民國115年 高考三級 環境檢驗 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、空間分層之定義：生物膜或顆粒污泥（granular sludge）內部因溶氧與基質的擴散限制，沿徑向形成明顯的物理與化學梯度，外層為好氧區、內層為缺氧或厭氧區，稱為空間分層（spatial stratification）。胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）的孔徑、粒徑與水力條件會決定分層的厚度。
- 二、功能分層之內涵：不同菌群依其生理需求佔據合適的棲位，稱為功能分層（functional stratification）。外層氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）消耗氧氣，將 NH4+ 氧化為 NO2−；中層亞硝酸鹽氧化菌（nitrite-oxidizing bacteria, NOB）可能生長；內層厭氧氨氧化菌（Anammox bacteria，如 Candidatus Brocadia）於缺氧下將 NH4+ 與 NO2− 轉為 N2。
- 三、與曝氣強度之關係：曝氣強度決定液相溶氧濃度與氧氣穿透深度（penetration depth）。依擴散與反應平衡，氧氣通常僅穿透外層約100至200微米；曝氣過強會使氧化層增厚、NOB 活性上升而產生硝酸鹽，並抑制 Anammox；曝氣不足則 AOB 供給的 NO2− 不足，PN/A 程序無法成立。
- 四、控制策略：實務上採低溶氧操作（約0.3至1.0 mg/L）、間歇曝氣（intermittent aeration）、以游離氨（free ammonia, FA）與游離亞硝酸（free nitrous acid, FNA）選擇性抑制 NOB、控制顆粒粒徑與上升流速，並以 DO、NH4+、NO2− 線上監測回饋調控曝氣，以維持分層穩定。
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。