廢水變能源—技術發展與應用

刊登日期:2015/2/5
  • 字級

前言
聯合國在去年三月二十一日公布「2014年世界水發展報告」(World Water Development Report 2014),該報告的主題為「水與能源」,是由 31個聯合國實體與 36個國際合作夥伴所彙整的最新調查與統計資料,報告指出水與能源皆為目前世界上所面臨的主要發展與挑戰,然而,目前的能源生產方式幾乎皆需要消耗水,包括熱電、生物燃料與水電等。以 2014年為例,能源生產共消耗了全世界水攝取量的 15%,且此比例持續增加,到 2035年預估將增長到 20%。事實上,水是能源生產的一種限制因素,決定何種能源生產的方式將會嚴重影響到未來水資源應用於其他領域的多寡。

當然,該報告也提到,能夠綜合水與電力生產的系統將是這兩個領域可持續發展的關鍵,例如從廢水處理過程中生產能源。然而,傳統的活性污泥程序是一種技術簡單卻高度耗能的廢水處理技術,主因是曝氣設備耗能太高,活性污泥程序中的微生物在移除廢水中有機物的同時亦需要氧氣,氧氣是由曝氣設備將空氣中的氧氣轉移進入廢水中,此設備所需能源大約是廢水處理所需總能源的 55.6%。

廢水厭氧生物處理(厭氧醱酵)產生沼氣
厭氧生物反應是指在厭氧環境下,利用厭氧微生物將廢水中的有機物分解、轉換為沼氣(甲烷、CO2與少量硫化氫)的過程。一般可將厭氧生物處理分成三個階段進行1.水解階段;2.酸化階段;3.甲烷化階段,如圖一所示。


圖一、厭氧生物反應之有機物轉變成甲烷(CH4)之流程圖

2. 酸化階段
此階段參與之微生物包括氫還原菌及醋酸菌類等。氫還原菌主要將有機酸、醇轉換成醋酸及H2,必須在低氫分壓的環境中才不會有抑制微生物的反應,其所產生的H2可供氫生成醋酸菌及甲烷菌利用;醋酸菌類是將有機酸、醇代謝成醋酸,包括氫生成醋酸菌類,可將H2及CO2轉換成醋酸。此階段微生物適合生長在pH為5~7(偏酸性),溫度為30~40˚C的環境,若厭氧程序控制不當(如pH控制失敗),酸生成菌會持續產生酸,因而創造出極不利於甲烷生成菌的環境。

3. 甲烷化階段
此階段參與微生物為甲烷菌類( Methanogens ),此類細菌出現多種型態,但生理特性相同。甲烷菌可將醋酸、單一碳化合物(甲酸、甲醇、甲基胺、CO2等)及 H2,轉換成甲烷。甲烷生成菌適合生長的 pH在 6~8(最佳在7),最佳溫度分 35˚C(中溫菌)及 55˚C(高溫菌)兩種。一般而言,經由厭氧生物反應所產生的沼氣,主要成分為 60~80%甲烷與 15~35% CO2,其餘為硫化氫、水分及矽氧烷等少量成分,其中可被利用做為能源的成分僅為甲烷,甲烷的熱值高,一般約為 5,000 kcal/m3以上,比煤氣瓦斯的標準熱值 4,500 kcal/m3還高,因此很適合做為燃料使用。沼氣依照用途不同,須搭配不同的前處理(純化程序),如圖二與表一所示。

微生物燃料電池產生電能
有鑑於廢水處理程序需要耗費能源以達到淨化水質的目的,同時廢水中也存在一定量的化學能,此化學能主要是以還原態物質的型態存在,例如碳水化合物與氨氮等,因此,對於從廢水中獲取能源提供了不少的機會。廢水中還原物質的濃度通常是以化學需氧量( Chemical Oxygen Demand; COD )表示,此 COD值表示氧化那些還原物質所需要的氧氣量,一般廢水中典型的 COD值為 500 mg/L,若以每公斤 COD氧化成 CO2 與 H2O之理論產能量為 1.47 × 107焦耳計算,則廢水中的能量密度為
……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖三、微生物燃料電池的架構

作者:陳幸德、張王冠/工研院材化所
 ★完整內容請見下方檔案。


分享
為此篇文章評分

相關廠商