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中 華 大 學 碩 士 論 文

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(1)

中 華 大 學

碩 士 論 文

題目:含營養源之聚乙烯醇/泥炭土/竹碳複合物 做為生物濾床濾料之研究

系 別:土木與工程資訊學系 碩士班 學號姓名: M09404007 張仕政 指導教授: 詹 武 忠 教 授

中華民國 九十七 年 一 月

(2)

摘要

本研究探討以自行開發的 PVA/泥炭土/竹碳複合材料(竹碳人工 濾料)做為生物濾床之可行性,並比較此人工濾料與 PVA/泥炭土/活性 碳複合材料(活性碳人工濾料)在吸溼和保水能力、VOCs 吸附行為及 微生物反應動力行為的差異。活性碳人工濾料的水溶性氮溶出量 (126.5 mg N/g-dry pack material)較竹碳人工濾料的(118.5 mg N/g-dry pack material)高。竹碳人工濾料的密度(1.133 g/cm3)較活性碳人工濾 料的(1.105 g/cm3)高。活性碳人工濾料的吸溼性較竹碳人工濾料的 佳。然而竹碳人工濾料的保水性較活性碳人工濾料的差。兩種人工濾 料濾床之乙酸丁酯吸附量皆隨平均進口濃度增加而增加,且活性碳人 工濾料吸附乙酸丁酯的量較竹碳人工濾料的大。兩種人工濾料濾床的 微生物的生長速率 kg 值皆隨平均進口濃度的增加而降低。在進口濃 度小於 800 ppm 區(低進口濃度區)之下降速率較進口濃度大於 800 ppm 區(高進口濃度區)的大。兩種人工濾料於穩定期之生物反應動力 皆屬擴散控制零階反應。反應速率 kd 值皆隨著平均進口濃度增加而 降低,即反應速率於高平均進口濃度會受到抑制。兩種人工濾料的反 應速率於低進口濃度區受到進口濃度增加所產生抑制效應均較於高 進口濃度區的大。活性碳人工濾料和竹碳人工濾料濾床對於乙酸丁酯 的最大去除能力分別為 122.627 和 111.648 g-C/h-m3 packed material。

(3)

謝誌

承蒙恩師 詹武忠教授在學業與為人處事的細心指導與教誨,使 學生之論文得以順利完成,而於研究過程中所學之研究精神、方法與 做人處世態度更是受用終身,在此謹致最高之敬意與謝忱。口試期 間,又蒙謝國台老師和李訓清老師多方不吝指正,在此一併感謝。

在這段研究期間,感謝學長林淵昇、學姊賴姿妤的多方幫忙,各 位同學郭宏修、何淑娟於實驗室的相互扶持,學弟鄭嘉緯、陳楹智、

林子敬、吳宇濤和賴彥辰的協助,和家人長久以來的支持,在此一併 感謝。

(4)

目錄

摘要 ...I 謝誌 ...II 目錄 ... III 表目錄 ... V 圖目錄 ...VII

第一章 緒論... 1

第二章 文獻回顧... 3

2.1 天然濾料...3

2.2 人工濾料...5

2.3 濾料的種類對於生物濾床效益的影響...7

2.4 竹碳性質...9

第三章 實驗部分... 11

3.1 藥品及材料... 11

3.2 濾料製作... 12

3.3 濾料特性分析... 13

3.4 吸溼與保水試驗 ... 14

3.5 VOCs吸附試驗...15

3.6 實塔操作... 15

3.7 儀器設備... 16

第四章 結果與討論... 18

4.1 人工濾料特性分析 ... 18

4.2 人工濾料對於乙酸丁酯的吸附行為... 20

4.3 人工濾料反應動力行為 ... 21

(5)

第五章 結論... 28

(Ⅰ)人工濾料的特性分析 ... 28

(Ⅱ)人工濾料的吸溼性與保水性... 28

(Ⅲ)人工濾料濾床對於乙酸丁酯的吸附行為 ... 28

(Ⅳ)人工濾料濾床的微生物反應動力行為 ... 29

參考文獻... 30

(6)

表目錄

表 1 各批次兩種不同材質人工濾料之水溶性氮溶出量... 34

表 2 兩種不同材質人工濾料之水溶性氮溶出量統計分析... 34

表 3 各批次兩種不同材質人工濾料之密度... 35

表 4 兩種不同材質人工濾料之密度統計分析... 36

表 5 兩種不同材質人工濾料吸溼試驗之起始吸溼速率及平衡 含水量... 36

表 6 兩種不同材質人工濾料保水試驗之起始失水速率及穩定 失水速率... 36

表 7 兩種不同材質之人工濾料於各濃度下的貫穿時間和乙酸 丁酯吸附量... 37

表 8 活性碳人工濾料,對數生長期全塔之 ln(C/C0)與操作時間 t 的關係式及生長速率 kg值... 37

表 9 竹碳之人工濾料,對數生長期全塔之 ln(C/C0)與操作時間 t 的關係式及生長速率 kg值... 38

表 10 兩種不同材質人工濾料對數生長速率(kg)與平均進口濃 度(C0)之關係式及相關統計檢定... 38

表 11a 活性碳人工濾料於穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度 (C)之 C0-C、ln(C/C0)及 1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 的關係及 去除效率... 39

表 11b 活性碳人工濾料於穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度 (C)之 C0-C、ln(C/C0)及 1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 的關係及 去除效率... 40 表 11c 活性碳人工濾料於穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度

(7)

(C)之 C0-C、ln(C/C0)及 1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 的關係及 去除效率... 41 表 12a 竹碳人工濾料於穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度(C)

之 C0-C、ln(C/C0)及 1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 的關係及去 除效率... 42 表 12b 竹碳人工濾料於穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度(C)

之 C0-C、ln(C/C0)及 1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 的關係及去 除效率... 43 表 12c 竹碳人工濾料於穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度(C)

之 C0-C、ln(C/C0)及 1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 的關係及去 除效率... 44 表 13 穩定期,兩種人工濾料降解乙酸丁酯之(C0-C)/ln(C0/C)與

θ/ln(C0/C)關係式及相對應最大去除速率(Vmax)及飽和常

數(Ks)... 45 表 14 穩定期,兩種不同材質人工濾料在不同平均進口濃度之

擴散控制零階反應速率常數 kd值... 45 表 15 兩種不同材質人工濾料擴散控制零階反應速率(kd)與平

均進口濃度(C0)之關係式及相關統計檢定... 46

(8)

圖目錄

圖 1 密度試驗裝置圖... 47 圖 2 生物濾床裝置圖... 48 圖 3 兩種不同材質人工濾料之水溶性氮溶出量與合成料批次

關係圖。(□)活性碳人工濾料、(◇)竹碳人工濾料... 49 圖 4 兩種不同材質人工濾料之密度與合成批次關係圖。(□)

活性碳人工濾料、(◇)竹碳人工濾料... 49 圖 5 吸濕試驗,活性碳人工濾料之乾基含水率與時間關係

圖。(-)起始吸溼速率、(- - -)平衡含水量... 50 圖 6 吸濕試驗,竹碳人工濾料之乾基含水率與時間關係圖。

(-)起始吸溼速率、(- - -)平衡含水量... 50 圖 7 保水試驗,活性碳人工濾料之乾基含水率與時間關係

圖:(a)起始失水速率、(b)穩定失水速率... 51 圖 8 保水試驗,竹碳人工濾料之乾基含水率與時間關係圖:

(a)起始失水速率、(b)穩定失水速率... 52 圖 9a 活性碳人工濾料於平均進口濃度為(C0)=99.228 ppm,

1-(C/C0)與吸附時間之關係圖... 53 圖 9b 活性碳人工濾料於平均進口濃度為(C0)=204.820 ppm,

1-(C/C0)與吸附時間之關係圖... 53 圖 9c 活性碳人工濾料於平均進口濃度為(C0)=277.982 ppm,

1-(C/C0)與吸附時間之關係圖... 54 圖 9d 活性碳人工濾料於平均進口濃度為(C0)=367.859 ppm,

1-(C/C0)與吸附時間之關係圖... 54 圖 10a 竹碳人工濾料於平均進口濃度為(C0)=87.487 ppm,

(9)

1-(C/C0)與吸附時間之關係圖... 55 圖 10b 活性碳人工濾料於平均進口濃度為(C0)=185.483 ppm,

1-(C/C0)與吸附時間之關係圖... 55 圖 10c 活性碳人工濾料於平均進口濃度為(C0)=289.302 ppm,

1-(C/C0)與吸附時間之關係圖... 56 圖 10d 活性碳人工濾料於平均進口濃度為(C0)=414.252 ppm,

1-(C/C0)與吸附時間之關係圖... 56 圖 11 兩種不同材質人工濾料,乙酸丁酯吸附量與平均進口濃

度關係圖。(a)活性碳人工濾料、(b)竹碳人工濾料... 57 圖 12a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=97.409 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 58 圖 12b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=97.409 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 58 圖 12c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=97.409 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 59 圖 12d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=97.409 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 59 圖 13a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=388.332 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 60 圖 13b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=388.332 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數

(10)

生長期,Ⅲ:穩定期... 60 圖 13c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=388.332 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 61 圖 13d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=388.332 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 61 圖 14a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=752.805 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 62 圖 14b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=752.805 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 62 圖 14c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=752.805 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 63 圖 14d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=752.805 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 63 圖 15a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=764.012 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 64 圖 15b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=764.012 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 64 圖 15c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=764.012 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生

(11)

長期,Ⅲ:穩定期... 65 圖 15d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=764.012 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 65 圖 16a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=790.145 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 66 圖 16b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=790.145 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 66 圖 16c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=790.145 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 67 圖 16d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=790.145 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 67 圖 17a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=928.102 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 68 圖 17b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=928.102 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 68 圖 17c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=928.102 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 69 圖 17d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=928.102 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 69

(12)

圖 18a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1153.963 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 70 圖 18b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1153.963 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 70 圖 18c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1153.963 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 71 圖 18d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1153.963 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 71 圖 19a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1156.999 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 72 圖 19b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1156.999 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 72 圖 19c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1156.999 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 73 圖 19d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1156.999 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 73 圖 20a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1515.289 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 74

(13)

圖 20b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1515.289 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 74 圖 20c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1515.289 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 75 圖 20d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1515.289 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 75 圖 21a 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1570.484 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 76 圖 21b 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1570.484 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 76 圖 21c 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1570.484 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 77 圖 21d 活性碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1570.484 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 77 圖 22a 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=98.356 ppm 下,進、

出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進口濃 度,◇:出口濃度,△:去除率... 78 圖 22b 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=98.356 ppm 下,去

除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 78

(14)

圖 22c 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=98.356 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 79 圖 22d 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=98.356 ppm 下,對

數生長期與操作時間(t)關係圖... 79 圖 23a 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=394.856 ppm 下,進、

出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進口濃 度,◇:出口濃度,△:去除率... 80 圖 23b 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=394.856 ppm 下,去

除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 80 圖 23c 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=394.856 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 81 圖 23d 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=394.856 ppm 下,對

數生長期與操作時間(t)關係圖... 81 圖 24a 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=786.861 ppm 下,進、

出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進口濃 度,◇:出口濃度,△:去除率。... 82 圖 24b 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=786.861 ppm 下,去

除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 82 圖 24c 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=786.861 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 83

(15)

圖 24d 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=786.861 ppm 下,對 數生長期與操作時間(t)關係圖... 83 圖 25a 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=796.673 ppm 下,進、

出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進口濃 度,◇:出口濃度,△:去除率... 84 圖 25b 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=796.673 ppm 下,去

除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 84 圖 25c 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=796.673 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 85 圖 25d 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=796.673 ppm 下,對

數生長期與操作時間(t)關係圖... 85 圖 26a 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=937.688 ppm 下,進、

出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進口濃 度,◇:出口濃度,△:去除率... 86 圖 26b 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=937.688 ppm 下,去

除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 86 圖 26c 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=937.688 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 87 圖 26d 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=937.688 ppm 下,對

數生長期與操作時間(t)關係圖... 87 圖 27a 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=994.323 ppm 下,進、

(16)

出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進口濃 度,◇:出口濃度,△:去除率... 88 圖 27b 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=994.323 ppm 下,去

除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 88 圖 27c 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=994.323 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 89 圖 27d 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=994.323 ppm 下,對

數生長期與操作時間(t)關係圖... 89 圖 28a 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1202.933 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 90 圖 28b 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1202.933 ppm 下,

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 90 圖 28c 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1202.933 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 91 圖 28d 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1202.933 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖... 91 圖 29a 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1561.135 ppm 下,

進、出口濃度及去除率(%)與操作時間(t)關係圖。□:進 口濃度,◇:出口濃度,△:去除率... 92 圖 29b 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1561.135 ppm 下,

(17)

去除率(%)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數 生長期,Ⅲ:穩定期... 92 圖 29c 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1561.135 ppm 下,

ln(C/C0)與操作時間(t)關係圖。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生 長期,Ⅲ:穩定期... 93 圖 29d 竹碳人工濾料,於平均進口濃度 C0=1561.135 ppm 下,

對數生長期與操作時間(t)關係圖。... 93 圖 30 兩種不同材質人工濾料,對數生長速率(kg)與平均進口濃

度(C0)關係圖。(a)活性碳人工濾料、(b)竹碳人工濾料... 94 圖 31 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=97.409 ppm,三種動力模式關係圖:(a)C0-C 與 θ 關

係、(b)ln(C/C0)與 θ 關係、(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 95 圖 32 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=388.332 ppm,三種動力模式關係圖:(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 96 圖 33 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=752.805 ppm,三種動力模式關係圖:(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 97 圖 34 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=764.012 ppm,三種動力模式關係圖:(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 98 圖 35 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=790.145 ppm,三種動力模式關係圖:(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 99 圖 36 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

(18)

C0=928.102 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 100 圖 37 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=1153.963 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 101 圖 38 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=1156.999 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 102 圖 39 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=1515.289 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ

關係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 103 圖 40 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=1570.484 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ

關係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 104 圖 41 穩定期,竹碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=98.356 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關

係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 105 圖 42 穩定期,竹碳人工濾料為乙酸丁酯平均進口濃度

C0=394.856 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 106 圖 43 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=786.861 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 107 圖 44 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=796.673 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關

(19)

係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 108 圖 45 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=937.688 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 109 圖 46 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=994.323 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ 關 係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 110 圖 47 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=1202.933 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ

關係,(b) ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係...111 圖 48 穩定期,活性碳人工濾料於乙酸丁酯平均進口濃度

C0=1561.135 ppm,三種動力模式關係圖。(a)C0-C 與 θ

關係,(b)ln(C/C0)與 θ 關係,(c)1-(C/C0)0.5與 θ 關係... 112 圖 49 穩定期,兩種不同材質人工濾料降解乙酸丁酯之

(C0-C)/ln(C0/C)與 θ/ln(C0/C)關係圖。(a)活性碳人工濾料、

(b)竹碳人工濾料... 113 圖 50 兩種不同材質人工濾料,穩定期擴散控制零階反應之反

應速率(kd)與平均進口濃度(C0)之關係圖。(a)活性碳人工 濾料、(b)竹碳人工濾料... 114 圖 51 兩種不同材質人工濾料,於乙酸丁酯濃度範圍為

100-1600 ppm,濾床去除能力(EC)與有機負載(Load)之關 係圖。(¡) 完全去除能力,(-)實際去除能力。(a)活性碳 人工濾料、(b)竹碳人工濾料... 115

(20)

第一章 緒論

近年來傳統處理 VOCS的方法分別有焚化、吸附法、吸收法、洗 滌法、冷凝法及臭氧氧化法等,這些處理方法均有可能造成二次污 染,而生物法處理 VOCS,是藉由微生物的代謝分解作用,將 VOCS 轉化為無害的二氧化碳與水,因此不會造成二次污染。生物濾床的操 作原理為藉由附著於濾料表面的生物膜,吸附或吸收有害的污染物,

做為濾料上微生物之食物,經微生物代謝分解,轉化成無害的二氧化 碳、水及無機鹽類,因此生物濾床可以被視為最經濟且有效的處理技 術之一。然而一般生物濾床大都使用天然濾料(如豬糞、堆肥等),

在長時間操作下,濾料會老化結塊、水分流失及營養成分消耗等缺 失,因此導致濾床操作效率降低。本實驗室針對上述天然濾料的缺失 進行研究,自行開發含氮、磷營養源的 PVA/泥炭土/活性碳人工濾料,

經一系列研究證實此人工濾料可以適用於生物濾床之濾料(1-4)。 竹材為台灣本島所擁有豐富天然環保材料之一,其生長速度快,

約 3-5 年即成熟,且竹材纖維密度高、質地強韌、生長週期短、產量 大和處理簡單,將是未來具有潛力的環保材料。近幾年,由於生物科 技產業興起,為提高竹材附加價值,將竹材經高溫碳化後變成竹碳,

竹碳其炭質結構緻密、孔隙多,其性質如同活性碳,可用來做為防潮、

調溼、除臭、過濾和隔熱等用途,故竹碳在日本享有「黑鑽石」之稱。

目前期刊文獻顯示,利用竹子等製成之微孔性碳能去除飲用水中的氯 仿(5)、餘氯及氨(6-7)等等,亦能有效吸附溶液中的鉛離子且不易受到 pH 值干擾(8),另一方面竹材炭化溫度達 847℃時,竹碳孔隙最密集,

亦能有效吸附甲基藍(9)

本研究擬以竹碳取代本實驗自行開發合成人工濾料的活性碳成

(21)

份,合成 PVA/泥炭土/竹碳複合物,藉由比較 PVA/泥炭土/活性碳和 PVA/泥炭土/竹碳兩種濾料在吸濕和保水能力、VOCs吸附行為及微生 物反應動力行為,探討此複合物做為人工濾料之可行性。

(22)

第二章 文獻回顧

本研究擬自行開發 PVA/泥炭土/竹碳複合物,並比較此複合物與 先前自行合成之 PVA/泥炭土/活性碳人工濾料,在吸溼、保水、VOCs 之動態吸附及實塔操作的微生物反應動力行為上之差異,以評估此複 合物做為生物濾床濾料之可行性。現就有關天然濾料與人工濾料於生 物濾床上的使用及竹碳性質等相關文獻整理如下。

2.1 天然濾料

Pagans 等人(10)以堆肥濾料之生物濾床處理由各種有機廢棄物消 化作用時所產生之 VOCs混合氣。各種有機廢棄物於消化作用所產生 之 VOCs 氣體濃度分別為有機固體廢棄物(OFMSW)在 13-695 mg C/m3範圍,未處理污泥(RS)在 200-965 mg C/m3範圍,厭氧消化污泥 (ADS)在 43-2900 mg C/m3範圍,動物糞便(AP)在 560-465 mg C/m3範 圍。氣流的體積負載速率為 41.41 L/media-hr,停留時間為 86 秒。實 驗結果顯示,生物濾床處理 VOCs的效率可達 97%,其去除效率取決 於廢棄物的種類。去除效率於廢棄物的消化作用初期較高,而於消化 作用後期較低,這是因為到了後期,濾床本身亦會產生 VOCs排放。

Torkian 等人(11)探討以堆肥濾料之生物濾床處理甲苯和二甲苯的 效率受到氣體流率和進口濃度的影響。堆肥濾料為混合比例 80:20 之 泥炭土和木屑。實驗結果顯示,在壓降低於 1000 pa/m 及停留時間 60s,甲苯與二甲苯有機負載分別為 78¡8 g/m3-h 與 80¡14 g/m3-h 下,

濾床對於甲苯和二甲苯之去除能力分別為 73¡4 g/m3-h 與 73¡14 g/m3-h,去除率分別為 94¡6 %與 91¡8 %。

Lu 等人(12)探討使用植入污泥菌種之煤炭顆料生物滴濾塔處理乙

(23)

酸丁酯(BA)和二甲苯(X)受氣體流率和進口濃度的影響。實驗結 果顯示,當乙酸丁酯和二甲苯混合進氣負載量分別低於 40 和 15 g/m3-h 時,VOCs 的去除率可達到 100 %。在乙酸丁酯和甲苯之進氣 負載分別高達 150 和 110 g/m3-h 時,VOCs 的去除效率亦可達到 80%

以上,且濾床對於乙酸丁酯的去除能力較二甲苯的大。

Liu 等人(13)探討使用混合堆肥、火山岩及土壤之濾料去除乙酸乙 酯、異丙醇及甲苯等混合氣流。實驗結果顯示,當混合氣流之乙酸乙 酯與異丙醇負載分別為 200 和 120 g/m3-h 時,VOCs 的去除率均接近 100%。當進口濃度含有 0.5 g/m3-h 甲苯時,由於乙酸乙酯和異丙醇的 抑制效應,使甲苯的去除率在 40-100%範圍,甲苯的最大去除能力為 20 g/m3 bed-hr。 生物 濾床 最佳 效能 的操 作條 件為 濾料 pH 值 為 6.4-7.4,濾料的可溶性氮含量需維持在 0.3 mg/g 以上。

Alberto 等人(14)探討氣體流量、進口濃度和操作溫度對於生物濾 床處理甲苯的影響,氣體流量為 0.12-0.73 m3/h,甲苯進口濃度範圍 為 1-3.2 g/m3。實驗結果顯示,當甲苯進口負載由 37 增加至 70 g/m3-h 時,去除效率由 98 %降低至 93 %。在甲苯負載為 100 g/m3-h 時,甲 苯的去除能力為 82 g/m3-h。當操作溫度在 30-34℃之間,甲苯的去除 能力在 32-85 g/m3-h 之間。

Aizpuru 等人(15)探討利用粒狀活性碳(GAC)濾床植入菌種處理 混合氣流,混合氣流為甲醇、丙酮、乙醚、芳香族和含氯化合物。實 驗結果顯示,在操作 55 天,負載為 110 g/m3-h 時,植入菌種 GAC 與 未植入菌種 GAC 的去除率分別為 85 與 55 %。濾床除了含氯化合物 和芳香族的去除率分別為 24 和 64 %外,其餘如甲醇、丙酮和乙醚幾 乎可完全去除。在有植種的 GAC 則易被微生物分解且與活性碳親和 力越低的污染物,去除率越高。

(24)

Acuna 等人(16)探討泥炭土生物濾床處理甲苯氣流受到營養液濃 度的影響。實驗結果顯示,在高營養濃度,甲苯被分解的速率會受到 延遲,但會漸漸增至最高值。甲苯被分解速率和微生物密度皆與營養 液濃度成正比。

2.2 人工濾料

Woertz 等人(17)探討使用植入 dimorphic black yeast 和 Exophiala lecanii-corni 菌種之丸狀矽酸鹽的生物濾床處理甲苯受到負載變化、

低含水率、濾床酸化和氮源的影響。實驗結果顯示,真菌微生物不受 到 pH 值、濃度震盪和低含水率的影響。操作至 175 天時,去除率能 維持 95 %以上,且去除能力達到 270 g/m3-h。

Zhang 等人(18)探討使用 Nova inertR珠狀濾料濾床處理甲醇受到二 甲基硫(DMS)的影響,氣體流量為 4.01 L/min,濾床停留時間為 40 秒,DMS 濃度為 22¡2 ppm,質量負載為 5.02¡0.45 g/m3。實驗結果顯 示,濾床加入甲醇後,會使其對於 DMS 的去除率和去除能力皆提高,

這是因為甲醇與 DMS 兩者有共代謝的關係。

Moe 等人(19)探討氮源對於聚氨酯發泡圓柱塑料濾床處理甲苯的 影響,甲苯進口濃度為 50 ppmv,停留時間為 2 分鐘。實驗結果顯示,

高氮濃度濾床的處理效率較低氮濃度濾床的佳,在操作時間 74 天 時,低氮濃度濾床氮源耗盡,以致去除效果較差。故可知氮源是微生 物所需的營養源,氮源不足會導致濾床去除效率減低。

黃奕達等人(20)探討使用 PVA/泥炭土/活性碳人工濾料之生物濾床 處理乙酸丁酯受到不同溫度及進口濃度影響。實驗結果顯示,在操作 溫度 30℃下,微生物生長速率、反應速率及最大去除能力皆為最高。

濾床臨界去除能力為 0.32 g C/hr-kg packed material,最大去除能力為

(25)

0.51 g-C/hr-kg packed material。

Arulneyam 等人(21)探討粒徑為 4 和 10 mm 球狀之堆肥以 1:1 比例 混合後再和聚苯乙稀以 6:4 混合之濾料生物濾床處理乙醇,進口濃度 為 2.0 g/m3,氣體流速為 15 m/h。實驗結果顯示,在濃度高於 10 g/m3 及流速大於 15 m/h 下,濾床對於乙醇去除率會降低,這是因為質量 轉換受到限制及停留時間變短。生物濾床的最大去除能力為 195 g/m3-h。

Lee 等人(22)探討以植種 KT-3 菌種之聚氨酯濾料濾床處理丁酮 (MEK),進口濃度及空間流速條件,分別為 130-410 ppmv 及 100/h,

150-1020 ppmv 及 150/h 和 120-306 ppmv 及 300/h。實驗結果顯示,

在空間流速 150/h,最大去除能力為 211.4 g/m3-h。由 Michaelis-Menten 動力模式求得最大去除速率 Vm為 690 g/m3-h,飽和常數 Ks為 490 ppmv。

Moe 等人(23)探討以植種真菌菌種之聚氨酯塑料濾床處理混合氣 流受到間歇負載的影響,混合氣流為乙酸丁酯,丁酮、戊酮及甲苯,

濃度分別為 124、50.5、174 和 44.6 mg/m3,濾床停留時間為 15 秒。

實驗結果顯示,生物濾床在操作時間為每週 7 天,每天 8 小時,總 VOCs 平均去除率達 98 %。在操作時間中斷後再通入 VOCs,真菌生 物濾床只需 2.5 小時,總 VOCs去除率即可恢復至 95 %。

Qi 等人(24)探討以網狀聚氨酯發泡體為濾料之生物濾床處理混合 漆料溶劑受到連續和間歇性負載影響,混合漆料溶劑為丙酮、丁酮、

甲苯、乙基苯及對二甲苯,總 VOCs 負載為 80.3 g/m3-h,營養液 pH 值為 3.0。實驗結果顯示,連續操作生物濾床的去除率較間歇操作生 物濾床的高,酮類化合物較芳香族化合物易於在酸性環境中分解。這 是因為在酸性環境中,真菌類較細菌類多,且真菌平均分佈於濾床

(26)

中,使得漆類溶劑的去除率約有 90 %。

Xi 等人(25)探討混合木屑與聚丙烯球之濾料生物濾床處理甲苯氣 體受到長時間操作環境的影響。第一階段(1-105 天)進口濃度為 200 至 2000 mg/m3和流速為 27 m/h,第二階段(106-270 天)進口濃度為 400 及 500 mg/m3和流速為 25 至 48 m/h。實驗結果顯示,在長時間操作,

會導致生物質量累積,因為壓降增高,造成甲苯去除能力降低。生物 質量大多會累積在 VOC 進口處位置。

2.3 濾料的種類對於生物濾床效益的影響

Maestre 等人(26)探討使用植種真菌之四種不同濾料生物濾床處理 甲苯,了解濾料材質對於濾床處理 VOCs效率的影響。四種濾料分別 為椰子纖維、消化污泥堆肥、泥炭土及松樹葉,VOCs負載範圍為 70-110 g/m3-h。實驗結果顯示,消化污泥堆肥與椰子纖維濾料濾床之 處理效率較佳,其對甲苯去除能力分別為 95 與 90 g /m3-h,且長期操 作不易有壓降產生。

Fernando 等人(27)探討生物濾床處理甲醇氣體時生物質量生長對 於壓降的影響,濾料為木屑及 Nova inertR濾料。實驗結果顯示,生物 質量的累積為濾床產生壓降的主要因素之一,木屑及 Nova inert 濾料 所產生的壓降分別為 2600 pa/m 和 550 pa/m。木屑濾床的壓降約為 Nova inert 濾床的六倍。這是因為兩種生物濾床降解甲醇時,會產生 CO2及水。木屑濾床會吸取生成的水份,使得濾床壓降升高。又濾料 的壓密亦會使壓降增加。

Jang 等人(28)探討使用泥炭土和陶瓷碎片填充生物濾床處理苯乙 烯,生物濾床均植入 Pseudomonas sp. SR-5 菌種。實驗結果顯示,泥 炭土和陶瓷碎片生物濾床的最大去除能力分別為 236 和 81 g/m3h,且

(27)

操作 10 天,CO2生成量分別為 90.4 和 36.7 %。這是因為泥炭土比陶 瓷碎片有較高有機質可供微生物養分、高吸附苯乙烯的能力、高保水 能力及較大比表面積。

Hornos 等人(29)探討利用生物濾床處理乙基苯受到不同填充濾料 影響,濾料分別使用礦化泥炭土和纖維泥炭土。纖維泥炭土平均溼度 為 81%,礦化泥炭土平均溼度為 57%。實驗結果顯示,纖維泥炭土 較礦化泥炭土有較高的保水能力,使得乙基苯在纖維泥炭土濾床有較 高的去除效率。這是因為纖維泥炭土較礦化泥炭土有較高的有機基能 提供給微生物養分之故。

Kibazohi 等人(30)探討利用不同濾料生物濾床處理己烷受到營養 源的影響,濾料分別使用珍珠岩和泥炭土-珍珠岩。營養源供給分別 為每週 1 kg/m3和每月 0.2 kg/m3。實驗結果顯示,泥炭土-珍珠岩生物 濾床在每月需供給 0.2 kg/m3營養液。由於有著較高的保水能力、氮 含量與固定氮的能力,因此,此混合濾料濾床的去除能力較單一濾料 生物濾床的佳。珍珠岩生物濾床,在每週需添加 1 kg/m3的營養液,

其去除能力會隨著空氣流速與進口濃度的增加而增加,但在 46 天 後,微生物過度生長造成濾床阻塞而產生壓降,導致去除率降低。

Xi 等人(31)探討利用不同濾料填充生物濾床處理甲苯受到濾床填 入惰性球體影響。濾料分別使用蕎麥殼和蕎麥殼-聚丙稀球體。操作 時間為 305 天。實驗結果顯示,純蕎麥殼生物濾床的有機質較高,所 以在甲苯進口處,微生物會大量的生長,去除率較高。但是因微生物 過度生長,亦會造成壓降產生,使得去除效率降低。蕎麥殼-聚丙烯 球體生物濾床整體操作較為穩定且壓降值較低,這是因為添加聚丙烯 球體後能增加濾床的孔隙率,降低壓降產生。

(28)

2.4 竹碳性質

Abe 探討(5)使用橡木、竹子、椰殼和西洋杉等製成之微孔性碳和 聚偏二氯乙烯膜去除飲用水中的氯仿。吸附時間為 20-50 分鐘,氯仿 濃度為 30 £g/L。實驗結果顯示,微孔碳的比表面積越大,會增加吸 附氯仿的能力,而微孔徑越大則會抑制吸附氯仿的能力,這抑制效應 是由於氯仿分子與微孔壁的相互作用力降低所造成。對於氯仿的吸附 量之大小依序為聚偏二氯乙烯膜>西洋杉>椰子殼≒橡木>竹子。聚偏 二氯乙烯膜經 30 分鐘的去氯化氫處理或西洋杉經 50 分鐘的蒸汽活化 處理,則吸附氯仿能力較活性碳高 5 倍以上。

張氏等人(6)探討竹碳對溶液中鉛離子的吸附行為,鉛離子濃度為 0.2 mg/L。實驗結果顯示,在 pH=3.2-6.2 中,竹碳對鉛都有較好吸附,

且溶液中 pH 值對竹碳的吸附能力影響不大。竹碳的顆粒越小,比吸 附量越大。利用水和微波加熱方法,可使竹炭的再生吸附能力恢復 96 %以上。竹炭對鉛的吸附符合 Freundlich 恆溫吸附模式。

Asada 等人(7)探討炭化溫度對於竹碳去除溶液中氨的影響。實驗 結果顯示,炭化溫度越低的竹炭其吸附能力越佳。於炭化溫度為 400

℃且經稀硫酸整理的竹碳,具有最佳吸附能力,可達約 9.5 mg/g 竹 炭。這是因為經過酸化處理會形成可進行陽離子交換的酸性官能基,

與水中的 NH4+交換之故。

小林龍一等人(8)探討以炭化溫度對於竹碳去除餘氯、氨及 VOC 的影響。實驗結果顯示,竹碳的比表面積隨炭化溫度增加而增加,吸 附氯效果最佳為炭化溫度 200℃的竹碳,而炭化溫度 800℃的竹碳吸 附餘氯及 VOC 的效果最佳。因為炭化溫度 800℃的竹碳比表面積為 最大,其值為 724.8 m2/g。

陳宏彬等人(9)探討炭化溫度、竹材之取材部位與含水率因子,對

(29)

於孟宗竹炭性質的影響,實驗結果顯示,竹炭對於甲基藍的吸附量,

以炭化溫度 700℃為最佳,其次為 900℃,最差為 500℃。這是因為 炭化溫度越高,被熱解的成份及數量越多,導致竹炭的孔隙越多之 故,然而當炭化溫度高於 847℃時,對使部份焦油沈澱或分解而填充 孔隙,使孔隙率降低,導致竹炭的吸附面積減少。竹材的取材部位對 於甲基藍的吸附量影響不大。竹材的含水率越高,炭化之竹炭吸附甲 基藍的吸附量越大。這是因為含水率越高的竹材,所產生的孔隙越多 之故。

綜合上述相關文獻可知,濾料的含水率、營養源、孔隙度、抗壓 性、保水能力、pH 緩衝能力及操作溫度等操作因子均是決定生物濾 床處理的成效因子。竹碳和活性碳均為多孔性質,具有吸附特性,可 吸附金屬或有機物。由於竹材為台灣的重要天然材料之一,而目前為 提高竹材的經濟價值,均製成竹碳。本研究擬以竹碳取代活性碳,製 成 PVA/泥炭土/竹碳複合物,並探討其作為生物濾床濾料的可行性。

(30)

第三章 實驗部分

3.1 藥品及材料

1. PVA(polyvinyl alcohol):Grade BF-17,長春石化公司,Taipei,

Taiwan , R.O.C. 。 Viscosity : 25~30 cps , Hydrolysis : 98.5~99.2(mol%)。

2. 泥炭土(Peat):VAPOPEAT,Kekkila Oyj,Finland。等級 C1,是 藉由 horticultural peat 所製成,其乾基密度為 70 kg/m3,水溶液 的 pH 值約 5.1-5.9,導電度約 1.5 ms/cm,其它組成如下(g/m3):

3. 活性碳,台北化學工業股份有限公司,粒徑 8 ¡ 12mesh,表面積 500-1500 m2/g,密度 1.507 g/cm3

4. 竹碳,瑞竹林業生產合作,粒狀,表面積 520-1200 m2/g,密度 1.290 g/cm3

5. 硼酸(Boric acid):試藥級,99.5 %以上,聯工試藥,Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

6. 磷酸二氫鈉(Sodium phosphate, monobasic):試藥級,98 %以上,

聯工試藥,Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

7. 磷酸氫二鈉(Sodium phosphate, dibasic):試藥級,98 %以上,聯 工試藥,Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

8. 氮比色計分析專用試劑(Spectroquant N):No.14537, MERCK 製,

Darmstadt, Germany。

組成 N

NH4-N NO3-N urea-N P K S Fe Mn B Zn Cu Mo 百分

比 6.0 2.0 0.5 0.6 1.0 0.3 0.64 0.24 0.04 0.08 0.16 0.02

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9. 乙酸丁酯(n-butyl acetate):試藥級,99.5% 以上,聯工試藥,Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

10. 硝酸鉀(Potassium nitrate):試藥級,99 %以上,聯工試藥,Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

11. 活性污泥:新竹工研院化工所廢水處理場提供。

3.2 濾料製作

含營養源硝酸鉀之 PVA/泥炭土/活性碳人工濾料(簡稱為活性碳 人工濾料),其合成製程採用本實驗室已開發成功製程(1-4),而 PVA/

泥炭土/竹碳人工濾料(簡稱為竹碳人工濾料),其合成製程略述如下:

1. PVA 溶液配製

取 50 g PVA 加入 425 mL 去離子水中,水浴加熱至 90℃,待 PVA 溶解後(約 60-90 分鐘),再將已配製好之 KNO3溶液( 32 g KNO3 溶於 100 mL 去離子水中),加入至 PVA 溶液,維持 90℃下連續攪 拌 30 分鐘。

2. 泥炭土溶液配製

取 50 g 泥炭土(粒徑 16-35 mesh),加入已配製之 KNO3溶液( 32 g KNO3溶於 200 mL 去離子水中),置於燒杯,且以封口膜密封靜 置一天,使泥炭土吸 KNO3溶液達平衡。

3. 竹碳溶液配製

取 25 g 竹碳(粒徑 16-35 mesh),加入 25 mL 去離子水中,置 於燒杯,且以封口膜密封靜置一天,使竹碳吸水達平衡。

4. 硼酸溶液配製

取 600 g H3BO3及 800 g KNO3加入適當的去離子水,加溫溶解 後,冷卻至室溫,再加水製得 10L 硼酸溶液。

(32)

5. 磷酸溶液配製

取 1675 g NaHPO4、750 g NaH2PO4及 180 g KNO3加入 2250 mL 去離子水,加溫溶解後,冷卻至室溫,可得磷酸溶液。

6. 合成步驟

將泥炭土溶液及竹碳溶液依序加入 90℃的 PVA 溶液中,待混 合攪拌均勻 60 分鐘後,降溫至 40℃,連續攪拌 24 小時後。以蠕 動馬達抽出混合液,緩緩滴入一特殊尺寸硼酸化槽中,且於槽一端 以承接籃收集成型之顆粒濾料。將裝有硼酸化顆粒濾料之承接籃,

置入磷酸鹽溶液槽中,以氣泡方式攪拌 30 分鐘後取出,以去離子 水去除表面未作用之磷酸鹽。已磷酸化的顆粒濾料,置於 105℃的 烘箱中烘乾 24 小時後,可得粒徑範圍為 3-5 mm 的顆粒濾料。

3.3 濾料特性分析

1. 濾料水溶性氮溶出實驗

取烘乾人工濾料 0.2 g,加入 100 mL 去離子水,待約 24 小時 溶出達平衡後,取 10 mL 水樣,以 MERCK 的分光光度計專用試 劑及方法測定,即可得濾料的水溶性氮溶出量。

2. 濾料乾基含水率

秤取已知重量 W1的樣品,於 105 ℃烘箱中烘至少 8 小時後,

取出置於乾燥箱中,待冷卻降至室溫後,測其重量為 W2,則濾料 乾基含水率(g H2O/g 乾固體) = [( W1¡ W2) / W1]¡100 % 。

3. 活性污泥 MLSS 濃度

取定量體積(V ml )的活性污泥,在以已知重量(W0)之濾紙 作真空過濾後,將其污泥水分濾乾後,取其濾紙與乾污泥置於 105℃

烘箱烘乾 1 小時後取出置於乾燥箱中,待冷卻後秤其濾紙重為

(33)

(W1 ),則濃度為 mg MLSS/L=(W1-W0)/ V 。 4. 活性污泥比攝氧率

活性污泥置於 BOD 瓶中以磁石激烈攪拌並曝氣達飽和後將溶 氧電極置於 BOD 瓶內,在溶氧開始消耗時記錄耗氧情形,溶氧遞 減率即為攝氧率(mg-O2/L-min),再除以活性污泥,MLSS 的重量 即為比攝氧率(mg-O2/mg-MLSS-min)。

5. 濾料密度

密度試驗裝置如圖 1,先將濾料置於 105℃烘箱中 24 小時後,

取出置於乾燥箱中,待冷卻降至室溫後使用,粒秤濾料重量為 W1, 精 秤 此 濾 料 於 丙 酮 溶 液 中 之 重 量 為 W2 , 則 濾 料 密 度 (g/m3)=W1/[(W1-W2)/0.8]。

3.4 吸溼與保水試驗 1. 吸溼試驗

將兩種不同材質人工濾料置於 105℃烘箱中至少 24 小時以除 去水份後,取出置於乾燥箱冷卻至室溫後準備填塔。吸溼裝置圖如 圖 2 所示,但氣流不流經 VOC 瓶口。每塔所填充濾料乾重分別為 活性碳人工濾料 266 g 與竹碳人工濾料 280 g,每塔填充濾料二層。

通入空氣流量為 1.7 L/min,相對溼度維持在 95%以上,每一定間 隔時間秤塔重(實驗期間的前六小時每 30 分鐘秤重一次,而後來每 隔一、二、四、六、八、十二小時秤重一次),記錄至重量不再變 化為止,計算並繪製含水率與操作時間關係圖。

2. 保水試驗

將兩種不同材質人工濾料浸泡於水中增溼至一定含水量後,分 別填塔,每塔填充濾料溼重分別為活性碳人工濾料 153 g 與竹碳人

(34)

工濾料 144 g,保水裝置圖亦如圖 2 所示。通入空氣流量為 1.7 L/min,相對溼度維持在 95%以上,每一定間隔時間秤塔重(實驗期 間的前六小時每 30 分鐘秤重一次,而後來每隔一、二、四、六、

八、十二小時秤重一次),記錄至重量不再變化為止,計算並繪製 含水率與操作時間關係圖。

3.5 VOCs吸附試驗

將已烘乾除去水份之活性碳與竹碳人工濾料浸泡於 500 mL 去 離子水中,浸泡 24 小時後取出。兩種人工濾料各自填塔,每塔所 填充濾料溼重均為 120 g。生物濾床塔分為四層,每層內徑為 8 cm,

層高為 9 cm,裝置亦如圖 2。每塔只填充一層濾料,濾料充填高度 為 5 cm,且整塔系統置於一恆溫控制箱中,維持恆溫,VOCs瓶以 恆溫水浴控制 VOCs揮發速率,使進氣的 VOCs濃度維持一定,進 氣的 VOCs濃度為 100、200、300 和 400 ppm。進氣流量為 1.7 L/min,

相對溼度維持在 95%以上,以自動採樣裝置採樣,並以 GC 分析進 出口氣流中 VOCs的濃度,並將數據傳送至電腦記錄儲存,留待處 理運算。VOCs為乙酸丁酯。

3.6 實塔操作

將已烘乾除去水份之活性碳人工濾料 280 g 與竹碳人工濾料 300 g,分別浸泡於 3.93%之硝酸鉀水溶液 250 mL 中,浸泡 24 小 時後取出,再混入由新竹工研院化工所取回之活性污泥曝氣 10 分 鐘,曝氣時須測定活性污泥比攝氧率,此時即完成濾料的增溼、營 養液吸收與植種之程序。將已完成上述程序之濾料增塔進行實塔操 作,實塔實驗裝置亦如圖 2 所示。生物濾床塔分為四層,每層內徑

(35)

為 8 cm,層高為 9 cm,濾料充填高度為 4 cm,且整塔系統置於一 恆溫控制箱中,維持恆溫,VOCs 瓶以恆溫水浴控制 VOCs 揮發速 率,使進氣的 VOCs濃度維持在設定濃度。每層填入活性碳和竹碳 濾料乾重分別為 70 g 與 75 g。進氣流量為 1.7 L/min,相對溼度維 持在 95%以上,以自動採樣裝置採樣,並以 GC 分析進出口氣流中 VOCs的濃度,並將數據傳送至電腦記錄儲存,留待處理運算。

VOCs為乙酸丁酯,物種濃度控制在 100-1600 ppm 範圍。乙酸 丁酯於 20℃對水的溶解度為 7 g/L H2O,沸點為 126.3℃。

3.7 儀器設備 1. 溫、溼度計

型號:Testo 452,Lenkirch,Germany。濕度測量範圍為 0 ~ 98

%RH,最小刻度為 0.1,最大誤差為  2 %RH。溫度偵測範圍為 -40 ~ +70 ℃,最大可能誤差為  0.2 ℃,解析度為 0.1 ℃。

2. 氣體層析儀

型號:GC 8700F ,中國層析,台灣,測定範為 1 V~1V,積分 感受性為 0.1 V.sec,波峰高度誤差為0.1 %,波峰高度誤差為

0.5。

3. 分光光度計

型號:NOVA 60,MERCK, Darmstadt, Germany。測定濾料中 N 元素含量,使用波長為 520 nm,測定範圍為 0.5~18.00 mg-N/L。

4. 乾式氣體流量計

型號:DC-1-C 乾式氣體流量計,Tokyo, Japan。測量範圍為 5~1100 L/hr,流量為 0.2 m3/hr,誤差為 0.2 %,最小刻度為 5 ml。

5. 溶氧測定儀(DO meter)

(36)

型號:Oxi 323-A/set,Germany。偵測範圍從 0~19.99 mg/L,解析 度為 0.01 mg/L,於 5~30 ℃範圍內,偵測誤差為0.5。

6. 自動採樣器

型號:E2-SC16E 之 Electric Stream Selector,Valco Instruments Co.

Inc. Taipei, Taiwan, R.O.C.。

7. 自動注射器

型號:E3-C8UWE 之 Electric Sample Injector,Valco Instruments Co.

Inc. Taipei, Taiwan, R.O.C.。

8. 電子天平

型號:BA4100S ,Goettingen, West Germany。量測範圍在 0 ~ 4100 g 最小讀性 0.01 g,再現性≦  0.01 g,應答時間≦1.5 sec。

9. 浮子流量計

型號:HC-15-NL1,新政股份有限公司,Taipei, Taiwan, R.O.C.。

氣體用浮子流量計,量測範圍 0.5 ~ 5 L/min。

10. DAQ 卡

型號:PowerDAQ PD-MF-16-50-16L ,16 個 AI ,2 個 AO,8 個 DIO ,3 個計數器 ,取樣速率:50 KHz ,解析度:16 bit,

United Electronic Industries ,Watertown ,Massachusetts ,U.S.A 。 11. 蠕動馬達

型號:Masterflex 7553-60,Cole-Parmer Instrument Co.。流量為 1 - 100 ml/min。 蠕動管型號:7518-10。

(37)

第四章 結果與討論

本研究分為三部份;第一部份為人工濾料特性分析,第二部份為 人工濾料對於 VOCs的吸附行為,第三部份為人工濾料生物濾床的微 生物反應動力行為。

4.1 人工濾料特性分析 4.1.1 濾料水溶性氮溶出量

兩種不同材質人工濾料之水溶性氮溶出量與合成批次關係,如圖 3 所示,各批次人工濾料之水溶性氮溶出量列於表 1。由表圖 3 及 1 統計分析得知,在顯著水準α=0.1 時,兩種不同材質人工濾料的水溶 性氮溶出量不受合成批次的影響,呈現為一穩定值。活性碳和竹碳人 工濾料的水溶性氮溶出量平均值分別為 126.5 和 118.5 N mg/g-dry pack material。兩種不同人工濾料的水溶性氮溶出量統計分析列於表 2,經統計分析結果顯示,在顯著水準α=0.1 時,活性碳人工濾料的 水溶性氮溶出量略大於竹碳人工濾料。

4.1.2 濾料密度試驗

兩種不同材質人工濾料之密度與合成批次關係,如圖 4 所示,各 批次人工濾料之密度列於表 3。由圖 4 及表 3 統計分析得知,在顯著 水準α=0.1 時,兩種人工濾料的密度不受合成批次的影響,呈現為一 穩定值。活性碳和竹碳材質人工濾料的密度平均值分別為 1.105 g/cm3 和 1.133 g/cm3。兩種不同材質人工濾料密度的統計分析列於表 4,經 統計分析結果顯示,在顯著水準α=0.1,竹碳人工濾料的密度略大於 活性碳的。

(38)

4.1.3 吸溼性

含水率為生物濾床濾料基本特性之一,一般適合微生物生長的濾 料,其乾基含水率範圍為 0.67-1.5 g H2O/g-dry pack material,因此吸 溼性可作為篩選人工濾料條件之一。在流速 1.7L/min,相對溼度 95%

以上的進氣條件下,兩種不同材質人工濾料之乾基含水率與時間關 係,如圖 5 和 6 所示。由圖 5 和 6 知,兩種不同材質人工濾料的乾基 含水率皆隨著操作時間的增加而增加,最後漸趨緩近為一定值。兩種 人工濾料的起始吸溼速率和平衡含水率列於表 5,由表 5 得知,活性 碳和竹碳人工濾料的起始吸溼速率分別為 0.123 和 0.118 g H2O/g-dry pack material,活性碳和竹碳人工濾料的平衡含水量分別為 0.914 和 0.757g H2O/g-dry pack material。這些結果顯示,活性碳人工濾料的吸 溼性較竹碳人工濾料的佳,且均位於適合微生物生長的濾料乾基含水 率範圍。

4.1.4 保水性

在流速 1.7L/min,相對溼度 95%以上的進氣條件,兩種不同材質 濾料的乾基含水率和時間的關係分別如圖 7 和圖 8 所示。由圖 7 和 8 知,活性碳和竹碳人工濾料乾基含水率皆隨操作時間的增加而減低,

且呈兩段線性關係,分別定義為起始和穩定失水階段。活性碳和竹碳 人工濾料之起始失水階段範圍分別為 0.2-2.3 天和 0.2-3.3 天,而穩定 失水階段範圍分別為 2.3-85.0 天和 3.3-85.7 天。兩種人工濾料起始和 穩定失水速率分別列於表 6,由表 6 知,活性碳人工濾料的起始和穩 定失水速率分別為 0.052 和 0.020 g H2O/day-g-dry pack material,竹碳 人 工 濾 料 的 起 始 和 穩 定 失 水 速 率 分 別 為 0.040 和 0.021 g

(39)

H2O/day-g-dry pack material。這些結果顯示,竹碳人工濾料的保水性 較活性碳人工濾料的佳。

綜合以上人工濾料的氮溶出量、密度、吸溼性和保水性之結果顯 示,活性碳人工濾料的孔隙較竹碳人工濾料的大。

4.2 人工濾料對於乙酸丁酯的吸附行為

在流速 1.7L/min,相對溼度 95%以上,乙酸丁酯進口濃度 100-400 ppm 的進氣條件下,VOC 的去除率(1-C/C0)與吸附時間關係如圖 9-10 所示。兩種人工濾料之乙酸丁酯吸附量與進口濃度之關係如圖 11 所 示,而兩種人工濾料的乙酸丁酯吸附量和貫穿時間列於表 7。由圖 11 知,兩種人工濾料吸附乙酸丁酯的量皆隨進口濃度的增加而增加且呈 線性關係。對於活性碳人工濾料而言,當平均進口濃度由 99.228 增 加至 367.859 ppm,乙酸丁酯吸附量由 1.563 增加至 2.572 mg/g-dry packed material。對於竹碳人工濾料而言,當平均進口濃度由 87.487 增加至 414.252 ppm。乙酸丁酯吸附量由 0.661 增加至 2.07mg/g-dry packed material。這是因為乙酸丁酯為親水性,因此進口濃度的增加 會使溶入濾料表面水膜的乙酸丁酯量增加。吸附量與進口濃度之線性 斜率,於活性碳和竹碳人工濾料分別為 0.0040 和 0.0045 mg/g-dry pack material-ppm。這結果顯示,兩種不同材質人工濾料吸附乙酸丁酯的 量受進口濃度的影響是相同的。由表 7 知,在各種進口濃度,竹碳人 工濾料吸附乙酸丁酯的量均較活性碳人工濾料的低,這是因為竹碳人 工濾料的孔隙小,比表面積小,因而導致竹碳人工濾料吸附乙酸丁酯 的量較低。

(40)

4.3 人工濾料反應動力行為

微生物的生長過程約可分成四期,分別為適應期(lag phase)為 微生物處於適應新環境,期間微生物數量不會明顯增加。對數生長期

(log growth phase)為微生物逐漸適應環境,開始進行分裂繁殖,期 間之細胞為年輕且生物活性為最高。穩定期(constant growth phase)

為期間存活的細胞數目維持一定值。死亡期(death phase)為當微生 物不適於環境生長,此時微生物的存活大幅減少,細胞的生長率遠低 於死亡率。

本研究僅針對兩種不同材質人工濾料之微生物於對數生長期與 穩定期之反應動力行為加以探討。

4.3.1 對數生長期

一般微生物於對數生長時期之生長速率(specific growth rate,hr-1) 為

式中 X:微生物質量,t:操作時間,£:生長速率。由於濾料中微生 物質量難以精準量測,且微生物增殖量正比於微生物代謝基質量,故

(1)式可轉為:

式中 C0:VOCs進口濃度 ppm,C:VOCs出口濃度 ppm,kg:生長速 率。由(3)式知,以 ln(C/C0)對操作時間 t 作圖,則 ln(C/C0) 與 t 呈現線性關係,其斜率為微生物生長速率。活性碳和竹碳人工濾

dt X

dX

(1)

C

(2)

dt k dC

g

t C k

C

g

0

ln

(3)

(41)

料濾床於乙酸丁酯之平均進口濃度分別為 97.409-1570.48 ppm 及 98.356-1561.135 ppm 下,進出口濃度和去除率與操作時間 t 之關係及 ln(C/C0)與 t 之關係均如圖 12-圖 29 所示,而依(3)式所求得活性 碳和竹碳人工濾料之對數生長期之 ln(C/C0)與 t 之關係式及生長速 率 kg值列於表 8 和表 9。

兩種不同材質人工濾料之對數生長速率與平均進口濃度關係如 圖 30 所示。由圖 30 得知,兩種人工濾料的對數生長速率 kg皆隨平 均進口濃度的增加而降低,且在進口濃度小於 800 ppm 區(低平均進 口濃度區)之下降速率較進口濃度大於 800 ppm 區(高平均進口濃度 區)的大。對於活性碳人工濾料而言(表 8),當平均進口濃度由 97.409 增至 790.145 ppm,kg值由 0.1866 降至 0.0121 hr-1,平均進口濃度由 790.145 增至 1515.289 ppm,kg值由 0.0121 降至 0.0061 hr-1。對於竹 碳人工濾料而言(表 9),平均進口濃度由 98.356 增至 796.673 ppm,

kg由 0.1246 降至 0.0097 hr-1,平均進口濃度由 796.679 增至 1561.135 ppm,kg值由 0.0097 降至 0.0038 hr-1。這結果顯示,兩種不同材質人 工濾料的微生物生長速率皆隨平均進口濃度的增加而降低。這是因為 當平均進口濃度增加時,溶入濾料生物膜中的污染物越多,則污染物 所造成微生物被毒化的程度越明顯,因而使微生物的生長速率降低,

又活性碳人工濾料的 kg 值大於竹碳人工濾料的,這結果顯示,活性 碳人工濾料較適合微生物生長。

兩種不同材質人工濾料的 kg與平均進口濃度 C0的關係式及相關 統計檢定列於表 10。由表 10 知,在顯著水準 α=0.1 下,兩種不同材 質人工濾料的 kg與 C0關係呈現負相關,這表示生長速率 kg會受到進 口濃度的增加而產生抑制現象。活性碳人工濾料於低和高平均進口濃 度區之線性斜率分別為-2.479¡10-4和-6.544¡10-6/hr-ppm。竹碳人工濾

參考文獻

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