本研究藉由曝氣設備之調整，以維持反應槽內最適合產電之溶氧狀態，從圖 4-17 添加丙酸之 MFC 陰極槽 DO 趨勢圖，可發現本試驗中陰極槽第 0 天至第 6 天 DO 維持在 2.40 ± 0.1 mg/L。

質氧化還原之程度，單位以 mV 表示。本試驗添加丙酸時，MFC 陰陽極 ORP 變化 情形如圖 4-18 所示，陽極槽 ORP 平均為-329.1 ± 22.3 mV；陰極槽 ORP 平均為 323.6 ± 11.1 mV。

圖 4-18 添加丙酸之 ORP 趨勢圖

（五） 溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）

圖 4-19 顯示添加丙酸之陽極槽 SCOD 變化情形，陽極槽 SCOD 第 1 天至第 6 天分 別為 9415.00、8542.00、8244.00、7814.00、7654.00、7485.00 及 6648.00 mg/L， SCOD 平均值為 7971.7 ± 810.4 mg/L，去除率為 29.39 %；圖 4-20 顯示添加丙酸之 陰極槽 SCOD 變化情形，陰極槽第 1 天至第 6 天分別為 454.60、217.40、179.30、 167.30、160.40、125.00 及 104.30 mg/L，SCOD 平均值為 201.2 ± 108.9 mg/L，去 除率為 77.06 %。

圖 4-19 添加丙酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖

圖 4-20 添加丙酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖

二、 MFC 產電情形

（三） 電壓

圖 4-21 添加丙酸之電壓變化趨勢圖 （四） 電流 添加丙酸之電流變化趨勢如圖 4-22 所示，電流平穩，最大電流為 46.00µA，第 0 天至第 6 天電流變化依序為 35.40、37.00、46.20、43.00、32.00、37.10 及 20.00 µA，平均電流為 35.8 ± 7.8 µA，經結果發現添加丙酸之電流密度可達 0.002 mA/cm2 。 圖 4-22 添加丙酸之電流變化趨勢圖

三、 MFC 揮發酸之變化 藉由添加丙酸作為 MFC 基質之試驗，發現微生物代謝產物以丙酸為主，其次是乙 酸。丙酸於第 0 天至第 6 天濃度變化如圖 4-23，分別為 198.530、7097.303、 7759.385、7776.843、7242.170、6801.443 和 6407.545 mg COD/L。 圖 4-23 添加丙酸之丙酸濃度變化趨勢圖 四、 初步結果 於圓筒雙槽式MFC反應槽內，添加濃度4 g/L丙酸，以探討有機酸對於微生物產電 過程與MFC產電效能之影響，並於每日進行MFC水質分析與揮發酸檢測，獲得初 步結果如下： 1. 添加丙酸於 MFC 時，生成丙酸和乙酸兩種代謝產物。 2. 以丙酸作為 MFC 基質時，獲得較大電壓為 437.00 mV，第 0 天至第 6 天 平均電壓為 263.4 ± 135.1 mV。 3. 添加濃度 4 g/L 丙酸時，可獲得最大電流為 46.00µA，第 0 天至第 6 天平

第三節 添加丁酸於 MFC 操作之情形

本試驗以 4 g/L 丁酸作為圓筒雙槽式MFC之基質，每批次進行 6 天，每日以三用電 錶進行電壓與電流之監測，並藉由水質分析與揮發酸之檢測，探討添加丁酸對 MFC產電效能之影響。

一、 MFC 操作參數分析

（一） 混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）

圖 4-25 為第 0 天至第 6 天 MFC 添加丁酸陽極（厭氧）槽 MLSS 變化之情形， MLSS 平均濃度為 24,310 ±1,133.3 mg/L；圖 4-26 為 MFC 添加丁酸陰極（好氧） 槽 MLSS 變化之情形，圖中顯示陰極槽 MLSS 平均濃度為 4,539 ± 196.6 mg/L，結 果顯示，MFC 陰、陽極批次反應槽之污泥狀態皆為穩定。

圖 4-26 添加丁酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 （二） 酸鹼值（pH）與溫度（Temperature） 為使本研究獲得較佳產電效率，因此使溫度與 pH 維持於穩定範圍內，如圖 4-27 為 MFC 添加丁酸之陽極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 6 天，批次 反應槽內平均 pH 值為 6.4 ± 0.5，溫度平均為 27.0 ± 0.4 ℃；圖 4-28 為 MFC 添加丁 酸之陰極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 6 天，批次反應槽內平均 pH 值為 6.4 ± 0.4，溫度平均為 26.5 ± 0.4 ℃。 圖 4-27 添加丁酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

圖 4-28 添加丁酸之陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

（三） 溶氧量（Dissolved Oxygen）

本研究藉由曝氣設備之調整，以維持反應槽內最適合產電之溶氧狀態，從圖 4-29 添加丁酸之 MFC 陰極槽 DO 趨勢圖，可發現本試驗中陰極槽第 0 天至第 6 天 DO 維持在 2.60 ± 0.2 mg/L。

質氧化還原之程度，單位以 mV 表示。本試驗添加丁酸時，MFC 陰陽極 ORP 變化 情形如圖 4-30 所示，陽極槽 ORP 平均為-342.9 ± 23.2 mV；陰極槽 ORP 平均為 336.6 ± 14.9 mV。

圖 4-30 添加丁酸之 ORP 趨勢圖

（五） 溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）

圖 4-31 顯示添加丁酸之陽極槽 SCOD 變化情形，陽極槽 SCOD 第 1 天至第 6 天分 別為 8614.00、7452.00、7215.00、6482.00、6348.00、6018.00 及 5814.00 mg/L， COD 平均值為 6845.1 ± 904.6 mg/L，去除率為 32.51 %；圖 4-32 顯示添加丁酸之 陰極槽 SCOD 變化情形，陰極槽第 1 天至第 6 天分別為 449.40、245.00、221.00、 186.00、174.00、132.60 及 100.10 mg/L，SCOD 平均值為 215.4 ± 105.8 mg/L，去 除率為 77.73%。

圖 4-31 添加丁酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖

圖 4-32 添加丁酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖

二、 MFC 產電情形

（一） 電壓

圖 4-33 添加丁酸之電壓變化趨勢圖 （二） 電流 添加丁酸之電流變化趨勢如圖 4-34 所示，電流平穩，最大電流為 47.40µA，第 0 天至第 6 天電流變化依序為 23.00、27.30、47.40、19.50、11.50、14.00 及 0.70 µA，平均電流為 20.5 ± 13.6 µA，經結果發現添加丁酸之電流密度可達 0.002 mA/cm2 。 圖 4-34 添加丁酸之電流變化趨勢圖

三、 MFC 揮發酸之變化 藉由添加丁酸作為 MFC 基質之試驗，發現微生物代謝產物以丁酸為主。丁酸於第 0 天 至 第 6 天 濃 度 變 化 如 圖 4-35 ， 分 別 為 6560.712 、 6667.705 、 6389.033 、 5976.303、5957.396 和、5665.043 和 5428.325 mg COD/L。 圖 4-35 添加丁酸之丁酸濃度變化趨勢圖 四、 初步結果 於圓筒雙槽式MFC反應槽內，添加濃度4 g/L丁酸，以探討有機酸對於微生物產電 過程與MFC產電效能之影響，並於每日進行MFC水質分析與揮發酸檢測，獲得初 步結果如下： 1. 添加丁酸於 MFC 時，主要生成丁酸一種代謝產物。 2. 以丁酸作為 MFC 基質時，獲得較大電壓為 343.6.00mV，第 0 天至第 6 天平均電壓為 154.8.3 ± 89.7 mV。

第四節 添加戊酸於 MFC 操作之情形

本試驗以 4 g/L 戊酸作為圓筒雙槽式MFC之基質，每批次進行 6 天，每日以三用電 錶進行電壓與電流之監測，並藉由水質分析與揮發酸之檢測，探討添加戊酸對 MFC產電效能之影響。

一、 MFC 操作參數分析

（一） 混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）

圖 4-37 為第 0 天至第 6 天 MFC 添加戊酸陽極（厭氧）槽 MLSS 變化之情形， MLSS 平均濃度為 23908.3±526.7 mg/L；圖 4-38 為 MFC 添加戊酸陰極（好氧）槽 MLSS 變化之情形，圖中顯示陰極槽 MLSS 平均濃度為 4465.6±137.0 mg/L，結果 顯示，MFC 陰、陽極批次反應槽之污泥狀態皆為穩定。

圖 4-38 添加戊酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 （二） 酸鹼值（pH）與溫度（Temperature） 為使本研究獲得較佳產電效率，因此使溫度與 pH 維持於穩定範圍內，如圖 4-39 為 MFC 添加戊酸之陽極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 6 天，批次 反應槽內平均 pH 值為 6.4±0.6，溫度平均為 27±0.6 ℃；圖 4-40 為 MFC 添加戊酸 之陰極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 6 天，批次反應槽內平均 pH 值為 6.5±0.4，溫度平均為 26.6±0.2 ℃。 圖 4-39 添加戊酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

圖 4-40 添加戊酸之陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖

（三） 溶氧量（Dissolved Oxygen）

本研究藉由曝氣設備之調整，以維持反應槽內最適合產電之溶氧狀態，從圖 4-41 添加戊酸之 MFC 陰極槽 DO 趨勢圖，可發現本試驗中陰極槽第 0 天至第 6 天 DO 維持在 2.3±0.1 mg/L。

質氧化還原之程度，單位以 mV 表示。本試驗添加戊酸時，MFC 陰陽極 ORP 變化 情形如圖 4-42 所示，陽極槽 ORP 平均為-332±13.4 mV；陰極槽 ORP 平均為 336.3±22.4 mV。

圖 4-42 添加戊酸之 ORP 趨勢圖

（五） 溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）

圖 4-43 顯示添加戊酸之陽極槽 SCOD 變化情形，陽極槽 SCOD 第 1 天至第 6 天分 別為 8214.00、6042.00、5924.00、5624.00、5248.00、5128.00 及 4857.00 mg/L， SCOD 平均值為 5862.4 ± 1038.6 mg/L，去除率為 40.87%；圖 4-44 顯示添加戊酸之 陰極槽 SCOD 變化情形，陰極槽第 1 天至第 6 天分別為 448.00、317.00、294.00、 264.00、230.00、185.00 及 153.00 mg/L，SCOD 平均值為 270.1±90.3 mg/L，去除 率為 65.85%。

圖 4-43 添加戊酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖

圖 4-44 添加戊酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖

二、 MFC 產電情形

（一） 電壓

圖 4-45 添加戊酸之電壓變化趨勢圖 （二） 電流 添加戊酸之電流變化趨勢如圖 4-46 所示，電流平穩，最大電流為 32.7µA，第 0 天 至第 6 天電流變化依序為 22.0、20.8、32.7、9.2、2.8、1.7 及 3.1 µA，平均電流為 13.2±11.2 µA，經結果發現添加戊酸之電流密度可達 0.001 mA/cm2。 圖 4-46 添加戊酸之電流變化趨勢圖

三、 MFC 揮發酸之變化 藉由添加戊酸作為 MFC 基質之試驗，發現微生物代謝產物以戊酸為主，其次是戊 酸。戊酸於第 0 天至第 6 天濃度變化如圖 4-47，分別為 5343、4739、3994、 3743、3649、 3655 和 3218 mg COD/L。 圖 4-47 添加戊酸之戊酸濃度變化趨勢圖 四、 初步結果 於圓筒雙槽式MFC反應槽內，添加濃度4 g/L戊酸，以探討醱酵產物對於微生物產 電過程與MFC產電效能之影響，並於每日進行MFC水質分析與揮發酸檢測，獲得 初步結果如下： 5. 添加戊酸於 MFC 時，生成戊酸和戊酸兩種代謝產物。 6. 以戊酸作為 MFC 基質時，獲得較大電壓為 218.0 mV，第 0 天至第 6 天平 均電壓為 99.6±60.6 mV。 7. 添加濃度 4 g/L 戊酸時，可獲得最大電流為 32.7µA，第 0 天至第 6 天平均

圖 4-48 添加戊酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖 五、 綜合比較結果 綜合上述四個小節，可獲得乙酸、丙酸、丁酸及戊酸結果之比較，包含陽極槽與 陰極槽的 MLSS、溫度、pH、ORP、SCOD、電壓、電流，以及添加不同 MFC 中 揮發酸與醇類之變化，彙整如下： （一） 陽極槽 MLSS 添加乙酸 MLSS 平均濃度為 22,785 ± 2152.6 mg/L；添加丙酸 MLSS 平均濃度為 22,470 ± 1370.0 mg/L；添加丁酸 MLSS 平均濃度為 24,310.4 ± 1133.3 mg/L；添加 戊酸 MLSS 平均濃度為 23,908.3 ± 562.7 mg/L，如圖 4-49 所示。

圖 4-49 陽極槽 MLSS 趨勢綜合比較圖 （二） 陰極槽 MLSS 添加乙酸 MLSS 平均濃度為 4,636.1 ± 54.2 mg/L；添加丙酸 MLSS 平均濃度為 4,447.1 ± 108.6 mg/L；添加丁酸 MLSS 平均濃度為 4,539.0 ± 196.6 mg/L；添加戊酸 MLSS 平均濃度為 4,465.6 ± 137.0 mg/L，如圖 4-50 所示。 圖 4-50 陰極槽 MLSS 趨勢綜合比較圖 （三） 陽極槽溫度與 pH 變化 添加乙酸厭氧溫度平均為 28.9 ± 0.1 ℃，pH 平均為 6.6 ± 0.1；添加丙酸厭氧溫度平

圖 4-51 陽極槽溫度與 pH 變化綜合比較圖 （四） 陰極槽溫度與 pH 變化 添加乙酸好氧溫度平均為 28.9 ± 0.1 ℃，pH 平均為 6.6 ± 0.1；添加丙酸好氧溫度平 均為 26.8 ± 0.4 ℃，pH 平均為 6.5 ± 0.4；添加丁酸好氧溫度平均為 26.5 ± 0.4 ℃， pH 平均為 6.4 ± 0.5；添加戊酸好氧溫度平均為 26.6 ± 0.2 ℃，pH 平均為 6.5 ± 0.4，如圖 4-52 所示。 圖 4-52 陰極槽溫度與 pH 變化趨勢綜合比較圖

（五） 陰極槽 DO 添加乙酸 DO 平均操作值約為 2.4 ± 0.1 mg/L；添加丙酸 DO 平均操作值約為 2.4 ± 0.1 mg/L；添加丁酸 DO 平均操作值約為 2.6 ± 0.2 mg/L；添加戊酸 DO 平均操作值 約為 2.3 ± 0.1 mg/L，如圖 4-53 所示。 圖 4-53 陰極槽 DO 趨勢綜合比較圖 （六） ORP 添加乙酸陽極槽 ORP 平均為-316.1 ± 15.2 mV；陰極槽 ORP 平均為 315.6 ± 32.8 mV；添加丙酸陽極槽 ORP 平均為-329.1 ± 22.3 mV；陰極槽 ORP 平均為 323.6 ± 11.1 mV；添加丁酸陽極槽 ORP 平均為-342.9 ± 23.2 mV；陰極槽 ORP 平均為 336.6 ± 14.9 mV；添加戊酸陽極槽 ORP 平均為-332.0 ± 13.4 mV；陰極槽 ORP 平均 為 336.3 ± 22.4mV，如圖 4-54 所示。

（七） 陽極槽 SCOD 添加乙酸 SCOD 平均濃度為 6132.3 ± 1048.7mg/L，去除率為 38.56%；添加丙酸 SCOD 平均濃度為 7971.7 ± 810.4mg/L，去除率為 29.39%；添加丁酸 SCOD 平均濃 度為 6845.1 ± 904.6mg/L，去除率為 32.51%；添加戊酸 SCOD 平均濃度為 5862.4 ± 1038.6mg/L，去除率為 40.87%，如圖 4-55 所示。 圖 4-55 陽極槽 SCOD 變化趨勢綜合比較圖 （八） 陰極槽 SCOD 添加乙酸 SCOD 平均濃度為 101.0 ±58.0mg/L，去除率為 76.9%；添加丙酸 SCOD 平均濃度為 201.2 ±108.9mg/L，去除率為 77.06%；添加丁酸 SCOD 平均濃度為 215.4 ±105.8mg/L ， 去 除 率 為 77.73% ； 添 加 戊 酸 SCOD 平 均 濃 度 為 270.1 ±90.3mg/L，去除率為 65.85%，如圖 4-56 所示。 圖 4-56 陰極槽 SCOD 變化趨勢綜合比較圖

（九） 添加乙酸之揮發酸及醇類濃度 發現微生物於添加乙酸作為 MFC 基質之試驗時，代謝產物以乙酸為主，其次是丁 酸 ； 乙 酸 濃 度 變 化 ， 分 別 為 3690.09 、 2983.99 、 2308.79 、 1823.98 、 1008.53 、 887.97 和 0 mg COD/L；過程中，僅於第 0 天發現丁酸之生成，濃度為 121.94 mg COD/L，如圖 4-57 所示。 圖 4-57 添加乙酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢綜合比較圖 （十） 添加丙酸之揮發酸及醇類濃度 發現微生物於添加丙酸作為 MFC 基質之試驗時，代謝產物以丙酸為主，其次為乙 酸及微量的丁酸及戊酸；丙酸濃度變化由第一天 7097.30 mg COD/L 降至第六天為 6007.55 mg COD/L；如圖 4-58 所示。