國立臺灣大學工學院環境工程學研究所 碩士論文
Graduate Institute of Environmental Engineering College of Engineering
National Taiwan University
Master Thesis
都市污水厭氧生物處理之研究
—探討醣類、蛋白質及脂質的降解
Anaerobic Biotechnology for Domestic Wastewater Treatment
—Explore the Degradation of Sugars, Proteins and Lipids
吳榮哲 Jong-Che WU
指導教授：林正芳 博士 Advisor：Cheng-Fang LIN, Ph.D.
中華民國 108 年 1 月
Jan, 2019
口試委員審定書
致謝
畢業，這是人生中一段意外又難得的航程，彷彿時空回到了三十年前，感覺有 點不太真實。
感謝林正芳老師這兩年半的指導，讓我重新學習到研究學問的方法，也對問題 的分析、探討有了新的認知，在面對問題上注入了新的思考邏輯跟方向，調整並找 出更妥適的解決方法。
感謝惠民實業的吳萬益總經理，吳總是我的老闆，也是我進入台大環工所以及 串起我與老師及研究群這段緣分的推手，更擔任了我論文的口試委員，我的畢業，
是吳總促成，所以衷心的感謝吳總。
感謝迪化污水處理廠的夥伴們，承暉廠長、冠前、文昇、善業、紫因，已經離 職的詩淵、真題，謝謝你們兩年來宅配污水到府的服務、資料的彙整，讓我的實驗 跟論文可以順利完成。
感謝知穎跟昶威兩位在職班同學的互相扶持，謝謝你們在課業上的協助，讓我 可以輕鬆快樂的完成作業；謝謝淑惠，幫我快速又準確的畫完圖，當然啦，也要謝 謝化麟把老婆的時間借給我。
感謝研究群所有夥伴們的相知相惜，尤其是虹瑤、昶瑞跟子揚在實驗跟論文上 的大力協助，也謝謝鈞偉、明祺、吳寬的幫忙，相信我們的緣分不是結束，而是一 個開始。
最後，要謝謝我的家人，老婆、女兒、兒子，尤其是老婆，假日還陪我上實驗 室照顧模組，謝謝你們的支持。
感謝這意外航路上相伴的所有人，相逢自是有緣，也只是個開端，祝福所有人 順利、平安。
吳榮哲 謹致於 國立台灣大學環境工程學研究所
摘要
本研究以固定厭氧生物反應模組，採取以全實廠污水連續進流的方式進行試 驗，操作溫度設定為 25℃，並以水力停留時間(HRT)16、12、8 及 6 小時等四個階 段檢測分析處理成果，檢測結果為化學需氧量(TCOD)的總平均去除率為 76.5%，
各階段的平均去除率，HRT=16 小時之平均去除率為 75.5%、HRT=12 小時之平均 去除率為 76.3%、HRT=8 小時之平均去除率為 78.7%，HRT=6 小時之平均去除率 則為 74.6%。
在 HRT=6 小時及突增負荷的操作條件下，出流水 TCOD 平均值為 62 mg/L (最 大值 77 mg/L，最小值 49 mg/L)，均符合放流水化學需氧量(COD)之排放標準(100 mg/L)，顯示厭氧固定生物反應系統對突增負荷的穩定度及低水力停留時間(HRT) 的處理能效，可滿足現階段都市污水處理的需求，而以厭氧固定生物反應系統處理，
不需持續性曝氣且廢棄污泥量極低，可節省電費及污泥清理費用甚為可觀。
從醣類、蛋白質及脂質這三種都市污水中主要有機成分的檢測結果顯示，醣類 及蛋白質的削減率在何種水力停留時間的操作條件下均可達 80%以上，脂質則僅 維持在 40%～60%之間，顯見脂質的去除效能是固定厭氧生物處理的限制因子，如 何利用醣類、蛋白質及脂質的共降解效應以提高脂質的降解效率，是提升厭氧固定 生物處理系統的整體效能的重要課題。
關鍵字：都市污水、厭氧固定生物、醣類、蛋白質、脂質
ABSTRACT
This research, the fixed anaerobic biological treatment module was used to test the continuous influent of the whole domestic wastewater. The operating temperature was set to 25 °C, and the results were analyzed in four phases of hydraulic retention time (HRT) at 16, 12, 8 and 6 hours.
The results showed that the total average removal rate of chemical oxygen demand (TCOD) was 76.5% and for the average removal rate of each phase, the average removal rate at HRT of 16 hours was 75.5%, 76.3% at HRT of 12 hours, 78.7% at HRT of 8 hours and 74.6% at HRT of 6 hours.
At HRT of 6 hours and the operating condition of sudden load increase, the average TCOD of effluent was 62 mg/L (maximum 77 mg/L and minimum 49 mg/L), which was consistent with the emission standards for chemical oxygen demand of the discharged water (COD, 100mg/L), showing the stability of the fixed anaerobic biological treatment system for sudden load increase and low hydraulic retention time (HRT) that satisfied the current demand of domestic wastewater treatment via the fixed anaerobic biological treatment system. Such system does not require continuous aeration and the production of waste sludge is extremely low, which conserves electricity and tremendously reduces the sludge disposal cost.
The analytic results of major organic components in three types of domestic wastewater, such as sugars, proteins and lipids, showed that the reduction rate of sugars and proteins could achieve more than 80% under the operating condition of any hydraulic retention time, where the level of lipids could only be maintained between 40% and 60%.
anaerobic biological treatment system. The improvement to degradation efficiency of lipids in the co-degradation effect of sugars, proteins and lipids is the key issue to enhance the overall effectiveness of the fixed anaerobic biological treatment system.
Keywords：Domestic wastewater, Anaerobic biological treatment, Carbohydrate, Sugar, Protein, Lipid.
目錄
口試委員審定書 ... I 致謝 ... II 摘要 ... III ABSTRACT ... IV
目錄 ... 1
圖目錄 ... 3
表目錄 ... 4
第一章 前言 ... 5
1.1 研究緣起 ... 5
1.2 研究目的及項目 ... 6
第二章 文獻回顧 ... 8
2.1 台灣都市污水處理現況 ... 8
2.1.1 都市污水處理廠分布 ... 10
2.1.2 都市進流污水水質 ... 12
2.2 厭氧生物處理 ... 13
2.3 都市污水中的有機成分 ... 15
2.4 厭氧生物處理醣類、蛋白質及脂質 ... 18
第三章 實驗方法與材料 ... 20
3.1 實驗內容與架構 ... 20
3.2 實驗方法與流程 ... 22
3.3 進流水來源及水質 ... 24
3.4 水質分析方法 ... 26
3.4.1 化學需氧量(COD) ... 26
3.4.2 三成分分析-醣類(蔥酮法) ... 27
3.4.3 三成分分析-蛋白質(莫瑞法) ... 28
3.4.4 三成分分析-脂質(紅外線分析法) ... 29
3.5 實驗材料與設備 ... 31
3.5.1 實驗藥品 ... 31
3.5.2 實驗設備 ... 32
3.6 效能評估 ... 33
3.6.1 去除率 ... 33
3.6.2 進流有機負荷率 ... 33
3.6.3 單位反應槽體積削減率 ... 34
3.6.4 單位質量(微生物)削減率 ... 34
第四章 結果與討論 ... 35
4.1 化學需氧量(COD)檢測結果 ... 35
4.1.1 檢測數據 ... 35
4.1.2 化學需氧量(COD)去除率 ... 37
4.1.3 進流有機物(COD)負荷率 ... 39
4.1.4 單位反應槽體積 COD 削減率 ... 42
4.1.5 單位質量(微生物)對 COD 削減率 ... 44
4.2 三成分(醣類、蛋白質、脂質)檢測結果 ... 46
4.2.1 檢測數據 ... 46
4.2.2 三成分去除率 ... 47
4.2.3 進流有機物(三成分)負荷率 ... 49
4.2.4 單位反應槽體積(三成分)削減率 ... 50
4.2.5 單位質量(微生物)對三成分削減率 ... 52
4.3 討論 ... 53
第五章 結論與建議 ... 58
5.1 結論 ... 58
5.2 建議 ... 59
參考文獻 ... 60
圖目錄
圖 2- 1 都市污水處理廠處理等級 ... 9
圖 2- 2 都市污水處理流程圖 ... 10
圖 2- 3 都市污水處理廠處理規模統計圖 ... 12
圖 2- 4 厭氧反應流程圖 ... 14
圖 3- 1 研究架構及實驗內容 ... 21
圖 3- 2 實驗流程圖 ... 22
圖 3- 3 厭氧固定生物反應系統 ... 23
圖 3- 4 醣類檢量線 ... 28
圖 3- 5 蛋白質檢量線 ... 29
圖 3- 6 脂質檢量線 ... 30
圖 4- 1 化學需氧量(COD)檢測結果 ... 37
圖 4- 2 化學需氧量(COD)去除率 ... 37
圖 4- 3 進流化學需氧量(COD)負荷率 ... 39
圖 4- 4 化學需氧量 TCOD 負荷率與去除率 ... 41
圖 4- 5 化學需氧量 SCOD 負荷率與去除率 ... 41
圖 4- 6 生化需氧量單位反應槽體積削減率 ... 43
圖 4- 7 單位微生物質量削減率 ... 44
圖 4- 8 三成分(醣類、蛋白質、脂質)檢測結果 ... 46
圖 4- 9 三成分(醣類、蛋白質、脂質)去除率 ... 48
圖 4- 10 醣類、蛋白質及脂質之進流負荷率 ... 50
圖 4- 11 蛋白質及脂質之單位反應槽體積削減率 ... 51
圖 4- 12 醣類、蛋白質及脂質之單位質量(微生物)削減率 ... 53
圖 4- 13 迪化污水處理廠歷年用電量 ... 57
表目錄
表 2- 1 全國各縣市公共污水下水道普及率統計表 ... 8
表 2- 2 都市污水處理廠及處理水量統計表 ... 11
表 2- 3 各種不性質之廢(污)水組成物質 ... 16
表 2- 4 都市污水成分分析 ... 17
表 4- 1 化學需氧量(COD)檢測結果 ... 36
表 4- 2 化學需氧量(COD)去除率 ... 38
表 4- 3 進流化學需氧量(COD)負荷率 ... 40
表 4- 4 單位反應槽體積生化需氧量削減率 ... 42
表 4- 5 單位微生物質量削減率 ... 45
表 4- 6 三成分(醣類、蛋白質、脂質)檢測結果 ... 47
表 4- 7 醣類、蛋白質、脂質)去除率 ... 48
表 4- 8 醣類蛋白質及脂質進流負荷率 ... 49
表 4- 9 蛋白質及脂質之單位反應槽體積削減率 ... 51
表 4- 10 醣類、蛋白質及脂質之單位質量(微生物)削減率 ... 52
表 4- 11 活性污泥法之種類及設計參數 ... 57
第一章 前言
1.1 研究緣起
隨著都市化的腳步，衛生下水道建設日益受到重視，用戶接管率節節升高，都 市污水處理量及水質也跟著向上攀升，排入自然環境(溪流、河川、大海及大氣等) 的污染物質也越來越大，而為了處理大量的都市污水，都市污水處理廠陸續興建、
營運，消耗的能源(電力、自來水等)當然也隨著增加，也因此，都市污水處理廠處 理成效的優劣，除了影響環境衛生、人體健康以外，對自然環境負荷的增加、生態 的衝擊等都將造成極大的影響，而減少能源的消耗、降低對環境資源的取用，以實 現永續環境的目標，也將是現代化都市污水處理廠的最重要課題。
傳統都市污水處理程序以好氧性生物處理為主軸，如活性污泥法、接觸曝氣法、
RBC、階梯式曝氣法、SBR……等，主要係其設計條件簡單，操作維護容易，但好 氧系統對 NH4-N 之處理成效有限，因此其後則導入部分厭氧處理概念以提升 NH4- N 之去除效率，如 TNCU、AO、A2O……等，惟此類以好氧生物為主之處理系統，
需每日 24 小時不間段供應氧氣給曝氣系統，以維持一定數量(濃度)之微生物，此 時，不論採用何種機械設備(如表面曝氣機、曝氣攪拌機、噴射式曝氣機、魯氏鼓 風機、離心式鼓風機……等)供氧，均需耗用極大之電力，單就此一部分而言(僅考慮 曝氣機，不考慮其他如泵等設備)，其耗用之電力即約占整座污水處理廠耗用電力 之三分之一(甚至超過)，在電力能源短缺的今天，如能有效節電，將會是一大助益。
厭氧生物處理雖可解決耗電問題，但因其水力停留時間(HRT)較長，用地面積 大，操作條件較為複雜，易受進流污水水質影響(如水溫、有機成分的變化等)，導 致處理成本增加；而近年來固定生物處理技術的研發，則改善了前述的缺點，使操
作維護作業簡單化、減少水質突增變化對處理程序的影響、產生的污泥量少，且可 有效的去除碳氮，大幅提高都市污水厭氧生物處理的可行性。
另一項可能影響都市污水厭氧生物處理效能的因子則是都市污水的成分，醣 類、脂質及蛋白質是其中主要的有機物質，約佔都市污水中有機成分的一半以上，
且各種成分之降解效率有極大差異，依 Fang et al. (2000)研究結果，在厭氧生物處 理程序中，蛋白質與脂質在低水力停留時間時，較難以轉換成甲烷氣，且若厭氧反 應之中間產物，如長鏈脂肪酸、胺基酸等之濃度過高，將對酸生成菌、氫生成菌以 及甲烷生成菌造成抑制，進而影響整體反應之產氣效率。
本研究將以全實廠都市污水進行固定厭氧生物處理程序測試，除探討其除碳 效能外，並將檢測及觀察其中醣類、脂質及蛋白質之濃度變化，期為厭氧生物處理 都市污水尋找出更有利之操作環境。
1.2 研究目的及項目
本研究於實驗室設置以固定生物技術為核心的厭氧反應系統，並以實際都市 污水進行馴化，待反應系統穩定後，分別以不同的水力停留時間(16 小時、12 小時、
8 小時及 6 小時)進行測試反應系統成效，並探討反應系統於不同停留時間下的去 除效能，找出此厭氧固定生物反應系統應用於實際污水廠之最佳操作 HRT 及可行 性。
為減少能源消耗及貼近實際污水處理場的操作條件，本研究將反應系統之操 作環境設定為 25 ± 1℃，另為使操作成效之比較更務實，本研究以採取單一污水 水處理廠相同地點之污水作為反應系統之進流污水。
研究項目有：
(1) 厭氧固定生物反應系統處理都市污水之 COD 進、出流濃度檢測及去
(2) 比較厭氧固定生物反應系統在 HRT=16 小時、HRT=12 小時、HRT=8 小時及 HRT=6 小時的條件下處理都市污水的成效。
(3) 比較厭氧固定生物反應系統在 HRT=12 小時、HRT=8 小時及 HRT=6 小時的條件下處理都市污水時進、出流污水中所含醣類、脂質及蛋白 質成分的濃度變化及去除效能評估。
第二章 文獻回顧
2.1 台灣都市污水處理現況
台灣地區於西元 1958 年籌建中興新村時，興建第一個分流式下水道系統及污 水處理廠後，至 1968 年台北市闢建雨水下水道系統開始，下水道才正式開始走向 雨污分流制，其後公共污水下水道普及率漸有成長，截至 2018 年 11 月止，全國公 共污水下水道普及率為 33.56%(詳表 2-1)，其中又以台北市的普及率 78.07%為最 高，連江縣ゝ新北市ゝ高雄市及金門縣則分居 2～5 名，其普及率分別為 71.84%、
58.75%、42.63%、34.49%，且澎湖縣目前仍無公共下水道設施，普及率為 0。
表 2- 1 全國各縣市公共污水下水道普及率統計表
縣市別 普及率 縣市別 普及率
新北市 58.75% 嘉義縣 8.20%
台北市 78.07% 屏東縣 12.86%
桃園市 11.19% 台東縣 0.57%
台中市 17.51% 花蓮縣 32.85%
台南市 18.97% 澎湖縣 0.00%
高雄市 42.63% 基隆市 33.74%
宜蘭縣 30.31% 新竹市 17.19%
新竹縣 17.17% 嘉義市 0.55%
苗栗縣 16.86% 雲林縣 4.53%
彰化縣 1.04% 金門縣 34.49%
南投縣 4.47% 連江縣 71.84%
註：全國公共污水下水道普及率為 33.56%，資料截止日期為 2018 年 11 月 30 日 資料來源：內政部營建署
2018 年第四季全國公共污水處理廠資料管理系統的統計資料顯示，全國(不含 連江縣)共有 80 座都市污水處理廠(水資源回收中心)，扣除仍在施工或設計中的案 場後，實際已在運轉的共有 65 座，總實際處理水量為 2,788,641 CMD，僅約佔運 轉中之污水處理廠總設計處理水量(4,406,535 CMD)之 63.28%，其中，實際處理水 量低於設計處理水量 50%者計 44 座，佔運轉中案場總數將近 70%，因此總體而言，
仍有相當大的處理餘裕量。
依全國公共污水處理廠資料管理系統的統計資料顯示，全國(不含連江縣)80 座 都市污水處理廠中，設計處理流程為初級處理(僅經沉澱池後即予排放)共有 4 座 (5.19%)，二級處理流程有 62 座(76.63%)，屬三級處理流程者則有 14 座(18.18%)，
各級別分布整理如圖 2-1；二、三級處理流程多採用好氧生物處理流程或好氧/缺氧 /厭氧並存之生物處理流程，其特色為均須每日 24 小供應氧氣給微生物進行分解有 機物使用，因此，污水處理廠大部分的能耗均於此流程產生；圖 2-2 為都市污水處 理廠普遍採用之處理流程圖。都市污水處理廠處理等級
5.0%
77.5%
17.5%
初級處理 二級處理 三級處理
(整理自全國公共污水處理廠資料管理系統)
圖 2- 1 都市污水處理廠處理等級
在處理效能部分，全國(不含連江縣)二級以上都市污水處理廠平均放流水水質 BOD5、COD 及 SS 約為 6.5 mg/L、23.1 mg/L 及 6.2 mg/L，其平均去除率則分別達 到 85.6%、82.5%及 90%。
2.1.1 都市污水處理廠分布
截至 2018 年第四季為止，全國(不含連江縣)都市污水處理廠及處理水量 如表 2-2 所示(統計自全國公共污水處理廠資料管理系統)，其中，因迪化污水 處理廠及八里污水處理廠為台北市、新北市及基隆市之共用系統，因此如併計 其處理量，則北北基區之總設計處理水量將高達 2,303,400 CMD，應與本區域 為全國最先建置污水下水道系統及人口高度集中有關。
圖 2- 2 都市污水處理流程圖
表 2- 2 都市污水處理廠及處理水量統計表 縣市別 總數 設計處理水量
CMD 運轉中 實際處理水量 CMD 台北市 2 740,000 2 528,690 新北市 7 1,462,900 6 1,138,914 基隆市 2 100,500 2 18,403 宜蘭縣 2 60,000 2 49,352 新竹縣 2 81,000 2 22,895 桃園市 7 135,785 6 45,635 花蓮縣 1 50,000 1 41,515 新竹市 1 30,000 1 21,072 苗栗縣 5 63,540 4 13,395 台中市 9 305,385 8 112,501 彰化縣 2 21,200 1 2,095 南投縣 5 30,700 4 2,724 雲林縣 3 27,100 1 6,516 嘉義縣 4 32,950 3 6,211
嘉義市 1 12,000 1 -
台南市 7 268,500 6 137,147 高雄市 7 1,220,600 6 595,345 屏東縣 4 60,600 3 40,201
金門縣 5 9,383 5 5,035
澎湖縣 2 0 0 0
台東縣 2 17,400 1 995
合計 80 4,729,543 65 2,788,641
(統計自全國公共污水處理廠資料管理系統)
倘以都市污水處理廠之處理規模(設計處理水量)區分(如圖 2-3)，小廠(日 處理量不足 500 CMD 者)及大廠(日處理量高於 100,000 CMD 者)所占比例均 不足 10%，小廠多設置於偏遠地區或景點，大廠則設置於人口稠密區，處理規 模比例最高者為中型廠(日處理量 5,001~30,000 CMD)，應與鄉村逐漸都市化 之趨勢有關。
2.1.2 都市進流污水水質
早期都市污水處理廠均以 BOD5 = 250 mg/L 及 SS = 250 mg/L 作為進流污 水水質之設計標準，處理水量則以每人每日產生 250 L 或自來水使用量之 80%
估算，惟因各污水處理廠之實際運轉數據均顯示進流污水之水質及水量均遠 低於設計值，因此近年已將進流水質設計標準降低為 BOD5 = 180 mg/L 及 SS
= 180mg/L，處理水量則以每人每日產生 200~225 L 污水作為估算基準。
依全國公共污水處理廠資料管理系統的統計資料顯示，全國都市污水處 理廠(部分案廠未上傳登錄)在 2017 年平均進流水質 BOD5約為 99.7 mg/L (COD 約為 201 mg/L)，最高值為台中市臺中港特定區水資源回收中心的 302 mg/L (COD 為 593 mg/L)，最低值為新北市坪林污水處理廠的 7 mg/L (COD 為 65 mg/L)；另全國平均進流 SS 約為 115.6 mg/L，最高值為台中市福田水資源回 收中心的 478 mg/L，最低值則為高雄市中區污水處理廠的 24 mg/L；，其中，
因台中市臺中港特定區水資源回收中心所處理之污水包括設立於該特定區內 之工廠排水，因此其進流 BOD5高於平均值逾 3 倍，而台中市福田水資源回收
7.79%
27.27%
36.36%
19.48%
9.09%
≦500CMD 501~5,000CMD 5,001~30,000CMD 30,001~100,000CMD
＞100,000CMD
(整理自全國公共污水處理廠資料管理系統)
(整理自全國公共污水處理廠資料管理系統)
圖 2- 3 都市污水處理廠處理規模統計圖
中心則因進流水之採樣點位於全廠回流水匯集點後方，因此進流 SS 高於平均 值逾 4 倍。
2.2 厭氧生物處理
厭氧生物處理係利用在沒有氧氣環境中生存的厭氧菌(微生物)所進行的代謝 作用，將污水中的有機物質降解，以達到水質淨化的目的，厭氧消化反應則是厭氧 生物的作用過程，主要分為：(1)水解(Hydrolysis)、(2)酸化(Acidogenesis)、(3)甲烷 化(Methanogenesis) 三個階段，如圖 2-4 所示(Abdelgadir et al., 2014)。
厭氧消化反應的第一步驟稱為「水解反應」，其反應機制為污水中的主要有機 成分--醣類、蛋白質、脂質等大分子，透過胞外酵素的水解作用後分解成小分子，
如單糖、胺基酸等；經過水解作用後，大分子及不可溶的有機物分解成較小、可溶 的有機物，並藉由細胞膜上特殊蛋白質的傳輸而進出細胞膜，以作為發酵作用的能 量來源；在水解化過程中，醣類的降解速率最快，蛋白質與脂質則相對較為緩慢，
因此整體水解反應的速率將由水中蛋白質及脂質含量的多寡決定。
厭氧消化反應的第二個步驟稱為「酸化反應」，在厭氧環境中，酸生成菌會將 經水解後的小分子有機物進一步氧化成揮發性脂肪酸(Volatile fatty acid, VFA)，如 甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等，並將有機物作為電子接受者以降解 COD，最終產物 則以乙酸為主；然而因不同的反應環境及條件，優勢菌種將隨之變化，各種產物的 濃度當然也不盡相同；其中氫氣化反應就是由一部分具有特殊酵素系統的厭氧菌 將小分子有機物分解成乙酸、二氧化碳及氫氣等產物所產生的反應，特性為能將氫 離子作為電子接受者而生成氫氣，其反應式為：
2H++2e-→ H2
酸化反應最終代謝產物為甲酸、乙酸、二氧化碳與氫氣等，反應式如下：
C5H7O2N+3H2O→ 2.5CH3COOH+NH3
厭氧消化反應的最後步驟稱為「甲烷化」，甲烷化主要由兩種甲烷菌群進行作 用，其一為以二氧化碳作為碳源，並經代謝後將二氧化碳作為電子接受者，進而產 生甲烷(即將氫氣氧化以獲得能量)之甲烷菌，其反應式如下：
H2+CO2→CH4+2H2O
另一種甲烷菌則為將乙酸氧化以生成甲烷，並藉以獲得能量者，其反應式為：
CH3COOH→CH4+CO2
複合有機物質
醣類 蛋白質 脂質
水解
可溶性有機分子
單醣 氨基酸 長鏈脂肪酸
酸化
中間產物 (丙酸及丁酸)
乙酸 二氧化碳及氫氣
甲烷化
甲烷及二氧化碳
(整理自 Abdelgadir et al., 2014) (整理自 Abdelgadir et al., 2014)
圖 2- 4 厭氧反應流程圖
2.3 都市污水中的有機成分
都市污水是由於人類一般日常生活及其相關活動所產生，如餐飲、廁所排 泄物(糞、尿等)、洗衣、洗碗、洗澡及移動(如觀光)等，尤其近年來飼養寵物 大行其道、因此行為而衍生的寵物清洗、糞糞、尿等，所產生的固體與液體的 廢棄物質，都透過用戶接管而進入下水道系統終，並經由污水下水道管網及抽 水站的傳輸，最終來到污水處理廠進行處理後排放入承受水體(如河川、溪流 及海洋等)。
一般都市污水廠處理流程，包括前處理(攔污機、沉砂池、初級池)、生物 處理系統，將懸浮固體物、溶解性有機物質等去除，再經由二沉池進行固(微 生物)液(處理水)分離，並確保處理水達排放標準後予以消毒排放，以減少對承 受水體及環境之危害。
都市污水中的有機成分主要由碳、氫、氧三種元素組合而成，經污水處理 廠的處理流程，將有機的大分子透過水解作用變成諸多不同種類的小分子，如：
澱粉、纖維素、木質素等經水解作用變成雙糖，再形成溶解性單糖；蛋白質則 須經由特定水解酵素水解後分解成胜肽及胺基酸；脂質則經脂肪酶水解作用 分解成甘油及脂肪酸。
由於都市污水的來源眾多且成分複雜，有機分子種類繁多，因此其化學特 性及組成比例將影響污水處理廠的處理成效，尤其在生物處理系統，更是影響 成敗的關鍵指標，如：脂質的不親水性(與水不互溶)及黏滯性，會集結成浮渣 而衍生問題，另其水解所產生的長鏈脂肪酸(Long chain fatty acids，LCFA)，會 抑制微生物的生長而使生物系統成效不彰。
生物系統市都市市污水處理廠的核心程序，若其處理成效不彰將使出流 水質不穩定，甚至病媒孳生而造成環境衛生上的問題，而究其根源，實乃經由 人類的多樣性活動所產生複雜的污水特性所造成。
Liu et al. (2000)的研究指出，都市污水由有機物與無機物組成，而相較於 其他廢污水，其組成複雜及多樣，如醣類、脂質、蛋白質、腐殖酸、表面活性 劑、酚及其他新興污染物質等都在研究中被檢出(如表 2-3)，也印證了都市污 水組成的高複雜程度。
表 2- 3 各種不性質之廢(污)水組成物質
物質名稱 都市污水 工業廢水 商業廢水 農業廢水 地表逕流
醣類 ◎ ◎ ◎ - -
脂質 ◎ - ◎ - -
腐殖酸 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎
長鏈脂肪酸 ◎ - - - -
農藥 - - - ◎ -
酚類 - ◎ - - -
蛋白質 ◎ ◎ ◎ - -
表面活性劑 ◎ ◎ ◎ - -
揮發性有機化合物 ◎ ◎ ◎ - -
鹼度 ◎ - - - ◎
氯化物 ◎ ◎ - - ◎
重金屬 - ◎ - - -
氮 ◎ ◎ - ◎ -
磷 ◎ ◎ ◎ - ◎
硫 ◎ ◎ ◎ - -
硫化氫 ◎ - ◎ - -
甲烷氣 ◎ - - - -
有毒有機物 - ◎ - - -
新興污染物 ◎ - - - -
◎表”檢出”
◎表”檢出”
資料來源：Liu et al., 2000
在許多對都市污水成分的研究中，雖其成分複雜多樣，但其中以醣類、脂 質及蛋白質為其主要有機物組成，表 2-4 為丹麥及美國對都市污水的成分分析 (Raunkjaer et al., 1994；Sophonsiri et al., 2004)，從表中可發現醣類、脂質及蛋 白質共約佔總體 COD 之比例為 44.3%～77.0%，另在 Naris et al (1978) 的研究 中更顯示，在美國的兩個不同污水處理廠裡，主要的化學成分為醣類與蛋白質，
亦發現在污水中有揮發酸的存在，推斷應是污水在到達污水處理廠以前，污水 在密閉的下水道管線中的停留時間過長所造成，而揮發酸中以乙酸最多，丙酸 則次之。
表 2- 4 都市污水成分分析
地區 COD
(mg/L)
醣類 (COD %)
脂質 (COD %)
蛋白質 (COD %)
其他
(COD%) 參考文獻
Aalborg west
180 - 480
4.06 - 28.7 23.6 - 32.8 21.5 - 25.4 -
Raunkjaer et al (1994) 丹麥，初沉前 Hjallerup 2.4 - 6.3 8.25 - 34.3 15.9 - 25.9 -
Aalborg east 3.4 - 11.5 6.05 - 30.03 17.8 - 35.1 - Aabybro 3.78 - 10.78 39.6 - 41.32 20.07 - 24.91 -
平均 18 31 28 23
Urbana-Champaign Sanitary District
Northeast Plant
309 5.7 26.6 12 55.7 Sophonsiri et al (2004) 美國，初沉前
2.4 厭氧生物處理醣類、蛋白質及脂質
厭氧處理的過程其實相當複雜，在厭氧生物處理系統中包括甲烷化反應 中的甲烷菌及產生酸化反應的酸生成菌。其中酸生成菌在反應過程中會將小 分子有機物氧化成揮發性脂肪酸(Volatile fatty acid, VFA，如甲、乙、丙、丁酸 等)，然而隨著環境條件的不同，菌種也產生變化而有不同，不同菌種的利用 及反應型態自然也不盡相同，因此所產生的揮發物質種類與濃度當然大異其 趣，這些揮發物質的種類與濃度終將影響到甲烷氣的產氣效果及整體處理成 效。
揮發酸在整個厭氧生物處理系統中是一種即時的指標，在反應異常時，可 能使揮發酸突然增加，使甲烷菌受到抑制而活性不佳，無法有效將揮發酸 (VFAs)轉換成甲烷 (Wang et al., 2009)。因此，當醣類、蛋白質與脂質在厭氧 生物處理程序中產生過多量的中間產物時，即可能使系統反應失衡，以致產生 過多的揮發酸(VFAs)，進而導致酸生成菌及甲烷菌的活性受到抑制，降低整個 系統的處理成效。
1.醣類
醣類在厭氧生物處理過程中，可非常快速的水解並轉換成揮發酸(VFAs)，
再快速的轉換成 CH4與 CO2，相較於蛋白質與脂質，醣類可以最短的時間完 成反應；因此已有諸多利用醣類快速降解的特性與其他有機物進行共降解的 研究，試圖藉此提高其他較難降解的有機物的降解效率，例如在 Elbeshbishy and Nakhla (2012)的研究中，即以 5 組不同比例的蛋白質混合醣類進行共降解 試驗，結果顯示以 20%的蛋白質與 80%的醣類共降解，較僅有蛋白質單獨降 解時，其甲烷產率較高，因此水中醣類與蛋白質、脂質間的不同比例所產生的 共降解效應，將有助於提升厭氧生物處理系統的整體效能。
2.蛋白質
倘在都市污水處理廠以較短的水力停留時間操作可能會造成蛋白質水解 不完全的現象；在 Breure et al (1986)的研究中，當水力停留時間為 30 分鐘時，
僅 84%蛋白質被水解成胺基酸，水解後的胺基酸也僅 85%會酸化成揮發酸，
進一步研究則發現蛋白質反應緩慢的原因為蛋白質的比基質利用率低於醣類，
且生物利用蛋白質的生物係數也低於醣類；另外，當以蛋白質作為厭氧反應的 基質時，造成污泥結構發生改變，在低水力停留時間下，污泥會被沖出反應槽 而使反應槽的微生物數量降低。
3.脂質
脂質在化學結構上具有較多的碳量，因此，相較於蛋白質與醣類在厭氧生 物處理上會有較高的甲烷產量；理論上，1 公克的三酸甘油脂會轉換成 1.081 公克的甲烷量；但脂質的比基質利用率差，在 Petruy and Lettinga (1997)的研 究中，含油脂量高的乳製品廢水在水解、酸化及甲烷化的試驗結果顯示：在反 應進行 26 天後，只有 22%有機物轉換成甲烷氣；Cirne et al., (2007)的研究結 果也指出，當脂質在水體中的含量超過 31%時，甲烷的產氣率有有明顯的下 降趨勢，因此，脂質的含量，會是甲烷菌活性的限制因子。也因此，為了解決 脂質在降解上的困境，在處理諸如食品業、畜牧業等脂質含量高的廢水時，通 常會添加醣類或蛋白質，藉由共降解效應來使脂質在降解的過程中能反應完 整，並提高甲烷的產氣量(Cirne et al., 2007；Wang et al., 2016)。
第三章 實驗方法與材料
3.1 實驗內容與架構
一般實驗室建立模組進行厭氧生物處理污水時，均採用合成污水作為進 流污水，其優點為水質穩定、進流基質高、可依研究目的調整及控制進流水質，
做各種不同情境、比例組合，多樣化及深入探討各種可能樣態，利於獲得完整 之數據及資訊，可供探討及了解厭氧消化對污水中主要成分之降解機制。
台灣地區都市污水係由家戶接管後透過污水下水道管網及抽水站集中至 污水處理廠進行處理，由於污水下水道管網橫跨區域相當寬廣，拉長了管線長 度，且因通常都以收集區域之最大量設計管線口徑，導致管中流速過低產生沉 積現象，因此污水處理廠之進流污水基質均遠低於設計質(如迪化污水處理廠 原設計進流 BOD5為 180 mg/L，但實際平均進流值僅約 90～100 mg/L，已造 成污水處理廠操作上之極大困擾。
目前台灣地區之都市污水處理廠大多採用好氧或好/兼/缺氧混合生物處 理，由於需不間斷提供微生物所需氧分及迴流生物污泥，必須耗費大量電力能 源來達成目的，又因需廢棄部分生物污泥來維持微生物的活力，必須再耗費其 他能源及人/物力，都使得操作維護費用居高不下，因此，以厭氧方式來處理 都市污水便成為眾多單位、學者及專業人士研究之重點。
厭氧處理不須曝氣、可節能、產生之甲烷可轉換為能量提供使用，而採用 固定生物技術的驗氧處理不須迴流污泥，可有效提升 SRT，且操作上更為容 易，因此本研究以固定生物厭氧反應模組進行，而為了更貼近實際污水處理廠 之操作條件，全程採用實廠污水作為模組之進流污水，並在 25℃的環境下運 轉，以期研究成果可提供實廠操作上之參考。
本研究之實驗內容包括：水力停留時間(HRT)之調整、研究模組之整體 COD 去除效能之檢測、進/出流之三成分(醣類蛋白質及脂質)之檢測分析及成 果評估。
都市污水厭氧生物處理
操作參數與限制條件
水力停留時間
厭氧固定生物處理技術
成份分析 COD去除效能
醣類 酯值 蛋白質
成果分析與評估
圖 3- 1 研究架構及實驗內容
3.2 實驗方法與流程
以實驗室既有之厭氧固定生物反應系統進行，設置進流污水貯存槽，透過 蠕動泵調整流速，將污水以連續進水方式進入反應槽處理，並以水力停留時間 (HRT)16 小時、12 小時、8 小時及 6 小時四個階段進行試驗，反應槽溫度設定 為恆溫 25℃，實驗流程及各階段檢測項目如圖 3-2。
厭氧固定生物反應系統如圖 3-3 所示，其組成包括進流水貯存槽、進流蠕 動泵、厭氧固定生物反應槽、出流水觀測管及出流水貯存槽等。
厭氧固定生物反應系統模組架設
厭氧生物馴養(實廠都市污水) 進、出流檢測
HRT=16小時 HRT=12小時 HRT=8小時 HRT=6小時
TCOD SCOD
TCOD SCOD 醣類 酯值 蛋白質
TCOD SCOD 醣類 酯值 蛋白質
TCOD SCOD 醣類 酯值 蛋白質
圖 3- 2 實驗流程圖
厭氧固定生物反應槽為密閉、隔板式，採壓克力材質，外觀尺寸為 30 cmL
×20 cmW×40 cmH)，總體積為 24 L，固定生物平板共 11 片，總有效反應體積 為 15.6 L，生物質量為 42.4 g/L，操作溫度 25 ± 1℃。
由於本研究模組(厭氧固定生物反應系統)已穩定運轉逾 1 年，因此不需進 行啟動程序，僅需於實驗開始時先行以實廠污水馴養反應槽內微生物，由水力 停留時間 24 小時開時逐步調整至 16 小時後開始進行本研究之實驗流程。
實驗進行後，每日由出流水觀測管觀察出水狀況、清理出水管以避免管線 堵塞，出水狀況無異常則依各階段檢測項目及數量進行採樣。
各階段完成，變更水力停留時間以漸進式調整流量進行，調整期間以 1～
3 天為原則，調整到位後每日採樣檢測出流水 TCOD，待出流水 TCOD 穩定後 (原則以連續 3 天之測值判斷)，再進行階段性檢測項目之採樣作業。
圖 3- 3 厭氧固定生物反應系統
3.3 進流水來源及水質
本研究以採取單一污水水處理廠相同地點之污水作為反應系統之進流污 水，考量實驗用水水源取得之方便性，且更具有都市污水之代表性，本研究採 用接管普及率最高之台北市迪化污水處理廠初沉池出流水作為研究模組之進 流水，依實際需求定期由迪化污水處理廠初沉池出流渠道取水，並以桶裝方式 運送至實驗室，未即時使用部分則暫存於實驗室冰箱內。
迪化污水處理廠原於 1979 年 7 月啟用，為初級處理廠，每日負責處理台 北市除民生社區外之都市污水 25 萬噸(250,000 CMD)，配合環保署 1998 年 1 月 1 日起實施新排放標準，於 1998 年 4 月停廠改建並提升為二級處理廠，於 2006 年完工後重新啟用，設計處理污水量增為 500,000 CMD，採半地下化設 計，其上方約 4 公頃土地興建迪化休閒運動公園，設置兒童遊樂場、溜冰場、
壘球場、籃球場、網球場等設施，供民眾無償使用。
迪化污水處理廠為全國規模最大的二級污水處理廠，採用雙層式沈澱池 設計(初沉池及二沉池均是)、深槽階段曝氣二級生物處理流程，並設有三級處 理水回收再利用設備(10,000 CMD)，可供作廠區沖洗、植栽澆灌使用，並提供 民間免費取用(植栽、街道沖洗等)。
迪化污水處理廠自 2006 年啟用以來，歷年來平均進流水水質 BOD5約為 101 mg/L (COD 約為 195 mg/L)，SS 則約為 97 mg/L；平均放流水水質 BOD5
約為 10 mg/L (COD 約為 29 mg/L)，SS 約為 14 mg/L；進流水水量則約為 430,000 CMD~450,000 CMD。
迪化污水處理廠歷年來進、放流水水質如表 3-1 及表 3-2。
表 3- 1 迪化污水處理廠歷年進流水水質
項目
日期
透視度 水溫 溶氧 pH BOD5 COD SS 氨氮 硝酸鹽
氮 亞硝酸
鹽氮
有機氮 總磷
大腸桿菌群 數
總油脂
cm ℃ mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L CFU/100ml mg/L 96 年 10.4 24.1 4.1 7 58.5 135.7 67.1 11.12 0.19 0.03 6.94 1.523 7.80×106 4.2 97 年 9.1 24.1 4 7.1 93.6 160.6 97.1 12.35 0.15 0.03 7.66 2.579 1.10×107 5.4 98 年 7.4 24.4 3.4 7.2 70.7 147.8 85.9 13.61 0.16 0.03 8.38 2.936 1.20×107 9.5 99 年 5.4 24 2.9 7.2 120.9 210.9 122.1 16.2 0.1 0.02 7.89 3.262 1.90×107 15.2 100 年 5.3 23.6 2.9 7.2 189.6 283 139.5 16.73 0.35 0.06 7.48 3.804 1.70×107 20 101 年 6.9 23.8 2.4 7.2 149.9 254.9 108.8 15.64 0.4 0.41 10.63 3.171 1.20×107 15.5 102 年 9.6 23.6 3.1 7.2 81.2 157.4 78 14.16 0.7 0.1 13.49 2.909 5.60×106 11.9 103 年 9.3 23.3 3.6 7.3 90.4 188.3 89.7 16.6 0.38 0.06 11.93 2.977 6.80×106 12.9 104 年 9.5 23.8 3.8 7.3 85.5 172.9 86.4 18.68 0.14 0.06 9.94 3.67 6.40×106 12.2 105 年 10.2 23.9 3.4 7.2 88.7 180 85.3 17.56 0.23 0.03 9.23 2.114 7.00×106 12.4 106 年 7.4 22.5 3.3 7.1 85.8 207 88.8 19.32 0.23 0.09 9.33 2.815 5.58×106 12.6 107 年 6.6 22.4 3.2 6.9 100.1 238.4 115.6 17.39 0.25 0.03 7.67 3.023 5.15×106 14.6 歷年平均值 8.1 23.6 3.3 7.2 101.2 194.7 97 15.78 0.27 0.08 9.21 2.899 9.61×106 12.2
整理自迪化污水處理廠歷年年報及月報
表 3- 2 迪化污水處理廠歷年放流水水質
項目
日期
透視度 水溫 溶氧 pH BOD5 COD SS 氨氮 硝酸鹽
氮 亞硝酸
鹽氮
有機氮 總磷
大腸桿菌 群數
總油 脂
餘氯
cm ℃ mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L CFU/100ml mg/L mg/L 96 年 21.9 25 4 6.4 7.6 48.2 22.1 3.87 4.4 0.09 4 1.943 4.30×103 2.1 21.9 97 年 26.3 25 3.5 6.5 9.7 36.6 18.4 2.98 3.44 0.12 6.6 1.68 1.40×102 1.4 26.3 98 年 29.9 24.7 2.6 6.7 8.3 22.2 12.5 2.16 2.74 0.05 3.86 1.193 2.40×102 1.3 29.9 99 年 30 24.5 1.9 6.7 10.1 22.9 10.9 3.25 2.03 0.06 2.74 0.825 6.80×103 1.4 30 100 年 30 24.3 1.8 6.9 10.5 24.5 11.7 4.99 1.02 0.2 3.14 1.022 2.30×103 1.1 30 101 年 30 24.4 4.4 6.6 9.4 19.5 9.4 2.32 4.06 0.15 3.55 0.86 3.30×103 1.3 30 102 年 30 24.2 6.6 6.8 9.4 20.7 10.2 1.96 2.96 0.11 3.86 1 1.90×103 1.5 30 103 年 30 23.8 6.5 6.9 9.3 23.9 11.1 3.65 2.48 0.21 3.85 1.068 8.20×1033 1.5 30 104 年 30 24.3 5.1 7 9.2 29.2 12.7 4.18 0.54 0.3 3.69 2.085 3.40×103 1.5 30 105 年 30 24.4 5.4 6.9 9.7 35.1 15 4.08 0.55 0.27 3.77 1.173 4.40×103 1.4 30 106 年 29.9 23.3 5.4 6.8 10 31.3 13.4 5.14 0.6 0.3 3.8 1.4 5.78×103 1.6 29.9 107 年 28.6 22.7 5.2 6.6 10.6 31.4 14.9 5.38 0.2 0.02 3.4 1.7 5.35×103 1.7 28.6 歷年平均值 28.9 24.2 4.4 6.7 9.5 28.8 13.5 3.66 2.09 0.16 3.86 1.329 3.84×103 1.5 28.9 整理自迪化污水處理廠歷年年報及月報
3.4 水質分析方法
在「厭氧生物處理都市污水：醣類、脂質與蛋白質定量定性分析研究(陳 昶瑞，2017)」中，為了釐清都市污水中主要有機組成所探討的醣類、脂質與 蛋白質等三成分之定量定性分析方法，在醣類總量的檢測分析部分，比對「蔥 酮法」與「還原糖法」，其檢測試驗結果顯示蔥酮法與還原糖法主要差別在於 蔥酮法對多糖檢測後之測值準確度高，且對污水添加回收率明顯優於還原糖 法；因此建議以「蔥酮法」作為總醣類之定量分析方法較為適合。
在蛋白質的檢測分析部分則比對「莫瑞法」與「凱氏定氮法」，其中凱氏 定氮法在試驗過程中，因 10 mg/L 的查核平均回收率與信噪比(S/N)無法符合 品管要求(即凱氏定氮法之分析極限範圍將高於 10 mg/L，不符都市污水中蛋 白質的檢測需求)，因此建議以「莫瑞法」作為總蛋白質之定量分析方法較為 適合。
在脂質的檢測分析部分比對「紅外線分析法」與「重量萃取法」，其中因 重量萃取法在試驗 10、30 mg/L 的查核樣品均存在低回收問題，顯示重量萃取 法之極限範圍遠將高於紅外線分析法，因此建議以「紅外線分析法」作為總脂 質之定量分析方法較為適合。
本研究對都市污水中的三成分(醣類、脂質與蛋白質)檢測分析方法即採用 在「厭氧生物處理都市污水：醣類、脂質與蛋白質定量定性分析研究(陳昶瑞，
2017)」中之「蔥酮法」、「莫瑞法」及「紅外線分析法」。
3.4.1 化學需氧量(COD)
本研究以 HACH DR 3900 水質分析儀(Spectrophotometer)量測化學需氧量 (COD)，DR 3900 可量測之 COD 濃度範圍有 15～150 mg/L、及 100～1000 mg/L 兩種。其原理為將待測水樣加入含過量重鉻酸根離子(Cr2O72-)及硫酸、銀離子、
氧化形成綠色的 Cr(Ill)，而硫酸的作用是形成酸性的反應環境，銀離子為催化 劑，汞則用來中和水樣中氯化物之干擾。當 COD 濃度為 15～150 mg/L 時，
DR 3900 是以波長 440 nm 之光線測量試劑瓶中剩餘之 Cr2O72-濃度，COD 濃 度為 100～1000 mg/L 時，則以波長 600 nm 之光線測量試劑瓶中生成之 Cr(Ill) 濃度。
TCOD 之分析步驟為：直接將 2 mL 待測水樣加入試劑瓶中；SCOD 則先 以 045 µm 之濾膜過濾後，取過濾後水樣 2 mL 加入加入試劑瓶中；搖晃加入 水樣後的試劑瓶使其充分混合後，置入 150℃之加熱器中加熱 2 小時，並冷卻 至室溫後，以 HACH DR 3900 水質分析儀進行檢驗分析。
3.4.2 三成分分析-醣類(蔥酮法)
本研究在醣類的檢測分析方法上採用蔥酮法(Morris, 1948)。
蔥酮法的使用最早來自於 Morris (1948)，後經諸多學者的研究改進，使蔥 酮法能在短時間內分析許多的樣品，且在耗用的藥劑上更少；蔥酮法的原理是 水樣醣類經水解成單糖，再與蔥酮進行縮合作用，合成藍綠色聚合物，再以其 進行比色定量。
實驗步驟為：先秤取 0.2 g 蔥酮與 100 mL 濃硫酸混合，配製成蔥酮試劑 備用，再將 1 mL 的待測水樣與 4 mL 的蔥酮試劑混合，將混合後的試管以渦 流加熱器在 100 ℃的溫度加熱 15 分鐘後冷卻至室溫後，以 UV 吸收光譜儀在 波長 620 nm 下測量其吸光值。
另需以葡萄糖標準品建立檢量線，以推算待測水樣中的醣類濃度，圖 3-4 為本研究建立之醣類檢量線。
3.4.3 三成分分析-蛋白質(莫瑞法)
本研究在蛋白質的檢測分析方法上採用莫瑞法(Lowry，1951)。
莫瑞法是由 Lowry 於 1951 年所建立，被廣泛用於生物化學領域及廢(污) 水中的蛋白質檢測，幾經改良後，其檢測所需時間較凱氏定氮法縮短許多。
莫瑞法的檢測原理主要依據兩種化學反應，其一為利用混合試劑將蛋白 質水解產生的胜肽鍵與鹼性銅離子反應形成雙縮脲(稱為雙縮脲反應(Biuret reaction))；其二為再加入福林-酚試劑，與雙縮脲出現呈色效果。
實驗步驟為：先配製 Modified Lowry 混合溶液與福林-酚試劑備用後。取 0.2 mL 待測水樣與 1 mL Modified Lowry 混合溶液攪拌後靜置 10 分鐘後，續 添加 0.1 mL 福林-酚試劑，再混合均勻後靜置 1 小時，以 UV 吸收光譜儀在波 長 750 nm 下偵測其吸光值。
Modified Lowry 混合溶液的配製方法為：(1) A 試劑：配製 2%的 Na2CO3
後加入 0.1 N 的 NaOH，(2) B 試劑：配製 1%的 KNaC4H4O6，(3) C 試劑：配
y = 0.0077x + 0.0026 R² = 0.9978
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
0 10 20 30 40 50 60
吸光值
濃度(mg/L)
圖 3- 4 醣類檢量線
製 0.5%的 CuSO4•5H2O，(4)將 A、B、C 三試劑混合後，即為 Modified Lowry 混合溶液。
福林-酚試劑的配製方法為：將 2 N 的 Folin-酚試劑與 H2O 以 1:1 比例混 合即可。
另需以牛血清(BSA)標準液建立檢量線，以推算待測水樣中的蛋白質濃度，
圖 3-5 為本研究建立之蛋白質檢量線。
3.4.4 三成分分析-脂質(紅外線分析法)
本研究在脂質的檢測分析方法上採用紅外線分析法(APHA, 2012)。
在國際公告的脂質檢測分析方法中，紅外線分析法是近期發展出來的快 速檢測方法，準確度更高，且檢測的極限範圍可降低至 0.5～1 mg/L，在分析 時因顧及水體中的總碳氫鍵結，必須以萃取溶劑萃取油脂後，再以傅立葉紅外 線分析儀(FT-IR)進行檢測。
實驗步驟為：取待測水樣 50 mL 置入試管中，加入 15 mL 的四氯乙烯，
震盪數分鐘後靜置使其分層後，擷取其中之有機層，以經 105℃烘乾後的硫酸
y = 0.0064x - 0.0035 R² = 0.9956
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
0 10 20 30 40 50 60 70
吸光值
濃度(mg/L)
圖 3- 5 蛋白質檢量線
鈉予以去水後，再將水樣以玻璃纖維加上漏斗過濾，重複萃取 3 次後，稀釋至 50 mL，以傅立葉紅外線分析儀(FT-IR)進行檢測分析，分析時，先掃描 2900～
3100 cm-1之波段以建立基線，再觀察 C-H 族群的波峰後換算面積值進行定量，
CH2產生的吸光訊號約落在 2930 cm-1，CH3則約落在 2960 cm-1。
另需以辛酸與異戊酸混合成之總石油氫化合物標準液建立檢量線，以推 算待測水樣中的脂質濃度，圖 3-6 為本研究建立之脂質檢量線。
y = 0.0011x + 0.0029 R² = 0.9878
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
吸光值
濃度(mg/L)
圖 3- 6 脂質檢量線
3.5 實驗材料與設備
3.5.1 實驗藥品
化學需氧量(COD)的檢測除需購置含過量重鉻酸根離子(Cr2O72-)及硫酸、
銀離子、汞離子的混合溶液試劑瓶外，並不需額外的藥品；蔥酮法(醣類檢測 方法)使用之化學藥品為蔥酮試劑；莫瑞法(蛋白質檢測方法)使用的化學藥品 包括 Modified Lowry 混合溶液與福林-酚試劑，另須以 BSA 作為蛋白質標準 品配製成 100 mg/L 標準儲備液(須冷藏保存)；紅外線分析法（脂質檢測法）
使用的化學藥品為四氯乙烯，另須以辛酸與異辛烷作為碳氫化合物標準品(配 製方式為：取 0.055 mL 辛酸與 0.072 mL 異辛烷並用四氯乙烯定量至 100 mL 後，再以四氯乙烯溶劑稀釋至 100 mg/L，須冷藏保存)，相關藥品規格與廠牌 整理如表 3-3。
表 3- 3 實驗用藥品一覽表
檢測項目 檢測方法 化學藥品 藥品/廠牌
醣類 蔥酮法 蔥酮試劑 蔥酮(Anthrone) 97% /美國 Sigma-Aldrich
蛋白質 莫瑞法
混合試劑 1. 酒石酸鉀鈉(Potassium sodium tartrate，KNaC4H4O6·4H2O)、硫酸 銅(Copper(II) sulfate，CuSO4·5H2O) 、碳酸鈉(Sodium
carbonate，Na2CO3)/日本 Nacalai tesque
2. 氫氧化鈉(Sodium hydroxide，NaOH)/德國 Merck
3. 福林-酚試劑(Folin & Ciocalten Phenol Reagent)與 BSA (Bovine serum albumin)標準品/美國 Thermo scientific
Folin-酚試劑 BSA 標準品
脂質 紅外線分
析法
四氯乙烯 四氯乙烯 (Tetrachloroethylene，C2Cl4)，≥99.5% 、辛酸(Octanoic acid，C8H16O2) 與異辛烷(2,2,4-Trimethylpentane，C8H18) GC 等級/
美國 Sigma-Aldrich 碳氫化合物
標準品
3.5.2 實驗設備
1. 過濾器材
化學需氧量(SCOD)檢測及三成分(醣類、蛋白質及脂質)檢測前須使用之 濾膜孔徑為 0.45 µm，直徑 47 mm 之醋酸纖維材質搭配過濾器(KP-47S, ADVANTEC MFS., Japan)將待側水樣過濾。
2. HACH DR 3900 水質分析儀
DR 3900 水質分析儀，用於檢測化學需氧量(TCOD、SCOD)，量測波長範 圍為 340nm～900nm，波長準確度為±1nm，解析度為 1nm。
3. 分光光度計(UV-3100 Spectrophotometer)
分光光度計(UV-3100 Spectrophotometer)，用於醣類之蔥酮法及蛋白質之 莫瑞法，藉由呈色試劑的添加，使待測水樣中的目標物呈色並量測其吸光值，
以換算成碳水化合物及蛋白質的濃度。
4. 傅立葉轉換紅外光譜(FT-IR)
傅立葉轉換紅外光譜儀(FT-IR)，用於檢測脂質，觀察溶於四氯乙烯溶劑中 的總石油碳氫化合物之 CH2與 CH3中 C-H 鍵結之吸光值，並以 C-H 族群的波 峰後換算面積值來進行定量。
傅立葉轉換紅外光分析儀(FT-IR)之相關資料及設定參數如下：
(1)儀器型號：PerkinElmer Frontier IR/NIR spectrometer (PerkinElmer, Inc., Shelton, CT USA) in mid-IR mode。
(2)實驗室溫度：25 ± 2℃
(3)配件：檢測脂質用之定量配件(Oil In Water Analysis Kit)、Quartz/Matched pair 10 mm，英國 Specac 公司。
(3)快速掃瞄資料收集：設定每秒鐘至少可進行 50 次掃瞄。
3.6 效能評估
為探討研究模組處理效能，本研究將針對各有機成分之去除率、有機負荷 率、單位體積削減率及單位微生物質量削減率進行評估，並與實廠(TNCU 處 理程序，Taiwan National Central University)之處理成效比對，探討兩者間之處 理差異。
3.6.1 去除率
1. 化學需氧量(COD)
化學需氧量(COD)去除率(%)= 進流 COD−出流 COD
進流 COD ×100%
2. 醣類
醣類去除率(%)= 進流醣類濃度−出流醣類濃度
進流醣類濃度 ×100%
3. 蛋白質
蛋白質去除率(%)= 進流蛋白質濃度−出流蛋白質濃度
進流蛋白質濃度 ×100%
4. 脂質
脂質去除率(%)= 進流脂質濃度−出流脂質濃度
進流脂質濃度 ×100%
3.6.2 進流有機負荷率
有機負荷率Ln= 進流有機物 反應槽體積
= 反應槽流量 Q(m
3⁄hr)×進流有機物濃度(mg L)⁄
反應槽體積 V(m3)
= 進流有機物濃度(mg L)⁄
水力停留時間 HRT(hr)
= 進流有機物濃度(mg L)×10⁄ −6kg/mg×103L m⁄ 3
水力停留時間 HRT(hr)×1day24hr
= 24×10
−3×Cinf
kg/m3/day
3.6.3 單位反應槽體積削減率
單位體積削減率Tr= 流量 Q(m
3⁄hr)×(進流有機物濃度−出流機物濃度)(mg L)⁄
反應槽體積 V(m3)
= (Cinf−Ceff)(mg L)×10
−6kg/mg×103L m⁄ 3
⁄
水力停留時間 HRT(hr)×1day24hr
= 24×10
−3×(Cinf−Ceff)
HRT
kg/m3/day
3.6.4 單位質量(微生物)削減率
單位質量(微生物)削減率Sr= 有機物削減量 微生物總量 = 反應槽體積 V(m
3)×(進流有機物濃度−出流有機物濃度)(mg L)⁄
微生物濃度(mg L)⁄ ×反應槽體積 V(m3)
= Cinf−Ceff
微生物濃度 mg 有機物/mg 微生物
= Cinf−Ceff
微生物濃度 kg 有機物/kg 微生物
第四章 結果與討論
4.1 化學需氧量(COD)檢測結果
化學需氧量(COD)之檢測較生化需氧量(BOD5)簡便快速，因此普遍被污水 處理廠作為處理效能之綜合及簡易評估手段，用以評估污水處理廠之綜合處 理效能，進而檢討並調整操作參數。
4.1.1 檢測數據
實驗分別以水力停留時間(HRT)16、12、8、6 小時操作，檢測進流(inf)、
出流(eff)之 TCOD 及 SCOD。
本研究係以全實廠(迪化污水處理廠)污水(初沉池出流水)進行，其水質受 用戶端尖離峰排出、收集系統(下水道、截流站、抽水站等)及前處理設施(沉砂 池、撈污機及初沉沉等)之效能等多重因素影響，進流水水質較不穩定且無法 掌控，從檢測數據中可發現在研究模組操作期間內進流污水平均 TCOD 為 261 mg/L，最大值為 331 mg/L，最小值為 158 mg/L；SCOD 則變化幅度較小，其 平均值為 81 mg/L，最大值為 144 mg/L，最小值為 47 mg/L。
出流水質則呈現穩定趨勢，TCOD 平均值為 59.5 mg/L，最大值為 96 mg/L，
最小值為 23 mg/L；SCOD 平均值為 31.1 mg/L，最大值為 57 mg/L，最小值為 14 mg/L (進、出流水質之化學需氧量檢測結果彙整如表 4-1 及圖 4-1)。
對於研究模組之整體效能，雖進流水質較不穩定，但出流水質則相對平穩，
顯示模組運作相當穩定，受進流水質之變化影響不大。
