不同環境條件下,完全混合式反應槽厭氧產氫效率及反應動力學 ...

林明正（民88）CSTR厭氧產氫反應槽之啟動及操作。

台中市：逢甲大學土木及水力工程研究所碩士論文。

林明瑞（民78）厭氧流動床法處理含氮、氯-酚類廢水之生物相反應及反應 ... 系統編號 : 090NTCTC587001 出版年 : 2002 研究生 : 賴欣宏 學號 : m886202 論文名稱 : 不同環境條件下,完全混合式反應槽厭氧產氫效率及反應動力學之比較研究 指導教授 : 林明瑞Min-RayLin 學位類別 : 碩士 校院名稱 : 臺中師範學院 系所名稱 : 環境教育研究所 學年度 : 90 語文別 : 中文 論文頁數 : 174 開放範圍 : 網際網路 中文關鍵字 : 厭氧產氫，完全混合式反應槽，反應動力學，溫度，pH，ORP 英文關鍵字 : anaerobichydrogen-fermentation，CSTR，reactionkineticsmodelsimulation，temperature，pH，ORP [ 摘要 ] 廢水厭氧生物處理法有許多種不同的處理程序，適合不同形態的有機廢水，在其以甲烷化反應為主的厭氧分解過程，均有相當好的處理效率；唯其產生的甲烷沼氣若無適當利用而任其溢散到大氣環境中，將導致相當高比例的溫室效應增強作用。

再者，同為厭氧代謝之產氫反應所產生的氫氣則無此問題。

本研究以廢水厭氧生物處理經驗為基礎，考慮厭氧產氫菌群的生理特性及所需的生長環境，設計適合厭氧產氫反應進行的四種典型的反應槽，包括：污泥迴流式反應槽(Sludgerecyclingreactor)、完全攪拌反應槽(Continuousflowstirredtankreactor,CSTR)、傳統無攪拌反應槽(Non-mixingconventionalreactor)、柱塞流式反應槽(Plugflowreactor)等四種；本研究有兩個主要目的，第一部份是在探討污泥迴流式、完全混合式、無攪拌式和柱塞流式等四種厭氧反應槽，對不同有機體積負荷之合成有機廢水進行厭氧醱酵產氫消化反應之動力學模擬研究；第二部份是在探討完全混合式厭氧反應槽在不同溫度、pH與ORP下，進行厭氧醱酵產氫反應效率的比較與程序控制模式之模擬研究。

試驗結果顯示：當進流水COD濃度為2,000~15,000mg/L，HRT為6~24hrs.的操作範圍內，四種反應槽產氫效率都隨著進流基質濃度的提高與HRT減短而增加，其中又以HRT的影響較大；四種反應槽中以完全混合式反應槽最適於厭氧醱酵產氫反應，其次為無攪拌式反應槽，而污泥迴流式反應槽在高有機體積負荷時因為有較高的總產氣量才有不錯的產氫效果；這三種反應槽在進流水COD濃度為8,000mg/L，HRT為6hrs.，氫氣組成比例及單位體積反應槽產氫量（mole-H2/m3·day）分別為55.3％與44.31mole；26.4％與19.64mole；22.7％與28.82mole。

本研究是以葡萄糖、牛肉汁為主要進流基質連續流試驗，故不適用模擬批次反應的Gompertzequation，以及模擬抑制性基值的Haldaneequation。

由迴歸結果得知，本研究微生物生長狀況適用Monodequation。

進流水COD濃度為10,000mg/L，HRT為4hrs.，有機體積負荷為60kg-COD/m3·day，CSTR之產氫效率隨著醱酵溫度上升、pH降低與ORP下降而提高，每去除一克COD之產氫量（mmole/g-CODre）與單位體積反應槽之產氫率（mole/m3·day）分別以43℃的6.05mmole與41.91mole，pH4.5的5.37mmole與32.98mole，-500mv的5.61mmole與39.61mole為最高。

在螢光顯微鏡與電子顯微鏡的觀察發現，產氫效果佳時，污泥會發出黃橙色螢光；產氫效果不佳時，則發出藍綠色螢光，代表甲烷化較嚴重，可運用此結果來協助判定產氫成效。

綜合試驗結果得出完全混合式反應槽的產氫效率程序控制方程式如下：單位體積反應槽產氫率（mole-H2/m3·day）=[1.084(有機體積負荷）+0.500)]·1.071（T-20）·0.6424（pH-4.5）·0.6783（ORP-(-500)）/100，試驗範圍為2~60kg-COD/m3·day，溫度=35℃，pH=5.0~5.5。

Differentkindsofanaerobicbiologicaltreatmentprocessescanbeusedtotreatdifferenttypesoforganicwastewaterandresultinverygoodtreatmentefficiencyaftercompletereaction.However,iftheproducedmethanedoesnotbeutilizedandescapeintotheatmosphere,seriousgreen-houseeffectwillbeincreased.Furthermore,hydrogen-fermentationalsoinanaerobicprocesseswillnotresultintheaboveproblem. Thisresearchisbasedonthewastewateranaerobicbiologicaltreatmentexperiences,consideringphysiologicalcharacteristicsandtherequiredgrowthenvironmentofanaerobichydrogen-fermentativebacteria.Fourdifferentkindsofreactorsareemployed,includingsludgerecyclingreactor,continuousstirred-tankreactor(CSTR),conventionalreactorandplugflowreactor.Therearetwomainpurposesinthisresearch:Thefirstpurposeincludestart-upoffourdifferentkindsofreactors,effectsofinfluentorganicstrength,hydraulicretentiontimeinordertoestablishtheoptimaloperatingconditions,kinetics,processcontrolandmodelsimulationofanaerobichydrogen-fermentativeprocess,andhydrogenproductivity.Thesecondpurposesincludevariousoperationalconditions,thatispH,temperatureandORPofCSTR,inordertoestablishthepatterncontrolmodelandpromotehydrogenproductivity. ThestudyrevealsthatwhentheinfluentCODconcentrationsof2,000~15,000mg/Landthehydraulicretentiontimesare6,12,20,24,36hrs.,hydrogenproductivityofthefourdifferentkindsofreactorsispromotedwiththeincreaseoftheinfluentCODconcentrationandthedecreaseoftheHRT.TheinfluenceofHRTonhydrogenproductivityismoregreaterthantheinfluentCODconcentration.Amongthesefourreactors,theCSTRisthemostsuitableoneforanaerobichydrogen-fermentationprocess,thesecondoneistheconventionalreactor.Thesludgerecyclingreactorbringsaboutthebetterresultofhydrogenproductivityonlyinthecasethattherearemorebiogasbecauseoforganicloading.Theconditionsofthethreereactorsareasfollowing:theinfluentCODconcentrationof8,000mg/L,theHRT6hours,theH2/H2+CH4andhydrogenproductivity(mole-H2/m3·day)ofthosereactorarerespectively55.3﹪and44.31mole,26.4﹪and19.64mole,22.7﹪and28.82mole.Becauseofthemainingredientsofthesyntheticorganicwastewaterareglucoseandbeefextract,Gompertzequation,thatusedinbatchexperiment,isnotadopted.TheregressionresultperformedtheMonodequationisfitforthisstudy. ThestudyofCSTRwasperformedforinfluentCODconcentrationof10,000mg/LunderHRTof4hrs.ThehydrogenproductivityofCSTRispromotedwiththeincreaseofthetemperatureandthedecreaseofpHandORP.Thebesthydrogenproductivity(mmole-H2/g-CODreandmole-H2/m3·day)ofCSTRis6.05mmoleand41.91moleon43℃,5.37mmoleand32.98moleonpH4.5,5.61mmoleand39.61moleon-500mv. Observedthroughthefluorescencemicroscopeandthescanningelectronmicroscope,herecomestheresultsaspresented:Thebetterhydrogenproductivityis,thebrighterorange-yellowlightshines;onthecontrary,theworseefficiency,thebrighterbluelight,showingthatmethanogenerationisstronger.Theresultsherecanhelpushowtopromotethehydrogenproductivity. TheformulaofthehydrogenproductivityandprocesscontrolmodelofCSTRwasshownasfollowing:Hydrogenproductivity(mole-H2/m3·day）=[1.084(loading）+0.500)]·1.071（T-20）·0.6424（pH-4.5）·0.6786（ORP-(-500)）/100. [論文目次] 中文摘要Ⅰ 英文摘要Ⅲ 目錄Ⅴ 圖目次VI 表目次IX 第一章前言1 第一節研究背景1 第二節研究目的2 第二章文獻回顧4 第一節廢水厭氧消化之原理4 第二節厭氧產氫與傳統厭氧消化反應之比較7 第三節各種厭氧產氫微生物之介紹9 一、醱酵產氫微生物9 二、光合產氫微生物11 第四節固定化厭氧產氫技術12 第五節厭氧產氫反應之環境影響因子14 一、營養源14 二、pH值、鹼度16 三、揮發酸20 四、毒性物質22 五、溫度26 六、氧化還原電位29 七、水力停留時間（HRT）29 八、其他影響因子30 第六節促進厭氧產氫之方法32 一、操作在甲烷菌不適生長之環境32 二、超高有機體積負荷32 三、不穩定的生長環境33 第七節各種厭氧產氫反應槽之探討33 第八節厭氧產氫反應動力學模式之探討36 一、Monodequation36 二、Gompertzequation38 三、Halaneequation39 第三章實驗設備與方法42 第一節厭氧產氫反應槽及集氣設備42 一、四種厭氧產氫反應槽42 （一）污泥迴流式反應槽42 （二）完全混合式反應槽42 （三）無攪拌式反應槽44 （四）柱塞流式反應槽44 （五）完全混合式反應槽（溫度、ORP與酸鹼度試程）44 二、氣體收集裝置46 三、ORP批次試驗48 四、其他設備48 第二節污泥來源與廢水配製49 一、污泥來源49 二、廢水配製49 第三節菌種篩選、植種與馴養50 一、篩選50 二、植種51 三、馴養51 第四節操作條件51 一、四種反應槽在不同有機體積負荷之操作條件51 二、完全混合式反應槽在不同醱酵溫度、ORP與酸鹼度試程之操作條件52 三、ORP之批次試驗53 第五節分析項目與方法56 第六節生物污泥之觀察58 一、以位相差顯微鏡與螢光顯微鏡觀察反應槽之菌相58 二、以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察反應槽之菌相59 第四章結果與討論60 第一節產氫效率及COD去除率60 一、溫度效應60 二、pH效應70 三、ORP效應79 四、單位體積反應槽之產氫效率與其他指標的迴歸關係式89 五、ORP之批次試驗93 第二節其他水質指標103 一、鹼度及揮發酸103 二、氨氮、有機氮及總氮107 三、SS及VSS109 四、總揮發酸與其他指標的迴歸關係式112 第三節生物污泥濃度及菌相116 一、生物污泥濃度與特性116 二、菌相119 （一）位相差與螢光顯微鏡觀察結果119 （二）掃描式電子顯微鏡(SEM)之觀察結果120 第四節質量平衡133 第五節CSTR及其他三種反應槽厭氧產氫反應動力學之探討及模擬138 一、氫氣組成與氫氣產量138 二、完全混合式反應槽之產氫程序控制式149 三、反應動力學149 第六節最佳操作條件之綜合評估153 第五章結論與建議157 第一節結論157 一、不同條件之產氫效率157 二、COD去除率158 三、其他水質指標159 四、生物污泥濃度及菌相160 五、各代謝物之COD佔總進流COD之比例160 六、四種反應槽之厭氧產氫反應161 六、綜合結論162 第二節建議163 參考文獻164 [ 參考文獻 ] 參考文獻 一、中文書目： 白明德（民88）厭氧生物產氫機制與程序操作策略之研究。

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