去除水中氨氮之低耗能技術發展與應用

 

刊登日期:2015/2/5
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前言
近年來因環保意識抬頭,全國民眾相當重視國內水體之品質。其中,除了生活污水、畜牧廢水含有氨氮/有機氮等氮系物質以外,很多工業也因製程使用含氮化學物質,造成大量氨氮排入水體。氨氮除了本身具有微毒性外,亦易造成溶氧下降、優氧化等相關問題,導致水體水質不佳。因此,環保署針對氨氮之議題,於排放總量較大之高科技產業、石化產業與化工業增訂氨氮放流水管制標準,以達到削減氨氮排放總量目的。

含氨氮廢水處理方法簡介
一般來說,含氮廢水傳統上可以利用物化處理或生物處理進行,包含氣提法、折點加氯法、流體化床結晶與生物處理方法等,請參考圖一之說明。針對濃度較高之氨氮廢液( > 1% or>10,000 mg N/L),可以物理汽提之方式將氨氮脫除形成更高濃度之氨水(10~20%)後回收再利用。相關可用之技術包含蒸餾塔、薄膜蒸餾( Membrane Distillation; MD )等。其原理皆為調升 pH 值至 10.5~11.5左右,將離子態銨轉換為分子態氨後提升溫度(通常可用蒸汽或電熱),將分子態氨趕出水相,並透過冷凝方式形成高濃度氨水回收。此相關技術由於需要利用蒸汽或加熱,因此在技術精進上,可以考量增加熱利用效率或熱回收等,降低相關處理能耗。

厭氧氨氧化相關生物處理技術
傳統生物硝化脫硝技術( A/O Process )常運用於低濃度之含氮廢水之處理,此為成熟且穩定之技術,但操作成本與土地利用率仍有許多改善空間,因此,最近幾年較為新穎且成本較低之生物除氮反應系統如厭氧氨氧化( Anaerobic Ammonium Oxidation;Anammox )已於歐美等國家陸續發展中。有別於過去傳統除氮方法,厭氧氨氧化技術具有諸多優點,包含不需添加碳源、污泥產量低、不需額外曝氣以節省能源消耗等。厭氧氨氧化微生物約於 20年前由荷蘭學者所發現,後被應用於開發新穎之氨氮廢水處理技術。厭氧氨氧化之生化反應如圖三之中間途徑,其方程式為:

NH4+ + 1.32NO2- + 0.066HCO3- + 0.13H+ →1.02N2 + 0.26NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 +2.03H2O

厭氧氨氧化菌屬於化學自營性菌,其碳源為無機碳,不需要額外添加有機碳源,對於高科技產業之高氮低碳廢水極具應用性。由於厭氧氨氧化反應需要有約 0.5 mole 之亞硝酸氮作為電子接受者,與另外約 0.5 mole 之氨氮反應後,轉換成氮氣達到去除之目的。一般來說,亞硝酸氮通常不存在於含氮廢水中,因此需要搭配半硝化程序(將氨氮先氧化為亞硝酸氮)作為前處理,始可完成厭氧氨氧化反應。目前各先進國家所發展之厭氧氨氧化技術分述如下:
1. OLAND與CANON程序
OLAND為Oxygen-limited Autotrophic Nitrification-Denitrification Process之簡稱,其程序如圖三所示。主要微生物族群為氨氧化菌以及厭氧氨氧化菌,藉由氨氧化菌與氧氣作用形成約0.5 mole亞硝酸氮後,再透過厭氧氨氧化菌搭配另外0.5 mole氨氮進行反應,產生氮氣。由於厭氧氨氧化菌對於溶氧相當敏感,因此需控制溶氧濃度,達到累積亞硝酸氮之作用,而溶氧濃度又不可高於厭氧氨氧化微生物之抑制濃度,因此操作上相對較困難。


圖三、OLAND/CANON程序示意圖

2. 厭氧氨氧化技術面臨之挑戰
工研院之研究團隊也針對增加原始污泥厭氧氨氧化菌組成進行探討。由於厭氧氨氧化微生物具特殊細胞壁結構,可以抵禦相關細胞壁破壞之程序而存活。因此,透過破壞細胞壁之前處理方式,可以達到破壞非厭氧氨氧化菌而達到累積厭氧氨氧化菌之目標。結果顯示,可將目標初始污泥之厭氧氨氧化微生物組成提升 2.5倍以上。透過上述相關技術與方法,工研院已成功於 3個月內將厭氧氨氧化系統之處理負荷快速提升至 2.5~3.0 kg N/m3-d。此啟動時間與文獻所提及之厭氧氨氧化系統啟動需要 6~12個月相較,大幅提升了工程應用之可行性。圖五為工研院經強化培養後之微生物變化情形,顯示經過強化培養後,初始污泥可以有效轉變為深紅色之厭氧氨氧化微生物。同時透過分子生物分析,也證實
……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖六、厭氧氨氧化顆粒污泥菌群分析圖

作者:張冠甫、張婷婷、張王冠/工研院材化所
 ★完整內容請見下方檔案。


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