黃柏榮／中山大學環境工程研究所
透過物化處理方式可有效地將廢水中氨氮去除或者回收，硫酸銨與工業級氨水為目前主要的資源化產品，但受限於原有市場的需求量，尋找新的處理方式與資源化再利用技術為主要的訴求。本文主要介紹以材料開發為基礎、應用於目前處理氨氮廢水的技術，分別介紹以再生型水凝膠吸附劑（物理法）、間接電化學氧化（化學法）及細菌固定化（生物法）三種處理方式，並且針對不同觸媒的特性，以光/熱轉化之方式將氨氮廢水轉化成氫氣，作為新型態的替代能源。
【內文精選】
前 言
人民的生活水準提高伴隨著工/農業的蓬勃發展，因此在含氮化合物廢水的排放量也急遽上升，目前已經成為環境的主要汙染源之一。氨氮(NH3-N)是影響水質的主要汙染物質，由於其易溶於水的特性，因此容易導致水中產生優養化引起缺氧的狀態而危害到水中的生物體。對於人類而言，一般是利用通以氯氣的方式和氨氮作用形成銨鹽(NH4+)，不過卻增加了氯氣的使用量而釀成二次汙染；另一方面，銨鹽也容易轉化為硝酸(HNO3)、硝酸鹽(NO3−)以及亞硝酸鹽(NO2−)，進而直接影響嬰幼兒血液中的氧濃度，並導致正鐵血紅蛋白血症、藍嬰症候群以及胃癌。此外，水中的氨氮具有高度的揮發性，容易跟空氣中一次氧化物(Primary Oxide)，例如硫氧化物(SO2)以及氮氧化物(NOx)反應生成二次顆粒物(Secondary Pollutant)，主要為硫酸銨((NH4)2SO4)以及硝酸銨(NH4NO3)，由於所生成的顆粒較小，容易懸浮在空氣中，成為PM2.5主要的成分之一（圖一）。而當大氣的溼度提高時，空氣中的水氣更容易聚集氨氣和硫氧化物以及氮氧化物進行中和反應形成微粒，也有報導指出，PM2.5會容易被人體吸收並且累積在肺中導致癌症；並且，在肺中的PM2.5微粒可以透過肺血管經過血液循環傳送到身體各處器官，引起發炎反應，進而使得胰島素抗性上升，造成第二型糖尿病。因此，找出高效清潔的氨氮廢水處理方式迫在眉睫。對於氨氮廢水處理可以分為兩種策略：一種為透過技術將水中氨氮去除；另一部分為透過回收技術提取廢水中的氨氮重新再回到產線當中，或者將其轉化為新材料及能源使用。
圖一、PM2.5的生成途徑
氨氮廢水去除處理方法
目前氨氮廢水的去除處理方式主要可分為物理法、化學法及生物法。物理法是透過吸附、相轉換及過濾等物理方式處理；化學法的方式是添加化學藥劑產生具有高級氧化能力的物質，將水中過多的氨離子轉化成氮氣，逸散於大氣中達到去除目的；生物法則以微生物為主，仿照土壤中微生物的固氮及硝化作用，期望將氨離子轉化成氮氣逸散。
3. 生物處理方式
生物法主要的步驟以硝化及脫氮兩種方式為主。硝化作用是藉由氨氧化菌(Ammonia-oxidizing Bacteria; AOB)在好氧的環境下，將水體中氨氮(Ammonia-Nitrogen; NH3-N)轉換成亞硝酸鹽氮(Nitrite-Nitrogen; NO2-N)，再經由亞硝酸氧化菌(Nitrite-oxidizing Bacteria; NOB)氧化硝酸鹽成硝酸氮(Nitrate-Nitrogen; NO3-N)；第二步脫氮作用是透過脫硝菌(Denitrification Bacteria)在厭氧環境下將硝酸氮還原成氮氣。
圖四、Anammox固定化程序及反應示意圖。(a) Anammox固定化；(b) Anammox固定後之外觀
下一世代再生能源–氨氮產氫
全球暖化的情況日益嚴重，尋求替代能源也顯得日益重要。氫能(Hydrogen Energy)是目前重點發展的綠色燃料之一，氫氣經燃燒過後生成水，對於大氣不具有威脅性並且又可以重複再使用；另外，氫的燃燒性能好，高發熱質(141.6 MJ kg-1)較石油(42.5 MJ kg-1)的三倍之多，因此，氫能的發展就顯得格外重要…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》409期，更多資料請見下方附檔。