添加不同醱酵產物對微生物燃料電池產電效率影響之研究

全文

(1)國立臺中教育大學科學應用與推廣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. 添加不同醱酵產物對微生物燃料電池產電效率影響之研究 Effects of Different Fermentation Products Addition on Electric Efficiency of Microbial Fuel Cell. 研究生：李欣憶撰. 中華民國一 ○ 三年七月.

(2) 致. 謝. 隨著論文撰寫逐漸進入尾聲，回首這段艱辛的求學路途，彷如昨日。雖然，剛接觸環境專業領域的我，學淺識薄，資質愚鈍，但幸有恩師白子易教授一路細心提點與指導，以及眾多師長、研究助理、學長姐、同學與學弟妹們的幫助，才能造就學生今日小小的成就。回憶起，在恩師白子易教授的門下已過三年，老師豐富的學術經驗、幽默風趣的口才以及精闢獨到的見解，對學生們皆用心指導、細心栽培，在嚴格要求我們的同時，仍不忘教導待人處事的道理，使學生受益良多。此外，特別感謝百忙之中抽空擔任學生論文口試委員的歐陽嶠暉教授、黃志彬教授與萬騰州教授，不吝提出指教與建議，使學生論文更加嚴謹，在此獻上最誠摯的感謝；感謝在我徬徨無助、面臨困境與抉擇時，慷慨相助的偉嘉學長，提供許多寶貴經驗與指導，使我有更清晰的思考邏輯與嚴謹的研究態度，才得以完成本論文，在此由衷感謝；接著，感謝陪伴我奮鬥兩年的同學僾瑾、資玲、慶仁、芬停、惠閔，沒有你們或許我的研究所生活就沒有這麼多采多姿了，還記得難忘的刮鬍泡慶生會、聖誕節火鍋趴，甚至穿著碩士服穿梭在臺中市區拍畢業照的瘋狂日子，真的很謝謝你們陪我一路走過來了；還有，把我們視如己出照顧的在職生同學淑雯、淑慧、佩佩、宏哲、慈衾，謝謝你們在這兩年的研究生活中，帶著我們上山下海到處參觀學習，甚至不吝與我們分享待人處事的道理與職場生存的技巧，由衷感謝你們的照顧；此外，感謝品詩學姊、偉祺助理、鈞嵐學姊、雅鳳學姊、佳青學姊、芳庭助理、譽馨助理、秀貞助理、鳴蘭助理，在學術研究以及行政事務上的幫助與指導；感謝同門的學長姐與學弟妹進源大哥、孟修學長、婉君學姊、瑜芳學姊、雪峯學姊、立華學弟、育澤學弟、靖雅學妹、巧微學妹、恬萱學妹，在學術研究與計畫上，不辭辛勞的協助與鼓勵，讓我深深感受到小白家族的熱情與溫暖。最後，特別感謝宏賓以及我最心愛的家人，尤其是爸爸和媽媽，謝謝你們全心全意支持我攻讀研究所，然後不斷鼓勵我、支持我、包容我，甚至一路走來無.

(3) 怨無悔默默的付出，支援我所有的需求；也在我疲憊無力時，給我最溫暖、厚實的依靠，甚至聽我訴苦，使我得以無後顧之憂的完成學業。學位完成了，但人生還有漫長的路途與挑戰，等著我去面對，感謝所有曾經幫助過我、卻無法一一詳列名字的貴人們，期望我能以今日所學善用於職場、貢獻於社會，以報各位對我的恩澤與厚愛。. 李欣憶謹致於國立臺中教育大學 2014 年 7 月 16 日.

(4) 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，以固定濃度探討葡萄糖（Glucose，Glu）與醋酸（Acetic acid, HAc）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)探討不同醱酵產物對 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（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，接著進行未添加醱酵產物，以及添加濃度 4 g COD/L 葡萄糖和濃度 4 g COD/L 醋酸等三項批次試驗，並觀察固定操作天數（6 天）下， MFC 產電效率之變化。結果顯示：未添加醱酵產物時，各批次試驗之平均電壓分別為 22.36、35.32、33.56、24.16、17.38 及 8.20 mV，平均電流為 7.71、5.44、2.29、 1.15、0.07 及 0.00 µA，陽極槽與陰極槽 COD 去除率分別為 73.06、74.75 %；添加葡萄糖時，MFC 之電壓分別為 36.00、52.00、64.50、168.50、249.70 及 244.40 mV，電流分別為 10.00、0.80、1.70、2.60、3.90 及 3.60 µA，陽極槽與陰極槽 COD 去除率分別為 28.86、87.01%；添加醋酸時，MFC 之電壓分別為 257.00、299.80、 174.20、123.10、95.60 及 72.00 mV，電流分別為 7.00、7.60、4.60、0.30、0.20 及 0.10 µA，陽極槽與陰極槽 COD 去除率分別為 63.88、93.03 %。實驗結果經討論後，獲得以下結論：(1)縮短陰、陽極槽體間距，可降低反應槽之內阻，進而提升產電效率；(2) 相同 COD 濃度下，由於醋酸較易受微生物分解使用，因此添加醋酸有利於提升 MFC 產電效率，並獲得較穩定之產電效果；(3)相同 COD 濃度下，於 MFC 中添加醋酸之 COD 去除率高於添加葡萄糖。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、醱酵產物、產電效率. i.

(5) Effects of Different Fermentation Products Addition on electric Efficiency of Microbial Fuel Cell. Abstract In this study, experiments on dual-socket microbial fuel cell (MFC) were carried out in batches to detect the effect of glucose and acetic acid on electricity of MFC based on a fixed concentration. The research purposes included: (1) to establish cylindrical dual-socket MFC reactive tank; (2) to determine the removal rate of chemical oxygen demand (COD) with different ferment products under the same concentration; (3) to discuss the effect of different ferment products on MFC electricity. A cylindrical dualsocket MFC developed and designed by this study had an effective volume of 1L. The stainless steel mesh was used as the cathode and anode materials, and the two sockets were separated by proton exchange membrane (PEM). Strains were cultured under the fixed conditions (concentration of sucrose substrate 20,000 mg COD/L, pH 6.8 ± 0.5 and temperature 30 ± 1℃). Then experiments were carried out in three batches, namely without ferment products, with glucose under a concentration 4 g COD/L and with acetic acid under concentration 4 g COD/L. Variations of MFC electricity under fixed operation days (6 days) were observed. The results showed that, without ferment products, the average voltages of experiments in all batches were 22.36, 35.32, 33.56, 24.16, 17.38 and 8.20 mV, the averages currents were 7.71, 5.44, 2.29, 1.15, 0.07 and 0.00 µA, and the removal rates of COD in anode and cathode sockets were 73.06 and 74.75 % respectively. With glucose, the average voltages of MFC were 36.00, 52.00, 64.50, 168.50, 249.70 and 244.40 mV, the average currents of MFC were 10.00, 0.80, 1.70, 2.60, 3.90 and 3.60 µA, and the removal rates of COD in anode and cathode sockets were 28.86 and 87.01 % respectively. With acetic acid, the average voltages of MFC were 257.00, 299.80, 174.20, 123.10, 95.60 and 72.00 mV, the average currents of MFC were 7.00, 7.60, 4.60, 0.30, 0.20 and 0.10 µA, and the removal rates of COD in anode and cathode sockets were 63.88 and 93.03 %. The following conclusions were drawn based on the experimental results: (1) shortening the space between the cathode and anode sockets can reduce the inner resistance of reactive sockets and then promote electricity; (2) under the same concentration of COD, since acetic acid was easily decomposed and used by microorganism, the addition of acetic acid is good to promote MFC electricity and obtain stable electricity generation effect; (3) under the same COD. ii.

(6) concentration, the COD removal rate with acetic acid added in MFC is higher than that with glucose added in MFC. The results of this study can provide a reference for future on promoting the electricity of MFC.. Keywords : microbial fuel cell, fermentation products, electric efficiency. iii.

(7) 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. 第一節微生物電化學 ........................................................................................... 5 第二節微生物燃料電池之發展 ........................................................................... 9 第三節微生物燃料電池產電原理 ..................................................................... 11 第四節微生物燃料電池型式 ............................................................................. 15 第三章. 研究方法....................................................................................................... 17. 第一節研究流程 ................................................................................................. 17 第二節研究架構 ................................................................................................. 18 第三節研究設備與材料 ..................................................................................... 19 第四章. 結果與討論................................................................................................... 27. 第一節圓筒雙槽式 MFC 反應槽操作之情形................................................... 27 第二節添加葡萄糖於 MFC 操作之情形........................................................... 37 第三節添加醋酸於 MFC 操作之情形............................................................... 48. iv.

(8) 第五章. 結論與建議................................................................................................... 65. 第一節結論 ......................................................................................................... 65 第二節建議 ......................................................................................................... 66 參考文獻....................................................................................................................... 67. v.

(9) 圖目錄圖 2-1 微生物能量轉換途徑示意圖 ............................................................................ 5 圖 2-2 細胞內電子傳遞路徑 ........................................................................................ 9 圖 2-3 微生物燃料電池發電原理圖 .......................................................................... 13 圖 3-1 研究流程圖 ...................................................................................................... 18 圖 3-2 實驗架構圖 ...................................................................................................... 19 圖 3-3 好氧污泥馴養設備 .......................................................................................... 20 圖 3-4 厭氧污泥馴養設備 .......................................................................................... 21 圖 3-5 圓筒雙槽式 MFC 批次反應槽 ........................................................................ 22 圖 3-6 厭氧顆粒化污泥 .............................................................................................. 24 圖 3-7 馴養基質之主要碳源（台糖貳號砂糖） ...................................................... 24 圖 3-8 揮發酸與醇類分析流程圖 .............................................................................. 26 圖 4-1 未添加醱酵產物陽極槽 MLSS 趨勢圖.......................................................... 28 圖 4-2 未添加醱酵產物陰極槽 MLSS 趨勢圖.......................................................... 28 圖 4-3 未添加醱酵產物 VSS 趨勢圖 ......................................................................... 29 圖 4-4 未添加醱酵產物陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ........................................... 30 圖 4-5 未添加醱酵產物陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ........................................... 30 圖 4-6 未添加醱酵產物 DO 趨勢圖 .......................................................................... 31 圖 4-7 未添加醱酵產物 ORP 趨勢圖 ........................................................................ 32 圖 4-8 未添加醱酵產物陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 ................................................. 33 圖 4-9 未添加醱酵產物陰極槽 SCOD 變化趨勢圖 ................................................. 33 圖 4-10 未添加醱酵產物平均電壓變化趨勢圖 ........................................................ 34 圖 4-11 未添加醱酵產物平均電流變化趨勢圖 ........................................................ 34 圖 4-12 未添加醱酵產物之乙酸濃度變化趨勢圖 .................................................... 35. vi.

(10) 圖 4-13 未添加醱酵產物之丁酸濃度變化趨勢圖 .................................................... 35 圖 4-14 未添加醱酵產物之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖 .................................... 37 圖 4-15 添加葡萄糖之陽極槽 MLSS 趨勢圖............................................................ 38 圖 4-16 添加葡萄糖之陰極槽 MLSS 趨勢圖............................................................ 38 圖 4-17 添加葡萄糖之 VSS 趨勢圖 ........................................................................... 39 圖 4-18 添加葡萄糖之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ............................................. 40 圖 4-19 添加葡萄糖之陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ............................................. 40 圖 4-20 添加葡萄糖之 DO 趨勢圖 ............................................................................. 41 圖 4-21 添加葡萄糖之 ORP 趨勢圖 .......................................................................... 41 圖 4-22 添加葡萄糖之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 ................................................... 42 圖 4-23 添加葡萄糖之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖 ................................................... 42 圖 4-24 添加葡萄糖之電壓變化趨勢圖 .................................................................... 43 圖 4-25 添加葡萄糖之電流變化趨勢圖 .................................................................... 44 圖 4-26 添加葡萄糖之乙酸濃度變化趨勢圖 ............................................................ 45 圖 4-27 添加葡萄糖之丙酸濃度變化趨勢圖 ............................................................ 45 圖 4-28 添加葡萄糖之丁酸濃度變化趨勢圖 ............................................................ 46 圖 4-29 添加葡萄糖之乙醇濃度變化趨勢圖 ............................................................ 46 圖 4-30 添加葡萄糖之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖 ............................................ 47 圖 4-31 添加醋酸之陽極槽 MLSS 趨勢圖 ................................................................ 48 圖 4-32 添加醋酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖 ................................................................ 49 圖 4-33 添加醋酸之 VSS 趨勢圖 ............................................................................... 49 圖 4-34 添加醋酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ................................................. 50 圖 4-35 添加醋酸之陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ................................................. 51 圖 4-36 添加葡萄糖之 DO 趨勢圖 ............................................................................. 51 圖 4-37 添加醋酸之 ORP 趨勢圖 .............................................................................. 52 vii.

(11) 圖 4-38 添加醋酸之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 ....................................................... 53 圖 4-39 添加醋酸之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖 ....................................................... 53 圖 4-40 添加醋酸之電壓變化趨勢圖 ........................................................................ 54 圖 4-41 添加醋酸之電流變化趨勢圖 ........................................................................ 54 圖 4-42 添加醋酸之乙酸濃度變化趨勢圖 ................................................................ 55 圖 4-43 添加醋酸之丁酸濃度變化趨勢圖 ................................................................ 55 圖 4-44 添加醋酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖 ................................................ 56 圖 4-45 陽極槽 MLSS 趨勢綜合比較圖 .................................................................... 57 圖 4-46 陰極槽 MLSS 趨勢綜合比較圖 .................................................................... 58 圖 4-47 VSS 趨勢綜合比較圖 ..................................................................................... 58 圖 4-48 陽極槽溫度與 pH 變化綜合比較圖 ............................................................. 59 圖 4-49 陰極槽溫度與 pH 變化趨勢綜合比較圖 ..................................................... 59 圖 4-50 陰極槽 DO 趨勢綜合比較圖 ........................................................................ 60 圖 4-51 ORP 趨勢綜合比較圖 .................................................................................... 60 圖 4-52 陽極槽 SCOD 變化趨勢綜合比較圖 ........................................................... 61 圖 4-53 陰極槽 SCOD 變化趨勢綜合比較圖 ........................................................... 61 圖 4-54 電壓變化趨勢綜合比較圖 ............................................................................ 62 圖 4-55 電流變化趨勢綜合比較圖 ............................................................................ 62 圖 4-56 未添加醱酵產物之揮發酸及醇類濃度變化趨勢綜合比較圖 .................... 63 圖 4-57 添加葡萄糖之揮發酸及醇類濃度變化趨勢綜合比較圖 ............................ 64 圖 4-58 添加醋酸之揮發酸及醇類濃度變化趨勢綜合比較圖 ................................ 64. viii.

(12) 表目錄表 2-1 MFC 重要歷程一覽表 ...................................................................................... 11 表 2-2 不同微生物產電之差異 .................................................................................. 14 表 3-1 實驗設備彙整表 .............................................................................................. 23 表 3-2 營養物質配方（Endo，1982） ...................................................................... 25 表 3-3 水質分析項目 .................................................................................................. 25. ix.

(13) 第一章. 緒論. 第一節研究背景與動機從工業革命到現今科技發展的過程中，種種衝擊對地球環境產生極大影響，其中包括工業廢棄物、環境污染（包括空氣、水、土壤、噪音等污染），使得環保意識逐漸受到重視，人們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開發低污染技術被視為科技發展的首要目標。所以，世界各地的科學家們不斷積極地尋求各種產能方法，而當前最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為一電化學系統，藉由微生物於分解污染物過程中，將化學能轉換成電能，不僅能去除污染物，更能產生電能此技術，不僅符合乾淨、有效率且安靜的電力來源，更對於能源供應提供了一種新的產生方法，亦在環境保護的工作上給未來新科技的誕生作了一個最佳的模範。根據相關研究報告指出，MFC同時具有處理廢水及產生能源的潛力（Liu et al., 2004a）。因此，如果能充分利用廢水中微生物降解有機物質的特性，將其轉換為可利用之能源，不僅可節省污水處理成本，甚至還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，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。倘若，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）目前，MFC於新興能源之應用，其產電性能仍受限於開發成本過高與技術不足等考量；其中，操作條件占其重要之因素，包含微生物菌種、基質碳源特性、. 1.

(14) 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，探討添加不同醱酵產物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，接著進行未添加醱酵產物，以及添加濃度 4 g COD/L 葡萄糖和濃度 4 g COD/L 醋酸等三項批次試驗，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. 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（Chemical Oxygen Demand, COD）去除率。 3. 探討葡萄糖及醋酸對 MFC 產電效率之影響。本研究之重要性及預期效益如下： 1. 國際間尚缺乏探討 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，以提升 MFC 產電效率，具有相當高的研究價值。 2. 透過 MFC 試驗，探討揮發性脂肪酸（以下簡稱揮發酸）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。. 2.

(15) 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. 含陽極和陰極反應槽、質子或是陽離子交換膜以及外部電路。其產電理論由來已久，但作為產電方式卻相當新穎，主要利用微生物作為催化劑進行能量轉換（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。此項技術不同於以往之廢水處理方法，不僅不需要耗費其他能源，甚至還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明顯，因為這些損失是由細菌氧化有機物所引起的。在有機質磷酸化產生1 mole ATP 的循環中，質子為了穿過薄膜，細菌必需擁有足夠的能量(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。. 3.

(16) 4.

(17) 第二章. 文獻回顧. 為減少能源消耗，科學家們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。. 第一節微生物電化學在 MFC 產電的過程中，微生物能量的轉換可細分為三個階段：(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 2-1 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. 粒線體. 2 ATP. 34 ATP. 2 ATP. 圖 2-1 微生物能量轉換途徑示意圖一、糖解作用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（glucose6-phosphate, G-6-P）. 5.

(18) 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-3phosphate, 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-3P 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。. 6.

(19) （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 3PG 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、電子轉移的機制質子交換膜燃料電池，是一兩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，需要在陽極槽內厭氧微生物代謝後之負產物 H 質子經靜電、擴散、接觸等方式碰觸質子交換膜，在質子交換膜內經過一連鎖反應，使其 H 質子進入陰極，這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、接觸等方式碰觸極板，再經由外部導線（銅線）進而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： H 2  2H   2e  …………………………………（式 2-1） E10  0VSHE (標準氫電極). ………………………………（式 2-2）. 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. 7.

(20) 3. 游離的電子經導電板收集，因電位差的原故，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  2H 2O …………………………（式. 2-3）. E02  1.229VSHE(標準氫電極) ……………………………（式 2-4）. MFC 電壓產生的過程較化學電池複雜，且難以預測。以 MFC 內的微生物而言，電子於細胞外進行傳遞，需先經過一段時間的培養才能使其生長在電極表面，進而產生酶或是其他結構。陰極和陽極的電位限制能量產生過程所得到的最大電壓，但反應物所產生的電位並不足以說明能量產生的生物化學機制，因此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氧化所產生的電子，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 2-2 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，發現於 MFC 燃料中加入各種電子傳遞鏈抑制劑，得知魚藤酮（rotenone）、二環. 8.

(21) 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）。陽極. 外膜. 周質. 細胞色素複合體. 內膜輔酶 NADH 脫氫酶. 細胞質. 細胞質. 資料來源：Lovely, 2008. 圖 2-2 細胞內電子傳遞路徑. 第二節微生物燃料電池之發展微生物燃料電池的發展沿革，可追溯至1791年歷史上第一位發現「生物電」現象的學者Luigi Galvani，從分離青蛙腿實驗中發現生物電（bioelectricity）現象。接著，1839年英國科學家 William R. Grove進行水逆解之研究，將氫氣與氧氣重. 9.

(22) 組形成水並產生電流，成為世上第一個『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。早期，MFC主要應用於廢水處理之過程，由廢水中獲取能源，再將能源妥善利用的新興技術；然而，廢水成份複雜包含許多微生物、有機物及無機物等，操作前均需要經過篩選或試驗才可達到良好的處理效果，因此，陸陸續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，如葡萄糖和果糖，就會通過糖解作用途徑被轉化為丙酮酸鹽併產生部分的ATP。有機物測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. 10.

(23) 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 1999 年. NASA 的科學家開始研究微生物燃料電池，使得微生（美國航空暨太空總署）物燃料電池才開始受到重視。 NASA. Kim, H. J. et al.. 研究者發現 MFC 不添加介質亦能產電。. 第三節微生物燃料電池產電原理剛開始，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）。演變至今，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），. 11.

(24) 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的發電原理主要是藉由微生物作為催化劑，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，釋出電子與質子（H+），而微生物的呼吸作用，尚可分為有氧呼吸及無氧呼吸，前者反應流程依序為糖解作用→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），後者反應順序為糖解作用→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2-3為上述概念之示意圖。陽極槽之氧化半反應式： C6 H 12O6  6H 2 O  6CO2  24H   24e . （式 2-5）. 陰極槽之還原半反應式： 6O2  24H   24e   12H 2 O. （式 2-6）. 總反應式： C6 H12O6  6H 2 O  6CO2  24H   24e . 12. （式 2-7）.

(25) 三用電表. e-. 電阻. e. H2O. H+. 有機物. O2 CO2. 陽極. 薄膜. 陰極. 曝氣機. 資料來源：Patrick et al., 2011 圖 2-3 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. 13.

(26) 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電流密度 (mA/cm2）. 純種菌. MFC類型. 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. 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. 混合菌種源. 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。. 14.

(27) 第四節微生物燃料電池型式微生物燃料電池形式已發展出許多種型式，基本上，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、疊層式、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。基本構造包括陽極槽（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）雙槽式雙槽式結構較為簡單，此設計為兩個獨立反應槽體組成，中間以質子交換模和陰極曝氣阻隔，也稱 H 型系統，連接這兩槽體間的質子交換模的尺寸通常會限制功率的產生。因為質子交換膜對氧氣以及溶液中的其他化學成分都具有防滲透性，因此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，使得庫倫效率可能降低。（二）單槽式單槽式微生物燃料電池多為單槽式空氣陰極微生物燃料電池，槽體頂端設計兩個開口方便進料和排出，系統運行過程中這兩個開口用塞子密封，電極末端略微凹陷處，上面放置一個橡膠墊圈，然後使用平板末端密封，以防漏水，此方法密封較緊實，對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。單槽式是一種槽體體積需求較小的微生物燃料電池，極板間的距離也較相近功率密度輸出會提高（Liu, Ramnarayanan, & Logan, 2005）。. 15.

(28) （三）平板式為使微生物燃料電池產生更多的電能，平版型微生物燃料電池，極板間的間距更近了，電阻降低，內部隔出蛇形軌跡，形成類似活塞的反應器，此類似汽車鉛電池，用多組的極版串連起來，加大其電壓進而提高產電的功率。. 16.

(29) 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，接著進行未添加醱酵產物，以及添加濃度4 g COD/L葡萄糖和濃度4 g COD/L醋酸等三項批次試驗，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醱酵產物對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、VSS、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。. 17.

(30) 啟動實驗確立研究目的文獻回顧設計實驗模廠 MFC 模廠. 基本監測. MLSS、VSS、DO、 SCOD、pH、ORP、電壓、電流. 污泥馴養模廠. 進行批次試驗. 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. 結果分析文獻分析比較結論與建議撰寫論文. 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，並以此未添加醱酵產物之平均數據作為空白組，與分別添加葡萄糖與醋酸作為基質時，MFC系統產電進行比較，實驗架構圖如3-2所示。. 18.

(31) 相關文獻蒐集馴養污泥取出進行 MFC 批次試驗. 空白組. 無添加醱酵產物. 添加 4 g COD /L 葡萄糖. 添加 4 g COD /L 醋酸. 對照組. 推求微生物產電效率彙整數據. 撰寫論文. 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、研究設備好氧污泥馴養設備本研究好氧污泥馴養設備為 PVC 材質製成之圓柱狀體，其尺寸內徑為 300 mm、深度為 300 mm，總容積約為 20 L，有效體積為 15 L，馴養設備示意圖如 3-3 所示。溫度控制於 30 ~ 32 ℃，污泥停留時間（Sludge retention times, SRT）. 19.

(32) 20 天，混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）濃度控制約為 1,728 ~ 2,948 mg/L 之間、氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP） = +210 ~ +384 mV，溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD） = 98 ~ 511 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 32。直至馴養污泥狀態穩定，即可進行 MFC 批次試驗。. 曝氣裝置. 批次反應槽. 磁石攪拌器. 圖 3-3 好氧污泥馴養設備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 34 所示。MLSS 濃度控制約為 15,034 ~ 26,742 mg/L，SCOD = 1,039 ~ 5,803 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 20.

(33) 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 與梁鵬兩位學者所使用之雙槽式 MFC，再加以改良製成本研究使用的圓筒雙槽式 MFC 批次反應槽（Lovley et al., 2006），反應槽實體如圖 3-5 所示。MFC 反應槽以壓克力材質. 21.

(34) 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 之不鏽鋼網作為電極，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. 22.

(35) 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/ PORTABLE 酸鹼度計 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 Nafion Membrane MFC 離子交換媒介 Fayetteville PlantN-115 USA. 電子天平. Sartorius. 不鏽鋼網. BP211D. 配藥. 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 COD 滴定儀. 污泥馴養 Metrohm. 876. SCOD 檢測本研究自行彙整。. 二、實驗材料 MFC 材料本研究取材自國立臺中教育大學環境系統分析暨綠色能源實驗室，經污泥馴養設備馴養達穩定狀態，且利於 MFC 系統操作之馴養污泥，再分別以好氧污. 23.

(36) 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 36 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。在不同醱酵產物 MFC 批次試驗中，則分別以相同濃度 4 g COD/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） 24.

(37) 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. VSS. mg/L. APHA 2540E *. 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. 電流. µA. KILTER 355 multimeter. *參考自 Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water, 20th Edition. 25.

(38) 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℃）取 10 ml 厭養污泥. 以轉速 600 rpm 離心 10 分鐘. 取 0.5 ml 水樣，加入 0.5 ml 0.1N HCl 酸化，以固定揮發酸. 將樣品均勻混合後，進行分析. 圖 3-8 揮發酸與醇類分析流程圖. 26.

(39) 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。首先，以未添加醱酵產物作為空白組，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，再分別添加 4 g/L 葡萄糖與 4 g/L 醋酸之不同醱酵產物，探討醱酵產物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、VSS、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）。. 第一節圓筒雙槽式 MFC 反應槽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 天數據平均值代表未添加醱酵產物之空白組數據。一、 MFC 操作參數分析混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）圖 4-1 為第 0 天至第 5 天各操作階段 MFC 未添加醱酵產物陽極（厭氧）槽 MLSS 變化之情形，MLSS 平均濃度為 23,477.1 ± 462.7 mg/L；圖 4-2 為 MFC 未添加醱酵產物陰極（好氧）槽 MLSS 變化之情形，圖中顯示陰極槽 MLSS 平均濃度為 2,008 ± 73.6 mg/L，結果顯示，MFC 陰、陽極批次反應槽之污泥狀態皆為穩定，適合進行產電試驗。. 27.

(40) 50,000 40,000 30,000 20,000. 10,000 0 0. 1 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-1 未添加醱酵產物陽極槽 MLSS 趨勢圖. 10,000 Oxic MLSS-Blank. MLSS (mg/L). MLSS (mg/L). Anaerobic MLSS-Blank. 8,000 6,000 4,000 2,000 0 0. 1 2 3 Operation Time (days). 4. 圖 4-2 未添加醱酵產物陰極槽 MLSS 趨勢圖. 28. 5.

(41) 揮發性懸浮固體物濃度（volatile suspended solids, VSS）圖 4-3 為 MFC 未添加醱酵產物 VSS 變化之情形，圖中顯示本研究第 0 天至第 5 天，批次反應槽內 VSS 濃度約為 2,069 ± 89.3 mg/L，由結果可得知，污泥狀態相當穩定。. VSS concentration (mg/L). 4,000 VSS-Blank 3,000 2,000 1,000. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-3 未添加醱酵產物 VSS 趨勢圖酸鹼值（pH）與溫度（Temperature）學者 Gil 等人於 2003 年研究發現，陽極槽內 pH 值約為 6 時，有利於微生物生長，且產電效能最佳；當溫度從 24℃上升至 41℃時，MFC 最大輸出功率會先升高再下降，於 35℃可得最大輸出功率（Moon, 2006）。根據上述之參考文獻，本研究溫度與 pH 控制於相關研究結果及實場操作範圍之內，如圖 4-4 為 MFC 未添加醱酵產物陽極（厭氧）槽溫度與 pH 變化之情形，圖中顯示第 0 天至第 5 天，批次反應槽內 pH 平均為 6.8 ± 0.1，溫度平均為 28.8 ± 0.1 ℃；圖 4-5 為 MFC 未添加醱酵產物陰極（好氧）槽溫度與 pH 變化之情形，圖中顯示第 0 天至第 5 天，批次反應槽內 pH 平均為 6.9 ± 0.1，溫度平均為 28.7 ± 0.1 ℃。. 29.

(42) 40.00. 14 Anaerobic pH-Blank. 30.00. 12 10 8. 20.00 6 4. 10.00. pH Value. Temperature (℃). Anaerobic Temp. -Blank. 2 0.00. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-4 未添加醱酵產物陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖. 40.00. 14 Oxic pH-Blank. 12. 30.00. 10 8. 20.00 6 4. 10.00. 2 0.00. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-5 未添加醱酵產物陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖. 30. pH Value. Temperature (℃). Oxic Temp. -Blank.

(43) 溶氧量（Dissolved Oxygen） MFC系統產電原理，需仰賴含有溶氧的陰極槽溶液作為最終電子接受者，以＋. －. 接收來自陽極槽傳遞的H 與e 進行還原成水分子，若陰極槽中之溶氧濃度過低可＋. －. 能會使其無法提供H 與e 進行還原，進而影響MFC系統產電效率（謝雨澄，2011）。由圖 4-6 陰極槽未添加醱酵產物之 DO 趨勢圖，可發現本試驗陰極槽各批次第 0 天至第 5 天 DO 平均操作值約為 2.60 mg/L，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。 4 Oxic DO-Blank. DO (mg/L). 3 2 1 0. 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-6 未添加醱酵產物 DO 趨勢圖. 氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP） ORP 於廢水處理之應用相較溶氧度計更具彈性，可作為好氧及厭氧的控制指標（Kjaergaard, 1977），當 ORP 為-100 mV 以下時，為絕對厭氧狀態，ORP 值為+40 mV 以上時，屬於好氧狀態，而 MFC 陽極維持在厭氧狀態時，ORP 不會直接影響 MFC 產電之效果（陳仕桀，2009；張信堃，2011），因此本研究以 ORP 監測批次反應槽內污泥生長環境，並藉由監測結果得知物質氧化還原之程度，數值單位皆以 mV 表示。本研究未添加醱酵產物時，MFC 陰陽極 ORP 變化情形如圖 4-7 所示，陽極槽 ORP 平均為-319.5 ± 8 mV；陰極槽 ORP 平均為 237.2. 31.

(44) ± 32.8 mV。 700 Anaerobic ORP-Blank. 500. Oxic ORP-Blank. ORP (mV). 300 100 -100. -300 -500 0. 1. 2 3 4 Operation Time (days). 5. 圖 4-7 未添加醱酵產物 ORP 趨勢圖. 溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）圖 4-8 顯示未添加醱酵產物陽極槽 SCOD 變化情形，陽極槽 SCOD 平均最大值為 5,203.40 mg/L，逐日遞減至第 5 天為 1,402 mg/L，平均值為 3,306 ± 1,219.4 mg/L，去除率為 74.75 %；圖 4-9 顯示未添加醱酵產物陰極槽 SCOD 變化情形，陰極槽 SCOD 最大值為 404 mg/L，逐日遞減至第 5 天為 102 mg/L，平均值為 270 ± 112.9 mg/L，去除率為 73.06 %。. 32.

(45) SCOD concentration (mg/L). 8,000 Anaerobic SCOD-Blank 6,000 4,000 2,000 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-8 未添加醱酵產物陽極槽 SCOD 變化趨勢圖. SCOD concentration (mg/L). 800 Oxic SCOD-Blank 600 400 200 0. 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-9 未添加醱酵產物陰極槽 SCOD 變化趨勢圖. 二、 MFC 產電情形電壓由圖 4-10 可得知未添加醱酵產物之 MFC 批次試驗平均電壓變化趨勢，當 MFC 系統開始啟動的第 0 天，平均電壓為 22.36 mV，最大電壓出現在第 1 天平均約為 35.32 mV，爾後第 2 天至第 5 天分別為 33.56、24.16、17.38 及 8.20 mV，. 33.

(46) 第 0 天至第 5 天平均電壓為 23.5 ± 9.3 mV。 500. Voltage (mV). Voltage-Blank 400 300 200 100 0. 0. 1. 2. 3. 4. 5. Operation Time (days). 圖 4-10 未添加醱酵產物平均電壓變化趨勢圖電流未添加醱酵產物之平均電流變化趨勢如圖 4-11 所示，當 MFC 開始操作（第 0 天）時，即出現最大電流，其值約為 7.71 µA，第 1 天至第 4 天逐日下降，平均值分別為 5.44 µA、2.29 µA、1.15 µA、0.07 µA，第 5 天由於電量過於微量，僅測得 0.00 µA，第 0 天至第 5 天平均電流為 2.8 ± 2.9 µA。 20. Current (µA). Current-Blank 15 10 5 0 0. 1. 2. 3. 4. Operation Time (days). 圖 4-11 未添加醱酵產物平均電流變化趨勢圖. 34. 5.

(47) 三、 MFC 揮發酸之變化經多組批次試驗後，本研究於MFC穩定狀態下，進行MFC揮發酸之檢測，未添加醱酵產物之空白組中，有機酸生成以乙酸、丁酸為主，乙酸第0天濃度為264.95 mg COD/L，丁酸第0天與第1天濃度分別為261.83 mg COD/L與109.52 mg COD/L，期間未有產生醇類之情形，結果顯示於圖4-12與圖4-13中，可發現未添加醱酵產物的情況下，微生物產電進行的是乙酸與丁酸的代謝途徑。 5000 HAc. HAc concentration (mg COD/L). 4000 3000 2000 1000. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-12 未添加醱酵產物之乙酸濃度變化趨勢圖. 5000 HBu. HBu concentration (mg COD/L). 4000 3000 2000 1000 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 圖 4-13 未添加醱酵產物之丁酸濃度變化趨勢圖. 35. 5.

(48) 四、初步結果經建立圓筒雙槽式MFC反應槽，同時依據MFC水質分析與揮發酸檢測，進行批次試驗以獲得MFC最佳產電狀態，再以批次試驗探討未添加醱酵產物之微生物產電過程與MFC產電效能，獲得初步結果如下： 1. MFC 陽極與陰極反應槽污泥分別控制在 23,043 ~ 24,380 mg/L 及 1,864 ~ 2,083 mg/L 時，污泥狀態穩定，且較適合進行產電試驗。 2. 未添加醱酵產物時，陽極槽溫度和 pH 分別控制在 28.8 ± 0.1 ℃與 6.8 ± 0.1，另陰極槽溫度與 pH 分別控制在，28.7 ± 0.1 ℃與 6.9 ± 0.1，可獲得最佳產電效率。 3. ORP 不會直接影響 MFC 產電之效果，且可作為好氧及厭氧的控制指標，當陽極槽 ORP 為-319.5 ± 8 mV；陰極槽 ORP 為 237.2 ± 32.8 mV 時，可獲得較佳的產電狀態。 4. 最大電壓出現在第 1 天，平均約為 35.32 mV；整體而言，第 0 天至第 5 天平均電壓為 23.5 ± 9.3 mV。 5. 最大電流約為 7.71 µA，第 0 天至第 5 天平均電流為 2.8 ± 2.9 µA。 6. 於未添加醱酵產物的情況下，微生物產電進行的是乙酸與丁酸的代謝途徑。 7. 由圖 4-14 可發現，乙酸與丁酸伴隨 SCOD 之下降而減少。. 36.

(49) 8000. Concentration (mg COD/L). HAc Ace. HPr Et. HBu SCOD. HVa. 6000. 4000. 2000. 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. Operation Time (days). 圖 4-14 未添加醱酵產物之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖. 第二節添加葡萄糖於 MFC 操作之情形醣類透過代謝途徑將雙醣（例如蔗糖、麥芽糖和乳糖）分解成單糖（例如葡萄糖、果糖和半乳糖），以供細胞直接利用，並經過氧化釋放更大能量，以滿足其它生命必需之物質，因此本試驗以 4 g COD/L葡萄糖作為圓筒雙槽式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，探討添加葡萄糖對MFC產電效能之影響。一、 MFC 操作參數分析混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）圖 4-15 為第 0 天至第 5 天 MFC 添加葡萄糖陽極（厭氧）槽 MLSS 變化之情形，MLSS 平均濃度為 27,140.2 ± 1,902.4 mg/L；圖 4-16 為 MFC 添加葡萄糖陰極（好氧）槽 MLSS 變化之情形，圖中顯示陰極槽 MLSS 平均濃度為 6,652 ± 189.6 mg/L，結果顯示，MFC 陰、陽極批次反應槽之污泥狀態皆為穩定，此結 37.

(50) 果與 Ghangrekar et al.（2010）所作之研究結果相同。 50,000. MLSS (mg/L). Anaerobic MLSS-Glu 40,000 30,000 20,000 10,000 0 0. 1 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-15 添加葡萄糖之陽極槽 MLSS 趨勢圖. 10,000. MLSS (mg/L). Oxic MLSS-Glu 8,000 6,000 4,000 2,000 0 0. 1 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-16 添加葡萄糖之陰極槽 MLSS 趨勢圖. 揮發性懸浮固體物濃度（volatile suspended solids, VSS）圖 4-17 為 MFC 添加葡萄糖 VSS 變化之情形，圖中顯示本研究第 0 天至第 5 天，批次反應槽內 VSS 濃度約為 2,345 ± 348.8 mg/L，由結果可得知，污泥狀態穩定。. 38.

(51) VSS concentration (mg/L). 4,000 VSS-Glu 3,000 2,000 1,000 0 0. 1 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-17 添加葡萄糖之 VSS 趨勢圖酸鹼值（pH）與溫度（Temperature）在 pH 值 6.5 時，能產生較高的產電效率（Yan et al., 2010），本研究溫度與 pH 控制於此一操作範圍內，如圖 4-18 為 MFC 添加葡萄糖之陽極槽溫度與 pH 變化之情形，圖中顯示第 0 天至第 5 天，批次反應槽內平均 pH 值為 6.9 ± 0.1，溫度平均為 28.9 ± 0.1 ℃；圖 4-19 為 MFC 添加葡萄糖之陰極槽溫度與 pH 變化之情形，圖中顯示第 0 天至第 5 天，批次反應槽內平均 pH 值為 6.9 ± 0.1，溫度平均為 28.9 ± 0.1 ℃。. 39.

(52) 40. 14 Anaerobic pH-Glu. 30. 12 10 8. 20 6. pH Value. Temperature (℃). Anaerobic Temp. -Glu. 4. 10. 2 0. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-18 添加葡萄糖之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖. 40. 14 Oxic pH-Glu. 12. 30. 10 8. 20 6. pH Value. Temperature (℃). Oxic Temp. -Glu. 4. 10. 2 0. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-19 添加葡萄糖之陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖溶氧量（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 4-20 添加葡萄糖之 MFC 陰極槽 DO 趨勢圖，可發現本試驗中陰極槽第 0 天至第 5 天 DO 平均約為 2.70 ± 0.1 mg/L。. 40.

(53) 4 Oxic DO-Glu. DO (mg/L). 3 2. 1 0 0. 1. 2 3 4 Operation Time (days). 5. 圖 4-20 添加葡萄糖之 DO 趨勢圖. 氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP）本研究以ORP監測批次反應槽內污泥生長環境，並藉由監測結果得知物質氧化還原之程度，數值單位皆以mV表示。本研究添加葡萄糖時，MFC陰陽極ORP變化情形如圖4-21所示，陽極槽ORP平均為-324 ± 8.8 mV；陰極槽ORP平均為300 ± 9.3 mV。 700 Anaerobic ORP-Glu Oxic ORP-Glu. ORP (mV). 500 300 100 -100 -300 -500. 0. 1. 2 3 4 Operation Time (days). 圖 4-21 添加葡萄糖之 ORP 趨勢圖. 41. 5.

(54) 溶解性化學需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）圖 4-22 顯示添加葡萄糖之陽極槽 SCOD 變化情形，陽極槽 SCOD 第 1 天至第 5 天分別為 5128.00、5120.00、4916.00、3760.00、3696.00 及 3648.00 mg/L， SCOD 平均值為 4378 ± 681 mg/L，去除率為 28.86 %；圖 4-23 顯示添加葡萄糖之陰極槽 SCOD 變化情形，陰極槽第 1 天至第 5 天分別為 157.00、133.00、 121.60、52.40、34.80 及 20.40 mg/L，SCOD 平均值為 86.5 ± 52.6 mg/L，去除率為 87.01 %。 SCOD concentration (mg/L). 8,000 Anaerobic SCOD-Glu 6,000 4,000 2,000 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-22 添加葡萄糖之陽極槽 SCOD 變化趨勢圖 SCOD concentration (mg/L). 800 Oxic SCOD-Glu 600 400 200 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 圖 4-23 添加葡萄糖之陰極槽 SCOD 變化趨勢圖. 42. 5.

(55) 二、 MFC 產電情形電壓由圖 4-24 結果顯示，當 MFC 系統中添加濃度 4 g COD/L 葡萄糖時，可獲得最大電壓為 249.7 mV。批次試驗初期，電壓上升緩慢，依序為 36.00、52.00、64.50、 168.5、249.7 mV，至第 5 天略為下降至 244.40 mV，第 0 天至第 5 天平均電壓為 135.9 ± 89.4 mV。 500. Voltage (mV). Voltage-Glu 400 300 200. 100 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. Operation Time (days). 圖 4-24 添加葡萄糖之電壓變化趨勢圖電流添加葡萄糖之電流變化趨勢如圖 4-25 所示，第 0 天出現最大電流，值約為 10.00 µA，由於系統運作初期較不穩定，第 1 天突降至 0.80 µA 後，於第 2 天恢復穩定依序由 0.80、1.70、2.60 µA，上升至 5 天的 3.90 µA，第 0 天至第 5 天平均電流為 3.8 ± 3 µA。. 43.

(56) 20. Current (µA). Current-Glu 15 10 5 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-25 添加葡萄糖之電流變化趨勢圖. 三、 MFC 揮發酸之變化透過本研究添加葡萄糖之 MFC 試驗，發現微生物除了利用葡萄糖進行細胞合成及維持生命外，亦同時生成有機酸和醇類。經過遲滯期，反應槽普遍於第 1 天開始出現有機酸與醇類之生成，包含乙酸、丙酸、丁酸和乙醇。其中，乙酸第 1 天至第 5 天濃度變化如圖 4-26，分別為 1308.58、1540.98、1082.533、906.62 和 1010.00 mg COD/L；丙酸直至第 3 天及第 4 天才出現如圖 4-27，濃度為 188.89 與 58.89 mg COD/L；丁酸生成速率與乙酸相似，於第 1 天開始生成第 1 天至第 5 天濃度變化如圖 4-28，分別為 933.95、1283.97、822.97、959.04 和 1160.60 mg COD/L；乙醇僅於第 1 天出現如圖 4-29，濃度為 158.58 mg COD/L。. 44.

(57) 5000. HAc concentration (mg COD/L). HAc 4000. 3000 2000 1000. 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. Operation Time (days). 圖 4-26 添加葡萄糖之乙酸濃度變化趨勢圖. 5000. HPr concentration (mg COD/L). HPr 4000 3000 2000 1000 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 圖 4-27 添加葡萄糖之丙酸濃度變化趨勢圖. 45. 5.

(58) 5000. HBu concentration (mg COD/L). HBu 4000 3000 2000 1000 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-28 添加葡萄糖之丁酸濃度變化趨勢圖. 5000. Et concentration (mg COD/L). Et 4000. 3000 2000 1000 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 圖 4-29 添加葡萄糖之乙醇濃度變化趨勢圖. 46. 5.

(59) 四、初步結果於圓筒雙槽式 MFC 反應槽內，添加濃度 4 g COD/L 葡萄糖，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： 1. 在添加葡萄糖的情況下，出現有機酸與醇類之生成，包含乙酸、丙酸、丁酸和乙醇。 2. 以葡萄糖作為 MFC 基質時，可獲得較大電流 10.0 µA，第 0 天至第 5 天平均電流為 3.8 ± 3 µA。 3. 添加濃度 4 g COD/L 葡萄糖時，可獲得最大電壓為 249.7 mV，第 0 天至第 5 天平均電壓為 135.9 ± 89.4 mV。 4. 有機酸之生成隨時間增加，而逐漸遲緩。 5. 由圖 4-30 可發現，當 SCOD 不再降解時，所有產物皆停止產生，乙酸隨著 SCOD 下降而減少。. 8000. Concentration (mg COD/L). HAc Ace. HPr Et. HBu SCOD. HVa. 6000. 4000. 2000. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 圖 4-30 添加葡萄糖之揮發酸及醇類濃度變化趨勢圖. 47. 5.

(60) 第三節添加醋酸於 MFC 操作之情形本試驗以 4 g COD/L 醋酸作為圓筒雙槽式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，探討添加醋酸對MFC產電效能之影響。一、 MFC 操作參數分析混合液懸浮固體物濃度（Mixed liquid suspended solid, MLSS）圖 4-31 為第 0 天至第 5 天 MFC 添加醋酸陽極（厭氧）槽 MLSS 變化之情形，MLSS 平均濃度為 22,840.8 ± 2,324.7 mg/L；圖 4-32 為 MFC 添加醋酸陰極（好氧）槽 MLSS 變化之情形，圖中顯示陰極槽 MLSS 平均濃度為 4,630.7 ± 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。 50,000. MLSS (mg/L). Anaerobic MLSS-Ac 40,000 30,000 20,000 10,000 0 0. 1 2 3 Operation Time (days). 4. 圖 4-31 添加醋酸之陽極槽 MLSS 趨勢圖. 48. 5.

(61) 10,000. MLSS (mg/L). Oxic MLSS-Ac 8,000 6,000 4,000 2,000 0 0. 1 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-32 添加醋酸之陰極槽 MLSS 趨勢圖. 揮發性懸浮固體物濃度（volatile suspended solids, VSS）圖 4-33 為 MFC 添加醋酸 VSS 變化之情形，圖中顯示本研究第 0 天至第 5 天，批次反應槽內 VSS 濃度約為 1,952.2 ± 133 mg/L，由結果可得知，污泥狀態相當穩定。. VSS concentration (mg/L). 4,000 VSS-Ac 3,000 2,000 1,000 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 圖 4-33 添加醋酸之 VSS 趨勢圖. 49. 4. 5.

(62) 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 4-34 為 MFC 添加醋酸之陽極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 5 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 4-35 為 MFC 添加醋酸之陰極槽溫度與 pH 變化情形，圖中顯示第 0 天至第 5 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 ℃。 40. 14. Anaerobic pH-Ac. 30. 12 10 8. 20 6 4. 10. 2 0. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-34 添加醋酸之陽極槽溫度與 pH 變化趨勢圖. 50. pH Value. Temperature (℃). Anaerobic Temp. -Ac.

(63) 40. 14. Oxic pH-Ac. 12. 30. 10 8. 20 6 4. 10. pH Value. Temperature (℃). Oxic Temp. -Ac. 2 0. 0 0. 1. 2 3 Operation Time (days). 4. 5. 圖 4-35 添加醋酸之陰極槽溫度與 pH 變化趨勢圖. 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 4-36 添加醋酸之 MFC 陰極槽 DO 趨勢圖，可發現本試驗中陰極槽第 0 天至第 5 天 DO 維持在 2.50 ± 0.2 mg/L。 4. DO (mg/L). Oxic DO-Ac 3 2 1 0 0. 1. 2 3 4 Operation Time (days). 圖 4-36 添加葡萄糖之 DO 趨勢圖. 51. 5.