廢水中的微生物

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環境工程學講義

中原大學生物環境工程學系環境生物科技研究室

Environmental Engineering Chung Yuan Christian University 污水2-1

廢水中的微生物

微生物扮演的角色

• 不同種類的微生物可穩定有機物質，微生物將膠狀或溶解性的含碳有機物質分解為氣體或原生質（可將其視為微生物），以重力沉降法將其自處理水中去除。

• 由於原生質本身即為有機物，因此若未從

處理水中去除，顯然並未達到該處理程序

應有的功能，解決方法即是將其部份有機

物再轉化為不同種類的氣態最終產物。

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微生物分類

• 以界區分

– 依據微生物其結構與特性可區分為五大族群，這些族群稱為界 (kingdoms)，分別為動物、植物、原生動物、

真茵及細菌。

以能量及碳源區分

• 微生物與碳源及能源的關連性相當重要，碳源是細胞合成時所必需的物質、而能源則是由胞外所獲得，為細胞進行合成代謝所必需。

• 由於廢水處理的目標是將廢水中的碳源及能源轉化為微生物細胞，進而以沉澱方式將其自水中去除，故促進微生物的生長可獲致其所需的碳源及能源，進而去除水中有機物。

• 利用有機物質做為碳源，屬於異營性 (heterotrophic)，若僅需要CO

₂

為碳源時，則為自營性(autotrophs)。

• 利用陽光做為能量來源時，屬於光合營養性

(phototrophs)，化學營養性(chemotrophs)的能源是由有機物或無機物的氧化/還原反應中獲得，organotrophs利用有機物，而lithotrophs則氧化無機物質。

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與溶氧的關係做區分

• 細菌在氧化/還原反應中，亦可以最終電子接受者是否利用溶氧做為區分的依據。

• 當微生物以溶氧為最終電子接受者時，稱為絕對好氧茵 (obligate aerobes)，若廢水含有溶氧而可提供絕對好氧菌，

稱為好氧狀態。

• 絕對厭氧茵(obligate anaerobes)則是微生物無法利用水中的溶氧做為最終電子接受者。

• 兼性厭氧茵(facultative anaerobes)則能夠以溶氧為最終電子接受者 , 且在特定情況下 , 可以在缺乏溶氧的環境中生長。

• 在缺氧的情況下，利用亞硝酸鹽(NO

₂

)及硝酸鹽(NO

₃

)為最終電子接受者的兼性厭氧菌族群稱為脫硝菌(denitrifers)，在缺乏溶氧下硝酸鹽氮轉化為氮氣的程序稱為缺氧脫硝。

以細菌生長溫度區分

• 每一種細菌均有最佳的生長溫度範圍，一般可分成四類

– 嗜冷性細菌(psychrophiles)：最佳生長溫度需低於20℃。

– 嗜溫性細菌(mesophiles)：生長的溫度範圍為25到40℃。

– 嗜熱性細菌(thermophiles)：45到60 ℃的範圍則適合。

– 狹範園嗜熱茵 (Stenothermophiles)：當溫度高於60℃。

• 雖然上述規則有清楚的界定，但在超過這些溫度時，細菌仍可以生長並殘存，例如屬於嗜溫菌的E.

coli茵(Escherichia coli)可以在20至 50 ℃的範間內生

長並繁殖，即使溫度降至0℃時亦可緩慢生長，但

若快速冷凍，這些細菌及其他微生物可以保存數年

且無顯著的死亡。

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廢水處理中的重要微生物

• 細菌 (bacteria)

– 廢水處理廠中最多的微生物族群，屬於利用溶解性食物的單細胞微生物，處理中以化學異營性細菌佔優勢，但並無最佳的特殊菌種。

• 真菌 (fungi)

– 真菌是多細胞、非光學合成、異營性微生物，真菌屬於絕對好氧性細菌，可以分裂、發芽及形成孢子等方式繁殖，這些細胞對氮的需求僅有細菌的一半，因此在缺氮的廢水中，真菌比細菌較佔優勢。

• 藻類 (algae)

– 此微生物族群屬光合自營性，具有單細胞或多細胞，由於大部份菌種均有葉綠素，可經由光合成產生氧氣。在陽光下，光合成所產生的氧氣大於呼吸所利用的氧氣量 ; 晚上行呼吸作用消耗氧氣，若白晝的時數遠超過夜晚，則會有多餘的溶氧產生。

• 原生動物 (protozoa)

– 原生動物為單細胞的有機體，以二分裂法繁殖，大都為好氧的化學異營性生物，並以細菌為食物。由於原生動物可擔任掃除細菌的清道夫角色。因此希望其存在於放流廢水中。

• 輪蟲(rotifers)

– 好氧、多細胞的化學異營養性動物，在頭部有二叢織毛作旋轉似的運動，其織毛可以運動並捕捉食物，輪蟲的食物為細菌及細小的有機顆粒物。

細菌生物化學

• 代謝 (metabolism) 一詞用於描述細胞的化學反應過程，分為分解代謝及合成代謝兩部份。

• 分解代謝(catabolism)為基質分解成最終產物以獲取能量的所有生化程序。在廢水處理廠中基質被氧化，氧化程序所釋放的能量被傳遞並財存在能量載體(energy carrier)中供細菌使用，經由分解代謝所分解的化學物質，部份被用以維持細菌的生命。

• 合成代謝(anabolism)為合成維持細胞生命與繁殖所

需的所有生化程序，整個合成過程是透過貯存於能

量載體內的能量所趨動。

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細菌代謝的典型機制

好氧分解

• 分解代謝的電子接受者種類，可決定混合液微生物的分解型態，有好氧、缺氧及厭氧三種，每一種分解型態會影響到污染物的利用。

• 好氧分解過程中必需有分子氧(溶氧，DO)做為最終電子接受者，最終化學產物為二氧化碳、水及新的細胞物質，在正常的自然水體中，好氧分解是其自淨的主要機制。

• 大多數的有機物質以好氧方式氧化分解，這是因為被氧化產生的最終產物的能量很低，因此較穩定，亦即這些最終產物不會危害到環境，且不會產生令人不悅的氣味。

• 好氧微生物在氧化時可釋放大量的能量，有高生長速率，

與其他氧化系統相比產生新細胞量較多，生物污泥產量。

• 由於好氧氧化的分解快速、有效及產生較少的臭味，因此廢水濃度較低時(BOD5小於500mg/L)可選用此系統，但是

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好氧廢水分解最終產物

缺氧分解

• 缺氧分解為在缺少分子氧時，一些微生物能夠利用硝酸鹽 (NO

₃ ^-

)做為最終電子接受者，此時的氧化程序稱為脫硝。

脫硝的最終產物為氮氣、二氧化碳、水及新細胞物質，脫硝所產生的能量約等於好氧分解，因此新細胞的產率和好氧分解者一樣多。

• 在廢水處理廠為了要去除氮以保護承受水體，因此脫硝反應相當重要，在傳統去除含碳物質的程序中，需加入此種特別的處理步驟。

• 廢水處理後的靜置亦與脫硝有關，若最終沉澱池是缺氧時，所形成的氮氣會使污泥上浮到水面，而從處理廠流到承受水體，所以必需確保最終沉澱池不會發生缺氧。

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缺氧廢水分解最終產物

厭氧分解

• 厭氧分解中分子氧與硝酸鹽不可做為最終電子接受者，硫酸鹽 (SO

₄ ^-2

)、二氧化碳及有機物質可做為最終電子接受者而被還原，硫酸鹽還原成硫化氫(H

₂

S)及一群具有臭味的含硫化合物，這些化合物稱為硫醇。

• 有機物質的厭氧分解(或稱為發酵、fermentation)可分為兩個步驟 , 首先，複雜的有機物質發酵形成低分子量脂肪酸(揮發酸)，接下來將這些有機酸轉化為甲烷，二氧化碳是做為電子接受者。

• 厭氧分解產生二氧化碳、甲烷及水等主要的最終產物，亦產生氨、

硫化氫及硫醇，後面三種化合物會發出令人難以忍受的臭味。

• 厭氧氧化時僅能釋出少量的能量，因此細胞的產生量（即污泥產量）很低，利用此一特性，經由好氧和缺氧程序所產生的污泥可利用厭氧分解加以穩定。

• 廢水濃度較低時不適合以厭氧分解直接處理，厭氧細菌的最適生長溫度是在嗜溫菌（25-40℃）生長溫度範圍的上緣，為獲得合理的

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厭氧廢水分解最終產物

好、缺、厭氧分解與

污泥產量之關係？？

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污泥產量與電子接受者之關係

族群動力學

• 細菌生長需求

– 最終電子接受者 – 多量養分

• 細胞所需的碳源

• 細胞所需的氮源

• ATP(能量載體)及DNA所需的磷 – 微量養分

• 微量金屬

• 某些細菌所需的維生素 – 適當的環境

• 濕度

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純培養的生長

• 遲滯期 (1ag phase)

• 加速生長期

(accelerated phase)

• 對數生長期 (log growth)

• 靜置期

(stationary phase)

• 死亡期

(death phase)

混合培養的生長

• 純種的微生物並不會存在於廢水處理廠或自然水體中，混合菌種受到環境的限制而彼此競爭及殘存。

• 菌種對相同基質的競爭優勢，是由該菌種對此基質的代謝能力所決定，較成功的菌種表示其對該基質的代謝較完全，因此可獲得較多的能量用於合成細胞而增加其數量。

• 由於細菌的體積相當小，所以每單位質量有很大的表面積，可迅速的將基質去除，因此比真菌佔優勢。同樣的道理，真菌又比原生動物佔優勢。

• 當所提供的溶解性有機物質缺乏時，細菌族群的繁殖將減少而掠食者則增加。最後將形成一種循環。

廢水中的微生物

廢水中的微生物

微生物扮演的角色

• 不同種類的微生物可穩定有機物質，微生 物將膠狀或溶解性的含碳有機物質分解為 氣體或原生質（可將其視為微生物），以 重力沉降法將其自處理水中去除。

• 由於原生質本身即為有機物，因此若未從

處理水中去除，顯然並未達到該處理程序

應有的功能，解決方法即是將其部份有機

物再轉化為不同種類的氣態最終產物。

微生物分類

以能量及碳源區分

2

與溶氧的關係做區分

2

3

以細菌生長溫度區分

• 每一種細菌均有最佳的生長溫度範圍，一般可分成 四類

• 雖然上述規則有清楚的界定，但在超過這些溫度 時，細菌仍可以生長並殘存，例如屬於嗜溫菌的E.

coli茵(Escherichia coli)可以在20至 50 ℃的範間內生

長並繁殖，即使溫度降至0℃時亦可緩慢生長，但

若快速冷凍，這些細菌及其他微生物可以保存數年

且無顯著的死亡。

廢水處理中的重要微生物

細菌生物化學

• 代謝 (metabolism) 一詞用於描述細胞的化學反應過 程，分為分解代謝及合成代謝兩部份。

• 合成代謝(anabolism)為合成維持細胞生命與繁殖所

需的所有生化程序，整個合成過程是透過貯存於能

量載體內的能量所趨動。

細菌代謝的典型機制

好氧分解

好氧廢水分解最終產物

缺氧分解

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缺氧廢水分解最終產物

厭氧分解

4 -2

2

厭氧廢水分解最終產物

好、缺、厭氧分解與

污泥產量之關係？？

污泥產量與電子接受者之關係

族群動力學

純培養的生長

混合培養的生長

• 不同種類的微生物可穩定有機物質，微生物將膠狀或溶解性的含碳有機物質分解為氣體或原生質（可將其視為微生物），以重力沉降法將其自處理水中去除。

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₃

• 每一種細菌均有最佳的生長溫度範圍，一般可分成四類

• 雖然上述規則有清楚的界定，但在超過這些溫度時，細菌仍可以生長並殘存，例如屬於嗜溫菌的E.

• 代謝 (metabolism) 一詞用於描述細胞的化學反應過程，分為分解代謝及合成代謝兩部份。

₃ ^-

₄ ^-2

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