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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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中 華 大 學

碩 士 論 文

題目:丙酮與丁酮在人工濾料生物濾床抑 制行為之研究

系 別:土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名: M09304042 賴姿妤 指導教授: 詹 武 忠 博 士

中華民國 九十五 年 七 月

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摘要

本研究以人工濾料生物濾床處理混合氣體,在固定一種化合物濃 度條件下,探討另一物種的反應動力行為與純物種環境下之差異,進 而了解兩物種彼此間的抑制行為。實驗結果顯示:(I)單一物種的反應 動力行為:對數生長速率kg值會隨進口濃度的增加而下降。降解丙酮 的微生物受進口濃度增加的影響較降解丁酮的敏感。兩者的生物反應 動力均屬於擴散控制零階反應,微生物降解丙酮與丁酮的反應速率隨 進口濃度的增加而受到抑制。濾床處理丙酮與丁酮之最大 EC 分別為 0.145 和 0.121 g-C/hr-kg packed material。(II)混合物種的反應動力行 為:在丙酮進口濃度固定時,丙酮的微生物對數生長速率及降解丙酮 的反應速率會因丁酮濃度的增加而受到抑制降低,且丁酮濃度愈高,

丁酮抑制丙酮降解的情況愈明顯。濾床處理丙酮與丁酮之最大 EC 分 別為0.065 和 0.172 g-C/hr-kg packed material。在丁酮進口濃度固定時,

丁酮的微生物對數生長速率及降解丁酮的反應速率不會因丙酮濃度的 增加而受到影響。濾床處理丙酮與丁酮之最大EC 分別為 0.103 和 0.119 g-C/hr-kg packed material。 (III)單一物種與混合物種的反應動力行為差 異:混合物種的濾床總去除能力較單一物種的低。丁酮抑制丙酮的效 應優於丙酮抑制丁酮的效應。

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謝誌

承蒙恩師 詹武忠教授及黃思蓴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,又蒙黃道心老師、李訓清老師多方不吝指正,在此一 併感謝。

研究期間,蒙學長 彭康洪、游宏源、游憲承及陳信樺的鼎力相 助,同窗好友淵昇、國書及佩瑾於實驗室的相互扶持,學弟妹仕政、

宏修及淑娟的協助,及家人長久以來的支持,在此一併感謝。

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目錄

摘要……... I 謝誌……...II 目錄……... III 表目錄……...V 圖目錄…...VIII

第一章 緒論... 1

第二章 文獻回顧 ... 3

2.1 親水化合物與親水化合物之混合 ... 3

2.2 親水化合物與疏水化合物之混合 ... 4

2.3 疏水化合物與疏水化合物之混合 ... 5

第三章 實驗部分 ... 7

3.1 藥品及材料... 7

3.2 濾料製作... 8

3.3 實塔操作... 8

3.3.1 單一物種... 8

3.3.2 混合物種... 8

3.4 濾料項目分析... 9

3.5 儀器設備... 9

第四章 結果與討論 ... 12

4.1 單一物種的反應動力行為... 12

4.1.1 對數生長期... 13

4.1.2 穩定期... 14

4.2 混合物種的反應動力行為... 17

4.2.1 丙酮進口濃度固定... 17

4.2.1.1 對數生長期... 17

4.2.1.2 穩定期... 18

4.2.2 丁酮進口濃度固定... 19

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4.2.2.1 對數生長期... 19

4.2.2.2 穩定期... 20

4.3 單一物種與混合物種的反應動力行為差異 ... 21

4.3.1 對數生長期... 21

4.3.2 穩定期... 22

4.3.3 濾床去除能力與負載之關係 ... 22

第五章 結論... 24

參考文獻... 26

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表目錄

表1 單一物種(丙酮),對數生長期,全塔之 ln(C/C0)與操作時間 t 的關係式和生長速率 kg值... 29 表2 單一物種(丁酮),對數生長期,全塔之 ln(C/C0)與操作時間

t 的關係式和生長速率 kg值... 29 表3a 單一物種(丙酮),穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度

(C)之 ln(C/C0)與滯留時間(θ)的關係及平均去除率... 30 表3b 單一物種(丙酮),穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度

(C)之 ln(C/C0)與滯留時間(θ)的關係及平均去除率... 31 表4a 單一物種(丁酮),穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度

(C)之 ln(C/C0)與滯留時間(θ)的關係及平均去除率... 32 表4b 單一物種(丁酮),穩定期,平均進口濃度(C0)、出口濃度

(C)之 ln(C/C0)與滯留時間(θ)的關係及平均去除率... 33 表5 穩定期,單一物種的(C0-C)/ln(C0/C)與 θ/ln(C0/C) 關係式及

相對應之最大去除速率(Vmax)與飽和常數(Ks)值 ... 33 表6 單一物種(丙酮),穩定期,全塔之 1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ

的關係式和擴散控制零階反應速率kd值... 34 表7 單一物種(丁酮),穩定期,全塔之 1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ

的關係式和擴散控制零階反應速率kd值... 34 表8 穩定期,單一物種之最大去除能力(EC)及直線部份關係式 ... 34 表9 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,對數生長期,各種混合濃度之 ln(C/C0)與操 作時間t 的關係式和生長速率 kg值... 35 表10 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,對數生長期,各種混合濃度之生長速率比

(11)

(kg丁酮/ kg丙酮)... 35 表11 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,混合濃度之生長速率比(kg丁酮/ kg丙酮)與丁酮濃 度C 關係式及相關統計檢定 ... 36 表12 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度(C0)、出口濃 度(C)之 ln(C/C0)與滯留時間(θ)的關係及平均去除率.... 37 表13 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度(C0)、出口濃 度(C)之 ln(C/C0)與滯留時間(θ)的關係及平均去除率.... 38 表14 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,各種混合濃度之 1-(C/C0)0.5與滯留 時間θ 的關係式和擴散控制零階反應速率 kd值... 39 表15 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,各種混合混度之擴散控制零階反應 速率比(kd丁酮/ kd丙酮)... 39 表16 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,物種之最大去除能力(EC)及直線部 份關係式... 40 表17 混合物種,丙酮濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度範圍為

50~300 ppmv,擴散控制零階反應速率比(kd丁酮/ kd丙酮)與丁酮 濃度C 關係式及相關統計檢定 ... 40 表18 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為

50~300 ppmv,對數生長期,各種混合濃度之 ln(C/C0)與操 作時間t 的關係式和生長速率 kg值... 41

(12)

表19 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為 50~300 ppmv,對數生長期,各種混合濃度之生長速率比(kg

丙酮/ kg丁酮)... 41 表20 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為

50~300 ppmv,混合濃度之生長速率比(kg丙酮/kg丁酮)與丙酮濃 度C 關係式及相關統計檢定 ... 42 表21 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度(C0)、出口濃 度(C)之 ln(C/C0)與滯留時間(θ)的關係及平均去除率.... 43 表22 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度(C0)、出口濃 度(C)之 ln(C/C0)與滯留時間(θ)的關係及平均去除率.... 44 表23 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,各種混合濃度之 1-(C/C0)0.5與滯留 時間θ 的關係式和擴散控制零階反應速率 kd值... 45 表24 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,各種混合混度之擴散控制零階反應 速率比(kd丙酮/ kd丁酮)... 45 表25 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為

50~300 ppmv,擴散控制零階反應速率比(kd丙酮/ kd丁酮)與丙酮 濃度C 關係式及相關統計檢定 ... 46 表26 混合物種,丁酮濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度範圍為

50~300 ppmv,穩定期,物種之最大去除能力(EC)及直線部 份關係式... 46

(13)

圖目錄

圖1 濾床裝置圖... 47 圖2a 單一物種,丙酮平均進口濃度為50.15 ppmv,丙酮去除率(%)

與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩 定期。... 48 圖2b 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 50.15 ppmv,ln(C/C0)與操

作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。

... 48 圖3a 單一物種,丙酮平均進口濃度為102.81 ppmv,丙酮去除率

(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:

穩定期。... 49 圖3b 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 102.81 ppmv,ln(C/C0)與

操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定 期。... 49 圖4a 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 196.99 ppmv,丙酮去除

率(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,

Ⅲ:穩定期。... 50 圖4b 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 196.99 ppmv,ln(C/C0)與

操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定 期。... 50 圖5a 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 313.23 ppmv,丙酮去除

率(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,

Ⅲ:穩定期。... 51 圖5b 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 313.23 ppmv,ln(C/C0)與

操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定

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期。... 51 圖6a 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 502.98 ppmv,丙酮去除

率(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,

Ⅲ:穩定期。... 52 圖6b 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 502.98 ppmv,ln(C/C0)與

操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定 期。... 52 圖7a 單一物種,丙酮平均進口濃度為642.25 ppmv,丙酮去除率

(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:

穩定期。... 53 圖7b 單一物種 ,丙酮平均進口濃度為 642.25ppmv,ln(C/C0)與

操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定 期。... 53 圖8a 單一物種,丁酮平均進口濃度為48.68 ppmv,丁酮去除率(%)

與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩 定期。... 54 圖8b 單一物種,丁酮平均進口濃度為 48.68ppmv,ln(C/C0)與操

作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。

... 54 圖9a 單一物種,丁酮平均進口濃度為124.85 ppmv,丁酮去除率

(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:

穩定期。... 55 圖9b 單一物種,丁酮平均進口濃度為124.85 ppmv,ln(C/C0)與操

作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。

... 55

(15)

(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:

穩定期。... 56 圖10b 單一物種,丁酮平均進口濃度為 202.63 ppmv,ln(C/C0)與

操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定 期。... 56 圖11a 單一物種,丁酮平均進口濃度為 275.00ppmv,丁酮去除率

(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:

穩定期。... 57 圖11b 單一物種,丁酮平均進口濃度為275.00ppmv,ln(C/C0)與操

作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。

... 57 圖12a 單一物種,丁酮平均進口濃度為490.83 ppmv,丁酮去除率

(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:

穩定期。... 58 圖12b 單一物種,丁酮平均進口濃度為490.83 ppmv,ln(C/C0)與操

作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。

... 58 圖13a 單一物種,丁酮平均進口濃度為617.84 ppmv,丁酮去除率

(%)與操作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:

穩定期。... 59 圖13b 單一物種,丁酮平均進口濃度為617.84 ppmv,ln(C/C0)與操

作時間(t)關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。

... 59 圖14 單一物種,對數生長速率(kg)與平均進口濃度(C0)之關係:(▲)

丙酮,(■) 丁酮。... 60 圖15 單一物種,穩定期,丙酮平均進口濃度C0 = 50.15ppmv,(a)

(16)

C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 61 圖16 單一物種,穩定期,丙酮平均進口濃度C0 = 102.81 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 62 圖17 單一物種,穩定期,丙酮平均進口濃度C0 = 196.99 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 63 圖18 單一物種,穩定期,丙酮平均進口濃度C0 =313.23 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 64 圖19 單一物種,穩定期,丙酮平均進口濃度C0 = 502.98 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 65 圖20 單一物種,穩定期,丙酮平均進口濃度C0 = 642.25 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 66 圖21 單一物種,穩定期,丁酮平均進口濃度C0 = 48.68 ppmv,(a)

C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 67 圖22 單一物種,穩定期,丁酮平均進口濃度C0 = 124.85 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 68 圖23 單一物種,穩定期,丁酮平均進口濃度C0 = 202.63 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(17)

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 69 圖24 單一物種,穩定期,丁酮平均進口濃度C0 = 275.00 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 70 圖25 單一物種,穩定期,丁酮平均進口濃度C0 = 497.33ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 71 圖26 單一物種,穩定期,丁酮平均進口濃度C0 = 617.84 ppmv,

(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,

(c)1-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 72 圖27a 單一物種(丙酮),穩定期, (C0-C)/ln(C0/C)與 θ/ln(C0/C)關

係。... 73 圖27b 單一物種(丁酮),穩定期, (C0-C)/ln(C0/C)與 θ/ln(C0/C)關

係。... 73 圖28 單一物種,穩定期,擴散控制零階反應速率(kd)與平均進口

濃度(C0)關係:(▲) 丙酮,(■) 丁酮。 ... 74 圖29a 單一物種(丙酮),穩定期,濾床去除能力(EC)與有機負載

(Load)關係:(---)完全去除能力,(—)實際去除能力。... 75 圖29b 單一物種(丁酮),穩定期,濾床去除能力(EC)與有機負載

(Load)關係:(---)完全去除能力,(—)實際去除能力。... 75 圖30 混合物種,丙酮平均進口濃度 67.86 ppmv、丁酮平均進口

濃度 54.83 ppmv 相混合,物種去除率(%)與操作時間(t)關 係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,

(b)丁酮。... 76 圖31 混合物種,丙酮平均進口濃度91.44ppmv、丁酮平均進口濃

(18)

度107.95 ppmv 相混合,物種去除率(%)與操作時間(t)關係。

Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b) 丁酮。... 77 圖32 混合物種,丙酮平均進口濃度 102.00 ppmv 、丁酮平均進

口濃度201.63 ppmv 相混合,物種去除率(%)與操作時間(t) 關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙 酮,(b)丁酮。... 78 圖33 混合物種,丙酮平均進口濃度101.02 ppmv、丁酮平均進口

濃304.06ppmv 相混合,物種去除率(%)與操作時間(t)關係。

Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b) 丁酮。... 79 圖34 混合物種,丙酮平均進口濃度 67.86 ppmv、丁酮平均進口

濃度54.83 ppmv 相混合,ln(C/C0)與操作時間(t)關係。Ⅰ:

適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b)丁酮。

... 80 圖35 混合物種,丙酮平均進口濃度 91.44 ppmv、丁酮平均進口

濃度107.95 ppmv 相混合,ln(C/C0)與操作時間(t)關係。Ⅰ:

適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b)丁酮。

... 81 圖36 混合物種,丙酮平均進口濃度 102.00ppmv、丁酮平均進口

濃度201.96 ppmv 相混合,ln(C/C0)與操作時間(t)關係。Ⅰ:

適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b)丁酮。

... 82 圖37. 混合物種,丙酮平均進口濃度 101.02ppmv、丁酮平均進口

濃度304.06 ppmv 相混合,ln(C/C0)與操作時間(t)關係。Ⅰ:

適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b)丁酮。

(19)

... 83 圖38 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮進口濃度

範圍 50~300 ppmv,對數生長期,生長速率比(kg丁酮/ kg丙酮) 與丁酮進口濃度關係。... 84 圖39 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮進口濃度

範圍 50~300 ppmv,對數生長期,生長速率比(kg丁酮/ kg丙酮) 與丁酮進口濃度關係:(▲)單一物種,(■)混合物種。... 84 圖40 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度為 50

ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度 C0 = 67.86 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 85 圖41 混合物種,丙酮進口濃度固定為100ppmv,丁酮濃度為 100

ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度 C0 = 91.44 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 86 圖42 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度為 200

ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度 C0 =102.00 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 87 圖43 混合物種,丙酮進口濃度固定為100ppmv,丁酮濃度為 300

ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度 C0 = 101.02 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1

-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。... 88 圖44 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度為 50

ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度 C0 = 54.83 ppmv,(a) C0-C

(20)

與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 89 圖45 混合物種,丙酮進口濃度固定為100ppmv,丁酮濃度為 100

ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度 C0 = 107.95 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1

-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。... 90 圖46 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮濃度為 200

ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度 C0 =201..96 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1

-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。... 91 圖47 混合物種,丙酮進口濃度固定為100ppmv,丁酮濃度為 300

ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度 C0 = 304.06 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1

-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。... 92 圖48 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮進口濃度

範圍50~300 ppmv,擴散控制零階反應比(kd丁酮/ kd丙酮)與丁酮 進口濃度關係。... 93 圖49 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮進口濃度

範圍50~300 ppmv,擴散控制零階反應比((kd丁酮/ kd丙酮)與丁 酮進口濃度關係:(▲)單一物種,(■)混合物種。... 93 圖50a 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮進口濃度

範圍為50 ~300ppmv,穩定期,丙酮濾床去除能力(EC)與有 機負載(Load)關係:(---)完全去除能力,(—)實際去除能力。

... 94 圖50b 混合物種,丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮進口濃度

(21)

範圍為50 ~300ppmv,穩定期,丁酮濾床去除能力(EC)與有 機負載(Load)關係:(---)完全去除能力,(—)實際去除能力。

... 94 圖51 混合物種,丙酮平均進口濃度 50.53 ppmv、丁酮平均進口

濃度 98.17 ppmv 相混合,物種去除率(%)與操作時間(t)關 係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,

(b)丁酮。... 95 圖52 混合物種,丙酮平均進口濃度 115.75ppmv、丁酮平均進口

濃度102.31 ppmv 相混合,物種去除率(%)與操作時間(t)關 係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,

(b)丁酮。... 96 圖53 混合物種,丙酮平均進口濃度 186.34 ppmv 、丁酮平均進

口濃度 93.59 ppmv 相混合,物種去除率(%)與操作時間(t) 關係。Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙 酮,(b)丁酮。... 97 圖54 混合物種,丙酮平均進口濃度268.56 ppmv、丁酮平均進口

濃90.45 ppmv 相混合,物種去除率(%)與操作時間(t)關係。

Ⅰ:適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b) 丁酮。... 98 圖55 混合物種,丙酮平均進口濃度 52.53 ppmv、丁酮平均進口

濃度98.17 ppmv 相混合,ln(C/C0)與操作時間(t)關係。Ⅰ:

適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b)丁酮。

... 99 圖56 混合物種,丙酮平均進口濃度115.75 ppmv、丁酮平均進口

濃度102.31 ppmv 相混合,ln(C/C0)與操作時間(t)關係。Ⅰ:

適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b)丁酮。

(22)

... 100 圖57 混合物種,丙酮平均進口濃度 186.34ppmv、丁酮平均進口

濃度93.59 ppmv 相混合,ln(C/C0)與操作時間(t)關係。Ⅰ:

適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b)丁酮。

... 101 圖58 混合物種,丙酮平均進口濃度 268.56ppmv、丁酮平均進口

濃度90.45 ppmv 相混合,ln(C/C0)與操作時間(t)關係。Ⅰ:

適應期,Ⅱ:對數生長期,Ⅲ:穩定期。(a)丙酮,(b)丁酮。

... 102 圖59 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮進口濃度

範圍 50~300 ppmv,對數生長期,生長速率比(kg丙酮/ kg丁酮) 與丙酮進口濃度關係。... 103 圖60 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮進口濃度

範圍 50~300 ppmv,對數生長期,生長速率比(kg丙酮/ kg丁酮) 與丙酮進口濃度關係:(▲)單一物種,(■)混合物種。... 103 圖61 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度為 50

ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度 C0 = 52.53 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 104 圖62 混合物種,丁酮進口濃度固定為100ppmv,丙酮濃度為 100

ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度 C0 =115.75 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 105 圖63 混合物種,丁酮進口濃度固定為100ppmv,丙酮濃度為 200

ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度 C0 =186.34 ppmv,(a) C0-C θ 關係,(b) ln(C/C )與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(23)

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 106 圖64 混合物種,丁酮進口濃度固定為100ppmv,丙酮濃度為 300

ppmv,穩定期,丙酮平均進口濃度 C0 =268.56 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 107 圖65 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度為 50

ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度 C0 = 98.17 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ... 108 圖66 混合物種,丁酮進口濃度固定為100ppmv,丙酮濃度為 100

ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度 C0 = 102.31 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間 θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1

-(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。... 109 圖 67 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮濃度為 200

ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度 C0 =93.59 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ...110 圖68 混合物種,丁酮進口濃度固定為100ppmv,丙酮濃度為 300

ppmv,穩定期,丁酮平均進口濃度 C0 =90.45 ppmv,(a) C0-C 與滯留時間θ 關係,(b) ln(C/C0)與滯留時間 θ 關係,(c)1-

(C/C0)0.5與滯留時間 θ 關係。 ...111 圖69 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮進口濃度

範圍50~300 ppmv,擴散控制零階反應比(kd丙酮/ kd丁酮)與丙酮 進口濃度關係。...112 圖70 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮進口濃度

(24)

範圍50~300 ppmv,擴散控制零階反應比(kd丙酮/ kd丁酮)與丙酮 進口濃度關係:(▲)單一物種,(■)混合物種。...112 圖71a 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮進口濃度範

圍50~300 ppmv,穩定期,丙酮濾床去除能力(EC)與有機負 載(Load)關係:(---)完全去除能力,(—)實際去除能力。...113 圖71b 混合物種,丁酮進口濃度固定為 100ppmv,丙酮進口濃度範

圍50~300 ppmv,丁酮濾床去除能力(EC)與有機負載(Load) 關係:(---)完全去除能力,(—)實際去除能力。...113 圖72a 混合物種,穩定期,丙酮濾床去除能力(EC)與有機負載(Load)

關係:(---)完全去除能力,(—)實際去除能力。(▲)單一物種,

(■)混合物種─丙酮進口濃度固定為 100 ppmv,(◆)混合物 種─丁酮進口濃度固定為100 ppmv。...114 圖72b 混合物種,穩定期,丁酮濾床去除能力(EC)與有機負載(Load)

關係:(---)完全去除能力,(—)實際去除能力。 (▲)單一物 種,(■)混合物種─丙酮進口濃度固定為 100 ppmv,(◆) 混合物種─丁酮進口濃度固定為100 ppmv。...114

(25)

第一章 緒論

近年來工業科技的進步,使得工廠排放的揮發性有機化合物 (VOCs)與日俱增,而這些揮發性有機化合物對於人類的生活品質與 健康會產生影響,因此逐漸地被重視。隨著半導體產業的快速成長,

有機溶劑被大量的當作清洗液在使用─包括丙酮、丁酮、異丙醇、甲 苯、乙基苯、氯仿、三氯乙烷等揮發性有機溶劑,其中又以丙酮及丁 酮兩者最為常用,且具有相似的排放特性。當人吸入大量的丙酮與丁 酮可能會抑制中樞神經系統、引起頭痛、噁心、意識不清甚至死亡的 症狀,若長期暴露在丙酮與丁酮的環境下可能會對神經、肝臟及皮膚 造成影響。

目前處理揮發性有機化合物的技術包含焚化、吸附、冷凝、生物 處理等,其中以生物處理法具備操作簡單、成本低廉和無二次污染等 特性,最廣為使用。常見的生物處理法有生物滴濾塔、生物洗滌塔、

及生物濾床等。由於生物滴濾塔或生物洗滌塔需使用大量的循環水及 水處理問題,因此,生物濾床就顯得較為經濟,但其有操作上較困難 與適合低濃度污染物等缺點。生物濾床的作用原理為含有機污染物的 氣流通過多孔隙填充材料時,有機污染物藉由擴散吸收作用進入多孔 隙填充材料的水相生物膜中,會被生物膜中微生物當作碳源利用,而 被降解成二氧化碳與水後,排放至大氣中。

傳統生物濾床在操作上具有壓損、堵塞、濾床酸化、管流…等現 象,使得去除揮發性有機化合物的效能不易維持,因此為提升長期操 作的穩定性及高效率的去除揮發性有機化合物,本實驗室一系列的研 究證實,自行開發合成的 PVA 類複合物具有保水性佳、富營養源、

抗酸鹼及抗壓性佳等性質,可做為生物濾床的濾料(1-4)

由於工廠實際排放廢氣時通常為多種污染物混合在一起,因此生

(26)

物濾床於實際應用時所需處理的污染物往往在兩種以上,以致可能會 遇上一些處理單一污染物所沒有的問題,例如菌種在生物膜內相互競 爭基質和空間的利用,對於不同氣體的混合與混合比例均會造成濾床 的處理效率有所差異。生物濾床處理混合污染物的研究眾多,但大多 著重在去除效率,然而對於混合物種影響微生物在生物濾床的動力行 為之研究不多。因此,本研究擬以人工濾料生物濾床處理混合氣體,

探討物種間的反應動力行為及其與在純物種環境下之差異,進而了解 物種彼此間的抑制行為。

(27)

第二章 文獻回顧

生物濾床中微生物分解有機物的行為會受到混合有機物的種類 濃度所影響。現將相關文獻加以整理,敘述於後。

2.1 親水化合物與親水化合物之混合

Deshusses (5)等人以改變污染物的負載與進氣方式,探討由等體 積堆肥和聚苯乙烯球組成之生物濾床處理混合丁酮(MEK,濃度為 0.53~2.35g/m3)與甲基異丁酮(MIBK,濃度為 0.55~2.24 g/m3)的行為。

實驗結果顯示,由於 MIBK 的溶解度小於 MEK,使得水相生物膜中 MEK 的相對濃度大於 MIBK,微生物會先降解 MEK,之後再降解 MIBK,故當 MEK 的濃度增加時,MIBK 的去除能力會下降。

Geoghegan (6)等人以改變污染物的濃度,觀察在不穩定狀態下連 續流動的液相培養微生物降解丁酮(MEK,濃度為 0~400 mg/l)與甲基 異丁酮(MIBK,濃度為 0~400 mg/l)的影響。實驗結果顯示,當 MIBK 的濃度大於MEK 時,有利微生物生長(菌量明顯增加) ,但對化合物 的去除率影響不大,皆可在短時間內恢復。若MEK 的濃度大於 MIBK 時,對微生物的生長影響不大,但因為基質競爭的關係,會對MIBK 有抑制現象的產生。

Lee (7)等人以改變污染物(H2S)的濃度與空間流速,探討硫化氫 (0~460μl/l2) 的存在,對於氨(100~600μl/l2)在生物濾床中去除率的 影響。實驗結果顯示,當硫化氫的負載低於 60 S/m3h(約 200μl/l),

在任一空間流速下對於氨的去除率並沒有影響。隨著硫化氫濃度的增 加,由於對濾床酸化的情況愈嚴重,使氨的去除率會有抑制的現象產 生,且隨著空間流速的增加,反應時間的減少,抑制現象愈嚴重。

Chung (8)等人以固定化細胞的生物濾床處理含不同的混合比例

(28)

1:1,1:2,2:1 之硫化氫與氨的廢氣,探討以 Michaelis- Menten 方程 式為基礎分析濾床的動力行為。實驗結果顯示,H2S/NH3混合比例為 1:1 時,兩者的去除率都可達 90%以上,提高氨的比例,並不會對硫 化氫產生抑制反而使硫化氫的去除率由 95%增加至 99%。但對氨而 言,因為過多的氨對菌株產生毒害使得去除率下降。相反地,若提高 硫化氫的比例,因為過量的硫化氫會造成濾床酸化,使得兩氣體的去 除率均受到抑制而下降。

Lu (910)等人探討在不同的流率和濃度下,探討生物滴濾床處理 異 丙 醇(IPA) 與 丙 酮 (ACE) 混 合 物 的 特 性 , 並 以 Haldane-type (Andrews-type) 模式分析 IPA 與 ACE 之間的抑制行為。實驗結果顯 示,當IPA 與 ACE 的負載分別小於 80 與 53g/m3h,則兩氣體的去除 率超過 90%,其中 IPA 的去除率較 ACE 的高。於相同的碳負載進口 濃度,濾床去除IPA 能力較 ACE 的高,顯示 IPA 抑制 ACE 的效應較 強,所求得之抑制係數為KAI = 2.58×10-3 和 KIA = 4.37×10-4

2.2 親水化合物與疏水化合物之混合

Moe (11)等人以改變污染物濃度與停留時間,探討生物濾床處理混 合丁酮(負載為 9.4~62.7g/m3h)與甲苯(負載為 4.2~89.9g/m3h)的效 率。實驗結果顯示當混合氣的 MEK 濃度低至某一濃度時,甲苯有較 高的去除效率,即當有酮類存在時,對甲苯的降解有負面影響。

Lu (12)等人以改變污染物進口濃度與停留時間,探討利用生物滴 濾床處理甲苯(濃度為 100~300ppmv)與丙酮 (ACE 濃度為 50~100 ppmv)混合物的效率。當甲苯與丙酮的負載各別低於 125 與 15g/m3h 時兩氣體的去除率均超過90%以上,且甲苯的去除能力大於丙酮的,

即甲苯抑制丙酮的現象會大於丙酮抑制甲苯的現象。

Deshusses (13)等人探討 pH 值對於生物滴濾床去除硫化氫(0~170

(29)

ppmv)與甲苯(0~2.25g/m3,相當於0.26ppmv)的效率。實驗結果顯示,

若突然改變濾床pH 値時,會使硫化氫與甲苯的去除率下降。硫化氫 與甲苯在本研究的進氣條件下彼此間不會互相抑制。

Liu (14)等人以兩個相似的生物濾床且已分別馴養甲苯(205~400 mg/m3)與乙酸乙酯(1021~2575 mg/m3),探討生物濾床同時去除甲苯與 乙酸乙酯的效率。實驗結果顯示,乙酸乙酯的存在會減少甲苯的去除 能力,而甲苯的存在對乙酸乙酯的去除率並無影響。以馴養乙酸乙酯 的濾床對於乙酸乙酯的去除能力高於馴養甲苯的濾床。

2.3 疏水化合物與疏水化合物之混合

Plessis (15)等人以固定總負載為18.07g/m3h,進氣為甲苯分別與苯

(B),乙基苯(E)和二甲苯(X)以 1:1 的莫耳比例混合,停留時 間 0.5~3.0 min,探討以甲苯馴養的生物濾床中觀察 BTEX 分解作用 的交互影響。實驗結果顯示,除對-二甲苯之外,其他的 BEX 化合物 於甲苯存在時的去除效率都較沒有甲苯存在時的小。尤其在停留時間 小於 1.5min 時,鄰-二甲苯受到的抑制現象最為嚴重,而於停留時間 大於1.5min 時,乙基苯受到的抑制現象最為嚴重。當其他 BEX 化合 物與甲苯同時存在會降低甲苯的去除效力,其中影響最大的是苯,最 小的是鄰-和對-二甲苯。

Sorial (16)等人以改變負載、空床停留時間(EBRT)、逆洗頻率與 持續時間,探討生物滴濾床去除BTEX(100~235 ppmv)的效率。實驗 結果顯示,隨著進口負載的增加,BTEX 間的去除差異愈明顯,當負 載為4.2kg COD/m3d 時最為明顯。去除率以甲苯最好,其次是苯,乙 基苯,間/對二甲苯,最差的是鄰-二甲苯。

Zilli (17)等人以改變污染物濃度與表面氣體流速,探討生物濾床降 解甲苯(0.25~1.99 g/m3)與苯乙烯(0.05~0.20 g/m3)的效率。實驗結果顯

(30)

示,污染物的去除率隨著濃度的增加而逐漸減少,且當甲苯與苯乙烯 進口負載分別超過1000g/m3h 和 400g/m3h,會產生抑制現象。

Abuhamed (18)等人利用 Pseudomonas putida F1 菌經苯(15~90 mg/l)、甲苯(15~90 mg/l)及苯酚(50mg/l)馴養後,探討對於此三種化合 物的生物降解情形及相互關係。利用 Andrews-type 方程式分析苯、

甲苯與酚之間的抑制現象。實驗結果顯示,顯示甲苯抑制苯的效應大 於苯抑制甲苯的效應(ITB= 5.16 >IBT= 0.49)。另外,苯與甲苯的存在對 於苯酚的降解有加成的效果,其中甲苯的效果比苯的好(ITP= 0.14< IBP

=0.27)。酚會抑制苯和甲苯。

Abuhamed (19)等 人 探 討 以 Pseudomonas putida F1 菌 觀 察 苯 (30~225 mg/l)、甲苯(28~220 mg/l)與酚(50~400 mg/l)於混合或單一存 在時,彼此間基質的相互作用。實驗結果顯示,甲苯抑制苯的效果大 於苯抑制甲苯的效果。添加甲苯於酚與苯之中會提高酚與苯的降解,

且對酚會有較好的效果。添加酚於甲苯與苯之中,顯示會提高甲苯的 降解,但會抑制苯的降解。此與酚會抑制苯和甲苯(18)的結果不同,這 是因為適應的濃度範圍不同。

综合以上相關文獻知,生物濾床處理混合污染物的去除效益及污 染物彼此間抑制現象均會受污染物的種類、進口濃度、混合比例和環 境等因素影響。本研究擬在不同的混合比例,探討生物濾床處理單一 污染物時分子結構對於反應動力行為的影響,與處理混合污染物時物 種間之抑制反應動力行為。

(31)

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,Kekkilä 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):

組成 N

NH4 NO3 Urea P K S Fe Mn B Zn Cu Mo 百分比 60 20 5 60 120 30 6.4 2.4 0.4 0.8 1.6 0.2 3. 硼酸(Boric acid):試藥級,99.5 %以上,聯工試藥,Hsin Chu,

Taiwan, R.O.C.。

4. 磷酸二氫鈉(Sodium pHosphate, monobasic):試藥級,98 %以 上,聯工試藥,Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

5. 磷酸氫二鈉(Sodium phosphate, dibasic):試藥級,98 %以上,

聯工試藥,Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

6. 丙酮(Acetone):試藥級,99.5 %以上,聯工試藥,Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

7. 丁酮(Methyl ethyl ketone):試藥級,99.5 %以上,聯工試藥,

Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

8. 硝酸鉀(Potassium nitrate):試藥級,99 %以上,聯工試藥,

Hsin Chu, Taiwan, R.O.C.。

9. 活性污泥:新竹工研院化工所廢水處理場提供。

(32)

3.2 濾料製作

本研究所採用的人工濾料含營養源硝酸鉀之PVA/泥炭土/活性碳 人工濾料,其製作過程是採本實驗室已開發成功製程(4)

3.3 實塔操作 3.3.1 單一物種

將濾料70 g 先置於 105℃烘箱中至少 8 小時以去除水份,之後取 出置於乾燥箱冷卻至室溫,然後將濾料浸泡於濃度為 3.93%之硝酸鉀 水溶液210 mL 中,浸泡 24 小時後取出,使濾料之乾基含水率為 1.5 g H2O/g Sample,再混入由新竹工研院化工所取回已曝氣 5 分鐘之活性 污泥,曝氣時須測定活性污泥之比攝氧率,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填塔進行實塔操 作,每塔所填充濾料總乾重為280 g,每層濾料 70 g,實塔實驗裝置 如圖所示。生物濾床塔分為四層,每層內徑8 cm,層高 9 cm,濾料 填充高度 4 cm,且整塔系統置於一恆溫控制箱中,維持恆溫,VOC 瓶以恆溫水浴控制 VOC 揮發速率,丙酮與丁酮的濃度範圍為 50 至 600 ppmv。進氣流量為 1.7 L/min,相對濕度維持在 95 ﹪以上,以自 動採樣裝置及 GC 分析進出口氣流中 VOC 的濃度,並將數據傳送至 電腦記錄儲存,留待處理運算。

3.3.2 混合物種

濾料的增溼、營養液吸收與植種之程序及每層塔的濾料填充重 量、塔裝置、進氣流量及氣流中VOC 濃度的分析均同單一物種部份,

但VOC 進口濃度則控制在丙酮濃度固定為 100 ppmv,丁酮濃度變化 範圍為50 至 300 ppmv,及丁酮濃度固定為 100 ppmv,丙酮濃度變化 範圍為50 至 300 ppmv。

(33)

3.4 濾料項目分析 1. 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,依下式計 算得濾料乾基含水率(g H2O/g 乾固體)= [( W1—W2) / W2]×100 %。

2. 濾料水溶性氮溶出實驗

取烘乾之人工濾料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。

3. 活性污泥 MLSS

取定體積(V ml )的活性污泥,以已知重量(W0)之濾紙真空過濾 後於 105℃ 烘乾 1 小時取出置於乾燥箱中,待冷卻後精稱之

(W1 ),依下式計算得 MLSS(mg/L) =( W1-W0)/ V ,以此 MLSS 用以計算活性污泥之比攝氧率。

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,由測定溶液的溶氧量,計算溶氧遞減率即為 攝氧率(mg-O2/L-min),再除以活性污泥 MLSS 濃度即為比攝氧 率(mg-O2/mg-MLSS)。

3.5 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

(34)

型號:GC 8700F ,中國層析,台灣,測定範為 1 μV~1V,積分 感受性為0.1 μV.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)

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

(35)

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:50KHz ,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。

(36)

第四章 結果與討論

本研究探討生物濾床處理單一物種與混合物種反應動力行為,共 分為三部份:第一部分為單一物種的反應動力行為。第二部分為混合 物種的反應動力行為。第三部分單一與混合物種間的反應動力行為差 異。

4.1 單一物種的反應動力行為

通常微生物的生長繁殖過程可分為四個階段。第一階段是適應期 (lag phase),在適應期內,微生物的數目幾乎不增加,這是因為少量 的微生物被接種到新的環境以後,需要適應新的物理環境而出現的調 整代謝的時期。第二階段是對數生長期(log growth phase),在對數生 長期內,微生物的數量呈幾何級數增加,微生物數量的對數值呈直線 上升,這是因為微生物經過適應期後適應了新的環境,生理狀態也較 為活躍,此時微生物開始迅速繁殖。第三階段是穩定期(constant growth phase),在穩定期內,微生物數量處於相對平衡狀態,這是因 為微生物經過對數生長期大量繁殖後,一方面營養源漸趨耗盡,另一 方面代謝產物逐漸增多,致使微生物繁殖的速度逐漸降低,新生的微 生物數量與死亡的微生物數量大致相等。第四階段是死亡期(death phase),在死亡期內,微生物數量顯著下降,這是因為微生物經過大 量繁殖再經穩定期後,由於環境中營養成分耗盡,代謝產物大量累 積,此時能夠增殖的微生物越來越少以至降到零,而死亡的微生物則 越來越多。

此 部 分 僅 探 討 , 丙 酮 與 丁 酮 進 口 濃 度 範 圍 分 別 於 50.15~642.25ppmv 與 48.68~617.84ppmv 下,在對數生長期與穩定期,

微生物分解物種之反應動力行為。

(37)

4.1.1 對數生長期

對數生長期之微生物生長速率(specific growth rate,hr-1)以 (1)

式表示:

式中X:微生物質量,t:操作時間,μ:生長速率。因微生物增殖量 正比於微生物代謝基質量,故(1)式可轉為:

C dt k

dC

g

=

t C k

C

g

=

0

ln

式中C0:進口氣流VOC 濃度 ppmv,C:出口氣流 VOC 濃度 ppmv,

kg:生長速率。由(3)式知,以 ln(C/C0)與操作時間t 作圖呈線性 關係,其斜率視為微生物生長速率kg

有機物去除率與操作時間 t 之關係及 ln(C/C0)與操作時間 t 之關 係,如圖2~13 所示。由圖知,ln(C/C0)與操作時間 t 之關係可依微生 物增殖曲線區分為適應期(I)、對數生長期(II)和穩定期(III)。丙酮與丁 酮的ln(C/C0)與 t 之關係式及生長速率 kg值列於表 1、2。丙酮及丁酮 的生長速率kg值與物種平均進口濃度之關係,如圖 14 所示。由圖知,

kg值會隨進口濃度的增加而下降,然而,當進口濃度增加至某一濃度 後,kg值隨進口濃度增加而下降的趨勢漸趨平緩。對於丙酮物種當平 均進口濃度由50.15ppmv 增加至 313.23ppmv 時,kg值由5.467×10-2hr-1 急 降 至 1.275 × 10-2hr-1, 當 平 均 進 口 濃 度 由 313.23ppmv 增 加 至 642.25ppmv 時,kg值則由 1.275×10-2hr-1降至 2.787×10-3 hr-1。對於丁 酮物種當平均進口濃度由 48.68ppmv 增加至 202.63ppmv 時,kg值由 3.707×10-2 hr-1降至1.158×10-2 hr-1,當平均進口濃度由202.63ppmv 增 加至617.84ppmv 時,kg值則由1.158×10-2 hr-1降至2.649×10-3 hr-1。這

dt X

dX =μ⋅ (1)

(2)

(3)

(38)

(4)

(7) 結果顯示,微生物的生長會隨物種進口濃度的增加而受到抑制。在低 進口濃度時,隨著進口濃度的增加,溶入生物膜中的污染物量愈多,

使得微生物生長受污染物毒害的現象愈明顯,因此微生物的生長速率 隨著進口濃度的增加而降低。在高進口濃度時,由於溶入生物膜中的 污染物量已達到某一程度,使受到毒害的微生物量已達某一程度,致 使增加進口濃度而對於微生物毒害的效應相對地較不明顯,故微生物 的生長速率隨著進口濃度而降低的趨勢較平緩。又降解丙酮的微生物 受進口濃度增加的影響相對於降解丁酮的微生物受進口濃度增加的 影響,較為敏感。

4.1.2 穩定期

生物濾床於穩定期的反應動力,依Ottengraf(20)所提出的三種動力 模式分別為一階反應、反應控制零階反應及擴散控制零階反應,其反 應方程式分別如下:

⎟⎟

⎜⎜

⎛−

=

g i

1

0 m U

HK C

C exp

一階反應

0 g

0

0 U C

H 1 K

C C = −

反應控制零階反應

2

0 i

e 0 g

0 2m C

a D K U 1 H C

C ⎟⎟

⎜⎜

− •

= δ 擴散控制零階反應

式中C:污染物出口濃度(ppmv),C0:污染物進口濃度(ppmv),K1: 一階反應速率常數,mi:氣/液分配係數,Ug:氣體流速,K0:反應 控制零階反應速率常數,De:擴散係數,a:比表面積,δ:生物膜厚 度,H/Ug=停留時間 θ。令 k1 = K1/mi,k0 = K0,kd = (K0Dea/2miC0δ)1/2, kd為擴散控制零階反應速率常數,則(6)、(7)、(8)式可簡化成:

θ

= k1 C

ln C

一階反應

(5)

(6)

(39)

(9) θ (8)

=

0

0 C k

C 反應控制零階反應

θ

⎟⎟=

⎜⎜ ⎞

d 0

C k - C 1

擴散控制零階反應

丙酮與丁酮穩定期之出口濃度C 與滯留時間 θ 之(C-C0) v.s. θ,ln(C/C0) v.s. θ 和 1-( C/C0)0.5 v.s. θ 關係如圖 15~26 所示,三種動力模式之關係 式與相關係數R2值皆列於表 3、4。由圖知,丙酮與丁酮的三種動力 模式關係曲線皆呈現高度正相關,且相關係數R2值接近1.0,以致於 無法判斷屬於三種動力模式中的哪一種模式。為了進一步區別穩定期 中的微生物屬於哪一種動力模式,依 Michaelis-Menten 動力方程式分 析。Michaelis-Menten 方程式為:

+C

= •

s max

K C

r V (10)

式中r:反應速率(ppmv/sec),C:污染物濃度(ppmv),Vmax:最大去 除速率(ppmv/sec),Ks:飽和常數(ppmv)。當 Ks >> C 時,(10)式可簡 化成一階反應,方程式如下:

C

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

=⎛

s max

K

r V (11)

當Ks << C 時,(10)式可簡化成零階反應,方程式如下:

Vmax

r= (12)

又濾床屬於柱狀流反應器(plug flow reactor),因此(10)式又可改寫為

C K

C V V

Q C

s max

bed +

= •

d

d (13)

式中Q:氣體體積流率(m3/sec),Vbed:濾床體積(m3)。將(13)式積分,

並代入邊界值C = C0,at Vbed = 0,和 C = C,at Vbed = V,可得

s 0 max 0

0 K

C lnC Q

V V C lnC

C

C −

= •

− (14)

(40)

其中θ = V/Q,因此(14)式可簡化為

s 0 max 0

0 K

C lnC V C lnC

C

C • −

− = θ (15)

由(15)式知,(C0-C)/ln(C0/C)與 θ/ln(C0/C)呈線性關係,斜率為 Vmax, 截距為Ks 。丙酮與丁酮之(C0-C)/ln(C0/C)與 θ/ln(C0/C)關係如圖 27 所 示,(C0-C)/ln(C0/C)與 θ/ln(C0/C)之關係式及 Vmax與 Ks值列於表 5。由 表知,丙酮與丁酮之Ks值分別為30.042 和 32.428 ppmv,此 Ks與丙 酮和丁酮之平均進口濃度48.68~642.25 ppmv 相比較,不符合 Ks >> C 之ㄧ階反應模式及Ks<< C 之反應控制零階模式,故判斷丙酮與丁酮 於穩定期之生物反應動力屬於擴散控制零階反應。

丙酮與丁酮的擴散控制零階反應速率kd值列於表6 和 7,擴散控 制零階反應速率 kd值與平均進口濃度 C0之關係如圖 28 所示。由圖 知,當丙酮平均進口濃度由 50.15ppmv 增加至 502.98ppmv 時,kd值 由 3.453 × 10-2sec-1 急 降 至 8.975 × 10-3sec-1, 當 平 均 進 口 濃 度 由 502.98ppmv 增加至 642.25ppmv 時,kd值由 8.975×10-3sec-1降至 8.878

×10-3 sec-1。當丁酮平均進口濃度由 48.68ppmv 增加至 497.33ppmv 時,

kd 值由 4.695×10-2 sec-1 降至 9.223×10-3 sec-1,當平均進口濃度由 497.33ppmv 增加至 617.84ppmv 時,kd值由 9.223×10-3sec-1降至 5.847

×10-3 sec-1。此結果顯示,微生物降解丙酮與丁酮的反應速率會隨進口 濃度的增加而受到抑制,且在低平均進口濃度範圍(48.68~502.98ppmv) 的抑制效應較在高平均進口濃度範圍(502.98~642.25ppmv)明顯。

一般生物濾床的去除能力分為臨界去除能力(Critical elimination capacity)及最大去除能力(Maximum elimination capacity)。當基質之進 口負載小於完全去除能力,去除率達 100%,當進口負載大於臨界去 除能力時,去除VOCs 的能力達到穩定,去除能力不再增加,甚至可

(41)

能高於濃度的基質,而抑制微生物生長,造成去除能力下降。

濾床的有機負載與去除能力之計算分別為

W Q

Loading= C0

W Q C) EC (C0 − •

=

式中,C0:污染物進口濃度(g-C/m3),C:污染物出口濃度(g-C/m3),

Q:氣體體積流率(m3/hr),W:填充濾料乾重(kg)。丙酮與丁酮於濾 床內部的去除能力(EC)與有機負載(Load)之關係如圖 29 所示,而求 得之最大EC、臨界 EC 及直線部分關係式列於表 8,由表知,丙酮與 丁酮之最大EC 分別為 0.145 和 0.121 g-C/hr-kg packed material,即濾 床對於丙酮的去除能力較丁酮的大。

4.2 混合物種的反應動力行為

此節將分為兩部份討論:(I)丙酮進口濃度固定約 100ppmv,而丁 酮 進 口 濃 度 變 化 範 圍 為 50~300ppmv 。 (II) 丁 酮 進 口 濃 度 固 定 約 100ppmv,而丙酮進口濃度變化範圍為 50~300ppmv。探討丙酮與丁 酮兩物種混合,在對數生長期與穩定期之反應動力行為及物種間的相 互關係。

4.2.1 丙酮進口濃度固定 4.2.1.1 對數生長期

各種濃度混合之物種去除率與操作時間t 之關係如圖 30~33 所 示,而ln(C/C0)與操作時間 t 之關係,如圖 34~37 所示。依單一物種 方式計算,各種混合濃度之丙酮與丁酮的ln(C/C0)與 t 關係式及生長 速率kg值列於表9。而各種混合濃度的生長速率比(kg丁酮/ kg丙酮)列於表 10。

丙酮進口濃度固定為 100ppmv(67.86~102ppmv),丁酮進口濃度 範圍為 50~300ppmv 的生長速率比(k / k )與丁酮進口濃度之關

(42)

係,如圖 38 所示。由圖知,當丁酮進口濃度由 50 增加至 300ppmv,

生長速率比(kg丁酮/ kg丙酮)由 0.822 增至 2.374。生長速率比(kg丁酮/ kg丙酮) 與丁酮濃度C之關係式及相關統計檢定列於表 11。由表 11 知在α

=0.1,t 值大於 t(2,0.1)= 1.886,因此判斷斜率有意義,即表示生長速率 比(kg丁酮/ kg丙酮)會隨丁酮濃度的增加而增加。已知於單一物種時,丁酮 的kg值會隨進口濃度增加而降低,因而 kg丁酮/ kg丙酮比值應會隨丁酮濃 度的增加而降低,然而混合物種的的 kg丁酮/ kg丙酮比值隨丁酮濃度的增 加而增加(如圖 39),因此,可判斷丙酮的微生物生長速率會受到丁酮 的抑制,且丁酮濃度愈高,丁酮抑制丙酮降解的情況愈明顯。

4.2.1.2 穩定期

不同混合濃度有機物出口濃度 C 與滯留時間 θ 之(C-C0) v.s. θ,

ln(C/C0) v.s. θ 和 1-(C/C0)0.5 v.s. θ 關係如圖 40~47 所示,三種動力模式 之關係式與相關係數 R2值皆列於表 12、13。在丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮進口濃度範圍為 50~300ppmv,微生物分解丙酮與丁 酮的擴散控制零階反應速率kd值列於表14。

各種混合濃度的擴散控制零階反應速率比值(kd 丁酮/ kd 丙酮)列於表 15。丙酮進口濃度固定為 100ppmv,丁酮平均進口濃度範圍為 50~300ppmv 的生長速率比(kd丁酮/ kd丙酮)與丁酮進口濃度之關係,如圖 48 所 示 。 由 圖 知 , 在 丙 酮 進 口 濃 度 固 定 約 100ppmv (67.86

~102.00ppmv)中,丁酮進口濃度由 50 增加至 300ppmv,則擴散控制 零階反應速率比(kd丁酮/ kd丙酮)由 0.894 增至 1.545。擴散控制零階反應 速率比(kd 丁酮/ kd 丙酮)與丁酮濃度 C 之關係式及相關統計檢定列於表 16。由表 16 知在α=0.1,t 值大於 t(2,0.1)= 1.886,因此判斷斜率有意義,

即表示擴散控制零階反應速率比(kd 丁酮/ kd 丙酮)會隨丁酮進口濃度的增 加而增加。已知於單一物種時,丁酮的 kd 值會隨進口濃度增加而降

參考文獻

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