TW201345844A - 高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統 - Google Patents
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Abstract
本發明為一種含氨氮廢水處理系統，主要設有單一反應槽，並由反應槽連接pH值控制裝置及溶氧控制裝置。其中，反應槽內形成可循環流動的回流區、生物反應區及曝氣區三部分；生物反應區上、下端以格板隔開回流區及曝氣區，且內部填充有生物擔體效攔截生長速度較慢的氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌；回流區與曝氣區之間外接有一具泵體的連接管路，使反應後的混合液反送回曝氣區；而曝氣區中另設有一反應所需氧氣的曝氣裝置。藉由此種設計可使氨氧化菌與厭氧氨氧化菌存在於同一反應槽中將氨氮轉化成氮氣，減少曝氣動力需求以及添加碳源成本，並有效縮減整個處理系統的體積，另透過控制溶氧濃度及pH值方式增加氨氮氧化菌並抑制亞硝酸氮氧化菌。
Description
本發明有關於一種高氨氮低有機物的氨氮廢水處理技術，特別是指一種將氨氧化菌與厭氧氨氧化菌存放於單一反應槽的氨氮廢水處理系統。
隨著工業快速發展帶給了人們重大改變，除了改變了人們的生活方式之外，亦同時帶來產生了河川汙染、土地汙染、空氣汙染等各種危害問題，因此，在工業技術的創新發展外，亦須考慮如何減少工業發展對環境的衝擊。
在石化產業、半導體產業及光電產業等高科技產業中，有許多製程經常會使用氨(NH3)作為主要原物料來進行反應，並於製程結束後將產生出含有氨的廢水或廢氣，但由於含氨的廢水或廢氣皆會對人體產生危害，因此，需要針對含氨廢水與廢氣進行特別處理。
含氨廢氣通常利用水洗方法，使含氨廢氣轉換為高濃度氨氮廢水，並將其排入廢水處理廠進行處理。傳統氨氮生物處理方式為硝化-脫硝法，必須經過一連串之生物反應，包含氨氮氧化菌(ammonia oxidation bacteria,AOB)將氨氮氧化成亞硝酸氮；後接續由亞硝酸氮氧化菌(nitrite oxidation bacteria,NOB)將亞硝酸氮氧化成硝酸氮；最後則由脫氮菌接手將硝酸氮還原成氮氣處理完成。由於傳統氨氮生物處理方式曝氣量大且必須額外添加有機物質作為脫硝反應之碳源，因此整體操作較為耗能且運作成本較高。
目前較為新穎的氨氮處理方式為厭氧氨氧化程序(anammox process)，該微生物於厭氧狀態下利用自然界存在的二氧化碳(CO2)作為碳源，直接將氨氮作為電子供給者，亞硝酸鹽氮作為電子接受者，進行三價電子傳送反應生成氮氣的過程，不必如傳統的除氮程序需要額外耗費多餘的成本以及能量，不需提供大量氧氣將氨氮轉化成硝酸氮，亦不需提供有機碳源進行脫硝反應。
請參閱第1圖所示傳統氨氮處理程序與厭氧氨氧化程序，其中，3點鐘到12點鐘的外圍箭頭表示硝化脫硝處理，中央箭頭表示厭氧氨氧處理。由於厭氧氨氧化微生物之生化反應，需要由氨氮與亞硝酸氮共同參與反應(亞硝酸氮為電子接受者)。因此一般氨氮廢水中並無亞硝酸氮之存在，需要靠另一株微生物-氨氮氧化菌(ammonia oxidation bacteria,AOB)將部分氨氮先氧化成亞硝酸氮後始可由厭氧氨氧化微生物進行厭氧氨氧化反應將之反應成氮氣而達到去除之目的。
然而，過去學者先進均著墨於半硝化結合厭氧氨氧化程序，希冀改善整個反應程序來提升廢水處理效能，而未有針對整個厭氧氨氧化系統進行改良創新。由於傳統厭氧氨氧化系統採用雙槽式的反應槽，故整個系統的啟動時間較長，用地面積較大，且硝化反應之曝氣動力需求較高，此外，另需要額外添加碳源往往造成處理成本增加。有鑑於此，傳統採用厭氧氨氧化程序的氨氮處理系統實有改良創新的必要。
本發明之主要目的在於提供一種高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，利用程序控制方法使氨氧化菌與厭氧氨氧化菌存在於同一反應槽中，將氨氮直接轉化成氮氣，如此即可減少傳統硝化反應的曝氣動力需求以及額外添加碳源的成本，同時亦可有效縮減整個處理系統的體積，解決高科技廠與石化廠用地面積不足的問題。
本發明之另一目的在於氨氮廢水處理系統運用生物擔體，可有效攔截生長速度較慢之氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌，並且控制反應槽中的溶氧濃度及pH值，藉以增加氨氮氧化菌並抑制亞硝酸氮氧化菌。
為達上述目的，本發明設有一反應槽，並由上述反應槽連接一pH值控制裝置、一溶氧控制裝置以及一培養裝置，上述反應槽由下而上分為回流區、生物反應區以及曝氣區三部分，上述生物反應區的上、下端分別以格板隔開上述回流區及曝氣區，且內部填充有生物擔體，將氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌攔截於其內；又上述回流區與曝氣區之間外接有一具泵體的連接管路，使生物反應後溶氧濃度較低的混合液反送回上述曝氣區，而上述曝氣區中設有一提供生物反應所需氧氣的曝氣裝置。
其中，上述pH值控制裝置以及溶氧控制裝置的感測器設置於上述生物反應區的中央監測；上述pH值控制裝置設有一與上述曝氣區連接的酸性藥劑投入單元以及鹼性藥劑投入單元，用以控制維持整個廢水處理系統的pH值，且上述溶氧控制裝置電性連接於上述曝氣裝置與泵體，用以控制上述回流區的回流水量及上述曝氣區的溶氧濃度；而上述培養裝置連接於上述反應槽的曝氣區，提供微生物生長所需養分。
此外，本發明曝氣裝置設有一位於上述反應槽外部的鼓風機，並由上述鼓風機連接穿入上述反應槽內部的曝氣管路；又上述格板的開孔小於上述生物擔體的長度，避免生物擔體流出生物反應區。
於一較佳實施例中，上述曝氣區的水力停留時間至少需要達到20分鐘以上，上述pH值控制裝置控制pH值介於7.5～8.5之間，上述溶氧濃度控制在0.8～1.0 mg/L之間，而上述生物擔體填充率需達整體反應槽的70%以上。
再者，上述pH值控制裝置中所使用的鹼性藥劑為NaOH，酸性藥劑為H2SO4或HCl的其中一種。上述回流區的高度至少需要50公分以上。
本發明的特點在於將整個廢水處理的程序整合於單一反應槽中，由反應槽中形成可循環流動的回流區、生物/反應區及曝氣區，並於反應槽的生物反應區中運用生物擔體，有效攔截生長速度較慢之氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌；另利用溶氧控制裝置及pH值控制裝置控制反應槽中的溶氧濃度及pH值，讓氨氮氧化菌增加並抑制亞硝酸氮氧化菌，如此即可使氨氧化菌與厭氧氨氧化菌存在於同一反應槽中，將氨氮直接轉化成氮氣，大幅減少曝氣動力需求以及添加碳源成本，同時亦可縮減整個處理系統的體積。
茲為便於更進一步對本發明之構造、使用及其特徵有更深一層明確、詳實的認識與瞭解，爰舉出較佳實施例，配合圖式詳細說明如下：
請參閱第2圖所示本發明高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，上述氨氮廢水處理系統主要設計為單槽式的循環反應槽10，並由上述反應槽10連接一pH值控制裝置20以及一溶氧控制裝置30。
本發明反應槽10內部由下而上主要分為回流區11、生物反應區12以及曝氣區13三部分，而外部設有一連接管路14來連通上述回流區11與曝氣區13，並於上述連接管路14上設有一泵體15(Pump)，使生物反應後溶氧濃度較低的混合液反送回上述曝氣區13，形成一循環式的反應槽體，並可透過上述泵體15來控制回流流量。
上述生物反應區12為微生物作用代謝區域，其上、下兩端分別以一格板16、17隔開上述回流區11及曝氣區13，並於內部填充有生物擔體18，由上述生物擔體18將氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌攔截於上述生物反應區12中。其中，上述格板16、17的開孔161、171需小於使用的生物擔體18長度，避免上述生物擔體18流出系統，且上述生物反應區12內的生物擔體18填充率至少需達到整體反應槽10的70%以上，始能形成較佳的固定床形態，以利微生物生長，並達到有效攔截微生物之功能。
前述所指「生物擔體」是指廢水處理中微生物吸附生長的吸附體，一般來說生物擔體18的形式可為多孔性擔體，如PU泡棉。
上述回流區11位於上述生物反應區12下方，並以下格板16與上述生物反應區12作為區隔，上述回流區11具有一流入管路111，並接收上述生物反應區12進行反應後溶氧濃度較低的混合液，透過上述連接管路14與泵體15配合，將混合液重新返送回上述曝氣區13中來提高溶氧濃度。於一較佳實施例中，上述回流區11高度由上述反應槽10底部往上估算至少需要50公分以上，以利維修。
上述曝氣區13位於生物反應區12上方，並以上格板17與上述生物反應區12作為區隔，上述曝氣區13中設有一曝氣裝置19，以提供生物反應時所需要的氧氣；其中，上述回流區11提供的混合液於此曝氣區13的水力停留時間(hydraulic retention time,HRT)至少需達到20分鐘以上，以利氧氣曝氣質傳及穩定流態，避免短流現象產生。
於圖示較佳實施例中，上述曝氣裝置19設有一位於上述反應槽10外部的鼓風機191(Air Blower)，並由上述鼓風機191連接穿入上述反應槽10內部曝氣區13的曝氣管路192。另外，上述曝氣區13另連接一流出管路131以及一提供微生物所需養分的培養裝置132，上述培養裝置132主要是提供重碳酸鹽，如此即可將一部分混合液連續回流至生物反應區12維持微生物所需的量，另一部分混合液將由上述流出管路131排出反應槽10。
此外，本發明pH值控制裝置20包含一第一控制器21(pHIC)、一第一感測器22、一酸性藥劑投入單元23、一鹼性藥劑投入單元24，上術第一控制器21電性連接於上述第一感測器22、酸性藥劑投入單元23以及鹼性藥劑投入單元24，上述第一感測器22位於上述反應槽10內部的生物反應區12中央進行pH值的變化監測，上述酸性藥劑投入單元23連接於上述曝氣區13，一般所使用的酸性藥劑為H2SO4或HCl，而上述鹼性藥劑投入單元24同樣連接於上述曝氣區13，一般所使用的鹼性藥劑為NaOH。於一較佳實施例中，上述pH值控制裝置20以加入藥劑方式將pH值控制於7.5～8.5的範圍之內。
再者，上述溶氧控制裝置30包含一第二控制器31(DOIC)及一第二感測器32，上述第二控制器31電性連接於上述第二感測器32、泵體15以及曝氣裝置19的鼓風機192，而上述第二感測器32同樣位於上述反應槽10內部的生物反應區12中央進行溶氧濃度的變化監測。
本發明溶氧控制方法有兩種，第一種方式為進行回流水量的控制，將反應槽10底部回流區11中氧氣利用完畢的混合液，由循環泵體15送至上述反應槽10頂部的曝氣區13，藉由上述曝氣區13之曝氣裝置19提供氧氣，作為氨氮氧化菌代謝使用；其中，將溶氧濃度控制在0.8～1.0 mg/L的範圍內，若溶氧濃度過高，降低循環水量，若溶氧濃度過低，則增加循環水量。第二種方式為當控制循環泵體15的循環量，已達到循環泵體15的最大量或最低量時，則利用上述曝氣裝置19的鼓風機192進行風量控制，將溶氧濃度控制在0.8～1.0 mg/L的範圍內。
本發明使用的氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌屬於自營性微生物，因此生長速率較低。故配置有生物擔體18可以有效將氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌攔截於反應系統內，避免流速剪力大而流失，藉此提升整體氨氮氧化之效率。
另，氨氮氧化菌與亞硝酸氮化菌通常為共生之微生物。因此，若要達到出水以亞硝酸氮為主之水質，必須有效抑制亞硝酸氮氧化菌之活性。一般來說，較高的pH值(也就是會有較高之自由氨(free ammonia)濃度)與較低的溶氧濃度環境下，可以有效提升氨氮氧化菌的活性並同時抑制亞硝酸氮氧化菌的活性。
因此，在整個程序控制上，上述反應槽10配置有一pH值控制裝置20將反應槽10之pH值控制於7.5～8.5之條件下；同時，上述反應槽10亦配置有一溶氧控制裝置30，將反應槽10內之溶氧濃度控制在0.8～1.0 mg/L之間，以利厭氧氨氧化菌生長。
於一可行實施例中，本發明使用實驗室級模廠的反應槽10體積為50L，另模擬廢水的氨氮濃度約為300～600 mg/L，流量為4～25 mL/min，整體停留時間依照不同流量換算為42～6.7小時，總氮負荷為0.035～0.35 kg NH3-N/day-m3。
實驗結果請參第3圖本發明進出流水水質變化圖以及第4圖氨氮體積負荷與氨氮去除率之關係圖，其中，第3圖的實心菱形為「進流氨氮」；空心菱形為「出流氨氮」；空心三角形為「出流亞硝酸氮」；空心方形為「出流硝酸氮」；而第4圖的實心菱形為「進流氨氮體積負荷」；空心方形為「氨氮去除效率」。
整個系統進流氨氮濃度平均為412 mg/L，經過本發明的生物反應處理後，出流水氨氮、亞硝酸氮與硝酸氮之平均濃度分別為60.0、3.6與27.0 mg/L。此一結果顯示，本發明確實能有效將水中之氨氮進行處理，氨氮處理效率平均為85%。而操作參數部分，此操作期間的溶氧濃度與pH值分別為0.82 mg/L以及7.98，與本發明所需要控制溶氧濃度與pH值的範圍相當。
本發明設計與前案比較後的進步差異在於：
(1) 於單槽式設計使氨氧化菌與厭氧氨氧化菌共同存在於同一反應槽中，將氨氮直接轉化成氮氣，如此即可減少傳統硝化反應的曝氣動力需求以及額外添加碳源的成本，同時亦可有效縮減整個處理系統的體積。
(2) 生物擔體的運用，有效地將生長速度較慢的氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌攔截生物擔體之內，提昇整體微生物濃度增加處理效率。
(3) 具有pH值控制裝置，使反應槽內的pH值控制於7.5～8.5間，藉由提升系統內自由態氨濃度，以利氨氮氧化菌生長並抑制亞硝酸氮氧化菌。
(4) 具有溶氧控制裝置，利用回流比例將溶氧控制於0.8～1.0 mg/L，以利氨氮氧化菌生長並抑制亞硝酸氮氧化菌，同時使生物擔體內部溶氧小於0.5 mg/L，以利厭氧氨氧化菌生長。
以上所舉實施例，僅用為方便說明本發明並非加以限制，在不離本發明精神範疇，熟悉此一行業技藝人士依本發明申請專利範圍及發明說明所作之各種簡易變形與修飾，均仍應含括於以下申請專利範圍中。
10．．．反應槽
11．．．回流區
111．．．流入管路
12．．．生物反應區
13．．．曝氣區
131．．．流出管路
132．．．培養裝置
14．．．連接管路
15．．．泵體
16．．．格板
161．．．開孔
17．．．格板
171．．．開孔
18．．．生物擔體
19．．．曝氣裝置
191．．．曝氣管路
192．．．鼓風機
20．．．pH值控制裝置
21．．．第一控制器
22．．．第一感測器
23．．．酸性藥劑投入單元
24．．．鹼性藥劑投入單元
30．．．溶氧控制裝置
31．．．第二控制器
32．．．第二感測器
第1圖係傳統氨氮處理程序與厭氧氨氧化程序之處理循環圖；
第2圖係本發明氨氮廢水處理系統之系統圖；
第3圖係本發明進出流水之水質變化圖；以及
第4圖係本發明氨氮體積負荷與氨氮去除率之關係圖。
10．．．反應槽
11．．．回流區
111．．．流入管路
12．．．生物反應區
13．．．曝氣區
131．．．流出管路
132．．．培養裝置
14．．．連接管路
15．．．泵體
16．．．格板
161．．．開孔
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18．．．生物擔體
19．．．曝氣裝置
191．．．曝氣管路
192．．．鼓風機
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32．．．第二感測器
Claims (13)
- 一種高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，設有一反應槽，並由上述反應槽連接一pH值控制裝置以及一溶氧控制裝置，其中，上述反應槽由下而上分為回流區、生物反應區以及曝氣區三部分，上述生物反應區的上、下端分別以格板隔開上述回流區及曝氣區，且內部填充有生物擔體，將氨氮氧化菌與厭氧氨氧化菌攔截於其內；又上述回流區與曝氣區之間外接有一具泵體的連接管路，使生物反應後溶氧濃度較低的混合液反送回上述曝氣區，而上述曝氣區中設有一提供生物反應所需氧氣的曝氣裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述pH值控制裝置以及溶氧控制裝置的感測器設置於上述生物反應區的中央監測。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述pH值控制裝置設有一與上述曝氣區連接的酸性藥劑投入單元以及鹼性藥劑投入單元，控制維持整個廢水處理系統的pH值。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述溶氧控制裝置電性連接於上述曝氣裝置與泵體，以控制上述回流區的回流水量及上述曝氣區的溶氧濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述曝氣裝置設有一位於上述反應槽外部的鼓風機，並由上述鼓風機連接穿入上述反應槽內部的曝氣管路。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述氨氮廢水處理系統進一步包含一培養裝置，連接於上述反應槽的曝氣區。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述格板的開孔小於上述生物擔體的長度。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述曝氣區的水力停留時間至少需要達到20分鐘以上。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述pH值控制裝置控制pH值介於7.5～8.5之間。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述溶氧濃度控制在0.8～1.0 mg/L之間。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述pH值控制裝置中所使用的鹼性藥劑為NaOH，酸性藥劑為H2SO4或HCl的其中一種。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述回流區的高度至少需要50公分以上。
- 如申請專利範圍第1項所述高氨氮低有機物的氨氮廢水處理系統，其中，上述生物擔體填充率需達整體反應槽的70%以上。
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