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沼氣生質能資源技術評析：雙槽式厭氧消化系統

發布日期: 115 - 08 - 25

厭氧消化技術（Anaerobic Digestion, AD）已普遍用於食品加工、酒類製造、畜牧及其他產生高濃度有機廢（污）水、污泥之產業，一則將廢污水與污泥中有機物予以穩定化之效果，二則將有機物轉換為主要成分為甲烷(CH4）與二氧化碳（CO2）之沼氣（Biogas），量少時主要燃燒作為消化槽體保溫，量多則進一步成為可外售之生質能源。

細究厭氧消化反應過程，包括水解（Hydrolysis）、酸化（Acidogenesis）、產乙酸（Acetogenesis）及產甲烷（Methanogenesis）等四階段，目前絕大多數系統採單槽式厭氧消化，各階段微生物反應集中於同一反應槽，並未區分。然不同功能菌群所需的生長條件並不相同，舉例當進流水有機負荷（Organic Loading Rate, OLR）波動較大時，酸化菌將具有優勢，容易累積揮發性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs），導致反應槽內pH下降，抑制產甲烷菌活性而影響甲烷產率，嚴重時甚至造成系統操作失穩。

進一步分析菌相，上述反應過程中，酸化階段之微生物部分為產氫菌群，具有產生氫氣之潛力，倘能透過反應器設計予以回收，則有機會提高整體能源回收效率仍有提升空間。爰此，近年逐漸發展出雙槽式厭氧消化系統（Two-Stage Anaerobic Digestion System），將厭氧消化程序分為兩個反應階段：第一反應槽（產氫槽）主要控制在水解與酸化的產氫發酵階段，將高分子有機物分解為小分子有機物，在弱酸性（pH 5.5–6.5）及較短的水力停留時間（HRT）下，產生氫氣（H2）與揮發性脂肪酸，收集富含氫氣之排氣另作純化；第二反應槽（產甲烷槽）則維持在中性偏微鹼（pH 6.8–7.8）且較長的 HRT 環境中，將前段產生的揮發性脂肪酸及其他中間代謝產物進一步轉換為甲烷（CH4）。由於兩個反應槽可依不同功能菌群的生理特徵，分別控制最佳操作條件與溫度，因此能降低不同菌群間的交互抑制，提高有機物轉化效率及維持系統穩定。

相較於傳統單槽式系統，雙槽式厭氧消化系統具有多項優勢，包括提升系統耐衝擊能力、降低酸化失衡風險，並可藉由第一階段提高有機物水解與酸化，再進入第二階段反應，提高最終甲烷產率，結合氫氣之回收，可再整體能源回收效率。然其應用也有侷限，對於食品加工、酒類製造等排放廢水富含易降解溶解性有機物的產業，雙槽式系統的第一階段能在相對短的停留時間（如低於24小時）內完成產酸與產氫反應。但類似配置若應用於畜牧糞尿等含有大量固形物與難降解木質素（或纖維素）之廢水，受限於固體水解速率極為緩慢，短停留時間的第一反應槽不足以分解固形物達成產酸作用，而延長停留時間又使產甲烷菌具優勢，產氫量將大幅下降，因此需於系統前端額外增設固液分離設備以及其他高級氧化前處理單元，方能達到雙槽系統預期優勢。

另一方面，第二階段的沼氣提純技術（除硫與捕碳）已相對成熟，相較之下第一階段產出的生物氫氣因濃度較低（通常低於10%），若要單獨純化至高純度燃料電池等級，需要多段設備（包括水洗、吸附、薄膜提濃等），能耗高且成本難以降低，抵銷了產氫效益。目前實務上可考慮採用「富氫生質甲烷（Biohythane）」策略，放棄單獨利用氫氣之途徑，將兩階段氣體混合進行一次性除硫捕碳，而使燃燒效能最大化並降低成本。

整體而言，雙槽系統目前尚有設備成本較高（需建置兩套設備）與第一槽之操作尚未成熟等挑戰，但隨經驗累積以及智慧監控與精準加藥之普及，未來將可能較現有單槽式設備成為更具效益之厭氧消化系統。