崑山科技大學 環境工程系

專題研究報告

Anammox 菌馴養

指導老師：丁文輝

班 級：環四 A

學 生：陳炳勳 C930N007

廖宣淵 C930N020

蔡富帆 C930N035

林雅惠 C930N039

中 華 民 國 九十五 年 五 月

I

摘要

傳統環境工程處理含氮廢水通常須經好氧硝化程序，將氨氮透過

生物酵素氧化為亞硝酸根離子(NO2-)及硝酸根離子(NO3-)，以及厭氧

脫硝程序將硝酸根離子透過不同的生物酵素還原為亞硝酸根，最後生

成氮氣，逸散到大氣中，完成全程的處理。

由於氮素污染物日益嚴重，除氮技術的研究及應用引起人們的重

視。近年來，發現厭氧氨氧化菌可直接將氨氮及亞硝酸根離子直接轉

換成氮，稱為亞硝酸直接脫氮技術，因anammoxosome中含有ladderane

脂質分子而造成極難滲透到廢水中，使得Anammox反應中所產生具

毒性之中間產物能安全保持於膜中，進而阻止其外洩造成細胞之毒

害，並能充分利用其化學能。此Anammox技術能大幅簡化傳統廢水

處理過程中的硝化、脫硝程序。

不僅如此，Anammox與傳統生物性硝化、脫硝技術相比，Ana-

mmox操作費用較整體操作費用昂貴的傳統生物性硝化、脫硝處理節

省約90%。

本文旨在介紹厭氧氨氧化菌的發展趨勢及應用，以及操作條件、

生長條件、馴養 Anammox 菌狀況，並包括與傳統方法的優缺點比較

等，以提供各界參考。

II

目錄

摘要----------------------------------------------------Π

目錄----------------------------------------------------Ⅲ

圖目錄--------------------------------------------------Ⅳ

表目錄--------------------------------------------------Ⅳ

一、前言------------------------------------------------1

二、文獻回顧--------------------------------------------3

2.1 氮循環 -----------------------------------------------------3

2.2 生物處理法 ------------------------------------------------------------------------ 5

2.3 硝化作用 ---------------------------------------------------5

2.4 脫硝作用 ---------------------------------------------------6

2.5 氧化還原電位 -----------------------------------------------8

2.6 Anammox 或 CANON 技術-------------------------------------11

2.7 厭氧氨氧化的應用 -------------------------------------------13

2.8 Anammox 發現歷程及未來發展---------------------------------15

三、研究方法--------------------------------------------16

3.1 實驗設備及架構 ---------------------------------------------16

四、結果與討論------------------------------------------18

4.1 ORP 對微生物檢測標準---------------------------------------------------------- 18

4.2 ORP 對 Anammox 檢測結果----------------------------------------------------- 18

五、結論------------------------------------------------20

參考文獻------------------------------------------------21

III

圖目錄

圖 1-1 傳統環工硝化、脫硝程序 ----------------------------- 2

圖 2-1 生物處理程序中氮循環途徑 ------------------------------------------4

圖 2-2 溶氧對脫硝酵素濃度的影響 --------------------------- 7

圖 2-3 循環硝化-脫硝反應之 ORP 趨勢 ----------------------- 11

圖 2-4 Nitrosomonas氨氧化的NOX循環 --------------------------------------13

圖 3-1 厭氧反應槽實際架構設備 ---------------------------------------------17

表目錄

表 2-3 好氧及厭氧系統之電子接受反應------------------------ 9

表 2-4 氧化還原電位與碳、氮及磷化合物之反應關係------------ 10

表 2-5Anammox 與傳統生物性硝化、脫硝技術之優劣分析 ------- 12

表 3-1 NH4+-N及NO2—N進料 ---------------------------------------------------17

表 4-1 ORP 檢測 ------------------------------------------------------------------19

IV

一、 前言

過量的含氮污染物是造成水體環境優養化的原因之一，含氮廢水

若未能適當的去除，不僅降低水中溶氧及影響水質的安全衛生，亦會

對原有的自然環境生態造成破壞，為此，近年來國內訂定了更嚴格的

放流水標準來保護生態系的平衡。因此，發展廢水中含氮物的處理技

術有其必要性。

各種實驗研究已發展出多種去除含氮污染物的處理程序，廢水中

去除含氮化合物可採用化學、物理或生物處理法，其中生物處理法仍

然是去除工業及家庭廢(污)水最經濟的方法之一，已成為現今廢水處理之趨勢。然而，廢水中有機氮化物性質相對穩定，不易化學氧化裂

解，亦不易生物分解，為廢水處理上之難題。

自然界中氮的循環，提供各種氧化態的氮，供不同生物所需的不

同氮源，因此氮是各種生物生存所必須元素之一。生態系中營養源的

循環，氮循環算是極為重要的一個循環。

氮循環主要包括三種作用：

（1） 固氮作用（nitrogen fixation）：就是氮氣藉由一些根瘤菌、藍綠細菌及free-living固氮菌或經由閃電的作用轉換成氨。這個固氮的過程主要的貢獻在於將自然界生物體不能利用的氮氣轉換成

可以被吸收利用的形式。

（2）硝化作用（nitrification）：就是將氨氧化成亞硝酸，再氧化成硝酸的過程。這個作用的完成，主要分別藉由亞硝酸菌(ammonia-oxi- dizing bacteria)以及硝酸菌(nitrite-oxidizing bacteria)共同來完成的，目前多半應用於污水處理或生物濾床，去除水體中的氨氮物質。

（3）脫硝作用（denitrification）：藉由脫硝菌的作用，將硝酸或亞硝酸鹽轉換成氮氧化物或氮氣回到大氣中。這個作用使得環境中的硝酸

鹽類重新以氣體的形式回到大氣中。

硝化作用是整個氮循環的關鍵作用之一。在自然環境中，硝化作

用主要是依賴微生物的硝化能力來完成。一般而言，主要是依賴化學

自營性的菌種，其中亞硝酸菌負責將氨氧化成亞硝酸，而硝酸菌負責

將亞硝酸氧化成硝酸；亦有部分的硝化作用是依賴異營性的硝化菌來

完成的。

目前國内外主要採用生物脱氮技術，研究的焦點集中在如何改進

傳統的硝化-脫硝技術。從微生物學的角度來看，硝化和脫硝是兩個

相互對立的生化反應。前者藉助硝化菌的作用，將氨氧化為硝酸，需

要氧的有效供；而後者則是一個厭氧反應，只有在無氧條件下，脫硝

细菌才能把硝酸還原為氮氣。此外，在環境中存在有機物時，自營性

硝化細菌對氧和營養物質的競爭能力劣於異營性微生物，其生長速度

很容易被異營性微生物超過，因此而難以在硝化中發揮應有的作用；

但要使脫硝反應順利進行，則必須為脫硝菌提供合適的電子接受者。

最近發現，氨可直接作為電子接受者進行脫硝化反應，即所謂的厭氧

氨氧化(ANAMMOX，Anaerobic Ammonia Oxidation)。

傳統環境工程硝化、脫硝程序，大略上可以圖1 所示流程表示：

圖 1-1 傳統環工硝化、脫硝程序

此一自然界發生的流程被應用到廢水處理程序，若能直接由N02-

到N2，不經過的步驟，稱為亞硝酸直接脫氮技術，在工程上可以節省大量的氧的供應費用(通常由曝氣機送氧氣到廢水處理槽)，全世界都

會區污水系統、畜牧業廢水、肥料廠廢水、石化業廢水等均可應用，

所節約之操作成本勢必非常龐大。因此新穎技術的影響潛力實在深

遠。

2

二、 文獻回顧 2.1 氮循環

氮的貯存及反應場所遍佈於大氣圈、水體、土壤及生物體中，其

中大氣中總體積的79%由氣態氮所組成；水體中的氮多以有機氮、氨氮、亞硝酸及硝酸氮所組成，土壤中的氮由固氮菌(如根瘤菌、固氮桿菌)利用固氮作用(Nitrogen fixation)把N2轉換成NH3，將動物排泄物、遺體中的氮化合物則將經由細菌或真菌的分解氧化轉變成氨氮，

此過程稱為氨化作用(Ammonification)，生物體中的氮多以胺基酸或蛋白質的形式存在於細胞組織中，細胞蛋白質含氮量約占14%。

而不同形式的氮(如圖2-1)藉由微生物作用而互相流通，並達動態平衡，氮循環主要由固氮作用(Nirtogen Fixation)、氨化作用(Ammo- nification)、硝化作用(Nitrification)、脫硝作用(Denitrification)及同化作用(Assimilation)等不同反應機制所構成。

2.1.1 氮化合物對環境的影響 環境中的硝酸鹽及亞硝酸鹽除了農業上可作為氮肥外，也是造成

水質優氧化的原因之一，對人體而言具有致癌性，會引起胃癌，而嬰

兒飲用過多含亞硝酸鹽之飲用水，會導致藍嬰症的發生；另外，脫硝

作用不完全產生的中間產物NO及N2O，釋放到空氣中為造成酸雨以及破壞臭氧層，造成溫室效應。

3

4

2.2 生物處理法

生物處理法實際上包括硝化作用 (nitrification)與脫硝作用(denitrification)兩部分，整個過程中氧化還原反應相當的重要，硝化作用是在有氧條件下將廢水中的氨氮(NH4-N)最終轉換成硝酸氮(NO3--N) ；脫硝作用則是在無氧條件下，進一步將亞硝酸氮及硝酸氮轉化成氣態氮，包括一氧化二氮(NO2)、一氧化氮(NO)及氮氣(N2)，主要氣體為氮氣。

2.3 硝化作用

2.3.1 硝化作用之原理 硝化作用為好氧條件下將氨氮經微生物氧化成硝酸氮及亞硝酸

氮之反應，又因微生物營養需求的差異可分為自營性硝化作用

(Autotrophic nitrification)及異營性硝化作用(Heterotrophic nitrifica- tion)；異營性硝化作用則指異營性微生物以有機碳為碳源及有機氮為氮源，用來合成細胞所需之胺基酸，另一類為以CO2 為碳源的自營性硝化作用，自然界中硝化作用主要靠自營性硝化菌，而自然界執行硝

化作用的微生物有兩種：亞硝化菌 (Nitrosomonas) 及硝化菌(Nitrobacter)，Nitrosomonas為絕對自營性，Nitrobacter為兼性自營菌，亦能利用有機碳為碳源，但生長速率較為緩慢。

2.3.2 影響硝化作用之因素

硝化菌對於環境因子的敏感性很大，經由文獻得知，如溶氧、

pH、溫度及有機負荷等因素將影響硝化速率，主要的因素包括如下：

1. 溶氧 欲達最大的硝化速率，則必須提供足夠的氧氣。由前述硝化作用

反應方程式可看出，氧化氨氮比氧化亞硝酸有較高的需氧量，但是當

溶氧不足時，硝酸菌受抑制程度高於亞硝酸菌，造成亞硝酸氮的蓄

積。不同的文獻提出溶氧值對硝化作用的影響不儘相同，主要為污泥

外層的膠羽所造成，因微生物被包裹於膠羽內，不同的攪拌速率影響

了溶氧質傳。但大多數皆認為若溶氧值高於一定臨界值以上，對硝化

作用就沒有明顯的影響，由Stenstron提出若溶氧0.3－4 mg/L間與比生長速率成正比，一般而言若溶氧大於1 mg/L就沒有抑制之現象，一般活性污泥廠的操作上，假定達到完全硝化，則硝化槽的溶氧值應保持

在2 mg/L以上。

5

2. pH 硝化菌對pH的條件極為敏感，主要原因為硝化作用時會消耗水

中的鹼度使得pH值降低。在混合菌種的活性污泥當中，pH值在7.5至8.5間較適合硝化菌生長。硝化菌喜歡稍弱鹼性的環境，當pH降至酸性範圍時，硝化速率隨pH降低而下降；當pH降至5以下時，硝化反應完全中止；然而，pH值升高至9.5時，硝化速率並沒有受到嚴重的影響。因此，保持硝化槽於弱鹼範圍內，可確保硝化效率。 3. 溫度

學者提出(Knowles, 1985；Downing, 1964)硝化最適溫度在於28－32℃之間，在5－35℃時硝化速率與溫度成正比，若溫度於5－40℃範圍外會使得硝化菌喪失活性。且學者(Randall, 1984)認為若硝化菌於10℃以下時其硝化作用會受到抑制，以硝酸菌受抑制情況比亞硝酸菌嚴重，並造成亞硝酸氮蓄積的現象。

2.4 脫硝作用

2.4.1 脫硝作用原理 自然界中硝酸氮及亞硝酸氮被微生物還原，有兩個主要途徑，一

為同化作用(Assimilatory)，另為異化作用(Dissimilatory Reduction)。有關之作用途徑，同化作用與異化作用皆會產生NH3，以合成菌體生長所需之蛋白質；然而脫硝菌藉由異化作用將NO2-或NO3-還原成N2O或N2，稱為脫硝作用。脫硝作用在自然界的重要性，乃至於它可重複的將固定的氮(fixed nitrogen)釋回大氣中，此外脫硝作用在高級水處理中，常用來去除水中的硝酸鹽養分。由於氮氣係不具毒性的氣體，

對微生物不會有抑制作用，而且硝酸鹽本身即是良好的電子接受者

(electron acceptor)，因此脫硝作用可使得細菌在厭氧的環境下得以大量繁殖。

脫硝菌的分佈非常廣泛，可於淡水、海水及土壤中發現脫硝菌之

蹤跡，脫硝菌之間的生化特性及分類有極大的差異，除少數為自營性

外，大部份的脫硝菌屬於異營性。而脫硝菌碳源利用如下方程式所示：

異營性脫硝菌(以CH3OH為碳源為例) 6 NO3-+ 5 CH3OH 5 CO2 + 3 N2 + 7 H2O + 6 OH

-

自營性脫硝菌(以CO2為碳源) 2 NO3+ 0.617 S + 0.0667 H2O 0.1 N2 + 0.167 SO4

2 -+ 0.133 H

+

6

2.4.2 影響脫硝作用之因素

1.溶氧 在有氧情況下，氧會與硝酸鹽及亞硝酸鹽競爭電子，迫使電子流

由硝酸鹽電子傳遞鏈轉向有氧呼吸作用，而抑制氮氧化物還原酵素的

合成系統。理論上溶氧會抑制脫硝作用，在一個分散生長且溶氧濃度

為0.13 mg/L時，脫硝作用即停止，不過各純種菌株對氧的耐受性有所差異，有些兼氣性菌亦能在低溶氧的環境中作用。文獻指出低溶氧

存在下，仍能產脫硝作用，但速率較為緩慢，為了達到良好的脫硝效

果，溶氧濃度應為零。

圖2-2 溶氧對脫硝酵素濃度的影響(mg/mg cell protein)飽和溶氧-完全厭氧-飽和溶氧之連續培養。Symbols :▲, NaR; ○, Nir ; ●, N2OR

2. pH 脫硝反應將產生鹼度使得pH值上升，對於anaerobic-oxide處理程

序，可中和硝化反應pH值的變化，pH對脫硝作用的影響很大，最適的pH範圍在 6.5－7.5 之間，pH值低於 6.0 或高於 8.0 時，脫硝速率即迅速降低，在低pH值下氧化亞氮還原酵素(N2OR)的量會減少，使得總脫硝速率降低而N2O產量將增加，在pH 4 時可能的主產物為N2O，pH若低於 3.5 脫硝作用將停止。並且在中性pH條件下，有利於N2O轉換成氮氣，傳統硝化-脫硝反應大多控制pH在 7 左右。

7

3. 溫度 溫度對脫硝反應也是很明顯的，Metcalf提出溫度對脫硝作用的

關係式可表示如下：

P = 0.25 T2

式中，P：20℃時脫硝菌的生長速率百分比(%) T：溫度(℃)

脫硝作用於5℃時仍可進行，且隨溫度增加而增加脫硝速率。脫硝菌對溫度的適應範圍0－60℃，最適合溫度在24－40℃，在10－35℃間，溫度每上升10℃，其反應速率約為1.5－3.0倍。

4. C/N比 有機物是供應硝化異營作用之碳源，亦即是作為脫硝作用中電子

供給者，其參與脫硝作用之反應方程式如下：

5 x + 2 H2O + 4 NO3

- 2 N2 + 4 OH

-+ 5 CO2

式中，x：有機碳

以甲醇為例，理論上 1 g的NO3-N進行脫硝作用需 2.4 g的甲醇，揮發性脂肪酸為有機碳裂解之後的主產物，相同克數下愈短鏈的脂肪

酸氧化後所提供的電子量較多，有助於硝酸鹽還原，但因電子傳遞途

徑cytochrome b 接受了大部分的電子使得提供給亞硝酸鹽的電子量不足，而降低了亞硝酸鹽還原速率，造成亞硝酸鹽的蓄積。較低的

C/N比通常有利於硝化菌的增殖，而較高的C/N比則有利於異營菌之增殖。

2.5 氧化還原電位 氧化還原電位(ORP)是簡便、經濟且商業化之監測技術，是用來

量測水溶液中碳、氮、硫、磷以及金屬類之間的氧化還原狀態，所以

從 1983 年至今，一直是被用來監測水質狀況及生物反應趨向的指標，近年許多研究中均顯示：在生物除氮系統中，ORP 之變化特性與硝化 (nitrification)及脫硝 (denitrification)之生物活性有密切之關係。同樣的問題，生物反應槽的功能是否良好，是否能直接影響或與

放流水水質相關，或者在傳統生物處理系統，ORP 或 DO 是否能反映放流水質，需進一步探討。

8

在二十世紀初期氧化還原電最早被應用於廢水處理技術，但因監

測數值缺乏學理依據及可信度受懷疑而不被受重視，近年來因感測器

發展技術成熟，氧化還原電位之測定已相當的穩定，且可線上即時監

測作為調控之策略，因此氧化還原電位又開始受到重視。尤其在低限

值溶氧(

表 2-4 氧化還原電位與碳、氮及磷化合物之反應關係

氧化還原電位

(ORP) 處理系統之條件

及狀態

碳之反應 氮之反應 磷之反應

+100mv 出現溶氧，喜氣狀態，喜氣呼吸

作用

氧化作用→

二氧化碳及

水

硝化作用氨氮

→硝酸鹽

攝磷作用，磷

被微生物所攝

取

0mv 出現溶氧及硝酸鹽，兼氣狀態，

厭氧呼吸作用

氧化作用→

二氧化碳及

水

脫硝作用硝酸

鹽→氮氣

攝磷作用，磷

被微生物所攝

取

-300mv 溶氧及硝酸鹽不存在，厭氧狀

態，發酵作用

氧化作用→

揮發性有機

酸

還原作用→氨

氮

釋磷作用，磷

被微生物所釋

放

-500mv 溶氧及硝酸鹽不存在，厭氧狀

態，發酵作用

氧化作用→

甲烷及水

還原作用→氨

氮

釋磷作用，磷

被微生物所釋

放

研究中發現在低負荷的活性污泥系統中，經由硝化-脫硝循環程

序中ORP出現三個明顯的折點如圖2-3所示，這三個折點的發生與NOx-N的濃度有關，在a折點之前ORP迅速的上升主要為曝氣所致，到達a折點時氨氮均被完全消耗，此點可稱為硝化終點。在b折點之前ORP緩慢上升到一穩定值，氨氮已完全氧化只剩NOx氧化釋放出電子，因此ORP上升幅度趨緩漸達平穩，於b折點時NOx完全氧化，為脫硝作用之起點。c折點前因停止曝氣及脫硝反應之進行使ORP迅速下降，到達折點時NOx的濃度已低於檢測的極限值以下，因此認定c折點為脫硝作用之終點。

由以上現象認定 ORP 可用來界定厭氧及好氧反應之生物活性，為理想的廢水處理反應終點控制指標之一，比傳統溶氧控制更能適當

的反應硝化及脫硝作用。在厭氧環境 ORP 可取代溶氧無法測得之範圍，並實際反應脫硝作用的終點；在有氧環境，以 ORP 作為調控策略可以降低過度曝氣所造成的能源浪費，縮短操作時間，更能確實的

掌握反應的控制點，是較有效率的。

10

圖2-3 循環硝化-脫硝反應之ORP趨勢

2.6 Anammox或CANON技術

2.6.1 原理 Anammox為海洋中自然進行的一種反應，係由海洋中自營性微

生物於厭養狀態下利用自然界存在的二氧化碳(CO2)作為碳源，將氨氮(NH4+)與亞硝酸根離子(NO2-)反應直接轉化生成氮氣(N2)的過程，不需經由完全硝化為硝酸根離子(NO3-)再進行脫硝反應等步驟。此技術為海洋中最重要之氮循環作用之一，最多可佔海洋中整體氮循環總

量之50－70%，也可稱之為CANON。

藉由此新型處理技術能降低傳統廢水處理過程中大量曝氣及額

外添加碳源的需求，而得以大幅減少整體操作費用，且因反應過程中

微生物利用水中HCO3-作為碳源、減少CO2排放，對於溫室氣體減量有相當助益，將成為未來進行廢水處理的重要技術。

2.6.2 微生物及其生化特徵 目前已知參與Anammox反應之微生物共三種，分別說明如下： 1. Candidatus“Brocadia anammoxidans＂：曾於廢水處理系統中發現。 2. Candidatus“Kuenenia stuttgartiensis＂：曾於廢水處理系統中發現。 3. Candidatus“Scalindua sorokinii＂：曾於海洋生態系統中發現，如黑海。

11

Anammox技術能大幅簡化傳統廢水處理過程中的硝化、脫硝程序，應歸功於上述微生物，其特殊之處在於細胞質間有一雙層膜構成

之隔間構造稱為anammoxosome，因其中含有ladderane脂質分子而造成極難滲透，使得Anammox反應中所產生具毒性之中間產物能安全保持於膜中，進而阻止其外洩造成細胞之毒害，並能充分利用其化學

能。

2.6.3 Anammox與傳統生物性硝化、脫硝技術之優劣分析 為瞭解Anammox與傳統生物性硝化、脫硝技術之差異，以優劣

分析比較如下表：

表2-5 Anammox與傳統生物性硝化、脫硝技術之優劣分析

項目

Anammox

傳統生物性硝化、脫硝技術

O2

微量，較傳統生物性處理節

省約50%

硝化過程需補充O2

額外添加

碳源

以自然存在之CO2作為碳源，較傳統生物處理節省超

過100%

脫硝過程中需補充甲醇

(CH3OH)

CO2

無，甚至消耗CO2

脫硝過程中排放CO2

操作費用

較傳統生物處理節省約90%

整體操作費用昂貴

12

2.7 厭氧氨氧化的應用

2.7.1 自營性亞硝酸型脫氮 CANON (completely autotrophic N removal nitrite)

B. Anmmoxidans菌看起來是一種嚴苛的厭氧菌，只有在嚴苛厭氧環境下才表現出氨氧化活性。而絕大多數耗氧氨氧化細菌具有多種代

謝途徑，這類好氧微生物在缺氧條件下也能使用一系列電子供體

(氫、丙酮酸鹽和氨)來還原亞硝酸鹽。NO2分子看來在其中發生作用。Schmidt等通過對亞硝化單胞菌屬細菌的安轉化進行研究，提出了一個新的NO2循環模型。

圖 2-4 Nitrosomonas氨氧化的NOX循環

在這個模型中，N2O4被設想氨氧化的氧化劑，氨氧化生成烴氨和NO4。在有氧條件下，NO在被氧化為NO2 (N2O4)，再次提到氧化劑N2O4給氨單加氧酶。因為檢測到的NOX濃度低，氮氧化物看來是在細胞內循環(可能在酶邊界)。根據這一模組，O2被用來氧化NO，產物NO2接著氨氧化中消耗。烴氨的扔然來源於分子氧，但這個通過NO-NO2途徑引入的。在氧限制條件下，由於只是有限的NO2能利用，亞硝化單胞菌屬細菌轉化氨的活性能到的最大值是約 2 nmol NH4+/(mg 蛋白質)．min，但扔足已使亞硝化單胞菌屬細菌生存下來。在此代謝基礎上，亞酸化單胞菌屬細菌和B. Anmmoxidans有可能在氧化限制條件下共存。在這種情況下。亞酸化單細胞菌屬細菌將氧化氨

到亞硝酸鹽，並消耗氧以保持氧濃度極低的環境，而B. Anmmo- xidans用於下的安轉化亞硝酸鹽制N2，從氨氮可在一個系統中直接轉化為氨氧得到脫除。Sliekers等建立了這種氧限制的系統。亞硝化單胞菌屬細菌非常有效地消耗供應的氧，使氧濃度低於可檢測的極限 2 umol/L。此系統中的亞硝酸鹽的濃度從未超過 1 μmol/L，表明B. An- mmoxidans在氧存在的情況下扔保持了活性。在數月的穩定運行後，幾乎所有供應的氨(30 nmol/L)都被轉化為N2(85％)和少量的硝酸鹽(15％)，N2O可忽略不計(＜0.1％)。

13

2.5NH4+ ＋ 2.1O2 ＝ 1.15N2 ＋ 3.6H2O ＋ 2.8H+

從此反應器移出的細菌在厭氧培養中以 35 μmol NH4+/(mg 蛋白質).min的速率同時轉化氨和亞硝酸鹽。在好氧試驗過程中，氨轉化成亞硝酸鹽的速率只有 30 μmol NH4+/(mg 蛋白質).min。在有氧培養中，未觀察到亞硝酸的生成。用帶B. Anmmoxidans和亞硝化胞菌屬菌專用探針的FISH分析生物量的組成，最初B. Anmmoxidans佔 70%但逐漸越來越多的類似亞硝化單胞菌屬的細菌被檢測到。好氧亞硝酸鹽

氧化菌(硝化桿菌屬或硝化螺菌)從未檢測到，與在有氧批次試驗中沒有發現亞硝酸鹽氧化現象一致。

這種通過簡單的一個氧限制步驟脫氮的分法被命名為 CANON

並已申請專利。

2.7.2 SHARON-ANAMMOX 厭氧氨氧化最適處理富含氨氧而 COD 的污水，如污泥硝化液或

掩埋場滲出水。厭氧氨氧化應用有二種途徑：硝化與厭氧氨氧化再一

個反應器內完成即為 CANON，另依種是硝化與厭氧氨氧化分開。 結合厭氧氨氧化過程與前置硝化系統。如：半硝化脫氮 SHAROH

(single reactor for high ammonium removal over nitrite)的可行性。SHARON 過程是至今為止唯一成功長時間穩定的部份硝化技術。SHARON 本質上是一個完成混合反應器，沒有生物停留，及污泥齡(SRT)等於水力停留時間(HRT)。它的稀釋率(1/HRT)高於亞硝酸鹽氧化菌的最大生長速率，但低於氨氧化菌的生長速率。在這種條件下，

亞硝化菌被保留在反應器中，而硝化菌被沖洗出去，亞硝酸鹽是硝化

的穩定末端產物。厭氧氨氧化過程所需的氨氮與亞硝酸鹽的比值為

1，通常情況下 SHARON 技術可以控制部分硝化，使出流水中的氨氮與亞硝酸鹽比例為 1：1，而作為厭氧氨氧化技術的一個新型的生物脫氮技術。

部分硝化 2NH4+ + 1.5O2 ＝ NH4+ + NO2- + H2O + 2H+ 厭氧氨氧化 NH4+ + NO2- ＝ N2 + H2O 總反應式 2NH4+ + 1.5O2 ＝ N2 + 3H2O + 2H+

14

2.8 Anammox發現歷程及未來發展

2.8.1 Anammox發現歷程 Anammox技術最早於1986年發現，至今仍是一項尚未十分深入

探討之循環型態。初期研究以證實其微生物特性、氮與碳之反應原

理。1995年時由Mulder A.等人於流體化床脫硝反應槽中首度發現參與反應之厭氧氨氮氧化微生物群，其後開始有更深入之觀察。至2001年時，由 Jetter等人以顯微鏡進行觀察，並提出假說認為 ana- mmoxosome 之膜上具有酵素，可能與氨氮及亞硝酸根離子之去除有關，且反應之中間產物聯胺(N2H4)及羥胺(NH2OH)會刺激微生物利用氨氮及亞硝酸根離子的活性，其所產出之最終產物為氮氣。

2.8.2 Anammox未來發展

在台灣，近年內由生物技術開發中心進行相關研究，研究自環境

污泥馴養本土性厭氧氨氮氧化微生物，並嘗試利用混合菌群開發固定

式連續流之生物反應器，藉以提升廢水除氮技術。

在94年8月份於WEF (Water Environment Federation)網站報導最新消息：美國農業部農業研究處已開發出一種利用厭氧菌去除畜牧廢

水中氨氮的新技術，該種技術係為一種厭氧氨氮氧化法(Anammox)，利用細菌將亞硝酸根離子及氨氮轉化為氮氣，希望能夠節省去除畜牧

水中氨氮之操作費用。

現階段所面臨的挑戰為厭氧菌繁殖速率緩慢且不易培養，因應此

一情況，科學家嘗試改變繁殖菌種的環境，期望改善培養不易之困

境。美國也與巴西農業研究部門開始進行一為期三年之合作計畫，希

望可以利用Anammox技術發展出新型的廢水處理設施，以大幅降低其操作成本至原有操作設施之25%。

目前國際間科學家仍持續觀測Anammox作用，並開發相關技術，包括：利用生物標記於現地探測Anammox菌種、發現新品種菌株並加以定序，同時也認為未來發展及應用將有可能超出原先之預

期。

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三、 研究方法

3.1 實驗設備及架構 1. 材料： （1）水桶(5000 mL) （2）點滴管 （3）沙拉油塑膠罐(2000 mL) （4） 塑膠管(內徑1 cm) 2. 架構：(整體架構如圖3-1) （1） 進流槽：

將水桶底部鑽洞孔，足以塞進點滴管上部的進流口，之後用熱溶

膠將孔洞填補，避免水滲漏。

（2）反應槽 a. 進流口：將沙拉油罐瓶蓋中心點處鑽孔洞，足以塞進點滴管。 b. 出流口：將沙拉油罐大約至1800 mL處鑽洞孔，足以塞進內徑

1 cm的塑膠管，之後用熱溶膠將多於孔洞填補，避免水滲漏。

（3）流量器：點滴管前段有調節流量的滾輪，可作為流量控制器。 3. 污泥來源及進料： （1） 污泥來源：

a. 台中市-水肥場 b. 台南縣安平-生活污水廠

（2） 進料藥品：(進料日期如表3-1) a. NH4+-N b. NO2—N

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表3-1 NH4+-N及NO2—N進料

進料日期

來源 反應器 反應體積 進料項目 94 年

1 月 14 日

94 年

2 月 15 日

94 年

2 月 22 日

NH4+-N 1.5m M 1.5m M 2.0m M 沉澱池 1.750 L

NO2--N 1.5m M 1.5m M 2.0m M

NH4+-N 1.5m M 1.5m M 2.0m M

台中市

水肥場 硝化槽 1.740 L

NO2--N 1.5m M 1.5m M 2.0m M

NH4+-N 1.5m M 1.5m M 2.0m M 沉澱池 1.820 L

NO2--N 1.5m M 1.5m M 2.0m M

NH4+-N 1.5m M 1.5m M 2.0m M

台南安平

污水廠 硝化槽 1.830 L

NO2--N 1.5m M 1.5m M 2.0m M

圖3-1 厭氧反應槽實際架構設備

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四、 結果與討論

4.1 ORP 對微生物檢測標準 在一個微生物處理的系統中，往往存在多種的氧化性物質以及還

原性物質，也就是一個混合的氧化還原系統，其中最主要的氧化還原

反應式決定了系統的氧化還原電位值；換言之，此主要氧化還原反應

式作用時，便會抑制其他氧化還原反應的進行(又稱做強電子接受者

的抑制作用)。

氧化還原電位(ORP)與微生物生長情形有密切的關係，可以當作好氧及厭氧的控制指標，氧化還原電位對水中水質的影響，一個「正」

的氧化還原電位代表水中有較多的分子被氧化，表示水中有適當的氧

氣。一個「負」的氧化還原電位則代表水中的氧氣不足。 在好氧條件下 ORP 值介於+100－+200 mv 間，微生物處於最佳

的生長狀態，對照 ORP 與微生物生長環境之關係，ORP +200 mv 以上適合好氧菌生長，+200－-200 mv 適合兼氣性菌生長，+100－-100 mv 稱為無氧(anoxic)，-100 mv 以下適合厭氧菌生長，絕對厭氧菌生長要在-400 mv 以下。

4.2 ORP 對 Anammox 檢測結果 一般而言，微生物代謝會朝向穩定的氧化狀態進行，此時若系統

中的氧快速被消耗掉，ORP 很快就到達負電位，故微生物達到氧化還原狀態之速率可以作為生物活性之指標，即若 ORP 快速代謝則代表微生物代謝活動旺盛。不同的污泥濃度，即會顯示出微生物不同的

活性及系統中的 ORP 值，並顯示出生物系統中是否存在或缺乏電子接受者，藉由 ORP 之監控技術，可以作為最佳的操作條件及最佳的反應終點之監視。

由表 4-1 可觀察到本實驗所馴養的 Anammox 的菌種，符合兼氣性菌微生物最佳生存環境，ORP 數值介於+200－-200 mV 之間，由目測判斷污泥依舊持續的產氣，可看見微小氣泡，屬於良好的狀態。

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表 4-1 ORP 檢測

來源 沉澱池 消化槽

台南安平污水廠 +179 mV +185 mV

台中市水肥廠 +176 mV +181 mV

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五、結論

Anammox 的存在大幅度提高生物脫氮效率的生物學基礎，而且效率的提升並不一定意味著成本的上升。只是由於厭氧氨氧化的反應

速度較慢，厭氧反應器的容積可能要大一些。亞硝酸鹽脫硝和好氧脫

硝均要求較低的溶氧，這樣既可以節省曝氣量，又可以提高脫氮效率。

將Anammox此新技術應用於廢水脫氮處理，與傳統經硝化、脫硝程序相比較，在能源消耗、操作成本皆可大幅節省，因此對於環境

更是具有高度友善性，且其應用範圍廣泛，包含工業製程廢水、畜牧

業廢水等，特別是針對具高濃度氨氮廢水能妥善處理以大幅度降低其

濃度。由於其各項優異條件，將成為未來一項重要之廢水處理技術。

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Anammox