慢濾池中異臭味物質及鹵化乙酸降解特性之研究

Abstract

本研究探討以生物降解方式處理水中微量有機物，如藻類降解所產生之異臭物質geosmin與2-methylisoborneol(2-MIB)，以及加氯消毒副產物如含鹵乙酸之效果與影響。研究以經滅菌處理之金門慢濾池進流水為基質，作為濾砂表層生物膜生物降解之對照組，配合植菌組進行批次降解實驗。實驗結果顯示經滅菌處理之對照組移除geosmin之原因可能來自為維持好氧狀態所提供之曝氣所導致，植菌組則geosmin與2-MIB之濃度皆呈現下降趨勢。經168小時之接觸時間後，geosmin可去除77％以上，2-MIB則可去除30％以上；而植菌組水樣中之細菌培養數目於接觸後第2∼3天到達最高峰。以擬一階動力反應所得之生物降解速率常數，geosmin為0.046 day-1 （考慮geosmin因揮發而喪失之量），2-MIB則為0.057 day-1。以管柱填充濾砂方式模擬實場慢濾池之過濾作用（流速為5 m/day），經60 cm生物濾砂過濾後，植菌組管柱之geosmin可達93±3%之去除率，2-MIB則為63±7％，而控制組管柱則進流與出流之異臭物種濃度均無顯著差異。經慢濾處理後植菌組管柱水中溶氧由表層流經底層濾砂減少1.7 mg/L，顯示降解作用應為好氧生物作用所致；管柱表層為微生物活性較活躍之處，故主要生物降解作用於管柱上層10 cm之濾砂進行，但因2-MIB較難被生物所降解，則深層之濾砂在生物降解作用上仍扮演重要的角色。實場慢濾池之調查結果則顯示geosmin與2-MIB之去除率皆可達90％以上。由實驗室管柱模擬所得之速率常數，以一階動力模式預測模擬實場之2-MIB降解，結果大致符合金門太湖及榮湖水場之慢濾池實測結果。因金門太湖及榮湖水場二個慢濾單元操作時間均超過一年以上，若慢濾池經表面刮砂處理，因刮除表層濾砂大量之biomass，則刮砂後短期內可能會影響生物降解之效率。 金門淨水場原水之NPDOC濃度常於8∼10 mg/L以上，淨水場實場處理流程經加氯後會產生較高濃度之消毒副產物，故除藻類異臭物等有機前質外，本研究亦探討慢濾池處理消毒副產物HAAs及加氯作用之餘氯對生物降解之影響。研究同樣以金門慢濾池進流水培養超過一個月以上，濾砂表層具生物活性之濾砂進行批次實驗與管柱實驗。批次實驗於反應開始第三天加入不同濃度之次氯酸鈉溶液以觀察加氯消毒之影響。未具生物活性之對照組經連續觀察12天，並未觀察到HAAs之降解現象，且反應槽內溶液亦無觀察到可培養性之微生物生長，而在接觸第8天後隨著水中加氯量增加至0.5 mg/L以上，進流水中生成新的HAAs，之後HAAs濃度呈持續上升趨勢。生物濾砂組則於接觸第2天開始觀察到HAAs被降解之情形，第4天後即有顯著之降解趨勢。當進流水中加氯量達0.08 mg/L上時，生物濾砂反應槽內之微生物數量開始顯著減少，顯示此階段進流水之含氯量已對微生物降解造成抑制作用。Trichloroacetic acid (TCAA)由於較不易被生物所分解，需一段馴化期方能達良好降解作用，於反應第4天後才可觀察到明顯的降解效果。由批次實驗結果計算之反應速率常數K值可得含氯與含溴四種HAAs間之生物降解速率為：DCAA＞DBAA＞TBAA＞TCAA，因而可推論含溴之HAAs相較於含氯之HAAs更易被生物所降解。當加氯劑量增加為0.5 mg/L且持續添加次氯酸鈉消毒劑時，批次反應之後期（第9∼12天）可生成大量之含溴HAAs，尤其以tribromoacetic acid (TBAA)濃度增加最為明顯。故當水中含有高濃度溴離子存在時，本研究使用之水樣經次氯酸鈉消毒生成之Br-HAA濃度高於Cl-HAA。 管柱模擬實驗亦比較三種溫度（17、21、23℃）之HAAs降解反應，HAAs總去除率隨水溫上升而增加，而三鹵鍵結的HAAs（TXAA）中，隨著含氯鍵結數目增加，去除量則降低，因此整體移除量為TBAA＞DBCAA＞BDCAA＞TCAA，但若換算成去除率，則TCAA明顯低於其他三者外，其他三者間並無明顯差異，顯示三鹵中以TCAA最難降解。以人工配置之DCAA與TCAA進行管柱模擬實驗，流經10 cm生物濾床後，有93％之DCAA被降解，TCAA則為15.8％，流經60 cm管柱則可降解50％之TCAA，此現象顯示濾砂上之微生物需要較長的時間適應TCAA後，才能有較佳的生物降解反應。當提高次氯酸鈉劑量使管柱表面進流水餘氯濃度達0.6 mg/L時，濾砂上層微生物仍可有效降解DCAA，但濾床10 cm處之出流水中TCAA濃度則不降反升，這可能是氯與濾砂上之微生物作用，以微生物做為有機物前質而生成的加氯消毒副產物，且因氯之劑量提高而傾向產生氯鍵結較多的TCAA。 以R2A培養基觀察金門淨水場慢濾池濾砂之可培養性微生物數量，太湖淨水場與榮湖淨水場之慢濾池可觀察到二種不同之趨勢，一為微生物數量隨濾砂深度而減少，另一種為微生物數量與濾砂深度無相關，可能因水源不同之微生物種類差異與濾砂中可培養性與不可培養性之微生物仍有極大差距。進一步以ribosomal intergenic spacer analysis (RISA)方式進行微生物菌種分佈分析，將太湖慢濾池實場濾砂依深度分成上中下三層，結果顯示三種深度濾砂間之微生物數目與族群存在差異，且以unclutured bacteria為多數。將實驗室進行生物降解之模擬管柱濾砂進行DNA萃取與cloning，鑑定結果顯示表層濾砂以好氧微生物為主，底層濾砂則出現厭氧微生物，管柱濾砂鑑定出之微生物中，Bacillus、Pseudomonas、Sphingomonas、Acidobacteria等曾由geosmin與2-MIB之生物降解文獻中分離出，Burkholderiales與Sphingomonas則可降解MBAA、DCAA或TCAA；由此可知生物濾床對藻類異臭味物質2-MIB、geosmin與消毒副產物HAAs確可以生物降解方式移除。