廢水生物處理系統運轉精進與實務

前言

因應製程廢水性質改變，廠務廢水系統由物理化學原理處理無機廢水，慢慢轉變為利用微生物處理有機污染廢水，如此才能符合園區廢水放流納管標準。本文以先進製程廠區廢水生物處理系統為研究對象，分享試車、運轉等寶貴操作經驗，以期作為其他廠區參考。

文獻探討

2.1廢水生物處理原理

源自自然的處理程序，利用微生物代謝作用去除廢水中溶解性與膠體有機物質，被去除的有機物質轉換為生物體，藉由沉澱分離及排泥而去除^[1]。處理方法可大致分為好氧處理、無氧處理及厭氧處理等三種，如 圖1，生物好氧處理可再細分為多種方法，例如活性污泥法、氧化深渠法、生物轉盤等，本文研究對象即採用活性污泥法結合薄膜生物反應器，主要目的為處理化學需氧量問題；生物無氧處理以脫硝脫氮程序為主，本文另一研究對象即採用此程序處理氨氮問題；厭氧處理非本文研究內容，在此不予討論。

2.1.1  活性污泥法

活性污泥內含細菌、真菌、原生動物、後生動物等微生物，持續攝取水中有機物質，進而生長出許多微生物群 ，並與泥土顆粒結合成膠羽，有機物會與膠羽或微生物接觸，當強制曝氣供給大量氧氣時，有機物會快速被微生物利用，產生二氧化碳與水，達到淨化水質目的。主要處理設施由曝氣槽、曝氣設備、迴流污泥及最終沉澱槽等所組成，如 圖2。

2.1.2  硝化脫硝程序

如 圖3所示，廢水中的氨氮可利用生物處理方式有效去除，主要機制包含兩個步驟，分別為硝化(Nitritation/ Nitratation)與脫硝(Denitrification)。氨氮經硝化菌好氧硝化反應，產生亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮，後續額外添加碳源 ，並由脫硝菌進行無氧脫硝分解後，還原為氮氣。另外， Anammox厭氧氨氧化微生物為一生長緩慢且馴養不易之微生物，必須有嚴謹的控制策略才能馴養成功，此技術目前應用上有一定難度，且非本文研究內容，在此不予討論。

2.2薄膜生物反應器

活性污泥法處理水質易受膠羽沉澱性質影響，污泥常有上浮狀況，且佔地面積大。將薄膜與傳統生物處理結合而成的薄膜生物反應器(Membrane Bioreactor, MBR)可提高過濾及分離效率，取代最終沉澱池，為較新的生物處理技術。與傳統活性污泥程序相比，薄膜生物反應器具有處理水質佳、操作彈性大、佔地面積小等優點^[3]，同時能承受高污染物負荷與尖峰負荷變動，其優缺點比較如 表1。薄膜生物反應器主要功用為固液分離，依據薄膜放置位置可分為沉浸式與外掛式，依薄膜膜組可區分為四種型式，平板式、管式、螺旋式及中空纖維式。本文研究對象採用沉浸式薄膜生物反應器，膜組選用中空纖維式，實際照片如 圖4。

研究方法

3.1系統流程

先進製程廠區廢水生物處理系統分兩個部分，如 圖5 ，高濃度化學需氧量的高階製程有機廢水進入AOR生物處理系統，單元組成包含調勻槽、活性碳、pH調整槽、無氧槽、曝氣槽、薄膜生物反應器及逆滲透膜，經系統處理後供給次級用水回收使用；化學需氧量及氨氮同時存在的廢水，例如低濃度氫氟酸廢水以及濕式廢氣處理設備廢水，則是進入SALIX生物處理系統，其系統單元包含調勻槽、活性碳、pH調整槽、曝氣槽、無氧槽及薄膜生物反應器，經系統處理後外排放流。

3.2選擇植種來源

廢水生物處理系統啟用時，會取用相似產業的生物污泥進行植種，經過汰換代謝形成合適污泥。先進製程廠區曾選用北部某面板廠生物污泥作為植種來源，植種後化學需氧量去除率不彰，改為中科園區污水廠後，化學需氧量去除率立即提升至90%。分析差異點在於取泥位置，如 圖6，北部某面板廠於污泥濃縮槽取泥，槽體為缺氧狀態且停留時間過久，污泥已失去活性；中科園區污水廠由污泥沉澱槽取泥，污泥活性較佳。

另外，可用實驗驗證污泥是否有去除效果，如 圖7，以廠區廢水與生物污泥混合進行曝氣，量測曝氣前後化學需氧量讀值。由當時實驗結果得知，如 表2，中科與南科園區污水廠污泥皆有化學需氧量去除效果，因此評估就近選擇南科園區污水廠污泥作為植種來源。

3.3營造生長環境

良好的生長環境可縮短生物馴養期，使系統運轉效能穩定，以下依文獻建議結合實際運轉經驗，列舉出雙氧水濃度、pH、溶氧、混合液懸浮固體濃度、碳氮比、食微比等六項影響微生物生長的關鍵指標，並整理於表3、表4。

3.3.1  雙氧水濃度(Concentration of H₂O₂)

雙氧水為氧化性物質，高濃度雙氧水進入無氧槽或曝氣槽，將造成微生物大量死亡。高階製程有機廢水中雙氧水濃度約有10~100mg/L，因此在調勻槽及活性碳出口皆須有分析儀器監控雙氧水濃度，並適量添加除氧酵素，確保進入無氧槽或曝氣槽時，雙氧水濃度能維持在0mg/L。

3.3.2  pH

當pH值大於10或小於4時，部分微生物將無法生存，文獻上建議活性污泥法pH宜控制在6.0~8.5間。以運轉操作面來看，有機物被微生物利用時會消耗鹼度，此時pH呈現下降趨勢，需於曝氣槽適量添加氫氧化鈉提升pH，因此實際操作時會建議控制在7~8之間，避免pH落在不適當區間，造成系統處理效能下降。於曝氣槽添加化學藥品有一定風險性，過量添加恐導致微生物大量死亡，建議於pH調整槽將原水調整至偏鹼狀態進入無氧槽與曝氣槽，與回流污泥混合加上鹼度消耗後能剛好在中性狀態，減少在曝氣槽添加化學藥品。

水中含有氨氮時，需仰賴硝化菌在好氧環境下進行硝化作用，將氨氮轉化為亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮，後續再由脫硝菌進行無氧脫硝分解後還原為氮氣，其中硝化菌對於pH極為敏感，最佳pH範圍為8.0~8.6^[4]，若低於此範圍，硝化反應速率隨著pH下降而降低，當pH值低於6或高於10時，硝化反應幾乎接近停止，pH與硝化速率的關係如 圖8所示。

3.3.3  溶氧(Dissolved Oxygen, DO)

好氧微生物利用分子氧作為電子接受者進行代謝，將有機物最終氧化成穩定的無機物質(例如二氧化碳)，並產生新的菌體，此時水中溶氧會逐漸下降，需透過強制曝氣維持一定溶氧值，將溶氧控制在大於1mg/L即可避免好氧微生物停止反應。若在無氧槽，通常僅靠攪拌機緩慢攪動避免污泥沉底，此時溶氧值應為0mg/L。

在硝化菌存在的曝氣槽中，溶氧的控制極為重要，通常水中溶氧愈高，則硝化反應速度愈快，一般控制在2 mg/L以上為佳^[4]，溶氧與氨氮去除率的關係如 圖9所示。

3.3.4  混合液懸浮固體濃度(Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS)

混合液懸浮固體濃度為微生物數量指標，當系統單元有薄膜生物反應器時，會將污泥提濃回流至無氧槽及曝氣槽，故混合液懸浮固體濃度會比傳統活性污泥法高出許多 ，一般來說曝氣槽的混合液懸浮固體濃度會控制在6000~ 8000mg/L，若在三倍回流量的情況下，薄膜生物反應器的混合液懸浮固體濃度約會在8000~10000mg/L，其濃度關係式如 圖10所示。

混合液懸浮固體濃度可以透過排泥來控制，去除1.0kg化學需氧量會產生0.3kg污泥，扣除無氧槽及曝氣槽1%污泥內消耗後，即可得知污泥增生量理論值，實務操作上會先以理論值的50%當作排泥量，觀察混合液懸浮固體濃度變化，再決定排泥量增多或減少。

3.3.5  碳氮比(Carbon-Nitrogen ratio, C/N)

碳氮比為化學需氧量與總凱氏氮的比例，是硝化脫硝程序的重要指標，其中總凱氏氮為氨氮與有機氮的總和。當碳氮比大於5，分解有機物的好氧微生物將會是優勢菌種 ，此時硝化菌幾乎不存在，必須等碳氮比小於3，硝化菌所占比例才會上升。在脫硝反應中，需額外添加碳源使碳氮比大於4.5，脫硝反應才會順利進行。

3.3.6  食微比(Food to Microorganism ratio, F/M)

食微比又稱為有機負荷，為每日流入曝氣槽的有機物量與曝氣槽內污泥量的比值，活性污泥法的食微比會控制在0.1~0.3kg COD/kg MLSS*day，計算公式如下：

F/M=Q*COD/V*MLSS

Q=流入曝氣槽水量(m³/day)

COD=流入曝氣槽廢水化學需氧量濃度(mg/L)

V=曝氣槽體積(m³)

MLSS=曝氣槽中混合懸浮液固體濃度(mg/L)

3.4冒泡因應對策

系統運轉常面臨曝氣槽冒泡問題，如 圖11，大量含污泥的泡沫由桶頂冒出至地面，導致現場環境髒亂，另外泡沫也會從抽氣風管吸入，風管內因此積水，抽氣量下降，造成現場異味逸散。探究原因可分為物化性泡沫及生物性泡沫兩種^[5]，物化性泡沫主要由油脂或界面活性劑造成，經確認生物處理系統進流水無此問題；生物性泡沫主因為微生物死亡，死亡原因可能為氧化性物質進入、未營造良好生長環境、污泥齡過高老化等。

分為兩部分說明改善作法，如 圖12，短期解法包括定量添加消泡劑抑制泡沫產生，以及增設漏液檢知帶，冒泡發生時立即採取應變措施。長期解法部份包括調勻槽定量添加除氧酵素以及活性碳開啟運轉，避免氧化性物質進入生物槽；計算排泥量，每日固定排泥避免污泥老化；定義微生物生長關鍵指標，營造良好環境避免生物死亡。執行上述改善措施後，目前曝氣槽冒泡次數由每月4到6次下降至每月0到2次。

3.5進流水化學需氧量過高因應對策

先進製程廠區AOR生物處理系統設計水量為800CMD ，進流化學需氧量設計值為1,800mg/L，設計碳負荷為1,440kg，因製程機台使用有機化學品用量大增，運轉後發現高階製程有機廢水的化學需氧量濃度約在2,000~4,000 mg/L之間，為避免碳負荷超過設計值，必須降低系統進流水量來因應，部份高階製程有機廢水將無法處理，放流外排化學需氧量恐有超標風險(南部科學工業園區廢水化學需氧量納管標準為450mg/L)。

先前章節曾提到，脫硝程序需在無氧環境下額外添加碳源，一般業界大多額外購買甲醇、葡萄糖或異丙醇等化學品作為碳源添加，沒有加碳源時，進入無氧槽的硝酸鹽氮無法脫硝成氮氣，廢水放流的硝酸鹽氮有超標風險(南部科學工業園區廢水硝酸鹽氮納管標準為30mg/L)，而廠區內的高階製程有機廢水含異丙醇，可視為現成碳源。因此以AOR生物處理系統設計碳負荷1,440kg為依據，將多餘無法處理的高階製程有機廢水泵送至SALIX生物處理系統無氧槽作為碳源，如 圖13，避免未經處理的高階製程有機廢水直接外排放流。

3.6薄膜生物反應器膜壓過高因應對策

先進製程廠區生物處理系統採用的沉浸式薄膜生物反應器，如 圖14所示，其產水屬於負吸揚程動作，負吸力驅動源來自泵浦，反洗與產水共用管路但路徑相反，屬正揚程動作，因此產水時透膜壓力為負值，反洗時透膜壓力為正值，薄膜生物反應器產水最大可承受透膜壓力為-60kPa，正常運轉時產水透膜壓力會小於-20kPa，反洗透膜壓力也會小於20kPa。

運轉時偶爾會發生膜壓過高問題，將產水時間縮短或下修產水流量可暫時降低膜壓，但仍需探究真因才能一勞永逸。圖15整理出三種情境，說明如何判斷薄膜或生物污泥是否正常，並列出對應解決方法。當產水初期與末期透膜壓力皆未超過-20kPa、反洗透膜壓力亦低於20kPa時，代表薄膜與生物污泥皆在正常狀態；當產水初期透膜壓力即超過-20kPa、反洗透膜壓力亦大於20kPa時，代表薄膜已阻塞，需加強線上藥洗頻率以及提高曝氣量因應；當產水初期透膜壓力正常，產水末期透膜壓力快速惡化，透過反洗可以使透膜壓力恢復正常時，代表生物污泥過於黏稠，但薄膜尚未完全阻塞，此時可藉由增加污泥回流量降低污泥濃度，並提高曝氣量加強膜絲擺動來因應。

結果與分析

圖16、圖17、圖18為先進製程廠區AOR及SALIX生物處理系統啟用後的去除率趨勢，目前AOR生物處理系統化學需氧量去除率能達到90%；SALIX生物處理系統較晚啟用，學習AOR生物處理系統的經驗後，化學需氧量去除率在短時間內即大於90%，氨氮去除率則是提升至50%。

結論

總結上述改善心得，並分成「生物馴養」、「系統運轉」、「宿疾改善」三方面說明。在生物馴養部分，植種取泥位置要以活性較佳的污泥沉澱槽為主，可先以廠區廢水與植種污泥進行去除率實驗，確保植種污泥有處理效果 。在系統運轉部分，依據文獻建議及實際操作經驗，定義出雙氧水濃度、pH、溶氧、混合液懸浮固體濃度、碳氮比 、食微比等六項生長關鍵指標，營造合適環境可縮短馴養期，讓系統更加穩定，此外可就地取材利用高階製程有機廢水作為脫硝反應碳源，取代外購甲醇、葡萄糖或異丙醇等化學品。在宿疾改善部分，依運轉經驗提出冒泡因應對策，短期解法能避免災害擴大，長期解法則是改善系統體質，降低冒泡頻率，另外，薄膜生物反應器膜壓過高需先判別問題後再對症下藥，薄膜阻塞可加強線上藥洗及提高曝氣量因應，生物污泥過於黏稠應先提高污泥回流量，並適時加大曝氣，方能解決問題。

先進製程廠區廢水生物處理系統運轉至今克服許多挑戰，正朝向穩定運轉的目標前進，本文分享試車、運轉操作等相關經驗，以期提供其他廠區運轉參考，惟氨氮去除率尚有改善精進空間，後續仍待與各方專家們集思廣益，提出更有效的改善方案。