行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
可同時硝化及脫硝之自營性薄膜生物反應槽之研發及其菌
群結構分析(2/2)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC92-2211-E-002-069-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日
執行單位： 國立臺灣大學環境工程學研究所
計畫主持人： 曾四恭
報告類型： 完整報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 93 年 9 月 24 日
行政院國家科學委員會專題研究成果報告
計畫編號：
92-2211-E-002-069
執行期限：
2003/08/01 ~ 2004/07/31
主持人：曾四恭教授 台大環境工程研究所教授
一、 中文摘要 經本研究之結果證實，利用 PVA-褐藻膠共聚包埋法將硝 化菌及脫硝菌固定於矽膠管表面之自營性生物脫硝反應 槽確實具有同時硝化、脫硝之能力，可於單槽內去除水源 中之氨氮及硝酸鹽，除可解決殘留有機碳源之問題外，亦 可減少建廠之空間需求並簡化操作程序，深具應用之潛 力。反應槽中之溶氧對反應槽之硝化作用有明顯影響，當 溶氧降至 2 mg/l 時，硝化作用明顯下降。當溶氧分別為 8 mg/l、4 mg/l 時兩者硝化速率相差不大。經過包埋後 之生物膜對溶氧對脫硝所產生之抑制作用有較佳之抵抗 力，且生物膜外層之硝化菌可作為屏障並消耗氧氣，減小 反應槽中之溶氧對脫硝產生之影響。鹼度之添加量對反應 槽之脫氮速率有明顯之影響，理想之鹼度添加量約為 8.32 mg CaCO3/mg NH4-N。磷酸鹽之添加量對反應槽之脫氮速率 有些許之影響，然而，即使添加低濃度之磷酸鹽（1 mg /l ），反應槽亦具有脫氮之能力。利用分子生物技術進行 反應槽之菌相鑑定不只可避免反應槽係黑箱之質疑，亦可 提供有用之資訊作為後續反應槽改善之參考，為一強而有 力之工具。經長時間之馴養及操作後，反應槽中之生物確 實有分層之現象產生，內側生物膜之主要菌屬為 Xanthomonas、Thauera 等脫硝菌，其中Thauera aromatica、Xanthomonas vesicatoria 為可能之菌種， 而外側生物膜之主要菌屬為 Nitrispira 及 Uncultured Bacteroidetes bacterium 等與硝化有關之菌屬，而最優 勢之菌種為Nitrospira sp.。 關鍵詞：硝化、脫硝、自營性、薄膜生物反應槽、菌相分 析 AbstractTo develop a laboratory-scale autotrophic membrane-immobilized biofilm reactor to remove nitrogen from drinking water. A PVA-immobilized biofilm, attached to the surface of a silicone tube, was used as the basis of a bioreactor for simultaneous nitrification and denitrification of
water. The bioreactor was aerated with air to supply oxygen for nitrification and pure hydrogen was supplied to the silicone tube and diffused through the membrane wall to feed the biofilm for autotrophic denitrification. The bioreactor was effective for the simultaneous nitrification and denitrification of water after a short period of acclimation, while the biofilm exhibited good resistance to the inhibition of denitrification by dissolved oxygen; the denitrification rate decreased by only 8 % as the dissolved oxygen increased from 2 mg/l to saturation. By using PVA crosslinked with sodium nitrate to entrap nitrifying and denitrifying sludge on the surface of a silicone tube, a novel bioreactor for simultaneous nitrification and denitrification was developed. In addition to performing as an immobilizing agent to strengthen the biofilm, PVA protected the denitrifying microorganisms to reduce the inhibition by dissolved oxygen under aerobic condition. Therefore, nitrification and
denitrification occurred simultaneously within the biofilm. Furthermore, the immobilization technique shortened the acclimation period of the bioreactor. In addition, the genera Xanthomonas and Thauera dominated the inner layer of the biofilm, while Nitrospira dominated the outer layer of the biofilm. Keywords : Nitrification, Denitrification, Membrane bioreactor, Autotrophic, Bacterial community analysis 二、 緣由與目的 傳統上利用廢水生物處理系統去除水中氨氮之方式，大致 上需包括好氧硝化及無氧脫硝兩個步驟，參與此二反應之 菌相不同，且操作之條件亦相互牴觸。好氧硝化菌需在高 溶氧、低有機碳的環境下進行硝化作用，將氨氮氧化成硝
酸鹽或亞硝酸鹽。而無氧脫硝菌則需在低溶氧、以有機碳 為碳源下之條件下進行脫硝作用，以硝酸鹽或亞硝酸鹽為 最終電子接受者，將其還原成氮氣。為避免溶氧干擾脫硝 作用或有機碳干擾硝化作用，一般生物除氮系統之設計大 多分設硝化及脫硝兩個反應槽。然而，分設兩個反應槽， 需要較大之土地面積，且操作上亦較複雜。同時，硝化作 用會消耗鹼度，因此，往往必須在原水中額外添加鹼度。 而脫硝反應則會產生鹼度，如果硝化槽添加過多的鹼度， 很容易使脫硝槽的 pH 值過高，影響脫硝槽之脫硝速率。 本研究嘗試利用本研究室先前開發之 PVA 褐藻膠-共聚包 埋法將自營性硝化及脫硝菌同時包埋於矽膠管表面，發展 一可同時硝化、脫硝之自營性薄膜生物反應槽。其原理為 於矽膠管中通入氫氣進行自營性脫硝作用，並於反應槽中 則進行曝氣作用供應氧氣進行脫硝作用。經過一段時間之 馴養後，生物膜應會自動分層，外側為硝化層進行硝化作 用而內側則為脫硝層進行脫硝作用。硝化過程成產生之酸 度可中和脫硝過程產生之鹼度，減少反應槽鹼度之添加 量。此外，生物膜外側為硝化層進行硝化作用會消耗氧 氣，可避免溶氧對內側生物膜之脫硝造成干擾，而生物膜 內側則進行自營性脫硝作用，亦可避免有機碳對硝化作用 造成之影響，達到同時硝化、脫硝之目的。此外，本研究 亦嘗試利用分子生物技術進行反應槽中之菌群結構分 析，除可免去反應槽係黑箱之質疑外，並可了解反應槽中 生物膜菌相之分層情形，作為後續改善之參考。 三、 結果與討論 （一） 反應槽硝化、脫硝能力之評估 為了解反應槽中之生物膜硝化、脫硝之能力，分別 加入含氨氮及硝酸鹽之人工合成廢水（其成分如前 面所述）進行批次試驗，反應槽中氨氮、亞硝酸鹽 氮及硝酸鹽氮隨時間之變化情形如圖 1 所示。由實 驗之結果可以發現，當反應槽加入含氨氮之人工合 成廢水後，氨氮濃度因氨氮被氧化成硝酸鹽氮而逐 漸減少，並於 12 小時內由 100 mg/L 降至偵測極限 （＜0.05 mg/L）以下，而硝酸鹽氮則因硝化速率 大於脫硝速率而於前 12 小時逐漸累積至 30 mg/L， 後 12 小時因反應槽已無氨氮可供硝化，因此硝酸 鹽氮之濃度因脫硝作用而逐漸降偵測極限（＜0.01 mg/L）以下（如圖 5-4 （a））。當反應槽加入含硝 酸鹽之人工合成廢水後，硝酸鹽氮濃度因脫硝作用 而逐漸減少，12 小時內由 100 mg/L 降至 43.4 mg/L 並於 24 小時內由 100 mg/L 降至偵測極限以下， 反應槽中僅有少量之亞硝酸鹽累積，如圖 5-4 （b） 所示。此批次實驗證明，當反應槽加入含氨氮之廢 水後，生物膜中之硝化菌會將氨氮氧化成硝酸鹽或 亞硝酸鹽，而生物膜中之脫硝菌則可將硝酸鹽還原 成氮氣。且反應槽之硝化速率明顯較脫硝速率為 快，使硝酸鹽在前半段實驗時有累積之現象。當反 應槽加入含硝酸鹽之廢水後，此時，反應槽只進行 脫硝作用（因無氨氮可供硝化），使硝酸鹽逐漸降 解。此試驗證明反應槽中之生物膜確實同時具有硝 化及脫硝之能力。若以批次試驗前 12 小時氨氮及 硝酸鹽氮減少之濃度加以計算，反應槽之硝化及脫 硝速率分別為 5.1 g-N/m2 /d 及 2.88 g-N/m2 /d。上 述結果說明，反應槽硝化速率遠較脫硝速率快，此 可由批次試驗時氨氮完全降解之時間（12 小時） 遠少於硝酸鹽（24 小時）及反應槽中有硝酸鹽累 積之情形獲得證實。硝化作用為生物除氮之第一步 驟，廢水中之氨氮須先被硝化成為亞硝酸鹽或硝酸 鹽才能被進一步脫硝還原成氮氣。一般而言，硝化 菌為自營菌，生長速率較慢，因此在生物除氮之程 序中硝化作用常成為脫氮之限制因子。然而，對本 反應槽而言，為有效解決殘餘外加有機碳源之問 題，故利用氫氣自營脫硝菌進行脫硝，而氫氣自營 菌因同樣屬自營菌，其脫硝速率不及異營菌，因 此，脫硝作用反而成為本反應槽脫氮速率之限制因 子，值得注意。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 20 40 60 80 100 NO3 --N (b) Time (h) C onc entrati on (m g-N /L) 0 20 40 60 80 100 NH4 +-N NO3 --N NO2 --N (a) 圖 1 加入含氨氮及硝酸鹽之人工合成廢水進行批 次試驗，反應槽中氨氮、亞硝酸鹽氮及硝酸鹽氮之 變化情形
（二） 溶氧對反應槽硝化、脫硝作用之影響 圖 2 為反應槽之溶氧分別控制於飽和、4 mg/L 及 2 mg/L 時，加入含 100 mg/L 氨氮之人工合成廢水， 氨氮濃度之變化情形。結果顯示，當反應槽之溶氧 維持於飽和、4 mg/L 及 2 mg/L 時，氨氮濃度於 12 小時內分別降至偵測極限以下，3.3 及 54.6 mg/L， 依前述方法計算，其硝化速率分別為 5.1 g-N/m2 /d、4.9 g-N/m2 /d 及 2.31 g-N/m2 /d。上述 結果顯示，反應槽中之溶氧對生物膜之硝化速率有 明顯之影響，尤其當反應槽中之溶氧太低時，會因 氧氣供應不足而嚴重影響硝化之速率。圖 3 為加入 含 100mg/L 硝酸鹽之人工合成廢水，硝酸鹽氮濃度 之變化情形。結果顯示，當反應槽之溶氧分別維持 於飽和、4 mg/L 及 2 mg/L 時，硝酸鹽氮之濃度於 12 小時內分別降至 47.0，42.5 和 38.5 mg/L，依 前述方法計算，其脫硝速率分別為 2.7 g-N/m2 /d、 2.9 g-N/m2 /d 及 3.1 g-N/m2 /d。上述結果顯示，反 應槽中之溶氧對生物膜脫硝速率有些許之抑制，惟 並不嚴重。生物膜中之脫硝菌對溶氧有較佳之忍受 力，即使反應槽中之溶氧維持於飽和，生物膜仍具 有不錯之脫硝能力。推測其結果，可能因包埋後氫 氣自營脫硝菌得到較佳之保護，且經過馴養後，生 物膜出現分層，外層多為硝化菌而內層則多為脫硝 菌，外層硝化菌可作為內曾脫硝菌之屏障並消耗溶 氧，降低溶氧對脫硝菌產生之抑制。 0 2 4 6 8 10 12 0 20 40 60 80 100 Saturated DO=4 DO=2 Am m o n ia-N c onc ent ra ti on ( m g /L ) Time(hr) 圖 2 為反應槽之溶氧分別控制於飽和、4 mg/L 及 2 mg/L 時，加入含氨氮之人工合成廢水，氨氮濃度 之變化情形 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 0 20 40 60 80 100 Saturated DO=4 DO=2 N it a te N co nc en tr at io n ( m g /L) Time (hr) 圖 3 為反應槽之溶氧分別控制於飽和、4 mg/L 及 2 mg/L 時，加入含硝酸鹽之人 工合成廢水，硝酸鹽氮濃度之變化情形 （三） 不同鹼度添加量對反應槽之影響 先前批次式實驗中顯示反應槽中硝化速率 較脫硝速率為快，且理論上每克 NH4+-N 經硝 化作用轉化成 NO3--N 的同時要消耗 7.14 克 鹼度(as CaCO3)，而每克 NO3--N 經完全脫硝 則產生 3.57 克鹼度(as CaCO3)，因此進流 廢水中需添加足夠之鹼度，避免反應槽因消 耗過多之鹼度使反應槽之 pH 值下降而影響 脫氮速率，因此本實驗分別於進流水中加入 不同量之鹼度，期能找出反應槽之最佳鹼度 添加量，作為反應槽實際操作之參考。圖 4 為於進流水中添加不同量之鹼度對反應槽 脫硝速率之影響，由實驗結果可以發現當鹼 度添加量較少時，反應槽中之 pH 值會因鹼 度不足而逐漸下降至 4 左右，進而影響反應 槽之硝化及脫硝速率，其中硝化菌對 pH 值 之下降極為敏感，因此造成出流水中氨氮之 濃度增加。而添加過量之鹼度，除造成浪費 外，對反應槽之硝化及脫硝速率無幫助。經 計算後，進流水中理想之鹼度添加量約為 8.32 g CaCO3/g NH4-N。此添加量大於硝化 過程所需之理論添加量，其原因可能有一部 分之 HCO3-係作為自營性硝化菌及脫硝菌所 需之碳源。
1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 50 N it ro g e n re m o v a l ra te (g -N /m 2/d ) NH 3-N (I) NH 3-N NO 2-N NO 3-N C o nc en tr at io n ( m g -N /L) day 3 4 5 6 7 8 run 3 run 2 run1 pH 0 2 4 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 圖 4 不同鹼度添加量對反應槽之影響 （四） 反應槽菌相分析結果 圖 5 與圖 6 分別為生物膜內層及外層菌相之親源樹 分析途，經由菌相分析可以發現，經長期之馴養及 操作後，反應槽中之生物膜確實有分層之現象產 生，內層之生物膜主要以脫硝菌屬為主，而外層之 生物膜則以硝化菌佔絕大多數，此為反應槽具有同 時硝化及脫硝之有力證據。惟分析之結果亦發現外 層分層之現象似乎較內層好，因外層生物膜之菌相 與硝化有關之菌屬高達 95﹪以上，而內層與脫硝 有關之菌屬則約佔 75﹪，仍有 25﹪左右為硝化 菌，推測其原因可能因反應槽持續曝氧氣，導致生 物膜內層仍有部分之氧氣存在，使硝化菌於生物膜 內層亦能存活。此外，就整體生物膜之菌相而言， 生物膜中與硝化有關之菌屬（Nitrispira 及 Uncultured Bacteroidetes bacterium）在整體生 物膜中所佔之比率約 60﹪，而與脫硝有關之菌屬 （Xanthomonas 及 Thauera）約佔 40﹪，此亦可有 效輔助解釋為何反應槽之硝化速率較脫硝速率為 快。上述實驗之結果顯示，經過長時間之馴養及操 作後，生物膜之菌相與其他異營性生物脫硝反應槽 或活性污泥槽相比相對單純許多，推測其原因可能 為反應槽係自營性，未添加任何有機物，且污泥經 過長時間之馴養及操作後，許多異營菌在反應槽中 無法存活，因而使得菌相便得較為單純。此外，本 研究亦證實利用分子生物技術進行反應槽之菌相 鑑定不只可避免反應槽係黑箱之質疑，亦可提供有 用之資訊作為後續反應槽改善之參考，為一非常有 用之工具。 圖 5 生物膜內側菌相之親源樹 圖 6 生物膜外側菌相之親源樹 四、 計畫成果自評 本計畫成功開發出一可同時硝化及脫硝之自營性 薄膜生物反應槽，並對影響反應槽之因子進行探 討，找出理想之操作條件。對去除水源中之氨氮深 具潛力。此外，本計畫亦成功應用利用分子生物技 術進行反應槽生物菌相之鑑定，提供反應槽改善之 進一步資訊。研究結果並發表於國際期刊中。綜合 言之，本研究成果已充分達成預期目標。 五、 參考文獻
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