模擬生活污水培養小球藻探討生長特性之研究

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模擬生活污水培養小球藻探討生長特性之研究

模擬生活污水培養小球藻探討生長特性之研究摘要

台灣不斷積極實行全國污水下水道化，集中處理生活污水，減少污水排放至河川的總量。而一般污水處理系統中提供適合環境及足夠營養源的生物淨化操作方式與培養微藻的方式相同，故改以培養微藻來處理生活污水，不僅處理污水也改善傳統處理程序污泥產生的問題，同時生產的藻體可製成生質能源、飼料等環保及經濟效益。

本研究以模擬生活污水作為培養小球藻(Chlorella sp.)之基質，以批式培養，

培養環境固定於 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

，光照週期為 12 h light/12 h dark，通氣空氣流速固定為 1 L．min

^-1

，以探討 Chlorella sp.培養於模擬生活污水 的生長特性和生長因子，並以以活性污泥法控制指標-食微比的概念，來探討模擬生活污水與小球藻生物質量之比值(F/M = TOC / Biomass)範圍。

實驗結果顯示，利用尿素作為培養 Chlorella sp.的唯一氮源時，培養期間的 pH 值較為穩定。而以固定 pH 7.5 相較其他 pH 4、6 更利於 Chlorella sp.生長，且 去除營養源效率較高。並且發現食微比 (F/M) = 0.05 和 4 已達極限值，低於或高 於此數質皆不適合 Chlorella sp.持續生長，而較適合 Chlorella sp.於模擬生活污水 的 F/M 範圍為 0.5~2。本研究規劃以去除營養源為主、藻體產量為輔，則以 F/M=0.5 為最佳，除碳、氮的效率分別為 528.44 TOC mg/g-algae 和 64.98 NH

4 +

-N mg /g-algae，若以藻體產量(比生長速率較高者)為主、去除率為輔，則以 F/M=1 為最佳，其比生長速率為 1.52d

^-1

，而除碳、氮的效率分別為 398.0 TOC mg/g-algae 和 47.17 NH

4 +

-N mg /g-algae。

關鍵字：Chlorella sp.、模擬生活污水、食微比、比生長速率、碳及氮去除

一、前言

在全球的已開發及開發中之國家，隨著人口成長、都市化和工業化的發展，

每日都會產出大量的生活污水和工業廢水，因此處理大量廢污水目前成為全球共同的議題。在台灣，工業廢水目前已訂定法規集中處理；而都市生活污水相較工業廢水，具有水量穩定、水質單純的優點，若將其放流水經過二級處理且應用於水資源方面，能降低廢污水排放至河川的總量，並轉作為生活次級用水、工業用水、河川保育用水，以及各類緊急備用水源等用途，進而提升水環境之生態品質及水資源再利用效益(王等，2007)。

都市生活污水可分為糞尿污水及生活雜排水（如洗澡用水、清潔用水等）

兩種，台灣每人每日生活污水產生量約 200 Lpcd (L per capita per day) (行政院環保署，2005)。

一般傳統污水處理程序除了經過初級處理，通常以活性污泥法處理及經過最終沉澱池處理後才予以放流；若為了獲得更好的水質，則以高級處理或利用特別

(2)

生物處理設備，以去除一般未能去除之污染物質，而活性污泥法中往往有產生大量污泥及污泥廢棄的問題產生。然而發現利用微藻於生活污水裡培養與污水處理系統裡的微生物淨化操作方式相同且有足夠營養源的供給，以及微藻生長特性具有繁殖迅速適應能力強，故改以培養微藻來處理生活污水，以其富含有微藻生長所需之營養鹽，可有效短時間將廢污水中的高碳高氮去除以及沒有污泥產生之問題，在 J. Garc´ıa (2000)之研究裡顯示出以高率藻類池(HRAPs)，最高除氮效率為 73%，可將 HRAPs 的氮濃度可以降低到小於 15mg/L。

因此培養微藻不僅處理污水也改善傳統程序污泥產生的問題，同時進行生物固碳法減緩全球暖化，並且生產的藻體仍有很好的附加價值，可製成生質能源、

飼料等環保及經濟效益。而培養微藻應用於防治污染的研究，在近十幾年有增無減，相信未來培養微藻技術發展與環工技術相互融合，將是全球共通的議題且持續研究開發的處理方法。

二、研究方法與實驗材料

1. 研究方法

本研究所使用的小球藻(Chlorella sp.)是來由行政院農委會水產試驗所提供 的，藻類對水體中之營養去除效率高，常被用以處理廢水中之營養鹽去除(Gordon et al.,1982)。另外藻類若在適當環境下，會有極高的生長速率，達到 50 tons/ha/yr (乾重)，其具有轉換營養鹽成為有用資源的潛力 (Shelef et al.,1980)。故本研究主 要目的是以模擬生活污水培養小球藻進行探討，期望了解小球藻在模擬生活污水 中的最佳生長條件，進而利用小球藻(Chlorella sp.)處理生活污水。

本研究主要實驗分為二個部分進行探討如下：

(1) 生活污水中氮的型態主要以氨氮、尿素的方式呈現，故將水產試驗所提供的 培養基改變氮源(同濃度的尿素)培養小球藻(Chlorella sp.)，探討小球藻在不同 氮源培養基下生長，瞭解小球藻是否適合生長於模擬生活污水中。

(2) 探討模擬生活污水培養小球藻的生長情形。

a. 以不同 pH(4、6、7.5)的培養條件小球藻的生長情形。

b. 改變小球藻接種量，在不同食微比範圍找出最佳比生長速率。

c. 以最佳條件(食微比及 pH)處理模擬生活污水中碳及氮的能力。

2.實驗材料

本研究的藻種來源是由行政院農委會水產試驗所(Council of Agriculture Executive Yuan, fisheries research institute)提供的小球藻(Chlorella sp.)。前期培養 的培養基為行政院農委會水產試驗所提供，其成分為：KNO

3

、MgSO

4

．7H

2

O、

KH

₂

PO

₄

、CaCl

₂

、NaFeEDTA、H

₃

BO

₂

、MnCl

₂

．4H

₂

O、ZnSO

₄

．7H

₂

O、CuSO

₄

． 5H

2

O、NaMoO

4

．2H

2

O、FeSO

4

．7H

2

O。而模擬生活污水則是引用陳(2002)文獻中的試驗之都市生活污水水樣配方，其成分為：Milk powder、Glucose、KH

₂

PO

₄

、 NH

4

Cl、Urea、FeCl

3

、Acetic acid。

3.藻體比生長速率之計算

一般微生物的生長模式通常以比生長速率(specific growth rate)的方式呈現，

本研究計算每天的比生長速率，則N

₀

和t

₀

為第零天的數據，比生長速率算法如 eq.(3-1) ( Tam and Wong，1996 )所示。

(3)

0 1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

OD660

Time (day)

Urea Medium

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

RCOD660

Time (day)

Urea Medium

μ=ln(N

i

/N

0

)/t

i

-t

0

(3-1) 式中μ為比生長速率(d

^-1

)

t為培養時間(day)

N

_i

和 N

₀

分別為 t

_i

和 t

₀

的生物質量(g/L) 4.實驗數據比例值之算法

本研究之實驗為批式實驗，實驗數據比例值用來比較實驗數值與初始數值之比例值算法如eq.(3-2)所示。

RC

(OD660/Biomass/TOC/NH4 + /NO3 -

)

= A

i

/A

0

(3-2) 此處的 RC(Relative Concentration)為比例值，A

_i

為在 i 時間點的 OD

₆₆₀

、Biomass、

TOC、NH

4 +

、NO

3 -

，A

0

為初始第 0 天的 OD

660

、Biomass、TOC、NH

4 +

、NO

3 -

。

三、結果與討論

1. Chlorella sp.於不同氮源之培養實驗

Chlorella sp.培養於不同氮源之培養基的藻體生長濃度(OD

₆₆₀

)趨勢圖，如 Fig.1(A)所示，雖然不同氮源藻體生長濃度的初始濃度有所差異，但可清楚發現，

以尿素為氮源之培養基與原培養基的 Chlorella sp.生長趨勢是相同的且持續生 長；由藻體生長相對濃度趨勢圖(RC

OD

660)，如 Fig. 4-1(B)所示，雖然以尿素為氮 源的整個藻體生長相對濃度的趨勢比原培養基稍差，但並不影響 Chlorella sp.的 正常生長。

在 Chlorella sp.培養於不同氮源之培養基的 pH 變化圖如 Fig. 2 所示，發現使 用尿素為氮源其培養環境 pH 值穩定維持於 6 左右，有相關研究指出，以尿素作為唯一氮源時，無論綠藻是在自營生長或異營生長的狀態下，其對於培養液 pH 值的影響都較輕微(Davis et al.,1953；Endo et al.,1974)。

Fig.1 Chlorella sp.培養於不同氮源之培養基培養實驗，(A)為藻體生長濃度趨 勢圖，(B)為藻體生長相對濃度趨勢圖。培養溫度為 25℃，光照強度為 90 μmol． m

^-2

．s

^-1

，光照週期為 12 h light/12 h dark。

(A) (B)

(4)

0 2 4 6 8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

pH

Time (day)

Urea Medium

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

O D

660

Time (day)

Fig.2 Chlorella sp.培養於不同氮源之培養基培養實驗 pH 變化圖。培養溫度 為 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

2. Chlorella sp.長期培養於模擬生活污水

Chlorella sp.長期培養於模擬生活污水之藻體生長濃度趨勢圖，如 Fig.3 顯 示，在第 10 天已到達穩定生長期，最大的生長濃度可達到 OD

₆₆₀

=2.46，而在第 0-6 天的培養為生長最為快速。在與培養基前期培養相比較的藻體生長相對濃度 變化圖，如 Fig. 4 所示，發現 Chlorella sp.培養於模擬生活污水中比原培養基前 期生長較為快速，進而達到更快處理污水且得到一定的藻體量，這是因為模擬污 水中含有少量的有機碳物質及氨氮，為 Chlorella sp.的生長與分裂所需的營養物 質，所以當 Chlorella sp.攝取這些營養物質進行繁殖生長相對的污染物去除效率 也增加。

在 Chlorella sp. 長期培養於模擬生活污水的 pH 變化，如 Fig.5 所示，發現 培養初期 pH 值會突然提高許多，在同樣模擬生活污水培養條件中發現第一天 pH 值就達到 9.53，最高至 pH 10.28，當培養環境 pH 值達到 9.56 時，會造成 NH

₄ ⁺

-N 轉換成 NH

3

氣提，而 pH 增加之原因是因為模擬生活污水中的主要化合物 urea(尿素)透過細胞裡的 ATP-dependent urea amio-lyase 酵素系統轉換形成 NH

₄ ⁺

與 HCO

₃ ^-

吸收所導致的，過程中需要 H

⁺

的補助(Mark and Trevan, 1988)。為使模擬污水中的營養源-氮碳確實由微藻的培養所消耗，所以接下來實驗將固定 pH 來進行培養。

Fig.3 Chlorella sp.長期培養於模擬生活污水之藻體生長濃度趨勢圖。此培養溫度 為 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

(5)

0 1 2 3 4 5

0 4 8 12 16 20 24

RCOD660

Time(day)

wastewater Medium

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 4 8 12 16 20 24

pH

Time(day)

Fig.4 Chlorella sp 長期培養於模擬污水與前期培養相比較的藻體生長相對濃度 圖。培養溫度為 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

Fig.5 Chlorella sp.長期培養於模擬生活污水之 pH 變化圖。培養溫度為 25℃，

光照強度為90 μmol．m

^-2

．s

^-1

3. Chlorella sp.於固定不同 pH 之模擬生活污水培養實驗

此實驗為了模擬生活污水中的氮源確實由微藻培養中所消耗，且大部分微藻最適 pH 值在中性左右(陳，2006)，分別固定 pH 4、6、7.5 之模擬生活污水來培 養 Chlorella sp.。

在藻體生長濃度趨勢圖和藻體生物質量趨勢圖及其藻體生物質量相對變化圖中，分別由 Fig. 6、Fig. 7(A)、(B)所示，可觀察到在固定 pH 7.5 的培養所得的藻體生長濃度較高、藻體生物質量較多且生長速度最快；而在固定 pH 4 的培養 生長情況較差，甚至趨於平緩並無明顯成長，由此可知 pH 4 已不適合 Chlorella sp.

生長。

在調整前 pH 變化圖，由 Fig 8 所示，觀察到在固定 pH 7.5 培養中，前 12 小時趨於穩定 pH 約為 7.5，而在第 36 小時突然跳到 pH 9.08，之後又回穩 pH 約為 7；在固定 pH 6 培養中，整體 pH 值穩定在 6 左右，在第三天降至 pH5.17；

在固定 pH 4 培養中，其 pH 值穩定約為 4，pH 值的變動是因為在微藻行呼吸作用和光合作用時影響培養液的 pH 值，由 pH 4 培養實驗可知，藻體沒有生長則 pH 值較無變化。

在 NH

4 +

-N 消耗方面，由 NH

4 +

-N 相對濃度趨勢圖，如 Fig. 9 所示，在固定

(6)

0 0.4 0.8 1.2 1.6

0 8 16 24 32 40 48 56

O D

660

Time (hr)

pH=4 pH=6 pH=7.5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Biomass(mg/L)

Time (hr)

pH=4 pH=6 pH=7.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

RCBiomass

Time (hr)

pH=4 pH=6 pH=7.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 8 16 24 32 40 48 56

pH

Time (hr)

pH=4 pH=6 pH=7.5

pH 7.5 培養中，NH

4 +

-N 消耗最快速且在第 58 小時完全消耗；在固定 pH 6 培養中，亦緩慢消耗 NH

₄ ⁺

-N 但在第 58 小時尚有殘留 NH

₄ ⁺

-N 濃度 1.43ppm；而在固定 pH=4 的培養中，整體 NH

₄ ⁺

-N 並沒有太多的消耗。

Fig.6 Chlorella sp.於分別固定 pH 4、6、7.5 之模擬生活污水培養實驗，其藻體生 長濃度(OD

660

)變化圖。培養溫度為 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

Fig.7 Chlorella sp.於分別固定 pH 4、6、7.5 之模擬生活污水培養實驗，(A)為藻 體生物質量趨勢圖，(B)為藻體生物質量相對變化圖。培養溫度為 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

Fig.8 Chlorella sp.於分別固定 pH 4、6、7.5 之模擬生活污水培養實驗，期調整前 的 pH 變化圖。培養溫度為 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

(A) (B)

(7)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

RCNH4+-N

Time (hr)

pH=4 pH=6 pH=7.5

0 0.4 0.8 1.2 1.6

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68

OD660

Time (hr)

Fig.9 Chlorella sp.於分別固定 pH 4、6、7.5 之模擬生活污水培養實驗，其 NH

₄ ⁺

-N 相對濃度變化圖。此為批式培養環境固定指定的 pH 值且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

4. Chlorella sp.於固定 pH7 之模擬生活污水培養實驗

此實驗主要目的是確認培養期間 pH 值的變化和固定 pH 7 的培養實驗中 NH

4 +

-N 的消耗情形。

在藻體生長濃度趨勢圖，如 Fig.10 所示，在第 40 小時有減少的趨勢有可能是取點時間太密集所導致，且之後也是持續成長的趨勢；而在 24 小時前也是較快速成長。

在調整前的 pH 值變化圖如 Fig 11 所顯示，第 24 小時 pH 值開始有下降的趨勢，在第 48 小時開始回穩於 pH 7，這是因為在微藻行呼吸作用和光合作用時會使培養液的 pH 值變動(陳，2006)，第 48 小時後微藻的比生長速率趨於平緩，表示代謝已減緩(由 Fig.20 所示)，所以在 48 小時後 pH 值趨於穩定。

在 NH

₄ ⁺

-N 消耗方面，由 NH

₄ ⁺

-N 相對濃度變化趨勢圖，如 Fig.12 所示，培養期間 pH 維持在 pH 7±0.5 內，故確定模擬生活污水中的氨氮並未因氣提而損耗，而初始的模擬生活污水的氨氮濃度逐漸消耗，並發現在第 48 小時即可將模擬生活污水中的氨氮完全消耗。

Fig.10 Chlorella sp.於固定 pH7 之模擬生活污水培養實驗，其藻體生長濃度 (OD

660

)變化圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

(8)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68

pH

Time (hr)

0 2 4 6 8 10 12

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68

NH4+-N(mg/L)

Time (hr)

Fig.11 Chlorella sp. 於固定 pH7 之模擬生活污水培養實驗，其調整前的 pH 值變化圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

Fig.12 Chlorella sp. 於固定 pH7 之模擬生活污水培養實驗，其 NH

₄ ⁺

-N 相對濃度趨勢圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

5. Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗 (1) 不同食微比的藻體生長濃度和藻體生物質量之趨勢

本實驗為固定食物來源(模擬生活污水中的總有機碳)改變加入的小球藻生 物質量，即以不同的食微比(F/M=TOC/Biomass)之模擬污水來培養 Chlorella sp.。在藻體生物相對濃度趨勢圖和藻體生物質量相對變化圖，分別由 Fig.13 和 Fig.14 所示，發現到在 F/M=0.5、1、2 時，其藻體生長濃度增加較快速，而 F/M=1 之比生長速率是 F/M=0.05 的 5.6 倍。在 F/M = 0.05 和 F/M = 4 時，藻體濃度和 藻體生物質量皆有平緩的趨勢，甚至 F/M=4 時，Chlorella sp.生長趨勢有下降的 趨勢，由此判斷 F/M=0.05 和 4 為在固定的營養源(0.6 L 模擬生活污水)中最多和 最少可加入的小球藻(Chlorella sp.)生物質量的食微比極限值。

(9)

0 1 2 3 4 5

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

RCOD660

Time (hr)

F/M=0.05 F/M=0.5

F/M=1 F/M=2 F/M=4

0 5 10 15 20 25

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

RCBiomass

Time (hr)

F/M=0.05 F/M=0.5

F/M=1 F/M=2

F/M=4

Fig.13 Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗，其藻體生長相對濃 度趨勢圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

Fig.14 Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗，其藻體生物質量相 對變化圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

(2) 不同食微比的 pH 值變化

在不同食微比之模擬生活污水培養實驗中，調整前 pH 值變化圖如 Fig. 15 所示，觀察到除了 F/M = 0.05 以外，皆有先下降再升高的趨勢，這是因為模擬污水中 NH

4 +

的加入會導致微藻在黑暗週期的氧消耗呼吸作用短時間的快速增加，

並且隨著 NH

₄ ⁺

濃度越高氧消耗呼吸速率越快，因此導致 pH 會先有下降之情形 發生(Di-Martino-Rigano et al., 1998)。而在 F/M = 0.05 時，16 小時之後 pH 值有 降低至 6.8± 0.1 且調整後平穩不再變動。F/M = 0.5、1、2 和 4 時，其 pH 值的變動相對大許多，在第 16 小時之後 pH 值開始往上跳動，而在第 48 小時之後則有開始平緩下降的趨勢，這些現象都符合微藻代謝時，所產生的 pH 變動，在第 16 小時後食微比較高者持續生長，所以 pH 值持續上升；而在第 48 小時之後 pH 值就趨於平緩甚至下降，此原因推測在第 48 小時開始比生長速率較平緩(此可見 Fig.20 所示)，代謝減緩且測值時是屬不照光，因此所監測的 pH 值較低。

(10)

0 2 4 6 8

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

pH

Time (hr)

F/M=0.05 F/M=0.5

F/M=1 F/M=2

F/M=4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

RCTOC

Time (hr)

F/M=0.05 F/M=0.5 FM=1 F/M=2 F/M=4

Fig.1 Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗，其調整前的 pH 值變 化圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

(3) 不同食微比的碳消耗

碳源是藻體細胞組成的原料，也是其生長繁殖必需的能源物質之一。在模擬生活污水中碳(TOC)相對濃度趨勢圖如 Fig.16 所示。在 F/M = 0.05 時，一開始 TOC 值驟降消耗碳的速度較快，可能因為微藻量較少，微藻生長所需的營養源- 碳也相對多，因此，進而使微藻可以快速生長；而 F/M=0.5、1、2 時，一開始碳消耗並不明顯，但皆可約 48 小時可將碳消耗至約 15ppm 以下。

在不同食微比之模擬生活污水培養實驗，48 小時內模擬生活污水中碳(TOC) 濃度的消耗率對照表，如 Table 1 所示。去除碳的效率方面，其中將已不適合 Chlorella sp.生長的食微比(F/M=0.05 和 4)排除，以 F/M=2 的 543.07 TOC mg/g-algae 為最好，其次為 F/M=0.5 的 528.44 TOC mg/g-algae，由此觀察到食微比較高時，去除碳的效率越好。

Fig.16 Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗，模擬生活污水中 TOC 相對濃度趨勢圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

． s

^-1

(11)

Table 1 不同食微比之模擬生活污水培養實驗，48 小時內模擬生活污水中 TOC 濃度消耗率對照表。

F/M

TOC mg / g -algae TOC mg /L‧hr

0.05

368.94 7.69

0.5

528.43 11.01

1

398.00 8.29

2

543.07 11.31

4

531.33 11.07

(4) 不同食微比的氮消耗

氮是構成胺基酸、酵素、葉綠素和細胞膜等重要的代謝有機化合物，而一般微藻可利用的氮型態為硝酸鹽氮(NO

3 -

)、亞硝酸鹽氮(NO

2 -

)和氨氮(NH

4 +

)，大 部分微藻是屬於嗜銨型(Price et al.，1985)。

在 NO

₃ ^-

濃度消耗方面，由 NO

₃ ^-

相對濃度消耗趨勢圖，如 Fig.17 所示，F/M 較小(接種藻體量較多)時，尚有 NO

3 -

之濃度，這是因為在加入 Chlorella sp.生物 量時連帶前期培養的培養液，由隨著加入藻體量越少 NO

₃ ^-

濃度隨之減少，在食微比較高(F/M=0.5)時，在 NO

3 -

初始濃度已趨於零，而培養期間 NO

3 -

濃度尚未增加，由此推估模擬生活污水在培養期間並沒有轉換成 NO

3 -

，

有相關研究指出，當銨鹽和硝酸鹽同時共存時，綠藻會傾向於優先利用 NH

4 +

-N，且 NH

4 +

-N 的額外添加亦會立即抑制綠藻對 NO

3 -

的同化或吸收作用 (Syrett et al.，1963；Smith et al.，1971)。在本實驗中 F/M = 0.05 時，也有相同情 形發生，發現藻體量最多者一開始 NH

4 +

-N 濃度消耗最快，反而 NO

3 -

緩慢地削減，

甚至還殘留 47.56ppm 的 NO

₃ ^-

濃度，在此也證明綠藻主要以攝取 NH

₄ ⁺

-N 為先，

之後才是 NO

3 -

。在 NH

4 +

-N 濃度消耗方面，由 NH

4 +

-N 相對濃度消耗趨勢圖，如 Fig.18 所示，

在食微比較低(F/M=0.05)時，與碳消耗雷同，一開始 NH

₄ ⁺

-N 消耗快速，亦可能因藻體量較多需要更多的氮源。而除了 F/M = 4 以外，其他食微比皆可在四天內將氨氮完全去除，尤其食微比為 0.5 時，在第 48 小時 NH

₄ ⁺

-N 濃度僅剩下 0.75ppm。而食微比為 4 其 NH

4 +

-N 濃度幾乎沒有消耗的趨勢，這與小球藻沒有成長趨勢相似，所以 NH

4 +

-N 的消耗與 Chlorella sp.的生長有正相對的關係。

在不同食微比之模擬生活污水培養實驗，48 小時以內模擬生活污水中 NH

4 +

-N 濃度消耗率對照表，如 Table 4-2 所示。去除氮的效率方面，其中將已不 適合 Chlorella sp.生長的食微比(F/M=0.05 和 4)排除，以 F/M=0.5 的 64.98 NH

₄ ⁺

-N mg /g-algae 為最好，其次為 F/M=1 的 47.17 NH

4 +

-N mg /g-algae。

(12)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

RCNO3--N

Time (hr)

F/M=0.05 F/M=0.5 F/M=1 F/M=2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

RCNH4+-N

Time (hr)

F/M=0.05 F/M=0.5 F/M=1 F/M=2 F/M=4

Fig.17 Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗，其模擬生活污水中

NO 3 -

相對濃度趨勢圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

． s

^-1

Fig.18 Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗，其模擬生活污水中 NH

₄ ⁺

相對濃度趨勢圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

． s

^-1

Table 2 不同食微比之模擬生活污水培養實驗，48 小時內模擬生活污水中 NH

4 +

-N 濃度消耗率對照表 F/M

NH 4 +

-N mg /g-algae NH 4 +

-N mg /L‧hr

0.05

76.10 1.59

0.5

64.98 1.35

1

47.17 0.98

2

45.26 0.94

4

64.65 1.35

(13)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0.05 0.5

1 2

4 S p ec if ic g ro w th ra te (μ )

F/M

-0.1 0.4 0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.9

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

Specificgrowthrate(μ)

Time (hr)

F/M=0.05 F/M=0.5

F/M=1 F/M=2

F/M=4

(5) 不同食微比中 Chlorella sp.之比生長速率

在此實驗主要探討 Chlorella sp.培養於模擬生活污水較適合的食微比範圍中 找到最佳的比生長速率及生長速率的變化。在 48 小時內的比生長速率長條圖，

如 Fig.19 所示，以 F/M =1 時比生長速率 1.52 d

^-1

為最高， F/M = 2 的 1.44 d

^-1

為其次，而 F/M = 0.5 的比生長速率也有 1.1 d

^-1

。而在每隔 8 小時的比生長速率趨勢圖(t

0

皆為第 0 小時來計算)，如 Fig. 20 所示，可觀察到 F/M 較高(接種藻體量較少)時，在較短時間(16hr)的比生長速率較高，反之 F/M 較低(加入藻體量較多) 時，短時間內比生長速率較難提高。

Fig.19 Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗，在 48 小時內的比生 長速率長條圖。培養環境固定 pH7 且在 25℃，光照強度為 90 μmol．m

^-2

．s

^-1

Fig.20 Chlorella sp.於不同食微比之模擬生活污水培養實驗，每隔 8 小時的比生 長速率趨勢圖。

四、結論

1. 在不同氮源之培養基培養實驗中，尿素可作為培養 Chlorella sp.的唯一氮 源，且培養期間的 pH 值較為穩定。

2. 在固定 pH 的模擬生活污水培養實驗中，發現固定 pH 7.5 為小球藻於模擬生活污水中較適合培養環境因子之一，在第三天藻體生長濃度在

(14)

OD

660

=1.39 和藻體生物質量達到 330 mgL

^-1

以及氮的消耗亦在第三天完 全消耗，相較其他 pH 4、6 更利於 Chlorella sp.生長，且去除營養源效率 較高。

3. 在不同食微比之模擬生活污水培養實驗，其中 F/M = 0.05 和 4 已不適合 Chlorella sp.生長已達到極限值，所以 Chlorella sp.培養於模擬生活污水 中的適合食微比範圍為 0.5~2 之間。

4. 以 48 小時內能處理污水中營養源碳氮，且比生長速率也需較良好的生長狀況，本實驗以去除營養源為主而藻體產量為輔，則以 F/M=0.5 為最佳食微比，除碳除氮的效率皆頗高(528.44 TOC mg/g-algae；64.98 NH

₄ ⁺

-N mg /g-algae)，其比生長速率有一定的水準(1.1 d

^-1

) 若以藻體產量(比生長速率)為主去除率為輔，則以 F/M=1 為最佳食微比，其比生長速率為最好(1.52d

^-1

)，而除碳除氮的效率尚可(398.0 TOC mg/g-algae；47.17 NH

₄ ⁺

-N mg /g-algae)。

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4 +

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