中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

題目：利用固定化活性污泥於氣舉式反應器 去除光電業廢水中的二甲基亞碸

系 所 別：土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名：M09304041 侯 冠 筠 指導教授：黃 思 蓴 博士

中華民國 九十七年八月

摘 摘

摘 摘 要 要 要 要

二甲基亞碸(Dimethyl sulfoxide, DMSO)，分子式為(CH3)2SO。由於 DMSO 在工業應用相較於乙醇具有較高的安全性，且因為具有高沸點的特性，更是一 種適合回收再利用的環保型溶劑，且價格較為低廉，因此 DMSO 被大量的使用 在各種工業。DMSO 具有很高的滲透壓，且對生物具有毒性，隨著 DMSO 的大 量使用，使得廢水中含有殘留的 DMSO，若不加以處理 DMSO 又會被厭氧分解 還原成具有惡臭的物質－二甲基硫(Dimethyl Sulfide, DMS)，其含量在低濃度時 即有明顯臭味產生，極容易超過臭味標準。

因此，若能開發一套解決廢水中 DMSO 的處理技術，同等於防止其還原成 DMS，造成光電業 VOCs 中之一的 DMS 惡臭問題。本研究除了利用活性污泥在 氣舉式反應器內做重覆批次降解 DMSO，亦利用固定化技術企圖加強活性污泥 對惡劣環境的適應性，並找出最適環境因子。由本研究得知，固定化活性污泥 分解 DMSO 的可適 pH 範圍為 5.0~8.5 之間，在此範圍內其 DMSO 去除率可達 100%；模擬廢水中的碳源(蔗糖，sucrose)最適合含量為 0~50 mg/L，此含量的碳 源可幫助活性污泥抵抗 DMSO 的生物毒性且使活性污泥依然以 DMSO 作為碳源 並降解 DMSO，活性汙泥馴養越久則碳源多寡對其降解效率的影響越不顯著，

但考慮經濟效益仍建議添加的碳源濃度在 0~50 mg/L 之間為佳。接種的菌量多 寡對於降解速率是有影響的，降解速率隨著接種菌量越多也越快速。而在氣舉 式反應器的重覆批次試驗中，懸浮活性污泥最快可在 10 小時內將初始濃度約 850

mg/L 的 DMSO 去除達 99%以上；固定化活性污泥則在 DMSO 負荷量增加到 1200 mg/L 時依然能於 45 小時內不受負荷增加影響，穩定的將 DMSO 降解完 成，有足夠的系統穩定性。

關鍵字：活性污泥、生物降解、DMSO、固定化、氣舉式反應器

誌 誌

誌 誌 謝 謝 謝 謝

六月，驪歌輕頌，趕不及它的旋律。鳳凰花依舊準時落下，滿地紅瓣送著畢 業生的腳步。炎熱的七八月伴著我劃下學生生涯的最後一個句點。

承蒙恩師 黃思蓴 教授在研究指導及待人處事上的諄諄教誨，不僅傳道、授 業、解惑，是大家的榜樣，也有如父親般的慈藹。「一日為師，終身為父」，

謝謝您這些年來看著我長大，學生將終身銘記在心，致上最高的敬意與謝忱，

永遠敬愛著您。

研究期間，也承蒙恩師 詹武忠 教授在學業上的指導，幾番學習下來實是收 穫良多。並感謝 林文欽 副教授以及吳淵洵 副教授從大學時期以來的關心和鼓 勵。在這期間蒙 大葉大學吳建一 副教授以及工研院林昀輝 博士的悉心教導並 提供寶貴的意見，在此一併感謝，謝謝您們！

這些日子以來，感謝學長姐奕杰、信樺、佳汝、詩瀅的關心鼓舞，同學國書、

佩瑾及學弟妹正錦、欣怡、千鳴、廷印、政廷、宇純、景翔、柏安、家暐、盈 青、信旭、小康、秋蓉、湘媛、育岷的協助，好友鍾鈺的鼓勵，使實驗得以順 利完成。尤以欣怡、盈青、秋蓉、湘媛，更是我心目中的美麗天使，感謝你們 的陪伴。

最後謹以本論文獻給天上的爺爺奶奶，親愛的父母親與弟弟胤睿、妹妹逸 珣，慈祥的外公外婆和帥哥磊舅舅以及一直伴在身邊，陪我悲喜與共的直螢，

謝謝您們的關懷與支持，願將所有的喜悅與榮耀和您們分享，我愛您們！

總 總 總

總目錄 目錄 目錄 目錄

摘 要 ...I 誌 謝 ... III 總目錄 ...IV 表目錄 ... VIII 圖目錄 ...IX

一、緒論 ... 1

1.1 緣起... 1

1.2 研究動機... 2

1.3 研究目的... 2

二、文獻回顧 ... 4

2.1 二甲基亞碸(DMSO)簡介 ... 4

2.2DMSO 的應用 ... 4

2.3DMSO 對環境與人體上的影響或傷害... 5

2.4 光電業製程中 DMSO 來源與處理方法 ... 6

2.4.1 光電業製程中 DMSO 來源 ... 6

2.4.2 一般平面液晶顯示器業者常用廢水處理技術 ... 6

2.5DMSO 分解菌種及其分解機制... 7

2.5.1 DMSO 分解菌株之種類 ... 7

2.5.2 DMSO 分解菌株之分解機制... 10

2.6 氣舉式反應器... 11

2.6.1 氣舉式反應器簡介... 11

2.6.2 氣舉式反應器之構造與種類 ... 11

2.7 微生物固定化方法簡介及其材料... 12

三、實驗材料與方法 ... 14

3.1 實驗材料與設備... 14

3.1.1 菌種來源... 14

3.1.2 實驗藥品... 14

3.1.3 實驗器材與設備... 14

3.2DMSO、DMSO2之分析方法 ... 14

3.2.1 DMSO 檢量線之建立 ... 15

3.2.2 DMSO2檢量線之建立 ... 16

3.3 樣品取樣分析方法... 16

3.4 硫酸根離子(SULFATE ION)之分析方法 ... 16

3.5PVA 固定化菌體顆粒製備方法... 17

3.6 菌量測定方法... 17

3.6.1 懸浮菌體濃度之測量 ... 17

3.6.2 固定化顆粒內菌體濃度之測量 ... 18

3.7 不同菌種降解 DMSO 之比較 ... 20

3.8 不同環境因子對固定化活性污泥降解 DMSO 之影響探討... 21

3.8.1 不同起始 pH 對分解能力之影響... 21

3.8.2 不同碳源含量對分解能力之影響 ... 21

3.8.3 不同接菌量對分解能力之影響 ... 22

3.8.4 不同 DMSO 起始濃度之影響... 22

3.9 反應器及其週邊設備... 23

3.10DMSO 曝氣逸散背景實驗 ... 23

3.11 重覆批次操作穩定性... 24

3.11.1 活性污泥降解 DMSO 搖瓶重覆批次試驗... 24

3.11.2 活性污泥降解 DMSO 反應器重覆批次試驗... 24

四、結果與討論 ... 26

4.1 不同菌種降解 DMSO 之比較 ... 26

4.2 不同環境因子對固定化活性污泥降解 DMSO 之影響探討... 26

4.2.1 不同起始 pH 對分解能力之影響... 26

4.2.2 不同碳源含量對分解能力之影響 ... 27

4.2.3 不同接菌量對分解能力之影響 ... 29

4.3 氣舉式反應器重覆批次實驗 ... 30

4.3.1 搖瓶中活性汙泥在 DMSO 的生長... 30

4.3.3 活性污泥降解 DMSO 反應器重覆批次試驗... 30

五、結論與建議 ... 32

5.1 結論... 32

5.2 建議... 33

六、參考文獻 ... 34

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

Table 1、二甲基亞碸(DMSO)基本物理特性與化學特性... 41

Table 2、ARRAY 流程所排放之主要污染物 ... 42

Table 3、平面液晶顯示器業者常用廢水處理技術 ... 43

Table 4、可分解 DMSO 的菌種... 44

Table 5、馴養可降解 DMSO 之活性汙泥培養基成分 ... 45

Table 6、實驗使用儀器列表 ... 46

Table 7、氣相色層分析儀之操作條件 ... 47

Table 8、高效能液相層析儀之操作條件 ... 48

Table 9、不同菌種降解 DMSO 之比較實驗組別 ... 49

Table 10、緩衝溶液配製表 ... 50

Table 11、不同碳源含量對分解能力之影響實驗組別 ... 51

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

Fig. 1、研究架構... 52

Fig. 2、平面顯示器 ARRAY 製程流程圖 ... 53

Fig. 3、TFT-LCD 製造程序及廢棄產生源示意圖 ... 54

Fig. 4、不同菌種降解 DMSO2之途徑 ... 55

Fig. 5、不同 DMSO 處理方法的反應途徑圖 ... 56

Fig. 6、Set-up of air-lift system:... 57

Fig. 7、Effect of acclimation and addition of sucrose by DMSO or other on dimethyl sulfoxide degradation. ... 58

Fig. 8、Effect of pH value on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge. ... 59

Fig. 9、Effect of pH value on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge. ... 60

Fig. 10、Effect of initial sucrose concentration on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge. ... 61

Fig. 11、Effect of initial sucrose concentration on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge. ... 62

Fig. 12、Effect of initial sucrose concentration on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge. ... 63

Fig. 13、Effect of initial sucrose concentration on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge. ... 64

Fig. 14、Effect of biomass on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge. ... 65 Fig. 15、Effect of biomass on DMSO degradation using the immobilized

cells of activated sludge. ... 66 Fig. 16、Effect of biomass on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge. ... 67 Fig. 17、Degradation of 200 mg/L DMSO by the suspend activated sludge as the sole source of carbon. ... 68 Fig. 18、Effect of Dimethyl sulfoxide (DMSO) concentration on adsorption of medium and aeration using air. ... 69 Fig. 19、DMSO biodegradation in air-lift bioreactor under repeated-batch mode. ... 70 Fig. 20、Repeated batch on DMSO degradation using the immobilized cells of activated sludge... 71

一 一 一

一、 、 、緒論 、 緒論 緒論 緒論

1.1 緣起

緣起 緣起 緣起

二甲基亞碸(Dimethyl sulfoxide, DMSO)，分子式為(CH3)2SO，在常溫為無色 透明液體，具有高極性、高吸濕性、高沸點及可燃性，熱穩定性也佳，不但能 溶於水，也能溶於一些有機物溶劑，如乙醇、苯和氯仿等。由於 DMSO 在工業 應用時，相較於乙醇具有較高的安全性，且因為具有高沸點的特性，更是一種 適合回收再利用的環保型溶劑。DMSO 被廣泛的應用在各種工業，因為它可溶 解許多有機和無機的物質。在半導體或液晶螢幕製造業中，DMSO 用來作為洗 滌或是光阻剝離劑，且大量包含 DMSO 的廢水從洗滌或是漂洗程序中排出。

廢水中的 DMSO 有兩種濃度，第一種是高濃度的 DMSO(超過 1000 mg/L)，

主要來自於光阻撥離劑，大部分會利用濃縮技術加以回收利用。第二種是含有 低濃度 DMSO(10~1000 mg/L)的廢水，主要來自液晶顯示器與半導體的洗淨製程 中。其中含低濃度 DMSO 的廢水是屬於較難處理的[Murakami et al., 2002]。

隨著光電業的發達使得 DMSO 大量使用，也使廢水中容易含有殘留的 DMSO。DMSO 對生物具有毒性，且廢水中的 DMSO 經過長時間累積會在自然 環境中造成污染[Murakami-Nitta et al., 2002]。DMSO 在自然環境中經過部分厭 氧生物途徑會還原成二甲基硫(Dimethyl Sulfide, DMS)等有毒的惡臭化合物 [Lomans et al., 2002]。DMS 即使在低濃度也極為容易超過臭味的標準[Leonardos

et al., 1969]。

經 查 證 得 知 ， 新 竹 園 區 廢 水 處 理 廠 的 空 氣 中 DMS 濃 度 已 達 第 二 高 (38.4ppb)，造成環境保護的嚴重困擾[張寶額 等, 2002] 。因此，若能開發一套 解決廢水中 DMSO 的處理技術，同等於防止其還原成 DMS，造成光電業揮發性 有機物(VOCs，Volatile Organic Compounds)中之一的 DMS 惡臭問題。

1.2 研究動機

研究動機 研究動機 研究動機

目前常用於處理 DMSO 的物化方法包括 UV 氧化方法[Ｍuratani et al., 1999]、逆滲透膜處理方法、Fenton 處理法[Koito et al., 1998]以及微生物處理方 法等。其中 UV 氧化法，逆滲透處理方法，Fenton 等處理方法雖然有較高的處 理效率，但這些方法均無法使用單一程序即可將 DMSO 從廢水中完全去除，且 使用的設備、化學藥品、污泥處置的高費用往往限制其實際應用性。反觀利用 生物處理方法因具有低操作成本及高處理效率的特性，近年來逐漸受到研究學 者的重視。因此，利用微生物來分解處理 DMSO 將具有很大發展潛力[Chifuku, et

al. 1999]。

1.3 研究目的

研究目的 研究目的 研究目的

經過持續的馴養，已使污泥對 DMSO 具有分解能力，其能力也比其他文獻 中的分解菌種佳，完全降解 DMSO 的時間較短。

本 研 究 最 主要 目 的 是 針 對 較 難 處 理 之 光 電 業 廢 水 中 殘 餘 的 較 低 濃 度 DMSO(10~1000 mg/L)，發展一套高效率生物分解 DMSO 處理機制。而一般生物 處理技術經常使用到生物濾床及反應器，而在生物濾床與生物滴濾床中的濾料 有老化、阻塞、乾燥、pH 值不易控制等問題，氣舉式反應器的氣－液混合效果

較好，易使污染物於液相中擴散，並藉由懸浮微生物達到降解去除的效果。此 外，氣舉式反應器最大的優點在於，反應器主體可設計成瘦高的柱狀型，佔地 面積相較於一般傳統式的生物濾床小，因此本實驗以氣舉式反應器進行研究。

近年來並有許多研究證實固定化技術具有保護菌體、穩定性高和有效防止 菌體流失等優點，故本研究在開發 DMSO 生物處理程序方面之研究重點主要 為，將接續馴養的污泥置入氣舉式反應器中批次降解含 DMSO 之模擬廢水，並 製備固定化菌體顆粒，探討環境因子對活性污泥分解 DMSO 能力的影響，分析 項目將包括：初始 pH 的影響、碳源濃度的影響、菌含量多寡的影響以及產物的 分析(sulfate ion)。期望能利用生物處理方法對 DMSO 進行高效率的處理，並能 維持長時間的運作。

研究架構如 Fig. 1 所示。

二 二 二

二、 、 、文獻回顧 、 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧

2.1 二甲基亞碸

二甲基亞碸 二甲基亞碸 二甲基亞碸(DMSO)簡介 簡介 簡介 簡介

根據工業技術研究院環境與安全衛生技術發展中心的危害物質危害數據資 訊資料庫所述，茲整理如 Table 1。而 DMSO 的結構如下式(1)所示：

(1)

2.2 DMSO 的應用

的應用 的應用 的應用

二甲基亞碸(Dimethyl Sulfoxide, DMSO)是一種無色有機溶劑，對有機物及 無機物均具有強大的溶解性。它被廣泛的使用在電子加工，聚合物，染色，薄 膜等方面上。其在產業上應用的相關介紹如下：

電子工業：

DMSO 在電子工業作為光阻剝離劑、法拉級超大容量電容器。另外在電子 工業中，DMSO 在太陽能供電系統、電腦和機器人的資訊保護電源和記憶 元件等方面也有應用[陳秀仁 等, 2000；二甲基亞碸市場預測, 2001]。

石油加工：

DMSO 在芳烴抽提中作為萃取溶劑，其優點是：對芳烴的選擇性高，萃取 溫度低，無腐蝕，萃取工藝簡單，適合萃取含烯量高的油料[陳秀仁 等, 2000]。

合成纖維：

DMSO 可作為丙烯腈與其他單體共聚、聚氨酯的合成與抽絲、聚醯亞胺、

聚碸樹脂合成、聚乙烯醇的紡絲、酯化、醚化和縮醛化等的溶劑[盛為友, 2000]。

農藥：

DMSO 是農藥、農肥的溶劑、滲透劑和增效劑。[中國大陸二甲基亞碸的生 產及市場分析, 2001]。

有機合成：

DMSO 在化學反應中因反應溶劑、反應試劑的雙重作用，對某些在水溶液 中不能實現的反應，在 DMSO 中皆能順利地進行，對某些化學反應具有加 速、催化作用，提高收率，改變產品性能等優點[盤錦遠東錦星化工有限公 司, 2002]。

2.3 DMSO 對環境與人體上的影響或傷害

對環境與人體上的影響或傷害 對環境與人體上的影響或傷害 對環境與人體上的影響或傷害

由於 DMSO 使用量日益增多，而且對環境及人體均有不良影響，以目前法 規來說，美國環保署允許廢水中的 DMSO 濃度為 0.05 mg/L，或以 TOC 濃度作 為 DMSO 之參考濃度時，允許的範圍是 100~200 mg TOC/L [Pierce chemical company BCA Protein Assay Kit, 1997; Muratani T, 1999]。

根據 Material Safety Data Sheet (MSDS)指出，短時間吸入 DMSO 容易造成 刺痛感、噁心、嘔吐、頭痛及暈眩。長時間的吸入 DMSO 可能會危害人體生命 安全。而皮膚接觸 DMSO 則會出現過敏、水泡、熱反應(皮膚沾有水時)、噁心、

暈眩、嘔吐。且 DMSO 對眼部具有刺激性，並造成視線模糊。另外，短期的攝 取 DMSO 會造成噁心、嘔吐、腹瀉、胃痛、昏睡等症狀。另外，在二甲基硫(Dimethyl Sulfide, DMS)的方面，在物質安全資料表中指出 DMS 除具有易燃性與反應性 外，對人體會嚴重刺激眼睛、呼吸道及皮膚，造成灼傷。長期暴露可能造成肺 水腫、損害心臟、肝、胃、甚至致命；DMS 亦為一種致癌物質。

2.4 光電業製程中

光電業製程中 光電業製程中 光電業製程中 DMSO 來源與處理方法 來源與處理方法 來源與處理方法 來源與處理方法

2.4.1 光電業製程中光電業製程中光電業製程中光電業製程中 DMSO 來源來源來源來源

平面顯示器產業在 2002 年全球景氣衰退下仍然逆勢成長，其中 LCD 監視 器取代 CRT 監視器發揮了極大的效應。工研院經資中心調查預估 2005 年的產值 可達 202 億美元。而 DMSO 在半導體製造業以及液晶顯示器等光電工業上的主 要作用是當作去污劑或是光阻剝離劑。因此，隨著平面顯示器等光電產業的發 達，DMSO 經常會出現在清洗與清除製程的廢水中[工業技術研究院, 2004]。

2.4.2 一般平面液晶顯示器業者常用廢水處理技術一般平面液晶顯示器業者常用廢水處理技術一般平面液晶顯示器業者常用廢水處理技術一般平面液晶顯示器業者常用廢水處理技術

截至目前為止，國內有關的電子產業，其製程中所排放廢氣中的 DMS 之含 量，以及其生物處理廢水系統對 DMSO 的處理能力等相關的資料仍相當匱乏，

僅得知製程廢水中 DMSO 含量大約為 500~800 mg/L 左右。

根據工業研究院執行經濟部工業局九十三年度專案計畫-平面顯示器產業環 境建構計畫，TFT-LCD(薄膜電晶體液晶顯示器)製程可分為 ARRAY(電極圖案) 流程如 Fig. 2。ARRAY 製程為在玻璃基板上成長薄膜，製造薄膜電晶體(TFT)，

其製程與半導體製程較為相似。而 ARRAY 製程所排放之主要污染物列於 Table

2。

其中 TFT-LCD 製程也明顯指出，製程的廢水中主要污染物如顯影液、剝離 液、清洗液中所含的 DMSO、MEA(單乙醇胺，monoethanol amine)、BDG(butyl diglycol)及 TMAH(氫氧化四甲基銨，tetramethylammonium hydroxide)、IPA(異丙 醇，isopropyl alcohol)等，大多為有機氮、硫類物質，大部分光電廠均使用生物 處理來去除以上有機物。

Fig. 3 為 TFT-LCD 液晶顯示器的製程與污染源。一般平面液晶顯示器業者 常用廢水處理技術整理如 Table 3[工業研究院執行經濟部工業局九十三年度專案 計畫-平面顯示器產業環境建構計畫, 2004] 。

2.5 DMSO 分解菌種及其分解機制

分解菌種及其分解機制 分解菌種及其分解機制 分解菌種及其分解機制

2.5.1 DMSO 分解菌株之種類分解菌株之種類分解菌株之種類分解菌株之種類

從一些相關研究報告得知，至今已發現許多能分解 DMSO 的微生物， 在分 解 DMSO 之活性方面，不是分解速率低，就是處理效率不佳，有些甚至會產生 惡臭性氣味物質。

已知 DMSO 分解菌株有 Hyphomicrobium S, Rhodobacter, Escherichia cloi,

Hyphomicrobium strain EG, Desulfobacterium niacini, Desulfovibrio desulfuricans

Hyphomicrobium denitrificans WU-K217, Cryptococcus humicolus WU-2, Hyphomicrobium sp. WU-OM3 等，整理如 Table 4 [Murakami et al., 2002; Jonkers

et al., 1996; Edwards and Nirmalakhandan, 1996; Weiner et al., 1992; Hatton et al.,

Jonkers et al.(1996)的實驗測試生存在淡水、海洋以及高鹽份環境中的九種 硫酸鹽還原菌對 DMSO 的還原能力。其中有四種海洋菌株 (Db. Niacini，Dv.

Desulfuricans strain PA2805，Dv. Vulgaris，Desulfovibrio sp.DSM 3099) 及一種高

鹽分環境菌株(Dv. Halophilus)具有還原 DMSO 能力。使用 5%硫酸鹽生長菌的接 菌量，這些菌株在五天的馴養中將 20 mM 的 DMSO 還原成 DMS，且在經過連 續三次轉植後仍然有利用 DMSO 作為電子接受者的能力。另外，在 3 個星期的 馴養後沒有其他的菌株具有還原 DMSO 的能力。這些菌株在 15 mM 硫酸鹽與 5 mM DMSO 的培養液中不能還原 DMSO。DMSO 還原的最大能力為每天 0.5 % 的 DMSO 起始濃度。實驗結果顯示，某些來自海洋或是高鹽份地區的硫酸鹽還 原菌能夠生長在具有 DMSO 的環境中並有將 DMSO 做為單一碳源並還原 DMSO 的能力，另外在 Dv. desulfuricans strain PA2805 中 DMSO 還原和硫酸鹽還原同時 發生，其中 DMSO 的還原不會受到鉬酸鹽的抑制。鉬酸鹽會對細胞生長的抑制 是因為 ATP 的消耗[Oremland, R.S. and Smith. N.A., 1998]。在這些條件下，電子 自乳酸鹽被傳送至 DMSO 是可能的。

目前有數種 Hyphomicrobium 菌株被提出能以 DMSO 作為單一碳源在含有 DMSO 的環境生長[De Bont et al., 1981; Suylen and Kuenen, 1986; Murakami et al., 2002]。De Bont et al.提出 Hyphomicrobium sp. S 將 DMSO 還原成 dimethyl sulfide (DMS)作 為 分 解 的 起 始 階 段 ， 這 個 臭 味 化 合 物 進 一 步 的 轉 成 甲 硫 醇 (methyl mercaptan, MM)再分解成硫酸鹽類及另一臭味化合物－硫化氫[De Bont et al., 1981]。活性污泥中的微生物也表現出類似的分解過程 [Koito et al., 1998]。因

此，為了避免臭味物質的釋放，DMSO 分解方法必須結合物理化學方法將 DMSO 氧化成 DMSO2(二甲基碸，Dimethyl sulfone, DMSO2)，接著再利用活性污泥來分 解 DMSO2。DMSO2是一種無臭的化合物，相較於 DMSO 是屬於較容易被分解 的物質[Murakami et al., 2002]。

目前已發表一些去除含有低濃度DMSO的廢水之報告。Murakami et al.(2002) 的報告中指出，Shigeta所發展的處理DMSO方法包含兩個步驟[Shigeta, Kokai Tokkyo Koho, P2000-263069A, 1999]：透過過氧化物，臭氧將DMSO氧化成 DMSO2之後再以活性污泥將DMSO2生物分解。然而此方法中，pH的控制及O3

的使用是十分昂貴的，且過氧化物在生物開始分解前必須保持過量的狀態。

Murakami et al.的報告中又指出，Muratani(1999)發展了另一個方法生物分解 DMSO，但是必須要15小時以上才可去除7.68 mM(600 mg/L)的DMSO。相較於 大多數的DMSO降解微生物，菌種WU-K217在降解DMSO的初期似乎是先將 DMSO還原為DMS。

Murakami et al. 在 2003 年 又 篩 離 出 可 降 解 DMSO 的 菌 種 Cryptococcus

humicolus WU-2，當加入0.64 mM (50 mg/L)DMSO作為單一硫來源時，WU-2會

在48小時將DMSO完全消耗並以83%的莫耳轉換率氧化成DMSO2。菌種WU-2的 成長和休止細胞兩者都能氧化DMSO成為DMSO2，且隨著DMSO的降解能有高 莫耳轉換率，降解為無臭的化合物DMSO2。WU-2也會氧化烷基硫化物如二甲基 硫(DMS)、乙基甲硫醚(EMS)、二乙基硫化物等成為無臭的碸類化合物(sulfones)。

WU-2 為 酵 母 菌 的 一 種 ， 並 可 利 用 多 種 基 質 如 D-glucose ， D-galactose，

L-sorbose，D-glucosamine，D-ribose，D-xylose，L-arabinose，L-rhamnose，sucrose and maltos作為單一碳源。而WU-2被鑑定為Cryptococcus humicolus菌種，當時這 是第一篇有關利用酵母菌做DMSO的降解的報告[Murakami et al., 2003]。

考慮微生物如菌種 WU-K217 和 WU-2 的 DMSO 降解特性，為了降解 DMSO 不會釋出 DMS 以達到發展 DMSO 的無臭生物降解程序這個目的，Murakami et al.

開始篩離利用 DMSO2作為單一碳源的微生物。Kuniki Kino 和 Murakami-Nitta 在 2004 年篩離出 Hyphomicrobium sp. WU-OM3。菌種 WU-OM3 在培養期間加 入 20mM DMSO2作為碳源，DMSO2在 48 小時之內被完全消耗且發現培養液中 有硫酸鹽離子的累積。甲基磺酸(Methanesulfonate, MSA)也被發現為 DMSO2降 解的中間產物。經由 DMSO 氧化微生物以及菌種 WU-OM3，0.64mM (50 mg/L) 的 DMSO 以 80%莫耳轉換率被降解為硫酸鹽離子。經由分析 DMSO2的代謝物，

菌種 WU-OM3 是經由 MSA 降解 DMSO2成為硫酸鹽離子，且 WU-OM3 的 DMSO2

降解途徑與 A. methylotrophus TGA 或 H. sulfonivorans S1 不同，如 Fig. 4 [Kuniki Kino et al., 2004]。

2.5.2 DMSO 分解菌株之分解機制分解菌株之分解機制分解菌株之分解機制 分解菌株之分解機制

如Fig. 5所示，Koito et al (1998)整理出數種不同處理方法的DMSO反應途 徑。自DMSO的生物分解研究顯示，有許多微生物能夠利用DMSO作為碳源與能 源[Suylen & Kuenen, 1986]。

2.6 氣舉式反應器

氣舉式反應器 氣舉式反應器 氣舉式反應器

2.6.1 氣舉式反應器簡介氣舉式反應器簡介氣舉式反應器簡介氣舉式反應器簡介

自 1940 年來，對於好氧發酵製程之生物反應器具有良好的氣-液質傳效果。

氣舉式反應器於任何製程上皆能提供高的混合與質傳效果、高流體循環速率、

混合時間短以及低剪應力(shear)等優點；其氣舉式反應器運用的領域相當廣泛，

如有機物的合成、廢水生物處理以及發酵生產(啤酒、醋、檸檬酸與抗生素 等)[Hinks et al., 1996、Adinarayana et al., 2004]。

2.6.2 氣舉式反應器之構造與種類氣舉式反應器之構造與種類氣舉式反應器之構造與種類氣舉式反應器之構造與種類

氣舉式反應器主要是由上升區域(riser)、下降區域(downcomer)、氣-液分離 區(gas-liquid separater)及基底(base)等四個部份所構成。這四個區域將反應器區 分成向上及向下流動兩部份，以產生循環迴路。通常輸入氣體的區域稱為上升 區域，在此區域內氣-液向上同向流動，造成較大的氣體滯留量，且為氣-液質傳 效果最佳的地方。當流體離開上升區域的頂端，即進入氣-液分離區。然後，藉 由上升區域與下降區域之平均密度差或靜壓力差[Shimizu et al., 2001]，而使得流 體流入下降區域。當流體到達底端時，隨即通過基底再進入上升區域。因此，

在反應器中會產生連續循環的流動現象，其循環及混合效果佳，無機械攪拌，

可減少動力輸入外，其剪應力也較小；而剪應力較小，也比較不會對微生物與 固定化顆粒造成影響。一般氣舉式反應器的分類，依循環方式主要分為內部循 環式以及外部循環式等兩種類型。

Znad et al. (2006) 利用氣舉式反應器在好氧條件下批次實驗中，以懸浮活性

污泥與固定化活性污泥來降解除草劑(S-ethyl dipropylthiocarbamate, EPTC)。在活 性污泥濃度為 2,184 ppm、曝氣速率為 3.5 L/min 時，觀察到固定化活性污泥因 為可以扺抗除草劑的毒害，所以降解速率高於懸浮活性污泥。

2.7 微生物固定化方法簡介及其材料

微生物固定化方法簡介及其材料 微生物固定化方法簡介及其材料 微生物固定化方法簡介及其材料

微生物或酵素固定化技術之應用，早在 80 年代即已普遍應用於生物技術相 關產業上。固定化微生物細胞係指將具有活性的微生物細胞固定於擔體材料的 表面或內部，使細胞聚集在有限的空間中。固定化方法大致可分為：(1)自然吸 附 固 定 化 法 (self-attachment immobilization) 與 (2) 人 工 固 定 化 法 (artificial immobilization)[Cohen et al., 2001]。

自然吸附固定化法是指在人為提供的適當環境下，微生物細胞自然附著或 凝結於擔體表面上或於多孔擔體內部中生長，進而形成生物膜。人工固定化法 則包括：共價鍵結法(covalent bonding)、共價交聯法(covalent cross linking)、微 膠囊包覆法(micro encapsulation)及包埋法(entrapment)等；其中又以包埋法最為常 用。

包埋法固定化材料可分為天然與人工合成高分子物質兩類。天然物質如褐 藻膠(alginate)與紅藻膠(κ-carrageenan)，主要由海藻中取得。天然聚合物一般藉

由冷卻與/或含不同離子聚合溶液混合接觸作用，以引起凝膠化成固定化聚合

物。已有相關研究指出天然聚合物機械強度較脆弱，易破裂，不適合長期操作 使用，但擴散性卻較人工合成聚合物好[Leenen et al., 1996]。到目前為止，已有 相關研究利用許多人工合成物質以包埋微生物，如聚丙烯醯胺(polyacrylamide,

PAA)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)、聚丙二醇(polypropylene glycol, PPG) 等。

由於天然聚合物之物理穩定性較人工合成聚合物低，因此本研究考慮利用 人工合成聚合物-PVA，以包埋微生物作為處理 DMSO 之固定化材料。

三 三 三

三、 、 、 、實驗材料與方法 實驗材料與方法 實驗材料與方法 實驗材料與方法

3.1 實驗材料與設備

實驗材料與設備 實驗材料與設備 實驗材料與設備

3.1.1 菌種來源菌種來源菌種來源菌種來源

污泥取自於台灣化工產業工廠中的廢水處理單元。定期定量添加 Yang &

Myintl 所提出的 DMSO 模擬廢水溶液進行馴養，其成份組成如下 Table 5 所示 [Yang & Myintl, 2003]。

3.1.2 實驗藥品實驗藥品實驗藥品實驗藥品

二甲基亞碸(Dimethyl Sulfoxide，Dimethyl Sulphoxide)、Glucose 以及 CaCl2

購自 SIGMA 公司。(NH4)2SO4、FeCl3·6H2O 與 MnSO4·H2O 則購自 Merck 公司。

KH2PO4、K2HPO4 購自工製藥。COD 測定所使用的 A、B 試劑等藥品購自 Merck(Darmstadt, Germany)。BCA 分析試劑購自 PIERCE 公司，PVA 是由長春 石化公司提供。其他使用之藥品均為試藥級或以上之等級。

3.1.3 實驗器材與設備實驗器材與設備實驗器材與設備實驗器材與設備

將所使用的儀器名稱、廠牌以及型號列表 Table 6。

3.2 DMSO、

、 、 、DMSO

之分析方法 之分析方法 之分析方法 之分析方法

為得知分析時所採集樣品的實際DMSO與DMSO2濃度，因此需要將高效能 液 相 層 析 儀 (High-performance Liquid Chromatography, HPLC) 所 偵 測 得 到 的 DMSO(或DMSO2)波峰面積值與實際配製的液相DMSO標準品濃度值建立成檢 量線。其中，氣相層析儀的操作條件如Table 7所示。

而氣相與液相 DMSO 檢量線的建立方法描述如下：

3.2.1 DMSO 檢量線之建立檢量線之建立檢量線之建立檢量線之建立

（

（

（（1）））使用）使用使用使用 GC：：：氣相：氣相氣相 DMSO 檢量線之建立氣相 檢量線之建立檢量線之建立檢量線之建立

取定量體積之 DMSO 液體注入 10 L 之鐵氟龍採氣袋中，將鐵氟龍採氣袋置 入 70 ℃烘箱中加熱 1 分鐘，使 DMSO 液體完全揮發成氣體。再利用氣密針筒抽 取採氣袋內之 0.5 mL 氣體樣品，注入 GC/FID 中進行分析，讀取特定時間出現 之 DMSO 波峰面積值。改變 DMSO 液體體積，重複上述步驟。將測得之波峰面 積值與已知分析之 DMSO 氣體濃度作圖，經線性回歸後即得到 DMSO 氣體檢量 線。

（

（

（（2）））使用）使用使用使用 GC：：：液相：液相液相 DMSO 檢量線之建立液相 檢量線之建立檢量線之建立檢量線之建立

將已知濃度之 DMSO 水溶液注入 250 mL 之棕色氣密瓶中，並置入 30℃之 恆溫震盪培養箱中，以轉速 150 rpm 下，震盪 30 分鐘，使氣密瓶中 DMSO 完全 均勻混合。將樣品與 0.5%正丙醇(1-Propanol：作為內標準物)以 1：1(v/v)混合，

置入 2 mL 離心管中，以 10000 rpm 轉速離心 10 分鐘。再利用液針抽取離心管 中 0.5 µl 的上澄液，注入 GC/FID 中進行分析，讀取特定時間出現之波峰面積值。

改變 DMSO 樣品濃度，重複上述步驟。將測得之 DMSO 波峰面積值與已知之 DMSO 濃度作圖，經線性回歸後即為 DMSO 在液相中之濃度檢量線。

（

（

（（3）））使用）使用使用使用 HPLC：：：液相：液相液相 DMSO 檢量線之建立液相 檢量線之建立檢量線之建立檢量線之建立

參考 Murakami (2002)的分析方法以進行 DMSO 的檢測，將懸浮液以 0.22 µm 的薄膜進行過濾，接著以高效能液相層析儀(HPLC, Acme 9000, YOUNG LIN

INSTRUMENT, Korea)進行檢測。層析用的管柱為 Hypersil ODS(5µL, 250×4.6mm, England)，UV detector 則將波長設定成 DMSO 之最佳檢測波長 225nm。HPLC 之操作條件如 Table 8。

3.2.2 DMSO2檢量線之建立檢量線之建立檢量線之建立檢量線之建立

和 DMSO 相同，將懸浮液以 0.22 µm 的薄膜進行過濾，接著以高效能液相 層析儀(HPLC, Acme 9000, YOUNG LIN INSTRUMENT, Korea)進行檢測。層析 用的管柱為 Hypersil ODS(5µL, 250×4.6mm, YOUNGLIN INSTRUMENT)，UV detector 波長設定在 225nm。移動相為 0.025%/L 硫酸(sulfuric acid)，需用折射率 檢測器(RI750F)偵測。

3.3 樣品取樣分析方法

樣品取樣分析方法 樣品取樣分析方法 樣品取樣分析方法

利用 HPLC 分析液相樣品中 DMSO 含量，將樣品置入 2 mL 離心管中，再 以 10000 rpm 轉速離心 10 分鐘。抽取離心管中上澄液，將懸浮液以 0.22 µm 的 薄膜進行過濾，再以 HPLC 進行分析，把所得 DMSO 波峰面積值代入液相 DMSO 檢量線中，經由換算以獲得液相 DMSO 濃度值。

3.4 硫酸根離子

硫酸根離子 硫酸根離子 硫酸根離子(sulfate ion)之分析方法 之分析方法 之分析方法 之分析方法

將 50 mL 的液體樣品分裝至兩個 25 mL 的玻璃試管，其中一組加入硫酸根 試劑(Sulfate Reagent cat. 12065-99, HACH)的白色粉末，搖晃瓶身使其內部混合 均勻，即靜置等待 5 分鐘反應時間，產生白色混濁，再利用分光光度計(UV-VIS spectrophotometer)DR/4000U(HACH, Colorado, USA)分析。將未加粉末的組別做

為背景值歸零，再將另一組放入光度計中讀取硫酸根濃度，檢測範圍為 0~70 mg/L，若超過範圍則將樣品稀釋再測。

3.5 PVA 固定化菌體顆粒製備方法

固定化菌體顆粒製備方法 固定化菌體顆粒製備方法 固定化菌體顆粒製備方法

利用本實驗室自行開發的 PVA 磷酸酯化法將接續馴養已有降解 DMSO 能 力之活性污泥予以包埋。首先，將 9.5%的 PVA 加熱溶於水中，待其冷卻至室 溫後，以等比例之濃縮活性污泥均勻混合後放入硼酸-磷酸溶液中製備成固定化 菌體顆粒。

3.6 菌量測定方法

菌量測定方法 菌量測定方法 菌量測定方法

3.6.1 懸浮菌體濃度之測量懸浮菌體濃度之測量懸浮菌體濃度之測量懸浮菌體濃度之測量

（

（

（（1）））光學密度測量法）光學密度測量法光學密度測量法光學密度測量法

使用分光光度計，在波長為 600 nm 下測量待測樣品菌液(5 mL)之吸光度 (O.D.600)，並以培養液的上澄液校正之。樣品之光學密度讀值需達 0.5 以下，方 可記錄測量值，若超過則用蒸餾水稀釋至容許範圍內。

（

（

（（2）））菌體乾重測定）菌體乾重測定菌體乾重測定菌體乾重測定

使用 MLSS 量測法。

首先，將 0.22 µm 濾紙以蒸餾水清洗，以擴大其孔徑使過濾時菌液可順利通 過。再置於烘箱中在 103~105℃下乾燥約 1 小時。接著，將濾紙置於乾燥箱中，

冷卻至室溫 24 小時後。以電子天秤秤濾紙重(濾紙淨重)並紀錄下來。然後重複 前面步驟，若前後兩次所得到的濾紙重相差在 0.5 mg 以內始能進行後續動作，

否則必須一再重複先前的步驟。

取 2 mL 活性污泥以抽氣裝置過濾，並以蒸餾水沖洗 3 次，每次 10 mL。接 著將濾紙置於烘箱中烘乾，之後將濾紙置於乾燥箱中冷卻至室溫 24 小時後。以 電子天秤秤濾紙重(濾紙重+污泥之乾重)並紀錄下來。

A：(濾紙+污泥)乾燥後重(mg)。

B：濾紙乾後(mg)。

V：所取污泥體積(mL)。(本實驗為 2 mL) 3.6.2 固定化顆粒內菌體濃度之測量固定化顆粒內菌體濃度之測量固定化顆粒內菌體濃度之測量固定化顆粒內菌體濃度之測量

顆粒內菌體濃度的測定為利用蛋白質測定法，藉由蛋白質與菌體濃度的檢量 線得知菌體濃度大小值。而蛋白質與菌體濃度的檢量線建立，卻得先經由懸浮 菌體實驗，蛋白質與菌體乾重濃度各自與光學密度間的檢量線相互比較而得。

（

（

（（1）））光學密度測量法）光學密度測量法光學密度測量法光學密度測量法

使用分光光度計，在波長為 600 nm 下測量待測樣品菌液(5mL)之吸光度 (O.D.600)，並以培養液的上澄液校正之。樣品之光學密度讀值需達 0.5 以下，方 可記錄測量值，若超過則用蒸餾水稀釋至容許範圍內。

（

（

（（2）））蛋白質分析方法）蛋白質分析方法蛋白質分析方法蛋白質分析方法

蛋白質的測定採 BCA 測定法(BCA Protein Assay)，可測定的蛋白質濃度範 圍為 20~2,000 µg/mL 或 mg/L。其藥品與方法如下所述：

藥品 藥品 藥品 藥品：：：：

BCA 分析試劑包括 A、B 兩試劑，以及作為檢量線之用的蛋白質標準試劑 (Albumin standard；蛋白質濃度為 2,000 µg/mL)。A、B 兩試劑的使用，須先將 A 試劑與 B 試劑以 50：1(v/v)的方式均勻混合作為工作溶液(working solution)，兩 者剛混合時會有短暫的混濁情形，隨後會變成澄清的綠色反應試劑，在室溫下 以密封容器存放，可保存約一星期。

分析方法 分析方法 分析方法 分析方法：：：：

以蛋白質標準試劑製作檢量線，或對於懸浮菌株的蛋白質測定，皆不需進 行以 SDS 萃取蛋白質的前處理，而直接取 0.1 mL 的蛋白質標準試劑或樣品，

加入 2 mL 的 working solution，置於 60℃水浴槽中反應 30 分鐘後靜置至室溫，

再以分光光度計於波長 562 nm 下量測其吸光度(O.D.562)。蛋白質濃度對吸光度 之檢量線製作，是以去離子水將蛋白質標準試劑稀釋至適當倍數後測其吸光度 (O.D.562)，以蛋白質濃度(X 軸)對吸光度(Y 軸)作圖，再線性迴歸而得之。

（

（

（（3）））顆粒內蛋白質測定方法）顆粒內蛋白質測定方法顆粒內蛋白質測定方法顆粒內蛋白質測定方法

取濕重約 1 g 的固定化菌體顆粒，以少量蒸餾水沖掉顆粒表面之殘餘培養基 後，以衛生紙將表面水吸乾，置於玻璃平臺上。以手術刀將顆粒切碎，將顆粒 碎片置入玻璃試管中，再以 20 mL，1%的 SDS(十二烷基硫酸鈉，sodium dodecyl sulfate, SDS)沖洗刀片及玻璃平臺，並將洗液一併倒入玻璃試管中，記錄此時樣 品溶液體積為 A (20 mL)。

繼續將體積A以超音波震盪約1.5小時，以將顆粒碎片中菌體的蛋白質完全 萃取出來。然後將樣品液在4℃下以7000 rpm離心後，取上澄液0.25 mL，再以BCA

法加入5 mL的AB試劑，在60℃的水浴槽靜置30分鐘後，取出試管冷卻至室溫，

測其在562 nm之吸光度值(O.D.562)。利用先前實驗所得的蛋白質濃度與吸光度之 檢量線，由吸光度換算對應的蛋白質濃度(B mg-protein/mL)。將B值乘上A值即 可得1 g菌體顆粒的蛋白質含量。

（

（

（（4）））顆粒內菌體濃度之測定方法）顆粒內菌體濃度之測定方法顆粒內菌體濃度之測定方法顆粒內菌體濃度之測定方法

取適量的懸浮菌體測其蛋白質含量，製作蛋白質濃度與菌體濃度的檢量 線，並檢討此檢量線的合理性及精確性，作為菌體量估計的參考。再將由所測 得顆粒中之蛋白質含量，對照蛋白質與菌體濃度之檢量線即可估算顆粒內菌體 的含量大小。

3.7 不同菌種降解

不同菌種降解 不同菌種降解 不同菌種降解 DMSO 之比較 之比較 之比較 之比較

將國內化工產業工廠中的廢水處理單元所取之汙泥，在經過馴養後，與同 一來源但未經馴養之活性汙泥分別以有或沒有添加蔗糖作為額外碳的來源，分 為4個組別做降解DMSO之比較。

兩種不同的懸浮活性汙泥分別以6000 rpm在4℃下離心5分鐘後收集沉澱 物，再以不含DMSO且經過滅菌的模擬廢水250 mL將沉澱物重新懸浮，並重複 此步驟2次將污泥中殘留的DMSO以及其它物質洗淨後作為接種的污泥來源。

在 4 組 500 mL 三角錐形瓶之中分別裝填 300 mL 的模擬廢水(含有 200 g DMSO/L)，並分別接種 30 mL 的懸浮活性污泥。各組配製如 Table 9。

之後所有實驗使用之菌種和 A 菌來源相同。

3.8 不同環境因子對固定化活性污泥降解

不同環境因子對固定化活性污泥降解 不同環境因子對固定化活性污泥降解 不同環境因子對固定化活性污泥降解 DMSO 之影響探討 之影響探討 之影響探討 之影響探討

為了解固定化活性污泥分解DMSO之最適生長條件及最佳分解活性條件，針 對各種不同環境因子進行探討。

3.8.1 不同起始不同起始不同起始不同起始 pH 對分解能力之影響對分解能力之影響對分解能力之影響對分解能力之影響

為比較不同起始pH對活性污泥分解DMSO能力的影響。取經過馴養的固定 化活性污泥，以不含DMSO且經過滅菌的模擬廢水沖洗固定化活性汙泥顆粒，將 殘留在固定化顆粒表面的DMSO以及其它物質洗淨，並重複此步驟2次以作為實 驗的接種來源。使用微生物實驗適用之緩衝溶液將pH調整至指定濃度，在5組500 mL三角錐形瓶之中分別裝填300 mL (100 mg DMSO/L)的模擬廢水，並使用特定 緩衝溶液將pH分別設定為3.0、5.0、7.0、8.5、10。特定緩衝溶液成分及配製方 法皆不同，配製方式如Table 10所示[Dawson et al., 1968]。

將配製好之緩衝溶液經過滅菌後分別接種30 g的固定化活性污泥顆粒並填 充相同初始濃度的DMSO，在30℃下於培養箱中以120 rpm往覆震盪培養。逐時 分別採取樣品以量測DMSO濃度的變化並比較各組活性污泥對DMSO的分解能 力。

3.8.2 不同碳源含量對分解能力之影響不同碳源含量對分解能力之影響不同碳源含量對分解能力之影響不同碳源含量對分解能力之影響

為了解培養基(模擬廢水)組成中除了 DMSO 外的唯一碳源—蔗糖(sucrose) 含量多寡對於活性污泥降解 DMSO 之影響。取經過馴養的固定化活性污泥顆 粒，以不含 DMSO 且經過滅菌的模擬廢水沖洗，將殘留在固定化顆粒表面的 DMSO 以及其它物質洗淨，並重複此步驟 2 次以作為實驗的接種來源。

將蔗糖起始濃度設定為六組，分別是：控制組(不含固定化菌體顆粒，蔗糖 濃度與原模擬廢水設定為 50mg/L 相同)，其餘皆含有固定化菌體顆粒(蔗糖濃度 各為 0、50、100、200、300 mg/L，以及高濃度 0、50、500、1000、1500 mg/L)，

如 Table 11。

將配製好之模擬廢水培養基經過滅菌後分別接種 30 g 的固定化活性污泥顆 粒並填充相同初始濃度的 DMSO(100 mg DMSO / L)，在 pH7、30℃下於培養箱 中以 120 rpm 往覆震盪培養。逐時分別採取樣品以量測 DMSO 濃度的變化並比 較活性污泥對 DMSO 的分解能力。

3.8.3 不同接菌量對分解能力之影響不同接菌量對分解能力之影響不同接菌量對分解能力之影響不同接菌量對分解能力之影響

為比較不同接種菌量對活性污泥分解 DMSO 能力的影響。

取 150g 經過馴養的固定化活性污泥顆粒，以不含 DMSO 且經過滅菌的模擬 廢水沖洗，將殘留在固定化顆粒表面的 DMSO 及其它物質洗淨，並重複此步驟 2 次以作為菌量實驗的接種。在 5 組 500 mL 三角錐形瓶之中分別裝填 300 mL (100 mg DMSO/L)的模擬廢水，並調整 pH 至 7，接種的固定化顆粒菌量分為五 組：控制組(無菌)、15g、30g、45g、60g。之後在 pH7、30℃下於培養箱中以 120 rpm 往覆震盪培養。逐時分別採取樣品以量測 DMSO 濃度的變化並比較活性污 泥對 DMSO 的分解情形。

3.8.4 不同不同不同不同 DMSO 起始濃度之影響起始濃度之影響起始濃度之影響起始濃度之影響

為比較不同 DMSO 起始濃度對固定化活性污泥分解 DMSO 能力的影響。取 150g 經過馴養的固定化活性污泥顆粒，以不含 DMSO 且經過滅菌的模擬廢水沖

洗，將殘留在固定化顆粒表面的 DMSO 及其它物質洗淨，並重複此步驟 2 次以 作為不同 DMSO 起始濃度實驗的接種污泥來源。在 5 組 500 mL 三角錐形瓶之 中分別裝填已滅菌過的 300 mL 模擬廢水，並將 pH 調整至 7，DMSO 濃度分別 為 100、200、400、600 及 1000 mg DMSO / L，再接種 30 g 的固定化活性污泥 顆粒。之後以 30℃，120 rpm 於培養箱往覆震盪培養。固定時間間隔分別採取 樣品以量測 DMSO 濃度的變化並比較活性污泥對不同 DMSO 起始濃度的分解能 力。

3.9 反應器及其週邊設備

反應器及其週邊設備 反應器及其週邊設備 反應器及其週邊設備

本研究之設備如 Fig. 6 所示。氣舉式反應器裝置為一塔高約 47cm，工作體 積(working volume)為 3.2 L 之壓克力製反應器，內徑 11 cm；拖曳管高 33.5 cm，

內徑為 5 cm，縱橫比大約為 1：6.6。而空氣由槽體下方進入，利用電磁隔膜式 空氣泵(Hiblow, Sun Mines, Taipei City, Taiwan)經由流量計控制流量，打入反應器 中。氣流速率為 10L/min。

3.10 DMSO 曝氣逸散背景實驗

曝氣逸散背景實驗 曝氣逸散背景實驗 曝氣逸散背景實驗

為了測試 DMSO 是否因培養基沈積或反應器管壁吸附造成濃度下降或是因 為曝氣而造成 DMSO 逸散至空氣中。因此，將經過滅菌的模擬廢水(750 mg DMSO/L )置入反應器中。在室溫下由電磁隔膜式空氣泵(Hiblow, Sun Mines, Taipei City, Taiwan)經由流量計控制流量，以氣流速率為 10 L/min 打入反應器中 進行曝氣。接著逐時分別採取樣品量測 DMSO 濃度。

3.11 重覆

重覆 重覆 重覆批次操作穩定性 批次操作穩定性 批次操作穩定性 批次操作穩定性

3.11.1 活性污泥降解活性污泥降解活性污泥降解活性污泥降解 DMSO 搖瓶搖瓶搖瓶搖瓶重覆重覆重覆重覆批次試驗批次試驗批次試驗批次試驗

將固定化顆粒沖洗乾淨，並重複此步驟 2 次將顆粒表面殘留的 DMSO 以及其它 物質洗淨後作為接種的污泥來源。

在 5 組 500 mL 三角錐形瓶之中分別裝填 300 mL 的模擬廢水(含有 500 g DMSO/L)經過滅菌後分別接種 30 g 的固定化活性污泥顆粒，並在固定時間量測 DMSO 濃度。當三角錐形瓶中 DMSO 被降解完後，將各三角錐瓶中的菌體顆粒 收集後以不含 DMSO 且經過滅菌的模擬廢水沖洗顆粒，並重複此步驟 2 次將顆 粒表面殘留的 DMSO 及其它物質洗淨。隨後重新填充已滅菌且不含 DMSO 的模 擬廢水並將瓶中 DMSO 濃度調整至 500 mg / L 以進行重覆批次試驗。逐時取樣 分析液相 DMSO 濃度，以了解對 DMSO 去除效率的影響。試驗中並觀察固定化 活性污泥是否可長期操作利用，以利往後進行連續反應的可行性參考。

3.11.2 活性污泥降解活性污泥降解活性污泥降解活性污泥降解 DMSO 反應器反應器反應器反應器重覆重覆重覆重覆批次試驗批次試驗批次試驗批次試驗

（

（

（（1）））懸浮）懸浮懸浮懸浮活性污泥反應器活性污泥反應器活性污泥反應器活性污泥反應器重覆重覆重覆重覆批次試驗批次試驗批次試驗批次試驗

取250 mL經過馴養的活性污泥以6000 rpm在4℃下離心5分鐘後收集沉澱 物，再以不含DMSO且經過滅菌的模擬廢水250 mL將沉澱物重新懸浮，並重複 此步驟2次將污泥中殘留的DMSO以及其它物質洗淨後作為接種的污泥來源。

填充到氣舉式反應器的模擬廢水之 DMSO 濃度由 100 mg/L 開始，再逐步增 加到 200、400、800 mg/L 並定時取樣分析液相 DMSO 濃度，瞭解 DMSO 去除

效率，以得到懸浮活性污泥對 DMSO 的耐受性及降解能力。試驗中並觀察活性 污泥是否可長期操作利用，以利往後進行連續反應的可行性參考。

（

（

（（2）））固定化）固定化固定化固定化活性污泥反應器活性污泥反應器活性污泥反應器活性污泥反應器重覆重覆重覆重覆批次試驗批次試驗批次試驗批次試驗

取 250g 經過馴養的固定化活性污泥以不含 DMSO 且經過滅菌的模擬廢水 將固定化顆粒沖洗乾淨，並重複此步驟 2 次將顆粒表面殘留的 DMSO 以及其它 物質洗淨後作為接種的污泥來源。

加到 200、400、800、1200 mg/L 並定時取樣分析液相 DMSO 濃度，瞭解 DMSO 去除效率，以得到固定化活性污泥對 DMSO 的最大耐受性及降解能力。試驗中 並觀察固定化活性污泥是否可長期操作利用，以利往後進行連續反應的可行性 參考。

四 四 四

四、 、 、結果與討論 、 結果與討論 結果與討論 結果與討論

4.1 不同菌種降解

不同菌種降解 不同菌種降解 不同菌種降解 DMSO 之比較 之比較 之比較 之比較

以不同菌種分為 4 組個別降解 300 mL 的搖瓶實驗結果如 Fig. 7 所示。

由 Fig. 7 可明顯看出，初始 DMSO 濃度同為 200 mg/L DMSO 的降解速率，

馴養過之 A 菌種降解速率遠快於 B 菌種，且是否添加蔗糖對其之影響並不明顯。

反觀同一汙泥來源卻未經馴養之 B 菌種，除降解速率緩慢許多，蔗糖之添加影 響也甚鉅。探討其原因可能為，蔗糖相較於 DMSO 屬於較易分解使用的碳來源，

故活性汙泥會先分解使用蔗糖才開始降解 DMSO，使 DMSO 降解初期有一段啟 動期。而此時已可約略看出經過長期馴養之 A 菌種降解 DMSO 速率對於碳源添 加與否影響不大。

之後所有實驗皆使用和 A 菌種相同之汙泥來源。

4.2 不同環境因子對固定化活性污泥降解

不同環境因子對固定化活性污泥降解 不同環境因子對固定化活性污泥降解 不同環境因子對固定化活性污泥降解 DMSO 之影響探討 之影響探討 之影響探討 之影響探討

為了解固定化活性污泥分解DMSO之最適生長條件及最佳分解活性條件，針 對各種不同環境因子進行探討之結果如下。

4.2.1 不同起始不同起始不同起始不同起始 pH 對分解能力之影響對分解能力之影響對分解能力之影響對分解能力之影響

根據 Eckenfelder 的研究指出，一般微生物最適合生存的 pH 值範圍大多在 6.0~8.0 之間，大多數的微生物無法生存在 pH 值低於 4.0 或高於 10.0 時之環境 中，當環境 pH 值小於 4.0 時，過多的氫離子(H⁺)會導致微生物體內酵素蛋白質 的變性，而僅有少數的硫酸鹽氧化菌類可存活。而當 pH 值大於 10.0 時，效果

與一般消毒劑相同，對微生物之存活亦具有毒性。故一般而言，對微生物存活 之最佳 pH 值範圍應介於 6.5~8.0 之間，而稍微偏鹼性的 pH 值對微生物的生長 較佳[Eckenfelder, 1967]。

對固定化活性汙泥進行不同起始 pH 值的實驗結果如 Fig. 8、9 所示。Fig.8 可看出經過 72 小時的降解，pH 5~pH 8.5 間活性污泥的去除效率分別可達到 92.8%、100%以及 71.7%。而 Fig. 9 中 pH 7.0 的組別更在 48 小時即完成降解 DMSO，除 pH 3.0、pH 10 兩組其餘皆在 56 小時降解完成。且發現在初始 pH 5.0 至 8.5 之間的環境下培養，DMSO 的降解速率最為迅速，反應進行約 56 小時內 DMSO 即可達到 90%以上的去除率。

由於緩衝溶液的不同，pH 3.0、5.0、7.0 和 pH8.5、10.0 在水中溶氧量(DO) 差別極大。pH 3.0、5.0、7.0 等組別因緩衝溶液含有大量的檸檬酸(citric acid，分 子式 C6H8O7，又稱枸櫞酸)，除在實驗經 24 小時後即有白色混濁產生，長出懸 浮菌體，溶液中檸檬酸含量越多也越顯混濁，導致 DO 迅速下降，甚至到 0 mg/L。

反之含硼酸(boric acid，分子式 H3BO3)的組別 pH 8.5、pH 10，一直到降解實驗 後期才有些微混濁產生，而因硼酸的存在也使活性汙泥顆粒摸起來變得更為有 彈性。

4.2.2 不同碳源含量對分解能力之影響不同碳源含量對分解能力之影響不同碳源含量對分解能力之影響不同碳源含量對分解能力之影響

根據 Yang, et al.的研究指出，在相同環境條件下比較有添加或是沒有添加 50 mg/L 蔗糖的 DMSO 降解。添加蔗糖的部分，DMSO 的 TOC 由 80~84%上升 至 92~95%。額外添加的蔗糖可作為附加碳源程序而提升微生物對毒性有機物

(DMSO)分解能力，並與所謂的共代謝程序相當類似[Rittmann and McCarty, 2001]。依據其研究成果顯示，在此處理程序中，某些化合物沒有被微生物利用 作為能源來生物分解這些化合物。然而，必要的酵素可以在簡單的可生物分解 化合物中產生，如蔗糖，可以用來使某些具有毒性且不容易被自然生物分解的 化合物(如 DMSO)被完整的生物分解。其研究成果顯示，若無另外添加蔗糖作為 碳源，則 DMSO 無法完全的被生物分解去除(80~84%)，在添加後，去除效率增 加至 92~95%。由此可知，額外添加蔗糖(sucrose)可以提供生物降解 DMSO 時進 行共代謝所需之碳源[Yang, et al., 2003]。

對固定化活性汙泥進行不同起始碳源(蔗糖)含量的實驗，較低濃度的結果如 Fig. 10、11、12 所示；Fig. 10 可以看出經過 45 小時的降解，蔗糖(sucrose)濃度 在 0~200 mg/L 間活性污泥的去除效率分別為 73%、100%、76%及 79%，蔗糖濃 度為 300 mg/L 則降解較慢僅有 44%。且發現在蔗糖濃度偏高(空心，細線)如 100 mg/L、200 mg/L 及 300mg/L 的初始降解速度均比 0 mg/L 及 50 mg/L 快，但之後 降解速度即漸趨平緩。反之，活性汙泥在蔗糖初始濃度 0~50 mg/L 之間的環境 下培養，DMSO 的去除雖然一開始較為緩慢，但經約 30 小時啟動期後即開始迅 速降解 DMSO，降解速率遠快於蔗糖濃度偏高的組別，反應進行在 50 小時內 DMSO 即可達到 90%以上的去除率。

經過不斷地重複批次降解 DMSO 後，固定化活性汙泥顆粒降解 DMSO 的速 率大幅提升。Fig. 12 為經過三個月馴養之後，所有組別的固定化活性汙泥顆粒 將 100 mg/L 的 DMSO 降解完成皆僅需 12 小時。觀察重覆批次實驗結果可發現，

固定化活性汙泥顆粒經過反覆的降解 DMSO 之後，除了降解完成所需時間隨著 批次增加而縮短，蔗糖濃度多寡對於活性汙泥顆粒降解 DMSO 之影響也越薄 弱，由 Fig. 12、13 可看出在蔗糖濃度為 0~500 mg/L 之間降解速率時間幾乎相同，

僅 12 小時即可將 DMSO 降解完畢。

另外，較高濃度蔗糖的實驗結果如 Fig. 13 所示，固定化活性污泥顆粒經過 持續的馴養後，蔗糖濃度為 0、50、500 mg/L 的組別皆可在 12 小時內將 100 mg/L DMSO 降解完畢，蔗糖濃度 1000 及 1500 mg/L 的組別也能在 28 及 32 小時降解 完成，所有組別的去除率均可達到 100%，且隨著蔗糖濃度越高，降解時間也較 久。由此可知，蔗糖濃度在超過 1000 mg/L 後對於活性污泥降解 DMSO 是有影 響的。

4.2.3 不同接菌量對分解能力之影響不同接菌量對分解能力之影響不同接菌量對分解能力之影響不同接菌量對分解能力之影響

一般而言，活性污泥降解 DMSO 之速率變快有兩種原因：菌體降解活性增 加或菌量增多。不同接菌量降解 DMSO 之重覆批次結果如 Fig. 14、15、16。

由圖可看出降解速率並未如預想之菌量越多降解速率越快。每批次DMSO 降解完成後皆將固定化顆粒集中，並以滅菌過之模擬廢水洗淨顆粒表面，再重 新分裝各30 g到5個三角錐瓶進行下一批次試驗，故各三角錐瓶中菌體顆粒的狀 態及活性應是平均且一致的，因此降解速率的最大影響因素以菌量多寡為主。

由實驗結果可知降解速率約為30 g、45 g快於15 g、60 g，若僅比較15 g、30 g及 45 g三組之降解速率，則能有菌量越多降解速率也越快現象之呈現。探討接菌量 為60 g時降解速率不高之原因，可能因三角錐瓶中置入300 mL模擬廢水及60g菌

體顆粒，僅以120 rpm震盪培養，因空間狹小造成混合不均勻且阻礙質傳，造成 降解速率變慢的主因。反之，若具備足夠的空間及良好的環境條件，則降解速 率將隨著接菌量越多而提高。

4.3 氣舉式反應器

氣舉式反應器 氣舉式反應器 氣舉式反應器重覆 重覆 重覆 重覆批次實驗 批次實驗 批次實驗 批次實驗

4.3.1 搖瓶中搖瓶中搖瓶中搖瓶中活性汙泥在活性汙泥在活性汙泥在活性汙泥在 DMSO 的生長的生長的生長的生長

當懸浮活性汙泥培養於包含 200 mg/L DMSO 模擬廢水的三角錐形瓶時，

DMSO 在 17 小時內被降解，且 DMSO 轉換為硫酸鹽離子並直接地累積在模擬 廢水中，實驗結果如 Fig. 17。

4.3.2 DMSO 曝氣逸散背景實驗曝氣逸散背景實驗曝氣逸散背景實驗曝氣逸散背景實驗

為了測試 DMSO 是否因培養基沈積或反應器管壁吸附造成濃度下降或是因 為曝氣而造成 DMSO 逸散至空氣中。將含有 700 mg/L DMSO 的模擬廢水置入反 應器中進行空白試驗，並逐時採樣檢測 DMSO 濃度。注入反應器的氣流速率為 10 L/min。實驗結果如 Fig. 18。

由試驗結果發現在 30℃的培養條件並以 10 L/min 的氣流速率進行曝氣的環 境中，在前 24 小時起始濃度 700 mg/L 的 DMSO 模擬廢水因培養基吸附以及因 曝氣而逸散的 DMSO 濃度少於 10 mg/L，從 40 小時開始則因曝氣造成水氣蒸發 而使濃度開始上升。因此在常溫 25℃，氣流量 10 L/min 的培養條件下 DMSO 逸 散至空氣中的濃度變化幾乎可以忽略。

4.3.3 活性污泥降解活性污泥降解活性污泥降解活性污泥降解 DMSO 反應器反應器反應器重覆反應器重覆重覆重覆批次試驗批次試驗批次試驗批次試驗

為 了 了 解 活 性 污 泥 經 過長 時 間 的 操 作 後 是 否 仍 能 穩 定 性 的 分 解 去 除

DMSO，以作為是否可應用於實廠操作之判斷依據。本試驗於最適培養條件下進 行重覆批次培養試驗，觀察其對菌體活性及DMSO分解速率之影響。

（

（

（（1）））懸浮）懸浮懸浮懸浮活性污泥反應器活性污泥反應器活性污泥反應器活性污泥反應器重覆重覆重覆重覆批次試驗批次試驗批次試驗批次試驗

懸浮活性汙泥在氣舉式反應器重覆批次降解 DMSO 的實驗結果如 Fig. 19。

由Fig. 19可知，懸浮活性汙泥在氣舉式反應器重覆批次降解DMSO實驗中，

懸浮活性污泥最終可在10小時內將負荷量為850 mg/L的DMSO去除近99%

，

（

（

（（2）））固定化）固定化固定化固定化活性污泥反應器活性污泥反應器活性污泥反應器活性污泥反應器重覆重覆重覆重覆批次試驗批次試驗批次試驗批次試驗

固定化活性汙泥在氣舉式反應器重覆批次降解 DMSO 的實驗結果如 Fig.

20。

由 Fig. 20 可知，固定化活性汙泥在氣舉式反應器重覆批次降解 DMSO 實驗 中，固定化活性污泥最終可在 45 小時內將負荷量 1200 mg/L DMSO 降解完成，

處理 800 mg/L DMSO 的負荷量也僅需 21 小時即完成。以倍數提高 DMSO 進料 濃度並未影響固定化活性汙泥的降解活性，在 1200 mg/L 的 DMSO 負荷量下活 性汙泥仍能不受影響穩定的降解 DMSO。由此可看出固定化活性汙泥對於 DMSO 負荷量的增加是具有忍受及處理能力的，系統穩定性也足夠。

五 五 五

五、 、 、結論與建議 、 結論與建議 結論與建議 結論與建議

5.1 結論

結論 結論 結論

本研究主要是探討利用活性污泥在氣舉式反應器進行一連串分解 DMSO 之 批次試驗，並利用固定化技術加強活性污泥對環境的適應性。分別探討環境及 環境操作因子(包括 pH 值、蔗糖濃度大小及接菌量多寡)對活性污泥分解 DMSO 的影響以及連續批次 DMSO 進料對活性污泥負荷的影響；本研究所得知的結 論，茲分述如下：

1. 固定化活性污泥顆粒分解 DMSO 的最佳 pH 值範圍為 5 至 7 之間，在 pH 為 8.5 的起始條件下分解較緩慢，但依然能順利完成降解 DMSO。而在較低之 pH 3 及較高之 pH10 環境中，固定化活性污泥對 DMSO 進行分解雖受到阻 礙，但在 pH3 下降解能力仍優於 pH10。

2. 不同蔗糖濃度之影響試驗結果顯示，於濃度為 0~50 mg/L 之間較為適當，也 較符合經濟效益成本。若濃度太高將使活性污泥偏向以蔗糖為主要碳源，而 降低其分解 DMSO 之能力，且高濃度蔗糖後期的降解速率漸趨平緩原因可能 是因葡萄糖產生造成抑制活性污泥降解 DMSO。

3. 由懸浮污泥反應器重覆批次試驗結果顯示，於初始 DMSO 濃度負荷量範圍為 100 ~850 mg/L 時，活性汙泥可完全降解 DMSO，去除率皆可達到 100 %。

4. 由固定化活性污泥反應器重覆批次試驗結果顯示，系統於初始 DMSO 濃度負 荷量範圍為 100 ~1200 mg/L 時，固定化活性汙泥顆粒可完全降解 DMSO，去

除率皆可達到 100 %，且添加較高濃度的 DMSO 並未影響活性污泥顆粒穩定 降解 DMSO。

5. 對活性污泥顆粒在氣舉式反應器中進行連續批次試驗結果顯示，DMSO 分解 速率會隨著重覆批次次數增加而逐漸增加。此外，在變更 DMSO 進料濃度時 沒有影響分解速率情形發生，顯示活性污泥顆粒具有不錯的 DMSO 濃度變化 忍受能力，系統具穩定性足夠。此對於應用於往後連續或實務操作之可能性 具有相當高的發展潛力。

5.2 建議

建議 建議 建議

1. 欲分解之目標物 DMSO 降解後會生成酸性物質(sulfate)而導致 pH 值下降，影 響懸浮污泥的活性而導致去除效果不佳。因此，於連續處理 DMSO 的情況 下，需適當地維持其 pH 值，使 pH 值不至於降到會影響污泥活性的程度。

2. 透過固定化技術除了降低 pH 對污泥直接性的影響，固定化顆粒也方便收集 控管且易維持內部菌體的穩定性，具有往後應用到實廠操作的價值。

3. 活性污泥顆粒經過長期馴養後具有不錯的 DMSO 分解能力以及 DMSO 濃度 變化忍受能力，系統具有穩定性。此對於應用於往後生物反應器連續操作之 可能性具有相當高的發展潛力。具有發展以生物反應器處理 DMSO 的研究價 值。

六 六 六

六、 、 、參考文獻 、 參考文獻 參考文獻 參考文獻

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