臺灣博碩士論文加值系統

近年來厭氧生物醱酵產氫及產能已成為重要的生質能源技術之一，由於廢水廠的污泥及酒廠的酒糟廢液等有機廢棄物之處理必需花費相當的費用，且又依相關研究結果顯示，黎明污水處理廠的廢棄生物污泥含有豐富的Clostridium之醱酵產氫菌及甲烷菌；而酒糟廢液含有相當豐富有機物並且適合作為生物厭氧醱酵產能基質來源。因此本研究以污泥與酒糟作為複合基質，並以批次及連續流反應槽試驗來進行生物厭氧醱酵產氫及甲烷化反應，評估以此種複合基質再能源化的可行性及了解最佳的操作條件為何。
本研究在批次試驗方面，主要先評估以污泥與酒糟作為複合基質其產能可能
性，再進一步探討不同污泥/酒糟配比、不同pH操作條件、以及磷酸鹽濃度對產能的影響；在連續流方面，以二相式連續流反應槽（前段活性碳棉攪拌式反應槽＋後段活性碳粒流體化反應槽）為反應槽主體，變換各種不同COD濃度，並以批次實驗所得到的最佳配比為基礎進行污泥與酒糟複合基質的產能試驗操作，以求出最佳的HRT操作條件。
本研究的批次試驗結果顯示，在不同起始pH試驗中，當起始pH分別控制在5.0～5.5及7.0～7.5時，可分別得到較佳H2及CH4產量。添加磷酸鹽緩衝溶液對會顯著影響甲烷反應效率，尤其當濃度大於7.5g-PO43-/L其抑制現象更明顯，但厭氧醱酵產氫反應則無此現象。而在pH操控方面，模擬二相式pH（起始pH為5.25，產H2結束後，pH調至7.0）操控之批次試驗產能會比單相pH操控（起始pH分別為5.25及7.0）產能佳。複合基質COD濃度分別為10,000、20,000、30,000 mg/L試驗中，當COD濃度在20,000 mg/L，污泥/酒糟= 1/4時，每g-COD複合基質可得到最佳的產能811 cal/ g-CODin，約為純酒糟基質的54倍，為純污泥基質的4.6倍，這顯示生物污泥與酒糟所組成的複合基質用於再能源化的可行性高，且於適當操作條件下，可以得到最佳的產能。再者，由每g-COD產能等高線圖可以推估當COD濃度控制在15,000～22,000mg/L之間，且酒糟成分比操作在65～85％，複合基質每克COD產能可達到400 cal以上。
連續流試驗方面，當進流基質COD濃度10,000（污/酒＝2/3）、20,000（污/酒＝2/3）、30,000（污/酒＝2/3）mg/L，HRT分別操作在6～14、6～14、6～10hrs時，可完全達到二相式產能（前段：醱酵產氫；後段：甲烷化）。而不同進流COD濃度下，各單位體積反應槽之產能均隨HRT遞減而增加；而每克進流COD之產能均隨HRT增加而遞增；當進流COD濃度為10,000（污/酒＝2/3）、20,000（污/酒＝1/4）、30,000（污/酒＝3/2）mg/L時，HRT分別操作在10hrs、8～10hrs、8 hrs，應可得到最佳產能。在動力學方面，由P、及Ks值可看出，第二段甲烷化反應槽（活性碳粒流體化床）基質利用率比第一段醱酵產氫反應槽（活性碳棉攪拌式反應槽）高，因此COD去除率較大，也較容易達到最大的去除率。當連續流試驗完全達到二相式產能操作時，以位相差及螢光顯微鏡中觀察，在第一段反應槽內，絕大部分以圓頭長桿菌狀會發出深淡橘色螢光Clostridium菌群為主；而在第二段反應槽內，絕大部分以平頭狀長桿菌狀會發出淡藍色螢光甲烷菌菌群為主，而由掃瞄式電子顯微鏡的菌相觀察，同樣可發現此一現象。

Anaerobic fermentative hydrogen and anaerobic bioenergy production is one of the critical biomass energy in more recent years. In view of the considerable cost for treating the sludge from wastewater treatment plants (WTP) and organic wine- processing wastewater from wineries, and the result of previous study was shown that sludge from Li-Ming WTP, which was rich in fermentative hydrogenic bacteria of Clostridium and methanogens as well as the huge organic materials which was used to fermentative hydrogen and methanogenic reaction contained in wine- processing wastewater from Taichung Winery. Thus, the sludge and wine-processing wastewater could be taken as the mixed substrate and be used for fermentative hydrogenic and methanogenic reaction of this research by batch-type tests and continuous input-flow tests to explore the bioenergization possibility and conditions. .
This research aimed to explore the bioenergization possibility for the mixed substrate of sludge and wine-processing wastewater by batch-type tests. Then it explored which ratios of sludge/wine-processing wastewater would get the best energy production, and finally explored the influence of various pHs and phosphate concentration on bioenergization. For the continuous input-flow tests, it was used two-phase bioreactors which were constituted of activated carbon sponge-stired bioreactor (ACS–stired bioreactor) for anaerobic fermentative hydrogensis and granular activated carbon- fluidized bed reactor (GAC-FBR) for methanogenic reaction. Based on the best energy-production ratios (sludge/wine) from batch-type tests, the main purpose of continuous input flow tests was to find the best conditions of HRT.
The results of batch-type tests as follows were shown: for the test of various initial pHs, the initial pHs of tests were controlled 5.0-5.5and 7.0-7.5 separately, the best production of H2 and CH4 obtained respectively. The addition of phosphate buffer solution had effects on methano- genesis, and the inhibition was obvious when the phosphate buffer solution concentration was over 7.5g-PO43-/L.In the respect of pH control, while the bioenergization of batch-type tests simulating pH operation for two-phase process were better than that of pH for operation one-phase process(initial pH 5.25, after H2 produceing, adjusted to 7.0). For tests of various COD concentration of substrate (10,000, 20,000, 30,000 mg/L) and various ratios, when COD concentration was 20,000 mg/L and the ratio of sludge and wine-processing wastewater was 1:4, per gram COD of mixed substrate could achieve the best energy production, 811 cal/ g-CODin, which was approximate 54 times that of pure wine-processing substrate and 4.6 times that of pure sludge substrate. An estimation could be got from a figure of contour line which drafted from the results of energy production of per gram COD of all tests. If the COD concentration of substrate was controlled between 15,000-22,000mg/L and the ingredient ratio of wine-processing wastewater was controlled between 65-85％, the energy production of per gram of COD for mixed substrate could reach at least 400 cal.
For the results of continuous input flow tests, when the influent COD concentration was 10,000(sludge/wine=2/3), 20,000(sludge/wine=2/3), 30,000(sludge /wine =2/3)mg/L, HRT was controlled at 6-14、6-14、6-10 hours respectively, the bioreactor could develop two-phase condition well(the first phase was fermentative hydrogenesis; the second phase was methanogenic reaction ). In the test of various COD concentration, the energy productivity of per unit bioreactor would increase with the decreasing of HRTs. But the energy productivity of per gram COD influent would increase with the increasing of HRTs. When influent COD concentration was 10,000(sludge /wine=2/3), 20,000(sludge/wine=2/3), 30,000(sludge/wine=2/3)mg/L, and HRT of the two-phase bioreactors was controlled 10、8-10、8 hours separately, the best energy could be obtained. From the Ks and P for kinetics simulation, the substrate utilization of second bioreactors (GAC-FBR) was better than the first bioreactor (ACS-stired bioreactor), thus the COD removal of the first one would be better than the second one.
The results of both of fluorescence and phase-contrast microscope were shown as follows: The bacterial consortia of the first-stage bioreactor was dominated by Clostridium, which would be emitted orangish fluorescence; and the bacterial consortia of the second-stage bioreactor were dominated by Methanogens which would be emitted blue fluorescence when the two-phase bioreactor could be got better performance.

中文摘要……………………………………………………………………………...Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………………………...Ⅱ
目錄…………………………………………………………………………………...Ⅵ
表目錄………………………………………………………………………………...Ⅷ
圖目錄………………………………………………………………………………...Ⅹ
第一章 緒論………………………………………………………………………….1
第一節 研究背景與動機…………………………..…………………………...1
第二節 研究目的……………………………………………………………….3
第二章 文獻回顧…………………………………………………………………….4
第一節 能源危機與生質能源………………………………………………….4
第二節 厭氧產能微生物……………………………………………………….8
第三節 厭氧微生物產能機制………………………………………………...14
第四節 細胞固定化技術……………………………………………………...19
第五節 影響厭氧產能之環境因子…………………………………………...22
第六節 厭氧醱酵產能動力學模式模擬……………………………………...30
第三章 試驗材料、設備與方法……………………………………………………34
第一節 試驗材料與設備……………………………………………………...34
第二節 試驗設計及流程……………………………………………………...41
第三節 分析項目與方法……………………………………………………...45
第四章 結果與討論………………………………………………………………...49
第一部份 批次試驗
第一節 不同污泥/酒糟混合比之批次產能試驗…………………………….49
第二節 不同起始pH之批次產能試驗………………………………………53
第三節 不同磷酸鹽濃度及不同pH操控方式之批次產能試驗……………57
第四節 不同COD濃度及不同污泥/酒糟混合比之批次產能試驗…………66
第五節 不同污泥/酒糟濃度之批次產能試驗………………………………..79
第六節 批次試驗反應動力學之探討與模擬………………………………...87
第二部分 連續流試驗
第七節 不同COD濃度下，不同HRT之產能效率比較……………………95
第八節 各項水質指標……………………………………………………….104
第九節 質量平衡…………………………………………………………….131
第十節 連續流試驗反應動力學之探討與模擬…………………………….137
第十一節 菌相觀察………………………………………………………….142
第五章 結論與建議……………………………………………………………….147
第一節 結論………………………………………………………………….147
第二節 建議………………………………………………………………….150
參考文獻…………………………………………………………………………….151

一、中文部分
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