生物處理法去除養豬廢水中氮之研究(上)

一、前言

        台灣地區水源污染日益嚴重，氨氮增加了淨水程序需氣量，產生氯氨也降低了消毒效果，因此，氮的去除一直是各方研究的焦點。豬糞尿癈水以有機性污染為主，並且含有高濃度的氮與磷(曾，1991)，其癈水中PH值平均為7.4，而COD、BOD₅、SS、TKN、NO₃-N之平均值各為8212mg／L，4292mg／L，4327mg／L，623mg／L及395mg／L，這些污染物如直接排入承受水體後，造成水庫、湖泊等水源區優養化的禍首，引起藻類大量繁殖，使水體水質變壞，影響淨水程序或其他各種適當而有益之用途。以目前較為普遍的處理程序而言，豬糞尿癈水經由固液分離、厭氧處理、好氧處理後，放流水仍含有高濃度之氮(一般為200~400mg／L)、磷(約20~100mg／L)，在先進國家放流水水質標準中，仍是一種污染嚴重之水。

        豬糞尿癈水中之氮，依氮化合物存在的型式，仍以有機氮、氨氮為主，於處理過程中需加上硝化與脫硝作用等。硝化作用是硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽及硝酸鹽時，利用所釋出的能量並以二氧化碳或碳酸鹽等無機碳為碳源，而合成細胞質的過程。有關硝化菌、脫硝菌之種類、特性、作用機制及影響因子等皆已有所瞭解。其去除方法，以往採用懸浮性污泥脫氮系統，由於受到硝化菌生長速率緩慢，且黏聚力低、不易形成膠羽，沈降性不佳，曝氣槽內難以維持較高之污泥濃度等缺失。另一方面以往有關生物脫氮之相關文獻(張，1981，Mervyn and Davis 1982)，大多為處理氮含量較低之家庭污水，對含高濃度癈水之脫氮處理，則較少相關資料。而利用生物膜法，去除氨氮之硝化與脫硝之程序研究，亦利用人工控制膜之厚度，以提高處理效率達到硝化與脫氮目的，在國外已有甚多之報告，(邱等1987，鄭等1989，MacDonald, 1990)。其結果顯示，亞硝酸菌生長膜可承受氨氮濃度達100mg N／L，而維持高活性，去除率達95％以上。其接觸材料以蜂巢式塑膠浪板較佳，接觸材料面積負荷最高10.3NH₃─N／m³─day。但因硝化菌本身不易附著浪板上，因此反應槽先行培養有機異營菌後，再行引入氨氮癈水可加速起動。

        因此，為提供相關的處理技術供業者參考，本研究室採用生物膜方法一以蜂巢管塑膠浪板為硝化槽之生物膜接觸材料，進行硝化程序處理高濃度氨氮之豬糞尿癈水，探討不同濃度下之硝化情形，以及測試不同碳源與迴流比暫脫氮之效果。

二、試驗材料與方法

        (一)試驗材料與設備：

        1.人工合成癈水，馴養處理槽生物膜用，其組成分如表1與表2。

表1.硝化槽人工合成癈水組成

表2.脫硝槽人工合成癈水組成

        2.豬糞尿癈水

        癈水來源係台北縣石碇鄉許明志先生所提供，採自場內厭氧處理後之出流水進行馴養及主要試驗。並且採取高湛度BOD之原水作為厭氧槽脫氮之碳源。由於硝化過程、耗掉相當量之鹼度，使廢水中鹼度一般不足，需額外加入碳酸氫鈉供應鹼度。

        3.畜禽綜合癈水，係採用台大畜牧學系牧場處理後之排放水。

        (二)生物膜反應槽之設計：

        1.試驗室：

        (1)好氧硝化欄設計

        本研究利用蜂巢管為生物之接觸濾材，以提高負荷及增加穩定性，進行高濃度氨氮之豬糞尿癈水硝化實驗。淨容積4.6L(扣除接觸濾材)內部以蜂巢塑膠浪板為生物膜接觸濾材，濾材尺寸長18公分、寬14公分、高14.5公分，填充率約76％，槽兩邊接曝氣石，近似於全面曝氣方式，槽底設污泥排出口。

        (2)厭氧脫硝槽設計

        傳統的脫硝槽常採用懸浮污泥系統，但常會有污泥上浮分離困難問題。本研究槽中填充塑膠填料環，因重量輕，接觸面積廣，可提高微生物濃度，且具耐久性、不破裂、死角少，不閉塞等特性。

        內部裝填110個MI-NLOX700塑膠填料環，作為脫硝菌的接觸濾材。槽頂加蓋覆以水封並預留進流水之孔口，厭氧槽淨容積為3.7L。

        2.室外生物膜脫氮模型場之設計：

        在台大畜牧學系廢水處理場設置兩套生物膜氨氮去除設備，每套包括好氣硝化槽兩只；厭氣脫硝槽乙只，容積每只為500L。好氣硝化槽內部以蜂巢式塑膠浪板為生物膜接觸濾材，厭氣脫硝槽之內部則添加塑膠濾料做為物膜之介質。

        (三)試驗設計與方法：

        1.生物膜馴養：

        〔1〕試驗室

        (1)硝化槽

        將採自民生污水廠終沈池之沈澱污泥及RBC後段之生物膜，混合一些人工癈水(表1)，置入反應槽中，以人工合成癈水為進流水，進行馴養。水力停留時間由2天逐次減低至1天，經3~4週逐漸有生物膜生成，再將人工癈水以養豬癈水取代。

        (2)脫硝槽

        厭氧污泥採自台大環工所設置之"處理豬糞尿之兩段式厭氧濾池"反應槽中之前段污泥。先以人工癈水(表2)進料，水力停留時間1天，經2~4週，將硝化槽出流水取代人工癈水，並供給碳源(甲醇或豬糞尿原水)，是為馴養完成。

        〔2〕糞尿處理模型場：

        (1)硝化槽：利用糞尿處理場之癈水，進行生物膜馴養，每日加入150L之癈水，經2週後，生物膜開始生成，然後以經處理後之排放水，進行脫氮測試與生物膜培養，約再經四週後，生物膜完全長滿，但在自然環境下生物膜含有大量綠色之絲狀菌絲存在。

        (2)脫硝槽：厭氣脫硝槽之生物膜培養，較好氣硝化槽慢，雖加入厭氣處理後之污泥，但經2週後仍未見生物膜生成，至6週後才於濾料上有部分生物膜產生。

        2.試驗設計與方法：

        (1)處理流程：分為a：先硝化再脫硝：原癈水→好氣硝化→厭氣脫硝→放流。b：脫硝後再硝化：原癈水→厭氣脫硝→好氣硝化→放流。

        (2)水力停留時間之設定，分別為好氣硝化槽1天；厭氣脫硝槽0.5天，以及好氣硝化12小時；厭氣脫硝6小時。

        (3)試驗設計

        「1」先硝化再脫硝處理流程之設計：

        a. 硝化槽

        •控制NH₃-N濃度，在不同COD情況下，對硝化程度之影響。

        •控制COD濃度，探討不同NH₃-N濃度之轉化情形。

        •固定COD、NH₃-N濃度，探討不同停留時間下之處理效率。

        b.脫硝槽

        •癈水經好氧硝化後，以定量泵抽入此槽，主要探討重點有二。

        •以甲醇當碳源時之脫氮效果。

        •以養豬癈水(固液分離後水質)當碳源時之脫氮效果。

        「2」脫硝後再硝化處理流程之設計：

        本研究為探討以癈水中碳源脫硝，採循環法，原水與硝化後之迴流水混合，進入脫硝槽行脫硝作用，不需另外添加碳源。試驗控制脫硝癈水迴流比對碳源供給與對脫硝作用之影響，其迴流(Qr／Qs)分別為1，2，3，4共四處理組，其操作條件如表3。

        a.控制進流TKN，固定進流量，足夠鹼度與COD下在不同迴流比下系統處理情形。

        b.控制迴流比、固定進流量與足夠COD與鹼度之情況下，不同TKN濃度對系統處理結果。

        「3」糞尿處理模型場之測試：

        a.配合糞尿處理場排放水COD、氨氮濃度，測定模型場對氨氮去除之效果。

        b.設定不同HN₃；COD濃度及HRT變異之情況下，對氨氮之去除效果。

        c.測定以豬糞癈水之上淨液，做為脫硝槽碳源之可行性與最適添加量測試。

        (四)分析項目：

        P^H,COD,TKN,NO₃-N,NO₂-N,alkalinity,DO,色度,透視度等。

表3、脫硝後硝化處理流程不同迴流比之全程操作條件

三、結果與討論

        (一)好氧硝化試驗：

        本研究好氧硝化槽馴養完成後，將溶氧控制在3.5mg/L以上，並加入適當的碳酸氫鈉於癈水中，儘量使pH控制在最佳狀態，於室溫下進行試驗，各試程進流水質分別以養豬場內厭氧處理後出流水，好氧處理後放流水，未處理之原水等相互調配，以控制試驗所需之COD、TKN濃度。

        1.控制COD濃度，不同TKN之硝化情形

        將COD濃度維持在300mg/L左右，配取不同TKN濃度(100、200、300mg/L as N)，在水力停留時間1天下，探討硝化反應結果。整個試程共進行約50天。

        試驗結果顯示，當TKN由100mg/L提高至300mg/L時，出流水TKN濃度相對地由1mg/L左右增加至10~30mg/L。而對TKN轉化成NO₃-N、NO₂-N的情形，當TKN濃度低時，氧化較為完全，出流水以NO₃-N為主。但當TKN濃度逐漸提高時，有NO₂-N累績的情形，而減少出流水之NO₃-N之濃度，此現象可能受硝酸菌之抑制而造成，其結果同鄭等(1990)之報告相同。

        2.控制TKN濃度，不同COD之硝化情形

        將TKN維持在400mg／L左右，探討COD濃度在400、800mg／L時，對硝化作用的影響。當癈水COD＝400mg／L時，由於基質負荷較低，出流水COD維持在150~200mg／L，當COD進流水增至800mg／L時，出流水COD則增至170~210mg／L。整體而言，TKN硝化率為80~85％。此一試程NO₂-N的累積的情形更為明顯，由於NO₂-N會消耗COD分析之氧化劑，NO₂-N的累積使出流水COD比進流水COD高(理論上1mg／L NO₂-N相當於1.14mg／L COD，未扣除NO₂-N之COD時，使COD去除率為負值)。就質量平衡的觀點而言，當TKN＝400mg／L、COD＝800mg／L時，系統已有明顯脫氮現象，雖然理論上溶氧會抑制脫氮作用，不過如果生物膜厚度足夠大時，脫氮並不受到限制，依Biswas and Warnock(1985)之試驗結果，證明溶氧在7.8mg／L時，脫硝照常進行。

        3.固定COD、TKN濃度，不同停留時間之處理效率：

        COD與TKN濃度固定時，當HRT＝1天，TKN去除率約70％左右，COD去除率約75％，當HRT＝2天時，TKN去除率達90％以上，而COD去除也增到85％。但出流水之COD含量尚有200mg／L，可知豬糞反癈水中，不易被生物分解之基質，COD約在100~200mg／L間。

        就整個試程而言，NO₂-N累積達90％以上，並有明顯脫氮現象，且高負荷(HRT＝1天)比低負荷(HRT＝2天)明顯，此現象乃因高負荷時，溶氧較低且有機物濃度高，有利於生物脫硝作用。

        (二)厭氧脫硝試驗

        癈水經由硝化作用後，主要產物為硝酸氮，亞硝酸氮，而脫硝菌乃利用這些基質，以有機物或無機物(如硫、氫)為能源，將氧化態氮還原成氮氣之反應。

                                飼料營養雜誌(p.84~92)－曾四恭、吳建輝、鄭榮春、郭猛德、馬冀芳．九二年第十期

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