廢污水處理綠色轉型 新興廢水處理技術應用平台

適用行業及污染物(濃度)

• COD(<10,000 mg/L)：生物可分解之有機廢水(尤其針對有機氮廢水，如NMP、TMAc等，具有可有效去除氨氮且不易累積硝酸鹽氮之特性)
• 氨氮(<1,000 mg/L)：生活污水、畜牧廢水、半導體業及化工業等之氨氮廢水。
• 硝酸鹽氮(<700 mg/L)：金屬表面處理業、不鏽鋼廠及化工業等之硝酸鹽氮廢水。

技術原理

固定化技術種類繁多，其中的包埋技術與環工領域常見的附著型技術(如移動床生物膜反應器(moving bed biofilm reactor, MBBR))截然不同，最大的差異在於包埋技術的質傳阻力遠大於附著型的MBBR。包埋技術所形成的微生物球，內部每個角落都分佈著微生物，其生存環境會隨受質傳影響的溶氧濃度之變化而有所不同：靠近表面的是好氧菌的活動區域，而內部則適合缺氧菌與厭氧菌的生存。換句話說，生物球內部環境的氧化還原電位(oxidation-reduction potential, ORP)隨深度逐漸降低。

包埋技術中的微生物通常處於休止細胞狀態。在此狀態下，微生物的代謝以厭氧呼吸路徑為主，其代謝產率(Yield)雖然下降，但仍會持續釋出包埋的細菌向外釋放，其污泥齡(sludge retention time, SRT)僅約99天。這與傳統附著型技術中複雜多細胞生態系的運作模式完全不同。

技術概述

技術內容

生物球由聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)微生物固定化技術所製成，可將細菌包埋在孔隙約1~10μm的顆粒裡，以聚乙烯醇和水製成。該技術具生物可分解性、環境耐受性佳及低污泥等特性。此包埋方式可保有更多的生物量，可縮減反應槽體，提供更大的廢水處理量或負荷。

執行方式

生物球填充比例通常為生物槽體積的10~30%，適合的反應器包括曝氣槽(continuous stirred-tank reactor, CSTR)、氣舉式反應器(air lift reactor, ALR)及厭氧流體化床(anaerobic fluidized bed, AFB)。

1.COD處理

在好氧條件下，適合處理COD濃度低於2,000 mg/L；厭氧條件下則適合低於10,000 mg/L。PVA生物球與薄膜生物反應器(membrane bioreactor, MBR)系統搭配使用，可因低污泥生成特性降低反沖洗頻率並提高耐久性。此外，PVA生物球作為菌種載體，持續提供穩定菌源，可與MBBR系統結合，提高系統的生物活性。

2.氨氮處理

PVA生物球非常適合處理生活污水、自然水體等低氨氮污染的場域污水，其處理效果持續且穩定。在間歇曝氣的條件下，生物球內部的包埋環境能有效培養厭氧氨氧化菌、缺氧/好氧脫硝菌和半硝化菌，避免硝酸鹽氮的累積。

3.硝酸鹽氮處理

微生物脫硝轉化為氮氣的關鍵在於需要提供合宜的缺氧環境。PVA生物球內部接近表面的區域，為兼性菌群提供了理想的缺氧工作環境。此外，脫硝過程不需要強烈攪拌，因而在節能方面具有顯著優勢。

技術特色

可客制化配置優勢菌種、較傳統活性污泥法減少80%污泥產出，與MBR搭配使用可延長其壽命、生物球表面光滑不結垢，易維護、生物球具彈性可以直接使用沈水攪拌機而不會破損。

優點

• 低污染：化學藥劑添加量少、污泥量約只有傳統活性污泥法的10~20%。
• 低操作成本：少維護且處理體積負荷高，尤其針對有機氮廢水，生物球可有效培養厭氧氨氧化菌、缺氧/好氧脫硝菌和半硝化菌，故氨氮和硝酸鹽氮濃度均較低, 可減少硝化所需維持鹼度費用。
• 低操作能耗：省能源，放流水與固定化菌體分離容易，不須污泥迴流，便於操作，處理成本約可節省1/3。
• 低空間使用：不須大型沉澱池，占地小，設置空間約可節省1/3。
• 資源循環：銜接MBR後可回收水利用。
• 適用條件：針對較惡劣的條件，如導電度較高(如8,000~35,000 μS/cm)、水質水量不穩定之工業廢水，相較於傳統工法更具有競爭力。
• 具低碳排及少碳足跡節能減碳效益。

限制與對策

• 缺氧時生物球內部排氣不佳而容易浮起，必須有適當的隔離設施或具支撑力的擋板阻止生物球浮起。
• 初設成本較活性污泥或MBBR高，可考慮與其他市售載體混用，除能節省投資成本外，亦能維持槽內菌相多樣性及保有氮類污染物較佳的去除效能。
• 包埋技術的「氧或污染物的傳輸受限」，對於好氧的廢水處理，PVA生物球可以只做為菌母用來穩定生物系統，植種比約在2%以下，也可以搭配其他MBBR使用。然而，對於脫硝作用卻沒有影響反而帶來助益。根據我們的專利顯示PVA生物球可以在1-3小時內完成350 mg/L NO3^--N的脫硝。
• PVA的損失率依環境不同而有所差異，一般建議每年補充原投入量的0.5-2%。以清淨的水源而言，PVA生物球的損耗率大，主因是微生物沒有食物可供利用因而代謝PVA高分子，在此情況的對策就是PVA生物球的投入比例要降低。當水質很差的情況下，水中充滿各種微生物，有可能出現能代謝PVA的菌種。在此情況，必須強化PVA生物球的醚化交鏈程度。

重要操作參數

• 表面處理業脫硝(NO₃^--N 150~350 mg/L)：HRT 1~3小時，雙槽操作，PVA顆粒40%、PU載體20%。
• 生活污水(NH₃-N 30~50 mg/L)：HRT 6~8 小時，間歇曝氣，1小時曝氣/2小時。
• 尿布清洗水回收(NH₃-N 500-900 mg/L，20~40 mS)：HRT 5天，AOAO。
• 尖端電池廠(2500 mg/L NMP)：HRT：A0.5天，O1天。

技術限制與優化方向

• 溫度 <70°C。
• pH >1。
• 導電度 <35,000 μS/cm。
• 油脂 <30 mg/L。
• 無H₂O₂殘留。
• 含有生物毒性物質之廢水，如重金屬等，需經過前處理。

符合 4L+C 資源循環、節能減碳

低成本、低碳排放/低耗能

低碳排放/低耗能

於某生活污水實廠案例中，對比傳統的活性污泥及生物濾床法，生物球系統在電力部分節省50%。污泥減量超過80%。因此，污水處理階段與最終廢棄物處置階段的碳排均大幅減少，總體碳排放約減少30%。

低成本

利用間歇曝氣操作生物球系統處理生活污水，與現今常見之處理系統相比，可節省50%的曝氣電費且污泥減量超過80%，可大幅降低電費和污泥處理成本。

技術流程