高考申論題
115年
[環保技術] 環境化學與環境微生物學
第 一 題
📖 題組：
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：
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：
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
何謂生物膜或顆粒污泥中的「空間分層／功能分層」？（13 分）
思路引導 VIP
本子題要求解釋顆粒污泥/生物膜的「微觀生態結構」。思考引導：1. 先點出生物膜/顆粒污泥是由微生物與胞外聚合物（EPS）組成的緻密結構。2. 關鍵機制：基質（特別是溶解氧 DO 和氨氮）在擴散進入污泥內部時，會遭遇質量傳送阻力（Mass transfer limitation），導致由外而內形成「濃度梯度」。3. 空間對應功能：適應高氧的菌種長在表層，厭氧菌種長在核心。在 PN/A 系統中，好氧的 AOB 會位於最外層（空間分層）進行部分亞硝化（功能分層），而嚴格厭氧的 Anammox 菌則位於無氧的內核進行厭氧氨氧化。藉此在一顆污泥內實現同步脫氮。
小題 (二)
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）
思路引導 VIP
本子題測驗 PN/A 程序的「操作參數（DO）如何控制微生態」。思考引導：1. PN/A 的成敗關鍵在於「留下 AOB、抑制 NOB、保護 Anammox」。2. 溶氧（DO）是決定氧氣穿透深度的關鍵。3. 如果曝氣太強（高 DO）：氧氣穿透太深，不僅會毒害嚴格厭氧的 Anammox 菌，還會使得好氧的亞硝酸鹽氧化菌（NOB）有足夠氧氣生長，搶走 Anammox 的受質（亞硝酸鹽），導致系統破壞。4. 如果曝氣太弱（低 DO）：AOB 活性不足，無法產生足夠的亞硝酸鹽供 Anammox 使用。5. 因此，精準控制低溶氧（通常 DO < 1.0 mg/L），可以利用 AOB 對氧的親和力較佳的特性，讓氧氣在顆粒表層就被 AOB 耗盡，既成功抑制了 NOB，又為核心的 Anammox 創造了完美的無氧環境。