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WaterJAM 2016-08-19

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來源 : http://web.idv./~tomh ... e/Nitrification.htm

硝化作用實例

養殖機器的大功臣－硝化細菌

硝化細菌是高密度循環水養殖系統決定成敗的關鍵角色

如何正確的培養硝化菌是現代化養殖系統的重要課題，

擁有完善的硝化系統養殖事業即成功了一半。

一、前言

在人為的水產養殖系統當中，由於放養了高密度的水族生物、投餵大量的飼料，而促使水中的有毒的氨氮和亞硝酸鹽持續累積，濃度上升，往往造成養殖生物中毒或使其抵抗力降低而生病死亡。雖然換水能夠降低養殖系統的含氮廢物，但長期而言，這不是一個生態上永續經營的方式，因此使用循環水系統將是未來科技化養殖的趨勢。

對於循環水養殖系統來說，水中含氮廢物的處理更顯重要，如何在密閉式的水體當中有效的降低氨氮和亞硝酸鹽將是養殖成敗與否的關鍵。在養殖的設備上，要有硝化細菌的過濾裝置，才能將養殖水中有毒的氨氮和亞硝酸鹽有效的降至安全範圍。

在此，硝化細菌所扮演的腳色，就是進行硝化作用，將氨轉變為亞硝酸、將亞硝酸轉變為硝酸，這是兩種硝化細菌分別進行的不同反應，其反應式如下：

2NH4++ 3O2亞硝酸菌 Nitrosomonas→2NO2_+ 4H++ 2H2O+ 能量 R1

2NO2-+ O2硝酸菌 Nitrobacter→2NO3- + 能量 R2

R1反應為亞硝酸菌經由亞硝化作用將氨/銨轉變為亞硝酸根，R2反應為硝酸菌經由硝化作用將亞硝酸根轉變為硝酸根。兩者反應都必須消耗氧氣，溶氧量太低的水體對硝化作用會有負面的影響。

然而，在整個養殖系統的建立過程中，許多養殖者往往過於依賴現成的設備，忽略了硝化細菌的正確培養方式，導緻養殖生物的損失。

本課程著重於建立培養硝化菌的正確觀念，並且以假設糢式來建立培養硝化菌的方式，以更進一步知道何時能夠將適量生物放入我們的循環水系統中。

硝化作用的管理

1. 循環水硝化過濾系統的建構理想

在一個養殖機器剛啟動時，由於加入的是乾淨水源，因此水中通常不會含有含氮廢物，在這樣的環境下，培養硝化菌是有困難的。此時，我們可以直接在水中投入氯化銨NH4Cl來當作氮源，如此一來，硝化菌就能很快的在我們的過濾設備中培養起來，一旦系統中的硝化作用正常運作後，即可加入我們所欲養殖的生物。

在硝化菌培養的過程中，有幾項事情是我們必須加以探討的，第一，欲養殖生物的每天氨氮產生量，加以計算求得在養殖系統中每天必須處理多少量的含氮廢物，才能將水中的含氮廢物濃度維持在安全範圍，由此我們可以知道在初期應要投放多少氯化銨來培育出足量的硝化細菌。

第二，持續監測水中氨氮、亞硝酸和硝酸鹽的濃度，以得知硝化細菌的生長情形，並且也可瞭解我們的過濾系統是否提供了足夠的空間來培養硝化菌，使兩種硝化菌長得足夠。

2. 初期硝化細菌的生長糢式

在投入氯化銨後，由於水中氨/銨量增加，因此亞硝酸菌Nitrosomonas會先成長，亞硝酸菌的亞硝化作用促使水中的氨轉變為亞硝酸，隨著亞硝酸菌的成長，水中的氨會逐漸減少，亞硝酸會逐漸增加。之後，硝酸菌Nitrobacter因為亞硝酸的增加而開始成長，並將亞硝酸鹽轉變為硝酸鹽，使得水中的亞硝酸逐漸降低而硝酸鹽增多，因為硝酸鹽較無毒性，對水中生物的影響較小，並可藉由其他方式將硝酸鹽去除，例如藻牀處理。

從R1和R2可知，一分子的氨會轉變為一分子的亞硝酸；而一分子的亞硝酸會轉變為一分子的硝酸，因此可以得到如圖一的氨、亞硝酸和硝酸的變化關係。若我們以濃度來看，由於氨NH3的分子量為17，亞硝酸NO2的分子量為46，因此1克的氨會產生46/17≒2.7克的亞硝酸，同理，1克的亞硝酸會產生62/46≒1.3克的硝酸（NO3=62），所得到的濃度變化關係如圖二。

圖一、水中含氮化合物分子數的變化。每個時間點的氨、亞硝酸和硝酸分子數的和為10。

圖二、含氮化合物的濃度變化

三、結論

在整個硝化系統的建立中，因為氯化銨的使用，可以使我們養殖過濾設備很快的培養出硝化細菌。在培養過程中，也必須每天監測氨氮、亞硝酸和硝酸的變化，以得知目前硝化系統建立的情形，若有適當的培養環境（水質、濾材等因素），含氮化合物的變化應如圖三所示，氨氮會逐漸降至最小值，亞硝酸則會先上升而後下降至安全範圍。在第1天到第5天，氨氮在高濃度狀態且持續下降中，表示亞硝酸菌正在成長，此時不可放入養殖生物。第5天到第9天，氨氮雖然已降至安全範圍，但亞硝酸還在上升中，表示有大量的亞硝酸菌將氨氮轉為亞硝酸，此時仍不可放入養殖生物，但要加入氯化銨以提供亞硝酸菌的氨氮來源。第9天到第12天，足量的硝酸菌正將亞硝酸鹽轉變為硝酸鹽，因此亞硝酸鹽逐漸降至安全範圍。第12天後，養殖系統已有足量的亞硝酸菌和硝酸菌，此時停止加氯化銨，可以放入養殖生物。

在培養過程中，含氮廢物的含量變化若不像圖三所示的趨勢，例如亞硝酸總是沒有下降的趨勢，可能表示濾材的面積不夠或是水質不當（如溫度太低、溶氧量太低等），都有可能影響細菌的生長。至於絕對濃度則需考量養殖的水量，而濃度的高低才是影響養殖生物的指標。利用這樣的糢式建立的硝化系統，也可以瞭解該系統所能負荷的養殖密度，使養殖者本身對於養殖系統能夠做好更精確、科學化的管理，使養殖生物在循環水系統中活的更健康。