你有想過自己一天用掉多少水嗎？根據經濟部水利署 2022 年的統計，每人每天平均使用 288 公升的水 [1]，相當於 411 杯手搖杯的水量。我們上廁所、洗手、洗澡、洗碗、打掃家裡⋯⋯之後，就會形成生活污水（市鎮污水），臺灣平均每天共產生 1,000 公噸以上的市鎮污水 [2]！
這麼龐大的污水量，有可能再利用嗎？國立成功大學環境工程學系吳哲宏教授投入污水處理研究，試圖找出能克服污水處理兩難的解方，能使廢水處理場域達到淨零碳排，幫污水大變身。
國立成功大學環境工程學系 吳哲宏教授。圖片來源：吳哲宏教授提供
除氮＝排碳？污水處理的兩難
首先要知道，污水和廢水不一樣！污水是日常生活中排放的髒水，廢水則是工業製造過程中所產生的受污染水源。在水資源有限且社會持續發展的狀況下，如果能將市鎮污水與工業廢水回收再利用，就能擴大可用水資源的供給。
不過，再生水中有一個難題，那便是再生的「氮化合物」濃度偏高。
氮化合物濃度偏高會有什麼影響嗎？影響可大了！舉例來說，污水處理機械設備的冷卻系統，常會使用銅製的金屬零件，而銅很容易與氮化合物發生錯合，生成一種不安定的活化複體。當水中的氮化合物濃度偏高，且進入機械設備的冷卻系統時，將導致銅等金屬製零件腐蝕，影響了機器效能與安全。原本用來處理污水的設備，反而因為污水耗損得更快。
氮化合物除了會讓銅等零件腐蝕，它也是生物的營養來源。富含營養的水源，裡頭如藻類等的生物，便會快速、大量的成長；不出多久，水中衍生生物便可能積垢，水質因此惡化。
而水質惡化只是第一波影響，水中衍生生物的積垢，會再阻塞淨水設備中的薄膜，長期下來，更影響了再生水利用的效率與效益。此外，水中的氨氮，也延伸出再生水毒性的問題，如果沒有妥善處理，下游生態安全便會間接受到影響。
如何妥善處理污水、減少對生態的危害，是非常重要的事情。另一方面，水資源的處理過程，往往需要大型的機台設備，像是馬達動力設備，泵浦、鼓風機等，會大量用電，也是碳排放的主要來源。在國際淨零碳排趨勢下，大型水資源處理中心的高排碳量，該如何維持效能同時減少碳排量？這也是目前社會必須正視的問題。
現代污水處理，物理、化學、微生物皆為常見方法
吳哲宏教授說明，「現代文明城市都需要有污水處理廠（現稱為水資源再生中心）。污水處理廠的處理方式，包括物理的、化學的、微生物的。」
物理處理方式，就是透過物理作用，以分離、回收廢水中不溶解的懸浮狀物質。常見的做法有重力分離法、離心分離法、過濾法、蒸發法及結晶法。比如，透過沉澱，去除大顆粒物質，便是實際作法。
化學處理方式，則是在廢水中添加化學藥劑或予以電解，以產生混凝、中和、離子交換、離子吸附、氧化還原、化學沉澱等，例如國中學過的「鈣離子沉澱實驗」就是化學沉澱，在含有鈣離子的水中加入碳酸，使鈣離子形成碳酸鈣沉澱。實務上常見作法是運用各種混凝劑，來去除特定離子或小顆粒物質。
微生物處理是運用微生物的生化代謝活性，將水中的有機污染物降解、轉為無害物質，可分為好氧及厭氧處理，如：使用活性污泥單元，以去除有機碳。
氨氮廢水脫氮技術，突破瓶頸擴大應用場域
國立成功大學環境工程學系吳哲宏教授團隊研發之半亞硝化-厭氧銨氧化(PN/A)噸級反應槽系統，處理某高科技園區之低濃度氨氮實際廢水。圖片來源：吳哲宏教授
目前全球公認最節能且低碳排的氨氮廢水脫氮技術，是「部分亞硝化-厭氧銨氧化 (Partial Nitritation/Anaerobic ammonium oxidation (Anammox)」（簡稱 PN/A）。過程中微生物先將氨氮氧化，再轉換成氮氣去除，目前已經大量運用在高濃度氨氮廢水處理上。
不過，市鎮生活污水的氨氮濃度不像工業廢水那麼高，其濃度小於 80mg/L，屬低濃度氨氮廢水。而傳統氨氧化菌在低氨氮、低溶氧環境下，活性偏低，也讓 PN/A 在低氨氮廢水處理的應用遭遇瓶頸。
還好，一款菌的橫空出世，突破了這個應用瓶頸——那便是，完全氨氧化（Complete Ammonia Oxidation, Comammox）菌。
吳教授的團隊首次發現，完全氨氧化菌在低濃度的環境還是可以進行氧化氨氮的反應。「當環境中含有低濃度氨氮、氧氣濃度不高時，完全氨氧化菌對於硝化作用的貢獻會很大。」也就是說，相較起其他氨氧化反應的競爭者，完全氨氧化細菌，尤其適合一般市鎮污水環境，氨氧化反應較不受影響，然而，亞硝氮氧化反應則受到抑制，亞硝氮因而排出細胞外，厭氧銨氧化菌便能獲得亞硝氮作為電子受體，在無氧下將氨氮氧化，轉化成為穩定無害的氮氣。
污水中，氨是最主要的含氮物質。因此在技術上，是將水中的氨氮轉換成氮氣後，才排放至大氣中。完全氨氧化菌只參與了部分過程，也就是將氨氧化至硝酸鹽（Complete oxidation of ammonia to nitrate），而硝酸鹽還留存在水裡。到這個階段，還沒有達成「除氮」。
吳教授進一步強調，「完全氨氧化細菌並不能除氮，『除氮』的意思是污水中的含氮物質，包括有機氮、氨、硝酸鹽等，被微生物轉換成氣態之含氮物質（例如氮氣、一氧化二氮 (N2O)），並脫離水相，以氣態形式進入大氣中。由於 N2O 是高強度溫室氣體，全球暖化潛勢（Global warming potential）約是二氧化碳的 300 倍，因此，污水除氮是指將污水中的含氮物質，包括如尿素等的有機氮、氨、硝酸鹽等，轉換成穩定無害的氮氣。」
為了盡其功於一役，完全氨氧化細菌，必須和其他特殊細菌（脫硝菌或厭氧銨氧化菌等）合作，才能真正除氮。
能有這樣的技術突破，對於硝化反應的突破性理解功不可沒。過去的一百多年來，各界都認為硝化作用是兩階段，分別由兩類不同菌群所執行。一直到 2015 年底，完全氨氧化細菌才被報導為單段硝化菌，打破過往認知。
吳教授的研究成果指出，引入完全氨氧化菌至 PN/A 中，可克服部分硝化活性低落的瓶頸，使 PN/A 能有效處理低濃度氨氮污水。
相較於傳統的硝化脫硝程序，這項技術減少了 60-70% 的曝氣能源使用，耗能量非常小，且不需要添加甲醇等促進脫硝反應的藥劑，更幾乎不會產生廢棄污泥。從處理流程來看，估計可以節省廢水處理廠 40-50％ 以上的碳排放量。這項技術革新，有望讓廢水處理廠，迎向碳中和時代。
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