臺灣博碩士論文加值系統

水產養殖業發達是造成水源短缺與水體優氧化之主因之一，為解決水產
養殖帶來的諸多問題，水循環技術是未來發展之趨勢。本研究以包埋菌系
統、超濾系統及雙系統(包埋菌系統與超濾系統組合應用)探討各系統應用於
模擬淡水養殖水(氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、化學需氧量)之成效。雙系
統應用於低濃度模擬淡水養殖水，可有效去除各污染濃度，氨氮、亞硝酸
鹽氮及硝酸鹽氮去除率皆可達80%，且經水循環處理24 小時後，3 者去除
率皆可達95%以上。應用雙系統水循環24 小時後，各污染濃度之去除皆可
達水體生物可耐受之濃度標準。雙系統應用於高濃度模擬淡水養殖水，各
污染物濃度去除效率皆未達水體生物可耐受之濃度標準。應用包埋菌系統
處理模擬淡水養殖水，各組別水體降解效率皆未滿60%，且未達水體生物
可耐受之濃度標準。應用超濾系統過濾模擬淡水養殖水，各組別水體去除
效率皆低於15%，且未達水體生物可耐受之濃度標準。因此，未來水產養
殖水循環發展，建議應用雙系統技術，方可達最佳水循環效率。

Aquaculture is one of the main causes of water shortages and eutrophication. In order to solve the problems caused by aquaculture, water recirculating technology is a trend under development. In this project, using immobilized microorganism, ultra-filtration, and combined immobilized microorganism and ultra-filtration in series (combined system) to treat the simulated water in recirculation aquaculture systems. Examination of water quality includes NH4+-N, NO2－-N, NO3－-N, and COD in low and high concentration simulated water. Combined system applied to simulated aquaculture recirculating water with low concentration has effective removals of the pollutants. NH4+-N, NO2－-N, and NO3－-N removal ratios are higher than 80%. After 24 hours of water recirculating in combined system, NH4+-N, NO2－-N and NO3－-N removal ratios are higher than 95%. The pollutants concentration after the treatment by combined system conforms to water quality standard for aquaculture, but the water quality with only immobilized microorganism system or ultra-filtration system is not suitable for aquaculture. When combined system applied to a simulated high concentration of pollutant waster, the pollutants removal ratios could not conform to water quality standard for aquaculture because of higher pollutant concentration and lower retention time. Experimental results indicated that combined system was suitable for aquaculture recirculating water. Combined system can stabilize water quality for a suddenly high pollutants level. Water recirculation for aquaculture has a lower demand for fresh water resource and a lower pollution to water body. Water recirculation also gives a good water resource and water quality for Aquaculture.

總目錄
中文摘要 ................................................................................................................ I
英文摘要 .............................................................................................................. II
誌謝 ..................................................................................................................... IV
總目錄 .................................................................................................................. V
表目錄 .................................................................................................................. X
圖目錄 .............................................................................................................. XIV
第一章 前言 ......................................................................................................... 1
1.1 研究緣起 ..................................................................................................... 1
1.2 研究目的 ..................................................................................................... 2
第二章 文獻回顧 ................................................................................................. 4
2.1 氮循環 ......................................................................................................... 4
2.1.1 水體中的氮 .......................................................................................... 6
2.1.2 氮對水體生物之影響 .......................................................................... 6
2.2 生物處理法除氮 ......................................................................................... 7
2.2.1 生物處理法硝化作用 .......................................................................... 7
2.2.2 影響硝化作用之參數 .......................................................................... 9
2.2.3 生物處理法脫硝作用 ........................................................................ 10
2.2.4 影響脫硝作用之參數 ......................................................................... 11
2.3 固定化微生物技術 ................................................................................... 12
2.3.1 固定化微生物之定義 ......................................................................... 12
2.3.2 固定化之方法 ..................................................................................... 12
2.3.3 固定化之優點與缺點 ........................................................................ 19
2.3.4 固定化微生物之應用 ........................................................................ 20
2.4 膜分離技術 ............................................................................................... 21
2.4.1 薄膜程序定義 .................................................................................... 21
2.4.2 薄膜之分類 ........................................................................................ 21
2.4.3 薄膜之種類 ........................................................................................ 22
2.4.4 薄膜之組件 ........................................................................................ 26
2.4.5 薄膜之應用與發展 ............................................................................ 28
2.5 水質因子對水體生物影響 ....................................................................... 30
2.5.1 溫度 .................................................................................................... 30
2.5.2 pH 值 ................................................................................................... 30
2.5.3 溶氧量(DO)........................................................................................ 30
第三章 材料與方法 ........................................................................................... 31
3.1 研究架構 ................................................................................................... 31
3.2 實驗材料與藥劑 ....................................................................................... 32
3.3 實驗儀器與設備 ....................................................................................... 34
3.4 模擬淡水養殖水之配製方法 ................................................................... 35
3.5 包埋菌系統試驗流程 ............................................................................... 36
3.6 超濾系統試驗流程 ................................................................................... 41
3.7 雙系統試驗流程 ....................................................................................... 45
3.8 氨氮之標準檢測方法 (NIEA W448.51B) ............................................... 50
3.8.1 標準溶液配製 .................................................................................... 50
3.8.2 試劑配製 ............................................................................................ 50
3.8.3 檢測方法 ............................................................................................ 50
3.9 亞硝酸鹽氮之標準檢測方法 (NIEA W418.51C) ................................... 51
3.9.1 標準溶液配製 .................................................................................... 51
3.9.2 試劑配製 ............................................................................................ 51
3.9.3 檢測方法 ............................................................................................ 51
3.10 硝酸鹽氮之標準檢測方法 (NIEA W419.51A) ..................................... 52
3.10.1 標準溶液配製 .................................................................................. 52
3.10.2 試劑配製 .......................................................................................... 52
3.10.3 檢測方法 .......................................................................................... 52
3.11 COD 之標準檢測方法 (NIEA W517.52B) ............................................ 53
3.11.1 標準溶液配製 .................................................................................. 53
3.11.2 試劑配製 .......................................................................................... 53
3.11.3 檢測方法 .......................................................................................... 53
第四章 結果與討論 ........................................................................................... 54
4.1 包埋菌系統處理 ....................................................................................... 54
4.1.1 pH 值變化趨勢 ................................................................................... 54
4.1.2 DO 值變化趨勢 .................................................................................. 56
4.1.3 氨氮去除率 ........................................................................................ 58
4.1.4 亞硝酸鹽氮去除率 ............................................................................ 61
4.1.5 硝酸鹽氮去除率 ................................................................................ 65
4.2 超濾系統過濾 ........................................................................................... 71
4.2.1 pH 值變化趨勢 ................................................................................... 71
4.2.2 DO 值變化趨勢 .................................................................................. 73
表4.12 超濾系統過濾之DO 值變化趨勢 ................................................ 74
4.2.3 氨氮去除率 ........................................................................................ 75
4.2.4 亞硝酸鹽氮去除率 ............................................................................ 79
4.2.5 硝酸鹽氮去除率 ................................................................................ 83
4.2.6 COD 去除率 ........................................................................................ 87
4.3 雙系統應用 ............................................................................................... 91
4.3.1 pH 值變化趨勢 ................................................................................... 91
4.3.2 DO 值變化趨勢 .................................................................................. 93
4.3.3 氨氮去除率 ........................................................................................ 95
4.3.4 亞硝酸鹽氮去除率 ............................................................................ 99
4.3.5 硝酸鹽氮去除率 .............................................................................. 103
4.3.6 COD 去除率 ...................................................................................... 107
第五章 結論與建議 ......................................................................................... 111
5.1 結論 ......................................................................................................... 111
5.2 建議 ......................................................................................................... 111
參考文獻 ........................................................................................................... 112


表目錄
表1.1 水體生物適合生存及生長之污染物濃度 ............................................... 3
表1.2 淡水養殖水體生物適合生存及生長之水質性質範圍 ........................... 3
表2.1 各種固定化方法優缺點之比較 ............................................................. 18
表2.2 不同有機膜材料之比較 ......................................................................... 23
表2.3 薄膜種類介紹 ......................................................................................... 24
表2.4 各薄膜種類之功能 ................................................................................. 24
表2.5 不同薄膜組件優缺點之比較 ................................................................. 27
表3.1 實驗材料與藥劑 ..................................................................................... 32
表3.2 實驗材料與藥劑(續) ............................................................................... 33
表3.3 實驗儀器與設備 ..................................................................................... 34
表3.4 模擬各污染物之藥劑與標準檢測方法 ................................................. 35
表3.5 水體生物適合生存及生長之污染物濃度 ............................................. 37
表3.6 淡水養殖水體生物適合生存及生長之水質性質範圍 ......................... 37
表3.7 包埋菌系統試驗-各污染物濃度分組 .................................................... 38
表3.8 A 組各污染物濃度配製值與實際值 ...................................................... 39
表3.9 B 組各污染物濃度配製值與實際值 ...................................................... 39
表3.10 C 組各污染物濃度配製值與實際值 .................................................... 40
表3.11 D 組各污染物濃度配製值與實際值 .................................................... 40
表3.12 超濾系統試驗-各污染物濃度分組 ...................................................... 42
表3.13 E 組各污染物濃度配製值與實際值 .................................................... 43
表3.14 ES 組各污染物濃度配製值與實際值 ................................................... 43
表3.15 F 組各污染物濃度配製值與實際值 ..................................................... 44
表3.16 FS 組各污染物濃度配製值與實際值 .................................................... 44
表3.17 雙系統試驗-各污染物濃度分組 .......................................................... 49
表3.18 G 組各污染物濃度配製值與實際值 .................................................... 49
表3.19 H 組各污染物濃度配製值與實際值 .................................................... 49
表4.1 包埋菌系統處理之PH 值變化趨勢 ....................................................... 55
表4.2 包埋菌系統處理之DO 值變化趨勢 ..................................................... 57
表4.3 包埋菌系統處理之氨氮去除率 ............................................................. 59
表4.4 包埋菌系統處理之氨氮濃度變化趨勢 ................................................. 60
表4.5 包埋菌系統處理之亞硝酸鹽氮去除率 ................................................. 63
表4.6 包埋菌系統處理之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢 ..................................... 64
表4.7 包埋菌系統處理之硝酸鹽氮去除率 ..................................................... 66
表4.8 包埋菌系統處理之硝酸鹽氮濃度變化趨勢 ......................................... 67
表4.9 包埋菌系統處理之COD 去除率 ........................................................... 69
表4.10 包埋菌系統處理之COD 濃度變化趨勢 ............................................. 70
表4.11 超濾系統處理之PH 值變化趨勢 ......................................................... 72
表4.12 超濾系統過濾之DO 值變化趨勢 ....................................................... 74
表4.13 超濾系統過濾之氨氮去除率 ............................................................... 76
表4.14 超濾系統過濾之氨氮濃度變化趨勢(E 組) ......................................... 77
表4.15 超濾系統過濾之氨氮濃度變化趨勢(F 組) ......................................... 78
表4.16 超濾系統過濾之亞硝酸鹽氮去除率 ................................................... 80
表4.17 超濾系統過濾之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢(E 組) ............................. 81
表4.18 超濾系統過濾之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢(F 組) ............................. 82
表4.19 超濾系統過濾之硝酸鹽氮去除率 ....................................................... 84
表4.20 超濾系統過濾之硝酸鹽氮濃度變化趨勢(E 組) ................................. 85
表4.21 超濾系統過濾之硝鹽氮濃度變化趨勢(F 組) ..................................... 86
表4.22 超濾系統過濾之COD 去除率 ............................................................. 88
表4.23 超濾系統過濾之COD 濃度變化趨勢(E 組)....................................... 89
表4.24 超濾系統過濾之COD 濃度變化趨勢(F 組) ....................................... 90
表4.25 雙系統之PH 值變化趨勢 ..................................................................... 92
表4.26 雙系統之DO 值變化趨勢 ................................................................... 94
表4.27 雙系統之氨氮去除率 ........................................................................... 96
表4.28 雙系統之氨氮濃度變化趨勢(G 組)..................................................... 97
表4.29 雙系統之氨氮濃度變化趨勢(H 組)..................................................... 98
表4.30 雙系統之亞硝酸鹽氮去除率 ............................................................. 100
表4.31 雙系統之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢(G 組)....................................... 101
表4.32 雙系統之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢(H 組)....................................... 102
表4.33 雙系統之硝酸鹽氮去除率 ................................................................. 104
表4.34 雙系統之硝酸鹽氮濃度變化趨勢(G 組)........................................... 105
表4.35 雙系統之硝酸鹽氮濃度變化趨勢(H 組)........................................... 106
表4.36 雙系統之COD 去除率 ....................................................................... 108
表4.37 雙系統之COD 濃度變化趨勢(G 組) ................................................ 109
表4.38 雙系統之COD 濃度變化趨勢(H 組) ................................................ 110


圖目錄
圖2.1 氮循環 ....................................................................................................... 5
圖2.2 固定化酵素或完整菌體細胞方法之分類 ............................................. 16
圖2.3 各種固定化酵素或微生物細胞方法之示意圖 ..................................... 17
圖2.4 各薄膜孔徑與污染物質之相對尺寸比較 ............................................. 25
圖2.5 各薄膜分離物質之示意圖 ..................................................................... 25
圖3.1 研究架構圖 ............................................................................................. 31
圖3.2 包埋菌系統試驗流程圖 ......................................................................... 38
圖3.3 超濾系統試驗流程圖 ............................................................................. 42
圖3.4 雙系統試驗流程圖 ................................................................................. 47
圖3.5 雙系統循環示意圖 ................................................................................. 48
圖4.1 包埋菌系統處理之PH 值變化趨勢 ....................................................... 55
圖4.2 包埋菌系統處理之DO 值變化趨勢 ..................................................... 57
圖4.3 包埋菌系統處理之氨氮去除率 ............................................................. 59
圖4.4 包埋菌系統處理之氨氮濃度變化趨勢 ................................................. 60
圖4.5 包埋菌系統處理之亞硝酸鹽氮去除率 ................................................. 63
圖4.6 包埋菌系統處理之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢 ..................................... 64
圖4.7 包埋菌系統處理之硝酸鹽氮去除率 ..................................................... 66
圖4.8 包埋菌系統處理之硝酸鹽氮濃度變化趨勢 ......................................... 67
圖4.9 包埋菌系統處理之COD 去除率 ........................................................... 69
圖4.10 包埋菌系統處理之COD 濃度變化趨勢 ............................................. 70
圖4.11 超濾系統過濾之PH 值變化趨勢 ......................................................... 72
圖4.12 超濾系統過濾之DO 值變化趨勢 ....................................................... 73
圖4.13 超濾系統過濾之氨氮去除率 ............................................................... 76
圖4.14 超濾系統過濾之氨氮濃度變化趨勢(E 組) ......................................... 77
圖4.15 超濾系統過濾之氨氮濃度變化趨勢(F 組) ......................................... 78
圖4.16 超濾系統過濾之亞硝酸鹽氮去除率 ................................................... 80
圖4.17 超濾系統過濾之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢(E 組) ............................. 81
圖4.18 超濾系統過濾之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢(F 組) ............................. 82
圖4.19 超濾系統過濾之硝酸鹽氮去除率 ....................................................... 84
圖4.20 超濾系統過濾之硝酸鹽氮濃度變化趨勢(E 組) ................................. 85
圖4.21 超濾系統過濾之硝鹽氮濃度變化趨勢(F 組) ..................................... 86
圖4.22 超濾系統過濾之COD 去除率 ............................................................. 88
圖4.23 超濾系統過濾之COD 濃度變化趨勢(E 組)....................................... 89
圖4.24 超濾系統過濾之COD 濃度變化趨勢(F 組) ....................................... 90
圖4.25 雙系統之PH 值變化趨勢 ..................................................................... 92
圖4.26 雙系統之DO 值變化趨勢 ................................................................... 94
圖4.27 雙系統之氨氮去除率 ........................................................................... 96
圖4.28 雙系統之氨氮濃度變化趨勢(G 組)..................................................... 97
圖4.29 雙系統之氨氮濃度變化趨勢(H 組)..................................................... 98
圖4.30 雙系統之亞硝酸鹽氮去除率 ............................................................. 100
圖4.31 雙系統之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢(G 組)....................................... 101
圖4.32 雙系統之亞硝酸鹽氮濃度變化趨勢(H 組)....................................... 102
圖4.33 雙系統之硝酸鹽氮去除率 ................................................................. 104
圖4.34 雙系統之硝酸鹽氮濃度變化趨勢(G 組)........................................... 105
圖4.35 雙系統之硝酸鹽氮濃度變化趨勢(H 組)........................................... 106
圖4.36 雙系統之COD 去除率 ....................................................................... 108
圖4.37 雙系統之COD 濃度變化趨勢(G 組) ................................................ 109
圖4.38 雙系統之COD 濃度變化趨勢(H 組) ................................................ 110

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