布袋蓮共醱酵能資源化程序開發

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布袋蓮共醱酵能資源化程序開發

陳姿璇，國立高雄第一科技大學環境與安全衛生工程系碩士賴俊吉，國立高雄第一科技大學環境與安全衛生工程系副教授周家弘，國立高雄第一科技大學環境與安全衛生工程系博士班韓長龍，國立高雄第一科技大學環境與安全衛生工程系博士班

計畫編號：EPA-98-U1U4-04-005

摘要

在都市、森林與農業廢棄物中，纖維質廢棄物約佔有40~70%，纖維素含量甚高，現今化石燃料缺乏，若能將纖維素廢棄物進行生物分解產能，利用好氧或厭氧性的生物轉化，如甲烷、氫能、乙醇或甲醇，除了達到廢棄物減量並提升生物資源的利用性，對環境更具有永續發展的潛能。

布袋蓮為南美洲外來種水生植物，因沒有天敵且行無性生殖，因此繁衍相當快速，布袋蓮吸收重金屬效率相當高，但布袋蓮本身含水率較高（90%以上），

若以焚化處理，將增加環境汙染暨成本，因此為達到布袋蓮減量化、資源化及回收再利用，本研究將以「重金屬生物溶出技術」、「厭氧醱酵程序」和「乾式兼氣醱酵程序」三大程序作開發；而布袋蓮含纖維素為較難分解之有機固體廢棄物且有吸附重金屬的能力，本研究將破碎後布袋蓮以固液分離之固體物進行乾式兼氣醱酵程序，布袋蓮過篩液以厭氧醱酵程序處置，實驗結果得知乾式兼氣醱酵程序需要以輔助基質－豆渣及厭氧醱酵之出流液，促使帶動布袋蓮有效之分解，但布袋蓮過篩液對產氫量並無加乘作用，推測因布袋蓮纖維素結構較難分解，因此將布袋蓮破碎後烘乾為粒徑0.5 mm（35 mesh）粉末狀以稀酸前處理（鹽酸 1%）

或生物性溶出程序進行前處理，以增加後續處理程序之基質利用率，以高雄第一科技大學馴養污泥進行批次厭氧醱酵程序，本研究結果以「布袋蓮生物性溶出之出流液」取20~30 g 及「輔助基質糖蜜」加入 1 g 時，可得產能最佳之組合為 20 g：1 g：102 mL（布袋蓮經生物性溶出之出流物：基質糖蜜：累積產氫量）；而在此條件下可回收醱酵系統中的乙醇約為 600~800 mg/L，乙酸約為 300~600 mg/L 及正丁酸約為 1200~1500 mg/L。

關鍵字：布袋蓮、纖維素、生物性溶出程序、資源化

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一、前言

人類長久以來依賴化石燃料（煤、石油及天然氣）作為能源的來源，科技的進步為人類帶來便利之產品，但隨著開發中國家的迅速發展，相對於能源的需求也隨之提高，使得化石燃料被開採使用的速度遠大於產生的速度，而且化石燃料的使用會排放大量的溫室氣體，引發全球性氣候變遷，造成的危害遠過人類所能想像，根據永續能源國際網路機構所提出之全球未來能源趨勢，傳統燃料如石油、煤、天然氣及核能將逐漸被可再生能源及生質能所取代，燃燒化石燃料時，

同時會釋放許多溫室氣體，提高大氣過度使用化石燃料，在過去半個世紀，二氧化碳排放造成全球氣候異常的情況，因此在 1997 年制定京都議定書（Kyoto Protocol）即是要降低二氧化碳、甲烷等。

生質能是指含有有機物的生物質（Biomass），經直接或間接轉換成能源使用，

目前生質能產生主要是以農業生質作物或廢棄物經由處理後獲得能源，因其原料取自大自然，其成本較低、來源不匱乏、不與糧食資源競爭等優點，將成為最矚目的替代能源，生質能源作物有大豆、油菜等油脂作物轉化生質柴油，及以玉米、

小麥、甘蔗轉化酒精，而廢棄物包含都市垃圾、一般性事業廢棄物、污泥、廢輪胎、有機廢液、農業廢棄物等以碳氫化合物為主要的物質。

纖維素為地球上蘊藏量最豐富的有機物，植物透過光合作用，即可大量的產生，而生質能技術發展已從第一代發展到現今第二代的生質燃料技術－纖維素，

生質能主要成分為纖維素、半纖維素和木質素，其中纖維素與半纖維素分解作有效的利用，因此，未來將纖維材料能源化方法，通常需要將纖維素材料進行前處理（如物理化學方法與生物酵素水解），接著轉化成容易醱酵作用生成各種能源物質，才可大幅提升生質能源的生產效率，因此以下對前處理技術作詳細的說明。

前處理技術（pretreatment technology）是將澱粉或纖維素經物理、化學或酵素（生物）水解處理。而纖維素不容易分解，需要以化學或生物方法水解成簡單的醣類，這些分子較小的醣類即可供其他生物利用，故本研究採用自然界中自然產生的農業廢棄物，將纖維素物質利用厭氧醱酵產生能源（如氫氣、酸醇等），

除了可降低處理成本，也可減少廢棄物的體積，如水生植物－布袋蓮，因為布袋蓮為無性生殖，生長快速，若能利用各種程序將布袋蓮有效的處理，除兼具潔淨能源生產與資源再生功能，更符合綠色生產及永續發展的理念。

二、研究材料與方法

2.1 研究架構

本研究主要以布袋蓮為基質，消化污泥以高雄第一科技大學能源中心馴養之消化槽污泥為植種來源進行厭氧醱酵程序，由於布袋蓮纖維素豐富，本研究消化

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力的梭狀芽孢桿菌(Clostridium sp.)以及兼氣菌(Bacillus thermoamylovorans)，而此菌為分解纖維素之優勢菌。

布袋蓮經過破碎處理後，可知布袋蓮不僅水份、纖維素含量較高，因此以不同前處理（固液分離之固體、布袋蓮過篩液、稀酸法或以生物性溶出程序）的方式，經處理後再進行後續厭氧醱酵程序，而固液分離之布袋蓮固體則以堆肥的方式進行，來評估是否可行，達到多元資源化，整體規劃之實驗設計架構圖如圖1 所示：

圖1 研究架構

2.2 實驗設備

z 批次厭氧產氫實驗設備如下：

1. 血清瓶：總體積 100mL，操作體積 80 mL，附橡皮塞以及中孔鋁蓋。

2. 採樣工具：以 10 mL 、50 mL 和 100 mL 玻璃注射針筒測量血清瓶內產氣量，

以氣閉式注射針抽取瓶內氣體做氣體成份分析。

3. 恆溫培養室：本實驗方法採取中溫醱酵，培養之恆溫室由內部自動控制在溫度40±1℃。

4. 培養旋轉盤：置放於 40±1℃恆溫培養室中，將血清瓶置於轉盤上，轉速設定在30±1rpm 等速度旋轉。

5. 曝氣裝置：氮氣鋼瓶；主要用於實驗前將高氮氣體充滿於血清瓶頂空處，使血清瓶瓶內呈現厭氧狀態。

6. 精密天平：DENG YNG（HR－200 型）；主要為秤量藥品與樣品。

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7. 定溫烘箱：DENG YNG（DS－45 型），溫度範圍為 40℃～210℃；主要為植種材料前處理。

8. 高溫爐：DENG YNG（DF－404 型），溫度範圍為 100℃～1200℃；主要為分析灰份用。

9. 電磁石攪拌機（與磁石）：HOT STIRRER JS－H 型。

10.氣相層析儀：Shimadzu GC－8A 型。

11.有機酸與醇分析：氣相層析儀加上火焰離子偵測器（Shimadzu GC－8A 型：

測酸類和醇類用的）。 2.3 實驗方法

1. 乾式兼氣醱酵操作條件

（1）反應設備：直立式攪拌反應槽

（2）基質來源：破碎後固液分離之布袋蓮固體

（3）添加比例：布袋蓮：副資材－（ 2：1 ）。

（4）抽氣量：1.2L-air/kg dry-solid min

（5）攪拌頻率：轉 5min：停 5min

（6）水份控制：50~60%之間 2. 厭氧醱酵操作條件

（1）植種來源：取自國立高雄第一科技大學之馴養污泥消化槽。

（2）基質來源：破碎後經前處理後之布袋蓮（含營養鹽）

（3）控制溫度：40±1℃

（4）操作體積: 80 mL (總體積 100mL ) 2.4 全因子實驗設計法

為了解兩個操作變因（以不同前處理之布袋蓮為基質濃度和輔助基質－糖蜜）對批次厭氧醱酵產氫情形，求得最佳操作策略之條件，本研究利用全因子實驗設計法進行批次厭氧醱酵，其規劃如圖 2 所示。以不同布袋蓮基質濃度和輔助基質－糖蜜濃度做搭配，基質前處理之布袋蓮加上輔助基質糖蜜及加入營養鹽

（1：80＝營養鹽：血清瓶操作體積）於血清瓶中，使反應體積或重量為 40 毫升或40 克，進行批次實驗，在反應期間監測產氣量和氫氣濃度，並分析在其各試程條件之水樣，進行基本水質分析，探討對於整體的產氫之影響。

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圖2 全因子實驗設計法 2.5 研究材料

（1）基質前處理：

布袋蓮以清水清洗，把殘留在布袋蓮本體之污泥或是河川中之污穢物去除後，再以本實驗室研發之破碎機以濕基進行破碎處理，其處理過後布袋蓮樣品如泥漿均質狀如圖 3 所示，利用篩網將布袋蓮濕基固液分離，固體物進行乾式兼氣醱酵、液體為布袋蓮過篩液，或後續以乾基進行實驗，為將破碎後布袋蓮濕基，

用坩堝秤100 克之均質狀布袋蓮濕基以 105℃烘箱經過ㄧ天水份烘乾後，再以破碎機進行破碎，把烘乾後的布袋蓮再破碎為更小的粉末狀，為可通過35 mesh

（0.5mm）篩網，爾後皆採用粒徑約為 0.5mm（35mesh）布袋蓮乾基作為基質的來源。

圖 3 布袋蓮破碎狀況圖 4 為布袋蓮乾基

（2）植種來源：

國立高雄第一科技大學之污泥消化槽，以定期(1~2 個月)加入有機質(麥粕、水果、奶粉等)於污泥消化槽中，馴養及保持污泥之活性。污泥消化槽之污泥取自台南新化畜產試驗所之消化污泥。使用植種污泥前，先於污泥消化槽取出污泥後，以30 網目之濾網過濾掉雜質，再經過 85℃

烘箱加熱3 小時熱處理後作為研究之植種來源。

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三、結果與討論

3.1 布袋蓮基本特性分析

布袋蓮為南美洲外來種無天敵，行無性生殖其繁殖能力相當快速，會造成河川阻塞淤積，過去通常把布袋蓮當成養鴨之飼料，但現今工商業發達，很多不肖業者任意排放廢水，導致河川重金屬汙染嚴重，而布袋蓮對水中重金屬有明顯的去除能力和淨化效果（譚彩云等，2009），而吸收水中有害物質（重金屬等）後的布袋蓮現在已不適合做為飼料之使用，表 1 為高雄縣阿公店溪之布袋蓮乾基不同部位之重金屬含量，表 2 為布袋蓮之基本三成份分析、粗纖維、中洗纖維以及酸洗纖維，水份大約是92~94%，灰份約為 1%，可燃份約為 5~7%，在粗纖維方面約為10.8%，在中洗纖維約為 31.5%，酸洗纖維為 22.1%，碳水化合物為 23.7%，而其有機成份為 70.6%，因此得知布袋蓮含豐富纖維素和有機成份，若能將布袋蓮資源化程序開發，不僅河川污塞以及重金屬污染可以有效的解決，更可以達到產能、資源化等附加的經濟效益。

表 1 布袋蓮乾基重金屬含量分析

Cd Cr Cu Ni Pb Zn 布袋蓮乾基

(mg/Kg) (mg/Kg) (mg/Kg) (mg/Kg) (mg/Kg) (mg/Kg) 整株 0 92 16 45 18 4255 根部 0 92 20 239 20 5053 莖部 0 35 10 40 8 1221 葉部 0 22 13 46 7 1242 備註：採樣地區為高雄縣阿公店溪

表 2 高雄縣阿公店溪布袋蓮基本特性分析

布袋蓮基本特性分析 (W/W，%)

水分 94

灰份 1

可燃份 5

粗纖維 10.8

中洗纖維 31.5

酸洗纖維 22.1

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碳水化合物 23.7

TS 6.8 TVS 70.6 TOC (g/kg) 242

COD (g/L) 70

SCOD (g/L) 15 3.2 破碎後固液分離之布袋蓮以生物法處理可行性

布袋蓮組織含有大量水分（94%），且布袋蓮本身不易去除，因此本研究將破碎後之布袋蓮，液體以 1~0.5mm 的篩網過篩，過篩後之液體稱為「布袋蓮過篩液」；而除去液體之布袋蓮固體物，以改良式乾式兼氣醱酵程序，將布袋蓮有效降解後，其堆肥後之固體物當成土壤改良劑（肥料）使用，布袋蓮減量同時兼具資源回收。在厭氧醱酵程序開發，因布袋蓮過篩液經擠壓後之過篩後液體和添加輔助基質－糖蜜來促進布袋蓮過篩液之分解，故布袋蓮過篩液和輔助基質糖蜜以全因子實驗設計成36 組，來探討布袋蓮是否能有效的分解減量；而破碎後固液分離後之布袋蓮固體可否以乾式兼氣醱酵方式堆肥，而達到最有效的開發。

3.2.1 以乾式兼氣醱酵程序處置固液分離後之固體

本實驗利用改良研發之反應設備，反應槽採用直立式攪拌反應槽（外徑 25

㎝、高 40 ㎝、厚 0.5 ㎝）槽內設立螺旋狀攪拌桿可均勻帶動物料且以電動馬達控制攪拌頻率，破碎後固液分離之布袋蓮固體和副資材－稻殼以2：1 比例人工攪拌方式進行10~20 分鐘攪拌混合，使物料充份均勻混合後，來進行好氧生物降解反應之變化，其操作條件為抽氣量 1.2L-air/kg dry-solid min 及攪拌頻率轉 5min：停 5min 以及水份控制為 50~60%之間，為最適當之操作條件，於反應進行中，在固定時間取反應槽之樣品分析，至實驗進行第15 天時，再加入輔助基質－豆渣，為促使豆渣能帶動布袋蓮有效的分解，主要討論現象則以布袋蓮經由生物降解（堆肥化）過程中，針對溫度變化、pH 值變化、水溶性 C/N 比變化進行比較，來討論其布袋蓮堆肥與其加入輔助基質－豆渣的相互影響關係。

由圖 5 當反應開始時其溫度變化並無明顯趨勢改變，為了增加其反應之菌種，增加其生物的活性，第三天並搭配加入厭氧產氫系統之出流液，但溫度並無明顯趨勢，pH 值略微跳動下降為 7.99，再慢慢上升，當第八天時，有第一個波峰出現（30.7℃），pH 值約為 8.7 之間，其推估可能是厭氧產氫系統之出流液因 含有 Clostridium sp. 產氫菌，隨著時間漸增，其產氫菌萌發而降解，因此溫度有 略微上升，其第二波峰則出現在第十四天時，因為加入輔助基質－豆渣，其溫度從 25.5℃上升至 38.3℃，在漸漸下降至 30℃附近，反應至第二十一天時其反應呈現穩定狀態，而pH 值在第十四天時，在加入輔助基質－豆渣，pH 值約從 8.8 下降至7.8 附近，而後隨著好氧生物反應槽反應漸漸上升至 pH 值約為 8.5，在生

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物降解反應過程中，pH 值變化可以代表微生物的活性，對微生物的影響主要是在酵素活性上，在生物降解初期，堆肥基質水解後，經微生物代謝分解產生有機酸等中間產物，會導致pH 值下降，而於後期 pH 上升則是因為含氮有機物經微生物分解產生氨氮，進而造成氨氮累積，而含氮有機物會分解轉變成二氧化碳揮發，且有機酸等中間產物亦會揮發，這些原因都是促使pH 值上升，因此由溫度和pH 值推測以布袋蓮固液分離之固體以乾式兼氣醱酵程序處置時，當單純只加入布袋蓮則可能因纖維素含量高而造成水解不易，雖然期間有加入菌種，但其效應並無明顯的增加，當加入輔助基質豆渣才帶動整個反應槽的反應，進而帶動布袋蓮分解，詳細說明依下列分析數據做說明，因此我們在變化趨於穩定時判斷腐熟度，其腐熟期間大約為在第二十一天為結束觀測日，即為反應結束日，因反應呈現平穩變化（pH 值 8.5）上下跳動。

圖5 乾式兼氣醱酵程序－反應時間與溫度、酸鹼值、水溶性總有機碳（TOC）、

水溶性總凱氏氮（TKN）以及碳氮比（C/N）之關係圖 3.2.2 布袋蓮過篩液對於厭氧醱酵產氫之影響

布袋蓮過篩液控制為0、4、8、12、16、20 mL 之間，輔助基質糖蜜（10%）

控制為0、4、8、12、16、20 mL 之間，全因子實驗設計進行批次厭氧醱酵產氫試驗。實驗結果得知未加入輔助基質糖蜜下，則加入布袋蓮過篩液範圍為0~20mL 皆無明顯產氫氣作用；當加入相同輔助基質糖蜜為4~20mL，若以相同輔助基質最為空白組對照，則每六組作相互累積產氫量比較其產氫效益，可知當輔助基質糖蜜為4mL 時，與空白組累積產氫量（4.2mL）則加入布袋蓮過篩液則累積產氫量會減少2~53%，當輔助基質糖蜜為 8mL 時，與空白組累積產氫量（34.3mL），

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加入布袋蓮過篩液則累積產氫量會減少48~66%，當輔助基質糖蜜為 12mL 時，

與空白組累積產氫量（73.9mL），加入布袋蓮過篩液則累積產氫量會減少 48~54%，當輔助基質糖蜜為 16mL 時，與空白組累積產氫量（68.7mL），加入布袋蓮過篩液則累積產氫量會減少7~29%，當輔助基質糖蜜為 20mL 時，與空白組累積產氫量（109.1mL），加入布袋蓮過篩液則累積產氫量會減少 46~64%。

由六組實驗對照之下可以明顯發現當輔助基質糖蜜添加越多期累積產氫量會有增加的趨勢，但布袋蓮過篩液則加入量越多，其累積產氫量有逐漸下降的趨勢，其推估原因，可能是因為布袋蓮過篩液其固體物和有機質成份較少，且本身總有機碳相當微量，因此雖然加入輔助基質糖蜜促進厭氧系統分解，但是卻無法有效的帶動布袋蓮過篩液的水解，其布袋蓮添加越多，則有抑制累積產氫量。

圖6 全因子實驗厭氧醱酵布袋蓮過篩液為基質之累積產氫量變化 3.3 不同濃度布袋蓮乾基對厭氧產氫變化之影響

本實驗後續以布袋蓮破碎後成均質狀，烘乾後在破碎成粒徑約為 0.5mm

（35mesh）粉末狀布袋蓮，以此作為後續化學生物前處理方法的基質使用，由表 3 為以不同濃度布袋蓮乾基之厭氧醱酵條件，由圖 7 觀察 150 天其發現組別 1 遲滯期約為50 天後進入對數成長期直至穩定期後，累積產氫量約為 100mL，組別 2 遲滯期約為 60 天後開始進入對數成長期直至穩定期後，累積產氫量約為 130mL，組別 3 遲滯期為 40 天後開始進入成長期直至穩定期後，累積產氫量約為150mL，經由多變量分析和多項式迴歸計算後歸納出表 3，可看出組別 1 遲滯期為47 天，組別 2 遲滯期為 65.8 天，組別 3 遲滯期為 37.7 天，比產氫潛勢 Ps 試程1、2、3 各為 3222.7 mL H2/g COD、156.3 mL H2/g COD、79.0 mL H2/g COD，

在比產氫速率Rs 試程 1、2、3 各為 8.0mL H2 /g VSS/day、19.6 mL H2 /g VSS/day、

8.2 mL H2 /g VSS/day，其累積產氫量為組別 3 較大，但 Ps 為組別 1 較大，Rs 為

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組別2 較大，在處置布袋蓮時，其處理的時間是相當重要的，時間縮短比產氫效益更為重要，因此後續進行布袋蓮相關實驗採用布袋蓮乾基濃度為 100g/L，考量本研究希望可以短時間便得到能資源化目的，而且從累積產氫量可看出布袋蓮濃度的提高是有助於遲滯期的縮短，而為了能讓實驗再現性和均質化，減少誤差，後續皆以布袋蓮乾基濃度100g/L 為最理想之布袋蓮基質濃度。

圖7 不同濃度布袋蓮乾基累積產氫表3 試程二之布袋蓮乾基濃度對厭氧產氫批次試驗結果估算表

組別

布袋蓮濃度

(%)

P (mL)

R (mL/day)

λ (days)

Ps (mL H2/g COD)

Rs (mL H2 /g VSS/day) R²

1 1.25 111.7 4.5 47.0 3222.7 8.0 0.998 2 5 227.6 11.0 65.8 156.3 19.6 0.995 3 10 221.7 4.6 37.7 79.0 8.2 0.997

3.4 布袋蓮以化學—稀酸前處理法對產氫量變化之影響

因布袋蓮纖維素水解較不易，為了使遲滯期縮短，發現利用稀酸處理除了可以減少纖維素，提高熱裂解產物中液體產量，而且會改變木質纖維的物理特性，

提高液體產量和醣類（Julien，1991）而本實驗除了物理方法（破碎後）再以化學前處理（稀酸法），試著去破壞布袋蓮纖維素的結構，讓纖維素可以快速水解成葡萄糖讓產氫菌易分解，然後再經酸化過程產生氫氣。

以固定布袋蓮乾基基質濃度（10%）分別探討不同稀酸（鹽酸）濃度對於產氫之影響。以批次實驗監測約為80 天，分別記錄不同稀酸（鹽酸）濃度的產氫狀況，稀酸以鹽酸濃度為0%、1%、5%、10%為不同的操作因子，組別為 1、2、

3、4 組，共四組來探討稀酸對於產氫的影響，由圖 8 可知最高累積產氫量為組別2（82mL），與組別 1（65 mL）不加稀酸為空白對照組，其累積產氫量可增加 26%，其次為組別 3（72 mL）與空白對照組之累積產氫量可增加 11%，而組別 4 則無產氫氣，其推測 10%鹽酸雖然對於布袋蓮有較佳的破壞程度，但由於 10%

稀酸其pH 值約為 1，對後續厭氧醱酵產氫之菌種可能造成抑制或死亡，導致無

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法產氫；除了對累積產氫量做探討之外，其可進一步探討當比產氫潛勢 Ps 以及比產氫速率Rs，亦發現相同的趨勢，其比產氫潛勢 Ps 組別 2（58.9 mL H2/g COD）

比組別1（47 mL H2/g COD）可增加 25 %，組別 3（52.6 mL H2/g COD）比組別 1（47 mL H2/g COD）可增加 12 %，而比產氫速率 Rs 則組別 1、2、3 皆呈現相同趨勢（0.1 mL H2 /g VSS/day），生物活性皆差不多，而遲滯期 λ 除了組別 4 為不產氫之外，其餘遲滯期皆為12 天左右，並無明顯差別。因此整體而言，可以推測當稀酸（鹽酸）濃度為1 %時，在厭氧產氫醱酵系統中其產氫轉化為 58.9 mL H2/g COD，其微生物的生長最佳的。

圖8 不同稀酸濃度對厭氧醱酵產氫之累積產氫量表 4 不同稀酸濃度對厭氧醱酵產氫批次試驗結果估算表

組別

布袋蓮濃度

(%)

稀酸濃度 (%)

P (mL)

R (mL/da

y)

λ (days)

Ps (mL H2/gCOD)

Rs (mL H2 /g

VSS/day)

R²

1 10 0 63.9 2.3 14.9 47.0 0.1 0.998 2 10 1 80.0 3.8 12.5 58.9 0.1 0.996 3 10 5 71.5 2.8 11.0 52.6 0.1 0.996 4 10 10 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.000 3.5 布袋蓮以生物—生物性溶出程序前處理法對厭氧產氫變化之影響

由纖維素前處理可得知用稀酸前處理為較簡易的方法，但由於現今河川中重金屬汙染嚴重，本研究含重金屬之布袋蓮，利用高效率之破碎前處理設備與技術，利用生物溶出程序將重金屬於系統中予於分離回收再利用，確保有機廢棄物是無或低濃度重金屬危害性之後，再以厭氧醱酵或堆肥方式處置，回收再利用多樣性的能資源。

3.5.1 布袋蓮生物性溶出程序後之厭氧醱酵產氫之影響

由高雄第一科技大學「陳勝一老師研究團隊」協助研發技術利用生物性溶出技術可將布袋蓮之重金屬有效溶出，因為生物性溶出在處理程序上，於馴養污泥加入硫粉作為硫氧化菌之生長基質來源，而硫氧化菌可將硫粉或還原態之硫氧化成硫酸，其馴養污泥大約pH 值在 2.0 以下時，在馴氧過程（約為 15 天）中因為

(12)

馴養槽pH 值約為 1~2，其相當於將布袋蓮做有效之前處理，且此前處理為生物性前處理，對環境衛生不會再造成二次傷害，後續再以生物性溶出之出流物為基質來探討厭氧醱酵產氫之影響。

（1）布袋蓮經生物性溶出之混合液厭氧產氫試驗

由圖可知以固定輔助基質糖蜜克數為 0~4 克再分別加入布袋蓮生物性溶出後混合液為0、10、20、25、30 克，當未加入輔助基質糖蜜而只加入布袋蓮經生物性溶出之混合液（0~30 克）時，其累積產氫量皆不到 1mL，其 Ps 比產氫潛勢隨著布袋蓮生物性溶出之混合液增加而逐漸下降，可知其布袋蓮生物性溶出之混合液並沒有促使分解產氫；而若以加入固定輔助基質糖蜜克數為空白試驗組分別以累積產氫量做比較時，則當輔助基質糖蜜固定為1 克時，與未加入布袋蓮生物性溶出之混合液比較其加入布袋蓮生物性溶出之混合液10 克累積產氫量下降 1.5

%、20 克產氫量增加 19 %、25 克產氫量增加 17 %、30 克產氫量增加 19 %；而當輔助基質糖蜜固定為2 克時，與未加入布袋蓮生物性溶出之混合液比較其加入布袋蓮生物性溶出之混合液10 克產氫量下降 5%、20 克產氫量下降 10%、25 克產氫量下降10%、30 克產氫量下降 7 %；而當輔助基質糖蜜固定為 3 克時，與未加入布袋蓮生物性溶出之混合液比較其加入布袋蓮生物性溶出之混合液10 克產氫量下降1%、20 克產氫量下降 8%、25 克產氫量下降 12%、30 克產氫量下降 3 %；當輔助基質糖蜜固定為 4 克時，與未加入布袋蓮生物性溶出之混合液比較其加入布袋蓮混合液10 克產氫量下降 2%、20 克產氫量下降 27%、25 克產氫量下降 31%、30 克產氫量下降 53%；綜合以上討論，可發現由累積產氫量之比較可推測以生質氫能而言，以「布袋蓮生物性溶出之混合液」取 20~30g，且「基質糖蜜」加入1g 時，可得產能最佳之組合為 20g：1g：77mL（布袋蓮經生物性溶出之混合液：基質糖蜜：累積產氫量）。

(13)

圖9 在相同輔助基質糖蜜克數下，添加不同克數經生物性溶出後布袋蓮混合液對厭氧產氫之影響

（2）布袋蓮經生物性溶出之濾液厭氧產氫試驗

生物性溶出之布袋蓮液體可能存在較多生物性易分解物質，經由生物性溶出之布袋蓮液體（出流液須先過濾取液體）與輔助基質－糖蜜以全因子實驗設計法進行厭氧醱酵探討，試程各25 組別，由圖可知當輔助基質糖蜜固定為 0 克時(組別為1、6、11、16、21)，觀測約經六天其累積產氫量皆不到 1mL；當輔助基質糖蜜固定為1 克時，與未加入布袋蓮生物性溶出之濾液比較其加入布袋蓮生物性溶出之濾液10 克累積產氫量增加 26 %、20 克產氫量增加 46 %、25 克產氫量增加36 %、30 克產氫量增加 27 %（組別為 2、7、12、17、22），由此可知輔助基質糖蜜的確有帶動布袋蓮分解；當輔助基質糖蜜固定為2 克時，與未加入布袋蓮生物性溶出之濾液比較其加入布袋蓮生物性溶出之濾液10 克累積產氫量增加 0 %、20 克產氫量減少 3 %、25 克產氫量減少 2%、30 克產氫量減少 33 %（組別為 3、8、13、18、23），雖然提高輔助基質糖蜜的量時，其累積產氫量有提高的趨勢，但相同加入輔助基質糖蜜2 克時，其在加入經生物性溶出之液體其累積產氫量並沒有比未加入生物性溶出之液體還要提高，甚至還略微下降，當輔助基質糖蜜固定為3 克時，與未加入布袋蓮生物性溶出之濾液比較其加入布袋蓮生物性溶出之濾液10 克累積產氫量減少 13 %、20 克產氫量減少 16 %、25 克產氫量減少33%、30 克產氫量減少 43 %（組別為 4、9、14、19、24），當輔助基質糖蜜固定為4 克時，與未加入布袋蓮生物性溶出之濾液比較其加入布袋蓮生物性溶出之濾液10 克累積產氫量減少 17 %、20 克產氫量減少 40%、25 克產氫量減少

(14)

29%、30 克產氫量減少 48 %（組別為 5、10、15、20、25），由此可知，輔助基質糖蜜提高為3 克和 4 克時，其累積產氫量有略增的趨勢，但再加入經生物性溶出之液體可明顯看出在加入越多的生物性溶出液體其累積產氫量與空白試驗組相比有明顯下降的趨勢，從實驗結果中可以明顯的推估，輔助基質有促進生物性溶出布袋蓮混合液的分解，輔助基質糖蜜添加較多其累積產氫量有增加的趨勢，但若加入過量的輔助基質糖蜜反而會抑制其產氫量，相對的過量的生物性溶出布袋蓮液體也會抑制產氫量的產生，綜合以上討論，可發現由累積產氫量之比較可推測以生質氫能而言，以「布袋蓮生物性溶出之濾液」取 20~30g，且「基質糖蜜」加入 1g 時，可得產能最佳之組合為 20g：1g：102mL（布袋蓮經生物性溶出之濾液：基質糖蜜：累積產氫量）。

圖10 在相同輔助基質糖蜜克數下，添加不同克數經生物性溶出後布袋蓮液體對厭氧產氫之影響

3.5.2 布袋蓮生物性溶出程序以厭氧醱酵產氫後之酸醇變化

本研究共分析乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸等，共七項。

將水樣分析結果，顯示各試程中只有乙醇、乙酸及正丁酸的產生，得知在以糖蜜為0 克時，添加不同克數生物性溶出布袋蓮混合液，其乙醇、乙酸及正丁酸的濃度皆無明顯的濃度(0ppm)，而在糖蜜添加 1 克時，則可以看出不同克數的生物性溶出布袋蓮混合液其乙醇在1 克糖蜜下乙醇濃度為 636ppm，而在相同糖蜜為 1g 下再加生物性溶出布袋蓮之液體為10g 時，其乙醇濃度降低為 192ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 20g 時，其乙醇濃度降低為

(15)

124ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 25g 時，其乙醇濃度降低為 58ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 30g 時，其乙醇濃度降低為0ppm；醱酵後探討其乙酸，則在糖蜜添加 1g，可以看出不同克數的生物性溶出布袋蓮混合液其乙酸濃度有相當大的變動，在1g 糖蜜下乙酸濃度為 973ppm，而在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 10g 時，其乙酸濃度降低為 139ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮混合液為20g 時，其乙酸濃度增加為 1430ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 25g 時，其乙酸濃度增加為 1552ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 30g 時，其乙酸濃度增加為 1263ppm，

在純糖蜜為 1g 再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 20g 時，其乙酸增加為 457ppm，在糖蜜為 1g 再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 25g 時，其乙酸增加為 579ppm，在糖蜜為 1g 再加入生物性溶出布袋蓮混合液為 30g 時，其乙酸增加為 290ppm，顯示出若加入 30g 布袋蓮則乙酸濃度反而增加較少，對照厭氧醱酵產氫量，則在25 試程中，在糖蜜 1g 且生物性溶出布袋蓮混合液 20g 下其產氫量比純糖蜜1g 增加 32ml，顯示出除了在產氫量方面其乙酸的產量也有促進的作用，

在添加糖蜜為2、3、4g 時，在乙酸方面呈現上下振盪的趨勢，其濃度範圍大約為200~600ppm；在厭氧醱酵後探討其正丁酸，當糖蜜為 0~4g，其正丁酸濃度分別為0、730、1350、1361、1566ppm，分別加入糖蜜 0~4g 時再加入不同克數經生物性溶出布袋蓮混合液則正丁酸濃度與單純加糖蜜濃度差不多，大約為 600~1500ppm，得知在加入不同克數的生物性溶出布袋蓮混合液對於正丁酸並沒有抑制作用亦無加乘作用。

將前段生物性溶出布袋蓮混合液進行過濾並作為反應基質使用，其次添加糖蜜作為輔助基質來進行全因子實驗規劃同樣得知在以糖蜜為0g 時，添加不同克數生物性溶出布袋蓮液體，其乙醇、乙酸及正丁酸的濃度皆無明顯的濃度 (0ppm)，而在糖蜜添加 1g 時，則可以看出不同克數的生物性溶出布袋蓮之液體其乙醇在1g 糖蜜下乙醇濃度為 21ppm，而在相同糖蜜為 1g 下再加生物性溶出布袋蓮之液體為10g 時，其乙醇濃度為 244ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮之液體為20g 時，其乙醇濃度為 126ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮之液體為 25g 時，其乙醇濃度降低為 85ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮之液體為 30g 時，其乙醇濃度為 79ppm；醱酵後探討其乙酸，則在糖蜜添加 1g，可以看出不同克數的生物性溶出布袋蓮之液體其乙酸濃度，在1g 糖蜜下乙酸濃度為 1720ppm，而在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮之液體為10g 時，其乙酸濃度為 472ppm，在相同糖蜜為 1g 下再加入生物性溶出布袋蓮之液體為20g 時，其乙酸濃度增加為 0ppm，在相同糖蜜為1g 下再加入生物性溶出布袋蓮之液體為 25g 時，其乙酸濃度增加為 94ppm，

在相同糖蜜為1g 下再加入生物性溶出布袋蓮之液體為 30g 時，其乙酸濃度增加

(16)

為1635ppm，在糖蜜為 2、3、4g 再加入不同克數布袋蓮會發現超過 20g 其乙酸濃度會有略為下降，在正丁酸濃度探討方面，加入 1g 糖蜜其正丁酸濃度為 976ppm，糖蜜 1g 加 10g 生物性布袋蓮液體正丁酸濃度 931ppm，糖蜜 1g 加 20g 生物性布袋蓮液體正丁酸濃度681ppm，糖蜜 1g 加 25g 生物性布袋蓮液體正丁酸濃度696ppm，糖蜜 1g 加 30g 生物性布袋蓮液體正丁酸濃度 550ppm，在糖蜜為 2、3、4g 時與不同克數生物性溶出布袋蓮液體在正丁酸濃度大約 1500ppm，其實驗結果與文獻相符合，在乙酸增加時其產氫量亦呈現增加的趨勢，而在丁酸方面皆有400~1500ppm，則產氫量並沒有受到抑制。

表5 經生物性溶出之布袋蓮混合液實驗分析總表布袋蓮混合

液(g) 糖蜜 (g) 乙醇 ( mg/L )

乙酸 ( mg/L )

正丁酸 ( mg/L )

累積產氫量 (mL)

0 0 0 99 0 0

10 0 0 179 0 0

20 0 0 55 0 0

25 0 0 34 0 0

30 0 0 39 0 1

0 1 636 973 730 65

10 1 192 139 710 64 20 1 124 1430 672 77 25 1 58 1552 476 76

30 1 0 1263 883 77

0 2 554 598 1350 105 10 2 524 525 1326 100 20 2 544 423 1330 95 25 2 597 352 1323 95 30 2 566 423 1465 98 0 3 702 635 1361 101 10 3 660 528 1283 100 20 3 670 391 1513 93

25 3 588 0 0 89

30 3 509 266 1496 98 0 4 908 647 1566 98 10 4 714 562 1548 96

(17)

20 4 580 0 1234 72

25 4 509 372 1224 68 30 4 446 337 1247 64

表6 經生物性溶出之布袋蓮液體實驗分析總表布袋蓮液體

(g)

糖蜜 (g)

乙醇 ( mg/L )

乙酸 ( mg/L )

正丁酸 ( mg/L )

累積產氫量 (mL)

0 0 175 0 0 0

10 0 15 0 0 0

20 0 0 79 0 0

25 0 0 0 0 0

30 0 0 0 0 0

0 1 21 1720 976 70

10 1 244 472 931 88

20 1 126 0 681 102

25 1 85 94 696 95

30 1 79 1635 550 89 0 2 809 677 1411 114 10 2 634 585 1361 114

20 2 596 0 0 111

25 2 585 305 1285 92 30 2 561 374 1157 76 0 3 807 689 1416 120 10 3 718 623 1401 104 20 3 727 454 1509 100 25 3 815 395 1337 81 30 3 629 332 1264 69 0 4 881 710 1687 123 10 4 831 542 1511 102 20 4 758 574 1415 74 25 4 701 399 1398 87 30 4 660 345 1317 63

四、結論

(18)

1. 本研究以採用不同前處理(固液分離、稀酸前處理以及生物性溶出程序) 之布袋蓮分別進行－乾式兼氣醱酵和厭氧醱酵產氫程序。

2. 固液分離之布袋蓮固體物－乾式兼氣醱酵方式進行，若只加入布袋蓮因其布袋蓮纖維含量豐富，不易被生物降解，因此第14 天加入輔助基質

－豆渣，由溫度和pH 皆可看出有明顯降解。

3. 固液分離後之布袋蓮過篩液和 10%輔助基質糖蜜分別進行厭氧產氫實驗，因布袋蓮過篩液其固體物和有機質成分較少，雖加入輔助基質卻無法帶動促使分解，布袋蓮過篩液添加越多，其累積產氫量會有抑制作用。

4. 後續以布袋蓮破碎後烘乾為粒徑 0.5mm（35mesh）粉末狀之布袋蓮，

做為前處理之基質使用。布袋蓮乾基最佳操作基質濃度為100 g/L。

5. 布袋蓮乾基（100 g/L）為基質最佳稀酸前處理濃度為 1%時，其厭氧產氫醱酵系統基質轉化率為 58.9 mL H2/g COD。

6. 以「布袋蓮生物性溶出之出流物」取 20~30g，且「輔助基質糖蜜」加入 1g 時，可得產能最佳之組合為 20g：1g：102mL（布袋蓮經生物性溶出之出流物：基質糖蜜：累積產氫量），且TOC（總有機碳）降解率較高。

7. 經生物性溶出程序之出流物進行厭氧醱酵，酸醇皆有產生，其乙酸濃度範圍約為200~600mg/L，正丁酸濃度範圍為 0~1600 mg/L。

五、誌謝

承蒙環保署(EPA-98-U1U4-04-005)研究經費贊助與衛司特股份有限公司提供相關研究設備，俾利本研究計畫得以順利完成，特此感謝。

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