60 1 0 min
. 4
880 hr HRT hr
mL
mL
由上圖可清楚表示出，在 ARs 系統中培養之微生物，生物膜與水 相中浮游菌，在運轉時數 8 小時內，均屬於對數生長期間，而往後之 16 小時後，漸漸至穩定期，表示出環型反應器利用天然有機物之運轉 之下，短時間內即可到達平穩期之階段。生物膜部份中在第 16 小時已 達 3.2×104 cells/cm2而水相部份則 1.8×106 cells /mL ，而在第 32 小時，
生物膜部份則 2.7×104 cells /cm2，水相部分為 1.4×106 cells/mL，二者總 菌落數在第 16 及第 32 小時間，均同一 Log 處(生物膜 104 cells /cm2， 水相浮游菌 105 cells /mL)。故往後實驗之設計上，在環型反應器中培 養生物膜，其主要存在於膜片及水相之細菌，均以 16 小時後即可達至 生長之穩定期。
(一)流量
ARs 流量之控制，主要為模擬管網系統中停留時間的長短，並藉 由 ARs 進流量的控制與系統內部體容積，換算出系統中水力停留時間 的長短。實驗之設計中，並取進流量 4.0、9.0、20 mL/min，分表代表 水樣於系統中水力停留時間為 3.7、1.6 及 0.7 hr，與目前國內都市配水 管網停留之時間接近。
880 (mL) =ARs 內部總容積量 4.0 (mL/min)=控制進流量之體積 HRT (hr)=水力停留時間
圖 8 為三種流量 4、9 及 20 mL/min(固定轉速)，分別代表水樣於系 統中，模擬配水系統中管徑 100 mm 之水力停留時間為 3.7、1.6 及 0.7 hr，與目前國內都市配水管網停留之時間接近。實驗所進行的水樣即以 利用 0.20µm 過濾之澄清湖之原水，濾除水中的微生物後，並經由 TOC 偵測水中溶解性有機碳的含量，所得之濃度為 1.2 mg-C/L，並直接取
水 樣 置 入 ARs 內 部 培 養 生 物 膜 ， 生 物 膜 材 質 以 聚 碳 酸 酯 材 料 (Polycarbonate, PC)提供微生物所附著之生物膜墊片，在低轉速的控制 之下 50 rpm，控制三種進流量(4、9 及 20 mL/min)，進行運轉評估生物 膜生成的效果。結果發現 ARs 三種進流水量，4 小時前，PC 墊片附著 之總細菌數以對數生長方式進行，約在 104 cells/mL；在 5 小時，即接 近穩定階段，其中進流水量控制在 20 mL/min，PC 墊片附著之總細菌 數以對數生長方式進行，約在 105 cells/mL 墊片附著總細菌數高於 4 及 9 mL/min。
而上述條件中，在低轉速(50 rpm)的情況下，進流量控制 20 mL/min 之生物膜量，及生物膜生長速率(biofilm formation rate, BFR)值較其他 二者高，故未來實驗欲進行之條件，均以控制進流量 20 mL/min，為系 統進樣之最佳條件。
圖 10 進流水量對 ARs 墊片上附著總細菌數生長曲線之影響 (轉速=50rpm, NPDOC=1.2 mg-C/L)
(二)轉速
ARs 轉速(rpm)控制，主要以轉速馬達直接連接 ARs 內部轉子，而 利用轉速控制器(mode 1320 motor controller, Bozeman, Montana 59718, USA)監控運轉的轉速，即模擬管網之流速作為基礎對象，探討管網中
Time (hr)
0 10 20 30 40
cells/cm2
1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6
4 mL/min 9 mL/min 20mL/min
Time (hr)
0 10 20 30 40 50
cells/cm2
1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7
50 rpm 134 rpm 185 rpm
不同水流速度所造成的剪應力大小，對系統中生物膜形成影響的差 異。而本實驗主要控制三種轉速 50、134 及 185 rpm，主要模擬管徑 100 mm 之水流速度，分別為 0.35、1.00、1.35 m/sec(表 9)，其轉速換算出 造 成 管 網 中 流 速及 剪 應 力 的 動 力參 數 ， 主 要 參考 ARs 操 作 手 冊 (Operations Manual)。除模擬管網之停留時間之外，本研究亦探討管網 中高低水流速度，所造成剪應力大小，對管壁上微生物所附著生物膜 剝落的影響。而本研究主要選定轉速控制，以 50、134 及 185 rpm 來模 擬管網中水流速度，分別模擬 100 mm 之管徑之流速分別為 0.35、1.00、
1.35 m/sec。而實驗進行之條件內，水樣依前項進行系統最佳流量所利 用之同批水樣，DOC 值為 1.2 mg/L，流量控制則以 20 mL/min。其運 轉結果則見圖 11。
圖 11 轉速對 ARs 墊片上附著總細菌數之生長曲線之影響 (流量=20 mL/min, NPDOC=1.2 mg-C/L)
結果顯示，在 4~20 小時，墊片附著總細菌數，以轉速為 134 rpm 最佳，其次為 185 rpm，50 rpm 系統明顯低於前二者，且三系統約在 5 小時左右，可達到穩定，但附著於 PC 墊片上總細菌數，ARs 系統控制 在 134 rpm 時，墊片附著之總細菌數約在 106 cells/mL，較水力停留時 間穩定之 105 cells/mL 為高，顯示剪應力對 PC 墊片微生物生長較較水 力停留時間為重要。
三、有機物與墊片性質對 ARs 系統生物膜生成之影響 (一)有機物性質
經不同分子量分離後之二種有機物，包括小於 5K 與大於 30 K，本 研究將其通入穩定化之生物濾床，進行分解兩種不同分子量有機物之 生物分解性，結果如圖 12 所示。
圖 12 不同性質有機物之生物分解性 (水樣之 NPDOC=1 mg-C/L)
圖 12 顯示分子量小於 5 K 之有機物，在第 1 天即可由 1 mg-C/L 降至 0.2 mg-C/L，其分解率達 80％，在第 3 及 4 天時，即可達成 100%
之分解。反之，大於 30 K 有機物，在第 4 天之達到穩定，其值約為 0.4 mg-C/L，分解率約為 60％。此結果表示，低分子量之有機物之生物分 解性較高分子量有機物為佳。
關於有機物性質對 ARs 系統中 PC 墊片上生物膜之影響，本研究 以澄清湖原水進行有機物分離，並選取小於 5K 及大於 30K 之有機物 進行比較，而菌液則取自 BDOC 濾床之出流水(林氏, 2005)，結果如圖 13。由圖中得知，水相(Bulk)及墊片(Biofilm)上之總細菌數，在墊片上
Time (day)
0 1 2 3 4 5
DOC t / DOC 0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
> 30K
< 5 K
微生物之附著量(cells/cm2)，分子量大於 30K 之有機物些微高於分子量 小於 5K，但水相之總細菌數(cells /mL)在分子量小於 5 K 之有機物之值 約為 106 cells /mL 高於分子量大於 30 K 者總細菌數目(約 5×105 cells /mL)，而 Tsai (2005)之研究指出水相之細菌數增加與墊片生物膜之剝落 相關，依此推論，低分子量有機物易於微生物利用，此與理論上分子 量較小之有機物其愈易為微生物分解結果相符，顯然水相微生物數目 之增加，與有機物之性質是有相當關聯，而造成生物膜量的多寡的變 異，可能與生長在 PC 墊片上之生物膜量剝落所造成。
圖 13 有機物性質對 ARs 系統水相及生物膜菌數生長曲線之影響 (進流水量= 20 mL/min；轉速=134 rpm；NPDOC=1mg-C/L) 有機物性質中，本實驗取二種不同分子量有機物(小於 5K 及大於 30K)進行實驗，並取其不同 NPDOC 值，分別為 1.0、2.0、4.0 mg/L，
以此二種高低有機物濃度，一併做為比較，以觀察在不同物理性質之 下，不同分子量及含碳量之多寡，是否有助於或抑制 ARs 內部微生物 的成長，實驗之結果表示如圖 14。
Time (hr)
0 10 20 30 40
Total Bacterial Count -Biofilm ( CFU/cm2 ) 1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6
Tota Bacteria Count - Bulk (CFU/mL)
1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7
>30K
<5K
>30K
<5K Biofilm Bulk
Time (hr)
0 10 20 30 40
Bacterial total count - Biofilm (CFU/cm2 ) 1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7
1 mg-C/L 2 mg-C/L 4 mg-C/L
< 5 K-DOC
Time (hr)
0 10 20 30 40
Total bacteria count-Biofilm (CFU/cm2 ) 1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7
1 mg-C/L 2 mg-C/L 4 mg-C/L
> 30K-DOC
圖 14 有機物性質及濃度對 ARs 系統生物膜之總細菌生長曲線之影 響(進流水量= 20 mL/min；轉速=134 rpm)
由上圖表示，分子量大於 30K 與小於 5K，分別在不同 DOC 濃度 (mg/L)，以聚碳酸酯(PC)材質所培養之生物膜量，在大於 30K 者，三 種 NPDOC 濃度中，生物膜生長速率中(BFR)並無明顯之差異，而接近 微生物生長之平穩期，第 8 小時之後，較高之 NPDOC 濃度(4.0 mg/L) 之生物膜生成量 2.2 ×105 cells/cm2，則明顯較其他二者(1.0、2.0 mg-C/L) 之生物膜量高，其高低依序分為 6.8×105、3.8×105、1.8×105 cells /cm2。
Time (hr)
0 10 20 30 40
cells / cm2
1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7
Concreate PC PVC
而分子量小於 5K 之有機物，對於三種不 NPDOC 同濃度的生物膜 量比較，較高濃度之 NPDOC，在微生物之對數生長期間(8 小時內)，
BFR 值方面，較其他二者高，而在平穩期後之第 40 小時中，三種有機 物濃度 1.0、2.0、4.0 mg/L，生物膜量分別為 2.2×105、3.1×105及 8.2×105 cells /cm2。生物膜量之變化，在不同分子量有機物之下，發現二者在 對數生長期間，三種不同濃度之 NPDOC 培養之下，並無顯著的差異，
而越趨近生長之穩定期後，對於較高濃度之 NPDOC 值之下，生物膜 生成量較其他二者來的高。
(二)墊片材質
經由上述結果得知 ARs 之最佳操作條件，以及不同性質有機物之 BDOC 比較之後，以不同材質生物膜生成量作比較，主要之目的即評 估自來水配水管網管材對生物膜形成的影響。系統之操作條件均以上 述之最佳操作條件運轉培養，而有機物即選定易被微生物分解之有機 物(分子量小於 5K)，提供生物膜培養之碳源，而考量實驗設備受限，
本實驗選定以 PC(聚碳酸酯)、PVC(聚氯乙烯)、Concreate(混凝土)三種 材質做比較，結果如圖 15。
圖 15 不同墊片材質之對生物膜細菌生長曲線之影響 (進流水量= 20 mL/min；轉速=134 rpm；NPDOC=1mg-C/L)
Time (hr)
0 20 40 60 80 100
cells / cm2
1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6
DAPI CTC
1 mg/L as ClO2
由圖可清楚觀察出，三種墊片材質生物膜量在 ARs 中培養後之結 果，以混凝土之生物膜量最高(1.2×106 cells/cm2)，其次為聚碳酸酯 (2.6×105 cells /cm2)，最後是 PVC 材質(6.7×104 cells /cm2)。
四、消毒對系統中水相及生物膜細菌活性之影響 (一)消毒過程總菌數與活菌差異
本實驗及選定易被微生物分解之有機物(分子量小於 5K)，以 PVC 材質運轉培養生物膜，而由前項實驗得知，ARs 系統所培養之生物膜 生長之穩定期約在 16~24 小時即穩定，而為了比較消毒程序中是否會 影響系統中微生物的活性。針對消毒效果的評估參數，不僅以樣本之 總菌數分析之外，亦利用 CTC 螢光染劑對樣本進行活菌體之觀測，因 此以生物膜培養之穩定階段(第 40 小時)，添加二氧化氯(ClO2)，觀察 消毒效果是否直接影響微生物之活性，結果如下圖。
圖 16 添加二氧化氯(1 mg-ClO2/L)前與後生物膜細菌活性之變化 (進流水量= 20 mL/min；轉速=134 rpm；NPDOC=1mg-C/L；Slide-PVC)
上圖顯示，在穩定期間第 40 小時添加二氧化氯後發現，在生物膜 量中，不僅在活菌數計數部分(PAC)，總菌數(TBC)亦有明顯的改變，
在 2 小時內總菌數由穩定期之 4.3×104 cells/cm2降至 2.9×104 cells/cm2，
without ClO2
Time (hr)
0 20 40 60 80 100
cells / mL
1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7
TBC (Total Bacterial Count) PAC (Probe Active Count)
再經過 4 小時後僅剩 8.2×102 cells/cm2；活菌之計數方面，平穩期經過 6 小時後的變化為 3.2×104 cells/cm2至 5.4×102 cells /cm2，表示初始加氯 後，對於生物膜量有劇烈的反應，導致生物膜剝落，造成總菌及活菌 量計數上的遽減。往後再第 70~118 小時，總菌及活菌逐漸呈現平穩且 緩慢的漸增變化，在第 94 小時後總菌呈現增加的表現，但活菌部分持 續平穩且有遞減的趨勢，表示此時保有餘氯的情況之下，消毒效果對 於菌體活性有明顯的改變，但對於表面微生物附著量的多寡，較無明 顯的影響，且逐漸增量。
而水相部份(見圖 17)，亦在第 40 小時植氯後觀察發現，在第 46 小 時均有劇烈的變動，總菌數之變化量由 6.7×105 cells/mL，降至 9.1×104 cells /mL ， 活 菌 計 數 之 變 化 亦 由 5.5×105 cells /mL 降 至 2.5×104 cells/mL，且在第 46 小時系統中浮游細菌僅有 28％具有活性，第 70 小時有 16.3%，至第 118 小時僅剩餘 2.3％，其餘皆為活性較低或已凋 亡之型態。
圖 17 添加二氧化氯(1 mg-ClO2/L)前與後水相菌活性之變化 (進流水量= 20 mL/min；轉速=134 rpm；NPDOC=1mg-C/L；Slide-PVC)
without ClO2
Time (hr)
0 20 40 60 80 100 120
Biofilm (ATP g/cm2 )
1e-12 1e-11 1e-10 1e-9 1e-8
Bulk phase (ATP g/mL)
1e-10 1e-9 1e-8 1e-7 1e-6
Biofilm Bulk phase
(二)ATP 變化
經由消毒程序後，微生物活性的變化，在此並以存在水中浮游及 PVC 墊片上之微生物，二者間對於消毒後的變化程度做比較，其結果 得知在水相部份(Bulk phase)中 ATP 的變化，其在對數生長期間 ATP 的 濃度，由 485.5 pg/mL 至 18763.7 pg/mL，而在第 40 小時，植入 1 mg-Cl2/L 之二氧化氯後，其 ATP 的濃度在第 46 小時，水相中之 ATP 濃度降至 10997.7 pg/mL，而在第 70 小時監測降至 6610.0 pg/mL，118 小時 8069.5 pg/mL 逐漸平穩狀態(圖 18)。
生物膜部份處於對數生長階段之 ATP 濃度則由 40.1 pg/cm2增加至 1901.3 pg/cm2，明顯成對數增加，而消毒後之表現，在第 42 小時值氯 後濃度降至 1439.5 pg/cm2，70 小時降至 837.5 pg/cm2，118 小時則降至 750.4 pg/cm2，逐漸緩慢削減。經由上述結果得知消毒過後，對水相或 墊片上微生物活性的判斷，均有抑制性的的表現，且結果發現，生物 膜片上之效果比水相中所偵測出的 ATP 濃度變化落差較明顯，此現象 可能在於水相或生物膜中，微生物與消毒劑結合後並釋放出生物體中 ATP，導致水相測定 ATP 上之干擾原因。
圖 18 添加二氧化氯(1 mg-ClO2/L)水相及生物膜中 ATP 濃度變化 (進流水量= 20 mL/min；轉速=134 rpm；NPDOC=1mg-C/L；Slide-PVC)
(二)電子顯微鏡菌相之觀測
生物膜觀察方法，一般實驗室中，最常被利用且最直接有效的方 式包含光學顯微鏡、電子螢光顯微鏡、放射性掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)或共軛焦雷射電子顯微鏡(Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM)，觀察生物膜之外觀結構。在此本研究則 以掃描電子顯微鏡，觀察微生物不同生長階段之生物膜外觀之變化(圖 21)。
【對數生長期之菌相】
【生長期平穩期之菌相】
【加氯處理後之菌相】
圖 19 ARs 不同生長階段及加氯消毒後 SEM 之菌相變化 (有機物小於 5K,NPDOC=1mg/L, PVC 材質)
(A-1=6 hr Biofilm；A-2=6 hr Bulk；B-1=16 hr Biofilm
；B-2=16 hr Bulk；C-1=112 hr Biofilm；C-2=112 hr Bulk)
A-1 A-2
B-1 B-2
C-1 C-2
F-2
上圖表示，在微生物之對數生長期、穩定期以及加氯處理過後，
水相及生物膜，電子與螢光顯微鏡的外觀的比較。各不同生長階段，
以及加氯消毒過後，細菌外觀上的變化。圖 A-1&2 與 B-1&2 二者分別 為對數生長期與穩定期之菌相，主要仍以球菌為主，與螢光顯微鏡所 呈現之菌相並無太大的差異，由圖 C-1&2 二者為微生物生長之穩定期 後，添加二氧化氯 (1mg-ClO2/L) 76 小時後取樣觀察存在於水相及生物 膜片上之菌相。並 C 圖中得知，經由加氯消毒過後，水相以及生物膜 之菌量，有大幅度的減少趨勢，且二者外觀差異，較其他樣本中富有 大量的沉積物。
另圖 20 主要以螢光顯微鏡在生物膜不同生長階段之下，以螢光染 劑染色後，對於 PVC 墊片之生物膜的菌相死活觀察，由圖中可清楚得 知，在未添加消毒劑的情況之下，PCV 生物膜中之菌數在對數生長期 中(4 hr)，總菌及活菌(D-1& 2)，明顯低於穩定期中(E-1& 2)之的菌數，
而添加消毒劑後，則對於生物膜中總菌數及活菌數，經由染劑染色後 菌相光澤，較對數生長期與穩定期之菌相較不明顯，且均菌數呈現大 量減少的變化趨勢(F-1& 2)。