一、前言

水域的優養化和溫室效應是水資源保護面臨的一大挑戰，在一般廢水中所含的氮和磷對於水體仍是具相當負荷量體，因此，在排放到水體前需要進一步處理，以減少對水體的環境衝擊。微藻在廢水處理上因其可透過光與二氧化碳作為其能量與碳源為生長所需，而再透過廢水作為氮與磷的提供，有利於減少養殖所需的淡水使用，同時降低添加營養物質的成本，此外，微藻所生產的生物質可作為生物燃料或高價值副產品的生物資源。因此，以微藻作為廢水處理提供了一個環境友善與減碳應用於廢水處理的可行的程序，本文將針對微藻應用於廢水處理並整合減碳與資源化利用進行說明綜整。

二、內文

二氧化碳的減量是世界當前重要的議題之一，而微藻是地球上固碳效率最高的生物體之一，吸收二氧化碳的速度是樹木的5-20倍，全球大約50%的光合作用貢獻主要來自於微藻。對於自營微藻來說，光合作用是它們生存的關鍵生長與能量取得方式，通過光合作用將被葉綠體吸收的太陽輻射能固定二氧化碳轉化為生物質，以產生支持生長的能量。以微藻為基礎的CO₂生物固碳方法被認為是一種潛在的方法，不僅可以減少CO₂排放，而且微藻生物質亦可轉化成可再生能源如生質柴油與生質酒精以及各種高經濟價值產物如食品、食品添加劑、飼料添加劑等的潛力(Ho等，2011)，將可充分發揮減碳及循環經濟的多重效益。此外，微藻可進行高密度養殖，更可使用廢水進行培養，相較其他陸生植物，更具有節省空間與不受水資源限制的優點，且微藻可承受工廠廢氣中高達20%的CO₂濃度，能在惡劣的環境下進行有效率的固碳作用與廢水處理的循環經濟模式。

而在廢水處理中，一個旨在去除氮和磷的完整的三級處理估計比一級處理要貴四倍(de la Noüe等，1992年)，且若透過微藻廢水處理相較於傳統廢水處理，有較低的能源消耗與動力操作需求成本，因為微藻能夠利用無機氮和磷來生長且無需額外碳源的提供，僅需以空氣的CO₂，因此，透過微藻培養針對氮磷處理為三級處理提供了一種有效與經濟的解決方案 (Oswald，1988; Tam和Wong，1996)。此外，微藻具有植物生物修復的功能與機制，對於重金屬和一些有毒有機化合物具有吸附與去除的能力。綜上所述，利用廢水培養微藻可以為廢水處理提供一種經濟與環境友好的方式，從而對水生態系統的管理做出重要貢獻。

廢水中總氮(TN)和總磷(TP)濃度會因廢水類型的不同而有顯著差異。廢水中以氨氮和硝酸鹽形式存在的氮是最常見的含氮化學物質。銨是氮在水中最常見的化學形式之一，它很容易被大多數微藻物種和菌株吸收作為氮合成蛋白質的來源(Razzak等，2013)。有研究表明，高濃度的TN尤其是高銨態氮對廢水基微藻培養會造成生長抑制的作用。然而，當培養基的pH值和其他生長條件得到控制時，銨是一個可靠的氮源(de-Bashan等， 2005)。因此，雖不同濃度下的氨對微藻可能造成生長的抑制，然而，在合適控制條件的環境參數仍可為主要氨攝取的來源之一(Razzak等，2013)。磷是微藻生長和代謝所需的另一重要元素，磷通常以無機陰離子的形式存在於廢水中，如H₂PO₄^-和HPO₄^2- (Martinez等，1999)。磷是微藻細胞中生成ATP重要的元素，且在光合作用方面是重要作用的元素之一，磷的存在與否對微藻的生長有很大的影響(Razzak等，2013)。

在綜整不同廢污水來源作為微藻培養應用如下表一所示。在典型的都市污水中，TN和TP的濃度較低(TN約15-90 mg L^-1; TP約5-20 mg L^-1)，在都市污水中污染物主為人類活動有機物與清洗廢水等，相對氮磷濃度較低，有較多的研究應用在以都市污水做微藻培養與都市污水的氮磷處理。而在畜牧養殖等的農業廢水中TN和TP的濃度相對變化較大，一般TN在185-3,213 mg L^-1而TP約在30-987 mg L^-1。然而，這類畜牧養殖廢水往往含有高濃度的氮磷，對於微藻會因過高濃度會造成生長抑制的發生，因此在畜牧養殖廢水用於微藻培養時必須進行稀釋的濃度操作，如透過分區回流循環方式進行源頭濃度稀釋作用，才能確保微藻穩定生長不受抑制達到穩定出水水質的需求。在工業廢水方面，因不同工業性質且工業廢水相對污染物濃度變化大，較少研究顯示適用於微藻處理與培養的應用(Chiu 等，1015)。

表一、不同廢水來源應用於微藻之氨氮、TN與TP

透過使用三維反應曲面圖來了解廢水中不同濃度的NH₄⁺-N和TP對微藻生長與生長率的影響。

圖一、微藻生長最適NH₄⁺-N和TP濃度對應三維反應曲線圖

從圖一A中可以看出，小球藻培養生物質生產的最適NH₄⁺-N和TP濃度分別為200-400 mg L^-1和100-200 mg L^-1的濃度區間。然而，在一般典型都市污水中的NH₄⁺-N濃度僅為10-80 mg L^-1，而TN濃度為16-250 mg L^-1，其不同的濃度範圍主要受是都市污水主流程廢水或污泥厭氧消化的濃縮液而異。而以某都市污水的污泥厭氧消化濃縮液，其NH₄⁺-N為466 mg L^-1作為微藻培養處理，可得到最大MLVSS產量約為1.5 g L^-1。但而若在較高的NH₄⁺-N濃度下(905 mg L^-1)，會導致微藻的生長抑制作用造成生長的減緩。此外，Cabanelas等(2013)的研究中也發現，在都市污水中污泥厭氧消化的濃縮液若NH₄⁺-N高於100 mg L^-1，TN去除率則會降低。NH₄⁺-N的去除率與MLVSS產量的線性關係不明顯，而是呈現鐘形曲線關係。廢水中較高的NH₄⁺-N含量是微藻生長的抑制因子，這可能與pH值的相關性有關，NH₄⁺解離形成NH₃的發生主要在pH值為> 8時，若pH值越低，NH₃的生成越少，氮以NH₄⁺離子的形式存在，對微藻細胞毒性較小。如果氮源以NH₃的形式存在，由於NH₃具有較高的膜滲透性，它會使微藻細胞內的pH造成變化與酵素活性的影響(Taiz 和 Zeiger, 2006)。因此，pH調節的細胞機制可能有助於微藻對廢水中NH₃的同化。但Tam和Wong(1996)研究中發現，當pH低於7時，NH₄⁺-N > 700 mg L^-1，微藻的生長受到抑制。因此，即使在低pH下，過高的NH₄⁺-N濃度下仍會有明顯抑制作用。

微藻以小球藻為例的最佳NH₄⁺-N培養條件為200- 400 mg L^-1，其最高MLVSS產量與生物質產率皆相似。而TP濃度對最佳生物質產率的濃度為小於100 mg L^-1 (圖1B)。但可以得出，廢水中NH₄⁺-N和TP濃度對最高MLVSS產量與生物質產率的影響是相似的。

當以廢水作為微藻補充的營養源時，考量微生物生長所需的碳氮比(C:N)和碳磷比(C:P)下，如生活污水(C:N為3.5:1和C:P為20:1)與微藻MLVSS產量生產的最佳條件下的典型比值(C:N, 6:1和C:P, 48:1)相比，可以看出碳的比例是較低(美國農業部，1992年)。在一般生活污水中碳的缺乏將限制微藻的生長。因此，以廢水作為營養源時，微藻培養產生了同化不完全的現象。此外，一些已發表的文獻也提到碳和氮代謝在微藻中存在關聯(Fernandez和Galvan，2007; Perez-Garcia等，2011)。廢水中C:N和C:P的這些有機碳限制，則可以透過含有無機碳的CO₂廢氣來源或厭氧醱酵沼氣脫CO₂的方式來補充水中碳源。因此，在充足的有機與無機碳源供應有利於氮磷的利用。如此之下，在透過廢氣CO₂的補充與利用，同時完成氮磷的去除，達到環境減碳與氮磷的同化削減，是為一環境碳中和友善的廢水處理方式。

近期微藻逐漸有研究應用於在污水處理廠的處理上，其使用有兩個主要目的: (2)通過光合作用(與細菌共生共培養)提供額外的氧氣，提高細菌系統(微藻-細菌聚集體)的淨化性能，從而降低了直接(製氣性能)或間接(攪拌性能)供氧的總能量成本。傳統的污水處理廠著重於去除懸浮固體(主要是透過機械方式)和通過活性污泥法降低生物需氧量(BOD)與化學需氧量(COD)，部分廢水廠則能達到更近一步的氮磷的去除。這種生物降解包括有機分子和無機成分(氮和磷)的分解含磷化合物)，對防治河流、湖泊等下游水體優養化具有重要意義。無機氮和無機磷相較來說是廢水中較難以去除的。因此，微藻的大規模培養可作為一種三級處理方法用於廢水處理應用。

部分利用微藻處理程序整合的廢水處理流程已有實際付諸實踐的案例，澳大利亞的Algal Enterprise的藻類污水處理廠可以應用於整個廢水來源包含都市生活污水、工業和農業廢水等。其廢水廠透過在封閉的光反應系統中，太陽光作為光合作用的光源是當地藻類的主要能量來源。其最終產生的藻類生物質(如同生物污泥)則可再被厭氧共消化，以獲得富含甲烷的沼氣，並進一步轉化為電能，達到更完善的碳中和與能源中和的處理流程。美國公司的RNEW^® technology of Microbio Engineering 利用機械混合、CO₂氣體引入的開放型跑道式(open pond raceway)處理富含氮與磷的都市污水，其最終生產的微藻生物職作為生產用於生物燃料生產的生物質原料。另外，Oswald Green Technologies開發了一種先進的集成廢水池系統(AIWPS^®)，該系統為一種藻菌共生處理，以可針對都市、農業和工業廢水中的有機和無機污染物的去除。

圖二、封閉式光反應系統與開放型跑道式微藻培養與廢水處理

(Ref: Wollmann et al., Engineering in Life Science, 2019)

圖三、生物膜法微藻培養與廢水處理

(Ref: Wollmann et al., Engineering in Life Science, 2019)

除了使用懸浮培養的污水處理廠的操作方式外，還有一種趨勢是使用生物膜法，以微藻生物膜，固定化微藻，或藻菌共培養等，如HydroMentia公司的Algal Turf Scrubber^®(ATS)由一透過欲處理的廢水經脈衝流方式推動水流使其循環的方式操作(如同上圖B表示)，其透過如同洗滌塔般作污染物的削減。藻類定期從水流的表面收集(如同上圖A表示)，處理廢水中多餘的營養鹽如氮磷及二氧化碳。其系統在高流量特性和連續ATS運行下，針對農業排放水中的N和P去除率分別可達到125 mg N m⁻² d⁻¹和25 mg m⁻² d⁻¹。同時，ATS生產的藻類生物質可作為土壤強化堆肥與畜牧用飼料，亦可作為生質燃料的來源之一。

相較於封閉式光反應器，以開放式而言是為較經濟可行的方案，然而現行主要仍受到用地多寡與氣候穩定影響，因此多為歐美等大國有部分較大的用地空間，且部分區域的氣候相對穩定，但其具有實廠化的成果不失為一提供可行的方案與未來考量的評估選項之一。

三、結論與建議

台灣相較於歐美國國家，其用地空間相對受到較大的限制，氣候上雖溫度變化相對穩定，但NH₄⁺-N和TP濃度陽光可利用天數相對不穩定，且夏季易遭受風災的影響，開放式操作的不穩定性著實是待挑戰的地方。但其對於氮與磷的去除相較於傳統廢水處理方法上具有相當的優勢。藻類如同光合菌一般，光和菌對於氮磷去除與養殖用水穩定化有相對多且實際應用的場域與案例，因此，未來在藻菌共生系統整合於傳統廢水處理上可為一可行的方案之一，在不改變基礎設備上或改變甚少的狀態下，即有機會可直接應用的空間，在廢水廠生物污泥厭氧醱酵整合下更有機會能達到碳中和的應用，是為台灣未來可考量推動的方向之一。

四、參考文獻

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