本期主題:廢污水中磷之處理與再利用

發行人 :蔡俊鴻

本期主編:莊順興

       

       

106年8月

環境壓力條件對生物除磷系統之效應

許志勛 / 矽品精密股份有限公司 資深工程師
吳政鴻 / 雲林科技大學環境與安全衛生工程系 碩士
張維欽 / 雲林科技大學環境與安全衛生工程系 教授

摘要

  厭氧/好氧活性污泥系統經長時間的研究及發展,業已被廣泛證實具有加強生物除磷之功能;惟該生物除磷系統效能之穩定則有賴磷蓄積菌(phosphate-accumulating organisms, PAOs)於系統族群競爭中取得優勢來達成。過往研究在富集培養磷蓄積菌,藉以探討磷蓄積菌之代謝行為時,常以提高進流磷酸鹽之方式(亦即高進流P/COD)來確保磷蓄積菌在系統中之族群比例與優勢。然而,另有文獻顯示高P/COD進流造成生物除磷系統污泥含磷量下降甚或磷代謝功能喪失之情形,亦即高磷進流反成為磷蓄積菌培養之環境壓力條件。另文獻顯示鎂鉀金屬離子在磷蓄積菌進行釋攝磷行為時扮演著極重要之角色(平衡釋磷攝磷時之電荷),然而除鎂鉀外之營養鹽倘有缺乏,可能導致溶解性微生物產物之生成,進而影響生物除磷之效能。是故本文針對生物除磷系統之可能環境壓力條件(高磷負荷、營養鹽缺乏、溶解性微生物產物)進行引介說明,以便生物除磷系統操作者對其具備基本之認識。此外,不同揮發酸種類經文獻證實對於生物除磷系統之穩定會具有不同之效應,因此一併進行介紹。

關鍵字:生物除磷、環境壓力、厭好氧活性污泥程序、廢水處理

一、前言

  厭氧/好氧(Anaerobic/Oxic, A/O)活性污泥法經長時間的研究與發展,業已被廣泛證實具有生物除磷(enhanced biological phosphorus removal, EBPR)之功能;是故具有除磷功能之A/O系統常稱為生物除磷(EBPR)系統。生物除磷系統之主要除磷關鍵乃在透過促進系統中磷蓄積菌(phosphate-accumulating organisms, PAOs)之生長來攝取廢水中之正磷酸鹽,再經由廢棄高含磷量污泥來達成除磷之目的(Mino et al., 1998)。惟生物除磷系統為一複雜之族群結構(依基質與操作條件之不同,可能含有發酵菌、磷蓄積菌、肝醣蓄積菌(glycogen-accumulating organisms, GAOs)、硝化菌、脫硝菌、硫酸還原菌、硫氧化菌...等),因此生物除磷系統常在某些未確定之環境因素下,發生系統除磷效能不彰之情形,其主要之原因咸信乃因該環境條件致使非磷蓄積菌(尤其是肝醣蓄積菌)於系統中取得競爭優勢所致(Oehmen et al., 2007)。

  典型影響生物除磷系統磷蓄積菌優勢與否之最重要環境因素為進流之磷與化學需氧量比(P/COD ratio);諸多研究證實高P/COD進流有利PAOs族群的生長,而低P/COD進流反提供GAOs族群較多之生長優勢(Liu et al., 1997; Sudiana et al., 1999)。因此,過往多數研究均以此(高P/COD)為操作策略,藉以培養富含磷蓄積菌之污泥(PAOs-enriched sludge),作為探討磷蓄積菌基本特性之基準(Yagci et al., 2003; Zhou et al., 2008)。然而另有研究卻發現生物除磷系統會在此高P/COD進流情形下,發生污泥含磷量下降,甚或污泥磷代謝功能喪失之情形(Converti et al., 1993; Liu et al., 1997; Randall et al., 1997b);亦即高磷進流非但未培養出富磷生物污泥,反成為磷蓄積菌培養之環境壓力條件。

  此外,進流基質中之揮發性脂肪酸種類亦為影響生物除磷系統效能穩定性的重要環境條件。早期之研究大多顯示,相較於丙酸,乙酸會使富磷污泥於厭氧段釋出較多的正磷酸鹽,並使污泥擁有較高的污泥含磷量,因此乙酸較丙酸利於生物除磷系統之操作(Abu-ghararah and Randall, 1991; Randall et al. 1997a; Hood and Randall, 2001);然而,近來之研究卻均指出,丙酸相較於乙酸更有助於生物除磷系統操作之穩定性(Oehmen et al., 2004, 2006a; Wang et al., 2010)。

  生物處理系統中之活性污泥於代謝過程除需有機物作為碳及能量來源外,在微生物合成階段更需各類之營養源(nutrients)來進行增殖,而生物除磷系統之活性污泥亦然。惟由於磷蓄積菌在合成與切斷聚磷酸鹽之過程需有陽離子參與來取得電荷之平衡,因此過往在生物除磷系統營養源需求之研究上,均著重於鎂、鉀金屬離子在生物除磷系統磷蓄積菌釋磷攝磷過程的重要性(Aguado et al., 2006; Rickard and McClintock, 1992; Romanski et al., 1997)。事實上,在厭氧生物處理系統之研究上已然證實,進流營養源缺乏所形成之環境壓力條件,除可造成整體生物處理效能之降低外,亦促使溶解微生物產物之大幅增加(Aquino and Stuckey, 2003)。而溶解性微生物產物於先前之研究(Ichihashi et al., 2006)已發現會對生物除磷之效能造成明顯之負面作用。尤其工業廢水中普遍較易發生營養源受限之情形,在有除磷需求之處理系統,此種營養源缺乏可能導致之效應更值得進一步重視。

  本文之主要目的即在簡要地引介生物除磷處理系統之基本概念,並對不同環境壓力條件(高P/COD進流、進流營養源缺乏、溶解性微生物產物)對生物除磷系統之影響進行說明,以便廢水生物處理操作者對其具備應有之基本認識。

二、生物除磷系統基本概念

2.1 生物除磷系統及其原理


圖1. 典型生物除磷系統及其水質變化

  典型厭氧/好氧活性污泥系統(如圖1所示)之特徵為在一般傳統活性污泥程序之進流端增設一厭氧段,使迴流之活性污泥在厭氧狀態下與進流有機基質接觸,進而對具有厭氧狀態下攝取基質能力的微生物(如磷蓄積菌)產生選種之功能。此系統業經長時間發展與研究已證實具有加強除磷的功能,而其除磷功能則主要透過強化系統中磷蓄積菌於族群中之競爭優勢來達成。

  磷蓄積菌之代謝方式為於厭氧段分解體內聚磷酸鹽(poly-phosphate)產生能量,攝取外部短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs),並將之以胞內聚合物PHAs (polyhydroxyalkanoates)型式貯存,貯存時所需之還原力則由水解胞內之肝醣來提供;好氧段時磷蓄積菌則以貯存之PHAs為能量來源與碳源,進行分解與合成代謝,所代謝之PHAs除部份將肝醣回復外,另將作為磷蓄積菌自身之增殖,並同時將胞外正磷酸鹽攝取至體內,最後再經由排泥程序達到系統除磷的目的。是故,厭氧/好氧活性污泥系統之水質變化如圖1所示,厭氧段水溶液中之正磷酸鹽濃度增加而COD降低,污泥中之Carbohydrate蓄積量降低而PHAs蓄積量增加;好氧段時污泥中之PHAs被利用降低而肝醣回復增加,水溶液中之正磷酸鹽則被攝入胞內而降低。

2.2 生物除磷系統效能之惡化及微生物族群之競爭

  厭好氧活性污泥系統雖經證實具有生物除磷之功能,然其常在某些未確定之因素下,發生系統除磷效能不彰甚或除磷功能喪失之情形,一般咸信乃因系統環境條件,致使磷蓄積菌於系統中喪失競爭優勢所致。事實上,生物除磷系統為一複雜之族群結構,依基質與操作條件之不同,系統中可能含有發酵菌、磷蓄積菌(PAOs)、肝醣蓄積菌(GAOs)、硝化菌、脫硝菌、硫酸還原菌、硫氧化菌...等。在厭氧段存在硝酸鹽與硫酸鹽之情形下,脫硝菌與硫酸還原菌會與磷蓄積菌競爭進流之碳源,惟在硝酸鹽與硫酸鹽濃度不高或可先行去除之情形下,與磷蓄積菌代謝行為相似之肝醣蓄積菌則為厭好氧系統除磷失效之主要因素。


  GAOs與PAOs的厭好氧代謝行為比較如表1,由表可知兩菌群之代謝行為相當類似,其差別僅在於PAOs在厭氧段乃經由分解體內的poly-P來獲得能量以攝取胞外基質,而相對地GAOs則是分解體內的肝醣來獲得攝取基質之能量。過往已有甚多之文獻針對PAOs與GAOs攝取揮發酸之代謝進行研究,Yagci et al. (2003)綜合文獻提出圖2之PAOs與GAOs乙酸代謝機制,並以之作為探討系統中PAOs與GAOs族群競爭之基礎。由圖可知兩者之差別除上述之磷代謝外(僅PAOs具有此行為),主要乃在Pyruvate至Propionyl-CoA代謝路徑之差異。此外,對於其他揮發酸如丙酸,亦陸續有研究者(Lemos et al., 2003; Oehmen et al., 2005b, 2006b)針對PAOs與GAOs之代謝行為與路徑進行過探討。在PAOs與GAOs同樣可攝取揮發酸之情形下,研究何種之操作或環境條件較有利於PAOs,為維持厭好氧活性污泥系統除磷效能穩定極重要之課題。


圖2. 磷蓄積菌(a)與肝醣蓄積菌(b)厭氧代謝路徑示意圖(Yagci et al., 2003)

  雖然PAOs與GAOs普遍被認為屬不同微生物族群(Gebremariam et al., 2011),但近來仍有研究者(Erdal et al., 2008; Acevedo et al., 2012)持不同見解,此類研究者對於生物除磷系統效能惡化之原因,傾向於乃由於PAOs族群之代謝行為轉換為與GAOs相同所致。亦即,當PAOs體內poly-P消耗殆盡時,肝醣就不僅只提供PHAs生成的還原力,亦將是PAOs獲取能量的來源。惟不論除磷效能惡化之原因為PAOs與GAOs之族群競爭,或磷蓄積代謝(Phosphate-Accumulating Metabolism)轉為肝醣蓄積代謝(Glycogen-Accumulating Metabolism)所致,影響此類競爭或代謝轉換之操作或環境條件方為確保除磷穩定之探討方向。

三、環境壓力條件對生物除磷系統之影響

  本節簡述影響生物除磷系統效能之環境壓力條件:進流P/COD比、營養源缺乏與溶解性微生物產物。碳源種類雖非影響除磷效能之主要條件,惟文獻證實不同碳源種類對生物除磷效能之穩定具有不同之效應,是故本節一併列入說明。

3.1 進流P/COD比之效應

  影響生物除磷系統中磷蓄積菌與肝醣蓄積菌競爭之最重要參數為進流廢水中之磷/有機物比(如P/COD)。Mino et al. (1998)回顧並綜合文獻研究成果指出,倘厭好氧活性污泥系統之進流廢水具較低之P/COD比(如小於2/100 mg P/mg COD),則該系統會較有利於肝醣蓄積菌的生長;反之,進流廢水如具較高之P/COD比(如5/100 ~10/100 mg P/mg COD),則系統會較利於磷蓄積菌的生長。事實上,爾後之文獻亦持續證實,高P/COD進流較促成系統磷蓄積菌的優勢(Sudiana et al.,1999; Schuler and Jenkins, 2003; Yagci et al., 2003; Panswad et al., 2007),而低P/COD進流較適合肝醣蓄積菌的生長(Zeng et al.,2002; Schuler and Jenkins, 2003; Oehmen et al., 2005a, 2006b)。因此,過往多數研究(Smolders et al., 1994; Liu et al., 1997; Yagci et al., 2003; Oehmen et al., 2005a, 2006a; Zhou et al., 2008)均以高P/COD比之進流作為操作條件,藉以富集培養富含磷蓄積菌之污泥,以作為探討磷蓄積菌基本特性之對象。然而,另有其他研究(Converti et al., 1993; Liu et al., 1997; Randall et al., 1997b; Hsu, 2012)卻發現生物除磷系統會在此高P/COD進流情形下,發生污泥含磷量下降,甚或污泥磷代謝功能喪失之情形;亦即高磷進流非但未培養出富磷生物污泥,反成為磷蓄積菌培養之環境壓力條件。


圖3. 不同P/COD進流下反應槽之污泥含磷量變化(Liu et al., 1997)

  Liu et al. (1997)以一乙酸為進流碳源操作之A/O系統,探討PAOs與GAOs之競爭時發現,將原進流之P/C比由10/100提升至P/C = 20/100(亦即P/COD = 30/400 mg/mg),在操作兩個月後(穩定期約兩星期),系統之污泥含磷量卻突然下降,且出流水中亦殘存正磷酸鹽(如圖3 reactor II之操作結果);反之,以P/C = 10/100(亦即P/COD = 15/400 mg/mg)操作之系統(即reactor III),則呈現相當穩定之情形。當再度將進流P/C從20/100降回10/100後,系統效能方恢復穩定。另Randall et al. (1997b)進行一生物除磷系統操作效能之長期研究,當系統之進流磷濃度由10 mg/L加倍到20mg/L後,初期除磷效率仍維持穩定,然在長期操作後則亦呈現下降之趨勢。Converti et al. (1993)將一生物營養鹽去除系統之磷負荷從18 mg/L逐步階梯提升,當增加至100 mg/L時發現厭氧釋磷量及好氧攝磷量明顯下降且磷代謝突然停止(請參閱圖4於40天操作後之情形,圖中△IN為進流磷濃度,○AES與■ANS則分別代表好氧與厭氧磷濃度)。由於前述研究均有其既有之研究目的,因此並未系統性地探討高磷負荷進流導致除磷失敗的原因。此外申請人研究團隊(Hsu, 2012)前亦曾以P/COD=40/400之進流負荷,嘗試馴養出一高度富含磷蓄積菌之污泥系統,然卻也於長期馴養過程,發生污泥磷代謝功能失效與系統微生物族群變遷之現象。


圖4. 進流磷濃度變化與除磷效能之關係(Converti et al., 1993)

  目前大多數之研究在培養富磷生物污泥時,仍均採用高磷進流之厭好氧活性污泥系統,惟前述造成除磷失效情形之研究,似均採用相對較為偏高之P/COD進流(前述成功培養磷蓄積菌之案例,其進流磷負荷多數較培養失敗之案例為低,惟仍有例外,如Yagci et al., 2003),顯然企圖以高進流磷負荷之方式來加強培養磷蓄積菌仍有其操作上之限制。

3.2 碳源種類之效應

  當進流廢水經過預發酵處理後,廢水中最主要的揮發性脂肪酸將為乙酸(通常最高)及丙酸,而丁酸、戊酸及其他揮發性脂肪酸雖亦存在於廢水中,但通常所佔比例極低(Thomas et al., 2003),因此,多數生物除磷系統之研究多以乙酸作為進流之主要碳源。Abu-ghararah and Randall (1991)在使用C2~C5之揮發性脂肪酸為碳源的實驗中發現,相較於其他揮發酸,以乙酸作為生物除磷系統之碳源時會有最大的釋磷量及污泥磷含量。此外,Randall et al. (1997a)及Hood and Randall (2001)在比較不同揮發酸之效應後,亦說明乙酸為對生物除磷系統除磷效能較有助益之碳源。此外,亦有其他研究(Hesselmann et al., 1999; He et al., 2006)證實在生物除磷系統中以乙酸為碳源時,系統可展現有效且穩定的除磷效果,經由螢光原位雜交(fluorescence in situ hybridization, FISH)技術分析後,發現其活性污泥中含有大量富集的Accumulibacter(為已確認之PAOs),而僅含少量的肝醣蓄積菌。

  然而,近來之研究(Oehmen et al., 2004, 2006a; Wang et al., 2010)卻常獲得與前述研究相反之結論,亦即短鏈脂肪酸中的丙酸反較乙酸更有利於生物除磷系統之操作。Oehmen et al. (2004)在碳源種類對磷蓄積菌及肝醣蓄積菌競爭之短期影響探討中,發現磷蓄積菌及肝醣蓄積菌在攝取不同碳源(乙酸及丙酸)時存在鮮明的差異,此兩種菌群皆可迅速地攝取乙酸,然而,在碳源改為丙酸時,肝醣蓄積菌對丙酸的攝取速率卻遠低於磷蓄積菌。Pijuan et al. (2004)以丙酸為單一進流碳源所馴養之生物除磷系統進行批次實驗,結果發現磷蓄積菌在乙酸及丙酸為外部碳源時的攝取速率相當接近,然而Competibacter bacteria(一種已知的肝醣蓄積菌)則無法有效攝取丙酸。上述研究說明,倘以丙酸為單一基質,因磷蓄積菌具有較肝醣蓄積菌較高之丙酸攝取速率,生物除磷系統之操作將較穩定。Oehmen et al. (2006a)及Wang et al. (2010)進行以乙酸及丙酸為進流碳源之生物除磷系統長期操作,兩研究均證實丙酸系統中的除磷效率明顯較乙酸系統穩定。圖5所示為Oehmen et al. (2006a)操作乙丙酸進流模場期間之出流磷濃度與P/VFA變化,由圖可知丙酸進流之模場於實驗期間均維持穩定之出流磷濃度與P/VFA比,然乙酸進流之模場卻展現極不穩定之出流與與P/VFA比。


圖5. 乙丙酸進流模場操作期間之出流磷濃度與P/VFA變化(Oehmen et al., 2006)

3.3 進流營養源缺乏之效應

  生物處理系統中之活性污泥於代謝過程除需有機物作為碳及能量來源外,在微生物合成階段更需各類之營養源(nutrients)來進行增殖,而生物除磷系統之活性污泥亦然。生物除磷系統營養源中之金屬離子業經文獻證實,在磷酸鹽之鍵結上扮演著重要的角色,而其組成與濃度更影響整體生物除磷效能的穩定。Brdjanovic et al. (1996)指出,生物除磷系統之進流水中如缺乏鉀離子會造成立即性的除磷失敗及污泥含磷量下降,而厭氧釋磷及醋酸攝取則在幾天後接續受到影響。研究(Rickard and McClintock, 1992)發現生物除磷系統內之磷蓄積菌在攝取或釋出磷酸鹽時,均需藉由金屬離子的共同傳輸來維持微生物細胞內穩定的電荷平衡,其主要原因為在磷蓄積菌內除需正電荷來維持每個聚磷酸鹽團的安定外,微生物如需切斷每個磷酸鹽分子也需要一個陽離子電荷來維持電荷平衡,而通常其電荷來源即從鎂或鉀離子中獲得(Romanski et al., 1997)。是故在生物除磷系統磷蓄積菌之釋攝磷時,均可明顯觀察到如圖6所示(Aguado et al., 2006),電導度與鎂鉀金屬離子隨磷酸鹽變化之情形。然而,截至目前為止,除鎂鉀金屬離子外(亦有部分文獻說明金屬離子鈣可進行部分鉀之取代),其餘營養源受限時,對生物除磷系統可能造成之影響卻未有文獻進行探討。


圖6. 電導度與鎂、鉀金屬離子隨正磷酸鹽變化之情形(Aguado et al., 2006)

  事實上,在營養源受限對生物處理系統之影響方面,已有文獻(Aquino and Stuckey, 2003)針對厭氧處理系統進行過研究。Aquino and Stuckey (2003)在一個以葡萄糖為進流基質的厭氧生物處理系統進行實驗時發現,當營養源受限時,整體厭氧處理系統之處理效能持續降低(即出流之殘留COD持續升高),而溶解性微生物產物則漸次提高(如圖7所示)。當系統處於穩定操作時,系統放流水中SMPs生成(the normalized SMPs production, SMP/S0)約為3%,而當系統處於進流營養源缺乏時,系統放流水中SMPs之生成(SMP/S0)則大幅提高至37%;經由DNA之分析顯示,該SMPs主要來自於細胞的解體而非胞外聚合物(extracellular polymers, ECPs)。亦即,當生物處理系統處於營養鹽嚴重缺乏時,微生物會傾向於將原擬作為生物合成所需之有機分子釋出發生解體,而導致SMPs之升高。然而,SMPs經研究已證實為一可能影響生物除磷效能之因素(詳述於下節),因此營養源缺乏是否導致生除磷系統除磷系統效能之影響應有進一步探討之必要。


圖7. 厭氧生物處理系統於營養源缺乏時之出流水殘殘留COD與組成(Aquino and Stuckey, 2003)

3.4 溶解性微生物產物之效應

溶解性微生物產物(soluble microbial products, SMPs)為廢水生物處理過程中,因微生物代謝基質(substrate metabolism)或微生物自身衰減(biomass decay)所產生之溶解性有機物之總稱(Namkung and Rittmann, 1986)。經化學分析與分子量分佈比較後顯示,生物處理之出流水水質特性會因富含SMPs而與進流基質種類相當不同,而該成分經進一步分析鑑別,可為進流基質外之胞外酵素、腐質酸、多醣類、蛋白質、核酸、類固醇等不同物質(Hejzlar and Chudoba, 1986a, 1986b),其組成種類複雜且其生物分解性通常較進流基質為差。  

  過往研究(Rappaport et al., 1979; Chudoba, 1985; Magbanua and Bowers, 2006)已指出生物處理過程產生溶解性微生物產物具有生物毒性或抑制性。Rappaport et al. (1979)用Ames test(沙門氏菌逆突變分析)實驗,顯示出二級放流水(即生物處理後)之致突變性較初沈後之廢水高。Chudoba (1985a)在典型活性污泥系統中發現,高濃度SMPs對於活性污泥之動力特性、污泥之膠凝與沉降與硝化作用均具有負面之效應,進而影響整體生物處理程序之操作性能。Magbanua and Bowers (2006)以Microtox試驗比較葡萄醣厭氧系統處理前後之毒性,結果發現處理不具毒性之葡萄醣所產生之SMPs,其毒性反較葡萄醣高。

  Ichihashi et al. (2006)以延長水力停留時間之方式來累積SMPs,並進行累積與不累積SMPs之厭好氧活性污泥系統之操作與比較。結果如圖8所示,不累積SMPs之模場(Run S)展現完整之基質(溶解性有機碳,DOC)攝取與磷代謝行為;而累積SMPs之模場(Run L)之基質攝取與釋攝磷行為則明顯受到影響,亦即厭好氧活性污泥系統SMPs之累積,抑制系統之磷代謝行為。


圖8. 累積與不累積SMPS模場之有機物與磷濃度變化(□△分別代表累積SMPs模場之厭好氧段;■▲則分別代表不累積SMPs模場之厭好氧段)(Ichihashi et al., 2006)

四、結語

  國內廢水生物處理系統已有漸普遍採用厭氧/缺氧/好氧(Anaerobic/Anoxic/Oxic, A2O)活性污泥法來進行脫氮除磷與改善污泥沉降性之趨勢。然而,過往看似有利磷蓄積菌之操作條件,卻可能導致除磷效能之惡化(如高磷進流)。此外,部分進流廢水(如工業廢水)易發生進流營養鹽缺乏之情形,而營養鹽缺乏可能同時導致溶解性微生物產物之生成,進而影響生物除磷系統之效能。由於營養鹽缺乏或高磷進流易為操作人員所忽略,因此處理廠操作人員應盡可能留意避免此類環境壓力條件之發生。

參考文獻

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