黃韻璇 / 工研院材化所
隨著工業排放與人類活動的增加，氨氮排放量對環境的影響日益增嚴。傳統方法處理氨氮廢水需消耗大量能源，在全球節能減碳的趨勢下，氨氮廢水處理技術的優化或是將現有技術進行結合應用是相當重要的，透過進一步地將氨回收，有助於節省能源並滿足廢污水的排放標準，達到環境友善之目標。目前綠能、綠電的需求日益增加，在氨氮廢污水回收的產物中，氨水可以直接作為化學品應用，或是藉由電解程序生產氫氣作為能源使用。因此，工研院材化所提出了一種氨氮廢水直接產製氨水的技術程序，其具備占地小、操作簡易及客製化設計等優勢，藉由廢水處理系統整合，可同時達到氨的回收及再利用。
【內文精選】
氨氮廢水處理/回收技術評析
氨氮廢水中的氨氮污染物大多來自有機質或含氮化學藥品，一般常用的氨氮廢水處理方式可分為化學加藥處理法、物化處理法、生物處理法等三大方式。其中，物理法為透過混凝沉澱，進行水中部分有機物之去除，但效果較不顯著。
在氨氮廢水處理方法的選擇上大部分可依氨氮廢水濃度區分之，如圖二，後續則可再進一步依用地需求、設置成本及操作難易等納入考量；而在回收部分，則以硫酸銨、磷酸銨鎂鹽類、氨水(Ammonia Water)及氮氣為主要的資源化再利用產品。在氨氮廢水回收的產物中，氨水可以直接作為化學品應用，或是藉由電解程序，生產氫氣作為能源使用。在全球低碳的國際趨勢下，相關綠電能源的應用或是技術逐漸受到重視。
圖二、不同氨氮濃度之技術分布圖
氨氮廢水直接產製氨水技術評估
法規趨嚴是國內產業的迫切議題，也是國際趨勢，相對應的氨氮廢水處理技術之精進因應而生。現況中，工廠或工業區排放的氨氮廢水處理以化學吸附法為主，利用硫酸吸收氨產製成硫酸銨後，送出廠外再製成氨水，如台積電。而受到中美貿易戰影響造成全球供應鏈與製造業轉移，政府鼓勵台商回流中的金屬零組件製作產業，包含電鍍業及金屬表面處理業等，目前主要採用混凝技術，以達到放流水氨氮的管制標準，但此法需使用大量藥劑且會同時產生大量污泥，雖有部分廠商利用化學吸附法製成硫酸銨，然此程序需添加大量液鹼再進行吹脫，礙於成本高，在技術推廣上遇到困難。因此，工研院材料與化工研究所提出一種預期可將氨氮廢水直接現地轉製氨水的技術程序，其具備占地小、操作簡易及可客製化設計等優勢，朝高氨水濃度及高氨回收率目標前進，所產製特定濃度的氨水可回收供工業使用，也可再純化為電子級氨水循環再利用。
薄膜蒸餾程序依下游收集端的形式差異大致可分為四種：①直接接觸式薄膜蒸餾(Direct Contact Membrane Distillation; DCMD)、②間隙式薄膜蒸餾(Air Gap Membrane Distillation; AGMD)、③空氣掃流式薄膜蒸餾(Sweeping Gas Membrane Distillation; SGMD)，以及④真空式薄膜蒸餾(Vacuum Membrane Distillation; VMD)。其中，目前已知常用在氨氮廢水去除的程序，係以透過硫酸吸收氨氣產生硫酸銨、屬於薄膜蒸餾法中的直接接觸式薄膜蒸餾(DCMD)為主。在直接產製氨水的程序中將以真空式薄膜蒸餾的方法進行測試，此程序適合用於揮發性有機物或是溶解氣體之移除。
後續導入吸附材料進行氨水濃度的提升。在吸附單元測試中，選用AuraMat®XCDA Fibre的中空纖維模組，分別進行液態及氣態下的吸附測試。實驗顯示，此模組在氣態條件下，對氣態水分子的吸附率高於液態水，且在氣態下吸附氨分子的程度較液態條件(42.4%)下來的低，僅約2.0%。由於水及氨具有非常好的親和性，且分子尺寸非常接近，水分子動力半徑(DH2O)約0.27~0.32 nm，氨分子動力半徑(DNH3)約0.36~0.38 nm，所以在吸附水的同時亦有部分的氨被吸附。因此在吸水材料的設計上，除了親疏水性外，分子篩機制亦須同時考量；而在液態條件下，水合效應明顯影響吸水效果，且在液態條件下，水及氨的結合使得吸水時亦同時吸附氨。
將此吸附模組導入直接轉製氨水的程序中，測試程序結果如圖八。結果顯示，透過薄膜模組的排列組合，以複合式的方式可產製約11~12%的氨水，進一步導入吸附水材料模組，可再濃縮後端氨氣濃度，進而製得濃度約15%之氨水產物 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖八、氨氮廢水直接轉製氨水程序測試
★本文節錄自《工業材料雜誌》452期，更多資料請見下方附檔。