改良式電解去離子系統電流率提升技術之研究.doc

PAGE  PAGE 80 第二十一屆下水道與水環境再生研討會論文集/100年8月26日 台灣水環境再生協會 微生物燃料電池產電效能之研究-以活性污泥水解產物為基質 張信堃1、莊順興2、李岳翰3、黃春財4 摘要 本研究主要目的為針對都市污水處理廠廢棄活性污泥為基質，進行微生物燃料電池產電效能探討，並與葡萄糖基質比較，期望透過水解技術將固體性有機物破碎，提升微生物燃料電池陽極槽內微生物利用效率，增加微生物燃料電池產電。 試驗結果發現添加葡萄糖負荷4 gCOD/gMLVSS．day，MFC一批次全反應產生最高電壓值達0.68 V，陽極槽內微生物去除SCOD達80 %，MFC系統產生之庫倫效率為49 %，陽極槽內pH值維持在4，而以超音波水解污泥產物為添加基質負荷3 gCOD/gMLVSS．day，MFC一批次全反應產生最高電壓值達0.52 V，陽極槽內微生物去除SCOD達70%，MFC系統產生之庫倫效率為40%，陽極槽內pH值維持在6.5。 以上結果可說明，在電壓放面添加葡萄糖比經過超音波水解污泥之水解產物較高，其兩種基質平均SCOD去除率去介於70~80%除率效益接近，pH值方面添加超音波水解污泥之產物有大量的有機物可緩衝引響pH值升降較添加葡萄糖基質不易酸化，在一批次MFC系統添加超音波水解產物基質陽極槽中厭氧微生物較葡萄糖基質適合生存。 關鍵詞：微生物燃料電池、庫倫效率、厭氧污泥、廢棄活性污泥 一、前言 1.1 微生物燃料電池發展 人類在生活上不管是食衣住行都脫離不了消耗能源，能源的消耗逐漸增加，科學家們正在尋求以再生資源產生電能，其電力是各總能源中轉換效率最高能源之一，而微生物燃料電池 MFC(Microbial Fuel Cell)就是一種有潛力且新穎能產電的綠色能源 (Logan et al., 2007) 廢棄活性污泥(Waste Activated Sludge,WAS)的處理是一般都市污水處理廠營運操作的重要問題，而WAS處理不當，所衍生出來的二次公害將十分嚴重。在一般的廢水處理廠，欲達到良好的污泥處置其處理費用高 1朝陽科技大學環境工程與管理所 碩士 2朝陽科技大學環境工程與管理所 副教授 3朝陽科技大學環境工程與管理所 研究生 4朝陽科技大學環境工程與管理所 研究生 達全污水廠操作維護費用的40%(Liu et al,2008)，為求污泥減量有超音波水解等方式漸少污水廠費用支出，因超音波水解所損耗能量較多，進而對超音波水解污泥進行再利用，使其污泥當作MFC系統陽極槽內添加基質，進行MFC產電時所需基質，希望所產生之電能能進而回饋在超音波水解時所耗損能源。 1.2 研究目的 本研究將廢棄活性污泥以超音波進行前處理，期待能降低污泥固體物量、以及提升COD去除率和微生物燃料電池產電效應。其研究目的是為了了解超音波水解產物產電效率，以及不同負荷下COD去除率，產電、pH值對陽極槽內微生物影響，並找出最佳的產電效率之參數。 二、原理介紹 2.1微生物燃料電池傳輸機制 1. 電子轉移的機制 質子交換膜燃料電池，是一兩槽體間夾一質子交換膜之微生物燃料電池，此系統電子動力來源，需要在陽極槽內厭氧微生物代謝後之負產物H質子經靜電、擴散、接觸等方式碰觸質子交換膜，在質子交換膜內經過一連鎖反應，使其H質子進入陰極，這時陰極會因為缺乏電子的供應，需要更多的電子進行還原反應，其電子就經由陽極槽內擴散、靜電、接觸等方式碰觸極版，再經由外部導線(銅線)進而進入陰極完成陰極槽內之還原反應。圖2.1為質子交換膜燃料電池的工作原理示意圖，電解質將電池分隔成陰極與陽極兩部分。 圖2.1質子交換膜燃料電池的工作原理示意圖(黃氏，2005) 2.2微生物燃料電池的阻抗 1.陽極槽反應機制 在陽極槽內厭氧微生物，在代謝時所消耗之能量，影響著MFC系統產電的效率，其代謝的物質分子量越小，而厭氧微生物代謝的速率就相較的較快，進而MFC系統的產電效率就能提升，如要運用在實場上進流的污水，其分子量都較大，整體反應沒辦法像實驗是所使用之基質相較比較，其污水廠之厭氧污泥都偏向於甲烷化污泥，產氫量並不高，對於MFC系統並不適合，其在污水廠會加藥劑控制pH值，如要使用在污水廠，可減少藥劑添加量，並不需要調整中性，其可減少在使用藥劑量這方面的成本，在廢棄活性污泥經超音波水解前處理，使污泥減量僅而進行MFC系統運作，在這樣的運作下，可以減少兩方面的成本，調整pH值藥劑費用與廢棄污泥的處理費用，這樣不但能節省污水廠開銷，而外有電能的產生，在此基礎下能進行更多相關的研究。 2.質子交換膜 由細菌的新陳代謝引起的電壓損失並不明顯，因為這些損失是由細菌氧化有機物所引起的。在有機質