第二章 廢水處理生物單元 生物處理法係利用微生物的代謝作用來分解廢水中複雜的溶解性有機化合物及部份氮磷化合物，以達安定化效果。

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1 第二章 廢水處理生物單元 生物處理法係利用微生物的代謝作用來分解廢水中複雜的溶解性有機化合物及部份氮磷化合物，以達安定化效果。
此法對處理一般家庭廢水及有機性工業廢水最具經濟效益。 大漢技術學院 環境資源管理系

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3 2.1生物處理原理 2.1.1生物處理程序分類 生物處理若依有無供給氧氣情況，可分為好氧性(aerobic)、兼氧性(facultative)及厭氧性(anaerobic)等處理程序。 每一種系統又可依微生物生長方式，分為懸浮生長式(suspended-growth)或附著生長式(attached growth)。 大漢技術學院 環境資源管理系

4 依氧氣需要性分類 (1).好氧性處理 在廢水之好氧性處理中，廢水中之有機物（包括碳水化合物、蛋白質、脂肪等）被好氧性微生物分解成穩定物質。反應過程為： 大漢技術學院 環境資源管理系

5 依氧氣需要性分類 (2)兼氧性處理 兼性厭氧微生物(facultative anaerobic microorganism)可生長於空氣中，也可生長於無氧狀態。其可利用氧氣來產生能量，也可在無氧狀態下行發酵(fermentation)作用來獲得能量。 例如酵母菌(yeast)、大腸桿菌等。 在有氧環境下，大腸菌可將葡萄糖分解為CO2及水；在無氧環境下，大腸菌可將葡萄糖發酵為CO2及有機酸。 大漢技術學院 環境資源管理系

6 依氧氣需要性分類 (3)厭氧性處理 利用微生物在缺氧情況下分解廢水中有機物，產生甲烷、二氧化碳、氨及硫化氫等，最後並殘留不被分解的有機物如腐植質，或比較穩定的物質。 在此情況下，有機物之穩定化係由酸形成菌及甲烷形成菌分兩階段完成之，反應過程為： 大漢技術學院 環境資源管理系

7 依氧氣需要性分類 (3)厭氧性處理 大漢技術學院 環境資源管理系

8 依生長方式分類 (1)懸浮生長式 用來分解廢水中有機物或其他污染物質的微生物，在反應槽液體中保持懸浮狀態的生物處理程序，如活性污泥法及厭氧接觸法。 (2)附著生長式 用來分解廢水中有機物或其他污染物質的微生物，在反應槽中附著於惰性介質上，如板盤、條棒、礫石或特殊設計的塑膠物等之生物處理程序，又稱生物膜式，如生物圓盤法、滴濾池法、接觸曝氣法。 大漢技術學院 環境資源管理系

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12 2.1.2微生物 自然界中有很多構造簡單、形體甚小、肉眼看不見、無組織分化之生物存在，此類生物被稱之為微生物。微生物種類甚多，有單細胞或多細胞， 包括細菌 (bacteria)、原生動物 (protozoa)、真菌(fungi)、藻類(algae)、病毒(virus)等。 其中與廢水生物處理有關之微生物以細菌、原生動物、真菌及藻類等為主。 大漢技術學院 環境資源管理系

13 (1).微生物之三域分類 1977年，Woese和Fox根據基因序列比對，將生物分類為三域(three domains)，即細菌(bacteria)、古生菌(archaea)、真核生物(eukarya)。 細菌和藍綠細菌屬原核體細胞(procaryotic cell)，細胞壁含有胜醣(peptidoglycan)，行二裂法繁殖，以有機物、無機物、或光為能量來源。 古生菌亦屬原核體，細胞壁無胜醣，可在極端(例如：海底火山口、高溫溫泉(113℃)、幾近飽和的鹽湖、硫磺池等)之環境條件下生存，所以早期又稱他們為極端菌。甲烷菌(methanogens)、耐鹽菌(extreme halophiles)、高溫菌(extreme thermophiles)等屬之。 真核生物包括原生動物、藻類、真菌、植物、動物等。 大漢技術學院 環境資源管理系

14 (2).原核體 細菌和藍綠細菌屬原核體低等原生物(protisis)。
細菌為桿狀、球狀、及螺旋狀之細胞生物，行分裂生殖，很多具運動性，一般無光合作用功能，具有細胞壁、細胞膜、細胞質、鞭毛等結構。部份細菌於不良環境下，會形成內胞生子(endospore)，大小約0.5-5 µm (平均約1 µm)，需用油鏡並經菌體染色後才可進行觀察。 藍綠細菌為一行光合作用的生物，其特有的顏色是因含有藍色的植物色蛋白 (phycobilins)，大小一般比細菌大。細胞常成鏈狀或片斷狀，可以運動，但是沒有鞭毛。生殖的方式是二裂法，但少數含片斷狀的藍綠細菌，其斷片具繁殖能力。 大漢技術學院 環境資源管理系

15 (3).真核體 真菌、藻類、原生動物屬真核體高等原生物。
酵母屬單細胞真菌；其他大部份真菌(黴菌及菇類)屬多細胞，是由許多細長的菌絲(hyphae)集合而成的菌絲體(mycelium)。真菌以有機物為能量來源，雖有時產生可游動的生殖細胞，大部份真菌類不會游動。 藻類為水生區域最重要的生產者，具含纖維素之細胞壁，光合作用是其能量來源及最基本生理特性，所以一般藻類均有色澤。光合作用的色素及其重要步驟都在葉綠體內進行。葉綠體中至少有兩種色素存在，即葉綠素(chlorophylls)和胡蘿蔔素(carotenoids)。藻類種類極多，小者為須以顯微鏡才能觀察到的單細胞；大者如昆布，長達45公尺。 原生動物為單細胞，以有機物為能量來源，不行光合作用或分裂生殖，大部份能運動，有些在不良環境下會形成厚膜之囊狀構造(cyst)。原生動物很多為水生動物食物來源，有些能引起疾病，可分為根足蟲類(sarcodina)、鞭毛蟲類(mastigophora)、纖毛蟲類(ciliaphora)、孢子蟲類(sporozoa)。 大漢技術學院 環境資源管理系

16 (4).病毒(Virus) 病毒不能自我複製，為一種細胞內寄生物，能感染細菌或動植物細胞，感染細菌的病毒稱為噬菌體(bacteriophage)。一種病毒體通常只能感染一種寄主，也就說病毒體對寄主是具有特定性的。 所有的病毒體都極小，約在 µm。病毒構造簡單，大多由核酸及蛋白質外殼組成，會引起人、動植物疾病。 大漢技術學院 環境資源管理系

17 2.1.3細菌之生長與死亡 (1).遲滯期(lag phase)：
此時大部分之菌體都在進行DNA之複製和蛋白質之合成，使細胞質量增加並做好分裂前之準備，細胞數尚未增加。 大漢技術學院 環境資源管理系

18 2.1.3細菌之生長與死亡 (2)加速/對數生長期(exponential phase)：
在此時，大部分之菌體都已做好分裂之準備，開始進行分裂，因此菌數成快速且呈對數增加之情形。 大漢技術學院 環境資源管理系

19 2.1.3細菌之生長與死亡 (3)減率生長/穩定期(declining/stationary phase)：
包括靜止期，此階段進行菌體分裂增殖之速率減緩，大部分之菌體為維持本身之新陳代謝而增止分裂，或進一步與死亡之菌體數目達成一平衡，故整體看來，菌數形成停滯不變的狀態。 大漢技術學院 環境資源管理系

20 2.1.3細菌之生長與死亡 (4)內呼吸/死亡期(endogenous/death phase)：
當環境變成對菌體有害，例如基質或養分用盡，或因菌體本身之內呼吸代謝而使環境出現毒素時，菌體便會大量死亡，菌數減少進入死亡期。 大漢技術學院 環境資源管理系

21 2.1.4微生物的營養要求 微生物細胞各有其一定之化學組成，各類微生物之化學組成如下：
由以上可知微生物細胞中除其構成元素C、H、O外，尚有N、P、S及其他微量元素Na、K、Ca、Mg、Fe等。因此，微生物為合成其新的細胞及發揮正常功能，均需上述營養物質。 大漢技術學院 環境資源管理系

22 2.1.4微生物的營養要求 (1).能量來源： 所有微生物均需要能量來源，有一些像藻類，能利用太陽能，稱為光合性生物(phototrophs)。不能利用放射能的微生物，例如真菌及原生動物，則需依賴化合物的氧化作用做為能量來源，這些被稱為化學營性生物(chemotrophs)。此兩種營養型式，即光合性及化學性，在細菌中都存在。 大漢技術學院 環境資源管理系

23 2.1.4微生物的營養要求 (2).碳源： 所有生物均需要某些形式的碳並需要微量的二氧化碳，但大部份活的生物均需要有機碳，如糖及其他醣類(carbohydrates)。藻類利用二氧化碳，依光合作用將它轉變成醣類，同樣的，許多細菌僅需要二氧化碳做為碳源，稱為自營性菌(autotrophs)，這些自營性菌中如能從光獲得能源，則稱為光自營性菌(photoautotrophs)，如自氧化無機化合物獲得能量，則稱之為化學自營性菌(chemoautotrophs)。其他微生物包括真菌、原生動物及大部分的細菌，不能利用二氧化碳做為碳源，而需依賴有機化合物供其做為食物，這些需要有機化合物做為碳源之生物稱為異營性菌(heterotrophs)。 大漢技術學院 環境資源管理系

24 2.1.4微生物的營養要求 (3).氮源： 所有生物均需某些型式的氮。植物利用如硝酸鉀(KNO3)等無機氮，而動物則利用蛋白質及胺基酸等有機氮。至於微生物，有些能利用大氣中的氮，有的則利用無機氮化物，其他則利用蛋白質或自然界的有機氮化物。 (4).硫、磷源： 所有生物均需要硫、磷等營養鹽。典型的動物可自有機硫化物中獲得硫，植物則可自無機硫化物中獲得。至於微生物，則可自有機或無機硫化物中獲得硫。磷通常則以磷酸鹽或磷酸供給。 大漢技術學院 環境資源管理系

25 2.1.4微生物的營養要求 (5).微量金屬： (6).維生素： (7).水：
所有生物均需要如鈉、鉀、鈣、鎂、鋅、銅、磷及鈷等微量金屬，以供其正常生長。微生物亦如此。 (6).維生素： 所有生物均需要維生素(vitamins)或含維生素的化合物。動物所需維生素大部份取自食物。有些微生物可自行製造維生素或其他生長因子，有些則需外加。 (7).水： 所有生物均需要水供做生長。細菌所需的基質及營養鹽，在進入生物體之前，都需溶於水中。 大漢技術學院 環境資源管理系

26 2.1.4微生物的營養要求 微生物依其營養的需求性，可分成許多類。
根據其生長的能量來源區分，主要可分為光合性菌(phototrophs)及化學性菌(chemotrophs)兩類。 每一類微生物更可進一步根據其所需主要碳源(如CO2或有機化合物)再細分為自營性菌及異營性菌 。 大漢技術學院 環境資源管理系

27 2.1.5生物處理的環境因子 (1).溫度： 一般而言，各類微生物均有一最佳生長溫度範圍。以細菌為例，依溫度高低可分為三類，(1)低溫細菌，生長範圍2-30℃，最佳溫度為12-18℃，(2)中溫細菌，生長範圍10-45℃，最佳溫度為25-37℃，(3)高溫細菌，生長範圍45-75℃，最佳溫度為55-65℃。在此範圍之外，各類細菌的生長速率將受到抑制而減低或趨於死亡，一般應用於廢水處理的微生物大多屬於中溫細菌。 (2).pH： 廢水生物處理系統一般最佳pH範圍介於6.5與7.5間，但有時因系統不同而相差甚大。操作經驗顯示，以細菌為主的系統於中性時生長較佳，以藻類與真菌為主的系統則於略酸性時生長較佳。pH的變化主要影響酵素的活性度，因而使微生物的生長過程受到影響。 大漢技術學院 環境資源管理系

28 2.1.5生物處理的環境因子 (3).毒性物質： 廢水生物處理系統受各類物質的毒性影響可分為三大類，(A).某些有機物於高濃度時對微生物的生長產生抑制而低濃度時則無，如酚類。(B).大部份重金屬對生物處理系統有害，但如果能將微生物先加以適當馴養，則其受重金屬的毒害性將大為減低。重金屬對生物處理系統的毒性作用相當複雜，除了與重金屬濃度、pH、微生物的生理狀態有關，其他廢水中共存的物質亦將影響重金屬的毒害程度，譬如廢水中含有氨時，因氨能與銅相結合成錯離子，故使銅的毒害性相對地減低。(C).高濃度的鹽分將影響微生物的活性度，而降低生物處理效果。譬如於pH為7時，氨濃度一般不可大於1,600 mg/L，而氯化物濃度則不可大於5,000 mg/L，在此一高氯化物濃度下，微生物細胞極易裂解而大幅降低活性。 大漢技術學院 環境資源管理系

29 2.1.5生物處理的環境因子 (4).溶氧：微生物依其對氧氣的需求可以分為好氧性生物(aerobes)、厭氧性生物 (anaerobes)及兼氧性生物(facultative)三種，需要氧氣才能生長者屬於好氧性生物；不能利用氧氣以得到能量，而且氧氣會對其造成毒害者稱為厭氧性生物；無論有氧與否都能生長者是兼氧性生物。一般好氧生物曝氣槽最好維持溶氧量在1-3 mg/L，厭氧槽則不能有溶氧量存在。 (5).養分：前已提及微生物生長需要多種養分，許多工業廢水中常缺乏氮、磷，故必須另外以適量的NH4OH和磷酸(H3PO4)補充之。其他微量元素如磷、鉀、鈣、鎂等，也可能影響微生物的正常合成作用，如果缺乏將使得處理效果不盡理想。 (6).其他因子：工業廢水中的有機物有些可為生物所分解者，有些則否，其中生物可分解之程度與速率亦與有機物之化性有關。不同的生物處理方法、管理、操作與維護均為生物處理效果的重要影響因子。 大漢技術學院 環境資源管理系

30 能量之產生 (1).細菌分解有機物以產生能量，最重要之氧化還原酵素反應即為氫之電子移轉。氫移轉須有最終的氫(質子)接受者(hydrogen acceptor)始能完成全部反應，將有機物穩定化，在氫之移轉過程中即產生能量。氫之移轉反應如圖2.4所示。 大漢技術學院 環境資源管理系

31 能量之產生 有機物之氧化，自由氧(free oxygen)可為其最終之電子接受者，除此之外，硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽或二氧化碳等結合氧化粅也可作最終氫接受者，因此也可經氧化還原酵素反應而產生能量。 (2).自營性細菌可自氧化無機物而獲得能量，此類細菌如鐵氧化菌、硫氧化菌、氫細菌、硝化菌等均屬之。 (3)具有葉綠素或特殊色素之生物直接利用光作為其能量來源進行合成作用，微生物中如藻類及少數細菌屬於此類。 大漢技術學院 環境資源管理系

32 能量之產生 細菌氧化有機物所產生之能量通常儲存於腺核苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)中，ATP轉化為腺核苷二磷酸(adenosine diphosphate, ADP)時，能量即釋出，以供細菌合成及活動所需。 大漢技術學院 環境資源管理系

33 2.1.6.2代謝作用 新陳代謝即合成與分解兩種作用，由合成作用則得新細胞，由有機物之分解可獲得能量及最終產物。
(1).化學異營性細菌之合成與分解作用 大漢技術學院 環境資源管理系

34 代謝作用 (2).化學自營性細菌之合成與分解作用 大漢技術學院 環境資源管理系

35 代謝作用 (3).光合自營性細菌之合成與分解作用 大漢技術學院 環境資源管理系

36 代謝作用 由前述可知能量之獲得主要為電子傳遞，凡生物之代謝作用須以自由氧為最終之氫接受者即為好氧性生物(aerobes)，利用結合氧(含氧化物，如NO3－、NO2－、SO42-)或有機物作為最終之氫接受者的即為厭氧性生物(anaerobes)。異營性細菌通常可分為好氧性、兼氧性及厭氧性三類，而自營性細菌則多屬好氧性。 由於能量之移轉方式不同，好氧菌與厭氧菌之反應機構及其最終產物也各不相同： 好氧菌代謝最終產物：CO2，H2O 厭氧菌代謝最終產物：CH4，H2S，NH3，CO2， H2O，H2等 光合性菌代謝最終產物：O2，S 大漢技術學院 環境資源管理系

37 代謝作用 好氧微生物之代謝過程 大漢技術學院 環境資源管理系

38 厭氧微生物 之代謝過程 大漢技術學院 環境資源管理系