螺旋藻淨化畜牧業放流水之研究

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螺旋藻淨化畜牧業放流水之研究

摘要

國內畜牧廢水之產生源大多為養猪場及養牛場，管理人員習慣以大量的水沖洗畜舍，因而產生了相當大量的廢水。

本研究在實驗室以BG-11 培養基和畜牧業出流水原水、稀釋 2 倍和 4 倍培養螺旋藻，研究結果顯示BG-11 培養基中正磷酸鹽、氨氮和硝酸氮都有被消耗掉，

移除率分別為100％、98％和 14％；猪場放流原水因氨氮濃度過高，導致螺旋藻死亡，所以選擇用稀釋2 倍和 4 倍出流水來培養螺旋藻，稀釋 2 倍出流水培養螺旋藻，結果顯示正磷酸鹽、總氮鹽都有被消耗掉，移除率分別為 96.6 ％和 61.2

％，稀釋 4 倍出流水培養螺旋藻之正磷酸鹽、總氮鹽移除率分別為 73 ％和 24

％，牛場出流水培養螺旋藻之水質分析顯示出正磷酸鹽的濃度有被消耗，移除率為85.3％，然而螺旋藻並未對無機氮鹽產生移除的功能。

關鍵字：螺旋藻、水質淨化、畜牧廢水 一、前言

目前畜牧廢水之處理方式，主要是以傳統三段式廢水處理系統和分批式自動反應器( Sequencing Betch Reactor，SBR ) 2 種，因現場無廢水處理之專責人員和氮、磷處理效果不佳，再加上環保署並無管制出流水中氮、磷之濃度，而導致周圍農地、魚塭、河川、土壤污染和優養化。所以利用畜牧業富含氮、磷的出流水培養螺旋藻，不僅提供培養中免費的氮、磷來源，還解決高成本人工培養基的問題、並減少水資源的消耗，同時降低螺旋藻的生產成本，出流水也可回收再利用並得到一定程度的淨化，解決環境污染的問題。如此既可低成本獲得螺旋藻良好的蛋白質產量，又能解決畜牧業出流水污染的問題。

因此結合畜牧業出流水中氮、磷之特性，配合螺旋藻生長之基本條件，結合資源再利用之理念，將畜牧業出流水做為螺旋藻生長之營養來源，以期達到畜牧業出流水淨化。本研究之具題目標為(1)純化螺旋藻，並以分子生物技術鑑定藻株。(2)以人工培養基進行螺旋藻培養，以初步了解螺旋藻移除氮磷等營養鹽之能力。(3)以畜牧廢水培養螺旋藻，以了解螺旋藻淨化畜牧業出流水之能力。

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二、實驗設備與方法

本實驗所使用的藻類種源為螺旋藻，取自於台南海事學院，因為藻源受到環境中其他藻種的污染，尤其以顫藻的污染最為嚴重，因此本研究首先將混合的藻種進行分離與純化，再將純化的藻種以分子生物的技術進行鑑定，後續以人工配製的BG-11 培養基與畜牧場的出流水進行藻種培養，以了解純化的藻種對培養液中氮、磷的移除效果。實驗架構如圖1 所示。

圖 1.實驗流程圖

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2.1 螺旋藻純化與鑑定

1.藻種純化

本研究以為吸管法進行藻種的純化，用自製的微吸管，一端接上特製乳膠軟管，再使用顯微鏡和玻璃製微吸管之毛細現象吸取純目標螺旋藻，陸續利用 BG-11 培養基清洗並分離出純螺旋藻，然後存放入含有 3 mL BG-11 之 10 mL 試管中，培養約1 星期後，再以顯微鏡觀察進行確認。

2.螺旋藻鑑定和 DNA 定序

本研究以分子生物的技術進行純螺選藻鑑定，首先萃取藻體的DNA，再以細菌專用的引子(primer)，以聚合配鍊鎖反應(polymeras chain reaction，PCR)進行 DNA 複製，再以 16S rDNA 分子選殖( clone )實驗，選擇適當的勝任細胞，插入藻體的DNA 片段，最後委託明欣生物科技有限公司與成大核酸實驗室，利用核酸自動定序儀(PE/ABI337 Sequencer)定序。

3.純藻大量培養

本研究使用人工配製的 BG-11 培養基與養牛場與養猪場三階段式處理過的出流水進行螺選藻的大量培養，培養條件為28^oC 恆溫，光照狀態分別為 12 小時照光與12 小時不照光，另提供空氣以補充二氧化碳。BG-11 培養基成份如表 1，

由表中可發現氮源有NO3--N (247 mg/L)與微量的銨氮(NH4+-N)；磷源為正磷酸鹽 (5 mg/L PO43--P)，滅菌冷卻後 pH 調整為 7.4。

表 1. 一升 BG-11 培養基

成份配製濃度

( g/L ) 成份配製濃度 ( g/L )

NaHCO3 0.42 Citric acid 0.006 NaNO3 1.5 Na2EDTA 0.001 K2HPO4.3H2O 0.04 Na2CO3 0.04

MgSO4.7H2O 0.075 Trace metal mix A5+Co

1 (ml/L) CaCl2.2H2O 0.036

Ferric ammonium 0.006

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表 2.Trace metal:Mix A5+Co

成份配製濃度

( g/L ) 成份配製濃度 ( g/L ) H3BO3 2.86 Ma2MoO4．2H2O 0.39 MnCl2．4H2O 1.81 CuSO4．5H2O 0.079 ZnSO4．7H2O 0.222 Co(NO3)2．6H2O 0.0494

本研究所使用的畜牧出流水取自於台南某養猪場和屏東某養牛場三階段處理設施的出流水，其中猪場出流水水體氨氮含量高達580 mg/L 導致螺旋藻死亡，

所以將原水稀釋2 倍和 4 倍再培養螺旋藻，牛場則直接以出流水培養螺旋藻。

4.水質分析

培養過程，為了解螺旋藻的生長情況，進行相關的水質檢測，檢測的方法與頻率表列入下：

表 3.BG-11 和畜牧出流水培養螺旋藻之水質分析檢測方法

項目方法 分析頻率 備註

pH NIEA W424.52A 每週3 次濁度 NIEA W219.52C 每週3 次

T-COD NIEA W517.52B 每週3 次僅畜牧出流水試驗 S-COD NIEA W517.52B 每週3 次僅畜牧出流

水試驗 PO43--P NIEA W427.52B 每週 3 次

NH4+-N NOVA60 吸收光譜法每週3 次 NO3--N NIEA W419.51A 每週3 次 NO2--N NOVA60 吸收光譜法每週3 次

三、結果與討論

3.1 BG-11 培養基中之螺旋藻淨化效率分析 1.濁度、葉綠素 a、pH 之分析結果

螺旋藻在BG-11 培養基中生長期間之濁度和葉綠素 a 變化，第 0 天到第 14 天之生長期，濁度由32.1 NTU 增加到 151 NTU，增為原來的 4.7 倍，每天約增加7.7 NTU，葉綠素 a 由 154 μg/L 增加到 1220μg /L，增為原來的 7.7 倍，每天增加約77μg/L 。

第14 天到 21 天穩定期，濁度都維持在 151 NTU，葉綠素 a 維持在 1220.3μg/L

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~ 1184.8μg/L。第 24 天進入死滅期，濁度和葉綠素 a 都開始逐漸下降。螺旋藻在 BG-11 培養基中生長期間之 pH 值，從第 0 天至第 7 天 pH 值略微上升，第 7 天呈現穩定狀態，pH 值維持在 11.49 到 11.74 之間，呈現鹼性。

2.正磷酸鹽分析結果

圖2 為螺旋藻在 BG-11 培養基生長期間磷酸鹽的變化，從第 0 天到第 30 天，

去除率達98％，由此可見螺旋藻對於正磷酸鹽的移除能力佳。

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

0 5 10 15 20 25 30

培養天數 PO43--P (mg/L)

圖 2.螺旋藻在 BG-11 培養基中之 PO₄^3--P 濃度變化

3.氮鹽分析結果

圖 3 為螺旋藻在 BG-11 培養基中生長期間之氨氮濃度變化，第 0 天到第 5 天，下降率達100％，而在水體 pH 大於 9 的情況，NH4+-N 會以 NH3 氣體逸出，

所以此處的NH4+-N 降低應是氨氣逸散的結果。

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0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

0 5 10 15 20 25 30

NH4+-N (mg/L)

(天)

圖 3. BG-11 培養基培養螺旋藻之 NH₄⁺-N 濃度變化

圖4 為螺旋藻在 BG-11 培養基生長期間之硝酸氮濃度分析結果，從第 0 天到第5 天硝酸氮濃度維持在 248 mg/L，然而第 5 天後硝酸氮濃度逐漸減少到第 30 天硝酸氮濃度為213.2 mg/L，去除率為 14％，由此可以發現螺旋藻第 0 天~第 5 天為適應期，第5 天後開始生長與繁殖，因生長需以硝酸氮為氮源，所以螺旋藻對硝酸氮的移除能力是顯著的。

200 210 220 230 240 250 260

0 5 10 15 20 25 30

NO3- -N (mg/L)

(天)

圖 4. BG-11 培養基培養螺旋藻之 NO₃^--N 濃度變化

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3.2 猪場出流水之螺旋藻淨化效率分析 1.濁度與 pH 分析結果

出流水稀釋2 倍和 4 倍之濁度的變化情形，稀釋 2 倍出流水之濁度，從第 7 天到第30 天逐漸增加，由 33.1 NTU 增加到 136 NTU，每天增加約 4.6 NTU。稀釋4 倍出流水之濁度從第 7 天到第 30 天也是逐漸增加，由 17.1 NTU 增加到 123 NTU，每天增加約 5.1 NTU。

稀釋2 倍出流水之 pH 值從第 7 天到第 14 天逐漸下降，由 9.2 下降到 5.6。

稀釋4 倍出流水，pH 值從第 0 天到第 10 天逐漸下降，由 8.5 下降到 6.3。

2.總 COD 分析結果

圖5 為稀釋 2 倍出流水，COD 從第 16 天到第 30 天逐漸上升，由 264 mg/L 上升到752 mg/L，每天增加 33 mg/L；稀釋 4 倍出流水，COD 從第 10 天到第 30 天逐漸增加，由272 mg/L 增加到 880 mg/L，每天增加 34 mg/L。

由於硝化作用的關係，稀釋2倍出流水，pH值在第9天到第16天，pH值低於8，

圖中也發現總COD在16天以後開始增加，稀釋4倍出流水，pH值在第0天到第10 天，由8.5下降到6.3，而總COD也是在第10天以後開始增加。

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 5 10 15 20 25 30

出流水(稀釋2倍) 出流水(稀釋4倍)

COD (mg/L)

(天)

圖 5.猪場出流水稀釋 2 倍和 4 倍培養螺旋藻之總 COD 變化

3.溶解性 COD 分析結果

圖6 顯示未添加螺旋藻稀釋 2 倍出流水溶解性 COD 從第 0 天到第 30 天逐漸下降，下降率為16％。添加螺旋藻稀釋 2 倍出流水溶解性 COD 從第 0 天到第 30 天逐漸下降，下降率為66.7％；添加螺旋藻稀釋 4 倍出流水，溶解性 COD 從第 0 天到第 30 天逐漸下降，下降率為 43.5％。螺旋藻培養於不照光的環境時，無法利用無機碳源，而是以有機碳源做為基質(Chojnacka and Noworyta，2004)，因

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而導致溶解性COD 下降。

圖中可見對照組(稀釋 2 倍出流水未添加螺旋藻)放置 30 天後，溶解性 COD 只降解16％，應是培養液中的異營性細菌所消耗的碳源。

0 50 100 150 200 250

0 5 10 15 20 25 30

SCOD (mg/L)

(天)

圖 6.螺旋藻在猪場出流水稀釋 2 倍和稀釋 4 倍中之溶解性 COD 變化

圖7 為稀釋 2 倍出流水正磷酸鹽濃度從第 7 天到第 14 天逐漸增加，由前述 pH 值和總 COD 的分析，推測這段期間螺旋藻的生長是受到抑制，也可以推測在此期間螺旋藻之攝磷速率，不及分解菌降解有機磷的速率，因而導致磷酸鹽的濃度上升，而陳國誠(1996)研究也指出在生物處理廢水的時候，大部份的有機磷化合物及大多複合磷酸鹽會被轉化為正磷酸鹽，稀釋2 倍出流水，在第 14 天後正磷酸鹽濃度開始下降到第30 天，由 32.5 mg/L 下降到 1.1 mg/L，下降率為 96.6

％。

然而由圖中顯示稀釋 4 倍出流水，正磷酸鹽濃度從第 0 天到第 7 天維持在 4.6~4.8 mg/L 未明顯增加，是否因為稀釋度太高，導致分解菌降解有機磷的速率太慢，使得磷酸鹽濃度變化不顯著，值得深究，稀釋4 倍出流水，在第 7 天後正磷酸鹽濃度開始下降到第30 天，由 4.76 mg/L 下降到 1.3 mg/L，下降率為 73 ％。

由前述可知螺旋藻在 BG-11 培養基移除磷的效能佳，此處亦可見螺旋藻對於猪場出流水中的正磷酸鹽亦有高的移除能力。

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圖 7.猪場出流水稀釋 2 倍和 4 倍培養螺旋藻之正磷酸鹽變化

0 5 10 15 20 25 30 35

0 5 10 15 20 25 30

PO43--P (mg/L)

(天)

稀釋2倍和稀釋4倍出流水，因為非同一天所採取之水樣，而導致初始的氮鹽濃度不同。由圖8得知稀釋2倍出流水，氨氮從第0天開始下降到第14天，濃度由 261 mg/L下降到 0 mg/L，而亞硝酸氮與硝酸氮隨著氨氮的降低而逐漸上升，亞硝酸氮在第21天後開始明顯下降，在第14天顯然亞硝酸氮轉化成硝酸氮的作用受到抑制。

由前述pH值在第14天時降到5.6，硝酸菌無法在如此低的pH值進行轉化作用，

導致亞硝酸氮濃度維持在 79 mg/l，而當第18天後，pH值明顯回升後，第二階段的硝化作用才開始進行。(第一階段為NH4+硝化為NO2-，第二階段為NO2- 硝化為 NO3-)。

Yeh C.T. et al.(2006)指出在特定的環境條件下，氨氮不論在光照或是黑暗環 境下，螺旋藻生長不會受到抑制且生長良好。Converti et al.(2006)探討螺旋藻降解銨離子及尿素的效能，研究指出不論是氯化銨或是尿素氮源最高臨界濃度24 mg/L，並不會對螺旋藻造成抑制作用。Rangel-Yagni et al. (2004)研究指出半批式 添加尿素於螺旋藻培養系統，尿素濃度500 mg/L(233 N mg/L)，但因尿素再被利用以前才會水解成銨離子，所以不會累積銨離子造成抑制作用，與本研究在培養初期，氨氮就高達261 mg/L 有所不同。

本系統培養初期，pH值增高於9，可能有部份銨離子變成氨氣逸出，但是當 pH值小於9，應該是硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸與硝酸，由亞硝酸氮與硝酸氮的濃度增加，可證實硝化作用的發生，但是螺旋藻是否直接利用氨氮做為氮源，在本研究無法證實。

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圖9為稀釋4倍出流水氮鹽濃度變化情形，發現第0天亞硝酸濃度比氨氮高，

由此可以得知當天猪場出流水，硝化反應已在水體內進行，在培養螺旋藻後，氨氮開始下降至第21天為零，亞硝酸氮在14天後急速往下降，導致硝酸氮急速上升。

稀釋2倍出流水，總無機氮鹽(銨氮+亞硝酸氮+硝酸氮)下降率為61.2％，稀釋4倍出流水，下降率為24％。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 50 100 150 200 250 300

0 5 10 15 20 25 30

氨氮亞硝酸氮硝酸氮氮鹽移除量

氮鹽(mg/L) PH

(天)

圖 8.猪場出流水稀釋 2 倍培養螺旋藻之氮鹽變化

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 20 40 60 80 100 120 140

0 5 10 15 20 25 30

氨氮亞硝酸氮硝酸氮氮鹽移除量

氮鹽(mg/L) PH

(天)

圖 9.猪場出流水稀釋 4 倍培養螺旋藻之氮鹽變化 3.3 牛場出流水之螺旋藻淨化效率分析

1.基本水質分析結果

養牛場出流水培養螺旋藻之濁度從第0 天到第 30 天逐漸增加，由 88.7 NTU

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增加到147 NTU。出流水 pH 值從第 0 天到第 30 天逐漸上升，由 6.8 增加到 8.1，

牛場廢水在出流前，因大量曝氣在好氧狀態下，硝化反應在水體中已經趨近於完成，此外因牛的飼料中約有三分之一屬於牧草，排泄物中的氨氮含量也少於猪場，

因此牛場出流水pH 值不會受到硝化作用的影響，而水體中 CO2被螺旋藻利用後，

pH 值會逐漸增加。

總COD 濃度從第 0 天到第 30 天逐漸上升，由 680 mg/L 增加到 1440 mg/L，

每天約增加25.1 mg/L，由此可知螺旋藻的生長是顯而易見的。溶解性 COD 濃度從第0 天到第 30 天逐漸下降，由 360 mg/L 下降到 160 mg/L，下降率為 56％，

明顯高於對照組，應是螺旋藻於黑暗環境，使用有機碳為基質所導致的結果。

圖10 顯示出流水未添加螺旋藻，對照組正磷酸鹽濃度從第 0 天到第 30 天逐漸下降，由39 mg/L 下降到 37 mg/L，下降率為 5％。牛場出流水添加螺旋藻，

正磷酸鹽濃度從第0 天到第 30 天逐漸下降，由 38.2 mg/L 下降到 5.6 mg/L，下降率為85.3％，由此又再一次証實螺旋藻對水體中磷酸鹽的移除能力。

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 5 10 15 20 25 30

出流水

出流水(添加螺旋藻)

PO43- -P (mg/L)

(天)

圖 10.牛場出流水培養螺旋藻之正磷酸鹽變化

硝酸氮濃度從第0 天到第 30 天逐漸上升，由 232.2 mg/L 上升到 257 mg/L，

牛場出流水之總無機氮鹽，濃度由234.4 mg/L 增加到 257 mg/L，而氨氮與亞硝酸氮濃度趨近於零，由此可以發現螺旋藻似乎未利用水體中的硝酸氮做為氮源。

Faucher et al.(1997)研究 Spirulina platensis 氮源之利用試驗，發現其對氨態 氮吸收最快，其次為亞硝酸氮，再次為硝酸態氮，而劉氏(2008)指出藻類在吸收硝酸鹽是一種耗能過程，在照光、CO2或其他碳源存在下可促近硝酸鹽的利用，

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而尿素則經由水解成 NH4+

，而為藻細胞所利用。上述的相關研究，都以人工培養基添加不同的氮源所進行的試驗，相較之下本研究的培養系統，採用畜牧業出流水，是較複雜的基質，養猪出流水高氨態氮伴隨硝化作用，不易釐清螺旋藻對氮源的利用順序，而養牛出流水氮源以硝酸態氮為主，但分析結果，硝酸態氮幾乎未被消耗，但 BG-11 培養系統在無其他氮源存在下，硝酸態氮會被螺旋藻所利用，由此可以推測牛場出流水應有其他氮源(如尿素)存在能被螺旋藻所利用，

亦或是螺旋藻有固氮的作用，值得再深入研究。

結論

本研究利用螺旋藻生長之基本條件，來移除三段式廢水處理後之放流水中高濃度氮、磷。研究結論如下所述。

1. BG-11 培養基中正磷酸鹽的濃度，去除率可以達到 98％，硝酸氮濃度去除率為14％，螺旋藻對硝酸氮的移除有顯著的能力。

2. 猪場出流水稀釋 2 倍培養螺旋藻，溶解性 COD 從第 0 天到第 30 天，下降率為66.7％；正磷酸鹽濃度從第 14 天到第 30 天，下降率為 96.6 ％；

總無機氮鹽下降率為61.2％。

3. 猪場出流水稀釋 4 倍培養螺旋藻，溶解性 COD 從第 0 天到第 30 天，下降率為43.5％；正磷酸鹽濃度從第 7 天到第 30 天，下降率為 73 ％；總無機氮鹽下降率為24％。

4. 牛場出流水原水培養螺旋藻，溶解性 COD 濃度從第 0 天，下降率為 56

％；正磷酸鹽濃度從第0 天到第 30 天，下降率為 85.3％；總無機氮並未被螺旋藻消耗。

5. 螺旋藻對於牛場和猪場出流水中移除正磷酸鹽的能力都極具有效果，然而螺旋藻對於猪場出流水中總氮鹽之移除效果較牛場出流水有效。

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