9&10. 硝化/脫硝

flowchart LR
	A["NH₄⁺"]
	B["NO₂⁻"]
	C["NO₃⁻"]
	D["NO₂⁻"]
	E["NO"]
	F["N₂O"]
	G["N₂"]
		subgraph Nitrification 
		A e1@== AOB ==> B e2@== NOB ==> C
		end
		subgraph Denitrification 
		C e3@==>D e4@==>E e5@==>F e6@==>G
        end
		A e9@--> ANAMMOX 
		B e7@-->ANAMMOX e8@-->G
		G e10@==Nitrogen Fixation==>A

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9 硝化 (Nitrification)

• 定義：微生物氧化 ，使 之過程。
  由於 對水體巨型微生物具有毒性，其氧化也消耗一定的氧氣量 ()，因此部分廢水中的 去除有法規規定。

• 用途：硝化與脫硝過程，目的為將 及其他氮氧化物，轉化為氮氣排放。

• 硝化過程：

  • 氨氧化 () Ammonia-Oxidizing Bacteria (氨氧化菌, AOB)：
    • 包含：Nitrosomonas；Nitrosococcus；Nitrosolobus；Nitrosospira；Nitrosovibrio
  • 亞硝酸氧化() Nitrite-Oxidizing Bacteria (亞硝酸氧化菌, NOB)：
    • 包含：Nitrospira；Nitrospina；Nitrococcus；Nitrocystis；Nitrobactor

• 特性：

  • Nitrifying bacteria(硝化菌)為 chemolithoautotrophic(化學自營)之絕對好氧菌。使用無機碳作為碳源，無機物（氮氧化物）作為電子提供者，收量較低。
  • AOB、NOB 兩種菌常共存在相同環境，且生長參數大多相似。
  • 一般而言，只要 SRT 夠長，溶氧足夠即可達硝化作用。
  • 硝化菌大多產生的 SMP 為 BAP，其中 SMP 具有表 「硝化菌在衰解」、「提供異營菌額外碳源，使異營菌之 biomass 增加」 之重要性。
  • 容易受到許多化合物的抑制，包括：
    • 未解離的 (當 pH 高時)
    • 未解離的 (當 pH 時)
    • 陰離子界面活性劑
    • 重金屬
    • 含氯有機物
    • 低 pH
  • 混合營(Mixotrophy)：硝化菌利用有機與無機碳源作為電子提供者。

• 硝化過程

  • 成功的硝化成需須將一營菌與硝化菌競爭溶氧與空間考量在內(克服方法：延長污泥齡(>15 天))：
    • 硝化菌的高 (氧氣親和性)，使其不易競爭氧氣。
    • 低生長速率(收量 Y 較低)使其不易競爭空間。
  • One-Sludge 硝化槽 (計算題會考)
    • 特點：
      • 包括異營菌和硝化菌共存於一個系統。
      • 氨和有機物 BOD 同時被氧化去除。
      • 會有互相搶食之現象，其中以異營菌競爭力較強。
      • 由於生長較緩慢，因此需較長的 SRT，需氧量也較大。
  • Two-sludge 硝化槽
    • 特點：
      • 由兩個活性污泥系統組成。
      • 分成兩個階段以減少細菌間競爭，通常較單污泥系統優。
      • 在第一階段氧化大部份的有機物 (BOD)；第二階段氧化氨。
  • 進流水
    • : Ratio 影響消化系統的方法
      • 異營菌合成 Biomass 時會減少硝化作用使用的氮量。
        • 若 ，則僅剩下少量氨氮供硝化作用進行。
      • 決定活性污泥中硝化菌的比例。
      • 決定異營菌與硝化菌競爭空間與氧氣。
  • ANAMMOX：厭氧氨氧化菌
    • 包含：Planctomycetes 菌屬
    • 原理：
      • Electron donor:
      • Electron acceptor:

10 脫硝 (Denitrification)

• Denitrification(脫硝作用)：

  • 微生物將 或 還原成 的過程。其中 或 為電子接受者，行脫硝的菌種可以是自營或異營菌。脫硝作用對於水體有防止優養化之重要性。
    • 反應如：
    • 脫硝菌皆屬 兼性耗氧菌，指在氧氣不足情形下，可使用 或 作為電子接受者。(脫硝菌將優先使用氧氣，固有氧氣會影響脫硝作用進行。)
    • 氧氣濃度將影響脫硝作用：
      • 氮還原酵素基因會受溶氧抑制 (DO > 2.5 mg/L)
      • 氮還原酵素活性會受抑制 (DO > 0.1 mg/L)
    • 低濃度電子提供者與高濃度溶氧，容易導致脫硝中產物累積。
    • 脫硝菌雖通常不對 pH 敏感，但在 pH 中性範圍外，容易導致中產物累積。
      • 脫硝作用產生鹼度(Alkalinity)，但鹼度產生前度受電子提供者影響，若水體原始緩衝能力不強，可能會產生鹼度問題。
    • 異營脫硝菌與一般好養異營菌的操作參數差異不大，僅 Y 與 略小。
    • 包含：
      • 革蘭氏陰性菌：Proteobacteria 屬，包含 (Pseudomonas、Alcaligenes、Paracoccus、Thiobacillus)
      • 革蘭氏陰性菌：Bacillus
      • 古細菌：Halobacterium
  • 脫硝程序類型(主要差異在是否添加額外電子提供者)
    • Tertiary (需額外添加電子提供者)：
      • 適合使用含有 或 但電子提供者(BOD)濃度相當低的水體。
      • 添加電子提供者如：
        • 有機：甲醇等有機碳廢水。
        • 無機：氫氣(適合脫硝自營菌)、還原性硫化物。
    • One-sludge (廢水中已有電子提供者)：
      • 利用近流廢水中的 BOS 驅動脫硝作用。
      • 優點：
        • 無須額外添加電子提供者，可節省藥劑費用。
        • 以 作為電子接受者，節省部分曝氣費用。
        • 可同時去除氮，出流水不會造成優養化。
      • 由於進流廢水一般含有 BOD 與 TKN，TKN 於好養下進行氧化，而 BOD 同時氧化，為求有剩餘 BOD 供 One-sludge 脫硝程序進行，策略為：
        • 生質物的儲存與衰解
          • 原理：利用微生物儲存之便當或藉由微生物的 decay(內呼吸)獲得脫硝所需電子提供者。
          • 缺點：
            • 內呼吸作用提供動力不高()，需要大量 MLSS 與長 HRT。
            • decay 細胞會釋放 ，處理過的廢水可能仍有一定濃度的氮(無法進行硝化作用再次去除)。
        • 預硝化 (主流方法)
          • 原理：利用無氧在耗氧策略，進流廢水先進如氧單元進行脫硝，未氧化完全的 BOD 與產生的 再流入好氧槽進一步氧化與硝化。
          • 優點：節省曝氣費用，出流水不含 。
          • 缺點：迴流 MLSS 高，管線維護費用高。
        • 同時硝化與脫硝 (SND)
          • 原理：利用溶氧濃度控制(< 1 mg/L)，使消化與脫硝同時進行(BOD 氧化亦可進行)。
          • 優點：與預消化優點相同，亦改善其高 MLSS 迴流濃度之缺點。
          • 缺點，相關操作參數需要進一步建立。
      • 常見程序：

        • Barnard

          • 程序：
            
            1. 預硝化 (缺氧脫硝 > 好氧硝化)
            2. 生質物儲存與衰減 (缺氧脫硝)
            3. 將 硝化成 (好氧硝化)

        • Sequencing batch reactor (SBR)

        • Biofilm (生物膜)

    • Two-sludge system (雙污泥系統)

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