新厭氧生物處理技術「厭氧膜生物反應器（AnMBR）」之應用
新知
發布日期: 115 - 08 - 04
依「水污染防治措施及檢測申報管理辦法」第49之12條規定，自民國115年1月1日起，造紙業、食品製造業、醱酵業和石油化學業（廢污水化學需氧量濃度2,000 mg/L以上且核准排放或納管水量1,000 CMD以上，或化學需氧量負荷每日2,000 kg以上），以及公共污水下水道系統（設計處理水量30,000 CMD以上），於申請、變更或展延水措計畫或許可證（文件）時，其廢（污）水或污泥處理應評估優先採行「最佳可行控制技術」，包括廢（污）水厭氧處理單元或污泥厭氧消化處理。
透過厭氧技術破壞廢水中的有機資源再轉成沼氣生質能，除以低碳方式解決污染，亦可獲得額外能源效益。現有採「連續進流攪拌反應槽」（Continuous Stirring Tank Reactor，簡稱CSTR）形式之污泥厭氧消化槽，是最常使用的厭氧處理系統。為追求更高的有機物破壞率與沼氣產生量，已有許多新單元問世，其中厭氧膜生物反應器（AnMBR）可穩定去除90%以上COD並高效產沼氣，頗受矚目。
AnMBR係將厭氧消化反應槽（Anaerobic Digestion Bioreactor）與膜分離（Membrane Separation，一般為超過濾膜Ultrafiltration）結合，一方面透過薄膜以壓力差（TMP，Transmembrane Pressure）抽出清水，改善出流水質（通常超濾膜產水水質已足供再利用），另一方面透過薄膜阻截，將有機物與微生物濃縮於槽體內部，提高系統有機負荷，延長污泥停留時間，增加有機物與微生物反應，故能提升甲烷產率；另外加長污泥停留時間亦可使微生物產生分解，達到污泥減量效果 (如圖一)。
根據研究，AnMBR 的應用可分為兩個面向，一方面為應用在高濃度的厭氧污泥消化或工業廢水，能源回收效益顯著（每公斤 COD理論產氣量為0.35 m3甲烷）；另一方面，近年亦有研究嘗試將常溫 AnMBR 應用於低濃度生活污水的直接處理，其COD去除率雖可穩定維持在 90% 以上，且薄膜產水可直接再利用 (Robles et al. 2022)，但在常溫條件下的產氣效率與薄膜結垢控制，仍是目前技術推廣需克服的挑戰。
承上，結垢問題主要源自AnMBR薄膜模組長期浸泡在高濃度的污泥中（普遍超過20,000 mg/L，遠高於與活性污泥系統結合的薄膜生物反應器Membrane Bioreactor），其堵塞機制更為複雜。除了微生物胞外高分子（Extracellular Polymeric Substances, EPS）引起的生物性堵塞外，在厭氧環境下也會產生特有的化學結垢；廢水中的硫酸鹽經厭氧還原產生硫化氫，極易與金屬離子結合形成金屬硫化物沉澱，並與磷酸銨鎂（鳥糞石）等無機結晶共同在膜表面及孔隙內堆積，導致產水通量急遽下降，跨膜壓差顯著提高。為維持穩定的出水量，泵浦馬力必須逐漸增加，這不僅提升了操作能耗，也迫使操作人員必須頻繁停機進行反洗或藥洗，進而增加藥劑與人力成本，降低設備稼動率。在工程實務上，目前主要透過沼氣氣體沖刷（Gas Sparging）或震動膜（Vibrating membrane）技術增加掃流，或類似電化學法等特別設計，以有效減緩污泥與結晶在膜面的沉積 (Han et al. 2024)。因此，AnMBR 的普及與推廣，除有待更具抗污染性的薄膜材料問世，更仰賴現場操作策略的優化，在操作通量、氣體沖刷能耗與清洗頻率之間取得最適平衡。
