污水处理微生物之应用

1、污水处理微生物之应用一、废水生物处理程序初级处理二级处理三级处理（物理处理）（生物处理）（生物、理化处理）烂污栅曝气池去氮、磷初沈池终沈池污泥消化处理二、生物处理依需氧情况区分两大类：（一）好氧处理：悬浮性活性污泥法（），氧化塘、氧化渠、延长曝气法。固定性滴滤法、旋转生物盘法(RBC)。（二）厌氧处理：污泥生物处理好氧消化（aerobic digestion）。厌氧消化（anaerobic digestion）。（三）污泥生物处理好氧消化（aerobic digestion）。厌氧消化（anaerobic digestion）。（四）生物三级处理微生物脱氮微生物除磷微生物吸附重金属悬浮性生物处

2、理（活性污泥法）一、活性污泥之生物相活性污泥法为细菌类、真菌类、原生动物及后生动物等数种微生物群聚构成之异营性细菌及自由状异营性真菌，此等为最低营养阶层，而后被异营性原生动物所捕食，再则又被轮虫或圆虫类等后生动物二次捕，食达到废水净化目的。（一）细菌（bacteria）分解有机物常见几种有机物分解细菌有：Pseudomonas 、Flavobacterium、AlcaligenesI及Bacillus菌属主要分解碳水合物Pseudononas菌属主要分解蛋白质Alcaligenes、Flavobacterium、Bacillus菌属胶羽形成活性污泥之胶羽成主要是藉胶形成菌(Zooglea)之作

3、用，再配合其他微生物作用。（）胶羽形成菌(Zooglea ramigera)杆状、G(-)、具荚膜，无孢子形成，以胞外聚合体及细胞间质促使细菌凝聚。（）适量丝状菌（包括细菌与真菌）可提供菌丝做为羽中心，使胶羽形成菌附着生长，丝状菌(filamentous bacteria):Nitrifying bacteria硝化菌Sphaerotilus铁细菌之一Beggiatoa硫氧化菌之一Thiothrix还原菌之一（）纤毛虫亦会分泌黏液蛋白及多醣聚合体产生桥作用。（二）真菌(fungi)对生物难分解性之顽抗有机物具分解能力，但分解速率较慢。适量存在其菌丝体可供作为胶羽中心，有助凝结沈降，但大量繁殖会

4、造成污泥膨化，沈降不良。异常大量繁之原因可能有：（）温度降低（）pH值太低（）废水C/N值太高（）有机负荷过高（）硫化物存在（三）藻类(algae)当有机物浓度降低（分解成CO2）且含充足氮、磷成份时，藻类会在终沈池出现，增加水中溶氧。（四）原生动物(Protozoa)常见动物种类有：变形虫(Amoeboid)鞭毛虫Phyto0flagellate与Zoo0flagellate织毛虫自由游动织毛虫(free swimming Ciliate)与有柄状织毛虫(stalked Ciliate)捕食过量之细菌，使放流水清澈，同时可作为废水处理之处理之处理指标，例如判断生物处理之好，通常以织毛虫(Ci

5、liate)之出现作为指标。而鞭毛虫(flagellate)因食物竞争能力弱，所以只能生存于较高浓度之废水中。（五）后生动物(Metazoa)以细菌及小型原生动物为食物，行二次捕食，使食物链增长，污泥量大为减少，例如轮虫(Rotifer)、圆虫、线虫等。二、污泥形成之三步骤亦为去除有机物之两步骤（一）传输吸附作用（物理原理）及吸收作用回流污泥先间瞬间将胶体物质及不溶解性BOD自水中吸附，然后逐渐吸收溶解状有机物进入微生物细胞内进行代谢分解。（二）代谢转换生物分解有机物经由水解、醣解（醣类）、脱羧、脱胺（蛋白质）、氧化（脂质）等代谢转换，再进入TCA循环及电子传递链产生能量，并排出CO2及H2O

6、最终产物。（三）胶凝有机物浓度降低，微生物行衰减增殖期或内呼吸期，在细胞外围产生多醣类聚化合物，而使凝聚力增加，形成沈降性良好之胶羽于况淀池中固液分离。三、分解有机物之环境条件影响活性污泥处理功能之环境因子有：温度：，对微生物酵素活性有影响。营养源：BOD：N：P=100：，再加微量含素K、Ca、Fe、Mg。溶氧：进流处0.51mg/1，出口处mg/1，若0.5mg/1，则代谢速率大为降低。PH值6.57.5，稍微偏碱性(7.27.4)对微生物之生长佳。PH或，则无法生存。毒性物质：重金属之毒性大小为Ag>Hg>Sn>Cu>Cd>Cr，与生物分解活性有关。四、活性

7、污泥生物处理控制参数（一）微生物(active biomass)之生长期。一般之设计原则采衰减增殖期或内呼吸期操作。（二）挥发性悬浮固体物浓度MLVSSMLVSS6590%之MLSS，通常MLSS控制在15003000mg/1，通常以回流污泥控制。（三）食微比(F/M)以一定之微生物量处理废水，一般BOD负荷为0.050.6kgBOD/kgMLSS，只允许在限度范围内运转，否则会产生厌氧。故0.5kg-BOD5/kg-MLVSS-day。（四）污泥龄c(Sludge age)污泥平均停留时间(BSRT)包含曝气池与沈淀池回流管中之总停留时间，但c只考虑曝气池中之污泥停留时间，通常天。c 不足，

8、微生物无法达消化阶段，污泥废弃量较多，而且微生物未能产生蛋白鞘膜(protein sheath)，无法有效地凝聚沈降。c太长，污泥会因老化而破散，使放流水中死亡菌体过多，而增加SS。冬天c需较夏天长，因微生物分解率减慢。（五）溶氧(D.O)曝气池DO维持在23mg/1，若溶气下降，则代谢活性随之降低，且可能引起丝状菌。（六）SVI(Sludge Volume Index)SVI是指克污泥所占有之容积(ml)，表示曝气池中悬浮固体之沈降性。经分钟沈降后之污泥体积(ml/l)×103SVI=活性污泥浓度(mg/l) SVI MLSS SVI= 污泥沈降佳浓密污泥(dense sludge

9、) 膨化污泥(bulking)五、活性污泥生物量试验方法总固体量(TS)现场取样以离心法分钟即可求出出固体物浓度，但仅能粗略表示活性污泥之生物量。悬浮固体浓度(MLSS)以0.44um之滤纸过滤后，以105烘干，测污泥净干重，表示其生物量，但此净干重仍包含部分无机物。挥发性恋浮固体浓度(MLVSS)以滤纸过滤后，先经105烘干称重，再经将有机质挥发燃烧后称重，计算两次重量差，可测佑有机质用表示活性污泥之生物量，但尚无法精确表示微生物有机体。脱氧核醣核甘酸(DNA)经萃取等前处理后，藉精密仪器分析样本中之DNA含量，可准确颢示活性污泥之微生物量，但无法区分活细胞或死细胞。腺膘呤核甘三磷酸盐(AT

10、P)测定活性污泥中之ATP含量，可精准表达其活性细胞微生物含量，但分析程续繁琐且耗时。总有机碳(TOC)测定进流水及回流污泥之TOC，计算两者比值可作为曝气池食微比(F/M)之快速估计。六、活性污泥活性估计腺膘呤核甘三磷酸盐(ATP)或ATP/VSS比值以微生物所产生之高能产物ATP含量，表示活性污泥之活性，但ATP之分析误差较大，药品昂贵，不易保存，故较不适现场应用。摄氧率OUR（Oxygen Uptake Rage）测量单位微生物量对氧之消耗率可反应处理系统之稳定性，并表示污泥中微生物之生长状态，当摄氧率上升时，即振示进流有机负荷突增。比摄氧率SOUR（Specific oxygen up

11、take rate）比摄氧率为单位微生物之摄氧率，此指标适合表示活性污泥在中度负荷荷操作下之污泥处理系统效率活性效率，亦可反应系统中基质利用情形。双醋酸荧光酵素（FDA）FDA可反应活性污泥处理系统处理能力大小及处理效率。生物相污泥中可发现有柄状纤毛虫及轮虫时，表示活性污泥处理系统处理效率高，放流水质佳。七、活性污泥之驯化（一）污泥之驯养原则活性污泥之形成，与化学反应不同，在化学反应中，反应条件改变立即发生不同的反应，但活性污泥之环境条件改变，微生物须先适应新条件，而后微生物种类及数量除除发生变化，渐次形成新条件之安定污泥，惟其所需时间甚长。活性污泥的驯养有下列三原则：先在BOD负荷0.2kg

12、/m3以下进行，俟MLSS达到5001,000mg/l再依设计值渐次提高。活性污泥形成前，污泥回流量应大于设计量，俟污泥形成后再以设计量操作。测定SV及MLSS，依污泥沈降状态，设定适当负荷量及操作方法，且维持DO在mg/l以上。（二）污泥驯养方法废水直接驯养每日分批引入定量的废水，连续流入曝气池充分曝气，并全开终沉池之回流泥污泥泵，使曝气槽与终沈池的液体循环，使污泥自形成。前天引入水量为设计水量的次天引入水量为设计水量的后天则引入设计量操作至SV为始为正常。植种污泥驯养小规模之废污水处理厂可采性质相同之废水处理厂污泥进行植种。特殊工业废水驯养时，植种污泥不易获取，则可自污水处理厂取少量污泥，

13、再添加少量堆肥或土壤浸出液（土壤溶于水静置后之上澄液）作为植种污泥。于活性污泥形成达适当量后，依设计条件之范围，调整混合搅拌适度、空气量、负荷量，寻求最径济和最适当之操作条件。八、活性污泥膨化现象丝状微生物过度生长，造成活性污泥膨化的因素可能如下：高浓度溶解有机化合物，促使厌氧状况，产生对胶羽形成菌有毒的硫化物。进流水有机负荷骤变突高或突低导致不平衡温度暖和的水温有利于土壤丝菌属和分枝丝菌属之繁殖，前者为泡沬层中的支状有机体。PH值低pH值会杀死胶羽形成菌，有利于能适应低pH环境之丝状真菌繁殖。工业废水可能含有具毒性之物质，若浓度超过正常时，将会产生问题。九、活性污泥处理数学模式（一）污泥龄c

14、(Sludge age)(X)T定义c(X./t)T(X)T：处理系统中之总活性生物量(X./t)T：系统中每天所排放之活性生物量（包括故意排放之排泥量及随放流水流失之污泥量）依定义，在完全混合且回流污泥功能之活性污泥处理系统中X Va定义c.(1)QWX+(Q-Qw)Xe在稳定状况下(Steady state)，因为u=(dX/dt)g/X，恰为c之倒数，所以1c，因此操作上控制c，就能控制u u在活性污泥处理系统中，欲使微生物保持在内呼吸期(即)的生理状况来处理废水，在实际操作上乃以c为控制参数，故欲使u，也就是c需长时间，处埋效果较佳。（二）活性污泥处理之动力模式(kinetic Mod

15、el)动力模式建立在稳定状况(steady state)的假设基础上，故其运用需注意其假设及应用范围。活性污泥处理质量平衡(mass balance)方程式之假设如下：曝气槽为完全混合型式。进流基质浓度(So)为常数。进流微生物浓度（Xo）为。终沈池有合理之固液分进效果且无污泥积蓄。终沈池有合理之固液分离效果且无污泥积蓄。所有生物可分解之基质为溶解型态。系统呈稳定状况。（三）质量平衡整个系统之微生物质量平衡曝气池基质之质量平衡曝气池微生物之质量平衡整个系统之微生物质量平衡系统中生物量系统中生物量系统中生物量之净变化率之产生率之消失率即dxdx()Va=()gVa-QwX+(Q-Qw)Xedtd

16、t由式（）且因为dxdx()gY（）u-KdX.(2) dtdt dtdsXVa得（）Va=Y( )u-KdX- dtdt c经整理XdS =Y()u-KdX.(3)cdt 即=YU-Kd.(4) cdSKXSe以（）u 代入上式(3)dtKs + Se可得Ks(1+Kd×c)Se=完全理论值c（YK-Kd）-1若在低基质浓渡下，SKs则ds()u= x×Se(5)代入上式（）dt可得1+Kd×cSe=.(6)条件理论值Yx×c曝气池基质之质量平衡曝气池中基量曝气池中基量曝气池中基量之净变化率之进入率之消失率即dS dS （）Va=(Q Se +RQ S

17、e)()uVa-(1+R)Q Sedt dt dSQ(So-Se)经整理得()u=dt Va同除以X（ds/dt）uQ(Se-Se)则U(7) XVaX由式（）及（），消去UcYQ(Se-Se)可得X=完全理论值Va(1+Kdc)若在低基质浓度下，S<<Ks则dS()u=x ×Se(5)代入上式(7) X整理得Se1So 1+x ×(Va/Q)可求得去除率E%SeE%=1 - So曝气池微生物之质量平衡曝气池微生物曝气池微生物曝气池微生物之净变化率之产生率之消失率即dX dX（）Va=RQXr + ()gVa=(1+R)QXdt dt以（）式代入上式得RQXr+

18、Y()u-KdXVa-(1+R)QX=0若在低基质浓渡下，Ks，以式（）及（）代入上式，可得QXr（R-R）cVaX由此式可知 Xrcf(，R) Xc为污泥回流率R及终沈池效率(Xr/X)之函数，在操作上即可以污泥回流率来控制污泥龄，进而调整比生长率u，维持在衰减增殖期或内呼吸期处理废水；而(Xr/X)为终沈池沈淀效率之函数，当终沈池适当操作，固液分离效果良好时，终沈池最大污泥浓可以SVI概估。(Xr)max=SVI固定性生物处理一、生物膜处理（一）生物膜(biofilm)之特性生物膜属于一种具黏性之胶质膜(gelatious film)，包括活体及非活体。生物膜细胞莱膜(capsule)中主

19、要成份为聚合物(polymer)。生物膜主要成份为碳水化合物及少量氮。多醣类(polysacchide)会链接成直线状或分支状。H2O约占。（二）生物膜之生长周期（生物膜之培养）基质吸附水中基质吸附于支撑面板。微生物传送微生物由水体中传送接近支撑面板。微生物之接触微生物接触附着支撑面板，此步骤为培养之关链，通常采低基质浓度，使微生物表面多醣类聚合物增加，提高吸附性，必要时可添加聚合物(polymer)。生物膜之生长支撑面板上之微生物摄取基质生长，生物膜逐渐增厚。生物膜之脱落随生物膜厚度增加至某一程度时，致使基质尚未完全贯穿生物膜前即被利用完毕，因而内层微生物形成饥饿层(Starvation z

20、one)，微生物逐自体分解，终至失去附着能力而脱落。（三）生物膜处理之优点微生物量多，生物相丰富，相当于悬浮微生物MLVSS 2000050000mg/l。对低基质浓度或生物分解性低之基质处理效果较佳。食物链较长，末段常可发现轮虫及圆虫等后生动物，故污泥排放量相对减少。较能承受基质负荷变化。具好氧、兼性、厌氧分解，可进行硝化及脱硝除氮。对水温变化影响较小。操作管理容易。（四）滴滤池处理有机物之机制不是过滤而是扩散与生物转化。生物膜附着在滤料表层，主要为兼性生微生物Pseudomonas菌属、Bacillus菌属。生物相随着滴滤池滤层由上而下深度变化。生物膜内层厌氧层中之有机酸尚未形成CH4前，

21、便已氧化为CO2释放出来。一般滴滤池为了维持废水流量稳定，降低进流水浓度，减少臭气，保持足够之水力负荷，控制污水蝇及供给基质于进流水中，须设计处理水之循环。（五）生物旋转盘RBCRBC 特性：（）生物圆盘由高密度的塑料材料制成圆形薄板，直径通常约3.6m，转轴长度约7.5m。（）表面积约有40%浸于废水中。（）转速愈快、生物膜厚度愈厚。圆板面积负荷高，则膜厚而随段次渐薄。（）不需回流污泥，动力费较少。（）附着生物50150g/m2，即相当MLVSS20,000500,000mg/l，为低F/M。微生物膜包括好氧菌C5H7O2N及厌氧菌C5HgO3N。（）微生物食物链较长，污泥产生量少(约活性污

22、泥法之)。（）处理水BOD30mg/l时，可达硝化脱氮除磷（三级处理）效果。生物相生物膜内微生物种类广泛，食物链较长。优势：细菌(Zooglea,Beggiatoa,Sphaerotilus,Epistylis)，多存在前段。处理机制与反应旋转生物接触法之好氧性微生物膜去除有机物乃利用空气及水中之氧以分解废水中之碳水化合物、脂肪、蛋白质等，成为CO2及H2O，其反应式如下：（）有机物之氧化 y zCxHyOz（有机物）+(x+)O24      2 y xCO2+H2O-（反应热） 2（）细胞之合成 yznCxHyOz+n(x+-5)O2 4

23、2 n(C4H7O2N)n(细胞质)n(x-5)CO2+（y-4）H2O-H 2（）细胞之氧化（自体分解）（CHON）n+5nO25nCO2+2nH2O+nNH3-H指标生物群RBC之水质指标除纤毛虫外，尚有轮虫、线虫及贫毛类，但分贫毛类之水蚯蚓、线蚯蚓异常增加时，生物膜呈现红色并变薄。以轮虫类及线虫类等后生动物为指标，各种操作状况如下：（）适当负荷原生动物、轮虫、线虫且存在细菌(Zooglea & Sphaerotilus)。（）负荷过高细菌(Beggiatoa、Zooglea)优势，草履虫、波豆虫等出现，色泽黑色或灰黑色。（）负荷过低Euglypha、色泽褐色。三级处理上之应用RB

24、C之圆盘体段数多时，中段以后BOD逐渐降低，若至后段降至30mg/l，尤其20mg/l以下，则将急速硝化。经硝化后之处理水，可引入厌氧旋转接触糟中，添加甲醇，在缓慢低速旋转下，氮气自脱氮圆盘槽中散出。但若添加之甲醇量过多则成BOD而碳源，将脱氮圆盘体置于最前端，而以后段好氧硝化处理水加以循环，且后段设置辅励性脱氮圆盘配置。二、生物担体(Immobilization)（一）原理藉由担体材质与多价离子之间形成网状结构，而将菌体包覆其中，予以固定成颗粒状。（二）担体材质Alginate(褐藻胶)由海藻所萃取出之天然高分子聚合物，其成分主要为醣类，故使用后之担体可以厌氧消化处理或制成肥料、饲料。Aga

25、roseK-Carrageenan所制成之担体易溶解Polyvinyl alcohol（聚乙烯醇）所制成之担体易溶解，需添加磷酸强化结构。Polyacryamide（聚乙二醇）（三）培养制造步骤悬浮培养先液态培养大量菌体，经离心收集菌体，浓度约个ml。固定化视不同性质之担体材质，加入不同之固定液，或固定方法。（）Alginate将浓缩菌体加入担体溶液中，搅拌均匀后，以定量滴管加入CaCl2，即形成球状颗粒生物担体。亦可同时加入活性碳共固定(Coimmobilized)。（）Agarose配制Agarose溶液，灭菌后以55水浴，倒入菌体搅拌均匀，待冷却后即凝固成固体，再切割成小块状，约0.5&

26、#215;0.5×0.3cm。（）K-Carrageena固定液采KCl，以滴管滴入形成球状颗粒。（）Polyacryamide（PVC）固定液采硼酸，以滴管滴入形成球状颗粒。（四）处理应用异营菌担体Pseudomonas testosteroni分解有机碳。硝化菌担体Nitrifying bacteria除氮、磷。真菌担体Phanerochaete chrysosporium分解去除多环芳香族碳氢化合物(PAHs)蓝绿藻担体Anabaena分解去除氨氮。甲烷菌担体利用甲烷菌担体进行厌氧分解。（五）优缺点菌体可藉担体之保护而避免有毒物质之伤害，故可利用于环境中含毒性污染物之去除，例如

27、氯酚类。菌体不易流失。处理微生物浓度高，可提升处理能力。 生物三级处理一、生物脱氮（一）脱氮原理好氧硝化 NH4+ +3/2 O2 NO2- + 2H+ +H2ONitrobacterNO2- + 1/2O2 NO3-此阶段属好氧分解，以CO2为碳源，氧化克NH4-N成NO3-N需消耗4.57gO2及7.17g 碱度。厌氧脱硝脱硝菌NO3- +还原态碳源N2(g) +氧化态碳源此阶段属兼性异营或厌氧分解，以NO3-为最终电子接受者。二、生物除磷利用磷积蓄菌(Acinetbacter)，在厌氧条件下释磷及好氧条件下蓄磷的特性，去除水中之磷酸盐，再以排泥方式将水体中之磷移出该系

28、统。（一）厌氧处理因在好氧条件下磷细菌磷之摄取量与胞内聚磷酸盐之含量成反比，故先进行厌氧处理将胞内之磷酸盐释放出来，以利后续好氧处理时有较有之处理能力。（二）好氧处理以主动运输方式，消耗ATP，将胞外有机物（短链脂肪酸、醋酸盐、乳酸盐等（摄入胞内分解，而以PHB（poly-B-hydroxbutyrate）型式贮存。在分解有机物之同时，摄取水中之磷酸盐，其摄取量与胞内聚磷酸盐之含量成反比。经摄取大量磷酸之磷细胞藉排泥方式将磷自水体中移除，但系统排泥会将硝化菌一并排出，而影响硝化效率，故脱氮与除磷相互牵制。重金属生物吸附一、微生物对重金属耐受性(Tolerance )之机制防止毒性金属进入细胞内

29、（表面键结吸附）利用酵素作用使进入细胞内之重金属失去毒性（胞内吸收）将重金属局限隔离在细胞内某处（胞内吸收）二、生物吸附方式（一）代谢无关型以表面吸附方式，利用细胞表面之多醣类(polysacchide)、几丁质(chitn)黏膜、藻胶(algin)或细胞壁上之官能基，可吸附不同之重金属。此吸附方式亦可发生于死细胞。（二）代谢相关型当细菌棫真菌受到低浓度之Cd、Hg、Pb等重金属刺激时，胞内会产生一种蛋白质，称为Metalothionein，此蛋白质含高量之Cysteine胺基酸，可促进微生物对以后所接触之重金属产生耐受性，亦即重金属可与Mdelanin（一种诱发性物质）或Metalothio

30、nein中之Cysteine结构中之-SH基团结合，并传送入细胞与还原酵素作用，使之还原去毒，因此降低重金属对细胞之毒性。此方式只发生于活体细胞中。三、生物吸附之微生物藻类Ni、Cd细菌Hg、Ni、Cd、Cu、U、Pb etc. 例：Pseudomonas cepacia(Cd)/aeruginosa(Hg)真菌Zn、Hg、Cu、Cd、Ni、Ag etc. 例：Fusarium. Trichoderma 真菌细胞壁具不同配位基，例羧基、胺基、有机含磷化合物等不同官能基，对各种金属离子之亲和力亦不同。污泥厌氧消化处理厌氧消化两大阶段：（一）酸生成阶段（酸性发酵）反应速率快，产生有机酸使pH值下降。（二）甲烷生成阶段（碱性发酵）