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污水搖身一變,成為資源!菌群合作,不只除氮,更減碳!——專訪國立成功大學環境工程學系吳哲宏教授

113/03/29 瀏覽次數 1542

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

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

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。

 

污水處理槽

圖片來源:DedMityayShutterstock.com

資料來源


[1] 自來水生活用水量統計|經濟部水利署

[2] 環境統計查詢網|環境部

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