1、 旋藻淨化畜牧業放水之研究 一、實驗設備與方法 l本實驗所使用的藻種源為旋藻，取自於台南海事學院，因為藻源受到環境中其他藻種的污染，尤其以顫藻的污染最為嚴重，因此本研究首先將混合的藻種進分與純化，再將純化的藻種以分子生物的技術進鑑定，後續以人工配製的BG-11培養基與畜牧場的出水進藻種培養，以解純化的藻種對培養液中氮、磷的移除效果。實驗架構如圖1所示。1.1旋藻純化與鑑定 l1.藻種純化 本研究以為吸管法進藻種的純化，用自製的微吸管，一端接上特製乳膠軟管，再使用顯微鏡和玻璃製微吸管之毛細現象吸取純目標旋藻，續用BG-11培養基清洗並分出純旋藻，然後存放入含有3 mL BG-11之10 mL試管
2、中，培養約1星期後，再以顯微鏡觀察進確認。l2.旋藻鑑定和DNA定序 本研究以分子生物的技術進純選藻鑑定，首先萃取藻體的DNA，再以細菌專用的引子(primer)，以聚合配鎖反應(polymeras chain reaction，PCR)進DNA複製，再以16S rDNA分子選殖(clone)實驗，選擇適當的勝任細胞，插入藻體的DNA片段，最後委託明欣生物科技有限公司與成大核酸實驗室，用核酸自動定序儀(PE/ABI337 Sequencer)定序。3.純藻大培養 本研究使用人工配製的BG-11培養基與養牛場與養場三階段式處過的出水進選藻的大培養，培養條件為28恆溫，光照態分別為12小時照光與1
3、2小時照光，另提供空氣以補充二氧化碳。BG-11培養基成份如表1，由表中可發現氮源有NO3-N(247 mg/L)與微的銨氮(NH4+-N)；磷源為正磷酸鹽(5 mg/L PO43-P)，滅菌卻後pH調整為7.4。本研究所使用的畜牧出水取自於台南某養場和屏東某養牛場三階段處設施的出水，其中場出水水體氨氮含高達580 mg/L導致旋藻死亡，所以將原水稀釋2倍和4倍再培養旋藻，牛場則直接以出水培養旋藻。l4.水質分析 培養過程，為解旋藻的生長情況，進相關的水質檢測，檢測的方法與頻表入下：三、結果與討 l3.1 BG-11培養基中之旋藻淨化效分析l1.濁、素a、pH之分析結果 旋藻在BG-11培養基
4、中生長期間之濁和素a變化，第0天到第14天之生長期，濁由32.1 NTU增加到151 NTU，增為原的4.7倍，每天約增加7.7 NTU，素a由154 g/L增加到1220g/L，增為原的7.7倍，每天增加約77g/L。第14天到21天穩定期，濁維持在151 NTU，素a維持在1220.3g/L 1184.8g/L。第24天進入死滅期，濁和素a開始逐漸下。旋藻在BG-11培養基中生長期間之pH值，從第0天至第7天pH值微上升，第7天呈現穩定態，pH值維持在11.49到11.74之間，呈現鹼性。l2.正磷酸鹽分析結果 圖2為旋藻在BG-11培養基生長期間磷酸鹽的變化，從第0天到第30天，去除達9
5、8，由此可旋藻對於正磷酸鹽的移除能佳。l3.氮鹽分析結果 圖3為旋藻在BG-11培養基中生長期間之氨氮濃變化，第0天到第5天，下達100，而在水體pH大於9的情況，NH4+-N會以NH3 氣體出，所以此處的NH4+-N低應是氨氣散的結果。圖4為旋藻在BG-11培養基生長期間之硝酸氮濃分析結果，從第0天到第5天硝酸氮濃維持在248 mg/L，然而第5天後硝酸氮濃逐漸減少到第30天硝酸氮濃為213.2 mg/L，去除為14，由此可以發現旋藻第0天第5天為適應期，第5天後開始生長與繁殖，因生長需以硝酸氮為氮源，所以旋藻對硝酸氮的移除能是顯著的。l3.2 場出水之旋藻淨化效分析l1.濁與pH分析結果
6、出水稀釋2倍和4倍之濁的變化情形，稀釋2倍出水之濁，從第7天到第30天逐漸增加，由33.1 NTU增加到136 NTU，每天增加約4.6 NTU。稀釋4倍出水之濁從第7天到第30天也是逐漸增加，由17.1 NTU增加到 123 NTU，每天增加約5.1 NTU。稀釋2倍出水之pH值從第7天到第14天逐漸下，由9.2下到5.6。稀釋4倍出水，pH值從第0天到第10天逐漸下，由8.5下到6.3。l2.總COD分析結果 圖5為稀釋2倍出水，COD從第16天到第30天逐漸上升，由264 mg/L上升到752 mg/L，每天增加33 mg/L；稀釋4倍出水，COD從第10天到第30天逐漸增加，由272
7、mg/L增加到880 mg/L，每天增加34 mg/L。由於硝化作用的關係，稀釋2倍出水，pH值在第9天到第16天，pH值低於8，圖中也發現總COD在16天以後開始增加，稀釋4倍出水，pH值在第0天到第10天，由8.5下到6.3，而總COD也是在第10天以後開始增加。l3.溶解性COD分析結果 圖6顯示未添加旋藻稀釋2倍出水溶解性COD從第0天到第30天逐漸下，下為16。添加旋藻稀釋2倍出水溶解性COD從第0天到第30天逐漸下，下為66.7；添加旋藻稀釋4倍出水，溶解性COD從第0天到第30天逐漸下，下為43.5。旋藻培養於照光的環境時，無法用無機碳源，而是以有機碳源做為基質(Chojnack
8、a and Noworyta，2004)，因而導致溶解性COD下。圖中可對照組(稀釋2倍出水未添加旋藻)放置30天後，溶解性COD只解16，應是培養液中的營性細菌所消耗的碳源。l 4.正磷酸鹽分析結果 圖7為稀釋2倍出水正磷酸鹽濃從第7天到第14天逐漸增加，由前述pH值和總COD的分析，推測這段期間旋藻的生長是受到抑制，也可以推測在此期間旋藻之攝磷速，及分解菌解有機磷的速，因而導致磷酸鹽的濃上升，而陳國誠(1996)研究也指出在生物處廢水的時候，大部份的有機磷化合物及大多複合磷酸鹽會被轉化為正磷酸鹽，稀釋2倍出水，在第14天後正磷酸鹽濃開始下到第30天，由32.5 mg/L下到 1.1 mg/
9、L，下為96.6。然而由圖中顯示稀釋4倍出水，正磷酸鹽濃從第0天到第7天維持在4.64.8 mg/L未明顯增加，是否因為稀釋太高，導致分解菌解有機磷的速太慢，使得磷酸鹽濃變化顯著，值得深究，稀釋4倍出水，在第7天後正磷酸鹽濃開始下到第30天，由4.76 mg/L下到 1.3 mg/L，下為73。由前述可知旋藻在BG-11培養基移除磷的效能佳，此處亦可旋藻對於場出水中的正磷酸鹽亦有高的移除能。l 5.氮鹽分析結果 稀釋2倍和稀釋4倍出水，因為非同一天所採取之水樣，而導致初始的氮鹽濃同。由圖8得知稀釋2倍出水，氨氮從第0天開始下到第14天，濃由 261 mg/L下到 0 mg/L，而亞硝酸氮與硝酸
10、氮隨著氨氮的低而逐漸上升，亞硝酸氮在第21天後開始明顯下，在第14天顯然亞硝酸氮轉化成硝酸氮的作用受到抑制。由前述pH值在第14天時到5.6，硝酸菌無法在如此低的pH值進轉化作用，導致亞硝酸氮濃維持在 79 mg/l，而當第18天後，pH值明顯回升後，第二階段的硝化作用才開始進。(第一階段為NH4+硝化為NO2-，第二階段為NO2-硝化為NO3-)。Yeh C.T.et al.(2006)指出在特定的環境條件下，氨氮在光照或是黑暗環境下，旋藻生長會受到抑制且生長好。Converti et al.(2006)探討旋藻解銨子及素的效能，研究指出是氯化銨或是素氮源最高界濃24 mg/L，並會對旋藻造
11、成抑制作用。Rangel-Yagni et al.(2004)研究指出半批式添加素於旋藻培養系統，素濃500 mg/L(233 N mg/L)，但因素再被用以前才會水解成銨子，所以會積銨子造成抑制作用，與本研究在培養初期，氨氮就高達261 mg/L 有所同。本系統培養初期，pH值增高於9，可能有部份銨子變成氨氣出，但是當pH值小於9，應該是硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸與硝酸，由亞硝酸氮與硝酸氮的濃增加，可證實硝化作用的發生，但是旋藻是否直接用氨氮做為氮源，在本研究無法證實。l圖9為稀釋4倍出水氮鹽濃變化情形，發現第0天亞硝酸濃比氨氮高，由此可以得知當天場出水，硝化反應已在水體內進，在培養旋藻後，氨
12、氮開始下至第21天為，亞硝酸氮在14天後急速往下，導致硝酸氮急速上升。稀釋2倍出水，總無機氮鹽(銨氮+亞硝酸氮+硝酸氮)下為61.2，稀釋4倍出水，下為24。l3.3牛場出水之旋藻淨化效分析l1.基本水質分析結果 養牛場出水培養旋藻之濁從第0天到第30天逐漸增加，由88.7 NTU增加到147 NTU。出水pH值從第0天到第30天逐漸上升，由6.8增加到8.1，牛場廢水在出前，因大曝氣在好氧態下，硝化反應在水體中已經趨近於完成，此外因牛的中約有三分之一屬於牧草，排泄物中的氨氮含也少於場，因此牛場出水pH值會受到硝化作用的影響，而水體中CO2被旋藻用後，pH值會逐漸增加。總COD濃從第0天到第3
13、0天逐漸上升，由680 mg/L增加到1440 mg/L，每天約增加25.1 mg/L，由此可知旋藻的生長是顯而的。溶解性COD濃從第0天到第30天逐漸下，由360 mg/L下到160 mg/L，下為56，明顯高於對照組，應是旋藻於黑暗環境，使用有機碳為基質所導致的結果。l 2.正磷酸鹽分析結果 圖10顯示出水未添加旋藻，對照組正磷酸鹽濃從第0天到第30天逐漸下，由39 mg/L下到37 mg/L，下為 5。牛場出水添加旋藻，正磷酸鹽濃從第0天到第30天逐漸下，由38.2 mg/L下到5.6 mg/L，下為85.3，由此又再一次証實旋藻對水體中磷酸鹽的移除能。l3.氮鹽分析結果 硝酸氮濃從第0
14、天到第30天逐漸上升，由232.2 mg/L上升到257 mg/L，牛場出水之總無機氮鹽，濃由234.4 mg/L增加到257 mg/L，而氨氮與亞硝酸氮濃趨近於，由此可以發現旋藻似乎未用水體中的硝酸氮做為氮源。Faucher et al.(1997)研究Spirulina platensis氮源之用試驗，發現其對氨態氮吸收最快，其次為亞硝酸氮，再次為硝酸態氮，而氏(2008)指出藻在吸收硝酸鹽是一種耗能過程，在照光、CO2或其他碳源存在下可促近硝酸鹽的用，而素則經由水解成NH4+，而為藻細胞所用。上述的相關研究，以人工培養基添加同的氮源所進的試驗，相較之下本研究的培養系統，採用畜牧業出水，是
15、較複雜的基質，養出水高氨態氮伴隨硝化作用，釐清旋藻對氮源的用順序，而養牛出水氮源以硝酸態氮為主，但分析結果，硝酸態氮幾乎未被消耗，但BG-11培養系統在無其他氮源存在下，硝酸態氮會被旋藻所用，由此可以推測牛場出水應有其他氮源(如素)存在能被旋藻所用，亦或是旋藻有固氮的作用，值得再深入研究。結l本研究用旋藻生長之基本條件，移除三段式廢水處後之放水中高濃氮、磷。研究結如下所述。1.BG-11培養基中正磷酸鹽的濃，去除可以達到98，硝酸氮濃去除為14，旋藻對硝酸氮的移除有顯著的能。2.豬場出水稀釋2倍培養旋藻，溶解性COD從第0天到第30天，下為66.7；正磷酸鹽濃從第14天到第30天，下為96.6；總無機氮鹽下為61.2。3.豬場出水稀釋4倍培養旋藻，溶解性COD從第0天到第30天，下為43.5；正磷酸鹽濃從第7天到第30天，下為73；總無機氮鹽下為24。4.牛場出水原水培養旋藻，溶解性COD濃從第0天，下為56；正磷酸鹽濃從第0天到第30天，下為85.3；總無機氮並未被旋藻消耗。5.旋藻對於牛場和場出水中移除正磷酸鹽的能極具有效果，然而旋藻對於場出水中總氮鹽之移除效果較牛場出水有效。
