2-1 廢水生物處理方法
廢水生物處理方法依耗氧方式可以分為好氧系統與厭氧系統，於生物處理方 法中微生物存在形式則大約分為懸浮生長式生物處理法、附著生長式生物處理 法、混合式生物處理法。
2-1-1 懸浮生長式生物處理法
懸浮生長式生物處理法主要利用活性污泥，並藉由異營性混合之微生物群，
細菌、輪蟲、真菌、原生動物所構成，在有氧環境下利用有機基質，藉由質傳輸 及細胞的代謝作用生成最終產物二氧化碳及水。傳統活性污泥法一般污水停留時 間為4~8 小時，其污泥產率(sludge yield)約為 0.4~0.8 kg SS/kg BOD5 (0.2-0.5 kg SS/kg COD) (Vesilind, 2003)，表 2-1 為各種不同有機質之活性污泥產率。
表 2-1 各種進流有機質之活性污泥產率
項目 Yield(kg SS/ kg BOD5)
家庭污水 0.70
蝦加工廠 0.50
葡萄糖 0.59
工業污水 0.60
屠宰場 0.30
(林正芳等,2002) 2-1-2 固定生長式生物處理法
自然固定化微生物指提供適當環境微生物細胞附著於濾料表面，而形成固定 的生物膜，譬如滴濾池法、旋轉生物接觸法。此法之原理為利用質量擴散與微生 物的分化作用而去除有基質，如圖2-1 水流經濾料表面，濾料表面上附有生物膜，
而生物膜由於穿透深度不同，一般認為氧氣能夠通透之範圍約 2~3 mm，而使生 物膜外層呈好氧性，內層呈厭氧性。生物膜利用有機物增殖，使生物膜厚度逐漸
增加，後因在內部濾料生物因不易獲得食物源，而進行自生分解作用，並且因水 流剪力作用而使生物膜剝落，一般常用於處理家庭廢水及低濃度有機工業廢水處 理。生物旋轉盤法之污泥產率為0.4~0.8 kg SS/kg BOD，而污泥固體量約佔其體 積 80％ (A Joint Committee of the Water Pollution Control Federation and the American Society of Civil Engineers, 1977)。
好氧生物層
厭氧生物層
O2(空氣)
有機物
CO2+H2O+能量
H2S、有機酸(醛、酒精) N2(脫氮作用)
NO2,NO3(硝化作用) 膜
液
卵石或其他濾料
圖2-1 滴濾池內濾料表面之生物膜反應
2-2 生物處理之污泥產生
廢水的生物處理主要仰賴微生物利用有機質，微生物將有機質分解後，一部 份能量維持微生物新陳代謝，一部分能量則使其持續進行生長與繁殖，圖 2-2 說 明微生物新陳代謝利用與產物。
微生物依能源所需不同，可以分為以陽光為能量來源的光合性微生物和利用 化學反應中所釋放出的熱能作為能量的化學性微生物；或依碳源不同，可以分為 利用無機碳組成細胞分子的自營性微生物和以複雜有機物質為營養的異營性微生 物；而以電子接受者來區分，則有以水中分子氧為電子接受者的好氧微生物，以 其他含氧之有機物如硫酸鹽、硝酸鹽或是二氧化碳中的氧為電子接受者的厭氧微 生物（陳, 2000）。
有機物質 ＋ 營養物質 ＋ 電子接受者
新的細胞 ＋ 能量 ＋ 最終產物 微生物
圖2-2 微生物新陳代謝示意圖
廢水之好氧處理為好氧微生物代謝處理有機物質，並轉變成水、二氧化碳、 及Nitrobacter)將有機氮或氨氮氧化之反應，首先亞硝酸菌將氨(Ammonium,NH4) 氧化成亞硝酸鹽(Nitrite,NO2-)，其次亞硝酸鹽在被氧化為硝酸鹽(Nitrate,NO3-)。硝
硝酸鹽於缺氧環境中較利於脫硝，但有些兼氣菌能夠在低溶氧環境中作用，
一般若為生物膜系統且生物膜厚度足夠大時脫硝作用不會受到限制。而廢水處理 中脫硝反應，著重於異化作用來進行脫硝，且主要產物為 N2，其他如 NO、N2O 之電子結構不穩定因此較難觀察。一般認為缺氧環境中電子供給者為有機物而電 子接受者為硝酸鹽時，污泥產率為0.3 kg VSS/kg COD；厭氧環境中電子供給者為 有機物而電子接受者同樣為有機物時污泥產率為0.06kg VSS/kg COD。
2-2-1 生物處理污泥產率
污泥產率(sludge yield)或稱為污泥生長係數，為表示微生物利用單位基質所 產生之細胞增殖量，可分為Yg(污泥增殖之實際量) 及 Yobs(污泥增殖之觀察值)，
其中 Yg由微生物細胞增殖而得，而 Yobs為細胞利用基質增加之質量及考量細胞 衰退(細胞進行內呼吸反應)所得到的實驗直接觀察之產率，表 2-2 為活性污泥產率 與內呼吸分解係數。
表2-2 活性污泥產率與內呼吸分解係數
係數 單位 範圍
Y kg SS/g kg BOD5 0.4~0.84 Y kg SS/g kg COD 0.24~0.4 kd d-1 0.004~0.10
(林正芳等,2002)
2-2-2 污泥產率減量研究
污泥減量方法分為污泥產生後利用一些物理或化學方法達到減量目的譬如加 熱、加鹼等，或是在生物處理過程使污泥較少生成，以下為對生物處理程序進行 之污泥減量方法作說明：
一、利用化學解偶聯劑(Uncoupler)抑制污泥生成
活性污泥法中，微生物以廢水中的污染物質作為生長碳源與能源而將污染物 從廢水中去除，而在大多數情况下，微生物生長與基質利用是相關的，因此去除 一單位基質即產生Y 單位微生物量，且生物合成反應除了物質反應外，還需要能
夠與之相偶合的能量以形成新細胞。Mayhew and Stephenson (1998)在活性污泥法 中連續投入7 個星期 2,4 dinitrophenol (2,4 DNP)，並監測 BOD 之去除量及觀察 MLSS 中之污泥產生量，發現 BOD 之去除量並無受到明顯影響，而得到結果平均 的Y 值為 0.3 kg SS/ kg BOD；而利用延長曝氣、提高生物濃度和提高反應槽溫度 之活性污泥方法得到的Y 值為 0.42 kg SS/ kg BOD。
實驗證明投入化學偶聯劑 2-4-dinitrophenol (DNP)可以在不明顯影響處理效 果下有效降低活性污泥產率，經由批次實驗得到短期效果很好，但因微生物具有 環境適應的能力，所以就長期而言污泥減量的效果慢慢減弱 (Strad et al., 1999)。
由於此研究尚處於起步階段，有許多問題仍需克服，譬如解偶聯劑大多為有毒物 質，過量之解偶聯劑可能對微生物具有毒害作用，或是投加解偶聯劑可能會引起 其他副作用仍為未知(Euan w et al., 1999；Liu, 2000)。
二、添加微型動物削減污泥量
依生態學理論，藉由食物鏈使能量自低營養級(low trophic)向高營養級(high trophic)傳遞過程中將會有一定的損失(Ratsk, 1994)，因此利用微型動物對細菌的 捕食作用，如使用原生動物(鞭毛蟲或纖毛蟲)和後生動物(輪蟲或線蟲)在好氧處理 中，將可達到削減污泥量之效果(Curd, 1992；Ratsak et al., 1996)。一般可將原生 動物直接投入於傳統活性污泥系統、或薄膜生物反應器(SBR)中、或分段使用於 處理廢水。
Lee and Welander (1996)同樣進行類似之研究。在研究中係採用生物膜系統，
利用此設計處理不同製造紙漿和造紙廢水後，發現傳統活性污泥法之污泥產率為 0.2~0.4 kg SS/kg COD，而採用活性污泥法和生物膜兩段式法之污泥產率為 0.01~0.23 kg SS/kg COD。
三、細胞水解作用
利用生物體細胞溶解而促進微生物之生物降解作用，目前較為熟知促進生物 體細胞降解之方法有降低食微比(F/M)、提高污泥濃度、增加污泥齡、提高溫度等。
研究發現薄膜生物反應器(MBR)處理生活廢水於污泥停留時間(SRT) 50 天和 100 天時，污泥停留時間100 天有污泥產量大量減少之現象，研究者認為是低食微比 及較長污泥停留時間的關係(Chaize and Huyard, 1991)。
Canales 等人(1999)在薄膜生物反應系統處理生活廢水之研究，加入一個熱處 理流程，研究顯示污泥活性和污泥產率隨污泥齡增長而降低，而污泥經過90℃停 留3 小時之熱處理後，幾乎全數細胞被殺死並引發部分細胞水解，此時污泥產率 為0.17 kg SS/kg COD。也有學者於批次活性污泥法中加氯氧，目的是使多餘之污 泥氧化而達成污泥減量之目標，研究發現15 mg chlorine/g MLSS 可以使污泥係數 由0.58 kg SS/kg COD 降低為 0.3 kg SS/kg COD，污泥減少量為 48％。但也發現 出流水之SCOD 有增加之情形，去除率由 95％降為 55％ (Takdastan, et al., 2009) 。
2-3 固定化微生物
固定化酵素和固定化菌體為近年來重要的研究方向，其中酵素和菌體的固定 化技術在醫學、化工、食品工業方面商業應用已相當廣泛，在廢水處理方面微生 物的應用潛力也相當被看好。（江晃榮, 2000）
cell
So
S
溶液基質濃度
細胞表面基質濃度
液膜
(Blanch and Clark, 1997)
圖2-3 基質在顆粒內外部質傳情形
固定化反應系統與懸浮系統最大不同在於固定化系統是在非均勻相的環境中 進行反應。基質在顆粒內外部質傳情形主要包括五個主要步驟且顆粒內外質傳情
形如圖2-5 (Blanch and Clark, 1997)：
1、養份(基質)由外部溶液傳至載體表面(屬於外部質傳)。
2、養份(基質)從載體表面擴散至內部菌體區(屬於內部擴散)。
3、養份(基質)進行消耗反應(屬於菌體反應)。
4、產物進行由內部菌體區傳送至載體表面(屬於內部擴散)。
5、產物由載體表面傳至外部液體(屬於外部質傳)。
2-3-1 固定化微生物技術
人工固定化方法是利用化學或物理方法，將菌體由活動狀態轉變為固定化狀 態或為將其限制在某一範圍而達到有效利用之。以自然吸附或是化學鍵結之方法 將微生物附著在固體載體上，或以膠體將微生物保留在格子內皆為菌體固定之方 法，其優點為增加系統之菌種密度和減少反應過程菌種的流失。固定化方法可略 分為附著法(Attachment)、包埋法(Entrapment)、包含法(Containment)及聚集法 (Aggregation)。(陳國誠, 2000；吳美惠等, 1996)
一、吸附法(Attachment)
又稱為載體結合法，微生物或酵素可藉由物理吸附、離子鍵結、金屬螯合作 用或共價鍵等方式與載體結合。
共價鍵結是由活性碳、多孔性陶瓷、砂、不銹鋼或玻璃等不溶於水之載體，
進行化學反應而形成共價鍵結合的固定化方法，其主要是利用微生物或酵素與載 體間產生共價鍵，將微生物或酵素固定於載體上。通常載體與微生物或酵素間無 法直接產生共價鍵，因此需藉有特定藥物先將載體表面活化後，將微生物或酵素 加入與其形成共價鍵。酵素上常被利用之官能基為amino group (NH2)、hydroxyl group (OH)、sulfydryl group (SH)、carboxyl group (COOH)等，通常微生物或酵素 經由共價鍵之結合後不易流失，但缺點為在合成過程中會造成微生物或酵素有較 大傷害。
物理吸附是最簡單的固定化方式，譬如滴濾池法、旋轉生物轉盤法(RBC)、
接觸曝氣法等生物膜處理法皆屬於此應用方式。微生物或酵素藉由凡得瓦力、離 子作用力、氫鍵、疏水性結合等作用力附著於載體表面，載體可能為石頭或塑膠 等材料，再利用質量擴散與微生物的分化作用而去除有機質之方法。
金屬螯合作用是利用微生物或酵素上之官能基和過渡金屬水合物形成螯合作
金屬螯合作用是利用微生物或酵素上之官能基和過渡金屬水合物形成螯合作