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生物活性碳在水族箱的应用

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一、前言  

最近生物活性碳(Biological Activated Carbon,简称“BAC”)技术,在废水处理领域的应用,已经被证实有很好的成效,它是一种物理吸附和生物分解作用的简单组合,即利用活性碳本身所具有对废水中污染物之吸附作用,并藉由输入氧气,使活性碳吸附槽能拥有与固定生长型之生物膜反应槽类似之功能,以遂行生物分解作用,共同完成废水处埋净化水质的目的。  

理论上,此项技术应该也可以应用于水族箱,不过不是用于去除有机物,而是希望用于去除氨(剧毒物)。因为存在于水族箱中的有机物,最好能使用物理过滤方法除去,否则经由微生物的分解作用之后,必定会衍生更多的氨,反而对鱼类的维生系统不利。  

过去对活性碳是否能用作水族箱的生物滤材一直存在着疑虑,最主要的原因是,活性碳为一种吸附剂,它能吸附许多有机物,有机物对硝化细菌的生长有抑制作用,所以并不认为它是一种很适当的生物滤材。然而,这种疑滤也许是多余的,就好像过去在废水处理领域中,无法确定活性碳是否能用作“生物活性碳”一般。本文之目的,即在建议大家如果有兴趣的话,何不多做这方面的尝试。  

二、生物活性碳的作用原理  

活性碳有能力去除有机物,这些有机物转而作为过滤基质中支持细菌生长的碳源(Servais等,1991)。一些废水处理方法可以促使细菌在粒状活性碳上生长,以产生“生物活性碳”。生物活性碳已被认为可以增加有机物去除率和延长粒状活性碳的使用时间(Gabriel Bitton,1994)。  

生物活性碳技术先利用活性碳强大之吸附能力,将有机污染物吸附于其活性基内,然后微生物附着在活性碳颗粒上生长而形成微生物膜,即有机会适应该污染物(或产生分解酵素)并将其分解,空出之活性基即可再吸附有机污染物。如此经过吸附、分解、脱附、再生、再吸附等循环过程,可以使活性碳表面维持有效的活性吸附空间,因此虽经长时间处理有机物,尚不致饱和,此即为所谓“生物再生”(工研院环安中心,2004)。  

当废水有机物负荷突然增加时,生物活性碳系统主要去除有机物之机制是活性碳之吸附作用,此时活性碳之有机物吸附量大于生物再生之去除量,因此活性碳上可用之吸附孔洞会逐渐减少;当废水有机物负荷较低时,活性碳之有机物吸附量小于微生物再生之去除量,因此可增加活性碳上可用之吸附孔洞。故短暂之突增负荷,对生物活性碳系统处理水质应无影响,而最佳之操作状况则是达到微生物再生之去除量大于或等于活性碳之吸附量。只要设计得宜,使微生物再生之去除量大于或等于活性碳之吸附量,则活性碳除需补充磨损量外,可一直使用而无需取出再生,可节省大量之活性碳费用(工研院环安中心,2004)。  

三、生物硝化活性碳的可行性  

若把一般专门用于消除有机污染的生物活性碳,改变为以利用硝化作用来消除氨的活性碳,可称为“生物硝化活性碳”,这是笔者特别给它的术语名称。在水族箱中,如果把活性碳用作生物滤材,它也可能具有硝化作用的功能。  

活性碳是所有人造物质中,具有最大“比表面积”的产品,它比任何已知的生物滤材,在相同单位体积或重量的比较基础上,都具有更大的表面积。如果单纯从这方面来考虑,它应该是最理想的生物滤材。

问题是,活性碳本身的吸附作用,导致不同种类的被吸附物质夹杂其中,成了驯养硝化细菌是否成功的最大变量。另外,氧气是否足够,以及活性碳与循环水接触时间,也成了硝化作用的影响因子。尽管如此,如果能在客观的条件上处理得很好的话,那么主观的期望似乎是可以达到目的。

举例来说,在滴流式过滤器中,我们使用活性碳作为生物滤材,并应用在物理过滤及除氯之后,藉以降低有机物的干扰,以及防止自来水中余氯的危害,硝化细菌仍然有很大机会,能在活性碳表面形成菌落。因为活性碳表面有较高的粗糙度使硝化细菌的生物膜容易附着生长,因此在种植及训养上较一般生物滤材迅速,且启动硝化作用时间较短。此外,活性碳亦具有吸附氨的功能,可增加氨与硝化细菌接触时间,因此让硝化细菌有更多的机会把氨去除掉。

由于活性碳仍可能吸附溶解性有机物,因此在活性碳表面仍然会有异营性细菌附着生长,导致异营性细菌所形成的生物膜,可能会抑制硝化细菌的生长。换言之,硝化细菌是否能成功地在粒状活性碳上正常生长,还要看活性碳“富集”多少溶解性有机物而定。不过,如果能让活性碳堆积的纵深增加,或增加滴流式过滤器的滤层,那么位于下层的活性碳,仍然有机会形成硝化细菌的生物膜,以遂行硝化作用。

四、结论

综合上述分析,发现若硝化作用能结合活性碳的特质,运用活性碳对氨的吸附浓缩功能,以及它可以形成巨大的硝化生物膜之特性,似乎可以更有效率解决养水族箱(尤其是海水水族箱)氨污染的问题。当然,这只是从理论上分析所获得的结论,是否真的如此,还有待大家进一步探讨与实验才能确定。


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