硫酸氨提濃技術探討

前言

現代文明製造出許多高科技產品便利了人們的生活，但自然界的自體循環也因此被打亂破壞，當某種物質被大量使用產生，超過自然界所能自行轉化的量，其餘就會毒化危害到環境生態，破壞了大自然的平衡，例如氮循環就是個迫在眉睫的危機。氮在廢水中以分子態氮、有機態氮、氨態氮、硝態氮、亞硝態氮以及硫氰化物和氰化物等多種形式存在，而氨氮是最主要的形式之一。然而隨著氨氮排入水體中將引發水中藻類及其他微生物的大量繁殖，形成富營養化的污染，除了會使自來水處理困難，造成飲用水異味外，嚴重時會使水中溶氧度降低，造成魚蝦類大量死亡，甚至會導致湖泊乾涸滅亡。隨著工業多元化發展，產品生產製程及使用原物料眾多，廢水特性日益繁雜，除了傳統水質項目如BOD(生物需氧量)、COD(化學需氧量)、SS(懸浮固體)……等處理項目，法規逐漸增加其他項目如氨氮 圖1。各園區針對外排氨氮已於2014年進行第一階段管制，並於2017年進行第二階段管制。

圖1、各園區管理局氨氮法規管制時程

業界氨氮處理技術種類略分為三大類圖2：生物處理、化學處理、物理處理。因應資源活化再利用考量，建置廢硫酸去除雙氧水系統，將製程上排放的廢硫酸回收再利用，供給脫氣膜用來吸附廢水中的氨氮，解決外排氨氮的問題，故經全盤性的考量，最後採用脫氣膜去除氨氮方式建置氨氮處理系統。

圖2、脫氣膜結構圖

文獻探討

脫氣膜原理係利用微孔型中空纖維膜透氣性及疏水性 圖2，加上氨氮廢水中氨離子(NH⁴⁺)於pH>11容易形成氨的氣體(NH₃) 圖3，並以硫酸溶液當作吸收液條件，使氨氮廢水中的氨氣藉由脫氣膜與硫酸反應形成硫酸氨液體。

圖3、氨濃度與pH關係圖

廠內氨氮處理系統主要有細分三大系統：鹼性廢水回收處理系統、鹼性洗滌塔排放廢水處理系統及機台氟化銨廢水處理系統。其中主要單元包含：活性碳去除H₂O₂單元、RO逆滲透單元、脫氣膜與硫酸氨循環槽單元、硫酸氨儲存槽 圖4。本文提濃的方式主要是集中於脫氣膜及硫酸氨循環槽。

圖4、廠內氨氮處理系統流程圖

計畫方法

以氨氮處理系統基本操作條件pH 11.8、流量水酸比1:2、氨氮去除效率98%，相對可產出濃度約25%硫酸氨。

以下文章即是介紹硫酸氨提濃方式 圖5，主要藉由系統本身調整、原水提濃方式、硫酸氨儲存槽CDA曝氣乾燥模擬實驗等。

圖5、實驗流程圖

參數最佳化調整

以酸側換酸點pH=3及總補酸量3.5 % (385L)，依照不同補酸比例實驗，酸側循環桶槽補水比例越高，補酸水比例2.1：1.4，硫酸氨濃度提升效果不彰。實驗結果顯示，硫酸氨濃度隨著補水比例越高反而是下降，且不補水條件硫酸氨濃度可達28% 圖6、表2。

圖6、系統參數設定

硫酸親水性強，相同廢水量，操作MD越多，吸水機會越大，將會影響硫酸氨濃度。隨著系統上MD膜運轉套數減少，硫酸氨濃度將會提升，以CWD氨氮處理系統為例，I 段MD運轉套數六套，單套流量降低，硫酸銨濃度無明顯成效；I段MD膜運轉三套，硫酸銨濃度可達近30% (運轉套數也取決系統水量及產水氨氮濃度) 表3。

原水提濃方式：硫酸氨回流

理論而言，廢水中含有越高濃度氨氮，則能有越多的氨氣提供給硫酸吸附，形成濃度更高的硫酸氨，故此藉由硫酸氨回流 圖7至水側再處理，除了能大幅提升原水氨氮濃度，亦能直接減少硫酸氨產出。以CWD氨氮處理系統為例，硫酸氨回流後提升水側氨氮濃度約3000 ppm；AEX氨氮處理系統亦能提升氨氮濃度約2000ppm，實驗結果顯示 表4整體硫酸氨濃度最高可提升至33%，亦不會影響產水氨氮濃度貢獻外排氨氮濃度。

圖7、硫酸氨回流示意圖與現場照片

模擬硫酸銨儲存槽 CDA曝氣乾燥

以不影響外排濃度前提下，硫酸氨回流方式提濃最高可達33%，故欲藉以增加對流乾燥方式，額外模擬硫酸氨濃度變化。硫酸氨儲存槽內屬密閉空間，並由風管進行抽氣，平時桶內維持微負壓，空間內硫酸氨於飽和蒸汽壓內，水分子更容易由水相轉為氣相由風管排出。若利用外在CDA進行曝氣，增加硫酸氨廢液與乾空氣接觸，使水分子更容易由空氣帶走，可有效提升硫酸氨濃度。

瓶杯實驗做法：取500ml硫酸氨置入錐形瓶中，並接上exhaust抽氣，模擬桶槽抽氣，再外接打氣機曝氣圖8，並於固定時間內採樣檢測比重。實驗結果持續24小時，濃度可有效提濃至37.2% 圖9，持續兩週後更可將錐形瓶內水分抽乾，形成固態硫酸氨顆粒狀結晶圖10。

圖8、CDA曝氣示意圖、現場模擬設備照片

圖9、模擬CDA曝氣硫酸氨濃度變化

圖10、模擬CDA曝氣實驗結果硫酸氨結晶照片

從F14P5硫酸氨清運量趨勢，可發現利用以上硫酸氨提濃方式，可有效地將硫酸氨濃度由25%提升至33%，整體硫酸銨廢液減少39% 圖11，達廢棄物減量目的。

圖11、硫酸氨清運減量圖

結論

經過實際廠內氨氮處理系統運轉參數之優化、硫酸氨回流水側提高原水濃度，能有效地將硫酸氨濃度由設計濃度25%提升至33%，以及模擬CDA循環風乾硫酸氨，瓶杯實驗結果甚至能將硫酸氨廢液風乾至無水硫酸氨固態結晶，倘若能經由系統設計，將此概念套用於廠內硫酸氨儲存桶槽，硫酸氨濃度必能大幅提升，並朝著廢棄物零排放目標精進。