以ADM1量化UASB中不同有機酸微生物族群之探討

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論文

指導教授：白子易 教授

以 ADM1 量化 UASB 中不同有機酸微

生物族群之探討

The Study of Microorganism Groups in UASB by the

Measurements of Various Organic Acid Quantified by ADM1

研究生：江育澤 撰

誌 謝

兩年前夏天來到國立臺中教育大學，當時聽完恩師白教授子易的自我

介紹時，還不確定跟哪位指導教授的我，讓我毅然決定選擇白老師當指教

教授，當老師跟我說可以找其他老師聊聊時，我說那是個感覺，於是拿出

指導教授同意書請老師簽名，老師也說在他實驗室會很累，但想挑戰看看

自己能力以及精力，然求學歷程何其刻苦漫長，幸得眾多師長、同學的鼓

勵，讓兩年後的我可以順利畢業，今回首求學歷程，歷歷如在昨日，而今

已過兩夏。

恩師白教授子易，學術經驗豐富，對我們依然耐心指導，雖然常常讓

老師動肝火，但老師依然嚴格要求我們做事的順序，悉心栽培，雖然學生

雖然能力欠佳，但在老師指導下持續進步，學生將更力求精進，以謝恩師

努力栽培。

誠謝歐陽教授嶠暉、黃教授志彬、萬教授騰州及白教授子易，誠謝四

位教授於假日犧牲可陪伴家人之時，特別抽空指導學生論文，答疑解惑，

鉅細靡遺，學生有榮幸可讓四位教授指導學生論文，幫助學生甚多，學生

再次感謝各位教授。

誠謝學長姐楊珮玉、賴偉嘉、呂雪峯、陳瑜芳、范淑雯、李欣憶；同

學施立華、沈靜音、學弟湛隆誼及助理王佩郁，於學生就學碩士期間，給

予諸多幫助，特於此深表謝意。

也要由衷感謝親愛的父親及母親，於學生求學間給予幫助及鼓勵，父

母之辛勞，無法以筆墨盡述，特於此向父母鞠躬以謝恩德，未來進入職場

後將更努力、用心表現以報答父母親辛勞的栽培，讓父母親感到無比的驕

傲。

另外也要感謝一位特別的朋友，陪我度過 5 個年頭的高級伴讀書僮，

也是我的女友裕艷，謝謝妳辛苦的陪伴及等待，讓我在求學期間可以開心

放心的讀書，常常要體諒不能跟妳約會，分享妳的點點滴滴，謝謝妳，我

的高級伴讀書僮兼女友，未來讓我們一直繼續努力下去。

江育澤 謹致於

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

中華民國 104 年 07 月 18 日

i

摘 要

從工業革命至今科技快速發展的過程中，各種衝擊對地球環境已產生極大 影響，其中工業廢棄物、環境污染包含空氣、水、土壤、噪音等污染，使得環 保意識開始受到重視，同時人們對於環境保護觀念與態度亦日趨成熟，因此各 國減少能源消耗與積極開發低污染技術被視為首要發展的科技目標，本研究已 完成厭氧消化模式的推導公式，未來將可以讓更多研究人員使用。 於 UASB 之反應槽內，批次添加 4 g 乙酸、丙酸、丁酸及戊酸，以探討有機 酸微生物族群之含量，並於每日進行 UASB 水質分析與有機酸微生物族群之檢 測，獲得初步結果如下： 一、於UASB批次系統內添加乙酸時pH平均於6.62、溫度為28.86 ℃、MLSS為 22785 mg/L、SCOD為6135.29mg/L；於UASB批次系統內添加丙酸時pH平均 於6.34、溫度為28.21 ℃、MLSS為22470.00 mg/L、SCOD為7971.71 mg/L； 於UASB批次系統內添加丁酸時pH平均於6.42、溫度為27.04℃、MLSS為 24310.00 mg/L、SCOD為7017.00 mg/L；於UASB批次系統內添加戊酸時pH 平 均 於 6.40 、溫度 為 27.04 ℃ 、 MLSS 為 23908.29 mg/L 、 SCOD 為 5862.43 mg/L。

二、並 由 研 究 者 自 行 推 導 ADM1 量 化 公 式 X_ac,t0 = Yac(Sac,t0−Sac,t1)

e(Yac∙Km,ac−Kdec,Xac)t1−1 裡 e(Yac∙Km,ac−K_dec,Xac)t1 _{於 動 力 參 數 表 內 即 可 得 到 Y} ac = 0.05 ， Km,ac = 8 ， K_dec,Xac =0.02，將實驗數據帶入Y_ac乘上(乙酸第零天-乙酸第一天)即可得到 乙酸分解菌第零天的微生物生物量，並由推導公式即可得，且套入第零天乙

酸分解菌及Y_ac =0.05，K_m,ac =8，K_dec,Xac =0.02 即可求得各天乙酸分解菌之

ii

三、以ADM1量化UASB反應槽內第零天到第六天乙酸分解菌微生物含量分別為 76.46 mg COD/L、111.81 mg COD/L、163.50 mg COD/L、239.1 mg COD/L、 349.6 mg COD/L、511.20 mg COD/L及747.53 mg COD/L。

本研究之結果，可供更多研究人員願意使用厭氧消化模式，亦可讓研究人員 在設計UASB操作上及探討微生物動力之參考。

iii

The Study of Microorganism Groups in UASB by the

Measurements of Various Organic Acid Quantified by ADM1

Abstract

With the rapid technological development since the Industrial Revolution, the earth's environment has been greatly affected by the numerous impacts generated in the process. Among the environmental pollution caused by industrial wastes, there are air pollution, water pollution, soil pollution, noise pollution, etc. People's environmental awareness is thus enhanced, and their attitudes and views toward environmental protection are maturing. The reduction of energy consumption and vigorous development of technologies featuring low pollution have also been deemed by various countries as the primary technological development goals. In the current research, the formula of the anaerobic digestion model has been deduced. It is hoped that it could be of value to future researchers.

4 grams of acetic acid, propionic acid, butyric acid and valeric acid were added to the UASB reaction tank one after the other, with the aim to investigate the content of organic acid microorganism populations. UASB water analysis, as well as the testing of organic acid microorganism populations was also conducted on a daily basis, the preliminary results of which were presented as follows:

1. When adding acetic acid to the UASB batch system, the average pH value was 6.62, while the average temperature was 28.86 °C, with a 22785 mg/L MLSS and a 6135.29mg/L SCOD; when adding propionic acid to the UASB batch system, the average pH value was 6.34, while the average temperature was 28.21 °C, with a 22470.00 mg/L MLSS and a 7971.71mg/L SCOD; when adding butyric acid to the UASB batch system, the average pH value was 6.42, while the average temperature was 27.04 °C, with a 24310.00 mg/L MLSS and a 7017.00 mg/L SCOD; when adding valeric acid to the UASB batch system, the average pH value was 6.40, while the average temperature was 27.04 °C, with a 23908.29 mg/L MLSS and a 5862.43mg/L SCOD.

iv

2. According to the e(Yac∙Km,ac−K_dec,Xac)t1

in the AMD1 quantitative formula Xac,t0 =

Yac(S_ac,t0−S_ac,t1)

e(Yac∙Km,ac−Kdec,Xac)t1−1 _as

deduced by the researcher, it could be derived in the

kinetic parameter list that Y_ac = 0.05, K_m,ac = 8, and K_dec,Xac = 0.02. After

substituting the experiment data into the formula Y_ac and multiplying the result by

(the difference of the amount of acetic acid on the 0th _{day minus that of the 1}st

day), the content of microorganism populations generated in the decomposition of

acetic acid on the 0th _{day was obtained. According to the deduced formula and the}

substitution of the amount of microorganisms generated in the decomposition of acetic acid on the 0th _{day, Y}

ac =0.05, Km,ac =8, and Kdec,Xac =0.02, the contents

of microorganism populations generated in the decomposition of acetic acid on each day could be derived.

3. The contents of microorganism populations generated in the decomposition of acetic acid in the ADM1 quantitative UASB reaction tank were 76.46 mg COD/L, 111.81 mg COD/L, 163.50 mg COD/L, 239.1 mg COD/L, 349.6 mg COD/L,

511.20 mg COD/L and 747.53 mg COD/L respectively from the 0th to the 6th day.

It is hoped that the results of this research could cause more researchers to make use of the anaerobic digestion model and serve as references for researchers seeking to design UASB operations and investigate microbial kinetics.

Keywords: Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM 1), sludge digestion tanks, UASB

v

目錄

摘 要 ... i Abstract ... iii 目錄 ... v 圖目錄 ... vii 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 ... 3 第三節 名詞解釋 ... 4 第二章 文獻回顧 ... 7 第一節 厭氧微生物原理 ... 7 第二節 厭氧微生物反應器 ... 10 第三節 厭氧消化模型 No.1(ADM1) ... 13 第四節 以 ADM1 量化厭氧反應槽中功能族群之研究 ... 19 第三章 研究方法 ... 21 第一節 模廠配置 ... 21 第二節 分析方法 ... 27 第三節 ADM1 量化之計算 ... 28 第四章 結果與討論... 43 第一節 批次添加乙酸、丙酸、丁酸及戊酸於 UASB 批次反應槽操作之情形 ... 43 第二節 以 ADM1 量化 UASB 中不同有機酸微生物族群之起始濃度 ... 55 第三節 以 ADM1 模擬批次反應槽中酸分解菌之成長曲線 ... 58 第四節 綜合比較結果 ... 62

vi 第五章 結論與建議... 67 第一節 結論 ... 67 第二節 建議 ... 69 參考文獻 ... 71 一、中文部分 ... 71 二、英文部分 ... 72

vii

圖目錄

圖 2-1 有機物穩定化轉換途徑示意圖 ... 8 圖 2-2 厭氧消化轉換過程型態 ... 9 圖 3-1 UASB 模廠 ... 22 圖 3-2 UASB 程序 ... 23 圖 3-3 批次實驗設備圖 ... 24 圖 3-4 批次實驗示意圖 ... 24 圖 3-5 研究架構 ... 25 圖 3-6 研究流程圖 ... 26 圖 3-7 揮發酸與醇類分析流程圖 ... 28 圖 4-1 添加乙酸之槽 MLSS 趨勢圖 ... 44 圖 4-2 添加丙酸之槽 MLSS 趨勢圖 ... 44 圖 4-3 添加丁酸之槽 MLSS 趨勢圖 ... 45 圖 4-4 添加戊酸之槽 MLSS 趨勢圖 ... 45 圖 4-5 添加乙酸之槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 46 圖 4-6 添加丙酸之槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 46 圖 4-7 添加丁酸之槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 47 圖 4-8 添加戊酸之槽溫度與 pH 變化趨勢圖 ... 47 圖 4-9 乙酸批次試驗之 ORP 趨勢圖 ... 48 圖 4-10 丙酸批次試驗之 ORP 趨勢圖... 48 圖 4-11 丁酸批次試驗之 ORP 趨勢圖... 49 圖 4-12 戊酸批次試驗之 ORP 趨勢圖... 49

viii 圖 4-13 添加乙酸之槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 50 圖 4-14 添加丙酸之槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 51 圖 4-15 添加丁酸之槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 51 圖 4-16 添加戊酸之槽 SCOD 變化趨勢圖 ... 52 圖 4-17 添加乙酸之有機酸變化趨勢圖 ... 53 圖 4-18 添加丙酸之有機酸變化趨勢圖 ... 53 圖 4-19 添加丁酸之有機酸變化趨勢圖 ... 54 圖 4-20 添加戊酸之有機酸變化趨勢圖 ... 54 圖 4-21 第零天各有機酸於 UASB 反應槽之濃度比較 ... 57 圖 4-22 第零天各有機酸於 UASB 反應槽之百分比 ... 58 圖 4-23 乙酸濃度及乙酸分解菌比較趨勢 ... 59 圖 4-24 丙酸濃度及丙酸分解菌比較趨勢 ... 60 圖 4-25 丁酸濃度及丁酸分解菌比較趨勢 ... 61 圖 4-26 戊酸濃度及戊酸分解菌微生物濃度比較趨勢 ... 62 圖 4-27 UASB 批次反應槽 MLSS 趨勢綜合比較圖 ... 63 圖 4-28 槽溫度與 pH 變化綜合比較圖 ... 64 圖 4-29 UASB 批次反應槽 ORP 變化綜合比較圖 ... 65 圖 4-30 UASB 批次反應槽 SCOD 變化綜合比較圖 ... 65

ix

表目錄

表 2-1 ADM1 計量矩陣 ... 16 表 2-2 ADM1 程序速率式 ... 17 表 2-3 ADM1 動力參數及計量係數定義及典型值 ... 18 表 2-4 以 ADM1 量化厭氧反應槽有機酸分解菌之平均濃度 ... 19 表 3-1 水質分析項目 ... 27 表 3-2 有機酸分解菌之量化公式 ... 42 表 4-1 以 ADM1 量化厭氧反應槽有機酸分解菌之平均濃度 ... 66

第一章 緒論

第一節 研究背景與動機

從工業革命至今科技快速發展的過程中，各種衝擊對地球環境已產生極 大影響，其中工業廢棄物、環境污染包含空氣、水、土壤、噪音等污染， 使得環保意識開始受到重視，同時人們對於環境保護觀念與態度亦日趨成 熟，因此各國減少能源消耗與積極開發低污染技術被視為首要發展的科技 目標。 一般而言在生物處理的過程裡，微生物生化反應的過程及成份皆相當複 雜，其中包含有機物、無機物及微生物等，在操作前都必需經過試驗及篩選 才能達到良好的處理效果。 生物處理程序中基本可分為兩種程序，程序分別為好氧處理及厭氧處理， 厭氧處理通常適用於高濃度廢水，而好氧處理程序較常出現於業界所使用。 於生物好氧處理上，亦分成多種處理程序，如活性污泥法、接觸氧化法、氧 化深渠法等，各項處理方法之選用有其特性考量，如活性污泥法具處理效率 較高，但污泥產量較多。 目前國內研究主要針對厭氧系統較為著重，多以人工合成基質後進行模 廠試驗，因此結果與實廠設計、規劃、控制及操作等階段之比較因而有所差 異。由於厭氧系統發展中各項分解菌皆為重要觀察項目。因此，相關微生物 功能族群如乙酸分解菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌及戊酸分解菌等功能族群 又與碳、磷、氮、揮發酸各成分之轉化相關性顯著差異，因此藉由量化微生 物功能族群，將可助於瞭解微生物與碳、磷、氮、揮發酸各成分之轉化相關 性顯著差異，亦可量化微生物功能族群，將有助於瞭解微生物與碳、磷、氮、 揮發酸轉化之間的關聯性。 在過去的研究中發現，活性污泥之 biomass 通常以揮發性懸浮固體 (volatile suspended solids, VSS) 之濃度表示，但 VSS 並不適合代表微生物 biomass 實 際 濃 度 及 微 生 物 真 正 的 活 性 。 白 子 易 老 師 在 過 去 研 究 微 生 物

biomass 乃利用臺灣活性污泥模式 No.1 (TaiWan Extension Activated sludge model No.1, TWEA1)量化相關微生物族群，且已有豐富的研究成果。（Pai, T. Y., et al., 2003a; Pai, T. Y., 2007a; Pai, T. Y., Tsai, Y. P., Lo, H. M., Tsai, C. H., & Lin, C. Y. 2007b; Pai, T. Y., Tzeng, C. J., Hsu, C. L., Tsai, Y. S., & Hsu, W. J. 2007c; Pai, T. Y. 2008a; Pai, T. Y., et al., 2008b; Pai, T. Y., Chang, H. Y., Wan, T. J., Chuang, S. H., & Tsai, Y. P. 2009a; Pai, T. Y., Chang, T. C., Chen, H. H., & Ouyang, C.F. 2010a; Pai, T. Y., Chen, C. L., Chung, H., Ho, H. H., & Shiu, T. W. 2010b; Pai et al., 2010c; Pai, T. Y., et al., 2011; Pai, T. Y., et al., 2013; Pai T. Y., et al., 2014）。

污泥處理程序裡厭氧處理為重要程序之一，在厭氧污泥降解中所產生的 生物氣體，為有價值的能源資源。在過去 30 年間，污泥厭氧處理的應用於近 幾年有增加的趨勢，然而，事實上，在數學模式中應用在厭氧處理生化轉換 過程裡，應用卻相當稀少。厭氧生化模式被應用稀少的原因有二，其中之一 的原因是數學模式歧異度太大，而且本質通常過於特定；這也就是目前許多 研究人員只針對特定反應物或特定微生物族群進行模擬，而無法針對全面的 成份或微生物族群進行模擬(Batstone and Keller, 2003)。數學模擬及模式使用 受限的第二個原因是，模式操作及相關陳述的不足，大部分的數學模式缺乏 執行應用模式、操作的軟體及缺乏明確執行的詳細方法同時缺乏案例研究， 而且就使用模式方面所能獲得的商業回饋及無形利益增加的相關陳述也不足， 因此自然無法快速引起研究人員使用模式之意願。這是較可惜的情況，因為 未來如果能有定義良好且相關程序完整的模式套件，將可有效地評估、設計 既有及最佳化或所提出的程序，並加以應用於程序的相關修正。

國際水協會 (International Water Association，IWA) 的 Task Group on Mathematical Modeling 自 1987 年起，共發表了 4 項具有描述活性污泥系 統的數學模式 (Henze et al., 2000)。這些數學模式被提出後，成為全球相 關研究學者運用模式在模擬活性污泥程序時的主要架構，也得到許多實 際的驗證。由於活性污泥模式的成功，IWA 亦成立 IWA Task Group for Anaerobic Digestion Modelling，並在 2002 年提出 IWA ADM1(厭氧消化

模 式 1 Anaerobic Digestion Model No.1, ADM1) ， 以 描 述 厭 氧 程 序

(Batstone, D. J., et al., 2002a, 2002b)，雖然 IWA 於 2002 年提出 ADM1 模

式，但近 10 年相關應用研究仍然非常有限，主要原因是 ADM1 缺乏完整 執行操作軟體、且大部分的研究人員無法自行設計或撰寫電腦程式及執 行應用模式的詳細步驟，因此自然無法吸引更多研究人員使用模式進行 模擬。

故 本 研 究 擬 利 用 ADM1 量 化 UASB( 上 流 式 厭 氣 污 泥 床 Upflow Anaerobic Sludge Bed, UASB）中不同有機酸微生物族群，相關研究結果可 供厭氧消化程序規劃、設計、模式設定、操作、控制、診斷等各階段之參考。

第二節 研究目的

由於 ADM1 缺乏執行操作的軟體，因此如果未來可經由數學模式的 方式推導量化厭氧程序中有機酸微生物族群之公式，將可快速且有效評 估、推導出可能最佳化及修正設計既有或修改已提出的程序。因此本研 究採用自行設計 UASB 之模廠進行試驗，探討 ADM1 量化 UASB 中不同 有機酸微生物族群。相關量化公式亦可應用於程序的修正，並且可以提 出領先全球的研究成果與凸顯本研究之價值。因此可將研究者自行推導 之數學公式經由實驗結果驗證，且有定義良好的完整程序模式，將可有 效地評估、最佳化及設計既有或所提出的程序，或者應用於程序的修正。 本研究主要研究目的如下： (一) 探討 UASB 模廠之水質處理特性。 (二) 依據 ADM1 推導量化厭氧程序中有機酸微生物族群之數學公式。 (三) 取 UASB 之污泥置於批次試驗筒，添加不同有機酸，並將實驗 結果代入量化公式探討乙酸分解菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌及 戊酸分解菌之 biomass 之變化。 研究內容如下：

(一) 進行 UASB 程序污泥之馴養。 (二) 系統達穩定態後，檢驗進流及出流水質，藉此瞭解厭氧模廠穩 態操作下之水質處理特性。 (三) 進行厭氧批次實驗，以量化乙酸分解菌、丙酸分解菌、丁酸分解 菌及戊酸分解菌之 biomass。 (四) 實驗數據整理分析並提出結論與建議。

第三節 名詞解釋

一、 上流式厭氣污泥床 近年來廢水厭氣處理發展技術中，具代表性的技術之一。新型 UASB 處理槽主要由四個部份構成，即(1)進流水分佈裝置(2)污泥床(3)污泥毯(4) 氣固液分離裝置。污泥床為沈澱在厭氧處理槽底部的一層較濃而厚重污 泥顆粒，而污泥毯則是在污泥床上方與厭氣所反應產生的混合氣體之懸 浮污泥。廢水進入處理槽會在污泥毯和污泥床區被厭氣分解，隨其上浮 的懸浮污泥和產生的氣體會在氣固液分離區分別被導引，氣體將收集並 排出槽外，而懸浮的污泥則於水流較平穩的區域沈澱並回流到處理槽中， 處理水則排出反應槽，並進入後續單元。 二、 ADM1 ADM1 模式主要是用於描述厭氧轉換過程的物理化學反應、生物化學反應 兩種反應型態。物理化學反應並非生物性傳輸，且不包含離子的分離與結合， 而是以氣體/液體的傳送方式。沉澱作用為深層的物理化學程序，然而 ADM1 模 式中內並不包含沉澱作用。生物化學反應通常是進入細胞或胞外酵素進行催化， 同時針對可利用之有機物及複合物發生作用。而微粒物質中的成分對合成物的 衰減 (例如死亡的生物質量) 和其後酵素對溶解性單體的水解作用，皆為胞外水 解的過程。溶解性單體裡消化途徑是藉由細胞內有機體的傳輸，並同時在消化 過程中導致生物質量的衰減與生長。

考慮複合物、脂質、蛋白質、碳水化合物、惰性粒狀有機物及各項微 生物族群等 12 項粒狀成份；單醣、長鏈脂肪酸、氨基酸、總乙酸、總丙 酸、總丁酸、總戊酸、甲烷、無機碳、無機氮、溶解性惰性物等 12 項溶 解性成份。也考慮 19 項生物反應程序。

第二章 文獻回顧

為增加數學量化模式被更多研究者使用，且目前沒有設計完全的軟體及產出效 率，故無法快速吸引研究人員使用，故本章節將先探討相關厭氧微生物原理及 ADM1 量化模式，再透過研究者修改並推導量化公式，故於本章節先行探討厭氧 微生物原理及厭氧微生物反應器，最後再進行厭氧消化模式之探討。

第一節 厭氧微生物原理

分解廢水中有機物可利用厭氧情況下之微生物，產生甲烷、氨、二氧化 碳及硫化氫等，最後會殘留不易被分解的有機物如腐植質，或較為穩定的物 質。在此狀況下，有機物化係由甲烷形成菌及酸形成菌分兩階段完成並達穩 定的反應過程，如圖 2-1 所示：即為模式上的厭氧消化轉換過程。當呈現在生 物化學反應時，則為不可逆反應，而呈現在物理化學反應時，則為可逆反應。

其縮寫包含 MS (單醣)、AA (胺基酸)、LCFA (長鍊脂肪酸)、LCFA- _{(長鍊脂肪}

酸鹽)、HAc (醋酸)、Ac- _{(醋酸鹽) HPr 、(丙酸)、Pr}- _{(丙酸鹽)、HBu (丁酸)、}

Bu- (丁酸鹽) 、HVa (戊酸)、Va- (戊酸鹽)。厭氧消化的轉換過程可分成以下兩 種型態，如圖 2-2 所示。 (一) 生物化學反應：大部分反應是進入或胞外酵素催化，同時針對可利 用的量和其後酵素對溶解性單體的水解作用均是胞外水解的過程。溶 解性單體的消化是藉由細胞內有機體的傳達，同時這種消化過程會導 致生物量的生長與衰減。 (二) 物理化學反應：這類反映過程不是藉由生物傳送也不具有離子的結 合與分離，而是以氣體/液體的傳送方式。沉澱作用屬於深層的物理化 學程序，但是沉澱作用不包含在這模式內。

圖 2-1 有機物穩定化轉換途徑示意圖

酸成

形菌

有機物

甲烷形

_成菌

有機酸 增殖細菌 CO2 H2O 氨 氫 H₂S

甲烷

增殖

細菌

CO

₂

微生物可運用食物裡包含有機物，複雜之有機物如碳水化合物、脂肪、 蛋白質等，經由厭氧分解後成簡單穩定物質，如二氧化碳(CO2)及甲烷(CH4)其 反應式為： C_nH_aO_b+ (n − a 4− b 2) H2O → ( n 2− a 8+ b 4) CO2+ ( n 2+ a 8− b 4) CH4 厭氧過程可分兩個階段，即甲烷化階段和酸性消化，在第一階段，酸形 成菌可將複雜的有機物水解並醱酵成簡單有機酸；在第二階段裡，甲烷形成 菌再將第一階段之有機酸轉化成二氧化碳及甲烷。 在厭氧生物處理技術的發展中家庭化糞池為第一代反應器，屬於連續攪 拌型式、無污泥迴流，其 SRT/HRT (污泥停留時間/水力停留時間)比值為 1， 後來設計中提高污泥迴流以增加 SRT/HRT 比值，經修改後型式稱為厭氧接觸 法(anaerobic contact process)。另外，反應器內置入填充料，以供微生物之生 物膜成長之用，並可同時使水流分布均勻，對於部分微生物未能附著在填充 料上 也可 被 保留 在 反應 器內 不 致於 流 失， 此設 備 型式 亦 稱為 厭氧 濾 床法 (anaerobicfilter)。

第二節 厭氧微生物反應器

厭氧流體化床法(anaerobic fluidized bed)出現，乃為進一步增加混合、接 觸良好及粒子沉降性佳，使微生物濃度可以更均勻分布，因此被發展出。由 於填充在反應器內的物料費用相當昂貴，促使研究人員研發出不再需置入填 充料，仍可固定生物細胞之反應器，稱為為 UASB。

於 1980 年 UASB 可說是當時性能相當卓越的廢水處理法。經改良後的污 泥床反應槽乃利用趨於斜管之塑膠填充料，並安裝於污泥床上方之特定高度，

以增 加污 泥 沉降 、 固體 分離 及 污泥 床 的生 物反 應 速率 ， 並且 降地 污 泥層 (sludge blanket)高度，即為減少反應槽之高度，一般在反應槽上方的沉降裝置 均可增設傾斜板，以利截留較為細小的固體物，並增加 SRT 的值。 荷蘭 Lettinga 等完成開發出上流式厭氧污泥床，開發主要不同為型式修改 成上流式，反應槽分成四個主要部分，說明如下： (一) 污泥床(sludge bed)部分：有極高濃度的廢水基質與微生物接觸，產 生大量氣體以攪動污泥，為污泥主要反應區域，部分上浮污泥則進入 污泥層中。 (二) 污泥層(sludge blanket)部分：為污泥排出的緩衝區域，此時污泥具 有膠羽化，為污泥濃度漸變段，但作用不大。

(三) 氣固液三相分離器(three phase separator)部份：較大固體顆粒因碰撞 斜板形成迴流，並使用漏斗收集氣體。 (四) 沉降區(settler)部份：沉降並迴流活性生物污泥，避免污泥流失。 一、影響反應的因素 為使反應效率達到最佳化，需控制各項環境因子及操作因子，使每控制因子皆 在最適當操作範圍內，將可有效提升處理效果。重要操作因子分述如下： (一) 生物一物理因子 1. SRT 厭氧處理重要指標包含污泥停留時間。在處理過程中，甲烷化為最後的階 段，為使複雜的有機物能有效轉化為二氧化碳和甲烷，必須要有足夠的 SRT， 使甲烷生成菌有足夠的生長及反應時間，因此系統內之 SRT 將視為如何維持甲 烷菌生長的重要因子之一。 2.混合(Mixing) 消化槽需攪拌有兩項原因分別為：(1) 將細胞壁排出的甲烷氣擴散到溶液

中，以利排出槽外。並於適當的攪拌下提供均勻的環境，可增加消化槽的反應 效率，(2)微生物的食物之一為固體污泥，可將可運用的營養物質輸送到細胞內 供作微生物之營養源。 3.溫度 甲烷生成菌為厭氧菌之一，對 pH 及溫度極為敏感，故維持在特定的操作 溫度是能促進反應效率的。經文獻回顧發現最適合甲烷菌行厭氧反應的操作溫 度範圍有兩個：一為中溫(30-38℃)，另一為高溫(50-60℃)。雖然在高溫下可縮 短反應時間，並且提高產氣之速率，但是在中溫 30-38℃範圍內操作較為經濟， 另外在 20℃左右，厭氧的反應作用就會受到抑制因而減緩。 (二) 化學因子 厭氧系統之化學因子為鹼度、pH 和揮發酸，這三項也是穩定系統的重要 操作指標，因這三項互相關聯，因此可合併討論。 揮發酸主要的成份包含乙酸、丙酸和丁酸等有機酸，這些為厭氧反應 過程之酸生成相產物，也屬於甲烷化的先驅物質，酸生成相中的反應比甲 烷生成相快速許多，但因揮發酸於不良操作而快速累積增加時，消化槽內 若無足夠的鹼度中和過量的揮發酸，將能導致槽中 pH 降低，造成反應液 逐漸酸化，最後使系統完全失敗。 (三) 營養物質 為維持消化反應可以持續進行，因此必須提供充分的營養源，主要營養物 質為磷和氮，這兩種元素和 H、C、O 構成微生物細胞之主要元素，細胞內平 均有 12% N 及 2% P，另外，微生物也需要特定微量元素以利生長，如 Fe、 Mn、Mo、Ni、Co 及 V 等，這些微量金屬元素可形成低溶解性之硫化物沉 澱，並且被污泥中微生物吸收利用，但是這些微量金屬元素如果過量時反 而會對微生物產生毒性。 (四) 毒性物質 過多的毒性物質會抑制細菌活動，可能使厭氧反應失敗，因此應防止毒性

物質進入消化槽。目前最常見的抑制物質為無機性物質，如鹼性物質、重金屬、 氨氮、硫化物、鹼土金屬及許多種類之有機化合物。

第三節 厭氧消化模型 No.1(ADM1)

IWA 自 1987 年起，共發表了 4 項可描述活性污泥系統之數學模式 (Henze et al., 2000)。這些模式被提出後，成為全球相關研究人員在模擬活性污泥程序 時的主要架構，也得到許多實際的驗證及回饋。由於描述活性污泥系統之數 學模式的成功，因此 IWA 亦成立 IWA Task Group for Anaerobic Digestion Modelling，並在 2002 年時提出 ADM1，主要以描述厭氧程序 (Batstone et al., 2002a, 2002b)。

Batstone and Keller (2003)學者發現 ADM1 為目前尚未被廣泛應用的模式， 因此研究並提出應用 ADM1 於工業廢水處理的兩個實際案例。第一個案例是 模擬紙漿廠處理廢水的 UASB 程序。在造紙廢水中進流水裡的鈣濃度相當高， 約 0.4-0.7 kg m-3 _Ca2+_{，容易導致超量的碳酸鈣 (CaCO} 3) 顆粒，並可能因為超 量的碳酸鈣顆粒而沉積於管壁之中。大量的碳酸鈣沉積曾經一度使反應槽底 部產生結垢，除了要維修槽體的直接損失之外，在管線清除以及清理反應槽 內的積垢所花勞力成本也相當可觀。此系統包含酸化反應槽 (1040 m3_)，及甲

烷化 UASB 反應槽 (1805 m3_{)，負荷率為 5.7 - 6.6 kg COD m}-3 _{(只計算 UASB)，}

進流量 1000 m3 _d-1_{。為了模擬 CaCO} 3的反應，將 CaCO3的化學反應式加入模 擬的模式中，並藉由實際檢測出流水的水質來驗證模式的準確性。由模式模 擬結果發現，系統內添加酸的量不經濟且會造成 CaCO3 沉積。第二個案例， 是模擬處理製膠廠廢水的污泥消化槽程序。製膠廠廢水處理程序中進流濃縮 液中含有大量固體物，大部分物質為蛋白質及脂肪。此反應槽體積為 700 m3_， 平均負荷為 2.7 kg COD m-3 _d-1_{。如以 COD 計算，進流成份分別為：粒狀脂肪} (13 %)、粒狀蛋白質 (57 %)及溶解性蛋白質 (30 %)。槽內的 pH 為 7.6、氨氮 濃度為 0.3-0.4 M，所形成的自由氨為 7-13 mM。其中自由氨的抑制會使系統

不穩定，而高溫 (thermophilic) 系統的自由氨抑制比中溫 (mesophilic) 系統輕微， 因此可藉由模式的評估瞭解系統由中溫提昇至高溫系統操作時可能發生的狀 況。經由模擬的結果顯示，將模擬系統由中溫提昇至高溫系統時，其操作狀 況並未有顯著提升。

Elmitwalli et al. (2003) 依據 ADM1 的動力方程式中，發展一項簡化模式， 以檢驗利用二階段厭氧系統 (two-anaerobic hybrid (AH) septic tanks) 在低溫環

境下處理高濃度污水 (約 3600 mg COD L-1_{) 的可行性。此系統置於可控制溫度} 的實驗室中，每一槽體為 0.575 m3_{，水力停留時間為 2.5 day。模擬結果顯示，} 單段的厭氧化糞槽即可符合需求，在攝氏 13 度的溫度下，單段厭氧化糞槽的 水力停留時間需為 5.5-7.5 day，此時 COD 去除率可達 87 %。 由於在污泥厭氧降解中所產生的生物氣體，包括氫氣 (Sh2)、二氧化碳 (SIC) 及甲烷 (Sch4)等，皆為有價值的能源資源，而包括糖分解菌 (Xsu)、長鏈脂 肪酸分解菌 (Xfa)、氨基酸分解菌 (Xaa) 、氫分解菌 (Xh2)、乙酸分解菌(Xac)、 丙酸分解菌(Xpro)、丁酸及戊酸分解菌 (Xc4) 等厭氧微生物族群行為，則是影響 厭氧產氣之重要因子。 ADM1 模式架構主要描述厭氧轉換過程的物理化學反應、生物化學反應兩種 反應型態。 生物化學反應通常是指胞外酵素催化或進入細胞，並同時針對可被利用的有機 物之複合物產生作用。微粒物質的成分對合成物的衰減 (例如死亡的生物質量) 和其 後酵素對溶解性單體的水解作用，均是胞外水解的過程。溶解性單體的消化是藉由 細胞內有機體的傳輸，同時這種消化過程會導致生物質量的生長與衰減。物理化學 反應不是生物性傳輸，且不包括離子的結合與分離，而是氣體/液體的傳送。沉澱作 用是深層的物理化學程序，然而模式內並不包括沉澱作用。 依據上述反應，ADM1 之計量矩陣如表 3-1 所示，程序速率式如表 3-2 所示，

動力參數及計量係數的定義及典型值如表 3-3。 演算法厭氧消化反應槽中每一成份之反應速率可表示如下： 1 C_ki dC_ki dt

=

F_ki−O_ki+R_ki V_kiC_ki (1) 式中，C 為成份 i 之濃度。 F 及 O 為進流及出流項。 R 為反應項 (亦即動力矩陣之乘積項)。 V 為反應槽體積。 如果考慮 M 個成份在 N 個反應槽中反應，則構成 M × N 個起始值問題 (initial value problem) 之常微分方程式。依上述演算法求解，即可得到反應槽在穩態時的出 流水質及各物種濃度。

(Batstone et al., 2002a；白子易、羅煌木、莊順興 2005) 表 2 -1 ADM1 計 量 矩陣 I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 j P ro ce ss Ssu Saa Sfa Sva Sbu Spro Sac Sh2 Sch 4 Sic Sin Si Xc Xch Xpr Xli Xsu Xaa Xfa Xc4 X pro Xac Xh2 Xi 1 D isi n te g ra ti o n fsi, xc -1 fch, xc fpr. xc fli,xc fxi, xc 2 H y d ro ly si s C ar b o h y d ra te s 1 -1 3 H y d ro ly si s o f P ro te in s 1 -1 4 H y d ro ly si s o f L ip id s 1 -ffa, li ffa, li 5 U p ta k e o f S u g ar s -1 (1 -Y su )fbu, su (1 -Y su )fpro, su (1 -Y su )fac, su (1 -Y su )fh2, su    24-9 ,1 1 -1 i i, 5 i C  -(Y su )N bac Ysu 6 U p ta k e o f A mi n o A ci d s -1 (1 -Y aa )fv a, aa (1 -Y aa )fbu, aa (1 -Y aa )fpro, aa (1 -Y aa )fac, aa (1 -Y aa )fh2, aa    24-9 ,1 1 -1 i i, 6 i C  Naa -(Y aa )N bac Yaa 7 U p ta k e o f L C F A -1 (1 -Y fa )0 .7 (1 -Y fa )0 .3 -(Y fa )N b ac Yfa 8 U p ta k e o f V al er at e -1 (1 -Y c4 )0 .5 4 (1 -Y c4 )0 .3 1 (1 -Y c4 )0 .1 5 -(Y c4 )N bac Yc4 9 U p ta k e o f B u ty ra te -1 (1 -Y c4 )0 .8 (1 -Y c4 )0 .2 -(Y c4 )N bac Yc4 10 U p ta k e o f P ro p in at e -1 (1 -Y pro )0 .5 7 (1 -Y pro )0 .5 7    24-9 ,1 1 -1 i i, 1 0 i C  -(Y pro )N bac Ypro 11 U p ta k e o f A ce ta te -1 (1 -Y ac )    24-9 ,1 1 -1 i i, 1 1 i C  -(Y ac )N bac Yac 12 U p ta k e o f H y d ro g en -1 (1 -Y h2 )    24-9 ,1 1 -1 i i, 1 2 i C  -(Y h2 )N bac Yh2 13 De ca y X su 1 -1 14 De ca y o f Xaa 1 -1 15 De ca y o f Xfa 1 -1 16 De ca y o f Xc4 1 -1 17 De ca y o f X pr o 1 -1 18 De ca y o f Xac 1 -1 19 De ca y o f Xh 2 1 -1

表 2-2 ADM1 程序速率式

j Process Rate

1 Disintegration kdisXc

2 Hydrolysis Carbohydrates khyd.chXch

3 Hydrolysis of Proteins khydpr Xpr

4 Hydrolysis of Lipids khyd.liXli

5 Uptake of Sugars km,su

su S su S K S  XsuI1

6 Uptake of Amino Acids km,aa

aa S aa S K S  XaaI1

7 Uptake of LCFA km,fa

fa S fa S K S  XfaI2 8 Uptake of Valerate km,c4 va s va S K S  Xc41 S_buS_va 1  I2 9 Uptake of Butyrate km,c4 ₂ bu va c4 bu s bu _I S S 1 1 X S K S  

10 Uptake of Propinate pro 2

pro s pro pro m, X I S K S k  11 Uptake of Acetate ac3 ac s ac ac m, X I S K S k  12 Uptake of Hydrogen h21 h2 s h2 h2 m, X I S K S k 

13 Dccay X su kdec,XsuXsu

14 Dccay of Xaa kdec,XaaXaa

15 Dccay of Xfa kdec,XfaXfa

16 Dccay of Xc4 kdec,Xc4Xc4

17 Dccay of X pro kdec,XproXpro

18 Dccay of Xac kdec,XacXac

19 Dccay of Xh2 kdec,Xh2Xh2

Inhibition factors

I1 = IpHIIN,lim

I2 = IpHIIN,limIh2

I3 = IpHIIN,lim INH3,Xac

表 2-3 ADM1 動力參數及計量係數定義及典型值

(Batstone et al., 2002a；白子易、羅煌木、莊順興 2005)

Parameter Mesophilic high-rate (nom 35°C) Mesophilic Solids (nom 35°C) Thermophilic Solids (nom 35°C) kdis (d-1) 0.4 0.5 1.0 khyd_CH (d-1) 0.25 10 10 khyd_PR (d-1) 0.2 10 10 khyd_LI (d-1) 0.1 10 10 tres,x (d) 40 0 0 kdec_all (d-1) 0.02 0.02 0.04 KS_NH3_all (M) 1×10-4 1×10-4 1×10-4 pHUL acet/acid 5.5 5.5 5.5 pHLL acet/acid 4 4 4

km_su (COD COD-1d-1) 30 30 70

KS_su (kgCOD m-3) 0.5 0.5 1

Ysu (COD COD-1) 0.10 0.10 0.10

km_aa (COD COD-1d-1) 50 50 70

KS_aa (kgCOD m-3) 0.3 0.3 0.3

Yaa (COD COD-1) 0.08 0.08 0.08

km_fa (COD COD-1d-1) 6 6 10

KS_fa (kgCOD m-3) 0.4 0.4 0.4

Yfa (COD COD-1) 0.06 0.06 0.06

KI,H2_fa (kgCOD m-3) 5×10-6 5×10-6 n/a

km_c4+ (COD COD-1d-1) 20 20 30

KS_c4+ (kgCOD m-3) 0.3 0.2 0.4

Yc4+ (COD COD-1) 0.06 0.06 0.06

KI,H2_c4+ (kgCOD m-3) 1×10-5 1×10-5 3×10-5

km_pro (COD COD-1d-1) 13 13 20

Ks_pro (kgCOD m-3) 0.3 0.1 0.3

Ypro (COD COD-1) 0.04 0.04 0.05

KI,H2_pro (kgCOD m-3) 3.5×10-6 3.5×10-6 1×10-5

km_ac (COD COD-1d-1) 8 8 16

Ks_ac (kgCOD m-3) 0.15 0.15 0.3 Yac (COD COD-1) 0.05 0.05 0.05 pHUL ac 7 7 7 pHLL ac 6 6 6 KI,NH3 (M) 0.0018 0.0018 0.011 km_h2 (COD COD-1d-1) 35 35 35 KS_h2 (kgCOD m-3) 2.5×10-5 7×10-6 5×10-5

第四節 以 ADM1 量化厭氧反應槽中功能族群之研究

由於目前 ADM1 模式未被研究人員廣泛使用，故於文獻回顧時發現目前 使用本模式的研究人員相當有限，在研究報告裡有指出各項有機酸分解菌之 起始生物量及平均生物量的研究報告更是稀少。Ivan Ramirez et al. (2009) 指出 因考慮到相關參數，故以 ADM1 量化厭氧在作用下之起始濃度，乙酸分解菌 之生物量起始濃度穩定後約為 80~100 mg COD/L，另外，Sławomir J. Jablon ski, Marcin Lukaszewicz(2014)學者提出為方便估算微生物群落結構，在獲得微 生物數量時加變量調整，並估算出各項有機酸的起始濃度，分別為乙酸分解 菌平均濃度約為 183 mg COD/L、丙酸分解菌平均濃度約為 62 mg COD/L、丁 酸分解菌及戊酸分解菌平均濃度約為 403mg COD/L；Deshai Botheju Rune Bakke (2008)以 200 天的模擬實驗，設計出最理想數據值，其中包含乙酸分解 菌平均濃度約為 180~250 mg COD/L、丙酸分解菌平均濃度約為 50~80 mg COD/L。

表 2-4 以 ADM1 量化厭氧反應槽有機酸分解菌之平均濃度

研究學者 乙酸分解菌 丙酸分解菌 丁酸分解菌 戊酸分解菌

Ivan Ramirez et al. 80~100 mg _COD/L

Sławomir J. Jablon ski 183 mg _{COD/L COD/L} 62 mg 403mg COD/L

Deshai Botheju 180~250 mg _COD/L 50~80 mg _COD/L

第三章 研究方法

本研究將透過 IWA 於 2002 年提出之 ADM1 數學模式為研究基礎，透過研究 者自行推導之數學模式量化相關微生物族群量，主要探討厭氧 UASB 中穩態微生 物量，以及 UASB 批次系統中不同有機酸微生物族群，因此採用自行設計之 UASB 模廠進行批次試驗，如圖 3-1 及圖 3-2 所示；為探討 UASB 程序中微生物 族群，待馴養穩定後將由 UASB 程序內取出污泥置入批次試驗槽進行批次實驗， 如圖 3-3 及圖 3-4 所示。並使用研究者自行推導數學模式與實驗結果對照，茲將 本章研究方法分為三個小節，第一節為模廠配置、第二節分析方法及第三節以 ADM1 量化之計算，研究架構，如圖 3-5 所示、研究流程，如圖 3-6 所示、研究設備與材料 等分述如下：

第一節 模廠配置

本研究中 UASB 模廠由 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，馴養設備實體如圖 3-5 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 為厭氧狀態的重要指標（Kjaergaard, 1977），故本研究 之馴養厭氧污泥之 ORP 維持於 -224 ~ -397 mV。並以蔗糖（20,000 mg COD/L） 作為碳源。待馴養污泥狀態穩定後，再進行批次試驗。 污泥馴養穩定後將取 UASB 模廠污泥置入批次試驗反應器內進行批次試驗， 批次試驗分為四組，第一組為乙酸分解菌試驗、第二組為丙酸分解菌、第三組為 丁酸分解菌及第四組戊酸分解菌，於第一組批次實驗時僅添加乙酸，並實驗監測 六天，六天批次實驗檢測項目如 MLSS、SCOD、pH、ORP 及乙酸分解菌微生物 族群量，第二組批次實驗僅添加丙酸，並實驗監測六天，六天批次實驗檢測項目 如 MLSS、SCOD、pH、ORP 及丙酸分解菌微生物族群量，第三組批次實驗僅添 加丁酸，並實驗監測六天，六天批次實驗檢測項目如 MLSS、SCOD、pH、ORP 及丁酸分解菌微生物族群量，第四組批次實驗僅添加戊酸，並實驗監測六天，六

天批次實驗檢測項目如 MLSS、SCOD、pH、ORP 及戊酸分解菌微生物族群量。

圖 3-3 批次實驗設備圖

分次添加:

由 UASB 程序內取出污泥置

入批次試驗槽內，分組實驗

，批次添加不同有機酸之實

驗。

圖 3-4 批次實驗示意圖

圖 3-5 研究架構 批次實驗

數學模式推導

模廠設計、馴養 檢測相關數據 實 驗 與 數 學 模 式

圖 3-6 研究流程圖 撰寫論文 結論與建議 進行批次試驗 文獻分析比較 基本監測 MLSS、VSS、 SCOD、pH、ORP 分解菌檢測 乙酸分解菌、丙酸分解 菌、 丁酸分解菌、戊 酸分解菌 操作實驗模廠 結果分析 文獻回顧 確立研究目的 啟動實驗 UASB 模廠

第二節 分析方法

一、 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 3-1。 表 3-1 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

*參考自 Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water, 20th Edition

二、 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 3-7 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 ℃）

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 3-7 揮發酸與醇類分析流程圖

第三節 ADM1 量化之計算

由於在污泥厭氧降解中，包括乙酸分解菌 (X_ac)、丙酸分解菌 (X_pro)、丁 酸分解菌 (X_bu)及戊酸分解菌 (X_va)厭氧微生物族群，依據 ADM1 之計量方程 式，與乙酸、丙酸、丁酸及戊酸分解，相關計量矩陣及速率方程式如表 3-2 所示。故依據 ADM1 之計量矩陣及反應速率反應式，乙酸分解菌 (X_ac)、丙 酸分解菌 (X_pro)、丁酸分解菌(X_bu)及戊酸分解菌 (X_va)不同有機酸生物族群之 生長速率方程式，如式(2)到式(5)所示。 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

乙酸分解菌 dXac dt

= Y

ac

∙ K

m,ac Sac Ks+Sac

X

ac

I

3

− 1 ∙ K

dec,Xac

X

ac (2) 丙酸分解菌 dXpro dt = Ypro∙ Km,pr Spro

Ks+SproXproI2− 1 ∙ Kdec,XproXpro (3)

丁酸分解菌 dXbu dt

= Y

bu

∙ K

m,bu Sbu Ks+Sbu

X

bu

I

2

− 1

∙

K

dec,Xbu

X

bu (4) 戊酸分解菌 dX_va dt

= Y

va

∙ K

m,va S_va K_s+S_va

X

va

I

2

− 1

∙

K

dec,Xva

X

va

(5)

以乙酸分解菌推導為例，將 ADM1 抑制項I₃併入式(2)可得：

dXac

dt = Yac ∙ Km,ac Sac

Ks+SacXacIpHIIN,limINH3,Xac− 1 ∙ Kdec,XacXac (6)

因實驗過程，添加大量乙酸，使批次反應槽內具高濃度的乙酸，故

Sac

Ks+Sac ≅ 1。另外在進行批次試驗時，pH、氨氮、無機氨氮於實驗過程中皆

可以受到良好的控制，亦不會造成系統抑制，故式(6)中的I_pH,I_IN,lim,I_NH3,Xac等

抑制項無影響，可視為 1。 故可將式(6)整理成式(7)。 dXac dt = Yac ∙ Km,acXac− Kdec,XacXac (7) 將式(7)進行簡化後得式(8) dXac dt = (Yac ∙ Km,ac− Kdec,Xac)Xac (8) 將式(8)移項，可得式(9) dXac Xac = (Yac∙ Km,ac− Kdec,Xac)dt (9) 將式(9)積分

∫dXac

Xac = ∫(Yac∙ Km,ac− Kdec,Xac) dt (10)

將式(10)由時間t₀積分至時間t₁ ln X_ac│ t0 t1 = (Y_ac∙ K_m,ac − K_dec,Xac) t│ t0 t1 (11) 將式(11)整理後得式(12)

ln X_ac,t1− ln X_ac,t0 = (Y_ac∙ K_m,ac − K_dec,Xac)(t₁− t₀) (12)

並將ln X_ac,t1− ln X_ac,t0整理成lnXac,t1

X_ac,t0，另外(t1− t0)中時間t0表示時間為

0，故可得式(13)

lnXac,t1

X_ac,t0 = (Yac ∙ Km,ac − Kdec,Xac)t1 (13)

再將式(13)整理後可得式(14)

X_ac,t1 X_ac,t0 = e

最後由式(14)可推得式(15)、亦即時間為t₁時之乙酸分解菌之 biomass。

X_ac,t1 = X_ac,t0∙ e(Yac∙Km,ac−K_dec,Xac)t1 ₍₁₅₎

由X_ac增殖係數的定義可知：

Y_ac =∆Xac ∆Sac =

X_ac,t1−X_ac,t0 S_ac,t0−S_ac,t1 =

X_ac,t0∙e(Yac∙Km,ac−Kdec,Xac)t1−X_ac,t0

S_ac,t0−S_ac,t1 (16) 將式(16)整理後可得式(17) Y_ac = [e(Yac∙Km,ac−Kdec,Xac)t1−1] X_ac,t0 S_ac,t0−S_ac,t1 (17) 故起始之X_ac的 biomass 可表示為式(18)

X_ac,t0 = Yac(Sac,t0−Sac,t1)

e(Yac∙Km,ac−Kdec,Xac)t1−1

(18)

式(18)中，由於Y_ac、K_m,ac、K_dec,Xac為已知，另S_ac,t0、S_ac,t1為實驗檢驗測

以丙酸分解菌推導為例，將 ADM1 抑制項I₂併入式(3)可得：

dXpro

dt = Ypro∙ Km,pro Spro

Ks+SproXproIpHIIN,limIh2− 1 ∙ Kdec,XproXpro (19)

因實驗過程，添加大量丙酸，使批次反應槽內具高濃度的 丙酸，故 Spro Ks+Spro ≅ 1。另外在進行批次試驗時，pH、無機氨氮、氫氣於實驗過程中皆 可以受到良好的控制，亦不會造成系統抑制，故式(19)中的I_pH,I_IN,lim,I_h2等抑 制項無影響，可視為 1。 故可將式(19)整理成式(20)。 dXpro

dt = Ypro∙ Km,proXpro− Kdec,XproXpro (20)

將式(20)進行簡化後得式(21)

dXpro

dt = (Ypro∙ Km,pro − Kdec,Xpro)Xpro (21)

將式(21)移項，可得式(22)

dXpro

Xpro = (Ypro∙ Km,pro− Kdec,Xpro) dt (22)

∫dXpro

Xpro = ∫ (Ypro∙ Km,pro − Kdec,Xpro) dt (23)

將式(23)由時間t₀積分至時間t₁

ln X_pro│

t0 t1

= (Y_pro∙ K_m,pro − K_dec,Xpro) t│

t0 t1

(24)

將式(24)整理後得式(25)

ln X_pro,t1− ln X_pro,t0 = (Y_pro∙ K_m,pro − K_dec,Xpro) (t1− t0) (25)

並將ln X_pro,t1− ln X_pro,t0整理成lnXpro,t1

X_pro,t0，另外(t1− t0)中時間t0表示時間

為 0，故可得式(26)

lnXpro,t1

X_pro,t0 = (Ypro∙ Km,pro − Kdec,Xpro) t1 (26)

再將式(26)整理後可得式(27)

X_pro,t1 X_pro,t0 = e

(Ypro∙Km,pro−K_dec,Xpro)t1 ₍₂₇₎

X_pro,t1 = X_pro,t0 ∙ e(Ypro∙Km,pro−K_dec,Xpro)t1 ₍₂₈₎ 由增殖係數X_pro的定義可知： Y_pro =∆Xpro ∆Spro = X_pro,t1−X_pro,t0 S_pro,t0−S_pro,t1 =

X_pro,t0∙e(Ypro∙Km,pro−Kdec,Xpro)t1−X_pro,t0

S_pro,t0−S_pro,t1 (29) 將式(29)整理後可得式(30) Y_pro = [e(Ypro∙Km,pro−Kdec,Xpro)t1−1] X_pro,t0 S_pro,t0−S_pro,t1 (30) 故起始之X_pro的 biomass 可表示為式(31)

X_pro,t0 = Ypro(Spro,t0−Spro,t1)

e(Ypro∙Km,pro−Kdec,Xpro)t1−1

(31)

式(31)中，由於Y_pro、K_m,pro、K_dec,Xpro為已知，另S_pro,t0、S_pro,t1為實驗

以丁酸分解菌推導為例，將 ADM1 抑制項I₂併入式(4)可得： dXbu dt = Ybu∙ Km,bu Sbu Ks+SbuXbuIpHIIN,limIh2−

1 ∙ K

dec,Xbu

∙ X

bu (32) 因實驗過程，添加大量丁酸，使批次反應槽內具高濃度的 丁酸，故 Sbu Ks+Sbu ≅ 1。另外在進行批次試驗時，其中 pH、無機氨氮、氫氣於實驗過程 中皆可以受到良好的控制，亦不會造成系統抑制，故式(32)中的I_pH,I_IN,lim,I_h2 等抑制項無影響，可視為 1。 故可將式(32)整理成式(33) dXbu dt = Ybu∙ Km,buXbu− Kdec,XbuXbu (33) 將式(33)進行簡化後得式(34) dXbu dt = (Ybu∙ Km,bu− Kdec,Xbu)Xbu (34) 將式(34)移項，可得式(35) dXbu Xbu = (Ybu∙ Km,bu− Kdec,Xbu)dt (35) 將式(35)積分

∫dXbu

Xbu = ∫(Ybu∙ Km,bu − Kdec,Xbu) dt (36)

將式(36)由時間t₀積分至時間t₁ ln X_bu│ t0 t1 = (Y_bu∙ K_m,bu− K_dec,Xbu) t│ t0 t1 (37) 將式(37)整理後得式(38)

ln X_bu,t1 − ln X_bu,t0 = (Y_bu∙ K_m,bu− K_dec,Xbu)(t₁− t₀) (38)

並將ln X_bu,t1− ln X_bu,t0整理成lnXbu,t1

X_bu,t0，另外(t1− t0)裡時間t0表示時間為

0，故可得式(39)

lnXbu,t1

X_bu,t0 = (Ybu∙ Km,bu− Kdec,Xbu)t1 (39)

再將式(39)整理後可得式(40)

X_bu,t1 X_bu,t0 = e

最後由式(40)可推得式(41)、亦即時間為t₁時之丁酸分解菌之 biomass。

X_bu,t1 = X_bu,t0∙ e(Ybu∙Km,bu−K_dec,Xbu)t1 ₍₄₁₎

由X_bu的增殖係數定義可知：

Y_bu =∆Xbu ∆Sbu =

X_bu,t1−X_bu,t0 S_bu,t0−S_bu,t1 =

X_bu,t0∙e(Ybu∙Km,bu−Kdec,Xbu)t1_−X bu,t0 S_bu,t0−S_bu,t1 (42) 將式(42)整理後可得式(43) Y_bu = [e(Ybu∙Km,bu−Kdec,Xbu)t1_{−1] X} bu,t0 S_bu,t0−S_bu,t1 (43) 故起始之X_bu的 biomass 可表示為式(44)

X_bu,t0 = Ybu(Sbu,t0−Sbu,t1)

e(Ybu∙Km,bu−Kdec,Xbu)t1₋₁

(44)

式(44)中，由於Y_bu、K_m,bu、K_dec,Xbu為已知，另S_bu,t0、S_bu,t1為實驗檢驗

以戊酸分解菌推導為例，將 ADM1 抑制項I₂併入式(5)可得： dXva dt = Yva ∙ Km,va Sva Ks+SvaXvaIpHIIN,limIh2− 1 ∙ Kdec,XvaXva (45) 因實驗過程，添加大量戊酸，使批次反應槽內具高濃度的 戊酸，故 Sva Ks+Sva ≅ 1。另外在進行批次試驗時，pH、無機氨氮、氫氣於實驗過程中皆 可以受到良好的控制，亦不會造成系統抑制，故式(45)中的I_pH,I_IN,lim,I_h2等抑 制項無影響，可視為 1。 故可將式(45)整理成式(46)。 dXva dt = Yva ∙ Km,vaXva− Kdec,XvaXva (46) 將式(46)進行簡化後得式(47) dXva dt = (Yva ∙ Km,va − Kdec,Xva)Xva (47) 將式(47)移項，可得式(48) dXva Xva = (Yva∙ Km,va − Kdec,Xva)dt (48) 將式(48)積分

∫dXva

Xva = ∫(Yva∙ Km,va− Kdec,Xva) dt (49)

將式(49)由時間t₀積分至時間t₁ ln X_va│ t0 t1 = (Y_va ∙ K_m,va − K_dec,Xva) t│ t0 t1 (50) 將式(50)整理後得式(51)

ln X_va,t1− ln X_va,t0 = (Y_va∙ K_m,va − K_dec,Xva)(t₁− t₀) (51)

並將ln X_va,t1− ln X_va,t0整理成lnXva,t1

X_va,t0，另外(t1− t0)裡時間t0表示時間為

0，故可得式(52)

lnXva,t1

X_va,t0 = (Yva ∙ Km,va− Kdec,Xva)t1 (52)

再將式(52)整理後可得式(53)

X_va,t1 X_va,t0 = e

最後由式(53)可推得式(54)、亦即時間為t₁時之戊酸分解菌之 biomass。

X_va,t1 = X_va,t0∙ e(Yva∙Km,va−K_dec,Xva)t1 ₍₅₄₎

由X_va增殖係數Y_va的定義可知：

Y_va =∆Xva ∆Sva =

X_va,t1−X_va,t0 S_va,t0−S_va,t1 =

X_va,t0∙e(Yva∙Km,va−Kdec,Xva)t1−X_va,t0

S_va,t0−S_va,t1 (55) 將式(55)整理後可得式(56) Y_va = [e(Yva∙Km,va−Kdec,Xva)t1−1]X_va,t0 S_va,t0−S_va,t1 (56) 故起始之X_va的 biomass 可表示為式(57)

X_va,t0 = Yva(Sva,t0−Sva,t1)

e(Yva∙Km,va−Kdec,Xva)t1−1

(57)

式(57)中，由於Y_va、K_m,va、K_dec,Xva為已知，另S_va,t0、S_va,t1為實驗檢驗

表 3-2 有機酸分解菌之量化公式 由 ADM1 模式可推導出相對之各類有機酸分解菌量化公式 功能族群 量化公式 乙酸分解菌 _X ac,t0 = Yac(Sac,t0− Sac,t1) e(Yac∙Km,ac−K_dec,Xac)t1_{− 1} 丙酸分解菌 _X pro,t0 =

Y_pro(S_pro,t0− S_pro,t1)

e(Ypro∙Km,pro−K_dec,Xpro)t1 _{− 1}

丁酸分解菌 _X bu,t0 = Ybu(Sbu,t0− Sbu,t1) e(Ybu∙Km,bu−K_dec,Xbu)t1 _{− 1} 戊酸分解菌 _X va,t0 = Y_va(S_va,t0− S_va,t1) e(Yva∙Km,va−K_dec,Xva)t1 _{− 1} 本研究自行彙整

第四章 結果與討論

本研究污泥為國立臺中教育大學環境系統分析暨綠色能源實驗室自行設計之 馴養槽，於固定條件下，以自行研發之UASB反應槽進行各項批次試驗，每批次試 驗連續操作 6 天。分別添加4 g乙酸、丙酸、丁酸及戊酸之不同有機酸，探討有機 酸微生物族群之濃度，各操作階段藉由固定監測觀察UASB操作之情形，包含基本 監測（溫度、MLSS、SCOD、pH、ORP）與揮發酸檢測（乙酸、丙酸、丁酸及戊 酸）以量化乙酸分解菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌及戊酸分解菌。

第一節 批次添加乙酸、丙酸、丁酸及戊酸於 UASB 批次反應槽操

作之情形

本試驗添加 4 g乙酸、丙酸、丁酸及戊酸於批次反應槽，每批次進行 6 天，藉 由水質分析與有機酸微生物之檢測，探討添加乙酸、丙酸、丁酸及戊酸對UASB批 次反應槽中有機酸微生物族群之探討。 一、 UASB 批次反應槽操作參數分析

乙酸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 UASB 批次反應槽添加乙酸 MLSS 變化之情形，MLSS 平均濃 度為 22785 ± 2156.6 mg/L，結果顯示，UASB 批次反應槽之污泥狀態皆為穩定。 丙酸混合液懸浮固體物濃度，圖 4-2 為第 0 天至第 6 天 UASB 批次反應槽添 加丙酸 MLSS 變化之情形，MLSS 平均濃度為 22470 ± 1370 mg/L，結果顯示， UASB 批次反應槽之污泥狀態皆為穩定。 丁酸混合液懸浮固體物濃度，圖 4-3 為第 0 天至第 6 天 UASB 批次反應槽添 加丁酸 MLSS 變化之情形，MLSS 平均濃度為 24310 ± 1133.3 mg/L，結果顯示， UASB 批次反應槽之污泥狀態皆為穩定。 戊酸混合液懸浮固體物濃度，圖 4-4 為第 0 天至第 6 天 UASB 批次反應槽添 加戊酸 MLSS 變化之情形，MLSS 平均濃度為 23908.3 ± 562.7 mg/L，結果顯示， UASB 批次反應槽之污泥狀態皆為穩定。

圖 4-1 添加乙酸之槽 MLSS 趨勢圖 圖 4-2 添加丙酸之槽 MLSS 趨勢圖 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 0 1 2 3 4 5 6 ML SS ( mg /L )

Operation Time (days)

乙酸-厭氧MLSS 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 0 1 2 3 4 5 6 ML S S (mg /L )

Operation Time (days)

圖 4-3 添加丁酸之槽 MLSS 趨勢圖 圖 4-4 添加戊酸之槽 MLSS 趨勢圖 二、 酸鹼值（pH）與溫度（Temperature）本研究溫度與 pH 控制於此一操作範圍 內 如圖 4-5 為 UASB 批次反應槽加乙酸之槽溫度與 pH 變化之情形，圖中顯示 第 0 天至第 6 天，批次反應槽內平均溫度為 28.9± 0.1 ℃，pH 值平均為 6.6 ± 0.1。 如圖 4-6 為 UASB 批次反應槽添加丙酸之槽溫度與 pH 變化之情形，圖中顯 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 0 1 2 3 4 5 6 ML S S (mg /L )

Operation Time (days)

丁酸-厭氧MLSS 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 0 1 2 3 4 5 6 ML S S (mg /L )

Operation Time (days)

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 ℃。 如圖 4-7 為 UASB 批次反應槽添加丁酸之槽溫度與 pH 變化之情形，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 ℃。 如圖 4-8 為 UASB 批次反應槽加戊酸之槽溫度與 pH 變化之情形，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± 0.6 ℃。 圖 4-5 添加乙酸之槽溫度與 pH 變化趨勢圖 圖 4-6 添加丙酸之槽溫度與 pH 變化趨勢圖 0 5 10 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 6 pH V alue T emper ature ( ℃ )

Operation Time (days)

乙酸-厭氧溫度 乙酸-厭氧pH 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 6 pH V alue T emper ature ( ℃ )

Operation Time (days)

圖 4-7 添加丁酸之槽溫度與 pH 變化趨勢圖

圖 4-8 添加戊酸之槽溫度與 pH 變化趨勢圖 三、 氧化還原電位（Oxidation reduction potential, ORP）

本試驗添加不同有機酸時，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。UASB中 ORP變化情形如圖4-9~圖4-12所示，乙酸批次槽ORP平均為-316.1 ± 15.2 mV、丙酸 批次槽ORP平均為-329.1 ± 22.3 mV、丁酸批次槽ORP平均為-342.9 ± 23.2 mV及戊 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 6 pH V alue T emper ature ( ℃ )

Operation Time (days)

丁酸-厭氧溫度 丁酸-厭氧pH 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 6 pH V alue T emper ature ( ℃ )

Operation Time (days)

酸批次槽ORP平均為-332.0 ± 13.4 mV。 圖 4-9 乙酸批次試驗之 ORP 趨勢圖 圖 4-10 丙酸批次試驗之 ORP 趨勢圖 -500 -300 -100 100 300 0 1 2 3 4 5 6 OR P ( mV)

Operation Time (days)

乙酸-厭氧ORP -500 -300 -100 100 300 500 700 0 1 2 3 4 5 6 ORP ( mV)

Operation Time (days)

圖 4-11 丁酸批次試驗之 ORP 趨勢圖

圖 4-12 戊酸批次試驗之 ORP 趨勢圖

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

圖 4-13 顯示添加乙酸之槽 SCOD 變化情形，槽 SCOD 第 0 天至第 6 天分別 為 7851.00、7214.00、6548.00、6024.00、5462.00、5024.00 及 4824.00 mg/L， SCOD 平均值為 6135.3 ±1048.7 mg/L，去除率為 38.56 %。 -500 -300 -100 100 300 0 1 2 3 4 5 6 ORP ( mV)

Operation Time (days)

丁酸-厭氧ORP -500 -300 -100 100 300 0 1 2 3 4 5 6 ORP ( mV)

Operation Time (days)

圖 4-14 顯示添加丙酸之槽 SCOD 變化情形，槽 SCOD 第 0 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 23.39 %。 圖 4-15 顯示添加丁酸之槽 SCOD 變化情形，槽 SCOD 第 0 天至第 6 天分別 為 8614.00、7425.00、7215.00、6482.00、6348.00、6018.00 及 5814.00 mg/L， SCOD 平均值為 6845.1 ±904.6 mg/L，去除率為 32.51 %。 圖 4-16 顯示添加戊酸之槽 SCOD 變化情形，槽 SCOD 第 0 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 4-13 添加乙酸之槽 SCOD 變化趨勢圖 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 0 1 2 3 4 5 6 S C OD c on ce nt ra ti on (mg /L )

Operation Time (days)

圖 4-14 添加丙酸之槽 SCOD 變化趨勢圖 圖 4-15 添加丁酸之槽 SCOD 變化趨勢圖 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 0 1 2 3 4 5 6 S C OD c onc entra ti on (mg /L )

Operation Time (days)

丙酸厭氧-SCOD 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 0 1 2 3 4 5 6 S C OD c onc entra ti on (mg /L )

Operation Time (days)

圖 4-16 添加戊酸之槽 SCOD 變化趨勢圖 五、 UASB 有機酸之變化 透過本研究添加乙酸、丙酸、丁酸及戊酸之 UASB 批次反應槽試驗，發現微 生物除了利用乙酸、丙酸、丁酸及戊酸進行細胞合成及維持生命外，反應槽普遍 於第 1 天開始出現有機酸之生成，包含乙酸、丙酸和丁酸。其中，乙酸第 0 天至 第 6 天濃度變化如圖 4-17，分別為 3690.09、2983.98、2308.79、1823.98、1008.53、 887.97 及 824.33 mg COD/L；丙酸第 0 天到第 6 天濃度變化，如圖 4-18 所示，濃 度 為 7097.30 、 7759.39 、 7776.84 、 7242.17 、 6801.44 、 6407.55 及 6204.63mg COD/L；丙酸降解速率與丁酸相似，丁酸於第 1 天開始生成，第 0 天至第 6 天濃 度 變 化 如 圖 4-19 ， 分 別 為 6560.71 、 6667.71 、 6389.03 、 5976.30 、 5957.40 、 5665.04 和 5428.33 mg COD/L；戊酸濃度第 0 天至第 6 天濃度變化如圖 4-20，分別 為 5343、4739、3994、3743、3649、3655 和 3218mg COD/L。 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 0 1 2 3 4 5 6 S C OD c onc entra ti on (mg /L )

Operation Time (days)

圖 4-17 添加乙酸之有機酸變化趨勢圖 圖 4-18 添加丙酸之有機酸變化趨勢圖 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 2 4 6 HA c conc entra ti on …

Operation Time (days)

乙酸-乙酸 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 1 2 3 4 5 6 HPr c onc entra ti on …

Operation Time (days)

圖 4-19 添加丁酸之有機酸變化趨勢圖 圖 4-20 添加戊酸之有機酸變化趨勢圖 六、 初步結果 於 UASB 批次反應槽內，批次添加濃度 4 g 乙酸、丙酸、丁酸及戊酸，以探 討有機酸微生物族群之濃度，並於每日進行 UASB 批次反應槽水質分析與有機酸 微生物族群之檢測，獲得初步結果如下： 1. 在添加乙酸、丙酸、丁酸及戊酸的情況下，出現有機酸與醇類之生成， 包含乙酸、丙酸、丁酸和乙醇。 2. 有機酸之生成隨時間增加，而逐漸遲緩。 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 1 2 3 4 5 6 HB u conc entra ti on …

Operation Time (days)

丁酸-丁酸 0 2000 4000 6000 8000 0 1 2 3 4 5 6 HV a conc entra ti on …

Operation Time (days)

3. ORP 不會直接影響 UASB 有機酸微生物族群之濃度，且可作為厭氧的 控制指標。

第二節 以 ADM1 量化 UASB 中不同有機酸微生物族群之起始濃度

本試驗以ADM1模式推導計算在UASB反應槽內不同有機酸微生物族群之起始 濃度，使用數學模式可以節省大量人力及經費在實驗上，另外，白子易老師在過去 研究微生物biomass量化相關微生物族群，且已有豐富的研究成果，再加上本研究已推 導完成之乙酸分解菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌及戊酸分解菌之動力方程式，藉由動 力方程式可以計算出UASB系統內各項有機酸分解菌於固定時間下微生物族群之變化 量。 一、 ADM1 量化 UASB 系統內功能族群之乙酸分解菌量化公式推導 將 ADM1 動力參數及計量係數定義及典型值及批次實驗中所取得之數據帶入 各項量化公式內以進行探討，將表 3-2 有機酸分解菌之量化公式，並以功能族群

之乙酸分解菌為例，由於Y_ac、K_m,ac、K_dec,Xac為已知，另S_ac,t0、S_ac,t1為實驗檢驗測

量所得，故可直接求得X_ac的起始 biomass，由式(18) X_ac,t0 = Yac(Sac,t0−Sac,t1)

e(Yac∙Km,ac−Kdec,Xac)t1−1

裡e(Yac∙Km,ac−K_dec,Xac)t1 _{− 1 ，於表 2-3 內尋找即可得到對應的公式數值，對應數值}

如Y_ac =0.05，K_m,ac =8，K_dec,Xac =0.02 等相關已知數值，再將 Y_ac(S_ac,t0− S_ac,t1)

帶入實驗前後求得數據，將方程式以 Y_ac 乘上(乙酸第零天-乙酸第一天)表示，並運 用實驗測得乙酸濃度帶入計算起始濃度，並由斜率推導量化即可得到乙酸分解菌 起始濃度，經計算後乙酸分解菌起始濃度為 76.46 mg COD/L。 二、 ADM1 量化 UASB 系統內功能族群之丙酸分解菌量化公式推導 將 ADM1 動力參數及計量係數定義及典型值及批次實驗中所取得之數據帶入 各項量化公式內以進行探討，將表 3-2 有機酸分解菌之量化公式，並以功能族群

之丙酸分解菌為例，由於Y_pro、K_m,pro、K_dec,Xpro為已知，另S_pro,t0、S_pro,t1為實驗