以廢水治廢水─ 以生物處理有機廢水

前言

廠務製程廢水處理係將製程廢水依水質特性，或不同管路材質之需求進行分流，以台中廠區為例，目前製程廢水分類共16種，分流後再將性質較接近之廢水匯集，故水質較為單純，僅須較簡單的物化處理流程，且較小設計量之系統，即可將廢水各個擊破，也因此，隨著製程演進，分流種類持續增加，廢水回收系統亦在六七年間，從不到十套系統，至今已超過二十套系統，也因此無法透過製程廢水原有之性質進行混和而減少處理成本，例如酸鹼廢水分流處理後，無法透過廢水中所含之酸性、鹼性製程化學品(如 HCl, H₂SO₄, NH₄OH, TMAH)進行酸鹼中和，而需額外添加硫酸或液鹼分別處理酸鹼廢水。有鑑於此，我們檢視目前廠內系統狀況，尋找不同種類廢水是否存在「以毒攻毒」或「截長補短」的可能性。

2016參與F15P5水處理系統建置及試車，目前為氨氮系統、生物處理系統工程師，並與設計部合作規劃設計高階有機製程廢水生物處理系統。

台中廠區放流水氨氮濃度管制標準為20mg/L，各廠皆建置氨氮系統處理製程廢水，但生活汙水在台積既有廠區，僅透過化糞池沉降固態物，上澄液直接排放至放流井。然而這樣的運轉模式，是存在風險的，以 圖1為例，即便台中廠區製程廢水做到平均13mg/L，但當製程廢水瞬時流量在最低200 CMH時，化糞池泵浦皆同時啟動，此時放流氨氮濃度將達48.3mg/L，故在設計廢水系統時，不可只考慮平均濃度，亦要考慮瞬時變化。

此外，以生活汙水氨氮濃度約250 ~300mg/L，貢獻放流水氨氮濃度約7~8mg/L，製程廢水設計放流濃度約13mg/L，兩者相加亦超過20mg/L，故需建置處理生活汙水之系統。幾經評估、討論後，決定以生物處理來處理生活汙水，因此本公司第一套生活汙水生物處理系統便應運而生。

但生物系統不同於物化處理，需滿足微生物生長所需環境，才能使微生物發揮有效的硝化、脫硝等作用。然而，台中廠區生物系統現況，其水質條件、實際水量與設計有落差，其碳源在好氧槽即被硝化菌消耗殆盡，不足以供給缺氧槽進行脫硝反應，我們希望透過廠內廢水，從中尋求可用的碳源。

廠內高階有機製程廢水(Advanced Organic Reclaim with IPA, AORI)每日水量約900~1,000CMD，其水質導電度佳(<20us/cm)，但水中IPA濃度約為200~300mg/L，若回收至次即用水，水中異丙醇(Isopropyl Alcohol, IPA)將藉由AAS系統逸散至大氣，進而影響廠內潔淨室空氣品質，故台中廠區目前AORI不予回收。

綜合以上，我們希望透過AORI所含之IPA做為生物系統所需之碳源，不僅可使生物系統發揮完整的脫硝反應，亦帶來水資源回收利用之效益。

台中廠區生物系統介紹

台中廠區生物處理系統，是使用活性污泥法，其處理目標為降低生活汙水氨氮濃度，系統規劃為台中廠區/6/7共用，系統分為兩反應序列各為200CMH，總處理量為400CMH，設計產水氨氮濃度小於16mg/L，系統配置以好氧－缺氧－好氧配置，進行硝化、脫硝等反應，其流程如 圖2。

各槽基本介紹如下：

收集槽

桶槽160m³，滿載時水力停留時間19.2hr，透過大槽體緩衝水質變化，避免生物系統微生物所需生長環境劇烈變化導致微生物死亡。此外，透過大容量槽體，亦可緩衝生活汙水日夜水量不均之特性。

pH調整槽

因好氧槽硝化菌進行硝化作用，適合在弱鹼性環境，故在好氧槽前需進行pH調整，以利硝化菌進行反應。

好氧槽Ｉ

主要進行硝化反應，將氨氮轉換為硝酸根，硝化菌一般適合稍弱鹼性的環境，以維持反應之進行，當pH降至酸性範圍時，硝化速率隨pH降低而下降；當pH降至5以下時，硝化反應完全中止，一般pH 值範圍在6.5~8.6之間，最佳pH 值在7.5~8.5左右，其反應式如下：

承上，因硝化過程中產生約2當量之氫離子，故pH值隨反應進行而降低，須持續添加鹼液調整pH 值，以維持反應之進行，當pH降至酸性範圍時，硝化速隨pH降低而下降；當pH降至5以下時，硝化反應完全中止，一般pH值範圍在6.5 ~8.6之間，最佳pH值在7.5~8.5左右。

缺氧槽

主要進行脫硝反應，將硝酸根轉換為氮氣，其反應式如下：

硝酸根轉為氮氣：

亞硝酸根轉為氮氣：

反應式中的CH₃OH (甲醇)可以乙醇、醋酸鈉、葡萄醣等其他有機碳作為碳源，而此處的碳源，亦即前言所述，因碳源在好氧槽被異營菌消耗殆盡，導致缺氧槽無足夠碳源維持脫硝作用。

pH控制於 6.5至7.5可得最有效之脫氮效果，最佳值應在7.0左右(Christensen Harremoes, 1977)，如pH低於6.0或高於8.0時，脫硝速率即迅速降低，於pH4時，主產物為N₂O，若pH低於3.5時，脫硝作用將停止。

好氧槽II

因台中廠區生物處理系統設計是以處理氨氮為主，且系統設計須將氨氮處理至小於16mg/L，故在缺氧槽後設有好氧槽II，其目的用於處理殘留低濃度氨氮。

沉降槽

生物系統不論是好氧槽、缺氧槽，其設計皆需讓微生物懸浮於槽體內，避免沉降於桶底，故好氧槽透過鼓風機，缺氧槽則透過攪拌機達到此目的，而由於最後反應槽為好氧槽II，需設置沉降槽將來自於好氧槽II的懸浮微生物、汙泥沉降，直接排放至放流井而影響放流SS。

除了避免影響放流SS濃度，於沉降槽沉澱之微生物、汙泥，亦設計有pump回流至好氧槽I或缺氧槽，以維持槽內微生物數量。此外，由上述好氧槽、缺氧槽之反應式可看出，好氧槽進行硝化作用需消耗鹼度(即好氧槽反應式中CO₂)，而缺氧槽脫硝反應可產生鹼度，適當的回流亦可提供好氧槽所需的鹼度。

放流槽

由於生物處理系統是直接排放至放流井，故系統最後設置放流槽，並架設pH、氨氮、SS等線上分析儀，以確保放流水品質

方法評估

如前言所述，台中廠區AORI水量約900~1000CMD，導電度約小於20us/cm，但IPA濃度約250~ 300mg/L，若回收至次級用水，將使AAS洗滌塔水體IPA濃度上升，當水體IPA高於10mg/L，則在洗滌過程中，IPA將由水體中揮發而排放至大氣，而廠內AAS系統與外氣空調箱(Makeup Air Unit, MAU)相鄰，以台中廠區為例，當風向變更為南風時，從AAS逸散之IPA將被MAU吸入，進而潔淨室空氣品質，因此目前AORI皆不予回收，直接排放至廢水系統。

若我們要把AORI中的IPA作為生物系統缺氧槽碳源，需先確認生物系統缺氧槽缺少的碳源總量、高階有機製程能提供的IPA總量。若AORI所含IPA總量，仍不足提供缺氧槽脫硝所需碳源，則仍需額外添加其他碳源(例如廠內W-IPA)；反之，若IPA過剩，仍可做為系統內異營菌養分，若生物系統能完全將高階有機製程廢水IPA去除，亦可改善放流水質。

以IPA作為缺氧槽碳源之反應式如下：

依此反應式計算，硝化菌分解1g NO3-N需要1.19g IPA，以目前台中廠區生物系統殘餘硝酸鹽氮濃度150mg/L，水量170CMD，即每日需去除25.5kg NO3-N，需要30.3kg IPA，但考量IPA亦會被缺氧槽內其他異營菌消耗，故需添加其所需理論值2.5倍IPA。而高階有機製程廢水每日水量900CMD，濃度約250mg/L，意即水體內有225kg IPA，足夠供應生物系統進行脫硝反應。但由於高階有機製程水量太大，其廢水需經過濃縮後，方可導入生物處理系統作為碳源來源。目前已測試未濃縮之AORI廢水導入生物系統約60CMD，經檢測其供應之碳源可提高缺氧槽脫硝效率，此外生物系統對於AORI廢水IPA去除效率，可達將近100%去除率。

RO膜為目前廠務最廣泛應用的過濾裝置，除了可回收廢水再利用，更可將水中雜質提濃後再排放至廢水系統處理，可減少廢水系統處理量，透過RO膜特性，可將高階有機製程廢水提濃排放至生物處理系統使用。依DOW資料顯示，回收系統最廣泛使用的RO型號HRLE-440資料如 圖3。

DOW HRLE-440 RO膜之IPA去除率達94% (造水率85%、入水100ppm、產水6ppm、濃縮水633ppm)，雖然相較於其他鹽類高達99%以上之去除率仍有差異，但對於要用來將IPA提濃作為生物處理之碳源，94%去除率已可符合需求。

承上IPA提濃demo流程、IPA質量平衡如 圖4。

經兩階段RO膜濃縮後，可將900CMD、IPA 250mg/L的高階有機製程廢水提濃為21CMD、9648 mg/L，其水量僅佔去生物處理系統設計量約5%，透過較緩和的方式排放至生物系統，以達補充碳源之目標。

確定處理流程後，亦須檢視AORI廢水水質 表1，確認是否有其他運轉風險，經評估，可能風險有二，其一AORI廢水含有低濃度雙氧水，其二，RO菌塞問題。

低濃度雙氧水處理方法較為簡單，demo期間可選擇添加雙氧水酵素或其他還原劑(ex: 亞硫酸氫鈉)進行處理，但菌塞問題則較為棘手，因RO濃縮水最終將排放至生物系統，若添加非氧化性殺菌劑，若藥性殘留則可能導致生物系統微生物死亡。

故demo期間將透過pH調整方式，將pH控制於10.5~11抑制RO菌塞問題，由於AORI廢水導電度極低(<20us/cm)，無緩衝溶液效果，故評估僅需添加微量NaOH即可提升至所需之pH。此外，好氧槽於硝化過程，水體pH會持續降低，目前台中廠區是透過好氧槽前pH調整槽添加NaOH提高好氧槽pH值至10，因此，於demo系統RO前調整至10.5~11，最終濃縮水亦可減少生物系統NaOH加藥量。

結論

經計算，台中廠區缺氧槽僅需添加75kg IPA，而每日AORI濃縮可提供約202kg IPA，故除本案在補充缺氧槽所缺乏的碳源之外，亦會導入更多的AORI濃縮廢水，測試生物處理系統處理IPA之能力，藉此改善放流水IPA濃度，未來甚至可進行廠內W-IPA減量測試。

此案於撰文期間仍在發包階段，實際運轉勢必有許多問題須克服，但我們希望透過本文傳達「以廢水治廢水」的理念。目前十二吋各廠水處理系統，每個月皆耗費1,000~ 2,000萬元化學品；若能透過廢水本身特性加以調配，不僅可減少購買化學品費用，亦減少外排廢水之導電度。