本期主題:環工設施代操作與管理

發行人 :高志明

總編輯 :習良孝

編輯主任委員 :習良孝

編輯副主任委員:丁力行

本期主編   :游勝傑

編輯工作小組:王志遠、林文宗、

       甯凱璘、陳婉寧

105年3月

新穎生物除氮-厭氧氨氧化技術操作應用實例

江翌安工程師、藍茜茹工程師、黎德明董事長 / 黎明興技術顧問股份有限公司

摘要

  由於全球暖化導致極端氣候,國際間紛紛訂出節能公約,希冀對地球保護盡一份心力。厭氧氨氧化技術,屬於化學自營反應,其碳源為無機碳,可認定為一種固碳作用,將二氧化碳轉換為有機物,可幫助減緩全球暖化效應。其相對於傳統高耗能之生物硝化脫硝技術,動力成本上可節省60%以上,且不需額外添加任何有機碳源,污泥產量也比傳統生物硝化脫硝技術減少85%以上,是一節能的除氮技術。

  厭氧氨氧化技術現多於歐美國家成熟應用,然亞洲國家實廠應用卻屈指可數。本公司開發之新穎生物處氮技術-結合部分硝化、厭氧氨氧化及脫硝技術於單一反應槽(Simultaneous partial Nitrification, Anammox and Denitrification, SNAD),係由ANAMMOX菌利用氨氮與亞硝酸鹽進行反應。然而,一般含氮量高的廢水大多會產生相當濃度的COD且結合上述部分硝化及厭氧氨氧化反應所產生 10% 的硝酸鹽氮也可能會超過放流水排放標準,因此結合部分硝化、Anammox 及脫硝作用 (SNAD) 便能廣泛應用於廢水中。

  本公司於全台共有三座SNAD實廠操作經驗,其中代操作基隆天外天滲出水廠,為全台第一個將厭氧氨氧化技術成功運用於實廠之案例,氨氮及總氮去除率分別為78%及75%,COD去除效率達72%。另,最新海外項目為越南食品廠,該項目採用本公司厭氧氨氧化菌種凍乾技術進行植種,啟動期僅為20天,平均 COD 去除率約為 88%,氨氮及總氮去除率分別約99%及80%。本技術亦於中國寧波鄞州垃圾滲出水廠進行測試,由於當地垃圾分類未臻完善,因此垃圾滲出水成份相對複雜,抑制成份不明,故穩定階段總氮去除率約 68%。

關鍵字: 溫室氣體減量及管理法、總量管制及排放交易 (CAT)、歐盟ETS、先期專案、抵換專案

一、前言

  據美國人口調查局2011年統計資料顯示,至2040年全球人口恐攀升至80億人,隨著全球人口成長,如何於既有污水處理系統中因應水質負荷增加,提升處理水質,勢必面臨挑戰。

  一般污水處理廠中,多採用傳統活性污泥程序,雖可去除有機物,然而對於無機含氮污染物轉化卻相當有限。國際間致力發展厭氧氨氧化技術,除其為自營菌種,具有污泥產量少、低能耗的優點外,在脫硝時亦不需額外碳源的添加,可補足AO系統的缺點,滿足現今追求永續發展的願景。

  厭氧氨氧化技術於學術上多有研究,然其生長速率緩慢且並非生物系統中優勢菌種,易受水質波動造成生物抑制特性,無法及時因應系統變化,於亞洲國家實廠發展較為緩慢。

  近年國際污水處理趨勢為兼顧放流水質與能源再利用率等多方永續經營觀點,採用厭氧程序進行低濃度污水除氮處理。本技術自2009年起與國立交通大學共同研發,利用厭氧氨氧化顆粒污泥可節省75%的佔地空間及25%的投資成本,除於高含氮污染廢水(如:垃圾滲出水廠及工業廢水廠)應用本技術外,更於代操作之水資源回收中心設立厭氧流體化床模廠,利用 SNAD 技術進行低濃度廢水脫氮,成效顯著。

二、厭氧氨氧化技術

  以往對於含氮廢水的生物處理多用傳統AO進行處理,必須先將氨氮轉化為亞硝酸根離子 (NO2-) 及硝酸根離子 (NO3-),此時必須消耗大量的能源於將氧氣融入水體中,提供電子接受者給氨氮及亞硝酸鹽類,再進入脫硝程序將硝酸根離子還原為氮氣後溢散至大氣中,並於脫硝階段加入適當之碳源,作為脫硝菌電子提供來源。

  新穎生物除氮技術-厭氧氨氧化係由厭氧氨氧化(Anammox)菌利用氨氮與亞硝酸鹽反應進行脫硝 (Eq. 1)。Anammox 菌的增殖率和比生長速率相當低,分別約 0.14 g VSS/g NH4+-N 和 0.065/d,其污泥產量非常少,可降低污泥處置後續問題。


  厭氧氨氧化菌對氧氣極為敏感,水中溶氧大於 0.5 mg/L,會造成抑制。過去研究顯示, Anammox 菌最適生長溫度為 35~40℃,在溫度 37℃時 Anammox 菌具有最大活性。當 C/N 比約 0.75~1.25 時,異營脫硝菌會成為優勢種開始與 Anammox 菌競爭,Anammox 菌活性也將被抑制。表 1 為過去研究,最適合 Anammox 菌生長之條件。

  然而,一般含氮量高的廢水大多會伴隨相當濃度的COD且結合上述部分硝化及厭氧氨氧化反應所產生 10% 的硝酸鹽氮(Eq. 1)可能會超過放流水排放標準,因此本公司結合部分硝化 (Eq. 2),厭氧氨氧化 (Anammox) (Eq. 1)及脫硝作用 (Eq. 3) (Simultaneous Partial Nitrification, Anammox and Denitrification, SNAD) 於同一反應槽之中,處理高濃度含氮物質廢水。


三、國際應用案例

  現今Anammox 技術應用於世界各國工業廢水及都市污水處理廠包括美國、歐洲、澳洲及台灣等國家。其中,歐美國家如:荷蘭、瑞士、瑞典及英國等多將此技術應用於都市污水廠之污泥消化濃縮後之上澄液,處理量為 500~5000 kg-N/d不等。

  美國紐約州一處理水量約為 148,000 m3/d之都市污水處理廠,因生活污水氨氮濃度偏低,故將 Anammox 應用於污泥消化濃縮後之上澄液,最大處理量為5,000 kg-N/d,為美洲最大應用實例。其他國家最具代表性分別為荷蘭鹿特丹 Dokhaven 污水處理廠,該廠採用 SHARON 結合 Anammox 系統除氮,占地面積僅為一般污水處理廠的 1/4 ,最大處理量為 2,500kg-N/d ;澳洲實廠容積為 500 立方公尺,最大處理量為 340 kg-N/d;奧地利 Strass 污水處理廠一直都以低能耗聞名於國際,2004 年開始奧地利 Strass 污水處理廠利用 DEMON 技術,該廠採用兩段生物處理系統,第一段可去除 60% 的有機物,第二段可去除 80% 的氮,利用 DEMON 技術除氮,總能耗更進一步節省了 12%。Anammox 相關實場案例列於表2。


四、本公司應用案例

(一)台灣-基隆天外天垃圾滲出水廠

  本公司透過與交通大學合作,將厭氧氨氧化技術移轉至基隆天外天滲出水廠,成為台灣第一個將厭氧氨氧化技術成功運用於實廠之案例。本處理廠主要處理基隆市政府環境保護局天外天垃圾衛生掩埋場垃圾分解及降雨等因素產生之滲出水。垃圾在堆放填埋過程中,由於厭氧發酵、有機物分解、雨水沖淋會產生多種代謝產物和水分,形成滲出水,垃圾滲出水中含有種類繁多的有機污染物,其中相當數量屬於難降解的污染物。

  處理系統共分六個單元,分別為收集單元、生物處理單元、化學混凝處理單元、逆滲透處理單元、氨氣提單元,及污泥處理單元。每日平均進流水量 304 m3/d,氮負荷為180 kg-N/d。曝氣池有效體積 384 m3、水力停留時間1.26 d,污泥停留時間 12-18 d。

  代操作期間建立一處理水150CMD之MBR系統於生物曝氣槽內,並於設置初期馴養Anammox菌於SNAD程序中 (圖1)。MBR系統是結合膜過濾及生物處理於


圖1 SNAD結合MBR系統

一體的生物反應技術,其主要特點係利用膜過濾替代二沉池功能,減少既有廠二沉池設置空間,同時還可將傳統活性污泥曝氣池中污泥濃度由3,000 mg/L~5,000 mg/L提升至8,000 mg/L~20,000 mg/L,將增殖時間長之Anammox菌(11 天)有效截留於槽體中使污泥濃度提昇,並可提高難分解有機物之分解效率。

  相較於傳統活性污泥為增加曝氣槽之COD去除效率及BOD/COD比值,導入有機廢水,致使異營菌大量增殖,需加強排泥。但由於ANAMMOX生長週期較長,排泥增加後,ANAMMOX菌數總量下降,使槽體內異營菌變為優勢菌種,導致氨氮去除效率降低,傳統曝氣槽氨氮去除率為僅41%,而MBR系統可有效攔截菌體於反應池中,包括生長緩慢的硝化菌,故MBR系統之硝化作用旺盛,氨氮及總氮去除率分別為78%及75%,COD去除效率達72%,遠高於傳統活性污泥55%的去除率。

(二)越南-味精食品廠

  本公司利用冷凍乾燥技術,成功將厭氧氨氧化菌種顆粒製成粉末移植至越南食品廠,其氨氮廢水來源來自發酵過程中使用液態胺調整製程中的pH。現場雖設有傳統AO系統,並自行生產葡萄糖,仍不敵一個月近6萬美金以上的碳源成本及污泥處置費用。另因該廠受限於環評法規標準,總氮出流水質不得大於20mg/L,考量經濟成本效益及現有污水處理系統無法負荷,導致工廠整體產能無法提升。

  為解決既有系統問題,該廠選用厭氧氨氧化技術進行模廠測試,SNAD反應槽體積為20噸,由於原水溫度大於40°C,因此採用雙反應槽操作模式,於TK01降低水溫後進流至系統中,其負荷為0.07 kg/m3/d,並以SBR模式操作,避免污泥流失,模廠操作流程如圖2,圖3為越南20噸反應槽實際圖。


  為避免食品廢水因COD較高導致異營菌成為優勢菌種,於系統操作控制溶氧及污泥停留時間,將生長速度較快之異營菌排出系統,抑制其生長,透過載體交換(Transfer Media)維持菌種優勢及菌相平衡。厭氧氨氧化菌喜於附著生長,為有效維持厭氧氨氧化菌於系統之優勢,未來將於模廠中投入生物填料,增加厭氧氨氧化菌附著比表面積及生物膜增長厚度,利於氧氣質傳效率,使得氨氮透過氨氧化菌(AOB)有效轉化為亞硝酸鹽氮,提供厭氧氨氧化菌食物來源穩定菌種成長。

  由圖4可以觀察到馴養前20天為啟動期,去除率漸漸上升,20天之後去除率趨於穩定,總氮去除率約 90%。在試驗過程中平均 COD 去除率約為 88%,氨氮及總氮去除率分別約99%及80%,由研究結果得知微生物活性佳,除氮效率高且穩定。

  

  未來於實廠應用操作上研擬完整操作流程,進一步指導當地操作人員,並設置線上監測機制,提升處理廠處理效率,期進一步提供更為優質之操作技術,以節省營運成本並達到較佳之處理水質。


(三)中國寧波鄞州垃圾滲出水廠

  由於中國地區垃圾分類未臻完善,因此垃圾滲出水成份相對複雜,抑制成份不明。故厭氧氨氧化技術的應用採以實驗室測試為優先,設置反應槽體積為6L,以SBR模式操作,滲出水來源為寧波垃圾滲出水廠,氮負荷為0.2kg/m3/d。 在實驗初期,由於溶氧的控制不易掌握使的去除效率不彰 (平均總氮去除效率為25%)。然而在第90天開始現場操控人員熟悉曝氣系統的使用並且額外添加污泥重新培養平均總氮去除效率由20%上升到 80%。進流水中由於含有 COD,反應槽內馴養出異營性的脫硝菌,脫硝反應的存在可進一步提升除氮效率,但藉由質量平衡的計算,脫硝反應所貢獻的除氮效率不到 4% ,因此總氮去除仍需仰賴厭氧氨氧化反應。

  由圖5可以觀察到從 60 天開始去除率漸漸上升,90天之後去除率趨於穩定,在穩定階段總氮去除率約 68%,反應槽成功啟動。

五、結語

  隨著全球人口增長,環境負荷增加,節能環保已是國際上非常重視的議題,污廢水處理應朝向將污水中的能源、營養鹽、水資源等回收再利用,改善提升現有污水處理廠中之處理技術,達到節能回收再利用之永續目標。

  本公司致力於厭氧氨氧化實場運用,2009年起與國立交通大學共同研發新穎生物處氮技術-結合部分硝化,厭氧氨氧化及脫硝技術於單一反應槽,已成功於台灣、越南及中國應用發展。SNAD技術之特點在於無需更改目前土木結構,亦不需大量迴流硝化液或投入額外碳源,可透過適當植種,並控制曝氣槽之水力停留時間、溶氧和pH 值等操作參數於最佳範圍內,以馴養出富含自營硝化菌之活性污泥,提高後續生物除氮效能以符合放流水標準,改善現階段污水廠含氮化合物處理效率不彰之問題。透過國際節能公約的制訂目標,對於能有效降低處理成本且節能之減碳技術,國內更應迎頭趕上。

六、參考文獻

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