民國115年 高考三級 環境工程 環境化學與環境微生物學
第3題
傳統「硝化－脫硝」（nitrification–denitrification）廢水脫氮程序常面臨 曝氣能耗高、外加碳源需求及碳排放增加等問題。近年來，新興生物…
題目
傳統「硝化－脫硝」（nitrification–denitrification）廢水脫氮程序常面臨 曝氣能耗高、外加碳源需求及碳排放增加等問題。近年來，新興生物脫 氮技術，如部分亞硝化－厭氧氨氧化（partial nitritation–anammox, PN/A） 程序，常倚賴生物膜或顆粒污泥中的「空間分層／功能分層」（spatial or functional stratification），以調控氨氧化菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化菌 （NOB）與厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria）的相對活性與空間分布。 請回答： 何謂生物膜或顆粒污泥中的「空間分層／功能分層」？（13 分） 為何此種分層與系統的曝氣強度及溶氧控制密切相關？（12 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、空間分層（spatial stratification）指生物膜或顆粒污泥因基質與氧氣擴散受限，沿徑向形成組成與活性截然不同的帶狀結構；功能分層（functional stratification）則指不同菌群依其生理特性佔據不同生態棲位，使硝化與厭氧氨氧化等反應在同一聚集體內分區進行。
- 二、典型分布為：外層好氧區以氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）為主，將 NH4+ 氧化為 NO2-；其次為亞硝酸鹽氧化菌（nitrite-oxidizing bacteria, NOB），將 NO2- 氧化為 NO3-；內層缺氧或厭氧區則由厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria，如 Candidatus Brocadia）進行 NH4+＋NO2-→N2 之反應。
- 三、氧氣僅由外表面向內擴散並沿途被消耗，形成溶氧梯度；其穿透深度約數十至數百微米，取決於曝氣強度、混合程度、顆粒粒徑、生物膜厚度與耗氧速率。曝氣強度決定液膜邊界層之 DO 濃度，進而決定好氧層厚度與厭氧核心是否存在。
- 四、PN/A 需以低溶氧（約0.3至0.8 mg/L）操作：低 DO 下 AOB 對氧之親和力較 NOB 有利（NOB 之氧半飽和常數較高），可將 NOB 淘洗並維持部分亞硝化；同時須保留足夠厚之缺氧核心供 Anammox 生長。曝氣過強將使氧氣貫穿顆粒、破壞缺氧核心並促進 NOB；曝氣不足則氨氧化受限、亞硝酸鹽供應不足。
- 五、實務上以 DO 與氨氮線上監測回饋控制曝氣，搭配粒徑控制、水力停留時間管理與菌種淘洗策略，並注意低溫、負荷波動與 N2O 排放；分層結構能否穩定維持，即為系統成敗之關鍵。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。