民國115年 高考三級 環保技術 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、空間分層的定義：生物膜或顆粒污泥（granular sludge）中，微生物以胞外聚合物（EPS）聚集成團，因基質與氧氣的擴散限制（diffusion limitation）與消耗，形成由外向內氧氣與基質濃度遞減的梯度，不同功能菌群因而佔據不同深度，稱為空間分層或功能分層。
- 二、典型結構：外層為好氧層，以氨氧化菌（AOB）與亞硝酸鹽氧化菌（NOB）、異營菌為主；中間為缺氧過渡層；核心為厭氧層，聚居厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria）。氧氣穿透深度通常僅 100～200 微米，顆粒粒徑愈大，厭氧核心占比愈高。
- 三、功能分工：AOB 將 NH4+ 氧化為 NO2−，NOB 再氧化為 NO3−，Anammox 則以 NH4+ 為電子供給者、NO2− 為電子接受者生成 N2。分層使產亞硝酸鹽與耗亞硝酸鹽在同一聚體內耦合，縮短擴散距離、提高脫氮效率並減少 N2O 排放。
- 四、與曝氣強度的關聯：曝氣決定液相溶氧（DO）與氧氣穿透深度。DO 過高會使好氧層增厚、厭氧核心消失，Anammox 受抑制且 NOB 活躍而累積硝酸鹽；DO 過低則 AOB 供氧不足、NO2− 供應短缺，Anammox 基質受限，顆粒亦易解體。
- 五、控制策略與限制：實務採低 DO（約 0.3～0.8 mg/L）、間歇曝氣、以游離氨（FA）與游離亞硝酸（FNA）抑制 NOB、控制粒徑與水力剪切，以維持分層。惟分層屬動態平衡，受溫度、負荷、EPS 與混合強度影響，需以線上 DO、pH、氨氮與氧化還原電位監控調整。
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。