光電廢水模場硝化程序及生物膜活性分析 四環四A 4960N025 黃景義.

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1 光電廢水模場硝化程序及生物膜活性分析 四環四A 4960N025 黃景義

2 摘要 模型場硝化槽總共有三槽，以串聯形式排列，前為經處理後含氨氮之廢水，而槽中之汙泥包含懸浮污泥及(Suspended sludge)用不織布擔體固定之汙泥(Attached biofilm)。在此研究中分析三槽硝化槽降解氨氮情況，及微生物之硝化活性在生長於不同環境之表現，並且探討利用固定擔體馴養之微生物活性，因此在加入固定擔體後經兩個月及五個月不同時間點設計兩組批次實驗做為比較。

3 摘要 在此批次實驗中以人工配置氯化銨溶液做為基質，提供足量鹼度(NaHCO3)及營養鹽，植種源為模場硝化槽槽中之懸浮污泥及附著於固定擔體上之汙泥，進行連續供氧之硝化批次試驗。 實驗結果在經兩個月之批次試驗得懸浮污泥之最比攝氧率 為 g NH4+ (g VSS)-1d-1，固定擔體上污泥之比攝氧率為 g NH4+ (g VSS)-1d-1，經五個月後之批次實驗得懸浮污泥之比攝氧率為 g NH4+ (g VSS)-1d-1，固定擔體上污泥之比攝氧率為 0.01 g NH4+ (g VSS)-1d-1，驗證使用固定擔體可截流部分污泥，但因質傳上的限制，使得擔體上部分污泥衰退死亡且被截留，經三個月後比硝化速率變小。

4 摘要 在懸浮污泥則以氨氧化菌(Ammonium oxidation bacteria, AOB)為優勢，在固定擔體上，則 AOB與亞硝酸氧化菌(Nitrite oxidation bacteria, NOB)共存，經分生檢測，得懸浮態污泥菌相以 Nitrosomonas europaea 為主，固定擔體上污泥則以 Nitrosospira 為主。

5 一、前言 硝化作用包含了兩個程序，氨氧化反應(Ammonia oxidation reaction)及亞硝酸氧化反應(Nitrite oxidation reaction)，參與兩種反應之微生物皆屬自營菌，能量來源為 CO2 參與反應之微生物為氨氧化菌(AOB, Ammonia Oxidation Bacteria)，包含了 Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio and Nitrosococcus。 參與反應之微生物為亞硝酸氧化菌(NOB, Nitrite Oxidation Bacteria)，主要為 Nitrobacter，也包含了 Nitrosococcus。 在硝化反應當中，NOB生長速率大於 AOB生長速率，所以通常氨氧化反應 視為硝化反應限制步驟，AOB之世代時間為 1.2 天至 7.1 天(Bitton, 1994)，為了 應對某光電廢水廠中之高流量廢水，必須增加污泥之停留時間(SRT)，因此在此 實驗中，在槽中添加固定擔體以截流污泥，在一段時間培養後，槽中便形成懸浮 污泥及附著不織布擔體生物膜形態污泥。在硝化槽中以有許多文獻利用控制 SRT來篩選 AOB及 NOB (Joon et al., 2008, Konrad et al., 2003)，NOB最小污泥停留時間較 AOB 長，因此在此實驗中，利用生長環境不同，經五個月馴養後，會有不同菌相產生。

6 一、前言 在此研究中，觀察三個硝化槽中氨氮降解變化及針對不同生長環境之污泥馴
養一段時間後硝化功能的結果設計批次實驗，驗證有無添加固定擔體馴養微生物 之硝化功能呈現及菌相變化。

7 二、實驗方法與步驟 1. 模型廠規模硝化槽 在南部某光電廠內設置一模型廠處理排放之廢水，其中好氧硝化槽為三個串聯之槽體如 Fig. 1(a)，其槽積大小為 2.7 m3，pH值為 6.8~8.0，溶氧為 1.0~5.6 mg O2/L，進流之廢水為已經處理之含氨氮廢水，廢水流量大，水力停留時間短，為了增加硝化菌截流，槽中懸吊不織布擔體於導流管上以截流污泥，不織布擔體為兩片長 1.5 公尺，寬 1 公尺及長 1.5 公尺，寬 0.5 公尺捲成之圓柱狀懸吊如 Fig. 1(b)，其表面積為 4.5m2，在槽中的體積為 0.08m3，佔整個槽中體積百分比為 3%。

8 二、實驗方法與步驟 2. 硝化批次試驗 模場硝化槽槽中之污泥包含懸浮污泥及附著不織布擔體生物膜型態汙泥，為了探討微生物之硝化活性及生長於不同環境之硝化表現，因此設計兩組批次實驗做為比較。在此批次實驗中以人工配置氯化銨溶液做為基質，初始濃度為 100 mg N/L，提供足量鹼度(NaHCO3)及營養鹽，植種源為模場硝化槽第一槽及第二槽採樣之懸浮污泥及附著於固定擔體上之污泥，進行連續供氧之硝化批次試驗，隨時間點採樣分析水質 NH4+、NO2-、NO3-。為了討論使用固定擔體馴養之成效，在 添加擔體後兩個月及五個月分別做相同的批次已討論污泥之活性。

9 二、實驗方法與步驟 3. T-RFLP 為了討論懸浮態及附著於固定擔體上主要優勢菌種不同，使用針對氨氧氧化
菌之引子 (amoA 1F&amoA 2R)做 PCR，經限制酶(Taq I)消化(digestion)3 小時， 切割成片段後，以毛細管電泳分析出片段長度，在與資料庫做比對 (Park et al., 2004)，即可知系統中存在知氨氧化菌種類。

10 三、結果與討論 三段串聯好氧硝化槽連續流 對三個好氧槽做槽中操作參數如 Table 1，流量每天為 4 m3
，槽積為 2.7 m3，水力停留時間為 16.2 hr，溶氧控制在 2~4 mg O2/L，每天體積負荷為 0.02 kg NH4+-N(m3)-1d-1，O1、O2、O3 代表三槽好氧硝化槽，在 O1 槽中氨氮濃度為 24±7 mg N/L，亞硝酸為 11.4±4.8 mg N/L，硝酸濃度為 81.1±20.0 mg N/L，經 O2 及 O3 氨氮已幾乎被轉換至硝酸，轉換率為 96%，部份亞硝酸也被轉換之硝酸，轉換率為 55%，氨氧化及亞硝酸氧化反應皆可明顯觀察到。

11 三、結果與討論 2. 硝化批次實驗 硝化批次實驗 硝化批次實驗 硝化批次實驗
2. 硝化批次實驗 硝化批次實驗 硝化批次實驗 硝化批次實驗 2.1 試驗 I(加入固定擔體後兩個月) 試驗I之批次實驗中污泥來源為槽中之懸浮態污泥及附著於固定擔體上之污泥，此時間點為添加固定擔體後兩個月，實驗結果如 Fig. 5 (a)及(b)，Fig. 5(a)為懸浮污泥之硝化結果，(b)為附著於固定擔體上之污泥硝化結果，而附著於固定擔體上之污泥在初始氨 90 mgN/L 下氨氮沒有明顯減少，有接近 5 小時的遲滯期，而懸浮污泥則無遲滯現象。懸浮污泥在經過約 18 小時即把氨氮給硝化完畢，並且幾乎轉換成亞硝酸，而固定單體約在 5 小時後才開始有明顯硝化反應，經過23 小時將氨氮完全轉換，先轉換成亞硝酸在轉換至硝酸，初始懸浮污泥濃度為3220 mg VSS/L，附著於固定單體上之污泥濃度為 2880 mg VSS/L，因此，計算懸浮污泥之比氨硝化速率得 S.ANRSS=0.06 g NH4+(g VSS)-1d-1，附著於擔體上污泥之比氨硝化速率得 S.ANRFS=0.06 g NH4+(g VSS)-1d-1，顯示懸浮污泥與生物膜污泥之氨氧化效果相近。經 30 小時後，懸浮污泥這組有明顯亞硝酸累積，顯示在此污泥中 AOB優勢於 NOB，在生物膜固定單體這組未有亞硝酸先累積在減少之現象，顯示 NOB 與 AOB 相等優勢，而也證實固定擔體可有效將具有與懸浮污泥相當活性之污泥給截流以利硝化反應。

12 三、結果與討論 2.2 試驗 II (添加固定擔體後五個月) 試驗 II 之批次實驗中污泥來源為槽中懸浮污泥及附著於固定擔體上之污
泥，此時間點為加入固定擔體後五個月，而附著於固定擔體上污泥在初始氨 100 mgN/L下氨氮沒有明顯減少，有接近 10 小時的遲滯期，而懸浮污泥則無遲滯現象。懸浮污泥在經過約 15 小時即把氨氮給硝化完畢，並且幾乎轉換成亞硝酸，而固定單體約在 10 小時後才開始有明顯硝化反應，經過 18 小時約 50%氨氮被轉換，轉換成亞硝酸及硝酸，初始懸浮污泥濃度為 1153 mg VSS/L，附著於固定單體上之污泥濃度為 4780 mg VSS/L，因此，計算懸浮污泥之比氨硝化速率得 S.ANRSS=0.12 g NH4+ (g VSS)-1d-1，附著於擔體上污泥之比氨硝化速率得 S.ANRFS=0.01 g NH4+(g VSS)-1d-1，顯示懸浮污泥之硝化效果較生物膜污泥好。操作時間至 28 小時，懸浮污泥這組有明顯亞硝酸累積，顯示在此污泥中 AOB優勢於 NOB，在生物膜固定單體這組未有亞硝酸先累積在減少之現象，顯示 NOB與 AOB 相等優勢。

13 三、結果與討論 2.3 批次試驗結論 將實驗結果各項數值做計算，整理成 Table 2，比較兩次批次實驗，DO 及 pH
值維持在 4~6 及 8.0 左右，為不抑制硝化反應之範圍。食微比 F/M 在 0.09~0.34 g O2/g VSS，對於一般傳統活性污泥食微比在 0.25~0.5g O2/g VSS，實驗中設計比值為正常範圍。在 28 小時反應時間後，氨氮幾乎有 100%轉換，除了試驗 II 的固定擔體上的污泥只有 54.4%氨氮轉換，對反應時間內較具線性的期間做速率的計算如 Table 2，進一步計算比反應速率及比氨硝化速率，將之換算成比攝氧速率 S.OUR 得試驗 I之懸浮污泥為 9.2 mg O2/g VSS-hr，固定擔體上污泥為 5.9 mg O2/g VSS-hr，試驗 II之懸浮污泥為 22.1 mg O2/g VSS-hr，固定擔體上為 2.7 mg O2/g VSS-hr，一般活性污泥之比攝氧率為 4.2~8.3 mg O2/g VSS-hr，在試驗 I中懸浮污泥及固定擔體上之污泥的值與一般活性污泥相當，但在試驗 II 中固定擔體上之污泥卻明顯低很多，經長時間培養後固定擔體內之具有活性污泥量減少許多。

14 三、結果與討論 利用固定擔體形成生物膜馴養方式，可幫助截留世代時間較長之微生物，如自營菌，但若污泥停留時間過長，則會使已衰退死亡之微生物截留在其中，且使用固定擔體，易造成基質上質傳效果差，附著在較內層之微生物不易接受到基質，因此在此實驗當中，將擔體放入槽中經兩個月的馴養，其硝化效果與懸浮態污泥之比氨硝化速率相近，但經五個月後，其比氨硝化速率遠低於懸浮態污泥，且比攝氧速率也較一般硝化菌攝氧速率較差，實驗中污泥濃度高，可見污泥其中可能大多為已死亡或無具硝化功能之污泥。

15 三、結果與討論 由水質分析，兩次的批試試驗皆可證明，硝化菌以懸浮態之方式馴養，可養出優勢的氨氧化菌，水質分析上有大量的亞硝酸累積而無硝酸累積，而在固定擔體上有亞硝酸氧化菌的作用，硝酸累積的比例與亞硝相近，在固定擔體上 AOB與 NOB 相等優勢。由原理上，因 AOB 與 NOB 對氧的親和力不同，AOB 的半飽和常數較小，對氧親和力較佳，因此最小水力停留時間也較 NOB 小，懸浮態污泥與固定擔體上污泥之污泥停留時間不同，形成菌相的生長亦不同

16 3. 以 以以 以 T-RFLP 檢測懸浮態及固定擔體上微生物菌相差異 檢測懸浮態及固定擔體上微生物菌相差異 檢測懸浮態及固定擔體上微生物菌相差異 檢測懸浮態及固定擔體上微生物菌相差異在硝化程序中，先經氨氧化作用在行亞硝酸氧化作用，AOB為硝化程序中重要的因子之一，因此使用針對 AOB 的引子將片段基因放大，利用限制酶消化切割，產物以毛細管電泳分析得長度變化，經資料庫比對判斷優勢之 AOB為何。 懸浮態微生物以 Nitrosomonas europaea 為主，而附著於生物膜上的以Nitrosospira 為主，因生物膜上質傳較差，環境中氨氮濃度較低，因此較適合 Nitrosospira 生長。

17 四 、結論 由連續流水質分析得知，利用三段式好氧槽串聯方式，可有效將氨氮完全硝化成硝酸，轉換率可高達 96%。
2. 在反應槽中加入固定擔體，經馴養兩個月後，做硝化批次得懸浮態之比氨硝化速率為 S.ANRSS=0.06 g NH4+(g VSS)-1d-1，固定擔體上污泥之比氨硝化速率為 S.ANRFS=0.06 g NH4+(g VSS)-1d-1，換算成比攝氧速率得 S.OURSS=9.2 mg O2(g VSS)-1hr-1，S.OURFS=5.9 mg O2(g VSS)-1hr-1。 3. 在經馴養五個月後，做硝化批次得懸浮態之比氨硝化速率為 S.ANRSS=0.12 g NH4+ (g VSS)-1d-1，固定擔體上污泥之比氨硝化速率為S.ANRFS=0.01 g NH4+ (g VSS)-1d-1，換算成比攝氧速率得 S.OURSS=22.1 mg O2(g VSS)-1hr-1，S.OURFS=2.7 mg O2(g VSS)-1hr-1。

18 四 、結論 4. 由兩次批次實驗可得知，懸浮態污泥之比攝氧速率提高，可得知在模場硝化槽中硝化菌效果提升。固定態擔體上比攝氧速率下降，污泥硝化效果變差。 5. 因使用固定擔體有質傳上阻礙之可能性，污泥比攝氧速率降低可能是擔體上污泥為已死亡而不具硝化功能。 為了使擔體上之污泥維持活性應適當定期排泥，並在設置擔體於反應槽中時應考慮質傳上的問題。 7. 懸浮態與固定擔體上兩種不同環境生長方式，因污泥停留時間的不同，造成馴養出菌相也不盡相同，對氧親和力較高之 AOB在懸浮態中較為優勢，而在固定擔體上，若無排泥則污泥停留時間為無窮大，AOB與 NOB相同優勢。

19 四 、結論 8. 利用污泥停留時間的不同，未來上可做為篩選 AOB與 NOB反應槽操作參數上的參考。 9. 將不同生長環境之污泥做 T-RFLP 分析，因質傳效果差異，得質傳較佳之懸浮態污泥菌相以 Nitrosomonas europaea 為主，而附著於固定擔體上之污泥因質傳較差則以 Nitrosospira 為主。