水族運用生物過濾至今已有不算短的時間，人們早已懂得借助微生物的幫忙，來降低水中毒素濃度，致使飼養水生物種的難度大幅下降。我們從過去知識流動緩慢的年代，步入資訊快速流動的現在，特別是高速網路的崛起，讓水族相關的知識也變得更容易獲得；只不過也促成不真確的資訊四處流竄，面對充斥以訛傳訛的流言，需要我們增進專業知識的素養來釐清其真實樣貌。
廢水與污水的處理方法
開始探討水族生物過濾的發展歷程，生活中我們每天都會製造廢水及污水，此兩者所代表的意義皆有所不同，依台灣《水污染防治法》之規定，定義污染物為任何能導致水污染之物質、生物或能量；廢水係指事業於製造、操作、自然資源開發過程中或作業環境所產生含有污染物之水；而污水則是事業以外所產生含有污染物之水，從字義來看，污水泛指由民眾日常生活所製造，可以看得出來污水是採反面解釋來定義。
早期在處裡工業廢水及民生污水的方法中，有種稱之為活性污泥法（Activated sludge）處理程序，這是利用微生物來滿足淨化水中污染物的需求，此法早在1910年代出現，人類沿用至今已有許多年的歲月，後來1969年另一種名為薄膜生物反應器（Membrane bioreactor，MBR）的新興處理技術問世，然而受限於當時材料科學尚欠成熟，因此薄膜壽命較短，以致於難以廣泛應用。
隨著時代的腳步持續前進，促使活性污泥法的改良形式如雨後春筍般在全球各地出現，此時薄膜製造技術也不斷提升，所以催生出薄膜生物反應器（下稱MBR），它本是傳統活性污泥法與薄膜技術做結合，運用薄膜⾼效的過濾機制，不只能把活性污泥的濃度⼤⼤提⾼，有的類型還能利用薄膜表面產生好氧菌及厭氧菌的生物膜，如此可增加處理污染物的種類，相較於傳統活性污泥法，經過MBR處理過的水質較佳，且可承受高負荷、佔地面積小、具備消毒及除臭等能力，目前台灣也有淨水廠與光電業、晶圓製造業、石化業等領域採用MBR系統。
▲MBR不只可讓處理流程簡化，而且放流水的水質較佳，促使放流水還能回收再利用，關於放流水的規範，會依照不同的產業而有所不一樣，詳見《放流水標準》的內容。由於MBR可使處理設施的體積縮減，所以特別適合土地面積小、土地取得成本高的地區使用；而傳統的處理方式需用較大的面積，面積不足者雖有機會能與毗鄰土地簽訂租賃契約或設定地上權、不動產役權等方案來取得不動產的使用權，這些或多或少都會削減其經濟效益。
▲MBR會依據不同的薄膜特性，而有不同的運作模式，每一種都有各自的優缺點。上圖是固液分離型MBR，將薄膜安置於傳統活性污泥法曝氣池外面的稱為旁流式（Side-stream MBR），此種類型在1970年代發展，其主要目的是對懸浮固體截留，藉此來實現固液分離。1978年德國首先把生物過濾這種概念運用於水族飼養上，自此開啟水族生物過濾的應用大門。
▲再來同樣是固液分離型的沉浸式（Submerged MBR），隨著時間推進，1990 年初發展出直接把薄膜單元放進傳統活性污泥法曝氣池內的MBR，由於污泥慢慢地累積的緣故，會在薄膜表面形成一層生物膜強化污染物的處理效果，從而使出流水的品質更優於旁流式，故沉浸式MBR目前實務上較為常見，從該類型MBR可看出已有目前水族缸所採用的氣舉過濾、底抽過濾，或是海水缸的柏林系統等生物過濾的樣貌。
▲上圖是固液分離型MBR實際裝設，而薄膜單元又以圖中的中空纖維膜最為普遍所採（圖片出處）
肉眼看不到的小幫手
採用微生物來處理水中有機物來滿足淨水目的，這與物理過濾及化學過濾的工作原理有著天壤之別。時至今日，水族缸使用生物過濾的起源，其實就是向過去處理廢水、污水的手法取經而來。
▲處理污水的細菌依照環境因子中的「通氣性」分類可得到上圖，通氣性是指環境氣體含量高低，而這氣體通常都是指氧氣，分為只能存在於有氧環境中的好氧菌及另一種不喜歡氧氣的厭氧菌，厭氧菌又可分為兩種，一種為兼性厭氧菌，當它存在的環境有氧氣時，會優先使用氧氣分解有機物，當氧氣貧乏時，則會轉變成厭氧性分解有機物；剩下的細菌，就是無法在有氧環境下生存的絕對厭氧菌。利用環境因子可把細菌分為數種，但細菌的分類可不是只用環境因子劃分而已，另一種常見的形式為〈清洗培菌濾材的操作概要〉中用細菌獲取養分的方式作區分。
利用微生物對廢水、污水進行處理的方式十分多元，像是在〈淺談抗生素用於水族對環境的衝擊〉提及的生物活性碳（Biological activated carbon，BAC）亦是借助微生物活動來治理水中污染物，可看出微生物跟我們的日常生活緊密連結。此外，人們有時會不自覺下意識認為生物過濾用的培菌濾材數量越多越好，然而在環境工程的領域並非這樣想，其中一個可代表的參數就是食微比，食微比告訴我們培菌濾材配置數量最好能控制在某特定範圍，這部分可參閱〈培菌濾材數量配置參考與溶氧量〉的內容。
硝化菌跟消化菌大大不同
俗話說：「養魚先養水」，話中所指的養水，意在培養微生物來協助處裡水中的污染物，而這需要被培養的微生物指的就是硝化菌，雖然這是個蠻粗淺的講法，但卻足以勾勒出水族缸整個養水的輪廓。由於中文的發音相同，常常會有新手誤把「消」化菌與「硝」化菌畫上等號的情況發生，有鑑於此，本文會概略講解消化菌跟硝化菌不同之處。消化菌有厭氧型、好氧型及兼性厭氧型之分，通常水族缸內多為好氧型的消化菌，這點跟硝化菌大致相同，除此之外，兩者運作機制也截然不同，事實上消化菌屬於於腐生菌，它不算是正式名詞，只不過是我們大家都用習慣了，算是一種另類的積非成是的實例。
▲這次一定要好好弄清楚消化菌與硝化菌的不同之處
先講消化菌的部分，消化菌是指具有分解有機物能力的細菌，在水族中暫把它想像成腐⽣菌、氨化菌的地位。自然界當動植物壽命走到終點時，細菌會對其遺骸進行分解，如果沒有這些細菌存在，那麼從過去到現在所累積的動植物遺骸將會塞滿地球任何一塊角落，屆時便會爆發極其嚴重的災難。以氨化菌為例，自然環境處處都有它們的存在，所以水族缸中也有它們的身影，像是氨化菌常利用蛋白質進行氨化作用，這是種把有機物分解釋放氨的過程，因為是有機物分解為無機物，故又可稱礦化作用。
接著再講硝化菌的部分，已知氨為氨化作用的最終產物，氨的毒性極高，對水族缸而言，它本身是一種萬惡的存在！所以我們培養硝化菌的用意就是要依靠硝化菌行硝化作用，藉此消彌氨在水族缸中所帶來的危害。硝化菌會以氨作為食物，首先亞硝酸菌將氨轉成毒性稍弱的亞硝酸鹽，然後硝酸菌再把亞硝酸鹽轉成毒性更低的硝酸鹽，這樣缸中所飼養的生物就不會輕易地死掉，通常都把亞硝酸菌及硝酸菌統稱為硝化菌，所以硝化菌跟消化菌一樣是由多種細菌所組成。硝酸鹽的毒性雖低，只不過長期不換水會因累積過量的硝酸鹽，進而影響缸內生物健康，詳見〈關於水族缸換水之必要性〉及〈觀賞魚檢疫及老缸症候群〉的內容。
有一點要注意，氨化菌與硝化菌彼此間繁殖力不一，氨化菌有著遠超越硝化菌的增生能力，某些人會一再上演「養什麼生物，就死什麼生物」的戲碼，這有很大一部分是初期過度餵食導致氨化菌增生太快，產出一大堆硝化系統處理不及的氨所致。獅子的海水缸會用無糖豆漿來養水，意在利用豆漿中的蛋白質作為氨化菌的食物來源，然後產出氨再成為硝化菌的食物來建立硝化系統，詳情可見〈海水缸養水實錄〉的內容。
▲上圖為氨化作用與硝化作用，實際上氨化作用沒有這麼簡單，這邊只是用簡述方式表達讓人快速認識不同之處，從上圖可看出氨化菌和硝化菌各自有著不同的順序與特性。
▲氨除了可以借助硝化作用轉成低毒性的硝酸鹽之外，尚有另一種情形也會使水族缸的生物免其氨的危害，那就是用pH作為改變手段，當pH偏低時，氨會因為氫離子濃度提升而轉成幾近無毒的銨，惟偏低的pH同時也會連帶讓硝化作用趨於停滯；於pH偏高時，氨的毒性會劇烈強化，極易造成水族缸內生物死亡。氨與銨彼此間如上圖存有一個可逆的化學反應，相關細論可參考〈認識pH、GH、KH的旨趣〉及〈自製水質穩定劑與氨的模擬分析〉的內容。
▲氨化作用及硝化作用恰巧又同為氮循環的一部分，詳見〈過度供給肥料對植物及環境的傷害〉一文
▲經由前開解說，現在應該已經明瞭消化菌跟硝化菌是不同類型的細菌，不是中文發音一樣，字就可以隨便混用，假如真的可以混用，那胺、氨、銨或是糖、醣這些字的發音也相同，那是否也可混用？強調這個並非吹毛求疵，而是因為消化菌及硝化菌本質差異真的太大。另舉例說明，我們都知道新台幣用於陽間，冥紙用於陰間，難道同樣都是貨幣就能互相流通購買物品？這用膝蓋想也知道不可能，新手如果想要讓自己的水族知識再向上提升，認識消化菌跟硝化菌的差異只能算是基本可課題而已。
▲多虧了這些微生物在水族缸內運作，才能讓我們欣賞這美麗水族世界
我們已經知道硝化作用是仰仗硝化菌來完成，在一個水體環境中，雖然它本身具備移動能力，但由於移動時需要耗費能量，再加上移動過程中難以行硝化作用，一般需等到附著於固體才會正常行硝化作用與繁衍群簇，以至於水體中鮮少見到它們的蹤影，所以硝化菌原則上以附著在固體為主，而所謂的「固體」可以是水草、沉木、底砂、石材、生物體表或是培菌濾材等物體，生物過濾中鋪設培菌濾材的立意就是要讓它們有個安身立命的處所，有了適合生存的環境後，硝化菌的群簇開始漸漸地壯大。
培菌濾材安放於過濾設備內，市面上的過濾器種類真的是族繁不及備載，即便是樣式多到讓人看得目不暇給，不外乎就是提供穩定的水流配送氧氣與氨給培菌濾材上的硝化菌使用，細菌這種微生物雖然小到讓肉眼無法察覺，卻扎扎實實常伴我們的水族生活。培菌濾材會因為材質的不同，對水質存有一定程度的影響力，接下來可繼續參閱〈各式水族培菌濾材概述〉、〈各式水族培菌濾材對水質之影響〉的內容。
參考資料
甘良義，沉浸式好氧薄膜生物反應程序處理製藥廢水：模廠之研究，2006
莊清榮、游勝傑，科學發展第429期，流體中的最佳守門員：微過濾與超過濾，2008
范姜仁茂、莊連春、曾迪華、廖述良、游勝傑、梁德明，工業污染防治第109期，薄膜生物反應器（MBR）於廢水處理之技術評析，2009
柯清水，養魚先養水，2016
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