不同有機負荷、環境條件下柱塞流式反應槽厭氧光合產氫效率之研究

全文

(1)國立台中教育大學環境教育研究所碩士論文. 不同有機負荷、環境條件下柱塞流式反應槽厭氧光合產氫效率之研究. 指導教授：林明瑞博士研究生：紀又華. 撰. 中華民國九十五年七月.

(2) 摘要本研究主要目的是利用中興大學環工系李季眉教授實驗室所篩選出的光合產氫菌—Rhodopseudomonas palustris 菌株（紫色不含硫菌，菌種編號 WP 3-5)為主要植種菌種，以開放系統、連續流的方式，以柱塞流式反應槽對不同有機負荷（進流基質 COD 濃度及水力停留時間變化）及不同環境條件(pH、溫度) 之產氫效率進行探討。在不同有機負荷之試驗，以葡萄糖、牛肉汁為主要進流基質，在有機負荷 3.0~19.2kg-COD/m3·d 的範圍內，均以高有機負荷(19.2 kg-COD/m3·d)為最佳，單位反應槽體積產氫量達 45.82 mol-H2/m3·day、氫氣含率 55.23%、每克進流 COD 產氫率有 2.45 mmol-H2/g-CODin，因此選擇以高有機負荷 (19.2 kg-COD/m3·d)操作條件，進行各種不同 pH 值、溫度之試驗。其線性迴歸關係式為單位反應槽體積產氫率(mol-H2 /m3·day)=2.738(有機體積負荷)-8.087。在不同環境條件之試驗，進流基質 COD 濃度為 8,000 mg/L(試驗進流基質為葡萄糖、牛肉汁)、HRT 為 10h、照度為 11,000 lux、 pH 值分別為 4.5、5.0、5.5、6.0，溫度分別為 21、28、35、43℃。在不同 pH 值組別，以 pH 5.0 之組別為最佳，單位反應槽體積產氫率達 45.72 mol-H2/m3·day、氫氣含率 54.90 %，每克進流 COD 之產氫率，達 2.48 mmolH2/g-CODin，為最佳之操作 pH 值；其次為 pH 4.5 之組別，再其次為 pH 5.5 之組別；其計算而得之 pH 校正係數 θpH 為 0.776。在不同溫度之組別，以 35℃組別為最佳，單位反應槽體積產氫率達 45.72 mol-H2/m3·day、氫氣含率 54.90%，每克進流 COD 之產氫率，達 2.48 mmol-H2/g-CODin，為最佳之操作溫度；其次為 28 ℃組別、43℃組別；所求得溫度校正係. i.

(3) 數 θT 為 0.975。整體迴歸校正關係式為單位反應槽體積產氫率 (mol-H2/m3·day)=［2.738(有機體積負荷)-8.087］ × 0.776 pH -5.0 × 0.975 T-35 。試驗範圍為 3 . 0 ~ 1 9 . 2 k g - C O D / m 3 · d ，溫度 21~43℃，pH=4.5~6.0。本研究成果可提供厭氧光合產氫反應槽程序控制與操作的重要參考。關鍵字：Rhodopseudomonas、紫色不含硫菌、厭氧光合產氫、柱塞流式反應槽、pH、溫度. ii.

(4) The Study of Hydrogen Productivity of Anaerobic Photohydrogenesis by Plug-Flow Reactors in Various Organic Loadings and Operational Conditions Abstract The main purpose of this study was that photohydrogenic bacteria —Rhodopsedomonas palustris (purple nonsulfur bacteria, strain WP3-5), which screened out from NCHU laboratory of professor Li, was used in the tests by opened-system and continuous-input plug-flow reactors for hydrogen productivity in various organic loadings (influent COD concentration, HRT) and operational conditions (pH, Temp.). In tests of various organic loading, the main ingredients of influent were beef extract and glucose, the range of organic loadings were between 3.0~19.2 kg-COD/m3·day. The results were shown below: The test of highest organic loading (19.2 kg-COD/ m3·day) was the best operation. The hydrogen productivity of per unit reactor volume was 45.82 mol-H2/m3·day, the hydrogen content of biogas was 55.23% and the hydrogen productivity of per gram influent COD was 2.45 mmol-H2/g-CODin. Therefore the operational condition (the highest organic loading: 19.2 kg-COD/m3·day) was used in tests of various operational conditions (pH and Temp.). The formula of linear regression and correlations is: The hydrogen productivity of per unit reactor volume (mol-H2/m3·day) =2.738(organic loading) - 8.087. In tests of various operational conditions(pH, Temp.), the influent COD concentration was 8,000 mg/L with HRT of 10 h, the illumination was 11,000 lux, the pHs were 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, the Temp. were 21, 28, 35, 43℃. In tests of various pHs, the results were shown below: The test of pH 5.0 was the best. The hydrogen productivity of per unit reactor volume was 45.72 mol-H2/m3·day, the hydrogen content of biogas was 54.90% and the hydrogen productivity of per gram influent COD was 2.48 mmolH2/g-CODin. This was the best operational condition of pH. And the second one was the test of pH 4.5. The test of pH 5.5 was the third. The θpH (correction coefficient of. iii.

(5) pH tests) is 0.776. In tests of various temperatures, the results were shown below: The test of Temp. 35℃ was the best one. The hydrogen productivity of per unit reactor volume is 45.72 mol-H2/m3·day, the hydrogen content of biogas was 54.90% and the hydrogen productivity of per gram influent COD was 2.48 mmol-H2/g-CODin. This was the best operational condition of Temp. tests. And the second one was the test of Temp. 28℃. The test of Temp. 43℃ was the third. The θT (correction coefficient of Temp. tests) is 0.975. The formula of linear regression and correlations for all is: The hydrogen productivity of per unit reactor volume (mol-H2/m3·day) =［2.738(organic loading)-8.087］× 0.776 pH -5.0 × 0.975 T-35 , which was tested in 3.0~19.2 kg-COD/ m3·day, pH=4.5~ 6.0, Temp. 21~43℃. The results of this study can be provided as a reference of control and operation for anaerobic photohydrogenic reactors. Keywords：Rhodopseudomonas, purple nonsulfur bacteria, plug-flow reactor, anaerobic photohydrogenesis, pH, temperature. iv.

(6) 目中英目表圖. 錄. 文摘要....................................................i 文摘要..................................................iii 錄....................................................v 目次..................................................vii 目次....................................................xi. 第一章緒. 論 ........................................................1. 第一節. 研究背景與動機..........................................1. 第二節. 研究目的 .................................................3. 第二章文獻回顧 .....................................................4 第一節. 能源危機與溫室效應氣體管制 ..........................4. 第二節. 傳統廢水厭氧消化和厭氧產氫之比較...................8. 第三節. 厭氧產氫微生物........................................ 12. 第四節. 紫色不含硫菌的產氫特性 ............................. 15. 第五節. 環境因子對紫色不含硫菌產氫影響 ................... 18. 第六節. 紫色不含硫菌產氫應用於廢水處理之展望 ........... 24. 第七節. 厭氧產氫反應動力學探討 ............................. 26. 第三章試驗設備及分析方法....................................... 32 第一節. 厭氧光合產氫反應槽及試驗設備 ...................... 32. 第二節. 試驗條件設計 .......................................... 34. 第三節. 分析項目與方法........................................ 38. 第四章結果與討論 ................................................. 42 第一節. 反應槽啟動及實驗數據取樣 ........................... 42. 第二節. 產氫率 .................................................. 43. 第三節. COD 去除率 ........................................... 64. 第四節. 其他水質指標 .......................................... 70. 第五節. 生物污泥濃度及菌相 .................................. 90. 第六節. 質量平衡 ............................................. 108. 第五章結論與建議 ............................................... 115. v.

(7) 第一節. 結. 論 ................................................ 115. 第二節. 建. 議 ................................................ 118. 參考文獻 .......................................................... 120. vi.

(8) 表目次表 3-1 Rhodospirillaceae 培養基成分 .......................... 36 表 3-2 Trace element solution SL7 成分 ...................... 36 表 3-3 人工合成廢水成分........................................... 37 表 3-4 各組別試驗之操作控制條件表 .............................. 38 表 4-1 柱塞流式反應槽在不同有機負荷之厭氧光合產氫效率比較44 表 4-2 柱塞流式光合產氫反應槽在不同 pH、溫度組別之厭氧光合產氫效率比較 ............................................ 52 表 4-3 不同操作 pH 值下，反應槽處理有機廢水之 YpH、Y’pH 與 pH 校正係數 θ ............................................. 56 表 4-4 不同操作溫度下，反應槽處理有機廢水之 YT、Y’T 與溫度校正係數 θ ............................................... 63 表 4-5 在不同操作條件下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之進、出流水 COD 濃度及 COD 去除率............... 65 表 4-6 在不同的 pH 下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之 kpH 值與 θpH，基質利用率之平均值 ......................... 68 表 4-7 在不同的操作溫度下，柱塞流式光合產氫反應槽反應槽處理有機廢水之 kT 值與 θT℃，基質利用率之平均值 ............. 70 表 4-8 在不同操作條件下，反應槽處理有機廢水各組別之反應槽進、出流水之鹼度與總揮發酸............................. 74 表 4-9 在不同操作條件下，反應槽處理有機廢水各組別之操作條件及處理結果用於廻歸分析之數據........................ 76 表 4-10 在不同操作條件下，反應槽處理有機廢水各組別之反應槽進出流水之氨氮、有機氮與凱氏氮平均濃度 ........... 85. vii.

(9) 表 4-11 在不同操作條件下，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽處理人工廢水各組別 SS 及 VSS 濃度之變化量 ............... 89 表 4-12 在不同操作條件下，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽處理合成廢水各組別污泥濃度變化量 .......................... 91 表 4-13 各參數 COD 轉換因子之理論值 ......................... 109 表 4-14 不同操作條件下，各組別 COD 質量平衡及各部分之回收率 ......................................................... 114. viii.

(10) 圖目次圖 2-1 光合固氮產氫的電子傳遞系統 .............................. 18 圖 3-1 柱塞流式反應槽 ............................................. 33 圖 3-2 揮發酸成分分析前處理流程圖 .............................. 39 圖 4-1 實驗啟動及數據採樣與分析示意圖 ......................... 43 圖 4-2 在不同有機負荷下，反應槽氫氣與甲烷含率之變化情形 . 45 圖 4-3 在不同有機負荷下，反應槽處理有機廢水每克進流或去除 COD 之產氫率 .......................................... 46 圖 4-4 在不同有機負荷，柱塞流式光合產氫反應槽之單位反應槽體積產氫率對有機負荷之迴歸關係........................ 48 圖 4-5 在不同有機負荷，柱塞流式光合產氫反應槽之單位生物質量產氫率 ................................................. 48 圖 4-6 在不同 pH 值下，沼氣中氫氣與甲烷含率之變化情形 ..... 51 圖 4-7 在不同 pH 值下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水，每克進流或去除 COD 之產氫率 ..................... 51 圖 4-8 在不同 pH 值下，柱塞流式光合產氫反應槽之單位反應槽體積產氫率 ................................................. 53 圖 4-9 在不同 pH 值下，柱塞流式光合產氫反應槽之單位生物質量產氫率變化............................................... 54 圖 4-10 在不同操作溫度下，沼氣中氫氣與甲烷含率之變化情形. 58 圖 4-11 在不同操作溫度下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水，每克進流或去除 COD 之產氫率................... 59 圖 4-12 在不同操作溫度下，柱塞流式光合產氫反應槽之單位反應槽體積產氫率 ............................................ 61. ix.

(11) 圖 4-13 在不同操作溫度下，柱塞流式光合產氫反應槽之單位生物質量產氫率............................................... 61 圖 4-14 在不同有機負荷下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之 COD 去除率變化之情形 ........................... 66 圖 4-15 在不同 pH 值下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之 COD 去除率變化之情形 ................................ 66 圖 4-16 在不同操作溫度下，反應槽處理有機廢水之 COD 去除率變化之情形............................................... 69 圖 4-17 在不同有機負荷下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之進出流水鹼度濃度消耗量隨有機負荷變化之情形. 75 圖 4-18 在不同 pH 下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之進出流水鹼度消耗量隨 pH 值變化之情形 ................ 75 圖 4-19 在不同溫度下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之進出流水鹼度消耗量隨溫度變化之情形 ................ 77 圖 4-20 在不同有機負荷下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之進出流水揮發酸濃度增加量隨有機負荷變化之情形 ........................................................... 78 圖 4-21 在不同 pH 下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之進出流水揮發酸濃度增加量隨 pH 值變化之情形......... 80 圖 4-22 在不同溫度下，柱塞流式光合產氫反應槽處理有機廢水之進出流水揮發酸濃度增加量隨溫度變化之情形 ........ 80 圖 4-23 在不同有機負荷下，柱塞流式反應槽處理有機廢水各組別之氨氮增加量、有機氮減少量、凱氏氮濃度減少量隨有機負荷變化之情形 ....................................... 86 圖 4-24 在不同 pH 值下，柱塞流式反應槽處理有機廢水各組別之氨氮增加量、有機氮減少量、凱氏氮濃度減少量隨 pH 值變化之情形............................................... 86. x.

(12) 圖 4-25 在不同溫度下，柱塞流式反應槽處理有機廢水各組別之氨氮增加量、有機氮減少量、凱氏氮濃度減少量隨溫度變化之情形 ................................................. 87 圖 4-26(a)在有機負荷 3.0 kg-COD/m3．d、pH=4.8~5.2、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之位相差顯微鏡菌相觀察圖 .................................. 95 圖 4-26(b)在有機負荷 3.0 kg-COD/m3．d、pH=4.8~5.2、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之螢光顯微鏡菌相觀察圖 .................................... 95 圖 4-27(a)在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=4.8~5.2、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之位相差顯微鏡菌相觀察圖 ............................... 96 圖 4-27(b)在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=4.8~5.2、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥螢光之顯微鏡菌相觀察圖 .................................. 96 圖 4-28(a)在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=6.0、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之位相差顯微鏡菌相觀察圖 .................................... 97 圖 4-28(b)在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=6.0、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之螢光顯微鏡菌相觀察圖 ....................................... 97 圖 4-29(a)在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 28℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之位相差顯微鏡菌相觀察圖 .................................... 98 圖 4-29(b)在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 28℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之螢光顯微鏡菌相觀察圖 ....................................... 98. xi.

(13) 圖 4-30(a)在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 43℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之位相差顯微鏡菌相觀察圖 .................................... 99 圖 4-30(a)在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 43℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之螢光顯微鏡菌相觀察圖 ....................................... 99 圖 4-31 WP3-5 之掃描式電子顯微鏡觀察圖 .................... 100 圖 4-32 在有機負荷 3.0 kg-COD/m3．d、pH=4.8~5.2、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ............................. 102 圖 4-33 在有機負荷 7.2 kg-COD/m3．d、pH=4.8~5.2、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ............................. 102 圖 4-34 在有機負荷 8.0 kg-COD/m3．d、pH=4.8~5.2、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ............................. 103 圖 4-35 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=4.8~5.2、溫度 35℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖........................... 103 圖 4-36 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=4.5、溫度 35 ℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ................................ 104 圖 4-37 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 35 ℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ................................ 104. xii.

(14) 圖 4-38 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.5、溫度 35 ℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ................................ 105 圖 4-39 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=6.0、溫度 35 ℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ................................ 105 圖 4-40 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 21 ℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ................................ 106 圖 4-41 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 28 ℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ................................ 106 圖 4-42 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 35 ℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ................................ 107 圖 4-43 在有機負荷 19.2 kg-COD/m3．d、pH=5.0、溫度 43 ℃時，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽中生物污泥之掃描式電子顯微鏡菌相觀察圖 ................................ 107. xiii.

(15) 第一章緒第一節. 論. 研究背景與動機. 在傳統廢水處理技術中，處理一般高濃度有機廢水主要是以厭氧處理技術為主，其是指厭氧微生物是在厭氧的環境下，微生物藉著一連串水解、產酸、甲烷化反應等過程將有機物先分解為揮發酸、氫氣及中間產物，再轉化成甲烷及二氧化碳等穩定的最終產物，因此以往處理高濃度有機廢水均以此方式為主要的研究發展方向，這種處理技術雖然可回收甲烷能源，但因甲烷為一促進溫室效應之氣體，其溫室效應效益更是二氧化碳的數十倍，依氣候變化綱要公約之規定，甲烷氣體之減量將成為下一波溫室效應氣體管制重點，因此改良目前的廢水厭氧消化處理程序，減少溫室效應氣體的產生乃當務之急。目前日常生活中使用的能源，以使用化石燃料最為普遍，如：煤、石油及天然氣。雖然目前化石燃料的使用量有逐年下降的趨勢，卻還仍佔總能源供應量的 80﹪以上。而長期大量使用化石燃料所產生大量的二氧化碳，更是導致全球溫室效應、破壞地球的恆溫系統的主要原因之一。加上化石燃料在地球的蘊藏量有限，逐漸耗竭中，就全球能源蘊藏與供需而言，預估煤炭約可使用 150~200 年、天然氣約 55~60 年，而石油僅約 35~40 年。因此基於上述緣故，實有必要發展一乾淨、無污染且具有自主性的再生能源(Renewable Energy)，尤其是生質能量方面，如廢水厭氧處理過程中回收的沼氣能源，特別是厭氧醱酵產氫或光合產氫技術。氫氣是相當乾淨，燃燒後產物只有熱能、水與少許氮氧化物，是一種不會增進溫室效應的乾淨能源(Zajic, Kosaric ＆ Brosseau, 1978)。相同質量下，液態氫的熱值(122 kJ·g-1) 是化石燃料的 2 . 7 5 倍以上（ G r e g o r y, 1 9 7 3 ）；再者氫氣在工. 1.

(16) 業上也有極大的用途。在厭氧產氫生物程序中，除了可以分解處理廢水中之有機物，還有污泥產生量遠比好氧處理系統少、不受氧氣傳輸限制及不需要曝氣能源，及可回收氫氣能源等優點。所以就經濟及環保觀點而言，厭氧產氫反應技術將具有相當的市場發展潛力。在本研究室過去三年的研究中，研究結果顯示厭氧醱酵產氫的確有不錯的產氫效率，惟 COD 去除率不佳，平均約只有 12% （賴欣宏，2002）。再者根據光合產氫菌群之相關研究文獻顯示 ( Vi n c e n z i n i , 1 9 8 2 ; F i β l e r, 1 9 9 4 ) ，厭氧光合產氫系統非常適合處理厭氧醱酵產氫之出流廢水，因厭氧醱酵產氫之出流水含有大量之揮發性有機酸，正是適合於光合產氫菌群之生長基質，且光合產氫菌群亦會產生氫氣，可達到廢水處理及生產能源之雙重效果。在光合產氫微生物中又以紫色不含硫光合作用細菌 (purple nonsulfer bacteria)的產氫效率最好，其產氫量可達一般厭氧產氫微生物的 1.5~2 倍，且以有機物作為電子供給者，故與醱酵產氫一樣亦有去除水中有機污染物之能力(Odom ＆ Wa l l , 1 9 8 3 ; I m h o f f ＆ Tr ü p e r, 1 9 9 2 ) 。因此就產氫效率而言，厭氧光合產氫技術是具有相當的市場發展之潛力。由於目前厭氧光合產氫的相關研究在世界各國仍是屬於初步研究階段，且大部分的研究均以小容量、純菌、批次式試驗為主，對於開放系統長期連續操作厭氧光合反應槽之最佳操控條件與連續產氫之可行性仍未確定。本研究與中興大學環工系李季眉教授合作，以其實驗研究篩選培養之光合作用產氫細菌中產氫能力最好的菌株 Rhodopseudomonas palustris 菌株，菌株編號為 WP3-5，以其生理特性及所需生長環境的各項條件為基礎，再根據本研究室前一年之研究結果所挑選出來最適合厭氧產氫光合作用細菌的柱塞流式反應槽（陳嘉正，2003），來變換不同的有機負荷及環境條件（pH，溫度），來瞭解不同有機負荷及環. 2.

(17) 境條件之產氫效率及廢水處理效率，找出最佳之操作條件，並進行反應動力特性及程序控制模式之研究，以作為未來相關光合產氫研究及光合產氫系統實場化之參考。. 第二節. 研究目的. 因此本研究之目的，主要有下列三個：一、以柱塞流式反應槽在各種不同有機負荷（進流基質濃度、水力停留時間）及環境條件（pH、溫度）進行厭氧光合產氫之比較試驗，以瞭解在各種操控條件下之厭氧光合產氫效率及廢水處理效率為何。二、根據各種操作條件下，柱塞流式厭氧光合產氫反應槽出流水之產氫效率、水質狀況，以評估何種操作條件為最佳操作狀況。三、針對不同有機負荷及環境操控條件下，以柱塞流式之厭氧光合產氫反應槽之操作結果進行厭氧光合產氫之反應動力學及程序控制模式模擬。. 3.

(18) 第二章文獻回顧隨著科技提升及快速發展，能源的需求量逐年增加，人類大量使用化石燃料做為能源，也提升了人類的物質文明，但卻也造成了環境巨大的衝擊，過度使用能源，帶來許多負面之影響，如過度使用化石燃料，也間接造成全球的溫室效應。此外，現今所使用之化石能源(如石油、天然氣等)並非取之不盡、用之不竭，由於人類發展之需求，便大量使用，然而終究有耗竭的一天，因此為了兼顧經濟的發展，又不對環境造成破壞，發展再生性能源便成為能源發展重點之一。再生能源共可分為太陽能、地熱能、潮汐能、生質能、水力能、風力能等，其除了來源無虞匱乏之外、可長期使用、再生，對環境的衝擊也是最小的。其中又以生質能最具有發展潛力，除了可以回收有用的有機物質之外，亦可產生乾淨的能源，同時又具有去除污染物的功能，達到多重效果，因此生質能技術之發展也就更為重要。. 第一節. 能源危機與溫室效應氣體管制. 一、能源危機現今人類所使用的能源，在實際應用方面較為常見的有化石燃料、太陽能、核能、火力發電及再生能源等。目前全世界利用的能源，大約 95%是化石能源（如石油、煤炭及天然氣等），為最大的能源來源。但大量使用化石燃料的結果，使得全球每年至少產生 300 億噸 CO2、CO、SO2、灰渣等，造成空氣污染及酸雨，進而影響到人類的生存，及生態環境的平衡。加上石化燃料在地球的蘊藏量有限，就全球能源蘊藏與供需而言，預估煤炭約可使用 150~200 年、天然氣約 55~60 年，而石油僅約 35~ 40 年（靳叔彥，1998），再加上地球上能源蘊藏量有限、且使. 4.

(19) 用後無法再利用，所以在化石能源日益減少的情況下，各國莫不積極尋求符合環保的潔淨新能源。因此基於上述緣故，實有必要發展一乾淨、無污染且可獨立供應的再生能源(Renewable energy)。二、再生能源(Renewable Energy) 再生能源(Renewable Energy)顧名思義，即是用了還可以再生，其除了來源無匱乏之虞、可無限期使用之外，對環境的衝擊也是最小的。屬於此類的能源有太陽能、地熱能、潮汐能、生質能、水力能、風力能等（陳國成，1996）。開發這些再生能源，預期在 2040 年將能供應每年 50~80﹪的能源需求（段國仁、蘇睿智、張子祥，2000）。其分別說明如下：（一）太陽能：雖然隨手可得，也不會產生空氣污染、溫室效應氣體等優點，但它需要廣大的面積才能收集到足夠供應多數人們的使用量，且其屬「間歇性」的能源，隨日夜、季節、氣候而變化，無法連續不斷供應，須有其它輔助配合使用。（二）地熱能：其主要來自地核岩石與岩漿所含大量的熱能或地球內部放射性元素衰變所釋出之能量。（三）海洋能：海洋能源包括下列數種：潮汐能、波浪能、海洋溫差能、鹽梯度能及洋流能等。（四）生質能：生物量(Biomass)亦稱有機物，其能直接或間接的當作燃料使用。生物量的主要成分為碳氫化合物，是經由光合作用產生的。每年地球上植物界之光合作用約吸收 3×1021 焦耳之太陽能，約為今日全球年總消費能量之 10 倍，由此可見其深具發展之潛. 5.

(20) 力。生質能直接或間接轉換的型式來源有：栽植生物量、燃燒樹木或樹木的廢棄物、燃燒農業與都市廢棄物、轉化生物量（亦可為有機污染物）為氣體與流體燃料，其最大之優點即除可產生能源之外，並伴隨有機污染物去除之功能。（五）水力能：其轉換原理是利用水位落差之能量帶動渦輪機或發電機而產生電力。（六）風力能：風力的應用主要是藉由空氣流動（即風）轉動風力機的葉片以擷取風力的動能，進而轉換成有用的機械能或電能。上述六項再生能源中，除了水力能已逐漸開發殆盡外，其中以風力能、太陽能及生質能源最具發展潛力。三、生質能生質能就是利用 biomass 經轉換，最終可獲得的電與熱等可用的能源。biomass 泛指由生物產生的有機物質，例如木材與林業廢棄物如木屑等；農作物與農業廢棄物如黃豆莢、玉米穗軸、稻殼、蔗渣等；畜牧業廢棄物如動物屍體；廢水處理所產生的沼氣；都市垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣；工業有機廢棄物如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、造紙廢液等均可轉化為生質能源。生質能是一種新能源，與風能、太陽能一樣具有取之不盡、用之不竭的特性。與其他新能源比較，生質能因使用材料主要為廢棄物，故兼具廢棄物的回收處理與能源生產的雙重效益。其發展取向目前主要有：（一）藻類產氫之培育研究（二）纖維素轉化為乙醇燃料技術研究（三）厭氧微生物產氫及燃料電池應用（四）生質柴油的發展技術. 6.

(21) 在傳統生質能應用中，厭氧消化生物程序是指在厭氧的環境下，微生物藉著一連串水解、產酸、甲烷化反應等過程將有機物先分解為揮發酸、氫及中間產物，再轉化成甲烷及二氧化碳等穩定的最終產物，而甲烷是可回收利用之能源。但是甲烷亦為溫室效應管制氣體，依氣候變化綱要公約之規定，甲烷氣體之減量將成為下一波溫室效應氣體管制重點。如前所述，厭氧消化過程會有氫氣的產生，如能充分利用這些有機物質，進行厭氧生物醱酵、水解酸化產氫反應，在中途擷取其生化反應所產生之氫氣，而不使其再持續反應到甲烷氣之生成，那麼這些產生的氫氣，將可供為能源之用，且不會造成溫室效應。自然界中的許多微生物如藻類、藍綠細菌、根瘤菌、紫色不含硫菌等具有固氮能力之微生物在固氮過程中，都會伴隨氫氣的產生，而氫氣即為一乾淨能源，其燃燒化學反應式如式(2-1)所示： 2 H 2 + O2 → 2 H 2 O. (2-1). 其燃燒過程中會產生熱能，且燃燒後的產物為水，不會造成污染。而每單位重量氫所釋出之熱能(Exothermic energy)約為甲烷的 2.4 倍（曾怡禎等，2000）、石油的 3 倍；氫氣亦可填入燃料電池(Fuel cells)而轉化成電能（黃政賢等，2000）。綜合上述，若將有機廢棄物資源化並產生氫氣，可有效解決環境污染與促進潔淨能源的生產。厭氧醱酵能利用微生物及酵素，將複雜有機物水解酸化，分解出中間產物氫氣，此外經厭氧醱酵產氫後所殘留的有機酸，亦可再由光合產氫菌利用繼續產氫，故液相中較無殘留有機副產物的疑慮。因此如何使微生物保持持續且大量產氫之狀態，即為未來研究重點之一。. 7.

(22) 第二節. 傳統廢水厭氧消化和厭氧產氫之比較. 一、傳統厭氧消化分解之原理厭氧生物處理程序是由一系列厭氧生物反應—水解、醱酸、甲烷化，將有機物逐漸轉化成為甲烷之過程。由不同的厭氧微生物進行一系列複雜的生化反應機制，將有機物、碳水化合物、脂肪或蛋白質等大分子有機物，先轉化為揮發酸、醇、醛、氫等中間產物，最後形成甲烷與二氧化碳等最終產物的一種厭氧反應，一般用於處理高濃度有機廢水。傳統的厭氧生物處理程序所產生之甲烷雖然為可回收再利用的生質能源，但是甲烷為一促進溫室效應的氣體，根據全球氣候變化綱要公約之規定，甲烷氣體之減量將成為下一波溫室效應氣體管制的重點。因此改良目前的廢水厭氧生物處理程序，減少溫室效應氣體的產生乃當務之急。而氫氣是一種不會增進溫室效應的乾淨能源，同時在工業上也有極大的用途，再者厭氧產氫是傳統厭氧生物處理程序的部份反應，如何使整個厭氧反應中斷或轉向，使其產生氫氣，乃為此一技術是否成功的重要關鍵。厭氧消化有著非常複雜的基質與微生物反應，主要是由細菌將高分子有機物分解產生甲烷之反應，反應如式(2-1) (Bitton, 1994)：有機物 → CH 4 + CO2 + H 2 + NH 3 + H 2 S. (2-2). 二、傳統厭氧處理有機物之分解過程有機物之厭氧醱酵反應主要可分為以下四個階段所組成：（一）水解階段(Hydrolysis) 水解菌(Hydrolytic Bacteria)將碳水化合物、蛋白質、脂肪等複雜的大分子化合物水解成為單糖類、胺基酸、長鏈脂肪酸及甘油等可溶性的小分子物質。而水解效率主要是受 pH 值、水力停留時間及基質種類等因素影響。. 8.

(23) （二）酸化階段（Acidogenesis）水解產物經由醱酵酸菌(Fermentative Acidogenic Bacteria)作用後，轉變為構造簡單且分子較小的物質、如揮發性脂肪酸、乳酸、醇類、酮類、醛類、二氧化碳和氫氣等。然而除了甲醇、甲酸及乙酸以外其他醇類及脂肪酸均無法直接被甲烷生成菌利用，必須由產氫乙酸生成菌(H2-Producing Acetogenic Bacteria)及耗氫酸生成菌(Homoacetogenic Bacteria)轉換為乙酸、二氧化碳和氫氣。（三）乙酸生成(Acetification) 乙酸生成菌(Acetogenic Bacteria)可將分子中含超過三個碳原子以上的有機酸，均被轉化成二氧化碳、乙酸、氫氣。該種細菌在轉化脂肪酸時需在低氫氣分壓下進行，因為高氫氣分壓時會抑制乙酸根之生成，使大部分之基質轉化成為丙酸、丁酸及乙醇而非甲烷，因此反應進行中需監測氫氣濃度。甲烷生成菌能降低氫氣濃度而使反應條件適合乙酸生成菌，故甲烷生成菌及乙酸生成菌有共生之關係。（四）甲烷生成(Methanogensis) 在此階段主要是利用甲烷生成菌(Methanogens)，可分為嗜氫(Hydrogentrophic Methanogens)及嗜乙酸(Acetotrophic Methangens)甲烷生成菌兩大族群，將第二階段產生的乙酸、氫氣與二氧化碳及其他如甲酸、甲醇等物質轉化為甲烷及二氧化碳。一般而言，有機物之厭氧分解過程中約可產生 70％之甲烷氣體，但是有機物的厭氧分解過程中有兩項非常重要的中間產物，即乙酸和氫氣。氫氣的反應一般則發生在水解、酸化與乙酸化相中(Gottschalk, 1986)；而甲烷化則反而會消耗掉氫氣。於共營狀況良好的系統中，能量、電子及氫氣在水解、酸化與甲烷化之反應中間傳遞著。若共營系統未失去平衡時，氫氣由水解酸. 9.

(24) 化反應產生後，將立刻被甲烷化反應消耗掉，氫氣在液相中的含量就少，很難有機會擴散至氣相。一旦共營系統失去平衡時，氫氣就會被釋放於氣相中，所以反應槽發生此一現象時，也就表示傳統厭氧反應化系統出現異常之現象(Guway et al., 1997)。但是對於厭氧醱酵產氫而言，如何將氫氣釋放，不被甲烷生成菌所消耗掉，以及如何增加氫氣釋放量才是厭氧產氫反應欲探討的重點。三、厭氧產氫厭氧產氫微生物主要可分成光合微生物(Photosynthetic microorganisms)和醱酵產氫微生物(Fermentative hydroge n p r o d u c i n g m i c r o o r g a n i s m s ) 二大類 ( Yo k o i , O h k a w a r a , H i r o s e , H a y a s h i ＆ Ta k a s a k i , 1 9 9 5 ) 。因此就依厭氧醱酵產氫及厭氧光合產氫等二大類來說明。（一）厭氧醱酵產氫厭氧醱酵產氫主要的目的是探討如何提升產氫效率的控制程序。簡單來說，厭氧醱酵產氫就是整個完整厭氧醱酵連續反應之部分反應，由水解階段(Hydrolysis)到醱酵（產氫）階段(Acidogeneesis)，而未進入形成甲烷階段(Methanogenesis)。而氫氣是整個厭氧醱酵反應的中間代謝產物，主要在水解與醱酵過程中所產生。在一連串的厭氧醱酵過程中，氫氣產生後會很快被甲烷形成菌轉化成甲烷與二氧化碳，因此在一般的厭氧醱酵反應槽中，氫氣的殘留量是極少的，且經常是一個檢視傳統厭氧醱酵反應操作不良的一個指標（林明瑞， 1990），但無法單獨作為系統控制之依據（黃國豪、黃耀輝、陳致君、梁德明，2000）。在整個厭氧醱酵產氫過程中，氫氣便具上述特色。（二）厭氧光合產氫在光合微生物(Photosynthetic microorganisms)中，. 10.

(25) 大部分被發現在厭氧條件下均有產生氫氣的現象，例如：紫色光合作用細菌、綠色光合作用細菌、藍綠細菌、綠藻、紅藻等，其中又以紫色不含硫光合作用細菌的產氫效率最佳，其產量可達一般厭氧醱酵產氫菌的 1.5~2 倍(Imhoff & Trüper, 1 9 9 2 ; M i y a k e , M a o & K a w a m u r a , 1 9 8 4 ; O d o m & Wa l l , 1993)，除了可以以簡單的有機物為電子供給者外，還可以利用芳香族有機物(Fiβler, Schirra, Kohring & Giffhorn, 1995)，將二氧化碳還原，屬於光合異營性微生物。光合微生物的產氫機制是以細菌葉綠素進行光合作用以獲得還原能並合成. AT P ，同時在還原能與電子供給者都充足且缺乏氮源的條. 件之下，可藉由固氮酵素進行固氮作用，將大氣中的氮氣(N2) 轉成 NH3(Zajic, Kosaric & Brosseau, 1978)，同時釋放出氫氣。（三）厭氧醱酵產氫和厭氧光合產氫之比較由上述之說明可以得知，傳統厭氧醱酵反應運用厭氧微生物藉著複雜的生化反應機制，將有機物經由水解、醱酸與甲烷化等作用，將不溶性有機物、碳水化合物、脂肪與蛋白質等大分子的有機化合物，先轉化為揮發酸、醇、醛、氫…等中間代謝產物，再逐漸轉化為甲烷及二氧化碳等穩定性最終產物的過程。雖然甲烷可以回收其熱值，但根據全球氣候變化供約之規定，甲烷將成為下一波溫室效應氣體管制之重點，且在厭氧醱酵反應中多會有硫酸鹽還原菌的存在，進流水若含有硫酸鹽，極易產生具腐蝕性極有毒的硫化氫…等，對於甲烷氣體回收設備有相當程度的損害，氫氣則無上述之問題，熱值也較甲烷高。 1.厭氧醱酵反應中氫氣的產生是在水解、醱酸的階段的中間代謝產物，產氫技術的重點即在如何使整個厭氧醱酵反應的過程停止在水解醱酸階段，一般的操控模式有三種：為. 11.

(26) 了使厭氧醱酵反應朝向產氫的方向進行，可以利用：(1) 厭氧醱酵反應槽操作在 pH5.0~5.5 之間。(2)增加其有機體積負荷。(3)經常變換操作環境條件等三種操作方式來使產氫的反應能持續進行（賴欣宏，2002）。 2.由於光合作用細菌的產氫效率較厭氧醱酵產氫菌佳，其產量可達一般厭氧醱酵產氫菌的 1.5~2 倍，因此就回收氫氣之觀點，厭氧光合產氫更值得去深入探討，而探討重點則在於如何控制操作環境及水力條件使固氮酵素(nitrogenase)保持高度的活性，亦為本研究的目的之一也就是找出厭氧光合反應槽長期連續操作產氫的操控因子。. 第三節. 厭氧產氫微生物. 產氫菌主要分為醱酵產氫微生物和光合微生物二大類。一、醱酵產氫微生物（一）醱酵產氫微生物的種類醱酵產氫微生物依其對氧需求性分為兼性厭氧菌(如 Bacillus、Enterobacter aerogenes 等)，及絕對厭氧菌(如 Clostridium 等)。醱酵產氫微生物中以 Clostridium butyricum 菌種，醱酵產物為 butyrate，butanol，acetone，有相當高的產氫效率。若以 Escherichia coil、Enterobacter aerogenes 菌種，其醱酵產物為 mixed acid，有次高產氫效率。（二）醱酵產氫微生物的特性厭氧產氫微生物生理特性方面，林秋裕、林明正、陳晉照（1999）的研究顯示，不同的菌種其產氫能力會不同，對於環境的要求亦不同。Clostridium 與 Bacillus 等產氫菌具有可生成胞子以抵抗惡劣環境的特性，而因甲烷菌不會形成胞子. 12.

(27) ，因而可以利用此一特性將 Clostridium、Bacillus 等產氫菌由厭氧污泥中分離出來（白明德，1999）。分離技術包括：加熱（ L a y, L e e ＆ N o i k e , 1 9 9 9 ； U e n o , K a w a i , S a t o , Otsuka ＆ Morimoto, 1995；林秋裕等，1999）、曝氧氣 (Ueno et al., 1995)、酸化（林明正，1999）、鹼篩等前處理可以抑制厭氧污泥中的無內生胞子細菌的生存，特別是甲烷菌。不同的處理方法可能篩選出不同特性的菌種，例如加熱法可以篩選出具有內生胞子的菌種，如：Clostridium 與 Bacillus；曝氧氣可以篩選出兼氣性的細菌（鄭幸雄、曾怡禎、白明德，1999）。 Yo k o i e t a l . ( 1 9 9 5 ) 指出以 E n t e r o b a c t e r a e r o g e n e s 菌種之最佳操作條件 pH 在 6.0~7.0 之間，但不能低於 pH= 4.5，操作溫度在 38℃，其產氫效率 1.0 mol H2/mol glucose。Hippe, Andreesen ＆ Gottschalk(1992)；Hallenbeck(1983)；Kumar, Jain, Sharma, Joshi ＆ Kalia (1995)等人則指出 Clostridium 菌適宜生長條件之氧化還原電位範圍為-200~-400mV 之間；若低於-500mV 以下則為甲烷化反應；若高於-150mV 以上，因為存有少量氧化性物質，產氫菌將會受到抑制；可在反應槽中加入硫化鈉(sodiumsulfide)等還原劑，維持其所需的生長環境。而 Clostridium 菌屬之最適生長溫度為 25~37℃，pH 為 6.7，其可醱酵大多數的碳氫化合物，其產氫效率可大於 4mol-H2/mol-glucose。（三）醱酵產氫微生物的產氫反應機制厭氧生物產氫的代謝機制方面， Ta g u c h i , C h a n g , Ta kiguchi and Morimoto(1992)以 Clostridium butyricum 為菌種，反應槽溫度控制在 36℃，pH 值控制在 5.5 的條件下操作，理想的產氧效率為 2.0~4.0 mol-H2/mol-glu-. 13.

(28) cose，但實際操作大約只有理想產氫效率的 60%。其產氫反應方程式如下所示： C 6 H12 O 6 → 2H 2 + butyrate + 2CO 2. (2-3). C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O → 4H 2 + acetate + CO 2. (2-4). 式(2-3)的產氫效率為 33%，式(2-4)的產氫效率為 67% ，其比值為 1：2，這說明了 Clostridium butyricum 如能進一步將葡萄糖分解到乙酸階段則產氫量約為分解到丁酸階段的 2 倍。二、光合產氫微生物（一）光合產氫微生物的種類各種光合微生物中大部分被發現在厭氧條件下有產氫氣的現象，例如：紫色光合作用細菌、綠色光合作用細菌、藍綠細菌、綠藻、紅藻等（蕭景庭，2000）。許多研究結果都指出紫色不含硫光合作用菌具有最佳的產氫效率(Odom ＆. Wa l l ,. 1983; Imhoff ＆ Trüper, 1992)，其產氫效率約為一般厭氧菌的 1.5 至 2.0 倍，但需要照光及靜置的環境中生長。除了可以簡單有機物作為電子供給者外，還可以利用芳香族有機物 (Fiβler, Schirra, Kohring ＆ Giffhorn, 1995)，將二氧化碳還原。因此以下將針對紫色不含硫光合作用細菌說明。已知可產氫之光合作用細菌菌種如下所示（蕭景庭， 2000）： 1.Rhodobacter 屬 Rhodobacter sphaeroides Rhodobacter capsulata 2.Rhodomicrobium 屬 Rhodomicrobium vannielii. 14.

(29) 3.Rhodopseudomonas 屬 Rhodopseudomonas palustris Rhodopseudomonas capsulata Rhodopseudomonas molischianum Rhodopseudomonas gelatinosa Rhodopseudomonas acidophia Rhodopseudomonas sphaeroides 4.Rhodospirillum 屬 Rhodospirillum rubrum. 第四節. 紫色不含硫菌的產氫特性. 一、生物產氫的來源自然界中有許多微生物會有產氫的情形發生，例如藻類、藍綠細菌、根瘤菌、光合作用菌等。具固氮能力的微生物在固氮的過程之中，會伴隨氫氣的產生，有研究指出在種植豆科植物的田地，發現由於根瘤菌固氮作用旺盛，使得田地上有一股很強的氫氣流產生。而醱酵產氫微生物在分解複雜有機物情形下，在水解、酸化及乙酸化的情況，也會伴隨氫氣的產生。二、紫色不含硫菌產氫作用的特點 Yo k o i ( 1 9 9 5 ) 等人將產氫微生物主要分為醱酵產氫微生物及光合微生物二大類。光合微生物中不同的種類皆被發現在厭氧條件下有產氫氣的現象，例如：紫色光合作用細菌、綠色光合作用細菌、藍綠細菌、綠藻、紅藻等，在許多文獻 ( O d o m & Wa l l , 1983；Imhoff & Trüper, 1992)指出以紫色不含硫光合作用細菌的產氫效率最佳，其產氫量可達一般厭氧菌 1.5 至 2 倍，可以將簡單有機物作為電子供應者外，還可以利用芳香族有機物，來將二氧化碳還原，屬光合有機營生物。. 15.

(30) 其中紫色不含硫光合作用細菌的產氫作用有下列特點：（一）氫氣的產率最高(Hallenback, 1983)。（二）不是以水作電子供給者，不會產生氧氣來抑制產氫作用，也不必考慮將氧氣與氫氣分開的問題(Zürrer & Bachhofen, 1982)。（三）在光或暗處皆會產氫氣(Kondrativa, 1976)。（四）會利用有機物作電子供給者消耗有機物，故可以同時達到氫氣的產生和廢水處理的目的(Zürrer & Bachhofen, 1982)。三、紫色不含硫菌產氫機制大部分紫色不含硫細菌均含有氫酵素(hydrogenase)和固氮酵素(nitrogenase)兩種酵素，其參與產氫反應式如下：（一）氫酵素(hydrogenase) 紫色不含硫細菌的氫酵素是屬於膜結合性酵素，當還原能不足或是氫氣分壓過大情況時，則氫酵素可吸收氫氣，提供電子進入呼吸傳遞鏈或是光合電子傳遞鏈，以獲取還原能。氫酵素產氫反應如式(2-5)，此反應為可逆反應，反應進行方向以氫氣分壓決定。 2H + + 2e- ↔ H 2. (2-5). （二）固氮酵素(nitrogenase) 紫色不含硫細菌利用光能，以細菌葉綠素進行光合作用以獲得還原能並合成 AT P ，而在還原能及電子供給者充足且缺乏氮源的條件下，可藉由固氮酵素進行固氮作用將大氣中的 N2 轉成 NH3(Zajic, 1978)，同時釋放氫氣，反應式如方程式(2-6)。 N 2 + 8H + + 16ATP + 8e - → 2NH 3 + H 2 + 16ADP + 16Pi. 16. (2-6).

(31) 此反應是不可逆的。對於紫色不含硫光合作用細菌而言，產氫機制及效率是由固氮酵素所控制(Hillmer & Gest, 1977)。固氮酵素參與產氫反應的機制如圖 2-1 光合固氮產氫的電子傳遞系統(Appel ＆ Schulz, 1998)所示。固氮酵素本身易受氧氣之抑制，通常與膜結合性氫酵素結合，因為氫酵素被認為可以防止固氮酵素被氧氣抑制(Schlegel, 1985)。 O r m e r o d 等學者 ( 1 9 6 1 ) 發現產氫是在細胞比較不需要 AT P 時，因此可以說明光照產氫是在細胞不需要 AT P 生長時來利用 AT P 作用，使基質中的電子轉移到 h y d r o g e n a s e ，進而產生氫氣。所以當細胞中 ADP 到達一個最低的極限值（也就是 AT P 達到一個生成大於利用的最高值），會使細胞從光合磷酸化中所獲得的電子轉向固氮酵素、氫酵素，從而產生氫氣，因此氫氣的生成可以說是一種替代的電子轉移機制。（三）以固氮酵素(nitrogenase)為主要產氫酵素，氫酵素 (hydrogenase)為主要耗氫酵素(Miyake & Kawanura, 1987)： 1.在光合作用細菌產氫的時候，加入 CAM(chloramphenicol)會抑制固氮酵素的活性，產氫效果立即消失，因此推論固氮酵素為主要產氫酵素(Hillmer & Gest, 1977) 。 2.利用質譜分析儀監測產氫和耗氫能力，發現在固氮酵素沒有活性時，氫氣的消耗可以說是氫酵素的作用(Jouanneau, Kelley, Berlier, Lespinat & Vignais, 1980) 。. 17.

(32) 圖 2-1 光合固氮產氫的電子傳遞系統. 第五節. 環境因子對紫色不含硫菌產氫影響. 紫色不含硫細菌並不是任何狀況下皆會產生氫氣，需在光照及缺乏氮源的情況下，許多環境因子（如光照強度、溫度高低等）均會對產氫有所影響。一、光照強度根據 Hillmer and Gest(1977)提出氫氣產量的多寡與光照強度有關，在光強度 540 lux 下開始有氫氣明顯產生，而氫氣的產生量會一直隨著光照度的增加呈正比關係，一直到 4,000 ~6,500 lux 後，呈現一最大產氫量。而 Fiβler 等學者 (1995) 研究中發現利用 Rhodopseudomonas palustris 分解芳香族. 18.

(33) 有機物，發現光照強度逐漸增加，總產氫量也一直持續增加，且固氮酵素活性也呈正比關係逐漸增高，一直到光照強度為 10,000 lux 呈現飽和，之後不管光照強度如何增加，總產氫量並不會再增加。Sasikala 等學者(1991)以 Rhodobacter sphaeroides O.U.001* 菌株作不同光照強度試驗，發現光照強度對菌株生長速率影響比對最後生物總質量影響大。當光照強度在 3,000 lux 以下，微生物質量與光照強度成正比，但超過 3,000 lux 以上，微生物總質量呈現定值，也就是達到飽和生長。而光照強度對於產氫總量方面，光照強度在 5,000 lux 左右，即已達到飽和的產氫總量，若超過 5,000 lux 以上其總產氫量並沒有太大差異。由光照強度對菌株生長及產氫試驗可知，即使光照強度高於最適合的條件，仍然不會有抑制情形發生。由上述文獻了解隨著菌株不同，產生氫氣所需的光照強度也略微不同，大致上光照強度至少要 540 lux 以上才有產氫現象，而光照強度在達到飽和光照之前，其產氫總量與光照強度成正比關係，利用來產氫的紫色不含硫菌菌種不同，最大光照也就不同。除了利用人為的光照之外，也有研究嘗試應用太陽光作為產氫的能源，但需要在高強度太陽光底下才能維持穩定產氫情形，然而在廢水處理需要連續產氫，就必須提供人工光照以提供足夠光照。Miyake(1987)等人研究發現 Rhodobacter sphaeroides 在轉換太陽能效率方面最高可達 6.2%。二、pH Wu, Cheng & Bao(2002)以 Rhodopseudomonas palustris 為菌種，來探討 pH 對其產氫之影響，最適之 pH 為 7.3~ 8.3 之間， Sasikala et al.(1990)研究結果則為 pH 在 6.5~ 8.0 之間最適合。三、溫度有些紫色不含硫細菌在溫度低於 20℃下時，其生長會被抑. 19.

(34) 制。Zürrer ＆Bachhofen(1982), Ohta et al.(1981)研究顯示最佳產氫速率發生在 30~34℃。Stevens et al.(1984)曾在溫度 20～35℃之範圍內，來探討溫度對 Rhodopseudomonas capsulata 菌株的影響，根據實驗結果獲知在這個溫度範圍內，產氫總量以及轉換成氫氣效率並沒有太大差別，但產氫速率則隨溫度降低而減緩，在低溫 20℃下產生氫氣速率約是在高溫狀態 35℃下的一半。Singh ＆ Srivastava(1991)將紫色不含硫菌 T R 2 2 - R - B 與絕對好氧菌 2 2 T W- S 共同培養，當培養溫度高達 45℃，兩株菌仍生長良好，推測可能是有好氧微生物存在，能快速移除氧氣，使得兼性光合菌生長良好。以不同溫度培養 Rhodobacter sphaeroides O.U.001*菌株，以比較在各溫度下其產氫量及生物質量產率(biomass yield)，結果顯示在溫度 30～35℃時有最大生物質量，而溫度高於 45℃或是低於 20℃ 時，菌株幾乎不生長，而最佳產氫總量發生在溫度 30～40℃範圍內，由此可知在熱帶地區來進行厭氧光合產氫反應是適合的 (Sasikala et al., 1991)。Wu et al.,(2002)以 Rhodopseudomonas palustris 為菌種，來探討溫度對其產氫之影響，最適合之溫度為 35～37℃。綜合以上而言，紫色不含硫細菌最佳產氫溫度約為 30～37℃左右。四、營養需求對紫色不含硫菌產氫影響（一）碳源紫色不含硫細菌因種類不同，可利用的碳源也有所不同。故可以根據對不同碳源之利用情形，對紫色不含硫細菌加以簡單分類鑑定(Imhoff ＆ Trüper, 1992)。紫色不含硫細菌可以利用各種不同的基質來產生氫氣，其轉換率的高低，則視基質的分子量及結構複雜與否，菌體是否容易利用決定。 Vi n c e n z i n i ( 1 9 8 2 ) 利用固定化 R h o d o p s eudomonas palustris 測試其利用不同的有機酸之產氫能力. 20.

(35) 。測試有機酸分別為acetate、lactate、pyruvate、malate 和succinate，發現利用上述有機酸產氫的轉換率別為40、 61、52、56 及67%。其理論方程式為式(2-7)~(2-11)。 a c e t a t e ： C 2 Η 4Ο 2 + 2Η 2Ο → 4Η 2 + 2CΟ 2. (2-7). l a c t a t e ： C3H 6 O3 + 3H 2 O → 6H 2 + 3CO 2. (2-8). p y r u v a t e ： C3H 4O3 + 3H 2O → 5H 2 + 3CO 2. (2-9). m a l a t e ： C 4 H 6 O5 + 3H 2 O → 6H 2 + 4CO 2. (2-10). s u c c i n a t e ： C 4 H 6O 4 + 4H 2O → 7H 2 + 4CO 2. (2-11). 固定化 Rhodopseudomonas sp. RV(Miyake et al., 1984)可以利用 acetate、lactate 及 butyrate 等基質產氫，產氫效率分別為 40.2、45.6 及 75.1％。理論方程式分別為式子(2-7)、(2-8)及(2-12) butyrate：. C 4 H 8O 2 + 6H 2O → 10H 2 + 4CO 2. (2-12). Fiβler(1984)等學者發現 Rhodopseudomonas palustris 可以分解一些芳香族有機物，如 benzoate、cinnamate 、DL-mandelate 及 benzoylformate 等均可作為產氫以及生長所需碳源，以固定化方式來處理上述芳香族化合物，其實際產氫之效率分別為 88、86、60 及 57%。理論方程式如(213)~(2-16)式所示： b e n z o a t e ： C7 H 6O 2 + 12H 2O → 15H 2 + 7CO 2. (2-13). c i n n a m a t e ： C9 H8O 2 + 16H 2O → 20H 2 + 9CO 2. (2-14). D L - m a n d e l a t e ： C8 H8O3 + 13H 2O → 17H 2 + 8CO 2. (2-15). b e n z o y l f o r m a t e ： C8 H 6O3 + 13H 2O → 16H 2 + 8CO 2. (2-16). 不同基質濃度也會對於產氫有影響，Margaritis and Vo g r i n e t z ( 1 9 8 3 ) 以 R h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e s V M 8 1 菌株來分解不同濃度之 glucose，試驗結果以初始 glucose. 21.

(36) 濃度為 7g/L 有最大產氫量。以 Rhodobacter sphaeoides O.U.001*菌株分解不同濃度的 malate 及 lactate，發現當 malate 濃度為 30 mM 有最大產氫量；而 lactate 濃度為 50 mM 時有最大產氫量，而且產氫量隨著 lactate 濃度增加而有逐漸上升趨勢(Sasikala et al., 1991)。Fascetti a n d To d i n i ( 1 9 9 5 ) 以一階段或兩階段 c h e m o s t a t 式反應槽培養菌株 R h o d o b a c t e r s p h a e ro i d e s RV ，以 l a c t a t e 作為生長所需基質，得到氫氣產率與 lactate 濃度有關。當 lactate 濃度為 100 mM 時，有最大氫氣產率，但 lactate 濃度大於 100 mM 時，則有抑制產氫的情形。Fiβler 等學者(1995) 以 Rhodopseudomonas palustris DSM 131 菌株來探討不同濃度 benzoate 之產氫情形，以尋求出產氫最佳條件，由研究結果得知，以 benzoate 濃度為 3 mM 時有最大產氫速率；然而當 benzoate 濃度大於 16.5 mM 則有抑制產氫的情形發生。（二）氮源氮源對光合作用細菌的產氫能力具有關鍵性的影響，而紫色不含硫光合作用細菌則是在氮源限制的情況下會產生氫氣。 Wo o , L e e , K w o n & K h o ( 1 9 8 5 ) 發現 R h o d o p s e u d o m o n a s 在有 NH4＋的情況下，不論在光照或暗處均有氫氣的產生。另外 Oremerod et al.(1961)也指出，在有 N2、胺基酸或低濃度的氨氮下也會有氫氣的產生，但是過高的氨氮、硝酸鹽、尿素、glutamine 及 asparagine 下，則會對氫氣的產生造成抑制；若缺少氮源，則會使紫色不含硫菌光合作用細菌無法合成固氮酵素，在接種後的 12~16 小時後，固氮酵素的活性逐漸降低，使得產氫的總時間縮短。 M i y a k e , To m i z u k a a n d Kamibayashi(1982)發現 Rhodospirillum rubrum 添加少量硫酸銨及氮氣可以延長產氫的時間至 5~14 天。. 22.

(37) Hillmer and Gest(1977)以 Rhdopseudomonas capsulata 為菌株，glutamate 作為氮源，有相當高的產氫速率；如果換成以 NH4+或是 N2 作為氮源，則出現抑制氫氣產生的現象 Oremerod et al.(1961)發現以紫色不含硫光合作用細菌 Rhodopseudomonas rubrum 的批次實驗中，氨為單一氮源時，必須要在氨用完之後的 resting cells 狀態下，氫氣才會開始產生，其推測光合產氫機制需要氨合成蛋白質時所產生的成分（即固氮酵素）。且前培養使用 glutamate 為氮源會比用氨為氮源的產氫量來的高；若在氨過量、不產生氫氣的狀態下，只要將 Rhodopseudomonas rubrum 移到無機鹽與光照條件，以蘋果酸為碳源的條件下，約一小時後就開始產生氫氣，三到四小時後開始有一個線性增加，若在開始產氫之後加入氯化氨會使產氫終止。 Fiβler 等學者(1994)以各種不同胺基酸作為菌株 Rhodopseudomonas palustris 生長時所需之氮源，如：Lglutamate、L-alanine、L-aspartate、L-leucine 等，來了解不同氮源對菌株的生長狀況及產氫的情形，當以 NH4Cl 作為氮源時，菌株的生長相當快速，但其產氫量不高，如果菌株利用 L-glutamate 來生長時，其產氫速率及生長速率均很快。（三）其他因子對紫色不含硫菌產氫影響紫色不含硫菌產氫最主要由 nitrogenase 及 hydrogenase 控制，nitrogenase 主要由含鐵、鉬元素、或含鐵、硫的蛋白質所組成 ( Wo o e t a l . , 1 9 8 5 ) ，而紫色不含硫菌所含的 hydrogenase 主要為膜結合性氫酵素，因此鐵、鉬、鎂等離子均是必需的。 F a s c e t t i , D ’ a d d a r i o , To d i n i & R o b e r t i e l l o ( 1 9 9 8 ) 利用 R . s p h a e ro i d e s RV 在含有機酸的都市固. 23.

(38) 體廢棄物中產氫反應中發現，不加入一些生長基質和微量元素時，氫氣的產量是很低的，而且產氫的狀況會被 Mo、Fe 和 PO42－所影響，但是主要的差異是 Mo 的加入與否，因為 Monitrogenase 對於產氫作用，比只有 Fe-nitrogenase 存在時強。光合作用菌在環境中屬於弱勢競爭族群，當環境中有藻類、藍綠細菌、硫酸鹽還原菌及甲烷生成菌存在時會影響其生長，所以光合作用菌產氫需要在未受嚴重污染環境下進行。 L i e e s e n a n d Ve r s t r a e t e ( 1 9 8 6 ) 藉著控制藻類、藍綠細菌、硫酸鹽還原菌等的生長，使得 Rhodopseudomonas 生長不受抑制。Sasikala et al.(1990)利用不同氣體組成之氣體，以 Rhodobacter sphaeroides O.U.001*菌株進行試驗，試驗結果可知當氣態狀態以 100% Ar、90% Ar+10% H2 及 80% Ar+10% N2+10% H2 存在時，其基質轉換成氫氣的轉換率高達 100%，然而菌株無法在以 Air 或是 N2 狀況下產氫，這可能是酵素受氧氣或是氮氣所抑制，且在 Ar 的狀況下，產氫率最佳，且基質去除率也不錯。. 第六節. 紫色不含硫菌產氫應用於廢水處理之展望. 目前文獻中，有關生產氫氣之光合細菌的反應槽研究仍大都停留在小容量的設計，主要的原因之一是光合細菌的生理特性較複雜，並且尚有一些問題未克服 ( Ts y g a n k o v e t a l . , 1 9 9 7 ; Jüttner, 1982)。已有許多研究將紫色不含硫菌產氫以不同方法加以應用，期望得到更多的產氫效果或廢水處理方法上的改良。一、現況與問題（一）問題所在. 24.

(39) 主要普遍存在的問題是光合細菌的穩定問題。即光合細菌之氫氣生產力無法在光反應槽內持續存在，雖然其光合細菌之生長未受影響。直到目前為止，僅有少數理論對其氫氣生產力不穩定性提出解釋。因此，有必要從工程的角度穩定光合菌之氫氣生產力。目前解決方法之一是藉細胞固定化來達到氫氣之穩定生產。（二）細胞固定化乃是指以化學或物理方法，將細胞包圍在擔體的內部或使其附著於擔體表面。固定化過程中細胞表面不經化學修飾故能在細胞固定化後使細胞仍保有其原來的活性，且固定化過程較簡易，其缺點是細胞易從載體上脫落，或者細胞表面與反應液液相接觸面積減少等。（三）吸附法細胞表面一般由帶有負電荷基座的蛋白質所構成，故通常為陰電性，使細胞與載體產生離子吸附作用附著在載體表面。目前實際應用的此類載體主要有活性碳、多孔性纖維及多孔性玻璃等。二、固定化方法的應用由於紫色不含硫菌產氫機制主要是由固氮酵素加以控制，而固氮酵素對於氧氣非常的敏感，很容易由於氧氣使得固氮酵素被抑制，導致菌株無法產氫；此外以懸浮式生長產氫的方式，由於菌株具向光性，使得光源容易被菌株遮蔽，導致處理廢水效果不佳。故有學者研究以固定化方式來處理廢水產氫。目前應用於固定化菌株產氫的材料有洋菜(agar)、海藻酸鈉(alginate)或 c a r r a g e e n a n ( F r a n c o u & Vig n a i s , 1 9 8 4 ) 等材料來加以固定化，產氫的效果雖較懸浮式生長稍差，但產氫延時卻有加長的效果，可減少菌株活化的次數。使用固定化材料將菌株包埋 (entrapped)應用於實場上有一最大的困難，就是目前使用之固定. 25.

(40) 化材質並無法長時間使用，極容易由於產生氫氣而破裂，導致菌株流出。故除了新材質的開發外，也有學者嘗試以半透膜與固定化材料結合應用，具有不錯的效果。三、紫色不含硫光合作用細菌結合其他菌株處理不同廢水紫色不含硫光合作用細菌所能利用的碳源具有相當的限制性，無法利用於含複雜有機物的廢水上，若同時兼顧產氫則有許多限制因子（如廢水中碳源，氮源種類），因此限制了紫色不含硫光合作用細菌在廢水處理應用上的實用性。故有許多研究嘗試結合紫色不含硫光合作用細菌與其他菌株，來處理廢水，兼顧產氫與處理廢水，均具有相當不錯的結果。Miyake(1984)等學者利用 C l o s t r i d i u m b u t y r i c u m 以及 R h o d o p s e u d o m o n a s s p . RV 處理葡萄糖(glucose)廢水，C. butyricum 將葡萄糖轉化成丁酸的過程中，會伴隨氫氣的產生，而 Rhodopseudomonas sp. RV 則利用丁酸來產生氫氣。利用洋菜同時包埋這兩株菌株，約可產生 7 . 0 m o l H 2 / m o l g l u c o s e 。 O d o m a n d Wa l l ( 1 9 8 3 ) 兩位學者利用 Cellulomonas sp.以及 Rhodopseudomonas capsulata，兩株菌株處理含纖維素(cellulose)之廢水，以 Cellulomonas sp.分解纖維素產生有機酸，而 Rhodopseudomonas capsulata 利用有機酸來產生氫氣。Thangaraj and Kulandaivelu (1994)利用藍綠細菌 Anacystis nidulans 以及 Rhodopseudomonas capsulata 處理乳製品及蔗糖廢水亦有良好的產氫效果。. 第七節. 厭氧產氫反應動力學探討. 有機物之厭氧分解反應機制圖中基質的轉換途徑，可用連續培養理論與相關處理程序的反應動力學加以說明，但在微生物交互反應機制與影響程序生存力及基質利用率的環境因素等部份，. 26.

(41) 其表達方式將會變得更複雜。一般數學模式所使用之工具包括：動力學方程式、速率常數、質量平衡與數學係數來描述一個操作程序 ( M c G a r t y & M o s e y, 1 9 9 1 ) ，而這些操作程序模式通常是以「生長限制」與基質、營養元素或微生物生長環境條件的影響效果，來描述基本反應處理效率、微生物生長及操作條件（如水力停留時間、pH 值等）的狀況，已獲得高可信度的操作模式。而動力學方程式主要是了解基質（有機物）降解與微生物（污泥）生長的規律，始能合理的進行生物處理的設計與操作，其應包括：一、基質降解的動力學：與基質降解、基質濃度及生物量等因素有關。二、微生物生長動力學：與微生物生長、基質濃度及生物量生長常數等因素的關係。所以數學模式通常會對一個反應系統以定量化的方式來表示，而且會包含一個或多個定義反應系統重要的輸入項、輸出項與特性之方程式，故可應用在預測出流水基質濃度、基質利用與反應槽內微生物濃度或產物生成等。厭氧光合反應過程相當複雜，承如上所述，除微生物對基質的反應外，廢水的組成成分、流況皆會造成整個模式推估的複雜性及影響其準確度。一般經常使用的厭氧動力學模擬的生物反應動力學有：（一）Monod equation、（二）Gompertz equation 及（三）Haldane eguation 等三種，其均應可用於厭氧光合產氫反應動力學之模擬，故分別加以討論。（一）Monod equation 過去的文獻中，主要對單一的易分解基質之研究，大部分如 Michaelis & Menten(1913)利用酵素對單一基質所做的. 27.

(42) 動力學模擬，提出了 Michaelis-Menten 反應動力方程式： R=. ds Rmax ⋅ S = Dt Ks + S. (2-17). S：基質濃度(mg/L) R：基質分解反應速率(1/T) Rmax：基質分解之最大反應速率(1/T) Ks：飽和常數(mg/L) (反應速率等於 Rmax/2 的基質濃度) Monod(1949)將 Michaelis-Menten 反應動力方程式，應用到微生物生長上，探討基質濃度與微生物比生長速率之關係，則反應槽內之質量平衡方程式(Monod equation)為： Q(Ci − Ce ) =. μ max XaVCe. Ya(Ks + Ce ). (2-18). Q：流量(L/day) Ci：基質進流濃度(mg/L) Ce：基質進流濃度(mg/L) Ks：半反應速率常數(mg/L) Xa：單位體積生物濃度(mg/L) μmax：最大比生長係數(day-1) Ya：最大比生長係數(kg-VSS/kg-COD) V：反應槽體積(L) 本應用程式主要有三點基本假設： 1.微生物生長在單一速率限制基質之培養基。 2.其它基質及營養物皆過量。 3.假設產物不能累積到抑制整個反應之進行。. 28.

(43) 為了將上述的方程式轉換成直線線性式，做了以下定義 (Lark, 1978)，體積負荷 P(g 基質去除/m3·day)定義為每天反應槽單位體積之基質的最大去除量；去除係數 R(g 基質去除/m3·day)，定義為每天反應槽單位體積之基質去除量，P 與 R 表示如下：. P=. R=. μ max Xa Ya. Q(Ci − Ce ) V. (2-19) (2-20). 將 P 與 R 帶入 Monod equation 可轉換成 Hanes equation(Spengel & Dzombak,1992)，如下方程式所示： Ce Ks Ce = + R P P. (2-21). （二）Haldane eguation 在單一抑制物質之生物反應動力學的探討中，許多文獻認為使用 Haldane 所描述的有毒物質對酵素系統之抑制模式，能模擬出更正確的結果（紀長國，1993）。因此，進流基質中若具有抑制生物生長之物質時，（如：重金屬、酚），則可使用抑制型反應方程式中的 Haldane eguation 方程式模擬反應槽之反應動力學，以迴歸求得系統的反應動力參數值 Ks 、Ki 與 P（林明瑞，1989）。假設單一進流基質 COD 為速率限制基質，並假設微生物生長速率符合 Haldane equation，則反應槽中質量平衡方程式如下所示：. 29.

(44) Q(Ci − Ce) =. (. μmax XaVCe. Ya Ks + Ce + Ce. 2. ) Ki. (2-22). Q：流量(l/day) V：反應槽體積(mg/L) Ci：進流基質濃度(mg/L) Ce：出流基質濃度(mg/L) Ks：半反應速率常數(mg/L) Xa：單位體積生物濃度(mg/L) μmax：最大比生長係數(day-1) Ya：最大比生長係數(kg-VSS/kg-COD) Ki：抑制係數（mg/L）並運用上述體積負荷(P)與去除係數 R 等將方程式轉換為 Haldane equation，如下所示： Ce Ks Ce Ce 2 = + + R P P PKi. (2-23). （三）Gompertz equation 將累積產氣量或產酸量與時間的關係以 Gompertz equation 迴歸。此方程式最早為人口成長模式，後來被運用於細菌成長模式。該模式僅敘述細菌數目，並不像 Monod equation 一樣包括基質的消耗問題，模式中的許多參數並無生物上的意義，因此必須將模式作適當之修正以利模式對生物生長之描述 ( Z w i e t e r i n g , J o u g e n b u r g e r , R o m b o u t s & Va n ’ t Ried, 1990)，Gompertz equation 如下所示： ⎧ ⎡ Rm ⎤⎫ y = P ⋅ exp ⎨− ⎢ (λ − t ) + 1⎥ ⎬ ⎦⎭ ⎩ ⎣ P. (2-24). 30.

(45) y：累積產氣量(ml) P：平衡時產氣量(ml) t：反應時間(hr) λ：遲滯期時間(hr) Rm：最大反應速率(ml/hr) 不過 Gompertz equation 所探討之生物反應僅用於批次試驗（白明德，1999），而本研究所進行的為連續流試驗，故 Gompertz equation 不適用來進行試驗結果之模擬。. 31.

(46) 第三章試驗設備及分析方法第一節. 厭氧光合產氫反應槽及試驗設備. 一、反應槽本研究所使用的反應槽為柱塞流式厭氧光合產氫反應槽，係根據本研究室前一年之研究結果所挑選出來最適合厭氧產氫光合作用細菌的柱塞流式反應槽（陳嘉正，2003），來變換不同的有機負荷及環境條件（pH，溫度），來瞭解不同有機負荷及環境條件之產氫效率及廢水處理效率，找出最佳之操作條件，並進行反應動力特性及程序控制模式之研究，以作為未來相關光合產氫研究及光合產氫系統實場化之參考。反應槽之處理流程示意圖，如圖 3-1，反應槽規格如以下之說明。如圖 3-1 所示，柱塞流式反應槽主體材料為橫臥式之壓克力管，以內徑 6.0 cm，長度 106.0 cm，外包內徑 8 cm 之壓克力管所製成，反應槽有效體積為 2.2 L，其細部構造如圖 3-1，反應槽平均分成前後二部分，每部分的兩邊各以水平方式置入光源 ( 2 7 W, P L 燈管 ) 。每部分各有一片有孔隔板平均將反應槽分成二段，每段上方各有內徑 3cm 之採樣口，氣體收集也經由此開口導入氣體收集裝置收集。反應槽前端與末端各設有內徑 8mm 之進流口與出流口，出流口而以一 T 形管使出流水與氣體分流，而出流水則經由 U 形繞流管排出，內外管間以恆溫水作為控制溫度之用。二、集氣設備如圖 3-1 之上方出口所銜接之裝置。厭氧光合產氫反應槽所產生之氣體，均分別以氣體收集裝置加以收集。集氣裝置是由氣體收集管（1000ml）及吐氣瓶所組成。吐氣瓶內添裝含有 5% 硫酸的飽和食鹽水溶液，並加入甲基紅指示劑使其成紅色，以便觀察紀錄。. 32.

(47) Plug Flow Reactor. Gas Collection System. Gas Collection System. Gas Collection System. Gas Collection Pipe. Gas Collection System. Warming Water Outer. Influent Lamp Effluent Sampling Port. P Warming Water Inlet. Reactor Supporting Set Warming Jacket. OD = 110 mm ID = 120 mm. Reactor Body OD = 70 mm ID = 60 mm. Synthetic Wastewater. 30 mm. D＝20 mm. Division Panel. 圖 3-1 柱塞流式反應槽三、其他設備（一）微量進料馬達本試驗採用 Master-Flex Tubing Pumping(Cole-Parmer Model 7518-10)，馬達轉速範圍為 1~100 rpm，配合不同口徑之進料管，可控制流量在 0.06~380 ml/min 之間。（二）恆溫水槽作為反應槽溫度控制之用。本試驗所使用之恆溫水槽共分為二種，一為型號 Tungtec Instruments Co, Ltd; MODEL SF-72 之恆溫水槽，其容量約為 20 公升，可循環控制水溫，控溫範圍 30~90 ℃，採用 PID 溫度控制；另一型號為 Ch-erng. Huei Co., Ltd; MODEL RC-11 之恆溫水槽. ，其容量為 4 公升，可循環控制水溫，控溫範圍-20~90℃，採用 PID 溫度控制。（三）酸鹼度與氧化還原控制器為使試驗之 pH 值能穩定在欲控制之範圍之內，本試驗以. 33.

(48) 酸鹼度與氧化還原控制器（Suntex Instruments Co., Ltd; MODEL PC-330）加以監控，其 pH 監控範圍為 pH 0~14，氧化還原電位監控範圍為-1999~+1999 mV。. 第二節. 試驗條件設計. 一、菌種來源本研究所利用的菌株源自於彰化的養猪廢水中，為中興大學李季眉教授實驗室於 1999 年的研究中所篩選出紫色不含硫菌中的 Rhdopseudomonas palustris 菌株，菌株編號為 WP3-5（涂良君，1999）。蕭景庭（2000）依上述菌株以乙酸為碳源、 glutamate 為氮源，在光照度 7000 lux、培養溫度為 35℃之條件下探討其產氫能力，證實 WP3-5 具有良好的產氫能力。故本研究選用 WP3-5 為試驗之主要菌種。二、菌種保存及培養方法菌種保存方法為固體培養基保存方法，本實驗利用液體培養基培養方法大量增殖培養，故針對液體培養基培養方法加以敘述。菌種培養方法：取以培養瓶中菌株編號 WP3-5 之菌種 20 ml 接種於經滅菌釜滅菌後含 glutamate 的培養基中，置於光照強度 7000 lux，溫度 35℃下培養。待菌株生長至（外觀成深紫紅色，約需 7~10 天），此時菌種的活性最高，適合於提供連續流反應槽試驗所用。試驗中所有用水均經由 Ultra Pure 逆滲透膜系統及 NANO 超純水製造機所製造之超純水，以減少干擾。三、試驗藥品（一）培養基成分本研究使用的培養基成分是根據 Pfennig(1978)所提出. 34.

(49) 培養紫色不含硫光合作用細菌所使用的(Rhodospirillaceae) 培養基，其成分如表 3-1 與表 3-2 所示。（二）碳源及氮源光合菌一般以簡單的有機物為碳源，大部分文獻中以有機酸為碳源居多。Imhoff & Trüper(1992)研究中顯示部分的 Rhodopseudomonas 屬菌種是可以利用 glucose 為碳源，本研究經試驗發現以 glucose 為碳源，牛肉汁為氮源有最佳之產氫率，故以牛肉汁與 glucose 為進流基質之碳、氮源（陳嘉正，2003）。（三）磷酸鹽緩衝液為避免試驗進行中 pH 值起伏過大而影響光合菌之生長，試驗中以磷酸鹽作為緩衝，以磷酸二氫鉀(KH2PO4)及磷酸氫二鉀(K2HPO4)所配製而成。（四）重鉻酸鉀酸洗液為減少試驗中所使用之玻璃器皿殘留有機物而造成干擾，所有玻璃器皿在使用前均先以重鉻酸鉀酸洗液浸泡清洗。重鉻酸鉀酸洗液配製方法為秤取 22~25 克的重鉻酸鉀(K2Cr2O7) 於 1000ml 的燒杯中，加入 25ml 超純水，待部份溶解後，於水溶液中加入少量濃硫酸並攪拌均勻，待呈現糊狀時，再緩慢分次添加濃硫酸並不斷攪拌，讓重鉻酸鉀溶解至 1000ml，配製完畢再靜置冷卻一天後即可使用。（五）人工合成廢水本研究所以人工合成廢水視試驗之需要配製成不同的濃度，除主要之碳氮源之外，並加入其它光合菌生長所需之微量礦物質成分，其由 Rhodospirillaceae 培養基(Pfennig, 1978) 修改而來。組成如表 3-2 及表 3-3 所示。. 35.