張冠甫、林翰璘 、黃莛涵、黃智、張婷婷 / 工研院材化所；王威翔 / 中興大學機械系
國內產業廢水及生活污水處理廠，目前多以活性污泥處理單元或相關衍生程序作為廢污水中有機物及氨氮處理使用，以達到維護自然水體環境安全之目標。活性污泥法需透過鼓風機將大量空氣導入生物處理槽內，工程經驗上每去除1 kg的COD需耗用0.8~1.0 kWh之電力（約0.4~0.5 kg CO2e），同時約占廢水處理廠總能耗50%，因此，可以優先考量導入節能技術之應用。本文介紹鼓風機能耗優化技術及厭氧生物處理技術兩大主題，可提供產業廢水處理之節能參考。透過導入相關技術有效降低廢水處理廠能耗，並有機會達成能源中和，甚至產出綠能之目標。
【內文精選】
活性污泥程序節能技術
活性污泥法(Activated Sludge)為廢水廠二級生物處理單元常用的處理方法，並依處理標的衍生許多形式，如額外針對氨處理之A/O程序及同時脫氮除磷之A2O程序等。主要原理為透過微生物細胞內之生化作用，將廢水中的有機物質與氨在有氧氣(O2)作為電子接受者的環境下將其轉換(氧化)為CO2與NO3-，以達到去除之目的。而上述氧氣的來源，即是靠鼓風機將空氣有效輸入至生物反應槽內，也是廢水廠中主要的耗能單元。因此針對活性污泥程序之鼓風機進行節能操作，其成效將較其他機械設備顯著。
節能軟體具體的做法邏輯如圖四所示。首先需取得一污水廠之水質(有機物與氨氮)與水量資料(若是設計新設廢水廠則需預設水質水量)，透過水質水量資料求得需要的氧氣重量，接著由污水廠槽體條件(如水深及散氣盤效率等)計算出所需要的空氣流量，再透過空氣流量選擇出適合範圍的多種鼓風機，由各鼓風機原廠提供的性能曲線與污水廠管線資料(系統曲線)，經過基因演算法反覆淘汰不適合的排列組合與變頻值，最後由所選定的鼓風機範圍排列出多種較佳組合與操作變頻值下的能耗大小，依據現場條件選擇最有利的鼓風機組合及操作頻率。
圖四、好氧系統節能技術運作流程
厭氧生物處理技術
厭氧生物處理技術相較於前段之活性污泥法屬於「本質」上的改變，厭氧微生物菌群主要是直接利用有機物作為電子接受者，透過其生化反應將有機物「還原」成甲烷與二氧化碳(俗稱沼氣)達到去除之目的。因此，厭氧生物處理不需要使用鼓風機將氧氣輸送至生物反應槽內，在質傳容許的狀況下，可以非常有效地達到節能的目標。特別是在有機物濃度較高的工業廢水，透過厭氧技術的應用，可以產出額外沼氣副產物，且搭配發電機的應用後，亦可產出綠能，進一步再降低碳排與能耗。
厭氧生物反應槽的設計，以有效截留微生物菌群為主要考量因子。處理槽演進至今，每個階段均以設法提高固體停留時間、減少水力停留時間，以及增加處理槽中污泥量和活性為主要開發目標。各種厭氧處理槽構造如圖八所示。反應槽可以簡單區分為四種型態：①完全混和型，通常用於污泥消化，透過很長的HRT達到將有機固體物轉化為甲烷，並不適用於廢水處理；②接觸濾床，透過濾材之應用，有效將微生物截留於系統內，但缺點為操作過程中若結垢潛勢高時，容易產生阻塞短流的現象；③流體化床與膨脹床，透過高比例的回流水，將生物反應段流體化，強化無攪拌下的質傳作用，同時降低部分毒性或抑制性物質對厭氧微生物的影響；④上流式污泥床，具備三相分離器，藉由累積大量微生物提升整體去除效能，有效縮短水力停留時間。
圖八、各種厭氧處理槽構造示意圖
厭氧生物反應之操作，相較於活性污泥法須注意食微比、污泥回流、SRT等，相對簡單。反應槽大小的設計，通常以單位體積負荷為參數，生物分解性高的產業廢水可高達5~10 kg COD/m3-d以上，而生物解性稍差者也可達2~5 kg COD/m3-d，相較於一般活性污泥法之體積負荷約0.5~1.2 kg COD/m3-d，具有節省空間的優勢。而需要注意之環境因子為溫度、pH值、鹼度、營養鹽及毒性物質等 ---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》433期，更多資料請見下方附檔。