中華大學碩士論文

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中華大學碩士論文

題目：利用固定化菌株在氣舉式反應器處理丙酮廢氣之研究

系所別：土木與工程資訊學系碩士班學號姓名：M09204048 陳信樺

指導教授：黃思蓴博士

中華民國九十五年二月

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摘要

本研究主要在探討隔板式內循環氣舉式反應器應用於處理丙酮廢氣時之相關設計，以及操作特性中上升區氣體滯留量、總氣體滯留量、下降區液體速度及氧氣質量傳送係數等有關之水力及質傳係數，

並在最後進行丙酮廢氣處理之測試。在氣舉式反應器設計上，明確設計四大特性區域，可利於反應作用的完整；高的上升區縱橫比設計（操作縱橫比約為 9），可以提高氣舉式反應器氣-液質傳效率及空床停留時間。總氣體滯留量（



），在氣流量 80 L/min，不含顆粒的條件下，

最大值約為 0.098，而顆粒含量的增加對於總氣體滯留量較無明顯之影響，僅使總氣體滯留量稍微減少。然而，不含顆粒的條件下，上升區氣體滯留量（



_gr）最大值約為 0.155；顆粒含量的增加將造成上升區氣體滯留量隨之減少。下降區液體速度（



_ld）在供氣量 80 L/min 與顆粒含量 1L 條件下，為 0.3039 m/s。氧氣質量傳送係數（

k

_L

a

）值在氣流量 80 L/min，沒有顆粒的含量條件下，最大約為 0.0646 s^-1。由於顆粒含量的改變會導致上升區氣體滯留量隨之變動，亦造成反應器其他操作條件之改變。因此，當進行相關生物降解污染物的操作時，

應需考量其顆粒填充量，以獲得最佳操作條件。在進料負荷 3.84 g m^-3 solution h^-1（或 35.5 g m^-3顆粒 h^-1）下。丙酮的處理能力（EC）為，

3.79 g m^-3solution h^-1（或 35.0 g m^-3顆粒 h^-1），反應效率（RE）維持約在 98.95％，證實本研究所設計之氣舉式反應器已初步確定其具有處理 VOCs 之功能。

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謝誌

承蒙恩師黃思蓴教授及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，又蒙沈克鵬博士、林昀輝博士及吳建一老師多方不吝指正，在此一併感謝。

研究期間，蒙學長盧宜含及彭康洪的鼎力相助，同窗好友輝政及宏源於實驗室的相互扶持，學弟妹國書、冠筠、姿妤、欣怡及正錦的協助和母親及哥哥長久以來的支持，在此一併感謝。

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表目錄

表 1 常見的 VOCs 種類... 35

表 2 丙酮之物理化學性質... 36

表 3 VOCs 的處理方法比較表... 37

表 4 Composition of acetone degradation medium. ... 38

表 5 氣相色層分析儀之操作條件... 39

表 6 各種顆粒含量與氣流量下所得之



_gr值... 40



值... 40



_ld值 ... 41

k

_L

a

值... 41

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圖目錄

圖 1 『利用固定化菌株在氣舉式反應器處理丙酮廢氣』之研

究方針... 3 圖 2 VOCs 處理方法分類... 42 圖 3 聚丙烯醯胺（polyacrylamide, PAA）固定化聚合物結構

式圖... 42 圖 4 氣舉式反應器裝置圖... 43 圖 5 在不同顆粒含量下，上升區氣體滯留量



_gr與上升區空床

氣體速度

u

_gr之關係... 44 圖 6 在不同供氣量下，上升區氣體滯留量



_gr與顆粒含量之關

係... 44 圖 7 在不同顆粒含量下，總氣體滯留量



與上升區空床氣體

速度

u

_gr之關係... 45 圖 8 在不同供氣量下，總氣體滯留量



與顆粒含量之關係... 45 圖 9 在顆粒含量 4 L 及供氣量 5 L/min 下，下降區酸鹼追蹤劑

pH 值與時間之關係... 46 圖 10 在不同顆粒含量下，下降區液體速度



_ld與空床氣體速度

u

gr之關係 ... 46 圖 11 在不同供氣量下，下降區液體速度



_ld與顆粒含量之關係.... 47 圖 12 在不含顆粒及不同供氣量下，溶氧濃度與時間 T 之關係 .... 48 圖 13 (1～4) 在不含顆粒且不同供氣量下，

ln((C_L*-C_L)/(C_L*-C_Lo))對時間 T 之關係 ... 49 圖 14 在不同顆粒含量下，氧氣質量傳送

k

_L

a

與上升區空床氣體

速度

u

_gr之關係... 50 圖 15 在不同供氣量下，氧氣質量傳送

k

_L

a

與顆粒含量之關係：

在各種供氣量下溶氧濃度與時間 T 之關係 ... 50 圖 16 在菌體顆粒含量 4 L，氣流量 10 L/min，丙酮平均進口濃

度 110 ppmv 下，丙酮去除與時間關係 ... 51

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第一章、研究緣起

近年來高科技產業迅速發展，已成為我國在經濟上的主要產業。

在半導體產業許多製程（如微影、蝕刻、擴散、蒸鍍）及常規的機台維修保養中常需用到大量的揮發性有機溶劑，如丙酮、丁酮、異丙醇、

甲苯、二甲苯、氯仿、三氯乙烷等溶劑，若該揮發性有機化合物

（Volatile Organic Compounds，VOCs）使用不當，則會逸散、洩漏，

由煙道排放至環境中，對環境及人體均會造成影響。根據歷年園區工廠採樣結果顯示，對於積體電路及光電產業所排放之主要污染物，以異丙醇和丙酮為主。兩者對於排放總量的貢獻程度大約 50～80％左右（張書豪等人^[1]）。而高濃度丙酮氣體將造成頭痛、虛弱、困倦、

噁心，若長期接觸暴露可能會造成皮膚病變及方向感方面之機能障礙。

一般以物理化學方法處理揮發性的有機廢氣雖然效果好，但成本較高且可能有產生二次污染的問題，故近年來生物處理法，如生物濾床（biofilters）、生物洗滌塔法（bioscrubbers）、生物滴濾塔（biotrickling filters）的使用，備受關注。即使生物處理法具低成本、高處理效率及無二次污染之優點（Jorio et al.^[2]），但長期操作下不免會產生一些問題，如在生物濾床中濾料的老化、阻塞、乾燥及 pH 值不易控制等問題；在生物滴濾塔則有填充料阻塞、操作上較困難等問題；而在生物洗滌塔則有灑水器易阻塞、不適合處理疏水性的物質且產生之污泥需再處理。

就氣舉式反應器而言，其內的懸浮微生物並非如生物濾床及生物滴濾塔附著於濾料上而形成生物膜，因此不會有濾床阻塞的情形，且由於此反應器的氣–液混合效果較好，易使氣狀污染物於液相中擴

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散、吸收，而藉由懸浮微生物的降解達到分解去除的效果。此外，氣舉式反應器另一項最大的優點，即是反應器的型式可以為瘦高的柱狀型，實際佔地面積較一般傳統式的生物處理法為小。由於台灣地區的工廠可利用之土地非常有限，傳統式生物處理法又有阻塞的問題，因此，在本研究中將選用瘦高型之氣舉式反應器進行丙酮廢氣處理之研究。

此外，考慮到半導體產業 VOCs 的排放特性（低濃度且大風量），

利用氣舉式反應器亦將遭遇到風量負荷過高的問題，就目前園區現況各廠大多使用沸石轉輪濃縮技術搭配蓄熱式焚化爐（林育旨等人

[3]），在進入蓄熱式焚化爐前風量均己經過沸石轉輪濃縮技術而大幅降低，使用氣舉式反應器將可取代操作成本較高的蓄熱式焚化爐。但經過沸石轉輪所產生的廢氣濃度相當高，可能會對反應器內的懸浮微生物造成毒害或抑制。而近年來許多研究證實固定化技術具有保護菌體、穩定性高和防止菌體的流失等優點，因此可解決如上所述之問題。故本研究將採用 PAA 及 PVA 固定化技術包埋菌體，填入氣舉式反應器以評估處理丙酮的可行性。期望以合併系統（固定化菌體技術與氣舉式反應器的結合）有效解決半導體產業所排放 VOCs 的問題。

本研究中所採用之氣舉式反應器為隔板式內循環氣舉式反應器，其尺寸設計上參照賀遵火^[4]研究中所提縱橫比影響反應器氣－液質傳速率與質傳時間。為期望能充分瞭解反應器之操作特性與對 VOCs 的降解能力，本研究將分為兩階段進行：(1)反應器之水力與質傳特性行為研究；(2)在將獲得的操作條件下進行氣舉式反應器生物降解丙酮可行性研究。本研究之方針，如圖 1 所示。

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圖 1 『利用固定化菌株在氣舉式反應器處理丙酮廢氣』之研究方針

氣舉式反應器系統瞭解

氣舉式反應器操作

氣體流量之影響 操作因子探討

分析項目：

丙酮濃度 硝酸鹽濃度

測定項目：

•

^{氣體滯留量}

•

^液體速度

•

^{D.O. (k}La) 先前實驗室研究成果

顆粒含量之影響

氣舉式反應器 丙酮降解能力測試

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第二章、文獻回顧

2.1 丙酮的簡介 2.1.1VOCs 的定義

根據行政院環保署於民國 86 年 2 月所訂定發布的"揮發性有機物空氣污染管制及排放標準"，對於揮發性有機物（Volatile Organic Compounds, VOCs）的定義係指有機化合物成分之總稱，但不包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳化物、碳酸鹽及碳酸銨等化合物。

常見的 VOCs 種類，如表 1 所示（Khan and Ghoshal^[5]）。

2.1.2VOCs 廢氣的排放源

一般 VOCs 的來源非常複雜，但可以簡單地區分為固定污染源與移動性污染源二種。前者，通常由工廠貯存槽、反應器製程管件及排放之廢水等逸散、洩漏或揮發至環境中，例如由製程直接排放（電子工廠、表面塗料業、印刷業、煉油廠、農藥製造業、皮革業、食品業及半導體製程業等）、溶劑使用、污水處理廠及垃圾掩埋廠等；後者，

例如交通工具（汽、機車）廢氣的排放，這也是都會區 VOCs 污染的主要來源。

2.1.3VOCs 廢氣的危害性

VOCs 進入人體的途徑，包括：食入、接觸及呼吸等三種途徑。

人體若長時間在無保護設施下與其接觸或經由呼吸吸入體內，則會導致呼吸道、肺、腎、肝及神經系統等多處發生病變。VOCs 對人體不但有害，對環境也會造成影響。因此，對於 VOCs 排放之有效控制及處理實為目前最重要的課題。

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2.1.4 新竹科學園區半導體產業排放有機溶劑之現況

隨著新竹科學園區的設立，帶動了台灣的經濟發展，但也造成了環境上的污染。特別是半導體製造業在製造過程中，易造成大量揮發性有機化合物的逸散，排放進入周遭大氣環境中，其成份絕大部份屬於有害性空氣污染物（hazardous air pollutants, HAPs）。為了加強管制 VOCs 之排放，環保署分別於 86 年 2 月及 88 年 1 月公告"揮發性有機物空氣污染管制及排放標準"及"半導體製造業空氣污染物管制及排放標準"，以期達到 VOCs 排放減量之目標；其中丙酮排放標準為 15 ppm（中華民國環保法規^[6]）。由此可見，解決空氣污染的問題實為一急迫之課題，而我國對於高科技產業所產生之污染也越來越重視。由於丙酮為園區工廠常用之擦拭及清洗溶劑，丙酮遂成為園區內主要空氣污染物之一。

2.1.5 丙酮廢氣的特性及其對人體之影響

丙酮（acetone）為最簡單的酮類化合物，也稱為乙烷酮（dimethyl ketone）、甲基酮（methyl ketone）或二丙酮（2-propanone）。丙酮為無色高揮發性之液體，氣味帶有特殊甜味及薄荷味，易燃燒且會產生刺激性的蒸氣，具有毒性與麻醉性，易溶於水及常見的有機溶劑（乙醚、氯仿、乙醇及大部分的油類）中。其物理性質與醛類化合物相似，

有關丙酮之物理化學性質，如表 2 所示（物質安全資料表^[7]）。

丙酮廢氣主要由塑橡膠業、石油化學業、表面塗裝業、電子業及半導體製程業等處所產生。工業用途可作為油漆、化學品、瓷漆等之溶劑；去光水、醋酸纖維之紡織溶劑；碘化鉀和高錳酸鉀的溶劑以及精密儀器之清潔劑等，用途甚廣。

關於丙酮對人體健康之危害性，可分為急性與慢性，如下所述：

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(1) 急性：

吸入：於高濃度下（約 1,000 ppm）會對鼻和咽喉造成輕微的刺激，在極高濃度下（大於 1,000 ppm）可能造成頭痛、虛弱、困倦、噁心、酒醉及嘔吐等症狀，濃度更高時會造成虛脫與昏迷，

甚至導致死亡。

皮膚接觸：直接接觸可能會造成輕微的刺激。

食入：會刺激咽、食道及胃。

(2) 慢性：

長期接觸暴露：可能會造成皮膚病變（如皮膚脫脂與發炎）及方向感方面之機能障礙。此外，暴露於丙酮下，會增加氯化溶劑（1,1- 二氯乙烯）的肝毒性。

2.2 丙酮廢氣的生物處理方法 2.2.1VOCs 的處理方法

一般揮發性有機化合物廢氣處理方法種類，如圖 2 所示（Khan and Ghoshal^[4]）。主要分為：(1)物理處理法：吸附法（adsorption）、冷凝法（condensation）、吸收法（absorption）；(2)化學處理法：焚化法（incineration）、臭氧氧化法以及(3)生物處理法（biofiltration）等。

表 3 為 VOCs 之物理化學處理方法與生物處理法的優缺點解析（Khan and Ghoshal^[5]）。在經濟考量上，一般低濃度廢氣（＜10~20 mg C/m³）適合以活性碳吸附處理，中高濃度廢氣（500～5,000 mg C/m³）則以觸媒焚化較為經濟，高濃度廢氣（＞5,000～10,000 mg C/m³）則可以利用熱焚化法、冷凝法或活性碳吸附法回收處理（陳良誌^[8]）。但對於半導體製程所排放之廢氣而言，若欲達到高處理效率則需花費高額的設備費及操作費用，且尚有二次污染與副產物之產生問題。

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生物處理方法之適用對象，是以可被微生物作用分解氧化之 VOCs 為主。目前已知可生物處理之污染物包含：碳氫氧組成之各類有機化合物、簡單有機硫化物及有機氮化物等物質。生物處理方法對於低濃度 VOCs 之處理特別有效，且較洗滌法、吸收法及焚化法經濟，且無二次污染問題。早期生物處理方法使用生物過濾法以處理惡臭物質（如硫化氫）為主，其濾料使用上也僅為單一種介質，發展至今，填充介質也逐漸發展成多種介質混合，類似的反應器，如滴濾塔法及生物洗滌法等也發展出來，而且處理之 VOCs 種類也由單一廢氣擴充為混合廢氣處理。另外，利用特殊菌種以進行廢氣處理之研究也逐漸增加。

2.2.2 微生物分解丙酮之相關研究

丙酮（acetone）為具毒性之有機化合物。儘管其具毒性，其也可能藉由微生物分解烯類（alkenes）、烷類（alkanes）及二級醇類

（secondary alcohols）等化合物之代謝過程中產生（中間代謝產物），

作為微生物生長之碳源及能源。例如，藉由某些微生物分解丙烷及異丙醇過程中，會產生之中間代謝產物（丙酮），可作為許多好氧菌

（Lukins and Foster^[9]；Vestal and Perry^[10]）及厭氧菌（Siegel^[11]； Bonnet-Smits et al.^[12]）之生長基質。

Sluis et al.^[13]利用革蘭式陰性好氧菌 Xanthobacter strain Py2 於批 次試驗中，進行分解代謝丙酮。實驗結果顯示於 1 小時後可完全分解 15 μmol丙酮。此外，若於異丙醇作為碳源下培養 Xanthobacter strain Py2，於批次實驗中也能快速的分解丙酮。

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2.3 氣舉式反應器及相關廢氣處理之研究

自從 1940 年以來，對於好氧發酵製程之生物反應器需具有良好的氣-液質傳效果。氣舉式反應器於任何製程上皆能提供高的混合與質傳效果，高流體循環速率、混合時間短以及低剪應力（shear）速率且因構造簡單、操作容易、設備與操作成本低，使得氣舉式反應器運用於化學工程與生物技術上，受到關注。其運用的領域，如有機物的合成、廢水生物處理以及發酵生產（啤酒、醋、檸檬酸）（Hinks et al.^[14]）。

2.3.1 氣舉式反應器的構造與種類

氣舉式反應器主要是由上升區（riser）、下降區（downcomer）、

氣-液分離區（gas-liquid separater）以及基底（base）等四個部份構成。這四個區域將反應器區分成向上及向下流動兩部份，以產生循環迴路。通常輸入氣體的區域稱為上升區域，在此區域內氣-液向上同向流動，造成較大的氣體滯留量，且為氣-液質傳最佳的地方。當流體離開上升區域的頂端，即進入氣-液分離區。然後，藉由上升區域與下降區域之平均密度差或靜壓力差（Shimizu et al.^[15]），而使得流體流入下降區域。當流體達底端時，隨即通過基底再進入上升區域。

因此，在反應器中會產生連續循環的流動現象，其循環及混合效果佳，無機械攪拌，可減少動力輸入外，其剪應力也較小。

一般氣舉式反應器依循環方式主要分為內部循環式以及外部循環式兩種類型（Chisti^[16]），分別簡述如下：

(1) 內部循環式（internal loop）

其定義乃利用反應器中之區隔物（如同心圓管或擋板）以提供不同的流體流動型式。而在大部分的設計中，氣體由內管通入，因此內

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部導流管成為流體上升區域。此外，氣體亦可由內管及反應器管壁之間的環狀區域（annulus）通入，使內部導流管成為流體下降區域，此可增加熱傳效果，減少氣泡的產生。

(2) 外部循環式（external loop）

外部循環式主要由兩管柱平行排列，藉由頂端與底部相互連接相通成一管狀迴路。兩平行管的管徑不同，較大管徑者往往作為流體上升區域，而管徑較小則為流體下降區域。

2.3.2 影響氣舉式反應器操作之因素 (1) 氣體流速

氣體流速的大小會影響氣體於反應器中的滯留時間。當氣體流速增加，氣體滯留時間會縮短，對於非極性不易溶於液相之氣體而言，

會造成氣體進入液相之質傳擴散速率下降，進而影響廢氣去除的效率。Ensley et al.^[17]利用氣舉式反應器處理三氯乙烯（trichloroethylene, TCE）氣體。在菌量密度為 5×10⁸～5×10⁹cells/ml 且酚進料基質為 0.1

～1.0 g/liter day 之間時，實驗結果顯示 TCE 去除率可達 85～95％；

而當氣體流速由 100 ml/min 提高為 350 ml/min 時，則 TCE 去除率會下降至 60％。此結果顯示在高氣體流速下，反應器質傳效率會限制 TCE 氣體的去除率。

(2) 進氣濃度

由文獻得知入流基質濃度的變動會影響操作效率。Ensley et al.^[17]

以氣舉式反應器處理 TCE 氣體，在固定酚之進料濃度、氣體流速（100 ml/min）及菌體濃度條件下，逐漸增加 TCE 氣體濃度。實驗結果顯示前 24 小時內微生物能分解 TCE 達 90～95％，但在操作 24 小時後 TCE 去除率會快速下降，此可能由於酚酵素 hydroxylase 活性下降及

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高濃度 TCE 氣體對菌體具毒性等影響，而造成去除率的下降。

2.3.3 氣舉式反應器在廢氣處理上之相關研究

氣舉式反應器將氣狀的污染物由塔底注入反應器中，藉由良好的氣-液混合與質傳效果，將污染物混入反應器液相中，再由微生物分解。Ensley et al.^[17]利用 Pseudomonad cepacia G4 於氣舉式反應器中處 理三氯乙烯（trichloroethylene, TCE）廢氣，藉由增加酚共代謝基質之添加速率，以預防或延緩菌體活性的下降，約可去除 300～4,000 μg/l之 TCE，去除效率可達到 90～95％。

吳奕禎^[18]利用廢水處理廠之活性污泥於氣舉式生物反應器中進行甲苯與丙酮廢氣處理之研究。得知在氣體流速 0.35～2.12 cm/s 及進料濃度 0.16～4.05 g/m³範圍內，甲苯去除率可達到 80～90％；丙酮去除率在任何濃度與流速下，皆可達到 99.5％以上，顯示氣舉式生物反應器適合處理易溶於水之污染物質。報告中亦提及反應器中液相溶氧值會隨進氣濃度增加而減少。

Harding et al.^[19]利用外循環氣舉式生物反應器（ELAB）來捕獲與降解來自受污染空氣流中之甲苯。受汙染空氣利用間歇噴注進入生物 反應器的方式，來使 Pseudomonas putida 適應甲苯，而後在 15 mg dm^-3 的甲苯濃度與 35 mg dm^-3 h^-1負荷率下，連續噴注受甲苯污染之空氣，

可以達到 100％捕獲效率及生物降解率；而在較高的濃度與負荷率 下，僅部份被降解。此時，P. putida 培養在甲苯上的最大比生長速率 僅 0.05 h^-1。

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2.4 微生物固定化方法 2.4.1 固定化方法與材料

固定化微生物細胞為將具有活性的微生物細胞固定於擔體材料的表面或內部，使細胞聚集在有限的空間中。固定化的方法大致分為：(1)自然吸附固定化法（self-attachment immobilization）以及(2) 人工固定化法（artificial immobilization）（Cohen et al.^[20]）。

自然吸附固定化法是指在人為提供的適當環境下，微生物細胞自然附著或凝結於擔體表面或於多孔擔體內部生長，而形成生物膜。而人工固定化法包括：共價鍵結法（covalent bonding）、共價交聯法（covalent crosslinking）、微膠囊包覆法（microencapsulation）

以及包埋法（entrapment）等。其中又以包埋法最為常用。

微膠囊包覆法為利用將微生物侷限於膠囊內，微生物可在膠囊中自由移動，基質滲透入膠囊中而被消耗。共價鍵結法為利用微生物與擔體之間的共價鍵接合。一般使用不同的交聯劑以利微生物與擔體物質之間的鍵結。共價交聯法為利用雙或多官能基之反應劑與微生物細胞相互交聯在一起，以形成具複雜的三維大分子交聯結構之固定化物質。而包埋法將微生物包埋於天然或合成高分子擔體基材（matrix）

中，其擔體基材孔洞需比微生物細胞小，以防止微生物細胞由孔洞洩漏流失，但孔洞又必需大至基質能滲透入擔體內供微生物生長。

一般固定化材料可分為天然與人工合成物質。天然物質如褐藻膠

（alginate）與紅藻膠（κ-carrageenan）主要由海藻中取得。天然聚合物一般藉由冷卻與/或含不同離子溶液混合接觸作用，以引起凝膠化成固定化聚合物。已有相關研究指出天然聚合物機械強度較脆弱，顆粒易破裂，但擴散性較合成聚合物好（Leenen et al.^[21]）。另一方面，

合成聚合物乃由不同化學或光化學反應以引起凝膠化。目前已有許多

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合成材質使用於包埋微生物，如聚丙烯醯胺（polyacrylamide, PAA）、

聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）、聚丙二醇（polypropylene glycol, PG）等。天然聚合物之物理穩定性較合成聚合物低，所以本研究考慮以合成之聚合物 PAA 及 PVA 作為處理丙酮氣體之固定化材料。以下介紹 PAA 及 PVA 材料特性與相關應用。

2.4.2 聚丙烯醯胺固定化材料之特性與相關應用

聚丙烯醯胺（polyacrylamide, PAA）為丙烯醯胺聚合而成線狀的聚合體，如圖 3 所示。其一般使用，可作為黏合劑、塗料、紙及纖維的增強劑，以及廢水處理上之污泥凝集促進劑。

PAA 為一種廣泛使用於固定化細胞之固定化物質，其 PAA 膠體顆粒具多孔性且無毒性。然而，丙烯醯胺單體、交聯劑（BIS）以及加速劑（TEMED）等化合物均具毒性，且聚合反應進行時會產生高溫（約 80 ℃）因而損壞菌體及酵素活性。

在 PAA 的相關研究上，Chen et al.^[22]將 Candida tropicalis 固定化 於 PAA 中以進行酚廢水的處理，結果顯示當進料酚濃度為 4,000 與 5,000 mg/l 時，分別於 5、10 天內皆可達到超過 95％之酚去除率。在進料酚濃度為 5,000 mg/l 時，酚最大分解速率可達到 7.68 g/l-day。

2.4.3 聚乙烯醇固定化材料之特性與相關應用

聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA），是由醋酸乙烯單體經聚合、

鹼化而成的水溶性樹脂。PVA 不具毒性，對人體無害，成型容易，

機械強度高，且是價格低廉可大量生產的工業化高分子材料。因此，

適合作為固定化菌體或酵素的擔體材料。

近年來已有成功開發出 PVA 磷酸酯化法製備固定化菌體顆粒之

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Lin and Chen^[24]利用在無氧條件下固定化顆粒內部會形成無氧區

（anoxic zone）與厭氧區（anaerobic zone）之微環境的特性，將馴養後的脫硝菌及甲烷菌同時包覆於 PVA 顆粒，顯示 PVA 微生物固定化技術可同時包埋多樣化的菌體。Chen et al.^[25]應用於 CSTR 反應器中同時去除合成廢水中的 COD 與氮化合物。Chen et al.^[26]以 PVA 固定化菌體去除含氮染料廢水之色度。

2.4.4 固定化微生物處理廢氣之相關研究

廢氣生物處理一般以吸附方法將菌體固定化於濾料擔體（如堆肥、泥碳土）上，以進行生物分解廢氣。彭康洪^[27]利用含硝酸鉀營養源之 PVA/泥炭土/活性碳人工濾料之擔體吸附微生物進行去除丙酮、

丁酮和甲基異丙酮，而其最大去除能力分別為 0.157、0.127 和 0.101 g-C/hr-kg packing。

較少有利用包埋法將菌體固定化以進行廢氣處理。Chung et al.^[28]

將 Thiobacillus thioparus 包埋於褐藻膠鈣顆粒中，於最適進料硫離子 負荷 25 g S/m³h 下，其硫化氫可達到大於 98％的去除效率，且於 12 個不同負荷量變化下，系統中 pH 值變化不大，顯示顆粒內菌體顯現出高的適應性。

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第三章、材料與方法

3.1 實驗材料與設備 3.1.1 實驗藥品

丙烯醯胺購自 Acroso organics 公司，N,N,N’,N’-四甲基亞乙烯二胺（N,N,N’,N’-tetramethylethylenediamine, TEMED）及 N,N’-亞甲基雙丙烯胺（N,N’-methylenebisacrylamide, BIS）之電子級交聯劑均購自 SIGMA 公司。褐藻膠鈉（Na-alginate）購自和光公司。聚乙烯醇是由長春石化公司提供。丙酮為電子級購自 J.T.Baker 公司，硝酸鹽測試組（Aquamerck Nitrate test）購自 MERCK 公司，過硫酸銨

（Ammonium peroxidisulfate）購自聯工公司，其他藥品皆為試藥級以上。

3.1.2 實驗器材與儀器

1. 分光光度計（UV-VIS spectrophotometer）：DR/4000 U，HACH，

Colorado，USA。

2. 離心機（automatic refrigerated centrifuge）：U-32R，BOECO，

Hamburg，Germany。

3. 迴轉式恆溫震盪培養箱（orbital shaker incubator）：DENG YNG，

Taipei，Taiwan。

4. 微電腦酸鹼度計（microprocessor pH/ORP meter）：SP-2200，

SUNTEX，Taipei，Taiwan。

5. 手提式溶氧測定器（handheld oxygen meter）：Oxi 340i，WTW，

Weilheim，Germany。

6. 反射式光度計（reflectometer）：RQflex Plus，MERCK，Whitehouse

(25)

7. 蠕動幫浦（micro tubing pump）：MP-1000-H，EYELA，Tokyo，

Japan。

8. 氣相層析儀（Gas-Chromatography）：8900，China Chromatography，

Taipei County。

9. 石英毛細層析管（Fused Silica Capilary Column）：SPB-5（15 m, 0.53 mm, 3.0 μm film thickness），Supelco，Bellefonte, Pennsylvania。

10.電腦軟體分析工具：LabVIEW 7 Express，National Instruments，

Austin，Texas。

3.2 菌株來源

本研究所選定之菌株是由相關文獻中找出一株丙酮分解菌株 Thiosphaera pantotropha（或稱為 Paracoccus pantotrophus）以進行試 驗研究。T. pantotropha 為由新竹市食品工業發展研究所生物資源保 存及研究中心（Food Industry Research and Development Institute, Bioresource Collection and Research Center）購得，菌種編號為 ATCC 35512。

(1) 菌株活化與保存

前培養（preculture）與培養：菌液接種至內含 100 ml 前培養基

（培養基組成，如表 4(a)所示）的 500 ml 有溝槽之錐形瓶裡，在培養溫度為 30℃，轉速為 150 rpm 下，震盪培養 24 小時。反應器實塔操作用丙酮降解培養基組成如表 4(b)所示。

菌種保存方法為採用繼代培養方法與低溫保存方法。繼代培養方 法為將純菌 T. pantotropha 以平板法培養一天後，置於 4℃環境下保 存約 1 個月。藉由替換固態培養皿，以重複進行培養達到菌種保存之目的，而低溫保存方法為將菌液與甘油（glycerol 溶液濃度為 20％）

(26)

以 1：1（v/v）混合注入 2 ml 之冷凍離心管中，並置入-20℃進行保存。

3.3 丙酮分析方法

3.3.1 氣/液相丙酮檢量線建立

為了得知分析時所採集樣品的實際丙酮濃度，需先建立經 GC/FID 分析所得的丙酮波峰面積值與實際氣/液相丙酮濃度大小關係之檢量線。以下將簡述氣/液相丙酮檢量線之建立方法：

(1) 氣相丙酮檢量線之建立

取定量體積之丙酮液體注入 10 L 之鐵氟龍採氣袋中，將鐵氟龍採氣袋置入 70 ℃烘箱中加熱 1 分鐘，使丙酮液體完全揮發成氣體。

再利用自動採樣器抽取採氣袋內之氣體樣品，注入 GC/FID 中進行分析，讀取特定時間出現之丙酮波峰面積值。改變丙酮液體體積，重複上述步驟。將測得之波峰面積值與已知分析之丙酮氣體濃度作圖，經線性回歸後即得到丙酮氣體檢量線。其 GC/FID 之操作條件，如表 5 所示。

(2) 液相丙酮檢量線之建立

將已知濃度之丙酮水溶液注入 250 ml 之棕色氣密瓶中，並置入 30℃之恆溫震盪培養箱中，在轉速 150 rpm 下，震盪 30 分鐘，使氣密瓶中丙酮完全均勻混合。將樣品與 0.5％正丙醇（propyl alcohol：

作為內標準物）以 1：1（v/v）混合，置入 2 ml 離心管中，再以 6,000 rpm 轉速離心 10 分鐘。再利用液針抽取離心管中 0.5 μL的上澄液，

注入 GC/FID 中進行分析，讀取特定時間出現之波峰面積值。改變丙酮樣品濃度，重複上述步驟。將測得之丙酮波峰面積值與已知之丙酮濃度作圖，經線性回歸後即為丙酮在液相中之濃度檢量線。

(27)

3.3.2 樣品取樣分析方法 (1) 氣相樣品分析方法

以自動採樣器連接反應器進口與出口端抽取定量之待測氣體樣品，注入氣相色層分析儀（GC）中，將所得丙酮波峰面積值代入氣相丙酮檢量線中，經由換算以獲得樣品之氣相丙酮濃度值。

(2) 液相樣品分析方法

利用 GC 分析液相樣品中丙酮含量，將樣品置入 2 ml 離心管中，

再以 6000 rpm 轉速離心 10 分鐘。利用液針抽取離心管中 0.5 μL的上澄液，注入 GC 中進行分析，將所得丙酮波峰面積值代入液相丙酮檢量線中，經由換算以獲得液相丙酮濃度值。

(3) 硝酸鹽濃度測定

先將條碼置入反射式光度計讀取條碼値後，將硝酸鹽試紙取出，

置入樣品 2 秒鐘後，將試紙中多餘的水分瀝乾，再將試紙置入反射式光度計中，5 秒鐘後讀取所分析樣品値。

3.4 固定化菌體

一般固定化方法會於有機溶劑中進行聚合，以使膠體顆粒聚合成圓型形狀，但有機溶劑會對細胞造成傷害。本研究無使用有機溶劑以進行聚合反應，以減少對微生物的影響。其固定化方法簡述如下：

3.4.1 聚丙烯醯胺（Polyacrylamide, PAA）顆粒製備方法

將丙烯醯胺單體、交聯劑 BIS 及加速劑 TEMED 以一定比例濃度混合加入 4℃無菌蒸餾水中，且將離心後之菌液（20％, v/v）與褐藻膠鈉（sodium alginate）（0.5%, w/v）於 4℃下混合。藉由蠕動幫浦將兩種混合溶液於注射器中，迅速混合滴入由攪拌器攪拌含氯化鈣（3

(28)

形成，於溶液中聚合 0.5-1 小時，再將固定化顆粒移至磷酸鉀緩衝液

（pH 7.8）中，將顆粒上之褐藻膠鈣成份溶解洗掉。其顆粒大小可藉由注射器直徑大小來控制。

3.4.2 聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）顆粒製備方法

利用實驗室發展的 PVA 磷酸酯化法（陳國誠等人 ^[23]；Lin and Chen^[24]）將丙酮分解菌株 T. pantotropha 固定化。將定量的 PVA 加熱 溶於水中，待其冷卻至室溫後，與 20％（w/v）濃縮菌液均勻混合後滴入飽和硼酸溶液中攪拌 0.5-1 小時以成球形，再置入 0.5M 磷酸鹽水溶液中攪拌 0.5-1 小時使膠體硬化，最後清水沖洗顆粒外部以完成製備固定化菌體顆粒。其顆粒大小可藉由注射器直徑大小來控制。

固定化菌體顆粒粒徑是利用游標尺測量而得，顆粒密度之測量則是將適量顆粒吸乾表面水份後，秤其重量(W)，加入已知體積的水中，

增加的體積即為固定化菌體顆粒總體積(V)，顆粒密度則為 W/V。

3.5 菌量測定方法

懸浮菌體濃度之量測有兩種：光學密度測量法與菌體乾重測量法，分述如下：

(1) 光學密度測量法

菌體量測定方法為濁度測定法（optical density，O.D.），利用波長為 600 nm 之分光光度計，測量待測樣品菌液之吸光度（O.D.₆₀₀），

並以培養液的上澄液校正之。樣品經過稀釋後之光學密度讀值需達 0.5 以下，方可進行測量。

(2) 菌體乾重測定

將玻璃纖維濾膜先置於 105℃烘箱中乾燥 12 小時，再移入乾燥

(29)

膜中過濾菌體。再將濾膜置入烘箱乾燥 12 小時後，移入乾燥箱中冷卻後秤重記錄（濾膜+菌體重，A+B）。計算菌體重（B）並配合其吸光度（O.D.₆₀₀）的測量，繪製菌體重對吸光度的檢量線。

試驗中樣品取樣 2 ml，以測量其 O.D.₆₀₀值，進而代入菌體重對吸光度的檢量線中，以換算出樣品菌量大小值。

3.6 氣舉式反應器系統構造與操作

本研究設備如圖 4 所示，將其分幾個部份加以介紹：

(1) 氣舉式反應器裝置

一工作體積（working volume）41 L 之壓克力製反應器，內徑大小為 19 cm；採逆向流方式操作；而空氣由槽體下方以電磁隔膜式空氣泵經由流量計控制流量，打入反應器中。其中曝氣裝置為梯形氣體分配器，置於反應器底部。於反應器槽體中央兩側裝置溶氧電極、pH 電極，作為反應監測控制之用。

此外，於調勻塔塔頂出口（進流濃度）與氣舉式反應器氣體出口

（出流濃度）設置採樣鋼管，接至自動採樣器以抽取進出口氣流樣品以進行分析；於反應器下降區末端處抽取液體樣品進行液相丙酮濃度分析及其他液相成分分析。

(2) VOCs 供應系統

乾淨氣體由電磁隔膜式空氣泵吸入戶外空氣，經過濾而產生。然後經過管線上所裝之針閥，再流入裝有高純度丙酮稀釋液體之 VOC 供應瓶中，以產生丙酮氣體。丙酮氣體流入一調勻塔與另一由電磁隔膜式空氣泵所產生之空氣混合調勻，實驗設定之丙酮氣體濃度可藉由針閥的控制，來調節氣體流量大小而得到。最後，進料丙酮氣體由調勻塔出口管線流入氣舉式反應器塔底的注入口，以進行實驗。

(30)

(3) 自動採樣分析

於調勻塔塔頂出口（進流濃度測定）與氣舉式反應器氣體出口（出流濃度測定）設置採樣鋼管，分別連接至含有 16 個採樣孔之自動採樣器上，採集進流氣體與經處理後之出流氣體以進行分析。氣體採樣時，藉由電腦程式控制，依序切換採樣器上之採樣孔位，此採樣孔位所對應之採樣點會與 GC 間的管路相通，則氣流會從採樣點經鋼管通入 GC 中進行分析，而另一採樣孔之氣體則會由採樣器上之廢氣管線排出。由 GC 所測得的波峰電壓訊號藉由轉換卡轉換為數位訊號，再藉由電腦程序控制將數據儲存於電腦中，再進行數據處理。

(31)

第四章、結果與討論

本研究探討隔板式內循環氣舉式反應器之設計、操作因子及氣舉式反應器生物降解丙酮可行性研究，共分為三部份：第一部分為反應器設計。第二部分為反應器在不同顆粒含量及供氣量下，測定上升區氣體滯留量（



_gr）、總氣體滯留量（



）、下降區液體速度（



_ld）及反應器之氧氣質量傳送係數（

k

_L

a

）值。第三部分為在固定顆粒含量及供氣量下，測定反應器生物降解丙酮能力。Lu et al.^[29]研究中顆粒密度相似於液相密度時，在三相氣舉式反應器中流動行為類似於二相氣舉式反應器流動行為。本實驗中所採用之 PAA 與 PVA 顆粒密度皆近似於液相密度，故在氣舉式反應器中的流動行為應不受材質不同而影響。在本研究中，考量到 PAA 與 PVA 顆粒的各別優勢，在測定反應器水力與質傳特性時，以 PAA 顆粒作為研究所使用之固相材料，

而再進行反應器生物降解丙酮能力測試時，採用 PVA 顆粒包埋菌體作為填充的固相材料。

4.1 氣舉式反應器設計

為期望設計出能進行 VOCs 連續處理之氣舉式反應器，故針對氣舉式反應器系統操作模式的相關文獻進行了解後，遂即設計本實驗所採用的反應器。氣舉式反應器系統可以區分為四部分：上升區、氣－

液分離區、下降區及底部區，如圖 4 所示。就區域系統模式流動結構而言，可分為兩部分：上部與底部區為連續式攪拌槽反應器（CSTR）

模式；上升區與下降區為柱狀流（plug flow）反應器模式（Korpijarvi et al.^[30]）。賀遵火^[4]研究氣舉式生物反應器的設計對於處理含有甲苯廢氣之影響，發現上升區長度的增加能增快氣－液質傳速率，對於甲

(32)

苯去除率提升有幫助。再者，對照實務上在處理低 VOC 濃度的典型氣體停留時間為 25 s，對於高濃度 VOCs 則超過一分鐘（Leson et al.^[31]）。因此，本研究設計之氣舉式反應器依循以上原則，得到下列之設計條件：

4.1.1 系統區隔

明確區分出反應器四個部分即上升區、上部區（氣－液分離區）、

下降區及底部區。因此，實驗設計之反應器在無曝氣狀態下，工作體積為 41 L，上升區高 120 cm、有效水力半徑約 6.5 cm，而上升區實際體積約 20.3 L；上部區高 14 cm 且體積約 4 L，使上部區具有足夠的空間，能形成 CSTR 型態；下降區高 120 cm、有效水力半徑約 5.5 cm，而下降區實際體積約 15.5 L；底部區由隔板末端至反應器底端約 18 cm，底端成漏斗狀圓錐體，管壁傾角約 45 度，以確保平穩的流體流動並於底部翻轉（Chisti^[16]），底部區體積約 1.2 L。

4.1.2 空床停留時間

欲達到作為連續進料之反應器，設定上升區之操作縱橫比約為 9 左右，以期達到較高的氣-液質傳速率及較長的空床停留時間，以增加質傳時間利於 VOCs 之處理。本實驗設計之反應器供氣量在 5～80 L/min 之間，其上升區空床停留時間（

EBRT

_r）的計算如下：

g r

r

Q

EBRT



V

其中

V

_r為上升區體積（約 20.3 L）且

Q

_g為供氣量。獲得的

EBRT

_r在 15.2

～243.6 s 之間。且此反應器頂空部分約有 45 cm 高的緩衝空間，可因應不同物質的親疏水性而調整上部區體積，以增加總空床停留時間

（上升區＋上部區）。

(33)

4.2 氣舉式反應器操作參數測定

由相關研究顯示氣體流速與顆粒含量對於氣舉式反應器水力與質傳特性有顯著之影響（Freitas et al.^[32]），因此，以下將就不同進氣量與顆粒含量進行探討：

4.2.1 上升區氣體滯留量（



_gr）及總氣體滯留量（



）

平均容積的上升區氣體滯留量（



_gr）可利用 U 形管壓力計測量在上升區中流體的靜壓力後，依以下公式計算得到（Chisti^[16]）：

z d dh

_M

G L

L

gr

  ˆ

 

 

其中



_L為液體密度，



_G為氣體密度，

dh

_M為U形管中壓力差，而

dˆ z

為兩測點間距離。

每組條件下，取三組數據求取平均值作為實驗量測值，計算結果列於表 6 中。在不同顆粒含量（0 L、1 L、2 L、3 L、4 L）下，以不同之上升區空床氣體速度

u

_gr對



_gr之作圖，如圖 5 所示。觀察到



_gr隨著上升區空床氣體速度的增加而提升，在不同顆粒含量下，所呈現出的趨勢相似。另一方面，在不同供氣量（5 L/min、10 L/min、20 L/min、

30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min、70 L/min、80 L/min）下，

以不同顆粒含量對



_gr之作圖，如圖 6 所示。觀察到



_gr隨著顆粒含量的增加而下降，其中，當供氣量在 30 L/min 以上時，



_gr隨著顆粒含量增加而下降的現象更趨明顯。這是由於氣液相的流動界面減少的情形加劇，而造成氣泡聚結的情形增加所引起（Freitas et al.^[32]）。Lu et al.^[29]，Freitas et al.^[32]和 Freitas et al.^[33]亦獲得相似的結果。

測定總滯留量，只需觀察曝氣液體高（

H

_t）與無曝氣液體高

（

H

）。總氣體滯留量的計算公式如下（Hwang et al.^[34]）

(34)

t o t

H H H 

 

每組條件下，取三組數據求取平均值作為實驗量測值，計算結果列於表7中。在不同顆粒含量（0 L、1 L、2 L、3 L、4 L）下，以不同之上升區空床氣體速度

u

_gr對



之作圖，如圖7所示。觀察到ε隨著上升區空床氣體速度的增加而提升。另一方面，在不同供氣量（5 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min、

70 L/min、80 L/min）下，以不同顆粒含量對



之作圖，如圖8所示。

觀察到隨著顆粒含量的改變對於總氣體滯留量



並無顯著影響。推論這現象是由於



計算公式為高度差比值，故對當顆粒含量增加時，反應器工作體積量不變，加上在相同供氣量條件下，所以所獲得之比值將不受影響。

4.2.2下降區液體速度

在下降區中的液體流動速度可由追蹤劑的回應量測法獲得。將 5 ml 8 N NaOH 或 HCl 溶液以脈衝方式注入氣舉式反應器中以作為追蹤劑。在反應器中追蹤劑的濃度可由兩個 pH 感測器在下降區中的兩端偵測得之，然後下降區液體的速度可依下式計算（Hwang et al.^[34]）：

d d

ld

t

 L



其中

L

_d為在下降區中的兩感測器之間的距離，而

t

_d為在下降管中兩感測器之間回應時間的差。回應時間值由兩探測器以類比訊號形式藉由訊號擷取卡擷取訊號傳輸至電腦中，以獲得如圖9所示之pH值與時間關係。圖9(a)、(b)分別為NaOH與HCl追蹤劑所呈現出的訊號峰形，各別由圖中相似兩訊號峰形間得到時間差值，如圖9(a)、(b)中，

t

_d值分別為5.4 s與4.9 s。

(35)

每組條件下取三組數據求取平均值作為實驗量測值。實驗量測計算結果列於表8中。在不同顆粒含量（0 L、1 L、2 L、3 L、4 L）下，

以不同之上升區空床氣體速度

u

_gr對下降區液體速度



_ld作圖，如圖10 所示。觀察到



_ld隨著上升區空床氣體速度在0.0099～0.0592 m/s的增加期間緩慢且平穩地提升；當大於0.0592 m/s時，流動性質轉變為攪拌紊流，液體速度



_ld大幅增加，這是由於在上升區中高



_gr顯著地增加對於液體循環的驅動力（Choi et al.^[34]）。此一結果相似於Choi et al.^[35]，Tobajas et al.^[36]及Gourich et al.^[37]所研究之結果。另一方面，在不同供氣量（5 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min、70 L/min、80 L/min）下，以不同顆粒含量對



_ld作圖，如圖11所示。觀察到在此操作條件下，隨著顆粒含量的改變對於



ld並無顯著影響。僅於進氣量達到80 L/min時，下降區液體速度當顆粒含量超過2 L時有明顯下降，推論亦因



_gr值下降導致液體循環之驅動力減低。

4.2.3氧質量傳送係數

本研究利用動態法得到體積質傳係數。動態排氣量測法是以溶氧電極來監測反應器內的溶氧濃度。首先通入氮氣趕走液相內溶氧後再通入空氣或純氧，同時紀錄溶氧變化的歷時走勢來計算以得到質傳係數。

反應器內氧氣濃度的質量平衡



L



* L

L C C

dt

dC  ak_L 

將上式對時間從 0 到 t 積分可得

(36)

C t C

C ln C

L0

* L

L

*

L

    



 

 





 k

_L

a

其中

C

_L₀為液相初始溶氧濃度，

C

_L^*為液相飽和溶氧濃度，而

C

_L為任意時間段之液相溶氧濃度。以

  

0

 

*

ln C

_L*

 C

_L

C

_L

 C

_L 對時間t作圖，經線性迴歸後，取其斜率的負值，即可得到

k

_L

a

值。

本研究，在各種顆粒含量且不同供氣量下，所得之反應器之

k

_L

a

值列於表9中。所得溶氧數據亦以類比訊號之形式藉由數據擷取卡傳輸至電腦中，獲得到的圖（如圖12所示）為反應器在不含顆粒，不同供氣量下，溶氧濃度與時間的變化。藉由上述之公式換算並對時間作圖，如圖13所示。經由對圖形線性迴歸分析後，取斜率之負值即為該條件下之反應器之

k

_L

a

值。在不同顆粒含量（0 L、1 L、2 L、3 L、4 L）

下，將所獲得之

k

_L

a

值對於空床氣體速度

u

_gr作圖，如圖14所示。觀察到

k

_L

a

值隨著氣體速度增加而增加，但對於顆粒含量的改變並無顯著的變化，此一結果相似於Choi et al.^[35]，Tobajas et al.^[36]及Gourich et al.^[37]所研究之結果。另一方面，在不同供氣量（5 L/min、10 L/min、

15 L/min、20 L/min、25 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min、70 L/min、80 L/min）下，以氧氣質量傳送

k

_L

a

對顆粒含量作圖，如圖15所示。觀察到當供氣量達70 L/min時，

k

_L

a

值隨著固體含量增加有明顯下降之趨勢，推論因當高供氣量時，



_gr隨著固體含量增加而有顯著下降，使在高供氣量時

k

_L

a

值亦隨之下降。

4.3 氣舉式反應器降解丙酮操作

為了解本研究設計之氣舉式反應器具有處理能力，初步進行以下之測試。在 PVA 菌體顆粒含量 4 L，氣流量 10 L/min，丙酮平均進口濃度 110 ppmv 條件，進料負荷（LO）計算如下（吳奕禎 ^[17]）：

(37)

gi l g

C V LO



Q

其中

V

_l為液體體積，而

C

_gi為丙酮平均進口濃度。得到進料負荷為 3.84 g/(m³-hr)。

進行連續操作七天以上時間，期間持續監測丙酮之進出口氣相濃度、反應器液相丙酮濃度、硝酸鹽濃度及 pH 值，其相關之數據如圖 16 所示。反應器運作期間，出口端丙酮平均濃度約 1.55 ppmv，丙酮去除能力（EC）計算如下：



gi go



l

g

C C

V

EC



Q



其中

C

_go為丙酮平均出口濃度，得到 EC 為 3.79 g/(m³-hr)。液相丙酮平均濃度約 7.25 mg/L、pH 值平穩維持在 7.2 左右，而硝酸鹽濃度由初始 82 mg/L 在操作至五天後消耗殆盡。硝酸鹽消耗的原因為本實驗所採用的菌株為好氧性脫氮菌株，呂俊益^[38]利用懸浮與固定化菌株進 行丙酮分解研究中提到硝酸鹽作為氮源為 T. pantotropha 菌體生長及 分解丙酮所需的基質。故此相關實驗中，硝酸鹽濃度的監測將為一重要因子。本次實驗丙酮去除率（RE）計算如下：

% 100 1   





 



 



gi go

C RE C

得到的 RE 維持約在 98.95％，顯示出本研究設計之反應器具有截留丙酮之能力，而液相丙酮濃度尚無累積之現象，亦可確認丙酮已被生物降解。

(38)

第五章、結論

本研究對於隔板式內循環氣舉式反應器之相關設計、操作特性

（上升區氣體滯留量總氣體滯留量、下降區液體速度及氧氣質量傳送係數）及處理丙酮廢氣之測試，獲得以下之結論如下：

(1) 氣舉式反應器設計

明確區分各部區域，以利反應作用完整；高上升區縱橫比設計，

提高氣舉式反應器氣-液質傳速率及較長之空床停留時間，以期達到完全去除 VOCs 的連續操作。

(2) 上升區氣體滯留量（

^

^gr）、總氣體滯留量（

^

）

在氣流量 80 L/min，不含顆粒條件下，上升區氣體滯留量最大值約為 0.155。顆粒含量增加造成上升區氣體滯留量隨之減少。

在氣流量 80 L/min，不含顆粒條件下，總氣體滯留量最大值約為 0.098。顆粒含量增加對於總氣體滯留量較無明顯之影響，僅稍微使總氣體滯留量減少。

(3) 下降區液體速度（

^

^ld）

在供氣量 80 L/min 與顆粒含量 1 L 條件下，下降區液體速度為最大值約 0.3039 m/s。供氣量在 10～60 L/min 範圍內，下降區液體速度在 0.18～0.24 m/s 範圍內平緩增加。

(4) 氧氣質量傳送係數（

^k

^L

^a

）

在氣流量 80 L/min，沒有顆粒條件下，

k

_L

a

值最大值約為 0.0646 s^-1。當供氣量達 70 L/min 時，

k

_L

a

值隨著固體含量增加有明顯下降之趨勢。

(5) 氣舉式反應器降解丙酮操作

在氣流量 10 L/min，PVA 菌體顆粒含量 4 L，丙酮平均進口濃度

(39)

110 ppmv 條件下，進料負荷為 3.84 g/(m³-hr)。丙酮去除能力（EC）

為 3.79 g/(m³-hr)，去除率（RE）維持約在 98.95％，顯示出本研究設計之反應器具有截留丙酮之能力，而液相丙酮濃度尚無累積之現象，

亦可確認丙酮已被生物降解。

綜觀以上，顆粒含量改變導致上升區氣體滯留量隨之變動，亦造成反應器其他操作條件之改變。因此，當進行相關生物降解污染物的操作時，應需考量其顆粒填充量，以獲得最佳操作條件。再者，本實驗中設計之氣舉式反應器已初步確定其具有處理 VOCs 之功能。

(40)

參考文獻

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(45)

圖表

表 1 常見的 VOCs 種類（Khan and Ghoshal^[5]）

Serial Number Volatile Organic Compounds

1 Acetaldehyde

2 Acetone

3 Benzene

4 Carbon tetrachloride 5 Ethyl acetate

6 Ethylene glycol

7 Formaldehyde

8 Heptane

9 Hexane

10 Isopropyl alcohol 11 Methyl ethyl ketone 12 Methyl chloride 13 Monomethyl ether

14 Naphthalene

15 Styrene

16 Toluene

17 Xylene

(46)

表 2 丙酮之物理化學性質（來源：物質安全資料表^[7]）

分子式 C₃H₆O

結構圖

物質狀態液態

形狀澄清狀液體

顏色無色

氣味特殊甜味，薄荷味

密度（水＝1） 0.791

沸點(℃) 56.2

熔點(℃) -95.4

蒸汽壓（mmHg） 180

水中溶解度（％）全溶

八小時日時量平均容許濃度（ppm） 750

短時間時量平均容許濃度（ppm） 937.5

半數致死劑度，LD50(mg / kg) 5800

半數致死濃度 LC50（mg / m³/ 6 hr） 50100 Short Term Exposure Limit（ppmv） 937.5

(47)

表 3 VOCs 的處理方法比較表（Khan and Ghoshal^[5]）

Techniques Annual operating cost

＄/cfm

Removal efficiency

％

Secondary waste generated

Positive remarks Negative remarks

Thermal oxidation

15–90 for recuperative,

20–150 for regenerative 95–99 Combustion products Energy recovery is possible (maximum up to 85%)

Halogenated and other compounds may require additional control equipment downstream

Catalytic

oxidation 15–90 90–98 Combustion products Energy recovery is possible

(maximum up to 70%)

Efficiency is sensitive to operating conditions. Certain compounds can poison the catalyst. May require additional control equipment downstream

Bio-filtration 15–75 60–95 Biomass

Requires less initial

investment, less non-harmful secondary waste, and non-hazardous

Slow, and selective microbes decomposes selective organics, thus requires a mixed culture of microbes (which is difficult).

No recovery of material.

Condensation 20–120 70–85 Condensate Product recovery can offset

annual operating costs

Requires rigorous maintenance.

Not recommended for the materials having boiling points above 33C

Absorption 25–120 90–98 Wastewater Product recovery can offset

annual operating costs

Requires rigorous maintenance.

May require pretreatment of the VOCs. Design could be difficult due to lack of equilibrium data Adsorption

Activated carbon

10–35 80–90 Spent carbon and

collected organics

Recovery of compounds, which may offset annual operating costs

Susceptible to moisture, and some compounds (ketones, aldehydes, and esters) can clog the pores, thus decreasing the efficiency

Zeolite 15–40 90–96

Collected organic, spent zeolite after several cycles

Effective in more than 90%

RH, Recovery of compounds offsets annual operating costs

High cost of zeolite, restricted availability.

Membrane

15–30 90–99 Exhausted No further treatment, recovery

of solvent may offset the Membranes are rare and costly

(48)

表 4 Composition of acetone degradation medium.

(a) Preculture medium：

Components Quantity Company

Yeast extract 10.0 g Merck

Sodium chloride 5.0 g 聯工化學試藥

Distilled water 1.0 L

(b) Acetone degradation working medium：

Components Quantity Company

Na2HPO4 4.2 g SHIMAKYU

KH2PO4 1.5 g 聯工化學試藥

MgSO₄．7 H₂0 0.1 g 聯工化學試藥

NaNO₃ 0.1 g 聯工化學試藥

Tap water 1.0 L

中 華 大 學 碩 士 論 文