不同溶氧濃度對厭氧氨氧化反應脫氮之影響

不同溶氧濃度對厭氧氨氧化反應脫氮之影響

夏聰惠* 馮宇柔 何俊明

東南科技大學環境工程系

摘 要

本研究以家庭污水處理廠之活性污泥，經合適之條件馴養出本土性厭氧氨 氧化菌，並藉由重複之批次試驗探討不同溶氧濃度下對厭氧氨氧化菌脫氮之影 響。實驗結果顯示，當僅存氨氮之系統中，控制反應條件 (pH = 7 ± 0.2, Temp = 35°C) 及固定 NH4+

-N = 25 mg/L 濃度時，不同初始溶氧濃度對厭氧安氧化

(ANAMMOX) 反應影響差異明顯。較低溶氧濃度 (DO0 = 0.37 mg/L, 1.13 mg/L) 系統中，混菌均能利用微量溶氧先進行部分硝化，直至溶氧耗盡，後續則進行 厭氧氨氧化反應。進行至氨氮耗盡或生成之亞硝酸氮太少不敷反應，所有反應 即 行 終 止 。 較 高 溶 氧 濃 度 (DO0 = 2.01 mg/L, 3.29 mg/L) 系 統 中 ， 對

ANAMMOX菌產生抑制作用，更利於硝化菌之反應，反應過程完全硝化，降

低脫氮之功用。當氨氮與亞硝酸氮共存系統中，固定反應條件 (pH = 7 ± 0.2, Temp = 35°) 及 NH4+

-N = 25 mg/L, NO2-

-N = 25 mg/L濃度時，不同初始溶氧濃 度對 ANAMMOX 反應影響則與前僅氨氮之系統相似。唯氨氮與亞硝酸氮共存 時，較低溶氧 (DO0 = 0.18 mg/L)，愈利於厭氧氨氧化反應，脫氮效果顯著；溶 氧增加 (DO0 = 1.3 mg/L, 2.48 mg/L) 時，硝化作用轉趨活躍，脫氮效果明顯減 少甚至停滯。

關鍵詞：厭氧氨氧化，溶氧，生物脫氮。

EFFECT OF DISSOLVED OXYGEN CONCENTRATIONS ON NITROGEN REMOVAL OF ANAMMOX REACTIONS

Tsung-Hui Hsia* Yu-Jou Feng Chun-Ming Ho

Department of Environmental Engineering Tungnan University

Taipei, Taiwan, 22202, R.O.C.

Key Words: ANAMMOX, dissolved oxygen, biological denitrification.

ABSTRACT

In this study, anaerobic ammonium oxidizing bacteria were acclimated from activated sludge of a domestic wastewater treatment plant, and batch experiments were conducted to investigate the effects of different concen- trations of dissolved oxygen on the nitrogen removal of anaerobic ammonia oxidation (ANAMMOX). The results showed that controlling the reaction conditions (pH = 7

-N = 25 mg/L,

*通訊作者：夏聰惠，e-mail: [email protected]

Corresponding author: Tsung-Hui Hsia, e-mail: [email protected]

the nitrogen removal of ANAMMOX were apparently affected with different concentrations of DO. Low concentrations of DO (DO

= 0.37, 1.13 mg/L), partial nitrification can occur by a mixed culture of bacteria.

When the dissolved oxygen was exhausted, the ANAMMOX reaction was then proceeded with. At higher concentrations of DO (DO

= 2.01, 3.29 mg/L) conditions, complete nitrification occurred as ANAMMOX bacteria were inhibited to remove the nitrogen. If the reaction conditions (pH = 7

± 0.2, Temp = 35°C) and concentrations of NH4+

-N = 25 mg/L and NO

-N

= 25 mg/L were fixed, the effects of DO concentrations on ANAMMOX reaction were similar to previous experiments. Low concentrations of DO (DO

= 0.18 mg/L), ANAMMOX reaction may still be carried out in this reaction periods. In higher concentrations of DO (DO

= 1.3 mg/L, 2.48 mg/L), ANAMMOX reaction in system was evidently retarded. The nitrification reaction dominated when the concentration of DO was raised.

This situation markedly inhibits the ANAMMOX bacteria; the capability of nitrogen removal cannot be achieved.

一、前 言

傳統之廢水生物除氮方式均包括好氧硝化及缺氧脫 硝兩步驟，近幾年來諸多研究中結合部分亞硝酸鹽化 (partial nitritation) 與 厭 氧 氨 氧 化 程 序 (ANAMMOX

process)，將氨氮部分氧化成亞硝酸鹽氮，再將剩餘的氨氮

及亞硝酸鹽氮一併還原為氮氣，並產生少量的硝酸鹽氮。

此一程序為自營性，完全不需添加任何有機碳即可達脫氮 之目的[1-3]。因此，可有效縮短傳統生物硝化及脫硝之流 程，因而節省能源之消耗，降低操作成本及複雜性。亞硝 酸鹽化 (nitritation) 乃是利用氨氧化菌 (ammonia oxidiz- ing bacteria, AOB) 將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮，並藉由控制 系統中適當之 pH 值、溫度、曝氣量及污泥停留時間等條 件抑制亞硝酸鹽氧化菌 (nitrite oxidizing bacteria, NOB) 之活性，使生成之亞硝酸鹽不再氧化成硝酸鹽來達成

[4-8]。而厭氧氨氧化反應則是以氨為電子供給者，亞硝酸

鹽為電子接受者，將氨氮與亞硝酸鹽氮一併轉變為氮氣，

其主要之化學反應計量式如下式 (1) [9]：

4 2 3

2 3 2 0.5 0.15 2

1.31 0.066 0.13

1.02 0.26 0.066 2.03

NH NO HCO H

N NO CH O N H O

+ − − +

−

+ + +

→ + + +

(1) 由上式 (1) 之反應式可知，厭氧氨氧化反應中氨與亞硝酸

鹽理論莫爾數比為 1:1.31，反應並消耗氫離子，使系統之 pH值上升。而主要之反應產物為氮氣，並產生少量之硝酸 鹽。參與反應之微生物為厭氧氨氧化菌 (ANAMMOX

bacteria)，於無氧或缺氧之環境下生長。此菌為自營菌，其

所需之碳源為水中之碳酸根及二氧化碳等無機碳源，不需 外加有機碳源。在操作成本之降低及放流水 COD 減少之 考量下，厭氧氨氧化反應較傳統異營脫氮更具實際應用與 發展之潛力。厭氧氨氧化菌之生長與增殖極為緩慢[10]，

故於操作時因污泥增殖而需廢棄之污泥量極少，因此對於

污泥處置而言亦為一大優點。此一程序於實驗室之研究與 實際應用上已有不少成功案例，Strous 等人[11]為克服此 菌生長緩慢之缺點，得到穩定且充足的厭氧氨氧化菌，以 序列批次式活性污泥法 (SBR) 馴養達到改善之效果。目 前 SBR 已被廣泛使用以獲取足夠的厭氧氨氧化菌來作為 研究用途。van der Star 等人[12]則以附著式生長之生物膜 反應槽馴養厭氧氨氧化菌，在污泥停留時間為 12 天的情況 下可以得到純度高達 97.6%的厭氧氨氧化菌。Dapena-Mora 等人[13]在氮負荷率 (nitrogen loading rate) 分別為 2.0 及 0.75 g/L-day下，以氣升式反應槽 (gas-lift reactor) 及 SBR 進行 ANAMMOX 程序之試驗。實驗結果顯示，nitrite 之去 除率近 99%及 ANAMMOX 污泥最大比活性 (maximum specific ANAMMOX activity, MSAA) 可以達到 0.9 及 0.44 g/g-day。Fux 等人 [14]將部分硝化反應結合 SBR 進行高氨 氮廢水之 ANAMMOX 程序脫氮處理，其結果超過 90%進 流之氮負荷率都被去除，氨氮減少量可達 2.4 kgN/m³-day， 同時反應過程幾可忽略污泥之產生量。但決定 ANAMMOX 整體脫氮之效果高低，部分硝化之效率及氨氮與亞硝酸鹽 氮比例將扮演極為重要之角色。至於厭氧氨氧化之實務應 用，在荷蘭的鹿特丹已有成功的廢水處理實廠，對於高濃 度氨氮之廢水有相當良好的除氮效果[15]。至於厭氧氨氧 化原理之應用與改良於許多廢水生物處理，包括 SHARON (single reactor system for high ammonium removal over nitrite) 程 序 [15, 16] ， OLAND (oxygen-limited autotrophic nitrification-denitrification) 程序[17]，CANON (completely autotrophic nitrogen removal over nitrite in one single reactor) 程序[18, 19]及 SNAD (simultaneous partial nitrification, ANAMMOX and denitrification) 程序[20, 21]等，都有顯著 脫氮效果，只是不同程序應用時廢水條件不同，將有不同 成效及限制因子而已。

對於廢水脫氮而言，厭氧氨氧化程序之功效顯而易 見，因而更具研發價值及應用潛力，目前確已成為國際間

表一 實驗室合成廢水之化學組成

化學試劑 配製濃度

Na2HPO4 0.018 g/L

KH2PO4 0.030 g/L

MgSO4‧7H2O 0.200 g/L

KHCO3 0.770 g/L

(NH4)2SO4 0.118 g/L

NaNO2 0.123 g/L

Trace Elements 1 ml/L

生物脫氮研究之趨勢。惟馴養所需時間甚長為此一技術主 要之瓶頸，因而更顯得該菌種珍貴之處。然而，國內至今 相關之研究甚少，更無類似之廢水處理實廠。本研究嘗試 以家庭污水處理廠之活性污泥馴養完成之本土厭氧氨氧化 菌，在重複之批次試驗下，探討厭氧氨氧化反應於不同初 始溶氧濃度及不同氨氮、亞硝酸氮濃度條件下對厭氧氨氧 化菌脫氮效率之影響，以為後續研發此一程序重要之操作 依據。

二、研究材料、設備與方法

1. 研究材料

本研究所採用之厭氧氨氧化菌，是採集自某污水處理 廠曝氣池之活性污泥，經適當之環境條件，歷時約六個月 時間馴養完成。實驗室之人工基質係以分析級試藥配製，

包括下列藥品：(NH4)₂(SO₄)、NaNO2、KH2PO₄、Na2HPO₄、 MgSO₄⋅ 7H2O、KHCO3等，其化學組成如表一所示。而菌 種之馴養以 Pyrex 血清瓶進行，後續之批次反應則以 Pyrex 三角錐瓶，將開口以橡皮塞 (rubber stopper) 及止洩帶密 封，與外界隔離進行不同條件之試驗。

2. 研究設備

系統液相 pH 值以 pH 酸鹼度計 (Mettler Toledo MP220) 量測，DO 值以溶氧計 (YSI-95) 量測。而水樣之 NH4

+-N、 NO₂^--N 及 NO3

--N 濃度以離子層析儀 (IC system, Dionex 120) 分析，氣體樣本組成則以氣相層析儀 (GC system) 分 析。所有菌種馴養及各條件之反應均置放於恆溫培養箱進 行，以維持馴養及反應期間恆定之溫度。

3. 研究方法

(一) 厭氧氨氧化菌之馴養

在初始之馴養階段，於 2 L 之血清瓶中加入約 1 L 之 人工合成廢水做為基質，並以採自污水處理廠之活性 污泥大約 1 L 進行植種，隨即開始進行批次馴養。

其馴養步驟為：配製氨氮與亞硝酸鹽氮莫爾比約 1:1，

50 mg/L濃度之合成水樣，以標準酸鹼溶液調整 pH 值

至 7 ± 0.2，並添加微量元素溶液 (1 ml/L)，再以氦氣

曝氣至溶氧低於 0.5 mg/L 後密封瓶口。之後將血清瓶 置於攪拌器上，以大約 120 rpm 之轉速置於恆溫箱內 (約 35°C) 進行馴養。初期每週更換基質，並測定 pH 值以監測液相中 pH 值之變化。馴養期間每日以針筒 (syringe) 採集液體樣本，以孔隙 0.22 µm 之濾膜過 濾，分析含氮化合物 (NH4+

-N、NO2-

-N及 NO3-

-N) 及 總無機氮 (Total Inorganic Nitrogen, TIN = NH4

+-N + NO₂^--N + NO₃^--N) 之濃度變化，據以研判是否有

ANAMMOX 反應進行。此外，亦針對錐形瓶內液面

上之瓶頂空間 (head space) 的產氣量及氣體組成進 行檢測。若瓶內氣體組成分析證實有氮氣產生，且含 氮化合物之濃度變化情形與 ANAMMOX 反應之特性 相符，則可確知 ANAMMOX microorganisms 已馴養 完成。

(二) 不同條件之厭氧氨氧化反應批次試驗

厭氧氨氧化菌馴養完成後隨即進行批次試驗，藉由調 整實驗室人工合成廢水之氨氮、亞硝酸氮濃度及控制 反應初始溶氧濃度，以探討不同初始成份下，溶氧對 厭氧氨氧化微生物除氮之影響。本研究所進行之批次 實驗分為三部分：

(1) 固定氨氮濃度，不同初始溶氧濃度之批次實驗 針對液相僅存氨氮，進行不同初始溶氧濃度對厭氧 氨氧化反應除氮影響進行探討，其他各項操作條件 維持不變：初始 pH 值為 7 ± 0.2，初始 NH4+

-N濃 度 25 mg/L，DO = 0.37、1.13、2.01、3.29 mg/L，

合成廢水皆未添加有機碳等。

在反應週期約 10 天之批次試驗中，以 250 mL 之 Pyrex錐形瓶加入 200 mL 之合成廢水及 20 mL 馴 養完成的污泥，置於恆溫箱內 (約 35°C) 進行，

瓶口以橡皮塞及止洩帶密封。每隔一段時間以針 筒直接刺穿橡皮塞抽取錐形瓶內液體樣本，再經 孔隙 0.22 µm 之濾膜過濾後，分析各時段含氮化 合物 (NH4+

-N、NO2-

-N及 NO3-

-N) 及總無機氮之 濃度，以了解各含氮成分濃度之消長。

(2) 固定初始溶氧濃度，不同氨氮濃度之批次實驗 完成第一部分批次實驗後，再控制初始溶氧濃 度固定於約 DO = 0.6 mg/L，以不同氨氮濃度 NH4+

-N = 50、100、200 mg/L 探討對厭氧氨氧化 反應脫氮效率之差異。反應期間抽取樣本，並分 析液相各含氮化物之濃度。

(3) 固定氨氮及亞硝酸氮濃度，不同初始溶氧濃度之批 次實驗

第三部分以氨氮、亞硝酸氮共存系統中，探討不同 初始溶氧濃度對 ANAMMOX 反應脫氮之效應。液 相氨氮、亞硝酸氮濃度均配製為 25 mg/L，DO = 0.18、1.3 及 2.48 mg/L。反應期間之實驗操作步驟 均與先前部分相同，抽取樣本並分析液相各含氮化 物之濃度。

(a) (b)

圖1 厭氧氨氧化微生物馴養初期與後期外觀之差異：(a) 馴養初期 (顏色較深)；(b) 馴養後期 (顏色較淡，

氣泡附著污泥)

三、結果與討論 1. 厭氧氨氧化菌之馴養結果

(一) 污泥外觀及特性

本研究之原始菌種係採集自臺北某污水處理廠曝氣 池之活性污泥，在控制最佳環境條件及適合生長之基 質下進行完全自營性之馴養。經過約六個月的馴養，

期間每週循環更換基質及觀察菌種外觀之變化，才獲 得穩定活性之厭氧氨氧化反應。此菌種於馴養之後期 漸趨穩定，並逐漸聚集形成小污泥團。此污泥並無特 殊氣味且沉降性良好，並有明顯可見之氣泡不斷自污 泥團中竄出。因部分氣泡附著污泥表面，使整體污泥 密度降低而易於向上浮升。因此，液面上附有一層漂 浮之污泥，液面下至瓶底則時見氣泡附著污泥逐漸上 浮，輕搖瓶身即見氣泡脫離，污泥固體隨即下沉。至 於污泥馴養前後期外觀之差異如圖 1 所示，其顏色由 原污泥較深之黑色轉為較淡之淺土黃色。此外，液相 pH值亦有上升之趨勢 (由初始 pH 值 7 ± 0.2 上升至 8

± 0.2)，如圖 2(b) 所示，符合生物脫硝反應 pH 值上 升之特性。

(二) ANAMMOX 反應之確認

圖 2(a) 為馴養階段後期液體樣本過濾分析含氮化合物 (NH4+-N、NO2--N 及 NO3--N) 及總無機氮 (NH4+-N、 NO₂^--N及 NO3--N之濃度總和) 之濃度變化情形。其 中，反應自第 0 天起，NH4+-N及 NO2--N之濃度均呈 遞減之勢，由起始值約 48 mg/L 及 51 mg/L 持續降低，

表示兩物種同為反應物而使濃度減少。而以 NO2--N 之濃度減少較快，產物 NO3--N 之濃度則緩慢增加；

若以總無機氮 TIN 之變化情形而言，則隨反應之進行 呈降低之趨勢，約由起始之 101 mg/L 降至 48 mg/L。

配合反應期間 pH 值之變化 (圖 2(b))，對照每日採集 水樣所測之 pH 值亦自始皆呈上升趨勢。由初始 7 ± 0.2

0 2 4 6 8

0 2 4 6 8 0

20 40 60 80 100

Concentration (mg/L)

NH4+

-N = 50 mg/L, NO2-

-N = 50 mg/L, Temp = 35°C

NH4+-N NO2--N NO3--N

Total Inorganic Nitrogen

Time (days) 6.8

7.2 7.6 8

pH

(a)

(b)

圖2 污泥馴養後期：(a)液相氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮及 總無機氮濃度與 (b) pH之變化

上升至 8 ± 0.2，與厭氧氨氧化反應理論式中消耗鹼度 與 H⁺頗為一致，符合生物脫氮反應 pH 值上升之結 果。若再由實驗中馴養後期各含氮化合物之反應與生 成莫爾數比 (NH4+-N):(NO₂^--N):(NO₃^--N)，其數值約為 1:1.41:0.23，與 ANAMMOX 反應理論值 1:1.31:0.26 極為接近。再以本系統中總無機氮隨時間減少所進行 脫氮反應，不同於僅有 NH4+-N濃度減少，NO2--N濃 度先增後減而 NO3--N 隨時間顯著增加，同時總無機 氮濃度卻無明顯變化之硝化反應。至於瓶內瓶頂空間 (head space) 採集之氣體其組成經氣相層析儀 GC 檢 測結果，N2為產氣樣本中之最主要的成分 (未顯示於 結果中)。由於瓶內基質於菌種馴養初以氦氣曝氣來控 制液相溶氧量，而至馴養後期有大量氮氣產生，此乃 脫氮反應發生之實證。由上述之結果與分析可知，經 過 大 約 六 個 月 的 馴 養 所 得 到 之 污 泥 具 有 典 型

ANAMMOX 反應之特性，故可視為已具有穩定活性

之 ANAMMOX 微生物。亦代表菌種也已馴養完成，

即可進行後一階段各效應之探討。

2. 不同條件之厭氧氨氧化反應批次試驗

由於厭氧氨氧化菌之馴養菌種係取自家庭污水處理 廠之活性污泥，菌種無法完全純化分離，菌相中勢必混有 其他特性較接近之硝化菌族群。因此系統中溶氧濃度高低

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 5 10 15 20 25 30

Concentration (mg/L)

NH4+-N = 25 mg/L DO0 = 0.37 mg/L

NH4+-N NO2--N NO3--N TIN

NH₄⁺-N = 25 mg/L DO₀ = 1.13 mg/L

NH₄⁺-N NO₂^--N NO₃^--N TIN

NH4+-N = 25 mg/L DO0 = 3.29 mg/L

NH4+-N NO2--N NO3--N TIN

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 5 10 15 20 25 30 35

Concentration (mg/L)

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 5 10 15 20 25 30

Concentration (mg/L)

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 5 10 15 20 25 30

Concentration (mg/L)

(a) (b)

(c) (d)

NH₄⁺-N = 25 mg/L DO₀ = 2.01 mg/L

NH₄⁺-N NO₂^--N NO₃^--N TIN

圖3 不同初始溶氧濃度對厭氧氨氧化反應脫氮之影響(NH4+

-N = 25 mg/L, (a) DO0 = 0.37 mg/L, (b) DO0 = 1.13 mg/L, (c) DO0 = 2.01 mg/L, (d) DO0 = 3.29 mg/L)

或液相中存在不同成份之環境對於反應將造成影響，甚至 抑制反應進行或對菌體構成不可逆之毒害。因此，初始溶 氧濃度效應或不同成分之環境實值得進一步深入探討，以 為後續厭氧氨氧化程序之研究與實務應用重用之參考依 據。

(一) 固定氨氮濃度，不同初始溶氧濃度之批次實驗 本批次實驗乃探討僅存氨氮之系統中，不同溶氧濃度 對 ANAMMOX 菌除氮之影響。實驗中固定氨氮濃度 為 25 mg/L 及其他反應條件如溫度 Temp = 35°C， pH

= 7.0 ± 0.2，實驗之初始溶氧 DO0則分別為 0.37 mg/L、1.13 mg/L、2.01 mg/L、3.29 mg/L 等 4 種不同 情況。其各含氮化合物及總無機氮濃度隨反應時間之 變化如圖 3 所示。

在初始溶氧濃度 0.37 mg/L 的情況下，氨氮隨時間持 續減少至耗盡，而亞硝酸鹽氮於反應前期由起始之 零，先微幅增加後持續減少。此現象係因本研究實驗 之菌種係以家庭污水處理廠之活性污泥來進行馴 養，過程中系統無法完全純化分離而必存在多種其他

之混合菌種。由反應初期各含氮物種濃度變化可推 知，因系統前期尚有微量之 DO，致使混合菌種中氨 氧化菌 (AOB) 利用少許之溶氧將氨氮先行部份硝化 (partial nitrification) 成亞硝酸鹽氮，致使反應初期 (約 0-50 hrs) 氨氮濃度依次降低而亞硝酸鹽氮之濃度 由零而緩緩上升。但微量 DO 因部份硝化反應而迅速 耗盡後，厭氧氨氧化菌漸成優勢菌種後開始進行厭氧 氨氧化反應，將液相中氨氮及亞硝酸鹽氮一併去除，

使氨氮、亞硝酸鹽氮同時減少，而總無機氮濃度隨時 間而顯著降低。硝酸鹽氮為厭氧氨氧化反應之生成 物，其生成量約為氨氮反應量之 0.26 倍[9]，其濃度亦 呈緩慢上升，如圖 3(a) 所示。本系統中因氨氮與亞硝 酸氮約於 170 小時後已反應耗盡，厭氧氨氧化反應因 缺反應物而終止，硝酸氮與總無機氮濃度則不再變化 而維持固定。

若系統初始溶氧濃度增至 1.13 mg/L (圖 3(b))，反應初 期之狀況亦與初始溶氧濃度 0.37 mg/L 之系統 (圖 3(a)) 相似。AOB 菌種利用液相中微量溶氧進行部份硝化作

表二 不同初始溶氧DO0，氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮及總無機氮濃度之變化 (註)

氨氮 (mg/L) 亞硝酸氮 (mg/L) 硝酸氮 (mg/L) 總無機氮 (mg/L) 初始溶氧 DO0 (mg/L)

初始 最終 初始 最終 初始 最終 初始 最終 減少量

0.37 27.48 0 0 0 0.75 5.97 28.23 5.97 22.26

1.13 27.17 0 0 0 0.68 15.31 27.85 15.31 12.54

2.01 27.81 0 0 0 0.58 28.18 28.38 28.18 0.20

3.29 26.32 0 0 0 1.17 26.87 27.49 26.87 0.62

註：反應條件：Temp = 35°C，pH = 7.0 ± 0.2，NH4+

-N = 25 mg/L

用，使亞硝酸鹽氮濃度微幅增加，隨後溶氧耗盡即進 行厭氧氨氧化反應。惟因本系統溶氧較前一圖 3(a) 系 統更高，硝酸鹽氮增加之速度明顯更快。因此由結果 推斷，除了 AOB 造成亞硝酸鹽氮增加外，較高之溶氧 更有機會利於亞硝酸鹽氧化菌 (nitrite oxidizing bacteria,

NOB) 將亞硝酸氮氧化成硝酸氮。而本系統約至 180

小時後氨氮及亞硝酸氮已反應耗盡，厭氧氨氧化反應 亦因缺少氨氮及亞硝酸氮反應物而終止，硝酸鹽氮及 總無機氮濃度亦不再變化，後續狀況與圖 3(a) 類似。

而圖 3(a) 與圖 3(b) 之差異在於圖 3(a) 系統總無機氮 減少量約 22 mg/L (28 mg/L 至 6 mg/L) 明顯較圖 3(b) 系統 12 mg/L (28 mg/L 至 16 mg/L) 多。同時生成之硝 酸鹽氮由圖 3(a) 系統之 6 mg/L 增至圖 3(b) 系統之 15 mg/L。因此，溶氧之增加將較不利於總無機氮之去 除，只是更加利於硝化作用之進行，使硝酸鹽氮生成 更多，無法增加脫氮之效率。

初始溶氧濃度繼續上升至 2.01 mg/L，其系統各成份之 濃度消長如圖 3(c) 所示。因初始溶氧濃度更高，氨氮 減少、亞硝酸鹽之生成後再降低與硝酸鹽之生成均較 前圖 3(a)、圖 3(b) 二系統更加快速。氨氮於約於反應 70小時耗盡；而約 100 小時，亞硝酸鹽亦由生成之最 大量 15 mg/L 迅速降至零。同一時間硝酸鹽亦呈現最 高生成量，而後則不再有所變動。反應期間總無機氮 隨時間幾乎沒有改變，氨氮隨時間減少，亞硝酸鹽則 先增後減，而硝酸鹽迅速生成增加，呈現典型之硝化 反應。

若初始溶氧持續上升至更高濃度 3.29 mg/L，其反應之 結果如圖 3(d) 所示。此更高初始溶氧濃度系統，其各 含氮化合物及總無機氮之濃度變化趨勢與前圖 3(c) 系 統相近。於反應 70 小時時，氨氮反應殆盡；亞硝酸氮 則先由 AOB 生成增加再由 NOB 反應減少。硝酸鹽氮 則在更充足之溶氧環境下，NOB 完全優勢存在，迅速 將亞硝酸鹽硝化成硝酸鹽 (約 70 小時)。因此，反應期 間總無機氮濃度沒有變化，亦即全無脫氮作用。

由以上四組實驗之結果與 Jung 等人[22]與 Strous 等人 [23]極為接近。圖中明顯看出，隨初始溶氧微幅漸增，

厭氧氨氧化反應亦漸受抑制，硝化反應則漸趨明顯，

促使反應期間生成亞硝酸氮，濃度均先增而後減。另

外，最終硝酸氮大量增加致使總無機氮之減少量亦隨 之減少，如表二所示。因此，系統因初始溶氧之不同，

致使兩種反應 (硝化反應與厭氧氨氧化反應) 發生與 三種以上菌種 (AOB、NOB 及 ANAMMOX 等) 作 用，此即為系統中混合菌種共存之證明。

因此，較高之溶氧濃度，對厭氧氨氧化菌系統確將構 成抑制作用，不利於脫氮之進行。同時因混合菌種共 存之因素，較高之溶氧是利於硝化菌 AOB 及 NOB 存 活之環境，勢將更加速硝化反應之進行，只是無機氮 型式由氨氮轉換為硝酸氮，無法達到脫氮之效果。

(二) 固定初始溶氧濃度，不同氨氮濃度之批次實驗 由以上不同初始溶氧濃度之實驗結果得知，在僅氨 氮存在之系統環境中，愈低之溶氧愈利於厭氧氨氧 化反應脫氮之進行。本研究亦針對厭氧氨氧化反應 中於低溶氧條件下，不同氨氮濃度對厭氧氨氧化微 生物脫氮之影響進行探討。本組實驗首先固定初始 溶氧濃度約為 0.6 mg/L 及其他反應條件，氨氮則分 別為 50 mg/L、100 mg/L 及 200 mg/L 等不同濃度，

其各含氮化合物及總無機氮濃度隨時間之變化則如 圖 4 所示。

於圖 4(a) 中所示，氨氮隨時間持續減少至耗盡，而亞 硝酸鹽氮則先微幅增加後至 50 小時後持續減少；硝 酸鹽氮則自始至終均呈增加趨勢，於約 70 小時後濃 度變化極為微小。至於總無機氮部份，於亞硝酸鹽氮 開始減少之時 (約 50 小時) 亦開始減少，同時於亞硝 酸氮耗盡之時 (約 100 小時) 濃度則不再變化。此與 前節系統之情形類似，混合菌種中氨氧化菌 AOB 利 用反應初期少許之溶氧進行部份硝化，致使氨氮濃度 減少，而亞硝酸鹽氮則先微幅增加。而系統微量 DO 耗盡後，環境不利於氨氧化菌使厭氧氨氧化菌成優勢 種而開始進行厭氧氨氧化反應，致使氨氮、亞硝酸鹽 氮及總無機氮濃度自此 (約 50 小時) 隨時間而降低。

由於系統中氨氮濃度較先前系統高，初始溶氧量明顯 不足，致使氨氮於 70 小時後濃度減少趨緩，約 100 小時後變化更小。待硝化而產生之少量亞硝酸鹽氮先 行反應殆盡後，厭氧氨氧化反應約於 100 小時後停 止，只剩下殘留之氨氮及生成之硝酸鹽氮，同時此後 之總無機氮之濃度亦無變化。

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 10 20 30 40 50

Concentration (mg/L)

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Concentration (mg/L)

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 50 100 150 200

Concentration (mg/L)

(a)

(b)

(c)

NH4+-N = 50 mg/L DO₀ = 0.6 mg/L

NH4+-N NO2--N NO3--N TIN

NH4+-N = 100 mg/L DO0 = 0.6 mg/L

NH₄⁺-N NO2--N NO3--N TIN

NH4+-N = 200 mg/L DO0 = 0.7 mg/L

NH4+-N NO2--N NO₃^--N TIN

圖4 固定初始溶氧濃度，不同氨氮濃度對厭氧氨氧化反 應脫氮之影響 ((a) NH4+

-N = 50 mg/L, DO0 = 0.6 mg/L, (b) NH4+

-N = 100 mg/L, DO0 = 0.6 mg/L, (c) NH4+

-N = 200mg/L, DO0 = 0.7 mg/L)

圖 4(b) 及圖 4(c) 中，雖然初始氨氮繼續增至 100 mg/L 及 200 mg/L，兩系統中各含氮物種及總無機氮之濃度 變化趨勢與圖 4(a) 相仿。但由於氨氮濃度較前系統圖

4 (a) 高及系統初始溶氧濃度仍低，致使初期進行之硝

化反應所增加之亞硝酸鹽氮濃度無法提高。待系統溶 氧近乎耗盡時，致使開始進行之厭氧氨氧化反應 (約 50小時後) 所能利用之亞硝酸鹽量相對很少，所以亞 硝酸鹽氮先行反應耗盡 (約 70 小時後)，而使氨氮仍

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 10 20 30 40 50

Concentration (mg/L)

NH₄⁺-N = 25 mg/L, NO₂^--N = 25 mg/L DO0 = 0.18 mg/L

NH4+-N NO2--N NO3--N TIN

NH4+-N = 25 mg/L, NO2--N = 25 mg/L DO0 = 1.3 mg/L

NH4+-N NO₂^--N NO₃^--N TIN

NH4+-N = 25 mg/L, NO2--N = 25 mg/L DO0 = 2.48 mg/L

NH4+-N NO2--N NO3--N TIN

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 10 20 30 40 50 60

Concentration (mg/L)

0 50 100 150 200 250 Time (hrs)

0 10 20 30 40 50 60

Concentration (mg/L)

(a)

(b)

(c)

圖5 固定氨氮、亞硝酸氮濃度，不同溶氧濃度對厭氧氨 氧化反應脫氮之影響 (NH4

+-N = 25 mg/L, NO2 --N =

25 mg/L, (a) DO0 = 0.18 mg/L, (b) DO0 = 1.3 mg/L, (c) DO0 = 2.48 mg/L)

有更高之殘留量。因系統缺乏亞硝酸鹽氮，厭氧氨氧 化反應無法進行，致使反應約於 70 小時停止，殘留 於系統更多之氨氮及硝酸鹽氮，總無機氮亦無法減 少，脫氮作用完全停滯。

由以上之結果得知，若系統僅存氨氮成份，液相中沒 有足量之初始溶氧亦或未適時補充必要之溶氧時，而 亞硝酸氮仍能生成但生成濃度不高，將無法促使混菌 系統進行部份硝化產生足量之亞硝酸鹽。但因硝化反

應進行而使溶氧迅速消耗，若當溶氧更低時，厭氧氨 氧化菌雖成優勢菌種進行反應，而反應將因之前生成 之亞硝酸鹽量過低而無法持續進行，總無機氮於稍後 時段無法再降低，脫氮之情況將停止。

(三) 固定氨氮及亞硝酸氮濃度，不同初始溶氧濃度之批次 實驗

第三組批次實驗則針對氨氮與亞硝酸鹽氮共存系統 中，不同之初始溶氧濃度對厭氧氨氧化反應脫氮之影 響。本組批次實驗固定液相氨氮及亞硝酸氮濃度為 25 mg/L，初始溶氧濃度分別為 0.18 mg/L、1.3 mg/L、

2.48mg/L，其結果如圖 5。

雖然初始條件氨氮、亞硝酸氮共存及低溶氧環境 DO0 = 0.18 mg/L利於厭氧氨氧化微生物，惟各物種之 濃度變化與圖 3(a) 相似。圖 5(a) 中亞硝酸鹽氮初期 先由 25 mg/L 增至 30 mg/L，此現象亦因部份硝化作 用所致。於約 70 小時後，總無機氮開始減少至反應 終止。反應期間氨氮、亞硝酸氮均呈降低之趨勢，並 且亞硝酸氮濃度下降幅度高於氨氮。而硝酸鹽於 50 小時後，因厭氧氨氧化反應而緩慢增加。若初始溶氧 DO₀增至 1.3 mg/L (圖 5(b))，部份硝化作用更趨明顯。

反應初期亞硝酸濃度由 25 mg/L 增至更高之 38 mg/L，隨後因溶氧過低即進行厭氧氨氧化反應 (約 100小時)。氨氮、亞硝酸氮隨時間減少，硝酸鹽則緩 緩增加，總無機氮亦因厭氧氨氧化反應之脫氮作用而 降低。若初始溶氧 DO0增加至 2.48 mg/L (圖 5(c))，其 結果與圖 5(b) 系統相似。但更高之溶氧利於硝化作用 之進行，愈對厭氧氨氧化產生抑制作用，而使脫氮效 果減少，總無機氮降低量減少。

綜合本組批次實驗結果，雖然氨氮與亞硝酸氮共存利 於厭氧氨氧化反應，但系統初始溶氧高低影響脫氮效 率更為顯著。愈低溶氧，硝化作用減少，厭氧氨氧化 微生物成優勢種，利於反應進行提高脫氮之效率；溶 氧升高，硝化菌勢成優勢種，硝化作用增加，抑制厭 氧氨氧化反應，脫氮效率亦隨之降低。

四、結 論

綜合以上各條件實驗之結果，本研究初步之結論如 下：

1. 厭氧氨氧化菌可由一般家庭污水處理廠之活性污泥，於 適當之基質及環境條件下馴養完成。液相 pH 值上升，

氮氣氣泡生成，污泥無臭味且顏色由較深之黑色轉為淺 土黃色，並具有良好之沉降性。

2. 僅存氨氮之系統中，固定氨氮濃度 25 mg/L 及其他反應 條件，不同初始溶氧濃度對 ANAMMOX 菌除氮影響差 異明顯。實驗中較低初始溶氧 DO0為 0.37 mg/L，系統 因菌種混存，先行部份硝化後再行厭氧氨氧化反應。氨 氮隨時間持續減少至耗盡，而亞硝酸鹽氮於反應前期由

起始之零，先微幅增加後持續減少。初始溶氧增加至 DO₀為 1.13 mg/L、2.01 mg/L、3.29 mg/L 等情況時，過 高之溶氧濃度，對厭氧氨氧化菌系統構成抑制作用，不 利於脫氮之進行。同時溶氧上升利於硝化菌 AOB 及 NOB 之存活，將加速硝化反應之進行，無法達到脫氮 之效果。

3. 固定初始溶氧濃度約為 0.6 mg/L 及其他反應條件，氨氮 則分別為 50 mg/L、100 mg/L 及 200 mg/L 等不同濃度之 系統中，因液相中沒有適量之初始溶氧亦或未適時補充 必要之溶氧時，將無法促使混菌系統進行部份硝化產生 足量之亞硝酸鹽。當溶氧更低時，厭氧氨氧化菌雖成優 勢菌種進行反應，而反應將因生成之亞硝酸鹽量過低而 無法持續進行，脫氮之情況將停止。

4. 氨氮與亞硝酸鹽氮共存系統中，固定氨氮及亞硝酸氮濃 度為 25 mg/L，初始溶氧濃度分別為 0.18 mg/L、1.3 mg/L、2.48 mg/L，其對厭氧氨氧化反應脫氮之影響亦 隨溶氧高低而異。愈低溶氧，硝化作用減少，厭氧氨氧 化微生物成優勢種，利於反應進行提高脫氮之效率；溶 氧升高，硝化菌成優勢種，硝化作用增加，抑制厭氧氨 氧化反應，脫氮效率亦隨之降低。

誌 謝

本研究承行政院國家科學委員會 (計畫編號：NSC 98-2221-E-236-001-MY2) 經費之補助，致本研究得以順利 完成，謹此致謝。

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2012年 08 月 20 日 收稿 2012年 10 月 16 日 初審 2012年 12 月 23 日 複審 2013年 01 月 22 日 接受