廢污水處理綠色轉型 新興廢水處理技術應用平台

以「短程硝化暨厭氧氨氧化」技術處理低濃度氨氮廢水

發布日期: 115 - 08 - 18

隨著半導體製造產業蓬勃發展，同步帶動周邊的電子化學品、金屬表面處理等產業發展，含氨氮廢（污）水排放量逐年增加。近年環境部採分階段方式加嚴放流水標準氨氮排放管制值，自民國113年起，金屬表面處理、電鍍及製革等近1,600家事業開始適用第二階段氨氮加嚴標準，同年12 月 18 日正式修正發布「放流水標準」，除既有受管制產業外，亦將印刷電路板製造業等事業納入氨氮管制範圍，更針對新設事業將氨氮限值直接加嚴至 30 mg/L。

以半導體業為例，產生之原廢水氨氮濃度經常在數千mg/L，在製程端回收氨氮後，低濃度氨氮廢水（泛指約100 mg/L或更低者）則排入生物處理單元處理。目前主流係使用硝化－脫硝（Nitrification–Denitrification, NDN）之活性污泥程序（如圖一），其透過硝化菌將氨氮氧化為硝酸鹽，再由脫硝菌於缺氧條件下將硝酸鹽逐步還原為氮氣。然而該程序需大量曝氣與提供鹼度（如碳酸氫鈉）以維持硝化反應進行，脫硝階段則需額外添加有機碳源（如甲醇），以維持合理之碳氮比（如5:1到3:1），另外也需要進行內回流；整體而言能耗、剩餘污泥產生量均十分顯著，且需較大用地以維持足夠的水力停留時間，在用地受限的高科技業廠區與較早開發的科學園區，NDN之實施上面臨許多挑戰。

為因應前述挑戰，近年新興廢水處理技術「短程硝化暨厭氧氨氧化技術」（Partial Nitritation and Anammox，簡稱PN/A）逐漸受到重視。厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，簡稱Anammox）技術最早於1990年代由荷蘭研究團隊發現，其原理為在厭氧條件下，由厭氧氨氧化菌直接利用氨氮及亞硝酸鹽作為反應基質，轉換為氮氣排出系統。PN/A技術則係結合短程硝化（或稱「部分硝化」、「亞硝化」）與厭氧氨氧化兩項生物反應機制，首先透過氨氧化菌在低溶氧條件下將氨氮轉換為亞硝酸鹽（NO2-），再由厭氧氨氧化菌直接利用亞硝酸鹽作為電子受體，將剩餘氨氮轉換為氮氣（如圖二），將二種反應於個別反應槽中進行，俾利個別控制。

相較於NDN程序，PN/A透過控制溶氧，抑制硝酸鹽生成，再結合Anammox單元，大幅縮短脫硝路徑，進而降低曝氣需求、碳源使用量與反應槽水力停留時間。根據「廢污水處理綠色轉型新興廢水處理技術應用平台」技術資訊專區及國際研究資料顯示（Lackner et al., 2014），PN/A較NDN程序可降低超過五成的曝氣需求，且無須額外添加有機碳源，污泥產量則可減少超過八成，整體碳排放量亦可降低約30～50%，上述研究顯示PN/A技術可適用於低碳氮比且高水溫之廢（污）水，如半導體製程廢水、下水污泥厭氧消化沼液等，也有直接適用於畜牧廢水之潛力，因此成為近年國際廢水處理領域重要發展方向之一。

PN/A技術亦有明顯缺點：因厭氧氨氧化菌生長速率較慢，系統啟動時間較長，且對低溶氧（DO）有嚴格要求以維持厭氧狀態，不易操作管理及維持系統穩定；另外Anammox菌生態單一，較活性污泥法之懸浮污泥（MLSS，Mixed Liquor Suspended Solids）中之混合好氧菌不穩定，當氨氮濃度過低時，則可能影響其活性及處理效能，而水質不穩定也可能影響菌群生態，導入前應審慎評估適用性。

隨著環境部氨氮排放管制逐步加嚴，以及企業對淨零排放與資源效率提升之需求增加，廢（污）水處理技術正朝向高效率、低能耗及低碳化方向發展；PN/A技術透過縮短脫硝路徑，可同步降低曝氣能耗、碳源使用及污泥產量，兼具處理效能與節能減碳優勢，惟國內操作經驗仍少，距離普及尚有距離。未來隨實廠應用經驗累積及智慧監控技術持續發展，PN/A有望成為低氨氮廢水處理的重要技術選項，協助產業邁向綠色轉型。