新颖厌氧氨氧化技术发展及应用.PDF

新穎厭氧氨氧化技術發展及應用 林志高 國立交通大學 環境工程研究所 jglin@mail.nctu.edu.tw 摘要 本文介紹厭氧氨氧化技術之發展及應用。以厭氧氨氧化技術發展出的應用程序包 括SHARON, OLAND, CANON, SNAD 等，內文說明各種程序之設計概念及操作 方法；最終討論此技術的發展限制與未來之展望。 關鍵字：厭氧氨氧化技術、含氮廢水、節能減碳。 1. 氮循環 氮是構成生物體內氨基酸及蛋白質的主要元素。在生態系中，氮主要貯藏在大氣 圈中，它以一般生物所不能利用的氣態氮 (N ) 存在。大氣中的氮氣必須被轉變 2 成無機氮化合物，如氨氮 (NH3) 或硝酸根 (NO3-) 才可被生物利用，而這之間 的轉化必須依靠「固氮作用」和「硝化作用」來完成。固氮作用為N2 轉變成NH3 的化學反應，可藉由光化學固氮、生物固氮及工業固氮三種作用分別進行。生物 固氮的生物主要為細菌和藻類，雖然多數細菌可以直接利用氨作為氮源，但大多 數植物仍必須吸收溶解性硝酸根。生物作用，氮的轉化方式為有機氮經過微生物 分解及水解作用後形成NH3 ，微生物可利用NH3 作為微生物基本成分；微生物 死亡細胞破裂後或是細胞自體氧化後，NH3 自微生物細胞體內釋出，再度形成 NH3 存在。 化學自營性亞硝化菌在有氧氣存在的環境下，將氨氮轉化為亞硝酸根；後續接以 硝化菌將亞硝酸根結合氧氣轉化成硝酸根，以上兩個步驟稱之為硝化作用 (nitrification) 。後續由缺氧性脫硝菌利用有機碳，將硝酸根還原為亞硝酸根，再 還原為一氧化氮及一氧化二氮，最終形成氮氣逸散至大氣中，此步驟則稱之為脫 硝作用 (denitrification) 。 2. 厭氧氨氧化技術 2.1 Anammox 發展過程 在過去一世紀，「硝化/脫硝」被公認為是唯一廢水生物除氮方法。直到 1965 年 科學家才開始懷疑在自然環境中，應該會存在一種微生物 (厭氧氨氧化菌， anammox bacteria) ，可以在厭氧環境下直接脫氮。Broda (1977) 利用化學計量學 論述在環境中有兩種礦化菌尚未被發現；1985 年荷蘭學者研究厭氧流體化床處 理酵母菌工廠廢水，發現可於厭氧環境下將氨氮直接降解之anammox 微生物， 此anammox 微生物被證實屬於浮黴菌屬 (Planctomycete) (Strous et al., 1999a) 。 Strou et al. (1998) 藉由質量平衡及元素分析，歸納出anammox 反應式Eq. 1 ，顯 示消耗 1 莫耳的氨氮需要 1.32 莫耳亞硝酸根，最後產生 1.02 莫耳氮氣、0.26 莫 耳硝酸根、及0.066 莫耳微生物；表示anammox 反應後污泥產量非常少，可減 少後續污泥處理處置費用。 + - - + NH4 + 1.32NO2 + 0.066HCO3 + 0.13H 1.02N + 0.26NO - + 0.066CH O N + 2.03H O Eq.1 2 3 2 0.5 0.15 2 再者，anammox 菌屬於化學自營性菌，其碳源為無機碳，可認定為一種固碳作 用，將二氧化碳轉換為有機物，可幫助減緩全球暖化效應。Eq. 1 亞硝酸根同時 扮演著電子接受者及電子提供者兩種角色；當亞硝酸根作為電子接受者時，將接 收氨氧化時所提供之電子；當亞硝酸根作為電子提供者時，將提供電子作為微生 物同化作用所需之能量，此時亞硝酸根將氧化為硝酸根 (Kuenen, 2008) 。 Anammox 生長速度非常慢，先前學者使用了許多形式之反應槽，嘗試使污泥能 夠盡量保留於反應槽，無限延長污泥停留時間，避免污泥溢流發生；使用固定床 (fixed bed) 、流體化床 (fluidized bed) 、連續批次式反應槽 (sequencing batch reactor,