5. 微生物反應器

5.1 反應器種類

• 種類：
  • Batch reactors 批次反應器
  • Sequencing Batch Reactor (SBR) 序列批次反應器
    • 步驟：
      1. 將廢水注入反應槽中。
      2. 充分混和使廢水與污泥均勻混合。
      3. 曝氣利於微生物分解有機物。
      4. 靜置沉澱。
      5. 排出上清液，即完成 SBR 程序。
  • Continuous-flow stirred-tank reactor (CSTR) 連續攪拌槽反應器
  • Plug-flow reactor (PFR) 柱塞流反應器
    • 用途：城市及工業廢水之硝化。
  • Biofilm Reactors 生物膜反應器
    • Packed-bed reactors 填充床反應器
      • 用途：城市及工業廢水之好氧及厭氧處理、有機物去除、硝化、脫硝。
    • Fluidized bed reactor 流體化床反應器
      • 用途：低 BOD 廢水、毒性有機物、好氧處理、脫硝。
    • Rotating biological contactor (RBC) 旋轉生物圓盤
      • 用途：城市及工業廢水之好氧處理、有機物去除、硝化。
• CSTR 與 PFR 之比較
  • PFR 反應器入口處基質濃度最高，基質利用率高。
    • 基質轉化率 PFR 通常優於 CSTR。
    • PFR 入口氧氣需量高，曝氣應集中供給於反應器入口。
    • PFR 容易產生過量有機酸。
  • CSTR 中，反應器中基質濃度與出流水基質濃度相同，故進流基質立即分散到低基質濃度環境中。
    • 若沒生物質進入 PFR，則不會生成微生物，造成 Washout。
    • CSTR 進流與含有生物質之反應器混和，使 CSTR 進流不一定需要生物質進流。
  • CSTR 在應對毒性及衝擊負荷較 PFR 穩定。
    • 若毒物進入 PFR，毒物脈衝隨PFR移動時，濃度仍然高，會破壞系統中之微生物。
    • 若毒物進入 CSTR，毒物脈衝將迅速分散降低濃度，微生物可能僅受輕微影響。
  • CSTR 及 PFR 為大型生物反應器中難以實現之理想模型。
    • PFR 在實際情形下，曝氣導致縱向混合及distribution of residence times，故帶有曝氣得 PFR 可以透過軸向擴散模型或 CSTR 串聯模型達到更佳的模擬。
    • CSTR 在實際情形下，反應器支流體混合不完全可能導致流體停滯或短流。
• 配置方式：
  • 迴流（Recycle）：一般好氧與厭氧處理。
  • 串聯（Series）：用於連接不同處理方法
  • 並聯（Parallel）：
    • 提供冗餘以避免某些反應器停止工作或因應處理流量遠超過實際裝置容量。
    • PFR 之並聯可以維持更佳的混合。
  • 混和配置（Hybird）：用於組合式的處理。
  • 序列批次（Sequencing Batch）：用於高校去除單一成分。

5.2 質量平衡

• 系統邊界：控制體積。
• 相關組成：COD、TOC、biomass、oxygen ()、nitrate ()、ammonium ()。

5.3 批次反應

• 質量平衡：註

  • 微生物濃度平衡：

• 圖 5.3 的解釋

  • 當參數除 及 外其他皆知時，由圖左至右之解釋：
    當基質濃度 (S) 固定時：

    1. 微生物濃度 () 與基質濃度相當時，基質逐漸下降，微生物量逐漸上升。
    2. 微生物濃度 () 較少，基質濃度多時，由於微生物量過少，開始時微生物生長量將會遲滯，基質量下降較慢，隨著微生物增長量上升基質濃度亦下降，而基質濃度較低時微生物增長量將趨緩。
    3. 微生物濃度 () 更少，將遲滯更多時間，才會達平衡。
    • 由圖可知，在相同的初始基質濃度時，儘管基質處理量與微生物生長量三者皆相同，但處理時間方面明顯為為生物濃度高者最快，與初始無微生物者之所需處理時間相差約 5 倍以上，顯示污泥回流之重要性。

5.4 連續流反應器(CSTR)

• 質量平衡（圖 5.4）：
  • 進流與迴流之基質濃度平衡：
  • 進流與迴流之微生物濃度平衡：
  • 反應槽基質濃度平衡：
  • 反應槽微生物濃度平衡：
  • 系統基質濃度平衡：
  • 系統基質濃度平衡：

5.5 柱塞流反應器(PFR)

• 質量平衡（圖 5.5）：註
  • 基質濃度平衡：
  • 活性微生物平衡：
  • Steady state：

5.6 具迴流之柱塞流反應器

• 質量平衡（圖 5.6）
  • 反應槽基質濃度平衡：
  • 反應槽微生物濃度平衡：
• 圖 5.7 的解釋
  • 該圖為 PFR 系統之橫軸為停留時間，縱軸為出流基質濃度，由上圖可以觀察到相同停留時間下，迴流比越高出流基質濃度越低，表處理效率越高；相同基質濃度下，迴流比越大，所需之停留時間越小，當迴流比越接近無窮大時，PFR 系統將越趨近 CSTR 系統之狀態。而下方圖為上方圖之對數作圖，用以觀察較低出流基質濃度之分布情形，由下圖可以觀察到當基質濃度極小時，停留時間較為隨機，並未按照上述規則進行。
• CSTR 與帶迴流之 PFR 之比較：
  • 若需要 80%~90% 之去除率，CSTR 可靠性較高。
  • 若需要較高之去除率（99.9%），需要迴流比低之 PFR。
  • 迴流比適當時，可提供較低之停留時間及高去除率。
  • CSTR 之迴流不會影響性能，PFR 之迴流會影響系統性能。

5.7 自沉澱池迴流之反應器

• 自沉澱池迴流污泥：
  • 優點：反應器體積可以更小。
  • 缺點：沉澱池及迴流系統成本較高。

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備註

Comment 1

圖 5.5 公式的證明過程：

1. 基質濃度平衡：
2. 活性微生物平衡：
3. Steady state：
   2. 基質濃度平衡：
   3. 活性微生物平衡：
   4. ；
   5. 基質濃度平衡：
   6. 活性微生物平衡：
   7. 帶入 Monod 動力學：
   8. 得基質動力學：
   9. 活性微生物動力學：
   10. 忽略微生物死亡（令b=0）時：
   11. 積分得：
   12. 整理得微分方程：
   13. 解得：

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