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研究生:王正維
研究生(外文):Cheng-Wei Wang
論文名稱:反應槽混合程度及pH值對麥粕厭氧產氫之影響
論文名稱(外文):The Effects of pH and mixing level in a Completely Stirred Reactor on Anaerobic Hydrogen Production for Wheat Dregs
指導教授:賴俊吉賴俊吉引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄第一科技大學
系所名稱:環境與安全衛生工程所
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:164
中文關鍵詞:厭氧醱酵混合程度pH值氫氣混合程度pH值厭氧醱酵氫氣
外文關鍵詞:mixing levelanaerobic digestion�pH
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反應槽混合程度及pH值對麥粕厭氧產氫之影響

摘要
生質能是一種可廣泛獲得,且能在自然界中循環的再生能源。其中氫氣是一種乾淨的替代能源,因為其污染性低,且可減少溫室氣體的排放。產生氫能的方式很多,其中以生質氫能最受到重視,生質氫能是利用微生物,將廢棄物的有機質轉化成氫氣,並可同時處理廢棄物。生物產氫主要是藉醱酵作用或行光合反應的微生物來進行,其中的梭菌屬(Clostridium sp.)因具有產生孢子的特性,能適應惡劣的環境,使得其產氫能力受到矚目。
氫氣在厭氧醱酵的過程中是一種中間產物,而厭氧醱酵代謝路徑是進入產氫、產酸或產醇之階段,受到許多因素的影響,包括pH值、攪拌轉速、溫度等。
在本研究中主要探討環境因子--- pH值及混合程度對厭氧生化產氫之影響,實驗包括先導實驗及pH值及攪拌轉速對麥粕厭氧產氫之影響的批次實驗。批次實驗共有24個試程,分別將pH值控制在5、5.5、6、6.5,及將攪拌轉速控制在20、45、75、100、125、150 rpm,其雷諾數分別為1996、4391、7360、8807、10529、12375。
將pH及攪拌轉速對產氫效率的關係,利用多項式迴歸分析,得到產氫潛勢(Ps)、比產氫速率 (Rs)及遲滯期之預估方程式,再利用反應曲面法得到最佳之培養pH值及攪拌轉速為pH=6、攪拌轉速為100 rpm,此時產氫潛勢為20.4 (mL H2/g TVS),比產氫速率為214.2 (mL H2/g TVS/day),遲滯期為9.4小時。
The Effects of pH and mixing level in a Completely Stirred Reactor on Anaerobic Hydrogen Production for Wheat Dregs

Student:Cheng-Wei-Wang Advisors:Jiunn-Jyi-Lay


Department of Safety Health and Environmental Engineering
National Kaohsiung First University of Science and Technology

ABSTRACT


Biomass energy is a widely available and can be regenerated in nature. Hydrogen is a clean form of alternative energy because it cause less pollution and emits less green house gases. Hydrogen can be produced by many ways. Among those, the microbial hydrogen production receives greatest attention. The microbial process is to use microorganisms to convert organic substrate into hydrogen gas and can reduce organic fractions in the waste. Biohydrogen can be produced through anaerobic digestion and photosynthesis. Among many anaerobic hydrogen producing microorganisms, clostridium sp. has the greastest potential. Because clostridium sp. havs spores.
In the anaerobic digestion process, hydrogen is an intermediate product during the metabolish of bacteria. Many environmental factors such as pH, rotational speed, temperature affects the direstions of the metabolic pathways toward the production of hydrogen, acids or alcohols.
The purpose of this study is to investigate the effects of pH and rotational speed on biohydrogen production. The experiment is composed of pre-test and batch test which is to investigate the effects of pH and mixing level on anaerobic hydrogen production for wheat dregs.
The system is operated in 4 consequent sets. Each set is controlled at 4 different pH, 5, 5.5, 6 and 6.5 respectively. There are 6 runs of rotational speed at 20, 45, 75, 100, 125, 150 rpm for each pH and the Reynolds number are 1996、4319、7360、8807、10529、12375. There are 24 runs in this study.
The quadratic mpdels are developed for specific hydrogen producing potential (Ps), specific hydrogen producing rate (Rs), and lag-phase time (λ). By using the methods of response surface method, the optimal pH value and rotational speed are found to be pH=6,rotational speed 100 rpm respectively. The corresponding Ps, Rs and λ are 20.4 (mL H2/g TVS)、214 (mL H2/g TVS/day) and 9.4 hours.
Keyword:mixing level、 pH、anaerobic digestion、hydrogen
目 錄
中文摘要i
英文摘要ii
誌謝iv
目錄v
表目錄v
圖目錄v
第一章 緒論1
第二章 文獻回顧4
 2.1 能源的大致種類與發展情況5
2.2 厭氧產氫微生物6
2.2.1 產氫微生物分類6
2.2.2 梭狀芽胞桿菌屬之特性9
2.3 微生物生長11
2.3.1 微生物之生長曲線11
2.3.2 微生物生長與基質利用之關係12
2.4 厭氧分解原理14
2.4.1 厭氧消化分解14
2.4.2 有機物之厭氧分解過程17
2.5 厭氧微生物產氫之代謝機制18
2.5.1 厭氧生物產氫反應機制18
2.5.2 厭氧生物分解碳水化合物之產氫反應19
2.6 環境因子對厭氧產氫之影響23
第三章 實驗設備與方法33
3.1前言33
3.2 實驗器材及設備34
3.3 實驗材料36
3.4 實驗方法37
3.4.1 植種前處理37
3.4.2 厭氧產氫實驗步驟37
3.5 分析方法38
3.5.1 基本水質分析38
3.5.2 儀器分析41
3.6 數值整理及分析45
3.6.1 非線性迴歸分析45
3.6.2 反應曲面的分析49
3.6.3 反應曲面的應用50
第四章 結果與討論51
4.1 先導實驗51
4.1.1 試程一52
4.1.2 試程二53
4.1.3 試程三54
4.1.4 試程四55
4.1.5 試程五56
4.1.6 試程六58
4.1.7 試程七59
4.1.8 試程八60
4.1.9 先導實驗結論61
4.2 pH值及攪拌轉速對麥粕厭氧產氫之影響62
4.2.1 累積產氫量和pH值、攪拌轉速的相關性63
4.2.2 氫氣含量和pH值、攪拌轉速的相關性67
4.2.3 產氫率和pH值、攪拌轉速的相關性70
4.2.4 酸與醇和pH值、攪拌轉速的相關性72
4.2.5 氧化還原電位和pH值、攪拌轉速的相關性84
4.2.6 COD、TS、VS的去除率和pH值、轉速的相關性87
4.2.7 pH值及攪拌轉速對產氫潛勢、比產氫速率、遲滯期的影響92
4.3 反應槽內液體之混合程度100
4.4 討論101
4.4.1 先導實驗101
4.4.2 pH值及攪拌轉速對麥粕厭氧產氫之影響102
第五章 結論與建議105
參考文獻107
附錄112




表目錄

表2.1 氫氣釋放在產氫微生物厭氧代謝作用中所扮演的角色8
表2.2 營養物質的功能30
表2.3 氨濃度對厭氧菌分解之影響32
表3.1 基質組成表36
表3.2 營養鹽組成表37
表3.3 使用不同消化管時所用的樣品與試劑量41
表4.1 實驗規劃表62
表4.2 不同 pH值、攪拌轉速之各試程產氫分析結果64
表4.3 不同pH值、攪拌轉速之氫氣產生率71
表4.4 各試程之揮發酸及醇類濃度75
表4.5 酸、醇之預估方程式82
表4.6 COD、TS、VS去除率之預估方程式88
表4.7 不同pH值、攪拌轉速下之COD、TS、VS去除率89
表4.8 不同pH值、攪拌轉速下之產氫潛勢 (L)、產氫速率 (mL/day)及遲滯期
(hr)分析結果94
表4.9 不同pH值、攪拌轉速下之產氫潛勢 (mL/g TVS)、比產氫速率
(ml/g TVS/day)及遲滯期 (hr)分析結果95
表4.10 遲滯期(λ)、比產氫速率(Rs)、產氫潛勢(Ps)之預估方程式96
表4.11 在各轉速下反應槽內液體之雷諾數101

圖目錄

圖2.1 微生物生長曲線12
圖2.2 比生長速率與制限基質濃度之關係14
圖2.3 廢棄物厭氧消化之代謝微生物群15
圖2.4 厭氧系統中之基質降解19
圖2.5 Clostridium醱酵路徑圖21
圖2.6 普通消化法、高速消化法與有機物減少率的關係26
圖2.7 轉速與混合時間圖28
圖2.8 厭氧消化之消化時間與操作溫度關係圖29
圖3.1 反應槽設備圖35
圖3.2 揮發性有機酸之檢量線43
圖3.3 醇類檢量線44
圖3.4 菌種利用基質之產氫潛勢、產氫速率與遲滯期圖49
圖3.5 pH值與攪拌轉速為變因時之產氫潛勢(L)反應曲面圖50
圖4.1 先導實驗反應槽操作流程圖52
圖4.2 累積產氫量與產氫含量圖(試程一)53
圖4.3 累積產氫量與產氫含量圖(試程二)54
圖4.4 累積產氫量與產氫含量圖(試程三)55
圖4.5 累積產氫量與產氫含量圖(試程四)56
圖4.6 累積產氫量與產氫含量圖(試程五)57
圖4.7 累積產氫量與產氫含量圖(試程六)58
圖4.8 累積產氫量與產氫含量圖(試程七)60
圖4.9 累積產氫量與產氫含量圖(試程八)61
圖4.10 不同攪拌轉速之累積產氫量圖 (pH=6.5)65
圖4.11 不同攪拌轉速之累積產氫量圖 (pH=6)65
圖4.12 不同攪拌轉速之累積產氫量圖 (pH=5.5)66
圖4.13 不同攪拌轉速之累積產氫量圖 (pH=5)66
圖4.14 不同攪拌轉速之產氫含量圖 (pH=6.5)68
圖4.15 不同攪拌轉速之產氫含量圖 (pH=6)68
圖4.16 不同攪拌轉速之產氫含量圖 (pH=5.5)69
圖4.17 不同攪拌轉速之產氫含量圖 (pH=5)69
圖4.18 不同pH值、攪拌轉速下之氫氣轉化率72
圖4.19 累積產氫量、氫氣濃度、pH變化、揮發酸及醇類代謝變化圖(pH=5.5、
攪拌轉速為100 rpm)76
圖4.20 不同攪拌轉速之總揮發酸變化圖 (pH=6.5)77
圖4.21 不同攪拌轉速之總揮發酸變化圖 (pH=6)77
圖4.22 不同攪拌轉速之總揮發酸變化圖 (pH=5.5)78
圖4.23 不同攪拌轉速之總揮發酸變化圖 (pH=5)78
圖4.24 不同攪拌轉速之總醇變化圖 (pH=6.5)80
圖4.25 不同攪拌轉速之總醇變化圖 (pH=6)80
圖4.26 不同攪拌轉速之總醇變化圖 (pH=5.5)81
圖4.27 不同攪拌轉速之總醇變化圖 (pH=5)81
圖4.28 不同pH值、攪拌轉速之總揮發酸 (mg/L)反應曲面圖83
圖4.29 不同pH值、攪拌轉速之總醇 (mg/L)反應曲面圖83
圖4.30 不同攪拌轉速之ORP變化圖 (pH=6.5)85
圖4.31 不同攪拌轉速之ORP變化圖 (pH=6)85
圖4.32 不同攪拌轉速之ORP變化圖 (pH=5.5)86
圖4.33 不同攪拌轉速之ORP變化圖 (pH=5)86
圖4.34 不同pH值、攪拌轉速之COD、TS、VS去除率圖90
圖4.35 不同pH值、攪拌轉速之COD去除率(%)反應曲面圖91
圖4.36 不同pH值、攪拌轉速之TS去除率(%)反應曲面圖91
圖4.37 不同pH值、攪拌轉速之VS去除率(%)反應曲面圖92
圖4.38 不同pH值、攪拌轉速之產氫潛勢Ps (mL H2/g TVS)之反應曲面圖98
圖4.39 不同pH值、攪拌轉速之比產氫速率Rs (mL H2/g TVS/day)
之反應曲面圖98
圖4.40 不同pH值、攪拌轉速之遲滯期(hr)反應曲面圖99
圖4.41不同pH值、攪拌轉速之產氫潛勢(Ps)、比產氫速率(Rs)及
遲滯期(λ)交集之反應曲面圖99
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