生物處理法去除養豬廢水中氮之研究(下)

        1. 以甲醇當碳源時之脫氮效果

        有機物是供脫硝異營菌作為碳源之用，亦即是作為電子供給者。理論上1mL甲醇(高純度)溶於1L水中之COD值為1180mg／L，本研究控制COD／NO_x-N之比值，探討氮的去除效果，並確保出流水COD不致於過高，以避免加入過量甲醇，形成浪費而不經濟。在正常的操作下，可有效脫氮達95％以上，並使出流水COD維持300mg／L以下。但當COD／NO_x-N值太低(41操作天，COD／NO_x-N＝1.8)，將不足以提供脫硝所需之碳源，雖然出流水COD較低，相對地，脫氮效率也不好。(NO_x-N＝NO₂-N＋NO₃-N)

        經過54天的試驗後，發現COD／NO_x-N之值為5左右，已足以脫氮達85％以上使出流水NO₃-N、NO₂-N濃度降至10mg／L OR 1mg／L以下(圖9.10)，若扣除廢水原有之COD值，則實際上加入之甲醇所含COD／NO_x-N比值約4~4.5間，換算成重量比則實際所加入之甲醇含量為2.67~3.0mg／mgN。此實驗值相當於去除每kg氮，需3.4~3.8L之甲醇。(∵甲醇比重＝0.7866)

        實驗過程(第25天至54天)，由於NO₂-N濃度相對提高，COD／NO_x-N之比值為3以上，即可維持足夠的脫氮作用。相對地去除每kg氮，僅需2.54L之甲醇，因此，如何有效控制硝化槽中亞硝酸化產物，將可以使脫硝槽中甲醇用量減至2.5L／去除每kg氮以下。

        2. 以豬糞反廢水當碳源時之脫氮效果

        本試程以豬場內回液分離後水質當為脫硝碳源，此種水質BOD5／COD比值一般在0.5以上，被利用作為有機碳源，不僅可減少豬場內厭氧池之負荷，又可減少另購甲醇之開銷頗為經濟，有一舉兩得之效。但因癈水中TKN含量高(平均值533mg／L，曾(1991)，使脫氮後出流水TKN濃度仍高，需另外進行硝化─脫硝處理後方可放流。

        實驗過程中，以硝化槽之出流水與豬糞尿癈水(當Carbon Source)分別進流，按10：1~2之比例(視原癈水之有機濃度而定)進流，就整體COD之去除率而言，約在50％~80％之間。

        理論上COD／NO_x-N比值愈大，將有助於脫氮作用，而事實上當進流水之COD／NO_x-N之比值控制在5~7左右(圖11)，脫硝反應已相當安全(圖12、13)，經由檢驗分析結果，每mgN還原成N₂所消耗掉之COD值約2.5~4mg，這與進流水之NO₃-N、NO₂-N濃度比例有關，一般而言，由NO₂-N進行脫氮所消耗之COD值較低而且速率較快(Prakasam and Uoehr, 1972)，當COD／NO_x-N比值過高，使多餘之有機物質進行其他厭氧醱酵分解，故COD／NO_x-N(消耗的)亦相對提高(圖11)。

        (三)先脫硝再硝化之處理流程結果如下：

        1.控制進流TKN，固定進流量，足夠COD及鹼度，在不同迴流比下系統之處理結果：

        (1)脫硝槽：

        由於進入脫硝槽之進流水，包括原水及硝化後之出流水，故原水經迴流水稀釋後，始為真正脫硝之負荷。脫硝槽在不同迴流比下，其四個試程累積操作之平均水質變化結果顯示平均COD去除率65~70％之間。對PH值之變化維持在8.0~8.5之間，Alkalinity則有較大之變化，其排出液由R＝1時之1000mg／L降至R＝4時之580mg／L，差異較大(圖14)。

        當迴流比在R＝2時，脫硝率可達91.9％(如圖15)，具最佳脫硝效果，若令迴流量再增高時，即當其COD值降至300mg／L以下，其造成之因迴流硝酸鹽總量增加，造成COD／NO_X-N之比降低至不足以支應脫硝之消耗，而影響脫硝之效果。

        於脫硝過程中依McCarty等(1969)所提之硝鹽反應過程中可由反應式理論計算，每毫克NO₃-N或NO₂-N還原為N₂時可生成3.57mg之鹼度，由圖14中出流水pH及進出流水鹼之變化中，由計算可得本研究每脫除一毫克NO_X-N產生之鹼度分別為4.93，2.63，3.02及3.34與Biswas and Warnock(1985)之實驗值2.44~4.78相當接近。

        (2)硝化槽：

        因原水先經脫硝槽，提供脫硝碳源，故其進入硝化槽之COD值已消耗大部分，對於硝化菌而言低有機負荷為有利硝化之進行避免異營菌之競爭。

        當控制TKN，在250mg／L時，其進流TKN之轉化率，在不同迴流比下其轉化率可達90％以上，TKN之出流濃度亦在10mg／L以下，而脫硝出流水之COD濃度已降至100mg／L左右，其去除率僅有20~35％，造成之因是可利用之碳源幾已耗盡。

        以整個系統評估總氮及COD之去除率，如圖17所示，很明顯的看出COD之去除率隨迴流比之增加而增加；而總氮之去除率則在迴流比介於2~3時有較佳之去除率，約在76％左右。

        2. 控制迴流比及固定進流量時，足夠鹼度下不同COD濃度對系統之影響

        (1)脫硝槽

        由試驗結果可知，當進流COD／NO_X-N比值不足時影響總氮之去除甚大，故本項實驗由COD濃度僅32mg／L，提昇至2398mg／L時，探討系統之變化。

        圖18為不同碳氮比之下NO_X-N之脫硝率，從圖可看出COD／NO_X-N若低於6以下，則脫硝率下降至90％以下，而若比值相當高時則脫硝率可達98％以上，碳源的需求成為脫硝效率高低之關鍵。圖中所示，隨比值增加(進流COD提高)，出流NO_X-N愈低，甚為合理。

        (2)硝化槽

        當進流COD高時，經脫硝槽消耗後出流水，尚有1168mg／L之COD未被利用，進入硝化槽刺激異營菌之繁殖與硝化菌競爭，因而硝化槽中雖TKN負荷並不高，TKN濃度約為100mg／L，然而硝化槽出流水尚有約14mg／L未完全硝化。

        雖硝化作用並不完全，但卻無亞硝酸的累積，所以並非氨氮產生之抑制。

        圖19為在不同COD負荷下，系統整體之去除效率，圖中可見在高濃度COD下，其去除率可達80％以上，而總氮之去除率最佳：亦在70~78％間。

        (3)體積負荷與去除率

        將全試程脫硝槽和硝化槽中COD、NO_X-N，及TKN之體積負荷與去除量作迴歸計算，可知COD之負荷在脫硝槽和硝化槽中，COD負荷分別在3000g×COD／m2-day及400g×COD／m3-day時，與去除量具有良好線性關係。其迴歸式為：

        脫硝槽：Ｙ＝154.97Ｘ＋0.78

                        ｒ2＝0.975

        硝化槽：Ｙ＝74.24Ｘ＋1.01

                         ｒ2＝0.990

        Ｙ＝去除量(g•COD／m3-day)

        Ｘ＝體積負荷(g•COD／m3-day)

        在不受抑制情況下，負荷率與去除量呈直線關係，因此在處理過程中無論脫硝槽或硝化槽，對於COD之去除皆無抑制之現象發生。

        雖脫硝槽和硝化槽中COD之去除不會受抑制，但COD值在二槽影響脫硝及硝化之作用卻相當重要。圖20為脫硝槽中NOx-N體積負荷與去除量之關係，由圖20可看出，當NOx-N體積負荷昇高達約200gNOx-N／m3-day時，其脫硝量即下降，由前面之討論可知，影響脫硝主要因子為碳源之提供，因此在高負荷時，因迴流量高，碳源無法相對提高，造成脫硝能力受抑制。

四、結論

        1. 硝化作用

        (1)當TKN、COD體積負荷均控制在0.3g／L.D以下時，硝化作用相當完全，TKN轉化率可達95％以上，出流水COD可降至100mg／L左右。由於硝化反應甚為完全，出流水以NH₃-N為主，當TKN、COD體積負荷均控制在0.3g／1•D以上時，亞硝酸化情形已相當明顯。

        (2)高負荷時(TKN＝400~500mg／L，COD＝800~1000mg／L，HRT＝1天)時，脫硝槽有脫氮現象，此種情形於低溶氧的狀況下更趨明顯。

        (3)就整個硝化反應而言，TKN轉化率隨溶氧下降而降低。而COD去除率較無規律，一般隨進流濃度升高而增加，且癈水中不易被生物分解之基質COD約100~200mg／L。

        2. 脫硝作用

        (1)以甲醇當脫硝碳源時，加入甲醇量為2.67~3mg／mgN，已足以脫氮達95％以上，相當於去除每kg氮需3.4~3.8L之甲醇。若能有效地控制亞硝酸化，將可以使脫硝槽之甲醇用量減至2.5L以上(去除每kg氮)。

        (2)以固液分離後之癈水當為脫硝碳源時，可減少豬場內厭氧池之負荷，又可減少填加甲醇之費用，但因癈水中TKN濃度高，使脫氮後出流水TKN濃度仍高，需另外進行硝化一脫硝處理後方可放流。

        (3)COD／NOx-N之比是影響脫硝與硝化作用之重要因素，當進流水之COD／NHx-N之比值控制在6.5以上時，脫硝反應可達85％以上。

        3. 先脫硝再硝化之處理程序：

         (1)採先厭氣後好氣之循環處理方法，其迴流比控制在2~3時，具有最佳之總氮去除率。

        (2)當TKN進流濃度為250mg／L時，於迴流比R＝2時，脫硝率可達91.9％，TKN之轉化率亦可達90％以上。

        (3)本處理程序，若進流TKN在300mg／L以下，COD在100mg／L以下，溶氧在3.0mg／L以上及足夠之鹼度下，可使癈水總氮減少至80mg／L以下，且以NO₃-N為主。

        綜上結果顯示，利用生物處理法確可去除豬糞尿癈水中之氮90％以上，但需控制癈水中之COD／NOx-N比及有適當的碳源供脫硝之用。 (國際養豬癈水處理技術研討會資料提供)        

                                飼料營養雜誌(p.66~75)－曾四恭、吳建輝、鄭榮春、郭猛德、馬冀芳．九二年第十一期

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