• 沒有找到結果。

大 仁 科 技 大 學

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "大 仁 科 技 大 學"

Copied!
104
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

大 仁 科 技 大 學

環境管理研究所 碩士學位論文

藻相之顯微鏡照像及其萃出液之螢光 光譜圖特性分析

The Observation of Algae by Microscope and

Excitation-Emission Fluoresence Matrix of Its Extraction

研 究 生:張 志 文

指 導 教 授:賴 文 亮 博士

中 華 民 國 九十五 年 一 月

(2)

藻相之顯微鏡照像及

其萃出液之螢光光譜圖特性分析

The Observation of Algae by Microscope and Excitation-Emission Fluoresence Matrix of Its Extraction

研 究 生:張志文 Student: Zhi-Wen Zhang 指導教授:賴文亮 Advisor: Wen-Liang Lai

大 仁 科 技 大 學 環境管理研究所

碩士論文

A thesis submitted to the faculty of Tajen University

in partial fulfillment of the requirement for the degree of

January 2006

Yanpu, Pingtung Shiang, Taiwan, Republic of China

中 華 民 國 九十五 年 一 月

(3)

博碩士論文授權書

(國科會科學技術資料中心版本93.2.6)

本授權書所授權之論文為本人在大仁科技大學環境管理研究所環境工程 組九十四學年度第一學期取得碩士學位之論文

論文名稱: 藻相之顯微鏡照像及其萃出液之螢光光譜圖特性分析

□同意 □不同意

本人具有著作財產權之論文全文資料,授予行政院國家科學委員會科學技術 資料中心(或其改制後之機構) 、國家圖書館及本人畢業學校圖書館,得不 限地域、時間與次數以微縮、光碟或數位化等各種方式重製後散布發行或上 載網路。

本論文為本人向經濟部智慧財產局申請專利(未申請者本條款請不予理會) 的附件之一,申請文號為:______,註明文號者請將全文資料延後 半年再公開。

---

□同意 □不同意

本人具有著作財產權之論文全文資料,授予教育部指定送繳之圖書館及本 人畢業學校圖書館,為學術研究之目的以各種方法重製,或為上述目的再 授權他人以各種方法重製,不限地域與時間,惟每人以一份為限。

上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非專屬性發行 權利。依本授權所為之收錄、重製、發行及學術研發利用均為無償。上述同意與不同 意之欄位若未勾選,本人同意視同授權。

指導教授姓名:

研究生簽名: 學號:

(親筆正楷) (務必填寫) 日期:民國 年 月 日

1.本授權書 (得自http://sticnet.stic.gov.tw/sticweb/html/theses/authorize. html 下載或至 http://www.stic.gov.tw首頁右下方下載) 請以黑筆撰寫並影印裝訂於書名頁之次頁。

2.授權第一項者,請確認學校是否代收,若無者,請自行寄論文一本至台北市(106)和平 東路二段106 號1702 室 國科會科學技術資料中心 黃善平小姐。(本授權書諮詢電 話:02-27377606 傳真:02-27377689)

(4)

博碩士論文電子檔案上網授權書

(提供國家圖書館辦理電子全文授權管理用)

本授權書所授權之論文為授權人在大仁科技大學環境管理研究所環境工 程組九十四學年度第一學期取得碩士學位之論文。

論文題目:藻相之顯微鏡照像及其萃出液之螢光光譜圖特性分析

指導教授:

茲同意將授權人擁有著作權之上列論文全文(含摘要),非專屬、無償授權國家圖書

館及授權人畢業學校之圖書館,不限地域、時間與次數,以微縮、光碟或其他各種數 位化方式將上列論文重製,並得將數位化之上列論文以上載網路方式,提供讀者基於 個人非營利性質之線上檢索、閱覽,或並下載、列印。

□ 上列論文為授權人向經濟部智慧財產局申請專利之附件或相關文件之 一(專利申請案號: ),請於兩年後(即 年 月 日後)再將上列論文公開或上載網路。

授權人

姓 名:

身分證字號:T123202330

地 址:屏東市清溪里 28 鄰興中巷 63-2 號 電 話:0919865234

E-MAIL :tajenblank0819@yahoo.com.tw

中 華 民 國 九十五 年 一 月 日

(5)

博碩士論文電子檔案上網授權書

(提供授權人裝釘於紙本論文書名頁之次頁用)

本授權書所授權之論文為授權人大仁科技大學環境管理研究所環境工程 組九十四學年度第一學期取得碩士學位之論文。

論文題目:藻相之顯微鏡照像及其萃出液之螢光光譜圖特性分析

指導教授:

茲同意將授權人擁有著作權之上列論文全文(含摘要),非專屬、無償授權國家圖書

館及授權人畢業學校之圖書館,不限地域、時間與次數,以微縮、光碟或其他各種數

位化方式將上列論文重製,並得將數位化之上列論文以上載網路方式,提供讀者基於

個人非營利性質之線上檢索、閱覽,或並下載、列印。

□ 讀者基於非營利性質之線上檢索、閱覽或下載、列印上開論文,應依 著作權法相關規定辦理。

授權人

姓 名: (請簽名並蓋章)

中 華 民 國 九十五 年 一 月 二十五 日

(6)

大仁科技大學碩士班研究生 論文口試委員會審定書

九十四學年度第一學期

環境管理研究所 張志文 君所提之論文

題目:(中文)藻相之顯微鏡照像及其萃出液之螢光光譜圖特性分析

(英文)The Observation of Algae by Microscope and Excitation-Emission Fluoresence Matrix of Its Extraction

經本委員會審議符合碩士資格標準。

論文口試委員會 (加註委員職稱及服務單位) 召 集 人 委 員 委 員 委 員 委 員 指導教授 所 長

中華民國 年 月 日

(7)

誌 謝

本論文承蒙吾師 賴文亮副教授在研究所期間費心指導與教誨,每每 遇到困難與失敗時,吾師總是給予我鼓勵及建議,使我在論文研究期間 不至走偏方向,承蒙恩師愛護及指導才有學生燦爛的未來;除了學術上 的研究外,老師也秉持著認真及負責任的態度,教導著我們做人處世的 道理,恩師也為了聯繫實驗室學生間的情誼,架設了網站以及固定找時 間與畢業及在學之學生聚餐,除了增加學長姐及學弟妹間的情誼外,同 時也帶動了實驗室的向心力,恩師對於用心學生們都點滴在心頭,在此 除了感謝外,學生會永遠珍惜這份情誼。

口試期間感謝蘇惠美 教授及邱俊彥 教授在百忙當中蒞臨指導,並 給於學生在論文內容上之建議與斧正,使得學生之論文在學術上更具完 備及價值性,對於兩位老師「畫龍點睛」之功,學生以此至上萬分的謝 意。

求學期間感謝陳振正教授、許美芳教授、仲崇毅教授、邱俊彥教授 及高華聲教授等,在課業上給予細心的指導與教誨時時令我銘感五內,

尤其讓我體會到環境及生命的價值,在此僅致上由衷之謝意。

研究期間,特別感謝學長姐邵祺、聖峰、得名、胤文、名才、友仁、

秋菊、婉婷等人以及甲組同窗建宏、皓鈞、甄嬪、偕億、琇忠、明勳、

映達、素香大姐等人,在研究期間給予在研究上互相討論及生活上互相 照顧等種種歡樂及回憶;並感謝學弟妹博名、彥宏、勇廷、正偉、佩玲、

雅琇及韻璇等給於我在實驗上之幫助,除了上述的學長姐、同窗及學弟 妹外,更有許多幫助我的同學在此特別感謝你們在我求學期間給予我的 幫助,也因為有你們的陪伴,在研究的路上才不孤獨,也因為你們的陪 伴讓我有著無限的歡樂及回憶。

最後將此篇文章獻給我摯愛的父親、母親、弟弟以及小燕,在我發 洩情緒的時候給我最大的包容,在我失敗的時候給我爬起來的力量,在 傷心難過的時候給我最大的愛,在求學期期間家庭的溫暖,是我最大的 原動力,感謝家人在我求學期間給予我突破瓶頸的勇氣及力量,並讓我 無任何後顧之憂,並順利完成研究所之學業,僅以此論文回報你們的愛。

(8)

摘 要

依環保署之相關監測資料顯示,國內湖泊、水庫優養化情況近年來 越趨嚴重。由於優養化湖水中藻類會影響水廠之操作及水質之處理或處 理後之水質,由國內外研究文獻得知,大部分研究者著重於除藻技術開 發,少見相關研究報告進行藻類光譜特性分析。由於螢光光譜儀具有未 破壞有機物性質之特性,國內在此之研究亦顯得相當不足,故本研究除 比較不同顯微照像技術進行藻類觀察外,另利用螢光光譜儀進行水體藻 類 與 溶 解 性 有 機 質 之 螢 光 光 譜 圖 (Excitation-Emission Fluoresence Matrix,EEFM)比較,除藉以瞭解兩者之關連性外,並研究湖水中優勢藻 種對消毒副產物生成潛能之反應差異性。

研究結果顯示藻量與溫度、葉綠素 a、總磷與水體濁度均呈現高度之 正相關性。至於優勢藻含量百分比之變化,澄清湖(CCL)與鳳山(FS)湖水 兩 次 採 樣 之 主 要 優 勢 藻 均 為 綠 球 藻 科 (Chlorococcaceae) 與 色 球 藻 科 (Chroococcaceae),二科佔優勢藻量之 90 %;牡丹(MD)水庫第一次及第二 次,雖仍以綠球藻科與色球藻科為主,但其藻量僅佔總藻量之 70 %,該 水庫第三及第四次採樣結果則以 菱形藻科(Nitzschiaceae)及圓篩藻科 (Coscinodiscaceae)為主要優勢藻,其含量均佔總藻量之 72 %。另以螢光 顯微鏡觀察發現不同藻體所發出之螢光強度及顏色有明顯之差異,在相 同藻種之顆粒直鏈藻(Melosira granulate(Eherenberg) Ralfs Var. granulate) 及單角盤星藻(Pediastrum simplex Meyen Var. simplex),比較有無添加 Lugol's 溶液,皆可觀察到藻體自發性螢光減弱及顏色改變之現象。

另 CCL 與 FS 湖水中各兩次採樣之優勢藻數含量百分比與不同分子 量有機物碳含量百分比之變化,皆呈現一致性之變化,亦即綠球藻科增 加時,水中大於 5K 分子量有機物碳含量百分比呈現增加的現象,而色球 藻科減少時,水中小於 5K 之有機碳含量百分比則展現出減少之現象。

但在 MD 湖水第一及第二次採樣結果,有機碳含量百分比恰與 CCL 及 FS 之結果相反,其與優勢藻圓篩藻科之減少及鼓甲亞藻科之增加相關。

CCL、FS 及 MD 水庫過濾前與過濾後之 THMFP(THM formation potential)

(9)

形成之差異性,濾前均高於濾後。且由 THMFP 除以葉綠素 a 及藻數之比 值進行比較,顯示藻種對 THMFP 之形成有影響,綠球藻科、圓篩藻科、

鼓甲亞藻科及菱形藻科四種藻不利於 THMFP 之形成,而色球藻科、水網 藻科及顫藻科則有利於 THMFP 之形成。

原水及其濾液與藻體萃出液之 EEFM 之比較發現,CCL 與 FS 之水 樣測試結果在 220~230/300~310、230/330~350 及 270~280/330~340 之 EX/EM 波峰位置相近,另在 MD 第一及二次採樣,亦出現相似波峰,顯 然與湖水中綠球藻科及色球藻科之優勢藻種相關。至於 MD 第三及四次 採樣,在 210~250/300~310 出現 EX/EM 波峰,其濾液中主要波峰以 240~250/300~310 最為顯著,明顯與前兩次採樣結果相異,與該次採樣優 勢藻菱形藻科及圓篩藻科相關。亦即水體中有機物性質變化與藻種之變 化有明顯之關聯性。

關鍵詞:激發發射螢光光譜;藻體;水庫藻相;三鹵甲烷生成潛能

(10)

ABSTRACT

According to the information of Monitoring stations in lakes or reservoirs established by Environmental Protection Administration, eutrophication is becoming serious problem in recent years. The phenomenon of eutrophication in the lake is algal proliferation. Owing to its interference on treated water and operational process in water treatment supply, most of literatures were aimed to develop the technologies of removing algae for past several years. Because fluorescent meter have a properties without destructing the target measured, it is feasible to qualify the difference between structural characteristic in suspended particle or dissolve organic matter. Because of few papers to discuss the spectroscopic characteristic of algae as well as to compare the correlation between dissolved organic matter and algae in the eutrophic lake, using the function of fluorescent meter, EEFM (Excitation-Emission Fluoresence Matrix), to elucidate its relationship is worth trying. In this research, in addition to the study of spectrum, the THMFP (Trihalomethane formation potential), autofluorescene from different kinds of algae will be also described.

It indicates that algae number in three eutrophic lakes had positive correlation with temperature, chlorophyll a, total phosphorus, and turbidity.

Concerning the percentage of dominant algal number, in CCL and FS reservoirs, Chlorococcaceae and Chroococcaceae were consisted of 90 % in MD reservoir, its value was decreased to 70% in first and second sampling, but Nitzschiaceae 及 Coscinodiscaceae, contained of 72%, were dominant algal species in third and forth sampling. Also, there had different autofluorescent colors and intensity when different kinds of algae were observed under

epifluoresent microscope.

Taking Melosira granulate(Eherenberg) Ralfs Var. granulate and Pediastrum simplex Meyen Var. simplex)as a example , it reveals that the intensity of algal autofluorescence with adding Lugol's solution was weakened as compared with adding no Lugol's solution.

(11)

In this research, it finds that the percentages of carbon content in different MWCO (molecular weight cut-off) in dissolved organic matter were varied when percentage of algal species were changed. It means that the increase of Chlorococcaceae will increase the percentage of carbon content of dissolved organic matter which MWCOs is larger than 5K; however, the decrease of Chroococcaceae will decrease the percentage of carbon content of dissolved organic matter which MWCOs is less than 5K。But for first and second sampling in MD reservoir, the variations of the percentage of carbon content of dissolved organic matter were differed with those happened in CCL and FS reservoirs. It may be attributed the effect from the decrease of percentage of Coscinodiscaceae in total algal number and the increase of Cosmarium in total algal number. The THMFP value in source water compared with that of source water filtered, it shows that the former was larger than latter. Furthermore, Chlorococcaceae, Coscinodiscaceae, Cosmarium and Nitzschiaceae were unfavorable for forming the THMFP, but, Chroococcaceae, Hydrodictyaceae, and Oscillatoriaceae should be beneficial for forming THMFP.

For the EEFMs of source water, its filtrates, and extraction of algae analyzed from CCL, FS and MD reservoirs, peaks were always found in several locations of excitation/emission wavelength (EX (nm)/EM(nm)), including 220~230/300~310,230/330~350, and 270~280/330~340, but 240~250/300~310 can be found in the third and forth water samples taken from MD reservoir. This may be that the dominant algal species, Chlorococcaceae and Chroococcaceae, appeared in CCL, FS, and MD reservoirs on March and April were different from Nitzschiaceae and Coscinodiscaceae appeared in MD reservoir on November and December.

Keywords:

(12)

目 錄

頁次 誌謝

摘要………...I ABSTRACT………...III 目錄……….V 表錄………..………...….IX 圖錄……….………….……...X

壹、前言………1

一、研究緣起……….……….……1

二、研究目的……….……….…1

貳、文獻回顧………3

一、優養化……….3

(一)優養化之成因及分類………3

(二)歷年來國內水庫優養化及藻種變動………4

二、藻類衍生問題………7

(一)臭、味及色度……….7

(二)毒素……….9

(三)湖水水質之變化………...9

(四)影響淨水廠之操作………...9

(13)

1.濾床阻塞及污泥性質改變………..……....9

2.影響氧化劑及混凝劑加量及造成自然有機物質之變動..……..10

3.消毒副產物之前質………....12

三、螢光光譜儀運用於有機物之定性分析………...13

參、研究規劃與實驗分析方法………..17

一、研究流程之規劃………..17

二、採樣計劃………...19

三、實驗設備與分析方法………..19

(一)有機物分子量大小之決定……….19

1.腐植酸之配製………19

2.原水不同分子量有機物分離設備………19

(1)薄膜系統介紹操作………..19

(2)薄膜系統操作………..19

(3)薄膜前處理及清洗……….…20

(二)基本參數分析………..21

1.pH 值及導電度值………..21

2.透視度………21

3.濁度………21

4.鹼度………22

5.氨氮………23

6.總凱氏氮………....24

(14)

7.正磷酸鹽………....24

8.總磷………24

9.硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮及溴離子………24

10.葉綠素 a……….………..25

(三)有機參數分析………26

1.UV254……….………..26

2.溶解性有機碳(DOC)………26

3.三鹵甲烷生成潛能(THMFP)試驗………27

(1)採樣前處理………..27

(2)採樣及分析………..27

4.螢光光譜激發與發射光譜圖(EEFM)………..….………30

(四)藻類之計數與觀察………..…31

1.前處理……….………...………31

2.掃描式電子顯微鏡之樣本觀察………33

肆、結果與討論………35

一、優氧化湖水中藻種之變動及其與水質參數之相關性分析………35

二、螢光顯微鏡應用於藻體外觀之判別………41

三、優養化湖水中溶解性有機物性質及藻體對三鹵甲烷生成潛能 之影響……….…………...……48

四、湖水中溶解性有機物及藻體萃出物之 EEFM 圖譜之比較………58

伍、結論與建議……….72

(15)

一、結論……….72

二、建議……….73

陸、參考文獻……….………75

柒、附錄………...……...84

(16)

表 錄

表 1 不同湖泊優養化程度對應之總磷及無機氮之濃度……….…………4

表 2 台灣主要水庫歷年水質優養程度統計……….5

表 3 台灣地區主要水庫優養指數歷年監測結果之變化……….6

表 4 澄清湖湖水藻類之變動………..7

表 5 不同波長所對應之有機物參數及特性………...14

表 6 離子層析儀規格及操作條件………...25

表 7 Purge & Trap 的操作條件………28

表 8 以氣相層析儀(GC)分析三鹵甲烷(THM)之操作條件………...29

表 9 螢光光譜儀之操作條件……….31

表 10 掃瞄式電子顯微鏡之操作條件………..34

表11 三種水庫水源水質參數之比較……….…..36

表12 三種水庫水源水質參數之相關性………...37

表 13 不同原水 Chlorophyll a 產生 THMFP 之差異性………54

表 14 不同原水藻量產生 THMFP 之差異性………55

表 15 不同濁度下螢光波峰之強度值………64

(17)

圖 錄

圖 1 研究架構流程圖………18

圖 2 不同分子量有機物分離裝置……….20

圖 3 THM 氣相層析儀圖譜………29

圖 4 電顯樣本前處理示意圖……….32

圖 5 CCL 及 FS 水庫中,兩次採樣水中優勢藻含量百分比之比較………39

圖 6 MD 水庫,四次採樣水中優勢藻含量百分比之比較……….40

圖 7 單角盤星藻於三種顯微鏡下之照相觀察……….42

圖 8 添加 Lugol's 試劑後,顆粒直鏈藻及直狀透明針形藻於兩種顯微 鏡下之外觀照相觀察………43

圖 9 無添加 Lugol's 之角甲藻外觀照相觀察……….43

圖 10 顆粒直鏈藻無 Lugol's 溶液後於螢光顯微鏡持續曝光藻類自發 性螢光之顏色之變化………...45

圖 11 單角盤星藻添加 Lugol's 溶液後於螢光顯微鏡持續曝光藻類自 發性螢光之顏色之變化……….………45

圖 12 顆粒直鏈藻光學顯微鏡拍攝藻體經激發螢光照射前後之差異性...46

圖 13 單角盤星藻光學顯微鏡拍攝藻體經激發螢光照射前後之差異性...46

圖 14 不同水庫水樣中之 DOC 含量比較……….49

圖 15 不同水庫水樣中 SUVA 值之變化……….………..49

(18)

圖 16 不同水源中不同分子量有機物中含碳量百分比之比較…………..52

圖 17 三水源過濾前後 THMFP 之差異………..….54

圖 18 CCL 湖水中原水與經 0.45 μm 濾膜過濾後濾液之 EEFM 圖譜比較.58 圖 19 FS 湖水中原水與經 0.45 μm 濾膜過濾後濾液之 EEFM 圖譜比較….59 圖 20 MD 湖水中原水與經 0.45 μm 濾膜過濾後濾液之 EEFM 圖譜比較.61 圖 21 高嶺土純化過濾液之螢光光譜………...62

圖 22 超純水添加濁度後之螢光光譜圖………...63

圖 23 濁度對 Chodatella sp. 濾液之 EEFM 之影響………63

圖 24 不同濁度之螢光光譜之比較圖………....65

圖 25 牡丹水庫中藻體萃出液之 EEFM………...66

圖 26 CCL 湖水中溶解性有機物與藻體萃出液之 EEFM 比較…………..67

圖 27 FS 湖水中溶解性有機物與藻體萃出液之 EEFM 比較………..68

圖 28 MD 湖水中溶解性有機物與藻體萃出液之 EEFM 比較……….70

(19)

壹、前言

一、 研究緣起

台灣飲用水來源 70 %來自於水庫,然而水庫普遍存在優養化的問 題,其形成主因與水庫水體長期受到化學肥料、工業、農業及家庭廢水 之污染相關,且台灣四季如春的氣候,可提供藻類適當的生長環境,更 加速導致水庫之優養化。優養化發生時,水體常存有大量藻類之問題,

經國內外研究得知,藻類生長之因素與水體中氮及磷含量相關,故有效 控制氮、磷即可有效的抑制藻類的生長。

水體優勢藻種之改變,可能會影響水體中有機物質之性質,且藻類 會 釋 出 臭 、 味 、 色 度 、 濁 度 及 具 致 癌 性 或 具 突 變 性 之 消 毒 副 產 物 (Disinfection by-product, DBP)前質等問題,甚至部分藻類胞外物及其釋出 毒素,例如微囊藻毒等,均可能會危害水中生物生命。除上述問題之外,

藻類消耗水中二氧化碳導致水體 pH 值上升,夜晚進行呼吸作用時,降低 水中溶氧,並在底層形成厭氧反應,造成底泥釋出有害物質。由於部分 藻類會造成濾床阻塞,甚至改變污泥特性、增加氧化劑量、混凝劑加量 以及造成水體水質之變動等問題,故國內外有許多研究者進行藻類控制 技術之開發。由於藻類在不同生長階段,均可能釋出性質不同之溶解性 有機物質,國內雖有學者指出藻類於不同生長階段,釋出有機物分子量 大小不盡相同,但少見研究者利用螢光光譜儀進行藻類釋出有機物質及 萃取液性質變化之探討。另藻體外觀之觀測,傳統上均以光學顯微鏡或 掃描式電子顯微鏡進行,而螢光顯微鏡因具有藻體活性之觀察能力,故 藉由該設備進行藻相觀察似乎是另一有利之輔助工具。

二、 研究目的

本研究除利用螢光顯微鏡進行優養化湖水中優勢藻種之形態照相,

並進行各藻種螢光強度、光源照射、Lugol's solution 對藻體螢光之破壞,

同時利用光學顯微鏡與掃描式電子顯微鏡作為藻體破壞觀察之佐證。另 為瞭解藻體對消毒副產物生成潛能(THM formation potential,THMFP)之

(20)

貢獻,本研究亦進行原水濾前及濾後之 TTHMFP 之比較,並藉由優勢藻 種之變化,瞭解不同優勢藻種對 TTHMFP 貢獻之差異。又,為瞭解優養 化水中有機物性質與藻種之相關性,利用螢光光譜儀之激發與發射光譜 圖 EEFM,比較原水、原水過濾液及藻體萃出液,進而驗證優養化湖水 之有機物性質與藻體存在有其關聯性。

(21)

二、文獻回顧

一、優養化

(一)優養化之成因及分類

台灣近年來由於工商業的進步,帶動各行各業發達,並產生不同之 污染物,部分污染物進入湖泊水庫後,可能造成藻類滋生,水體而呈現 優養化之現象。分析其成因乃是依食物鏈之方式產生,水體之生產者 (水生植物、藻類等) 可將無機物轉變成生物可利用之有機物,有機物 轉嫁至更高層之消費者 (水生動物、人類等) 體內,生物死亡後將體內 有機物質分解釋出無機物質,然無機物質再被生產者所利用,如此循環 不息。藻類在水體中最主要之養分來源為 PO43-、NH4+-N 以及 NO3

--N 類等,並配合適當的溫度及陽光,致光合作用相當旺盛,造成藻類大量 的增殖。然而當藻類死亡後,本身所含之有機磷及有機氮被釋放出來,

有機磷分解成無機磷,有機氮則會分解成氨氮後,再氧化成亞硝酸鹽氮 及硝酸鹽氮,而這些有機物經分解及氧化後的無機物質,將再度被水體 中植物性浮游生物所吸收利用。

對於湖泊水庫水質之分類,不同研究者依其使用參數之不同,其分 類亦有所不同,馮纘華 (1983) 與 Reckhow et al. (1983)等整理世界經濟合 作及發展組織(OECD)及美國環境保護署(USEPA)之資料後,將湖泊、水 庫等蓄水設施之水體營養程度分成三個等級:

1. 貧養性 (oligotrophic) :水體中之營養鹽濃度、浮游植物與浮游動 物含量低,且各水層的溶氧值較高,水質清澈,水體透光性良好。

2. 中養性 (mesotrophic) :介於貧養與優養之間,為兩者的過渡時 期。因水體間的養分含量漸次累積,導致營養鹽類濃度逐漸升高,

浮游動植物獲得較多營養鹽與食物後數量增加,因此不但會造成水 體中的溶氧降低,也會造成水體之透光度降低。

3. 優養性 (eutrophic) :水中營養鹽濃度偏高,浮游植物含量明顯偏 高,但種類之多樣性變少,透光度降低,且藻類於死亡後在水底層

(22)

進行分解,導致水底層之溶氧含量降低,甚至可能因分解作用導致 溶氧不存在,除了會降低水質外也相對影響其使用性及處理成本。

另依徐明光 (1999) 研究中指出,藻類生長所需營養鹽之比例約為 C:N:P=100:16:1,藻類多屬自營性微生物,並可由大氣中取得二氧化碳為 其碳源,而水體中的氮及磷,即為藻類生長重要之營養鹽,若依水中總 磷及無機氮之含量差異,表示湖泊優養化程度,可分為五級,分別為貧 養、貧-中養、中養、中-優養與優養,並將其結果整理,如表 1。

表 1 不同湖泊優養化程度對應之總磷及無機氮之濃度

優養化程度 總磷(mg/m3) 無機氮(mg/m3) 貧(寡)養(oligotrophication) <5 <200

貧-中養(oligo-mesotrophication) 5~10 200~400 中養(oligo-mesotrophication) 10~30 300~650 中-優養(meso-eutrophication) 30~100 500~1500 優養(eutrophication) >100 >1500

(二)歷年來國內水庫優養化及藻種變動

由上述得知,優養化之成因與水庫中含大量營養源氮、磷相關,且 由於高濃度之氮和磷均集中於水庫之表層與中層水,此現象更易造成水 體上層藻類密度呈現迅速增加之趨勢。國內優養化水質判定主要以 Carlson 優養指數 (CTSI) 進行判定,其參數包括葉綠素a、總磷與透明 度,計算方式為[TSI(SD)+ TSI(Chl-a)+ TSI(TP)]/3。

行政院環境保護署 (環保署) 自民國82 年起,在國內二十座重要供 水水庫,設置75 個水質監測站進行水質監測,以掌握水庫水質狀況,根 據環保署 83 年度至 92 年度之監測結果顯示(表2),水庫營養程度在 92 年度時, 19 座主要水庫,屬貧養 2 座 (占 10.5 % ) ,普養 7 座 (占 36.9 %),優養 10 座 (占 52.6 %) ,在枯水時期,由於河川流量減少,

排放於河床之污染物無法藉由水量進行稀釋,故此受污染之河川引入水

(23)

庫時,水庫優養化現象更加嚴重。而南部之主要水源澄清湖、鳳山水庫 之水質,從民國 82 年至 91 年,均呈現嚴重之優養化 (表3) 。

表2 台灣主要水庫歷年水質優養程度統計(行政院環境保護署, 2002)

年別

貧養 普養 優養

水庫數 百分比 水庫數 百分比 水庫數 百分比

83 2 10 12 60 6 30

84 2 10 13 65 5 25

85 1 5 9 45 10 50

86 0 0 5 25 15 75

87 0 0 4 22.2 14 77.8

88 1 5 12 60 7 35

89 3 15 8 40 9 45

90 0 0 10 50 10 50

91 0 0 12 63.2 7 36.8 92 2 10.5 7 36.9 10 52.6

(24)

表 3 台灣地區主要水庫優養指數歷年監測結果之變化

(行政院環境保護署, 2003)

82年 83年 84年 85年 86年 87年 88年 89年 90年 91年 新山水庫 50.94 46.85 45.01 51.64 46.15 - 44.95 43.44 48.75 45.67 翡翠水庫 41.09 37.55 38.74 45.91 44.70 44.55 45.16 39.22 48.04 45.16 石門水庫 52.43 47.85 47.48 51.20 49.34 50.29 41.97 43.36 49.44 49.86 寶山水庫 47.66 48.29 50.69 50.51 50.16 54.82 49.27 50.18 54.00 48.00 永和山水庫 47.67 45.41 43.90 49.78 51.67 54.70 47.60 45.94 47.27 54.67 明德水庫 54.69 47.51 47.12 47.36 52.16 52.27 48.03 51.03 51.91 50.67 德基水庫 47.10 43.60 42.14 46.39 54.84 59.50 38.77 36.99 45.88 42.27 霧社水庫 41.60 41.29 42.29 42.37 50.87 46.16 42.82 41.73 45.88 47.17 鯉魚潭水庫 - 48.50 48.68 48.67 54.34 53.96 51.13 57.22 50.17 47.98 日月潭水庫 36.00 35.00 35.52 38.40 42.47 47.13 42.96 37.16 44.91 40.14 仁義潭水庫 57.48 54.85 47.25 47.62 55.58 57.81 50.63 52.61 55.63 53.99 蘭潭水庫 52.04 47.68 43.51 48.02 57.41 - 53.93 51.77 51.44 49.54 白河水庫 53.18 52.70 50.32 55.90 55.25 56.01 53.61 52.42 57.88 54.04 曾文水庫 49.92 44.40 43.50 47.12 51.58 50.34 44.49 44.83 46.92 47.81 烏山頭水庫 48.60 47.06 45.35 54.93 47.58 47.22 43.02 42.80 47.55 47.30 南化水庫 - 44.00 45.74 50.81 53.70 51.50 44.08 45.70 52.30 47.77 鏡面水庫 57.24 51.37 44.76 51.73 59.66 51.57 55.20 50.28 57.56 54.84 阿公店水庫 77.86 75.21 76.19 84.42 79.14 77.31 - - - - 澄清湖水庫 68.18 67.63 67.42 72.75 74.60 69.37 66.57 66.70 67.65 61.28

鳳山水庫 75.58 74.75 76.22 78.96 75.50 78.30 74.73 74.28 80.46 73.79

註:卡爾森指數(CTSI)<40 表示貧養,40~50 為普養,>50 為優養

國內學者李俊德及陳是瑩 (1985) 、溫清光等 (1995) 及 Lai et al.

(2002) 等人研究中發現,優勢藻屬隨季節之變化而異,造成此種變化因 素可能與季節之氣候、營養鹽之成分等背景因素之變化有相關性,澄清 湖優勢藻種之變化整理於表 4 (Lai et al., 2002)。表中顯示,澄清湖水中春 天之優勢藻類為 Cyclotella 及 Melosira 等兩種矽藻類,其適合生長之水

(25)

溫約為 20℃左右。夏季時當水溫達 30℃時,水中藍綠藻便大量生長,此 時則以 Microcystis 之藍綠藻為優勢微生物。

表4 澄清湖湖水藻類之變動 (Lai et al., 2002)

date Dominant species Algae count ( counts/mL )

23/11/98

Chlorella

16425 10/12/98

Synedra & Melosira

7266 02/01/99

Cyclotella

2124 07/01/99

Cyclotella

3681 02/02/99

Cyclotella

3398 24/02/99

Microcystis

7080 12/01/00

Chlorella

4068 16/02/00

Cyclotella & Melosira

3744 22/03/00

Chlorella

12607 15/05/00

Melosira & Chlorella

3152 12/06/00

Melosira

9457 26/06/00

Melosira

5886 09/08/00

Microcystis

8132 20/09/00

Microcystis

3409

二、藻類衍生問題

(一)臭、味及色度

台灣地區70%之公共給水是由水庫所供應,優養化湖水中之藻類被認 為是產生臭、味和色度等問題之重要因素 (陳是瑩等, 1982) 。水體中造 成臭、味之物種含有許多,其中可能是由生物及非生物所產生,這些臭、

味物質產生源包括家庭污水或工廠廢水的污染,除此之外,由水中生物

(26)

產生的臭、味物質也是重要的一環,藻類是水中生物中,普遍被認為產 生臭、味物質之重要原因之一。

優養化水庫藻類大量繁殖是造成水質惡化之主要因素,然而藻類生 長過程中所釋放及代謝之有機物質種類繁多,這些由藻類代謝及釋放之 有機物,於水中產生臭、味及色度等問題,此外藻體所產生之有機物,

亦造成微生物的生長,以及當水體有機物腐敗時,亦會有臭味產生(程 樹森, 1986);不同藻體本身均帶有不同之色素及顏色,故藻類大量繁殖 後,水體顏色亦會產生變化(Konno, 1993),並影響水中pH值之高低,

另外,當藻類增加時,亦會增加水體之濁度,當濁度提高時,水體透明 度則相對降低。

Maloney(1963)研究指出,藻體本身只會釋出10%之臭、味物質,

其他臭、味物質仍然存於藻體內,當藻類死亡後,才會全部釋出;藉由 國內外研究發現,藻類所引起之臭、味物質,可能是酸類、醛類、酯類、

酮類等有機物質,而 這 些 異 味 的 產 生 原 因 中,以 泥 土 味 的 研 究 最 多。另 Izaguirre(1982)於美國加州淨水廠發現之藍綠藻類,其釋出之有機 物,會產生另一有機物2-methylisoborneol,這種會產生此有機物之有機物 質被認為是水體中重要的土臭味物質產生源。綜觀國內外研究發現,不 同藻類會產生不同種類之臭味,如矽藻Synedra 及Melosira 會產生魚腥 臭,藍綠藻Oscillatoria 和Phormidium 會產生土霉味,綠藻Chlorella 和

Scenedesmus 則是青草味,而各種藻類所產生的臭味則會因地域不同而有

所差異。

Palmer (1962)將藻類產生的臭味分為四種:(1)芳香臭:屬天筑葵、

紫羅蘭所發出的氣味。如矽藻、鞭毛藻類。(2)魚腥臭:屬蛤類、魚肝油、

海藻或苔蘚所產生的氣味。魚腥味最早期是以鞭毛藻為研究對象(Collins, 1965), Reshash(1995)及Watson(2001)研究中發現金黃藻synura

petersenii及Dinobryon cylindricum也會產生魚腥味;陳是瑩、曾怡禎

(1984)

研究指出,澄清湖魚腥味主要要是由綠藻、藍綠藻及矽藻所引起。 (3) 青草臭:由綠藻類所產生,但部分的矽藻及藍綠藻亦產生。(4)霉臭:土 臭味,如腐爛的馬鈴薯味道。

(27)

(二)毒素

當水中含藍綠藻 (blue-green algae) 時,除能產生上述臭、味等問題 外,Codd et al. (1989) 與Codd and Bell ( 1985) 等研究者指出牲畜飲用優 養化湖水而死亡之原因可能與優養化湖水中含有藍綠藻所釋放之毒素有 相關性。Bourke et al. (1983)指出澳洲Palm 島上淨水廠水源中具高濃度藍 綠藻,經水廠處理後之自來水由居民飲用,結果導致139 名小孩及10 名 成人嚴重生病之案例。此外部分研究者將藍綠藻可能產生之毒性物質區 分 為 hepatoxin 、 neurotoxin 、 cytotoxin 及 lipopolysaccharide (Codd et

al.1989;Carmichael, 1992)。Ueno et al. (1996) 亦認為中國大陸某地區之

肝疾病例偏高與該居民飲水中含高量之microcystin 相關,雖然人體暴露 於高濃度peptide hepatoxin 所造成急毒性之風險並不高,但仍有研究者建 議microcystin 之濃度期望值應控制在 0.1-1.0 μg/L (Falconer et al., 1994) 較佳。

(三)湖水水質之變化

Henderson-Sellers (1987)指出,水體之藻類進行光合作用時,由於消 耗水中的二氧化碳,導致水體之 pH 值上升。此外,在水體上層浮游植物 大量繁殖的情況下,除了導致水體濁度提高外,亦使陽光受到遮蔽,因 而造成下層藻類死亡及水中溶氧降低的情況發生,死亡的藻類亦會消耗 溶氧,使得水中溶氧持續減少,當下層水溶氧降至 2 mg/L 時,底泥將釋 放出磷等化學物質(Burden & Malone, 1987)。另 Bernhardt(1984) 研究發 現,由於水中之溶氧降低,將造成底泥進行厭氧分解及還原等反應,因 而釋放出甲烷、硫化氫、鐵、錳等物質,產生水質問題。

(四)影響淨水廠之操作 1.濾床阻塞及污泥特性改變

Konno(1993)研究指出,藻類會影響水中pH值的變化及增加水質 濁度,並導致濾床阻塞,增加沈澱池污泥量等問題。曾怡楨等(1999)為加 強水處理單元對藻體之控制,進行不同水處理單元對藻類去除能力之評

(28)

估,發現不同藻種對淨水程序之影響程度不同,如細小之圓 形綠藻 (Chlorella),易於混凝單元中去除,但其至快濾池時,則易穿透濾床;相 反的,細長型之矽藻,如Synedra 或Melosira,混凝時去除的效果較不顯 著,但經濾床時較易被截留去除。水廠之管理者必須依不同的優勢藻類 決定其操作參數,如原水以Chlorella 為主時,則考量增加混凝劑量;但 在Synedra 或Melosira 大量繁殖時,則降低濾速,如此可加強淨水程序 對藻類的去除。

當藻類進入水處理設施時,由於藻體大小的不同,故對於水處理上 的影響層面亦不相同,陳從和 (1977)研究指出,容易造成過濾池負擔及 濾床阻塞之藻類,是屬於藻體較大之藻種; Karr (1978)研究指出大量之 藻類除了增加水處理負荷外,亦改變污泥脫水特性包括顆粒之表面積、

污泥顆粒組成、形狀、密度、表面電荷、結合水含量及有機物含量等問 題發生。此外, Bernhardt (1984)研究指出,某些藻類釋放出來之物質會 影響膠羽之形成,因而造成沈澱池效率改變。曾四恭等(1996)研究中指 出,藻類胞外物的產量與其胞外物成分之分子量會依藻類之生長時期而 有所不同,因此在含藻污泥之老化過程試驗中,藻類所產生胞外聚合物 對於污泥基本特性及脫水性會造成影響。另方面,胞外聚合物增加時,

會導致表面負電荷增加,但由於老化時間增加,造成表面負電荷轉為正 電荷,導致電性中和機制逐漸失去其效用,因而降低調理之效果(莊曜嘉 等, 1996)。

2.影響氧化劑或混凝劑加量及造成自然有機物質之變動

藻類臭味之產生可能與藻類活動有相關性,主要與藻類之生命期中 不同的時期所產生之代謝物或其胞外物有直接或間接之關係,國內學者 黃文鑑(2003)以優養化之湖水進行加氯、高錳酸鉀等消毒試驗中發現,加 入消毒劑後水中 DOC 濃度隨時間增加而有增加之趨勢,主要原因可能與 消毒劑氧化或破壞藻類細胞壁,造成藻體釋出有機質有關,並發現產生 物種以醛類為主,其產生之醛類物種以乙醛及癸醛最為顯著,故由此研 究結果發現藻體死亡時會釋出有機物質。

(29)

陳振正及葉宣顯(2003)探討臭氧及高錳酸鉀對綠藻Chodatella. Sp.藻 體細胞之作用及其對混凝除藻之影響,發現藻體表面之界達電位絕對值 隨臭氧劑量增加而變小,但有機物釋出程度則隨臭氧劑量增加而增加,

以電子顯微鏡觀察,藻體表面有皺縮現象發生;但高錳酸鉀對藻體有機 物之釋出及表面電位之改變不如臭氧明顯,且藻體似有凝聚之現象。陳 振正及葉宣顯(2004)並進一步探討鈣硬度對前二種氧化劑對Chodatella.

Sp.混凝除藻之影響,發現鈣硬度對高錳酸鉀較臭氧後接混凝除藻之功能 更為顯著。

Edzwald & Paralkar(1992) 則認為當臭氧劑量小於3 mg/L 時,無法造 成 Scenedesmus quadricauda(Turpin) Brebisson var. quadricauda 、

Cyclotella sp. 及 Chlorella. sp. 大 範 圍 之 破 壞 (cell lysis) , 但 會 損 壞 S.quadricauda 表面之鞘 (sheath) 或刺 (spine),當臭氧劑為 8 mg/L 時,

部分藻體才會發生破壞並有釋出之現象產生,故在低臭氧量時,非揮發 溶解性有機碳 (Non-Purgeable Dissolved Organic Carbon, NPDOC) 之增 加可能來自藻體胞外有機物質(Extracellular organic matter, EOM),但高臭 氧 劑 量 時 , NPDOC 之 增 加 則 可 能 來 自 於 胞 內 有 機 物 質 (Intracellular organic matter, IOM)。

賴文亮等(2001)指出優養化湖水中含有高量之生物可利用性有機 碳(assimilable organic carbon,AOC)與水中之藻類有相關性,並藉由原 水及其經0.45μm過濾後直接添加臭氧,以了解NPDOC之差異性,並推測 原水經臭氧後,所增加之6-18 %之NPDOC可能是由藻體釋出之有機物所 致;此外,黃文鑑與王春鎮(2004)曾進行Chlorella sp.於代謝過程中所釋 出有機物之成份分析,並以消毒副產物前質及生物可利用有機碳之變動 作為研究之主軸,探討該藻屬經臭氧處理後,釋出醛類及造成 AOC 值 之變動。

Petruševski et al.(1995;1996)為避免以氯或二氧化氯為前氧化劑產生 致癌消毒副產物之疑慮,其在混凝前採用氧化劑,發現可提高藻類去除 率至98-99 %,故水廠常以臭氧為前氧化劑進行加強藻類之控制。另 Reckhow et al(1993)報告指出,採前臭氧處理亦可降低混凝去除濁度及有

(30)

機物所需之混凝劑量,以及濾床出水濁度降低等優點。

3.消毒副產物(DBP, disinfection by-product)前質

Bill (1973) 研究指出藻類所釋出之有機胞外物包含酸類、醣類、胺 基酸、脂肪酸、維生素、酵素、抗生素甚至是藻毒素等。Edzwald et al.

(1985) 、 Akhlaq et al. (1990) 及 Goel et al. (1995) 等研究亦證實藻類生 長活動釋出之有機物質,除可能為藻毒之外,亦為水中有機物及消毒副 產物前質之重要來源。故經由國內外專家學者的研究報告中發現,水體 中藻類於加氯消毒時,將會增加消毒副產物的量,對於民眾之飲用水水 質安全備受堪慮。

曾四恭等 (1996) 研究指出藻類生長時期可分為四個階段,包括遲滯 期 (lag phase) 、生長期 (log phase) 、靜止期 (stationary phase) 與死滅 期 (decline phase) ,藻體在遲滯期所釋出有機物含量較少,但藻類進入 生長期至死滅期間,經由藻類大量繁殖後,藻體本身可釋放出大量有機 物,藻類死亡後也會釋出有機物;其間藻體之胞外物產量也會隨之增加,

其產量大小順序為生長期 > 死滅期 > 遲滯期。藉由胞外物之膠凝層 析實驗結果,發現 Chlorella sp.的胞外產物分子量主要介於 1000 ~ 3000 之間,混合藻於生長期分子量主要分佈於兩個區域,一個位於 4000 ~ 6000 之間,另一者則小於 400 ;死滅期分子量則集中於 1000 ~ 3000 之間,另外小於 400 也有增加之趨勢,不同藻種所產生之胞外產物分子 量分佈會不同,且同種藻類不同生長期也會有不同分子量之胞外產物。

當水源含有自然有機物(natural organic matter, NOM)時,對淨水廠之 影響包括干擾各處理單元之操作 (如氧化、混凝、過濾) 、形成有害之消 毒副產物與導致微生物在配水管網之再生長。藻體分泌之胞外物,會使 水中有機物濃度提高,妨礙水處理的成效,並增加消毒處理時之加氯量;

且由於藻類所分泌之膠性有機物可以將細菌包覆,增加細菌對氯之抵抗 力,故為維持消毒效率,水處理時加氯量必然會增加(陳從和, 1977)。

Bernhardt (1984)研究指出,當水廠加氯量增加時,相對提高飲用水中三 鹵甲烷含量之疑慮,黃文鑑等(2003)研究中證實,優養化湖水經臭氧及高

(31)

錳酸鉀處理後,水中溶解性有機碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)及三 鹵甲烷(Trihalomethane, THM)均隨反應增加而增加,並發現THMFP及 HAAFP之分析濃度均高於原水,顯示出藻類對於三鹵甲烷之生成有加成 之作用。

三、螢光光譜儀運用於有機物之定性分析

Aiken&Cotsaris (1995) 研究指出,溶解性有機物質 (DOM) 組成成 分複雜,包含腐質酸物質、親水性酸、蛋白質、脂質、碳水化合物、碳 酸、胺基酸等,其主要來源分為外部及內部,外部來源地表逕流或地下 水流動,內部來源則為水中生物在生長或活動過程中所產生的。另外,

Aiken&Cotsaris(1995)及Owen et al.(1993)報告指出 DOM所含之DOC雖 然無法提供DOM之構造,但水體中之TOC有80-98 %是由DOC所組成。如 前所述,水體中有機物質種類繁多,就分析及鑑定之觀點來看,其困難 度依舊存在,故有機物之特性表示方式必須尋找一些較適宜的替代參數 (surrogate parameters)來描述,國內目前使用於淨水廠水質監測之替代參 數,例如以pH 值之變化來表示水中酸鹼值之變化,或使用鏡檢來判定水 中優勢藻屬及總藻量之含量。AWWARF (1993)常使用的替代參數水中總 有 機 碳 (total organic carbon, TOC) 、 非 氣 提 性 溶 解 性 有 機 碳 (non-purgeable dissolved organic carbon, NPDOC) 、生物可分解性有機碳 (biodegradable organic carbon, BDOC) 、生物可利用性有機碳(assimilable organic carbon, AOC)、UV254 、 SUVA (UV254 (m-1)/DOC) 、螢光強度 (fluorescence intensity) 、 耗 氯 量 、 消 毒 副 產 物 生 成 潛 能 (disinfection by-product formation potential, DBPFP) 、 三 鹵 甲 烷 生 成 潛 能 (THM formation potential, THMFP)、醛類 (aldehydes) 及葉綠素a (chlorophyll a) 等參數表示之。

根據Bruchet et al. (1990)之研究,發現表面水之NOM 物質受季節影 響,且此特性與隨季節性藻類優勢物種之變化相關;水中有機物之定性 分析,非破壞性光譜分析工具,具(1)適於固體及液體水樣(2)不需破壞水 樣原性質(3)僅需少量水樣(4)樣品不具複雜之前處理步驟(5)可提供有機 物之分子結構、化學及官能基等特性(Stevenson, 1994),故近年廣為許多

(32)

研 究 者 所 採 用 。 這 些 光 譜 分 析 工 具 含 蓋 NMR (nuclear magnetic resonance)、FTIR (Fourier-transform infrared)、UV/Vis (ultraviolet-visibile) 及螢光光譜儀(fluorescene)。以及可見光之吸收光譜雖有許多研究應用於 水域之有機物定性,如表5 (Hautala et al., 2000)。,但其吸收值亦隨pH、

Aromaticity 及總碳含量及分子量大小而變 (Chen et al., 1997)。螢光光譜 則具有高敏銳性及特殊性,可利用有機物結構在某一激發與發射波長之 強度進行定性,採用性反較吸收光譜儀為廣。

表5 不同波長所對應之有機物參數及特性 (Hautala et al., 2000)

波長(nm) 相關性質 參考文獻

250, 330, 350 DOC,TOC De haan et al., 1982;Moore, 1985;

Edwards and Cresser, 1987 285 DOC,TOC Buffle et al., 1982

254 DOC,TOC,COD,BOD Dobbs et al., 1972 ; Mrkva, 1983 ; Reynolds and Ahmad, 1997

272,280 Aromaticity,分子量大小 Tranina et al., 1990;Chin et al.1994

水體之溶解性物質中,已發現許多含有不飽和鍵之物種,國外研究 報告中指出芳香族碳含量與黃酸及腐質酸兩者之UV吸收波常有強烈之 關聯性(Karanfil et al., 1996;Chin et al., 1994;Traina et al., 1990)。一般水 體中芳香族化合物,UV吸光波長大概為250、254、272及280,多數研究 者選擇波長254來進行樣本之測定,主因為此波長測定有機物較敏感可 靠,並且受到無機物干擾可以減至最低,並於低壓水銀燈之激發光下有 強烈的發射光譜(Korshin et al.,1996;1997)。國外學者Gu et al.(1996)

及Edzwald et al.(1985)研究發現,DOC或TOC與UV254間有強烈之關聯性。

SUVA值可以解釋水樣之有機物性質,此參數將水樣之UV(cm-1)值除 以DOC(mg/L),再乘以100,其單位為L/mg-m,Edzwald et al.(1994)之 研究指出,當水中之SUVA大於4-5(L/mg-m)時,有機物之性質屬疏水性,

相反地,SUVA值小於3(L/mg-m)時,有機物性質屬親水性。黃氏(1997)

針對南部原水中有機物進行分離,結果發現疏水性有機物之腐植酸、黃 酸、疏水性酸及中性疏水性等物質,SUVA值分別為1.99、1.83、0.77、

(33)

0.84(L/mg-m),親水性酸、親水性鹼及中性親水性之SUVA值分別為0.67、

0.36、0.04(L/mg-m)。然而SUVA值並不能提供任何有關於有機化合物之 資料,例如飽和脂肪酸或某些醇類,因此其無法提供任何樣本有機物之 特殊資料。

Coble et al.(1990)之研究指出利用EEM(Excitation-Emission Matrix) 之功能可區分土壤、河水與深海漁水有機物性質之差異性。另外,Mopper and Schultz(1993)進行海水螢光光譜之特性分析,發現波長270-360 nm 有 明顯之發射(emission)值,此訊號主要為蛋白質、芳香族胺基酸 (aromatic amino acid)及相關代謝物產生;Determann et al.(1994)之研究則指出 280-325 nm 有較高之發射值,其可能為tyrosine-like 及tryptophan-like 物 質所致。De Souza Sierra et al.(1997)調查世界海域有機物之螢光分析均發 現有兩個fluorophores,且此雙fluorophores 之強度隨有機物來源及性質會 有 所 改 變 。 另 外 , Matthews et al.(1996) 以 EX/EM 波 長 為 310/430 、 340/450、390/490 與280/(320-350)進行比較珊瑚礁、礁岩萃取液、海水、

商業用之腐植酸螢光圖譜之差異性,發現於280/(320-350)代表蛋白質產生 螢光之位置,結果所有研究對象在四種激發/發射波長均有波峰,但強度 有明顯之差異,主要與物種之濃度具相關性。Chen et al.(2002)利用螢光 光譜儀中以(Excitation Emission Fluorescence Matrix, EEFM)進行南加洲 濕地水中有機物屬polyphenolic-rich 、carbohydrate-rich 與土壤中腐質酸 圖譜之結構及官能基差異性之比較,而Patel-Sorrentino et al.(2002)則將 Amazon 流 域 中 有 機 物 中 進 行 薄 膜 分 離 成 不 同 分 子 量 之 水 樣 , 並 以 EEFM(Excitation-Emission Fluoresence Matrix) 之方式進行有機物之定 性,發現在可見光及紫外光之激發強度,分別以IC 與IA 表示之 ,且IA 值 較易受pH 變化之影響其強度值高低,而研究結果發現IA/IC 與pH 值呈線 性關係。

上述文獻顯示螢光光譜廣泛應用於水中有機物定性之研究,然其亦 可應用於藥學及微生物領域蛋白質及核酸分析,包括利用細菌細胞中色 胺 酸 (Tryptophan) 之 螢 光 特 性 進 行 生 物 反 應 器 之 醱 酵 控 制 (Li and Humphrey, 1990),甚至測定生物上之細菌 (Angell et al., 1993),如Daltiero

(34)

et al.(1986) 之 研 究 證 實 實 驗 室 培 養 之 海 生 細 菌 均 可 產 生 類 似

tryptophan-like之圖譜。Determann et al.(1998)以UV 激發及對應之發射光 譜進行海水細菌及浮游植物進行調查,發現發射波長340 nm (λex=230 nm) 之強度與細菌數、蛋白質含量呈現線性相關,此研究所使用之十四種浮 游植物,如Ditylum brightwelli.、Nitzschia sp.、Skeletonema costatum.、

Dunaliella tertiolecta. 、 D.tertiolecta. 、 Chrysochromulina sp. 、 Chrysochromulina sp.、Phaeocystis sp.、Phaeocystis globosa.、P. globosa.、

Prymnesiumparvuum.、Isochrysis sp.、Isochrysis sp.、Rhodomonas sp.,大

部分在305 nm 有微弱之發射光強度,此特徵圖譜亦被證實為色胺基酸 (tryptophan)與tyrosine 所致。 McKnight et al.(2001)以螢光光譜儀進行河 水及微生物產生黃酸有機物性質差異之比較,發現在激發波長為370 nm,放射波長在450 nm 與500 nm 之螢光強度值可作此不同來源有機物 性質判斷之指標,當比值為1.9 時,水中黃酸之有機物可能來自微生物,

比值為1.4時,該物質可能來自陸域。

(35)

三、研究規劃與實驗分析方法

一、研究流程之規劃

整理國內外文獻後,將研究方向分成,藻量與水質參數之相關性分 析、藻相之觀測以及有機物含量與螢光光譜之測定三個子題,並針對各 子題進行研究。在研究進行前,首先是方法之建立,主要分為兩部分,

在水質分析參數方面分為物理、化學、生物及有機性參數,另外,儀器 之操作方面,以離子層析儀、總有機碳分析儀、螢光顯微鏡、掃描式電 子顯微鏡、有機物之分離設備以及氣相層析儀等設備之操作學習為主,

實驗方法與儀器操作純熟後,選定南部地區澄清湖(CCL)、鳳山(FS)及牡 丹(MD)水庫三個主要飲用水源進行採樣及研究。藻量與水之參數相關性 分析方面,所探討的水質參數包含 pH 值、導電度、水溫、總磷、總氮、

濁度、鹼度、葉綠素 A 及藻量等 17 個參數,並利用統計分析軟體 STATISTICA 6.0 進行相關性分析,以了解水質參數與藻數之相關性,並 觀察優勢藻種之變化。水庫水中藻相之觀測,以螢光顯微鏡作為觀測之 工具,另藉光學顯微鏡及掃描式電子顯微鏡作為輔助工具,螢光顯微鏡 之最佳操作及 Lugol’s 溶液對藻類活性之影響,並比較不同藻體螢光強度 之差異性。將樣本進行有機物不同分子量大小之分離,並進行原水及其 濾液試驗形成 TTHMFP 之試驗,此外,藉由螢光光譜技術,進行有機物 及藻體萃出液之相關性分析,以瞭解有機物性質之變動及探討藻體萃出 液與水中有機物性質之差異性。結合藻數與水質參數之相關性分析及有 機物含量與螢光光譜圖之測定研究結果,可瞭解不同優勢藻種對 THMFP 形成之差異性與優勢藻種變化對水中有機物性質之影響,將研究結果整 理後,並進行論文之撰寫,完整之研究規劃流程,見圖 1:

(36)

文獻閱讀 研究子題選定

分析方法與實驗 操作學習

研究進行

採樣點選擇

藻相觀測比較 有機物含量與螢

光光譜圖之測定 藻數與水質參數

之相關性分析

1.瞭解水質參數與 藻數之相關性 2.優勢藻種之變化

1.螢光顯微鏡之最佳操作條件 2.Lugol's溶液對藻類活性判斷 之影響

3.比較不同藻體螢光強度 之差異

1.瞭解溶解性有機物性質之 變動

2.藻體之三鹵甲烷

3.探討藻體淬出液與水中有 機物性質差異性

儀器:

1.離子層析儀 2.總有機碳分析儀 3.螢光顯微鏡 4.掃描式電子顯微鏡 5.有機物之分離設備 6.氣相層析儀之操作

1.不同優勢藻種對THMFP形成之差異性 2.優勢藻種變化對水中有機物性質之影響 水質參數:

1.物理性參數 2.化學性參數 3.生物性參數 4.有機物參數

(CCL)

(FS)

(MD)

論文撰寫 探討參數:

pH值 導電度

水溫 總磷 PO43-

NO3-

NO2-

Br- 透視度

濁度 鹼度 TKN NH4-N 葉綠素A

藻數

圖 1 研究架構流程圖

(37)

二、採樣計劃

本研究主要探討對象為優養化之湖泊水庫,選定南部地區三個飲用 水源為採樣地點,分別為 CCL、FS 淨水廠以及 MD 水庫三地,初期預定 採樣時間為民國 94 年 2 月 26 日及 94 年 4 月 4 日進行採樣,另外,針對 MD 水庫於 94 年 11 月 24 日及 12 月 2 日再進行兩次採樣,採樣方法及規 範依行政院環境保護署公告之「河川、湖泊及水庫水質採樣通則」進行。

三、實驗設備與分析方法

(一)有機物分子量大小之決定 1.腐植酸之配製

取 4 g 腐植酸粉末(humic acid, Aldrich, USA)定量至一公升,並使 用 5 N 之 NaOH 調整 pH 值為 10,攪拌一小時後,經 0.45μm 濾膜過濾後,

取上述過濾液分別添加 460 mg/L KH2PO4、570 mg/L K2HPO4控制其 pH 值為中性,添加 0.05 M NaCl 以控制離子強度,最後濾液於 4 ℃溫度下保 存,以供日後實驗所需之儲備溶液。

2.原水不同分子量有機物分離設備

(1)薄膜系統介紹操作

本研究採用採用薄膜過濾組(Amicon 8400 , Millipore , USA)配合氮 氣及攪拌器進行分離,其分離原理是通入氮氣在系統中產生壓力後,藉 由過濾薄膜之分子量孔徑大小進行分離。過濾組之配件包括:氣體通入 管、上蓋(含壓力管及洩壓閥)、壓克力水樣容器、壓力套、薄膜載器、

攪拌器等器材所組成。

(2)薄膜系統操作

本實驗所使用的薄膜系統以氮氣加壓的方式進行水樣的分離,通入 的壓力控制於 8~60 psi 下,將水樣進行分離,操作時先將薄膜(依需要

(38)

選擇不同分子量薄膜)置於薄膜載器,裝置壓克力水樣容器後,再將定 量的水樣置入(<350 ml),蓋上上蓋後置於壓力套內,通入固定壓力之氣 體,收集過濾及未過濾之水樣後,即可完成水樣之分離,並於每次實驗 完成後取出薄膜進行清洗,以回復薄膜分離之功能,將水樣收集後計算 其流通量及回收率,以判斷濾膜之使用情況。系統主要的管線及相關設 備裝置如圖 2 所示

圖 2 不同分子量有機物分離裝置 (Amicon 8400Millipore , USA)

(3)薄膜前處理及清洗

本研究使用 Millpore 產製之 UF 膜,新濾膜必須預先處理-加入甘 油(glycerin)防止乾燥和加入疊氮化鈉(sodium azide)加以保存。

新濾膜使用前需放置於足以平放之燒杯(取用時靠濾膜邊緣,避免 刮傷光滑面),光滑面朝下,加入蒸餾水浸泡清洗至少一小時(每 20 min 更換水一次, 共三次),之後取出濾膜,將光滑面朝上置入 Ultrafiltration Cell 中,加入蒸餾水並施以 55 psi 氮氣壓力,進行至少五分鐘之加壓過 濾,以去除新濾膜內之甘油與疊氮化鈉。

使用後之濾膜,為保持原有之特性,須以 0.1 M NaOH 與 100 ppm

通入氮氣 洩壓閥

氮氣加壓

攪拌器

壓力套件 攪拌棒

濾液

(39)

NaOCl 混合液浸泡清洗 30 分鐘後再以蒸餾水或去離子水沖洗濾膜即可 還原濾膜原有之性能。清洗還原後之濾膜放入 10 % 乙醇水溶液浸泡冷藏 保存。

濾膜在第二次以後使用時,重複下列步驟即可:(1)以蒸餾水或去離 子水浸泡清洗後即可置入 Ultrafiltration Cell 中進行加壓過濾,待過濾完 成(2)以 0.1 M NaOH 100 ppm NaOCl 混合液浸泡清洗 30 分鐘後再以蒸餾 水或去離子水沖洗(3)使用 10 % 乙醇水溶液浸泡冷藏保存。

二、基本參數分析 1.pH 值及導電度值

pH 值及導電度值測定是使用口袋式微電腦測試筆(HANNA, Taiwan)

進行測定,測定前必須先沖洗電極,沖洗電極後,pH 使用緩衝溶液(pH=

7 及 pH= 4 at 25℃)進行校正,導電度以 0.01KCl 溶液校正導電度值為 1413 μs/cm 即完成校正。測定時將電極置於水樣中,控制模式於 pH 值狀 態下,即可讀取 pH 值,pH 值並無單位;模式控制於導電度狀態時,螢 幕前即讀取到導電度值,導電度值單位為(μs/cm)。

2.透視度

取樣後,將水樣倒入透視度計至30 cm之標線上,由上方觀察底部之 雙十標誌,如果不是很明顯,則打開下方之鐵夾,使水樣流出,至看清 楚雙十標誌為止。讀取水面之刻度並記錄之;重覆兩次,求出其相對百 分誤差。

3.濁度

濁度測定選擇濁度計(2100P HACH,USA)進行水樣濁度之量測。為 確保燈源穩定,開機後必須暖機 30 分鐘,以確保濁度值不會出現跳動及 不穩的情況發生。濁度計以經二級標準品標定後之標準品進行二級校正 後,將水樣置入樣品槽後即可讀取水樣之濁度值,濁度單位 NTU;當濁 度計有移動或使用半年後,皆必須對儀器進行一級校正及二級標定之程

(40)

序,一級校正乃是以儀器原廠所提供之 4000 NTU 濁度之標準液,分別稀 釋至 20、100、800 NTU 作為濁度計之一級校正,確保儀器之穩定。

4.鹼度

自然水體中之鹼度主要是指由碳酸鹽解離所產生之 HCO3-、CO32-及 OH-等離子而言。參考行政院環境保護署水質檢驗之標準方法中所列之水 中鹼度檢測方法-滴定法(NIEA W449.00B),其分析方法如下:

配製 0.02 N 之硫酸(Merck, Germany)溶液及 0.05 N 碳酸鈉(Merck, Germany)標準溶液,以碳酸鈉標定硫酸之準確濃度,標定時先滴入甲基 橙指示劑,滴入硫酸時當被滴定液由黃色變成黃中帶桃紅時,即達滴定 終點(pH=4.3),由下式可換算得到標定後之硫酸當量濃度。

 

N =A B

C 硫酸當量濃度

式中:

A=碳酸鈉之濃度(0.05N)

B=碳酸鈉之體積(mL)

C=硫酸滴定體積(mL)

硫酸經標定後,取定量體積之水樣,添加 2~3 滴甲基橙指示劑,再 以標定後之硫酸溶液進行滴定,水樣由黃色滴定至黃中帶桃紅時即達滴 定終點(pH=4.3~4.7),其鹼度可由下式換算得知。

V

50000 N

) D CaCO as

(mg/L 3

  

鹼度

式中:

D=滴定所消耗硫酸之體積(mL)

B=校正後硫酸之當量濃度(eq/L)

(41)

C=水樣之體積(mL)

5.氨氮

氨氮分析採用蒸餾滴定法進行分析。配製 1 N 及 0.02 N 硫酸溶液、

0.05 N 碳酸鈉溶液、氫氧化鈉-硫代硫酸鈉試劑、硼酸緩衝溶液、混合指 示溶液以及指示硼酸溶液等試劑。硫酸濃度之標定方式同鹼度試驗。

取適量水樣至蒸餾管中,並加入適量的硼酸緩衝溶液於蒸餾管中,

並將蒸餾管放入蒸餾裝置(Gerhardt KBS8S,Germany)之左側,另取 50 mL 之指示硼酸溶液於收集瓶中,至於蒸餾裝置右側(冷凝管必須放置於吸 收液之液面下),將蒸餾裝置設定完成後,啟動蒸餾裝置,蒸餾完成後,

取出收集瓶以 0.02 N 之硫酸溶液滴定至紫灰色,並記錄硫酸之滴定體 積,並且依上述步驟製作另一空白試驗,並記錄其硫酸滴定體積,依下 式計算其氨氮濃度。

(a-b) N 1000 14 (mg/L)=

V

  

氨氮濃度

式中:

a=水樣之硫酸滴定量(mL)

b=空白試驗之硫酸滴定量(mL)

N=硫酸當量濃度 V=水樣體積(mL)

6.總凱氏氮

凱氏氮檢驗方法參考行政院環境保護署水質檢驗之標準方法中所列 之凱氏氮之標準實驗程序 (NIEA W423.50B) 來進行分析。首先配製消化 試劑,取適量的水樣於消化管中,並加入適量的消化試劑,置入消化裝

(42)

置後,調整溫度至 380 ℃後加熱 2 小時(必須打開迴流裝置及抽風扇),

水樣取出後,再依氨氮測定方式測定其滴定體積,其凱氏氮濃度計算方 式與氨氮計算方式相同。

7.正磷酸鹽

本實驗須使用分光光度計測量,故必須先將分光光度計開機後熱機 30 分鐘,並調整波長至 880 nm,之後,將一公分之石英比色管(cell)清 洗後裝入超純水,並將儀器歸零校正,即可將樣品置入測試。

採樣後水樣經 0.45 μm 過濾後之水樣定量至 50 mL,加入 1~2 滴酚酞 指示劑,加入 1 N NaOH 滴至紅色,再使用 5 N 之硫酸溶液滴至無色,最 後加入 8 mL 之混合試劑,混合均勻後靜置 10 分鐘,並於 10~30 分鐘內 將裝水樣之石英比色管,置入分光光度器進行測量。(檢量線配置範圍 0

~0.5 mg/L 其測量方式與水樣測量方式相同)

8.總磷

取經 0.45μm 過濾後之水樣定量至 50 mL,同時加入 1 mL 濃硫酸

(Merck, Germany)以及 5 mL 濃硝酸(Merck, Germany),將水樣到入消 化 管 內 , 並 加 入 數 顆 沸 石 後 , 置 入 消 化 裝 置 ( Gerhardt KBS8S+TR, Germany)後消化至水樣剩下 10 mL,取出消化管後冷卻至室溫加入約 20 mL 之超純水及 1~2 滴的 p.p. 指示劑,再以 10 N NaOH 滴定至紅色後定 量至 50 mL,並依照正磷酸鹽之步驟進行測定。

9.硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮及溴離子含量分析(使用 IC)

NO3

、NO- 2-及 Br-之分析採用美國水及廢水標準檢驗方法中所列之 Ion Chromatography 方法,其主要分析原理是利用層析管柱中所填充離子交 換樹脂進行分離,因填充之離子交換樹脂與不同陰離子之交換能力不 同,故能分別將不同離子物種定性及定量。本實驗使用離子層析儀 (Dionex600, Sunnyvale, Ca, USA) 做 為 分 析 儀 器, 並配 置有 保 護管 柱

(IonPac AG-17)、分離管柱(IonPac AG-17)及比導電度偵測器(CD25)。

(43)

沖提液採用 EG-40 流洗液產生器,配合超純水(D.D.W)進行沖提,因 實驗主要之流洗液為超純水有較低之背景值(>1 μs),故能提高對偵測物 之偵測敏感度與分離效果。

依分析之需要配置一系列含 NO3-、NO2-及 Br-不同濃度之標準檢量 線,標準檢量線配製完畢後,與經0.45 μm 之濾膜過濾去除顆粒之水樣一 起上機進行分析。水樣需經0.45 μm 之濾膜過濾去除顆粒,主要目的是防 止層析管及流動系統之損壞。離子層析儀規格及條件如表 6 所示。

表 6 離子層析儀 (Dionex, Sunnyvale, USA) 規格及操作條件

組件 規格及操作條件

分離管柱 IonPac AS-17 (4×250 mm) 保護管 IonPac AG-17 (4×50 mm)

偵測系統 導電度偵測器(CD25)

流洗液 D.D.W

EG-40 流洗液產生器 內為填充 KOH 溶液

輔助氣體 99.99%高純氮

流速 1.5 mL/min

樣本注射量 25 μl

抑制器 ASRS ULTRA Ⅱ 4-mm

抑制器電壓強度 300 mA

10.葉綠素 a

實驗前配製 90%(V/V)乙醇及量取 82.9 mL HCl(37%,比重 1.19)

定量至 1L 配製成 1 M HCl(Merck, Germany)。取適量的水樣(Vs)利用 真空過濾裝置配合 GF/C 玻璃纖維濾紙進行水樣之過濾,過濾後將濾紙置 入離心管中,並加入 10 mL 乙醇(Ve),於 60 ℃恆溫箱中,黑暗下萃取 30 分鐘,並於每十分鐘搖晃一次,取出離心管後,以冷水冷卻至室溫,使

參考文獻

相關文件

volume suppressed mass: (TeV) 2 /M P ∼ 10 −4 eV → mm range can be experimentally tested for any number of extra dimensions - Light U(1) gauge bosons: no derivative couplings. =&gt;

The observed small neutrino masses strongly suggest the presence of super heavy Majorana neutrinos N. Out-of-thermal equilibrium processes may be easily realized around the

incapable to extract any quantities from QCD, nor to tackle the most interesting physics, namely, the spontaneously chiral symmetry breaking and the color confinement.. 

• Formation of massive primordial stars as origin of objects in the early universe. • Supernova explosions might be visible to the most

(Another example of close harmony is the four-bar unaccompanied vocal introduction to “Paperback Writer”, a somewhat later Beatles song.) Overall, Lennon’s and McCartney’s

Microphone and 600 ohm line conduits shall be mechanically and electrically connected to receptacle boxes and electrically grounded to the audio system ground point.. Lines in

However, the SRAS curve is upward sloping, which indicates that an increase in the overall price level tends to raise the quantity of goods and services supplied and a decrease in

However, the SRAS curve is upward sloping, which indicates that an increase in the overall price level tends to raise the quantity of goods and services supplied and a decrease in