螺旋藻淨化畜牧業放流水之研究.

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1 螺旋藻淨化畜牧業放流水之研究

2 一、實驗設備與方法 本實驗所使用的藻類種源為螺旋藻，取自於台南海事學院，因為藻源受到環境中其他藻種的污染，尤其以顫藻的污染最為嚴重，因此本研究首先將混合的藻種進行分離與純化，再將純化的藻種以分子生物的技術進行鑑定，後續以人工配製的BG-11培養基與畜牧場的出流水進行藻種培養，以了解純化的藻種對培養液中氮、磷的移除效果。實驗架構如圖1所示。

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4 1.1螺旋藻純化與鑑定 1.藻種純化 本研究以為吸管法進行藻種的純化，用自製的微吸管，一端接上特製乳膠軟管，再使用顯微鏡和玻璃製微吸管之毛細現象吸取純目標螺旋藻，陸續利用BG-11培養基清洗並分離出純螺旋藻，然後存放入含有3 mL BG-11之10 mL試管中，培養約1星期後，再以顯微鏡觀察進行確認。

5 2.螺旋藻鑑定和DNA定序 本研究以分子生物的技術進行純螺選藻鑑定，首先萃取藻體的DNA，再以細菌專用的引子(primer)，以聚合配鍊鎖反應(polymeras chain reaction，PCR)進行DNA複製，再以16S rDNA分子選殖( clone )實驗，選擇適當的勝任細胞，插入藻體的DNA片段，最後委託明欣生物科技有限公司與成大核酸實驗室，利用核酸自動定序儀(PE/ABI337 Sequencer)定序。 3.純藻大量培養 本研究使用人工配製的BG-11培養基與養牛場與養猪場三階段式處理過的出流水進行螺選藻的大量培養，培養條件為28℃恆溫，光照狀態分別為12小時照光與12小時不照光，

6 另提供空氣以補充二氧化碳。BG-11培養基成份如表1，由表中可發現氮源有NO3--N (247 mg/L)與微量的銨氮(NH4+-N)；磷源為正磷酸鹽 (5 mg/L PO43--P)，滅菌冷卻後pH調整為7.4。 本研究所使用的畜牧出流水取自於台南某養猪場和屏東某養牛場三階段處理設施的出流水，其中猪場出流水水體氨氮含量高達580 mg/L導致螺旋藻死亡，所以將原水稀釋2倍和4倍再培養螺旋藻，牛場則直接以出流水培養螺旋藻。

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8 4.水質分析 培養過程，為了解螺旋藻的生長情況，進行相關的水質檢測，檢測的方法與頻率表列入下：

9 三、結果與討論 3.1 BG-11培養基中之螺旋藻淨化效率分析 1.濁度、葉綠素a、pH之分析結果
螺旋藻在BG-11培養基中生長期間之濁度和葉綠素a變化，第0天到第14天之生長期，濁度由32.1 NTU增加到151 NTU，增為原來的4.7倍，每天約增加7.7 NTU，葉綠素a由154 μg/L增加到1220μg /L，增為原來的7.7倍，每天增加約77μg/L 。

10 第14天到21天穩定期，濁度都維持在151 NTU，葉綠素a維持在1220. 3μg/L ~ 1184
第14天到21天穩定期，濁度都維持在151 NTU，葉綠素a維持在1220.3μg/L ~ μg/L。第24天進入死滅期，濁度和葉綠素a都開始逐漸下降。螺旋藻在BG-11培養基中生長期間之pH值，從第0天至第7天pH值略微上升，第7天呈現穩定狀態，pH值維持在11.49到11.74之間，呈現鹼性。 2.正磷酸鹽分析結果 圖2為螺旋藻在BG-11培養基生長期間磷酸鹽的變化，從第0天到第30天，去除率達98％，由此可見螺旋藻對於正磷酸鹽的移除能力佳。

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12 3.氮鹽分析結果 圖3為螺旋藻在BG-11培養基中生長期間之氨氮濃度變化，第0天到第5天，下降率達100％，而在水體pH大於9的情況，NH4+-N會以NH3 氣體逸出，所以此處的NH4+-N降低應是氨氣逸散的結果。 圖4為螺旋藻在BG-11培養基生長期間之硝酸氮濃度分析結果，從第0天到第5天硝酸氮濃度維持在248 mg/L，然而第5天後硝酸氮濃度逐漸減少到第30天硝酸氮濃度為213.2 mg/L，去除率為14％，由此可以發現螺旋藻第0天~第5天為適應期，第5天後開始生長與繁殖，因生長需以硝酸氮為氮源，所以螺旋藻對硝酸氮的移除能力是顯著的。

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14 3.2 猪場出流水之螺旋藻淨化效率分析 1.濁度與pH分析結果 出流水稀釋2倍和4倍之濁度的變化情形，稀釋2倍出流水之濁度，從第7天到第30天逐漸增加，由33.1 NTU增加到136 NTU，每天增加約4.6 NTU。稀釋4倍出流水之濁度從第7天到第30天也是逐漸增加，由17.1 NTU增加到 123 NTU，每天增加約5.1 NTU。 稀釋2倍出流水之pH值從第7天到第14天逐漸下降，由9.2下降到5.6。稀釋4倍出流水，pH值從第0天到第10天逐漸下降，由8.5下降到6.3。

15 2.總COD分析結果 圖5為稀釋2倍出流水，COD從第16天到第30天逐漸上升，由264 mg/L上升到752 mg/L，每天增加33 mg/L；稀釋4倍出流水，COD從第10天到第30天逐漸增加，由272 mg/L增加到880 mg/L，每天增加34 mg/L。 由於硝化作用的關係，稀釋2倍出流水，pH值在第9天到第16天，pH值低於8，圖中也發現總COD在16天以後開始增加，稀釋4倍出流水，pH值在第0天到第10天，由8.5下降到6.3，而總COD也是在第10天以後開始增加。

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17 3.溶解性COD分析結果 圖6顯示未添加螺旋藻稀釋2倍出流水溶解性COD從第0天到第30天逐漸下降，下降率為16％。添加螺旋藻稀釋2倍出流水溶解性COD從第0天到第30天逐漸下降，下降率為66.7％；添加螺旋藻稀釋4倍出流水，溶解性COD從第0天到第30天逐漸下降，下降率為43.5％。螺旋藻培養於不照光的環境時，無法利用無機碳源，而是以有機碳源做為基質(Chojnacka and Noworyta，2004)，因而導致溶解性COD下降。 圖中可見對照組(稀釋2倍出流水未添加螺旋藻)放置30天後，溶解性COD只降解16％，應是培養液中的異營性細菌所消耗的碳源。

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19 4.正磷酸鹽分析結果 圖7為稀釋2倍出流水正磷酸鹽濃度從第7天到第14天逐漸增加，由前述pH值和總COD的分析，推測這段期間螺旋藻的生長是受到抑制，也可以推測在此期間螺旋藻之攝磷速率，不及分解菌降解有機磷的速率，因而導致磷酸鹽的濃度上升，而陳國誠(1996)研究也指出在生物處理廢水的時候，大部份的有機磷化合物及大多複合磷酸鹽會被轉化為正磷酸鹽，稀釋2倍出流水，在第14天後正磷酸鹽濃度開始下降到第30天，由32.5 mg/L下降到 1.1 mg/L，下降率為96.6 ％。 然而由圖中顯示稀釋4倍出流水，正磷酸鹽濃度從第0天到第7天維持在4.6~4.8 mg/L未明顯增加，是否因為稀釋度太高，導致分解菌降解有機磷的速率太慢，

20 使得磷酸鹽濃度變化不顯著，值得深究，稀釋4倍出流水，在第7天後正磷酸鹽濃度開始下降到第30天，由4. 76 mg/L下降到 1
使得磷酸鹽濃度變化不顯著，值得深究，稀釋4倍出流水，在第7天後正磷酸鹽濃度開始下降到第30天，由4.76 mg/L下降到 1.3 mg/L，下降率為73 ％。由前述可知螺旋藻在BG-11培養基移除磷的效能佳，此處亦可見螺旋藻對於猪場出流水中的正磷酸鹽亦有高的移除能力。

21 5.氮鹽分析結果 稀釋2倍和稀釋4倍出流水，因為非同一天所採取之水樣，而導致初始的氮鹽濃度不同。由圖8得知稀釋2倍出流水，氨氮從第0天開始下降到第14天，濃度由 261 mg/L下降到 0 mg/L，而亞硝酸氮與硝酸氮隨著氨氮的降低而逐漸上升，亞硝酸氮在第21天後開始明顯下降，在第14天顯然亞硝酸氮轉化成硝酸氮的作用受到抑制。 由前述pH值在第14天時降到5.6，硝酸菌無法在如此低的pH值進行轉化作用，導致亞硝酸氮濃度維持在 79 mg/l，而當第18天後，pH值明顯回升後，第二階段的硝化作用才開始進行。(第一階段為NH4+硝化為NO2-，第二階段為NO2- 硝化為NO3-)。 Yeh C.T. et al.(2006)指出在特定的環境條件下，氨氮不論在光照或是黑暗環境下，螺旋藻生長不會受到抑制且生長良好。

22 Converti et al.(2006)探討螺旋藻降解銨離子及尿素的效能，研究指出不論是氯化銨或是尿素氮源最高臨界濃度24 mg/L，並不會對螺旋藻造成抑制作用。Rangel-Yagni et al. (2004)研究指出半批式添加尿素於螺旋藻培養系統，尿素濃度500 mg/L(233 N mg/L)，但因尿素再被利用以前才會水解成銨離子，所以不會累積銨離子造成抑制作用，與本研究在培養初期，氨氮就高達261 mg/L 有所不同。 本系統培養初期，pH值增高於9，可能有部份銨離子變成氨氣逸出，但是當pH值小於9，應該是硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸與硝酸，由亞硝酸氮與硝酸氮的濃度增加，可證實硝化作用的發生，但是螺旋藻是否直接利用氨氮做為氮源，在本研究無法證實。

23 圖9為稀釋4倍出流水氮鹽濃度變化情形，發現第0天亞硝酸濃度比氨氮高，由此可以得知當天猪場出流水，硝化反應已在水體內進行，在培養螺旋藻後，氨氮開始下降至第21天為零，亞硝酸氮在14天後急速往下降，導致硝酸氮急速上升。稀釋2倍出流水，總無機氮鹽(銨氮+亞硝酸氮+硝酸氮)下降率為61.2％，稀釋4倍出流水，下降率為24％。

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26 3.3牛場出流水之螺旋藻淨化效率分析 1.基本水質分析結果 養牛場出流水培養螺旋藻之濁度從第0天到第30天逐漸增加，由88.7 NTU增加到147 NTU。出流水pH值從第0天到第30天逐漸上升，由6.8增加到8.1，牛場廢水在出流前，因大量曝氣在好氧狀態下，硝化反應在水體中已經趨近於完成，此外因牛的飼料中約有三分之一屬於牧草，排泄物中的氨氮含量也少於猪場，因此牛場出流水pH值不會受到硝化作用的影響，而水體中CO2被螺旋藻利用後，pH值會逐漸增加。

27 總COD濃度從第0天到第30天逐漸上升，由680 mg/L增加到1440 mg/L，每天約增加25
總COD濃度從第0天到第30天逐漸上升，由680 mg/L增加到1440 mg/L，每天約增加25.1 mg/L，由此可知螺旋藻的生長是顯而易見的。溶解性COD濃度從第0天到第30天逐漸下降，由360 mg/L下降到160 mg/L，下降率為56％，明顯高於對照組，應是螺旋藻於黑暗環境，使用有機碳為基質所導致的結果。 2.正磷酸鹽分析結果 圖10顯示出流水未添加螺旋藻，對照組正磷酸鹽濃度從第0天到第30天逐漸下降，由39 mg/L下降到37 mg/L，下降率為 5％。牛場出流水添加螺旋藻，正磷酸鹽濃度從第0天到第30天逐漸下降，由38.2 mg/L下降到5.6 mg/L，下降率為85.3％，由此又再一次証實螺旋藻對水體中磷酸鹽的移除能力。

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29 3.氮鹽分析結果 硝酸氮濃度從第0天到第30天逐漸上升，由232.2 mg/L上升到257 mg/L，牛場出流水之總無機氮鹽，濃度由234.4 mg/L增加到257 mg/L，而氨氮與亞硝酸氮濃度趨近於零，由此可以發現螺旋藻似乎未利用水體中的硝酸氮做為氮源。 Faucher et al.(1997)研究Spirulina platensis氮源之利用試驗，發現其對氨態氮吸收最快，其次為亞硝酸氮，再次為硝酸態氮，而劉氏(2008)指出藻類在吸收硝酸鹽是一種耗能過程，在照光、CO2或其他碳源存在下可促近硝酸鹽的利用，

30 而尿素則經由水解成NH4+，而為藻細胞所利用。上述的相關研究，都以人工培養基添加不同的氮源所進行的試驗，相較之下本研究的培養系統，採用畜牧業出流水，是較複雜的基質，養猪出流水高氨態氮伴隨硝化作用，不易釐清螺旋藻對氮源的利用順序，而養牛出流水氮源以硝酸態氮為主，但分析結果，硝酸態氮幾乎未被消耗，但BG-11培養系統在無其他氮源存在下，硝酸態氮會被螺旋藻所利用，由此可以推測牛場出流水應有其他氮源(如尿素)存在能被螺旋藻所利用，亦或是螺旋藻有固氮的作用，值得再深入研究。

31 結論 本研究利用螺旋藻生長之基本條件，來移除三段式廢水處理後之放流水中高濃度氮、磷。研究結論如下所述。
1. BG-11培養基中正磷酸鹽的濃度，去除率可以達到98％，硝酸氮濃度去除率為14％，螺旋藻對硝酸氮的移除有顯著的能力。

32 2. 豬場出流水稀釋2倍培養螺旋藻，溶解性COD從第0天到第30天，下降率為66. 7％；正磷酸鹽濃度從第14天到第30天，下降率為96

33 4. 牛場出流水原水培養螺旋藻，溶解性COD濃度從第0天，下降率為56％；正磷酸鹽濃度從第0天到第30天，下降率為85
5.螺旋藻對於牛場和猪場出流水中移除正磷酸鹽的能力都極具有效果，然而螺旋藻對於猪場出流水中總氮鹽之移除效果較牛場出流水有效。