TW201638022A - 生物處理氨氮廢水的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明有關於一種生物處理含氨氮廢水的方法，其於好氧環境下，利用煉焦廢水馴養之污泥，可將含氨氮廢水之氨有效轉變成亞硝酸鹽，以大幅降低硝酸鹽的產生。藉由控制含氨氮廢水的鹼度，可調整所得的中間處理水之亞硝酸鹽達到所需的濃度，以快速接續進行習知短程硝化脫硝步驟及/或厭氧氨氧化步驟，進而有效降低習知硝化脫硝程序的能耗。

Description

生物處理氨氮廢水的方法
本發明是有關於一種處理廢水的方法，特別是有關於一種利用煉焦廢水馴養之污泥將含氨氮廢水轉變成亞硝酸鹽的處理廢水方法。
隨著現代工業的不斷發展和化肥及農藥的普遍應用，廢水中含氮物質的含量增加，對環境的影響甚鉅。水中的含氮物質一般包括有機氮、氨氮、亞硝酸鹽及硝酸鹽等，然以氨氮及硝酸鹽為主。氨氮是指以未解離氨(NH3)或解離銨(NH4 +)等形式存在的化合物，是水體受到污染的指標。
由於水中的氨氮經過生物反應後產生之硝酸鹽，會造成水體優養化，使水內藻類過量繁殖、水帶有腥味、甚或產生具有毒性的藍綠藻，而且未解離氨對水中生物的毒性較高，從而引起水質惡化以致湖泊退化。其次，水中的氨氮也是耗氧污染物，氨氮經生物氧化分解時會消耗水中的溶氧，嚴重時使水體發黑發臭。另外，氨氮使水產生臭味、造成水體優養化，也對飲用水造成負面效應，嚴重危害水生態 環境。因此，如何控制廢水中的氨氮含量，成為廢水處理的重要課題之一，而國內外相關單位已制定氨氮及硝酸鹽濃度等相關規範，以管制廢水的排放並保障飲用水水源的品質。
目前氨氮之處理技術依其是否涉及生物反應，可概分為生物處理方法及物理化學處理方法。習知的物理化學處理方法可例如折點加氯化法、選擇性離子交換法、空氣吹脫法、汽提法、化學沉澱法等。不過大多數之物理化學處理方法成本較高，且有一定程度的干擾及副作用，故目前仍以生物處理方法較為經濟有效。
習知的生物處理方法是由自營細菌在好氧環境下完成硝化過程(即將氨氮氧化成亞硝酸鹽及硝酸鹽)，然後在厭氧環境下由脫硝細菌先將硝酸鹽(NO3 -)轉化為亞硝酸鹽(NO2 -)，再將亞硝酸鹽轉化為氮氣(N2)。
為了增進厭氧性生物處理速度，業界開發出許多改良型的省能耗脫氮步驟，例如短程硝化脫硝步驟、厭氧氨氧化步驟等。前述之短程硝化脫硝步驟即在微氧環境下，控制氨氮氧化成亞硝酸鹽，不經生成硝酸鹽的步驟。之後，再於厭氧氨氧化步驟中，直接將亞硝酸鹽轉化為氮氣。至於厭氧氨氧化步驟，則是將部份的氨氮氧化成亞硝酸鹽，再於厭氧環境下，使氨氮與亞硝酸鹽反應為氮氣。
簡言之，上述短程硝化脫硝步驟以及厭氧氨氧化步驟的關鍵之處，在於如何控制穩定的亞硝酸鹽，並抑制微生物將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。
習知方式藉由控制生物處理裝置中的溶氧、操 作溫度、污泥停留時間、基質濃度、曝氣方式、添加化學抑制劑等處理條件，雖可抑制微生物將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，然而前述方式應用於實際操作時，所得的處理水往往難以獲得穩定濃度的亞硝酸鹽。
有鑑於此，亟需提供一種生物處理含氨氮廢水的方法，以克服習知方式無法穩定控制處理水中的亞硝酸鹽的濃度的問題。
因此，本發明之一態樣是在提供一種生物處理含氨氮廢水的方法，其在好氧環境下，利用煉焦廢水馴養之污泥，可將含氨氮廢水之氨氮有效轉變成亞硝酸鹽，以大幅降低硝酸鹽的產生。
根據本發明之上述態樣，提出一種生物處理含氨氮廢水的方法。在一實施例中，此方法包含進行馴養步驟，使生物活性污泥在好氧環境中與煉焦廢水反應，以獲得馴養污泥，其中馴養污泥之氨氧化菌群優於亞硝酸氧化菌群，煉焦廢水包括100毫克/公升(mg/L)至1000mg/L之總酚含量、大於0mg/L至600mg/L之氨氮含量以及1000mg/L至5000mg/L之化學需氧量(chemical oxygen demand；COD)，前述生物活性污泥之污泥停留時間可例如至少20天，且前述馴養步驟進行至少180天。
接著，將上述馴養污泥導入處理裝置中，以形成生物處理裝置，其中馴養污泥之混合液懸浮固體物濃度 (mixed liquid suspended solid；MLSS)可例如為5000mg/L。
然後，進行第一生物處理步驟，將含氨氮廢水導入至上述生物處理裝置中反應，使含氨氮廢水之氨氮氧化為亞硝酸鹽，以獲得中間處理水，其中含氨氮廢水之氨氮濃度可例如為大於0mg/L至400mg N/L但不含亞硝酸鹽。
在上述實施例中，第一生物處理步驟之處理條件更可包括：含氨氮廢水與馴養污泥之食微比可例如為0g NH3-N/g MLSS至0.2g NH3-N/g MLSS，含氨氮廢水於生物處理裝置中的酸鹼值可例如為pH 6.0至8.0，含氨氮廢水於生物處理裝置中的鹼度可例如相當於50mg/L至650mg/L之碳酸鈣，且第一生物處理步驟之操作溫度可例如為大於20℃至40℃。由此所得的中間處理水之亞硝酸鹽含量為大於0mg/L至400mg/L，但不含氨氮且硝酸鹽含量低於亞硝酸鹽含量的十分之一。
依據本發明一實施例，上述之馴養污泥的菌種可包括但不限於α-變形菌門(α-Proteobacteria)之寡氧菌屬(Oligotropha sp.)與山達雷辛諾桿菌屬(Sandarcinobacter sp.)，β-變形菌門(β-Proteobacteria sp.)之嗜脂環菌屬(Alicycliphilus sp.)、硫桿菌屬(Thiobacillus sp.)、亞硝酸單孢菌屬(Nitrosomonas sp.)、叢毛單孢菌屬(Comamonas sp.)、奧托維亞菌屬(Ottowia sp.)與極小單孢菌屬(Pusillimonas sp.)、厚壁菌門(Firmicutes)之優桿菌屬(Eubacterium sp.)以及上 述之任意組合。
依據本發明一實施例，在上述之馴養步驟中，生物活性污泥之污泥停留時間為20天至60天，且上述馴養步驟進行至少180天。
依據本發明一實施例，上述之處理裝置可例如為曝氣池或流體化床。在一個例子中，上述之馴養污泥可懸浮於曝氣池中。在其他例子中，上述之馴養污泥可進一步裝填於複數個生物載體內，且生物載體可培養於曝氣池或流體化床內。
依據本發明一實施例，上述之含氨氮廢水的鹼度可由鹼劑提供，且鹼劑可例如為碳酸氫鈉或碳酸鈉。
依據本發明一實施例，上述之第一生物處理步驟更包括將含氧氣體導入含氨氮廢水中，使含氨氮廢水的溶氧含量例如為0.5mg/L至6.0mg/L。
依據本發明一實施例，在上述之第一生物處理步驟中，第一生物處理步驟之操作溫度可例如為30℃至35℃。
依據本發明一實施例，在上述之第一生物處理步驟之後，更可選擇性包括：進行第二生物處理步驟，使中間處理水進行短程硝化脫硝步驟及/或厭氧氨氧化步驟，以將中間處理水之亞硝酸鹽轉換為氮氣。
應用本發明之生物處理含氨氮廢水的方法，其在好氧環境下，利用煉焦廢水馴養之污泥，可將含氨氮廢水之氨氮有效轉變成亞硝酸鹽，以大幅降低硝酸鹽的產生。藉 由控制含氨氮廢水的鹼度，可調整所得的中間處理水之亞硝酸鹽達到所需的濃度，以快速接續進行習知短程硝化脫硝步驟及/或厭氧氨氧化步驟，進而有效降低習知硝化脫硝程序的能耗。
100‧‧‧生物處理裝置
101‧‧‧處理槽
103‧‧‧氣泡
104‧‧‧上方
105‧‧‧進流水管路
107‧‧‧氣體管路
108‧‧‧擔體
109‧‧‧管路
111/113‧‧‧探針
115/117‧‧‧線路
121/122/123/611‧‧‧箭頭
201/203/205/209/501/503/601/603/605/607‧‧‧曲線
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：〔圖1〕係繪示根據本發明一實施例之生物處理裝置的局部剖面圖。
〔圖2〕係繪示根據本發明一實施例之馴養污泥圖在馴養期間的主要菌群的菌數曲線圖。
〔圖3〕係繪示含氨氮廢水經本發明實施例1或比較例1之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化長條圖。
〔圖4〕係繪示含氨氮廢水經本發明實施例1或比較例2之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化長條圖。
〔圖5〕係繪示含氨氮廢水經實施例2不同鹼度之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化的標準曲線。
〔圖6〕係繪示根據本發明實施例3之生物處理步驟在不同時間添加鹼度的亞硝酸鹽含量、硝酸鹽含量、氨含量以及pH值的曲線圖。
承前所述，本發明提供一種生物處理含氨氮廢水的方法，在好氧環境下，利用煉焦廢水馴養之污泥，可將含氨氮廢水之氨氮有效轉變成亞硝酸鹽，以大幅降低硝酸鹽的產生。
本發明此處所稱之「含氨氮廢水」，係指含有NH3或NH4 +之氨氮的廢水。
本發明此處所稱之「馴養污泥」，係指生物活性污泥在好氧環境中與煉焦廢水反應以進行馴養步驟，其中生物活性污泥之污泥停留時間為至少20天，且馴養步驟進行例如至少180天，以獲得馴養污泥。在一實施例中，上述生物活性污泥可源自於煉焦場廢水的好氧活性污泥，馴養污泥的菌種可包括但不限於α-變形菌門(α-Proteobacteria)之寡氧菌屬(Oligotropha sp.)與山達雷辛諾桿菌屬(Sandarcinobacter sp.)，β-變形菌門(β-Proteobacteria sp.)之嗜脂環菌屬(Alicycliphilus sp.)、硫桿菌屬(Thiobacillus sp.)、亞硝酸單孢菌屬(Nitrosomonas sp.)、叢毛單孢菌屬(Comamonas sp.)、奧托維亞菌屬(Ottowia sp.)與極小單孢菌屬(Pusillimonas sp.)、厚壁菌門(Firmicutes之優桿菌屬(Eubacterium sp.)以及上述之任意組合。
在此說明的是，本發明的馴養污泥實際上並不含亞硝酸氧化菌，或者所含的亞硝酸氧化菌之菌量未達可被偵測的量，抑或所含的亞硝酸氧化菌菌量低於馴養污泥之總 菌量的1%。由於本發明的馴養污泥實際上並不含亞硝酸氧化菌或其菌量不足以造成影響，因此利用前述之馴養污泥處理含氨氮廢水後，可以有效累積亞硝酸鹽含量，又抑制硝酸鹽的產生。
本發明利用煉焦廢水馴養生物活性污泥。在一實施例中，煉焦廢水包括100毫克/公升(mg/L)至1000mg/L之總酚含量、大於0mg/L至600mg/L之氨氮含量以及1000mg/L至5000mg/L之化學需氧量(chemical oxygen demand；COD)。
在其他實施例中，上述馴養步驟可進一步使生物活性污泥與煉焦廢水反應，例如污泥停留時間可例如為20天至60天，而煉焦廢水之平均水力停留時間可例如為1天至2天。
在此說明的是，倘若使用上述煉焦廢水以外之廢水馴養生物活性污泥，則後續所得之馴養污泥處理含氨氮廢水後，無法同時累積亞硝酸鹽含量又抑制硝酸鹽的產生。
前述的馴養污泥可導入處理裝置中，形成生物處理裝置，以利於後續處理含氨氮廢水。本發明的處理裝置不拘，可例如為習知的曝氣池或流體化床。前述的流體化床可例如為好氧上流式流體化床(aerobic upflow fluidized bed)。在一例示中，當處理裝置為曝氣池或流體化床時，馴養污泥可懸浮培養、或置於擔體108中，以增加馴養污泥的濃度，其中擔體108可例如為生物載體或生物擔體(例如泡棉、塑膠、不織布等)，可裝填或留置馴養污泥所含的微 生物。
在上述實施例中，適用於本發明之生物處理裝置可例如圖1繪示之根據本發明一實施例之生物處理裝置的局部剖面圖。在圖1中，生物處理裝置100可包括處理槽101，例如曝氣池或流體化床，處理槽101的底部可設有進流水管路105，而處理槽101的上方104可設有多個管路，例如氣體管路107以及管路109。
在上述實施例中，含氨氮廢水可以沿著箭頭121所示的方向通過進流水管路105導入處理槽101，以進行後續的第一生物處理步驟，其中進流水管路105更可選擇性設置泵或閥(圖未繪示)，以調控進流水的流量。
在上述實施例中，含氧氣體可以沿著箭頭123所示的方向通過氣體管路107導入處理槽101的底部，以釋放出含氧氣體的氣泡103，提供第一生物處理步驟所需的好氧環境，其中氣體管路107更可選擇性設置閥(圖未繪示)，以調控含氧氣體的流量。
在上述實施例中，出流水可經由管路109自處理槽101沿著箭頭122所示的方向由處理槽101之上方導出。
另外，在上述實施例中，處理槽101的上方104更可設有多個探針111、探針113等，以測量處理槽101內的酸鹼值、溶氧等，並將相關測量值經由線路115、線路117等傳送到控制單元(圖未繪示)。
在一實施例中，生物處理裝置100的處理槽101 可進行第一生物處理步驟，而第一生物處理步驟可利用以下處理條件進行。前述馴養污泥在生物處理裝置之混合液懸浮固體物濃度(mixed liquid suspended solid；MLSS)可例如為1000mg/L至7000mg/L。倘若前述馴養污泥在生物處理裝置之MLSS低於1000mg/L，則會增加處理時間而無法達到節能的功效。倘若前述馴養污泥在生物處理裝置之MLSS超過7000mg/L，則出流水不易進行固液分離。
在一實施例中，第一生物處理步驟之處理條件更包含使含氨氮廢水於生物處理裝置中的酸鹼值為pH 6.0至8.0，且含氨氮廢水於生物處理裝置中的鹼度可例如相當於50mg/L至650mg/L之碳酸鈣。在一例示中，上述含氨氮廢水的鹼度可由鹼劑提供，其中適合的鹼劑可例如為碳酸氫鈉或碳酸鈉。
備妥生物處理裝置後，可接著進行第一生物處理步驟。在一實施例中，將含氨氮廢水導入至上述生物處理裝置中反應至少30小時，使含氨氮廢水之氨氮藉由馴養污泥的微生物，氧化為亞硝酸鹽，而獲得中間處理水。在一例示中，上述含氨氮廢水之氨氮濃度可例如為大於0mg/L至400mg N/L但不含亞硝酸鹽。
在進行上述第一生物處理步驟時，可利用下述之處理條件進行：含氨氮廢水與馴養污泥之食微比可例如為0g NH3-N/g MLSS至0.2g NH3-N/g MLSS，含氨氮廢水於生物處理裝置中的酸鹼值可例如為pH 6.0至8.0，含氨氮廢水於生物處理裝置中的鹼度可例如相當於50mg/L至 650mg/L之碳酸鈣，且第一生物處理步驟之操作溫度可例如為大於20℃至40℃。在其他例子中，第一生物處理步驟之操作溫度又以30℃至35℃為較佳。
在此說明的是，倘若上述第一生物處理步驟利用上述處理條件以外的範圍進行，則生物處理裝置之馴養污泥處理含氨氮廢水後，無法同時累積亞硝酸鹽含量又抑制硝酸鹽的產生。
上述第一生物處理步驟於好氧環境下進行，可有利於馴養污泥將含氨氮廢水之氨氮有效轉變成亞硝酸鹽。因此，在一實施例中，上述第一生物處理步驟可選擇性將含氧氣體導入含氨氮廢水中，使含氨氮廢水的溶氧含量為0.5mg/L至6.0mg/L，以助於使馴養污泥順利將含氨氮廢水之氨氮轉化為亞硝酸鹽。在一個例示中，前述的含氧氣體可例如為空氣或氧氣，而導入的含氧氣體使含氨氮廢水的溶氧含量例如為0.5mg/L至6.0mg/L。
在此說明的是，經上述第一生物處理步驟後之中間處理水，具有較高含量的亞硝酸鹽但較低的硝酸鹽。在一個例示中，中間處理水之亞硝酸鹽含量可例如大於0mg/L至400mg/L，但不含氨氮且硝酸鹽含量遠低於亞硝酸鹽含量的十分之一。
在其他實施例中，於第一生物處理步驟之後，前述所得的中間處理水更可選擇性進行第二生物處理步驟，例如短程硝化脫硝步驟及/或厭氧氨氧化步驟，以將中間處理水之亞硝酸鹽轉換為氮氣而脫硝。前述之短程硝化脫 硝步驟及/或厭氧氨氧化步驟可使用任何習知方式進行，不限於上述所舉，且為本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者所熟知，不另一一贅述。
以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。
馴養生物活性污泥
製備例
首先，製備例的生物活性污泥是取自於中鋼廠的煉焦場中好氧處理廢水的活性污泥，利用煉焦廢水馴養生物活性污泥，使生物活性污泥與煉焦廢水反應的污泥停留時間為20天至60天，而煉焦廢水之平均水力停留時間可例如為1天至2天，以獲得馴養污泥。實施例1使用的煉焦廢水包括100mg/L至1000mg/L之總酚含量、大於0mg/L至600mg/L之氨氮含量以及1000mg/L至5000mg/L之COD。製備例所得的生物活性污泥以後述之各種評估方式加以評估。
生物處理步驟
實施例1
實施例1是取製備例之馴養污泥，導入圖1之生物處理設備中，反應至少30小時，以獲得中間處理水，其中生物處理條件如下：含氨氮廢水之氨氮濃度為大於 172mg N/L但不含亞硝酸鹽，馴養污泥之MLSS為5000mg/L，含氨氮廢水與馴養污泥之食微比為0.034g NH3-N/g MLSS，含氨氮水於生物處理裝置中的酸鹼值為pH 6.0至8.0，含氨氮廢水於生物處理裝置中的鹼度為50mg/L至650mg/L之碳酸鈣，且生物處理步驟之操作溫度為35℃。含氨氮廢水經本發明實施例之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化，如圖3至圖4所示。
實施例2
實施例2是取製備例之馴養污泥，使用與實施例1相同的方法進行生物處理步驟，以獲得中間處理水，不同之處在於實施例2的生物處理步驟使用碳酸氫鈉作為鹼劑維持生物處理步驟的鹼度，其添加之鹼度相當於100mg/L至500mg/L之碳酸鈣。含氨氮廢水經實施例2之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化的標準曲線，如圖5所示。
實施例3
實施例3是取製備例之馴養污泥，使用與實施例1相同的方法進行生物處理步驟，以獲得中間處理水，不同之處在於實施例3的生物處理步驟在不同時間點使用碳酸氫鈉作為鹼劑，以維持生物處理步驟的鹼度，使含氨氮廢水之酸鹼值維持在pH 6.0至8.0之間。含氨氮廢水經實施例3之生物處理步驟在不同時間添加鹼度的亞硝酸鹽含量、硝酸鹽含量、氨氮含量以及pH值的曲線圖，如圖6所示。
比較例1
比較例1的生物活性污泥是取自於鳳山溪污水場的都市污水處理污泥，使用與實施例1相同的方法進行生物處理步驟，以獲得中間處理水，但比較例1的生物活性污泥並未經過煉焦廢水馴養。含氨氮廢水經比較例1之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化，如圖3所示。
比較例2
比較例2是取製備例之馴養污泥，使用與實施例1相同的方法進行生物處理步驟，以獲得中間處理水，不同之處在於比較例2的生物處理步驟之操作溫度為20℃。含氨氮廢水經比較例2之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化，如圖4所示。
評估方式
1.菌種分布
實施例1所得的馴養污泥，可進一步利用16s核醣體DNA聚合酶鏈鎖反應(16s ribosomal DNA quantitative polymerase chain reaction；rDNA qPCR)的定量方法，長期分析其菌種分布。簡言之，首先，從實施例之馴養污泥分離出菌群，利用市售套組(例如Ultra CleanTM Soil DNA Isolation kit；MO BIO Laboratories,Inc.,USA)萃取其DNA，利用分子選殖技術挑選出各項目標菌群的單一克隆(clone)，以作為各項目標菌群定量分析的標準菌株。在進行上述分子選殖技術時，可利用EUB338f 和1392r的廣泛性引子(universal primers)與目標DNA進行配對，將污泥中細菌的16S rDNA序列放大，再將此PCR之基因產物利用市售載體(例如pGEM®-T Easy Vector，pGEM®-T and pGEM®-T Easy Vector Systems；Promega Co.,USA)與市售勝任細胞(例如Oneshot DH5α細胞)進行選殖。前述PCR定量分析可利用市售16s rDNA PCR定量套組(例如SYBR® Premix Ex TaqTM實驗套組)，根據製造商提供之操作手冊進行PCR定量分析，其結果如圖2所示。上述分離菌群、萃取DNA、專一性引子的設計、PCR反應條件以及PCR定量分析等，應為本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者所熟知，不另贅述。
請參閱圖2，其係繪示根據本發明一實施例之馴養污泥圖在馴養期間的主要菌群的菌數曲線圖。在圖2中，曲線201代表氨氧化菌之菌數(%)變化，曲線203代表脫硝菌之菌數(%)變化，曲線205代表氨氧化菌、脫硝菌以及亞硝酸氧化菌以外的其他菌種之菌數(%)變化，曲線209則代表亞硝酸氧化菌之菌數(%)變化。
由圖2的結果可知，在實施例之馴養污泥中，其他菌種之生長曲線205較高，脫硝菌之生長曲線203居次，氨氧化菌之生長曲線201再次之，而亞硝酸氧化菌之生長曲線209則小於1%，代表實施例之馴養污泥確實可以有效累積亞硝酸鹽含量，又抑制硝酸鹽的產生。
實施例之馴養污泥的菌種經過進一步分析，GenBank中相似度最高的鑒定菌株如表1所示。其中文獻 指出Phenanthrene biodegrading biofilm clone COB16具有酚降解能力(Hung et al.,2013)、Thiobacillus thioparus strain THI具有氰降解及脫硝能力(Katayama et al.,1992)、Alicycliphilus denitrificans BC strain BC、Comamonadaceae bacterium R042、Comamonas sp.ST18具有脫硝能力(Mechichi et al.,2003；Weelink et al.,2008；Oosterkamp et al.,2011)、Nitrosomonas sp.CNS332、Comamonas sp.ST18具有氨氧化能力(Jin et al.,2010；Srinandan et al.,2011)，上述以及下述所列的參考文獻一併列為本發明說明書之一部份。由此證明此實施例使用之馴養污泥的菌種皆為目前已報導的菌種，可由上述參考資料取得相關菌株。
在表1中，CSB1為分離自酚降解半批次生物反應器之菌種之一，CSB2為分離自洞穴生態之菌種之一，CSB8為分離自煉焦廢水之菌種之一，CSB10為分離自厭氧氨氧化反應器之菌種之一，CSB11為分離自硝化生物反應器之菌種之一，CSB14為分離自批次馴養活性污泥之菌種之一，CSB15為分離自醫院被抗生素污染廢水之菌種之一，CSB17為分離自四氯乙烷污染含水層之菌種之一，CSB18為分離自風化土壤之菌種之一，CSB24為分離自掩埋場土壤之菌種之一，CSB25為分離自掩埋場土壤之菌種之一，而CSB29為分離自白楊木土壤之菌種之一。
表1菌種相關之參考文獻如下：Huang, Y., J. Zhang and L. Zhu (2013) Evaluation of The Application Potential of Bentonites in Phenanthrene Bioremediation by Characterizing The Biofilm Community. Bioresource Technology, 134, 17-23.
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2.亞硝酸鹽生成量
請參閱圖3至圖4，其係繪示含氨氮廢水經本發明實施例1(圖3與圖4之右邊二個長條)、比較例1(圖3之左邊二個長條)或比較例2(圖4之左邊二個長條)之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化長條圖。經實施例1之生物處理步驟所得的中間處理水，其亞硝酸鹽含量為583mg/L，且硝酸鹽含量為37mg/L，如圖3至圖4所示。
相較之下，經比較例1之生物處理步驟所得的中間處理水，其亞硝酸鹽含量減少了138mg/L，且硝酸鹽含量為300mg/L，如圖3所示，證明利用製備例以外之生物活性污泥處理含氨氮廢水，無法同時累積亞硝酸鹽含量又抑制硝酸鹽的產生。
經比較例2在20℃操作之生物處理步驟所得的中間處理水，其亞硝酸鹽含量為0mg/L，且硝酸鹽含量為2 mg/L，如圖4所示，證明利用製備例之生物活性污泥但在實施例1至實施例3以外之操作溫度處理含氨氮廢水，亦無法同時累積亞硝酸鹽含量又抑制硝酸鹽的產生。
3.鹼度與亞硝酸鹽之生成量的關係
含氨氮廢水經不同鹼度之生物處理步驟處理，可控制其所得的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量。
請參閱圖5，其係繪示含氨氮廢水經本發明實施例2之生物處理步驟處理前後的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化的標準曲線。在圖5中，橫軸代表鹼度添加量(相當於mg/L之碳酸鈣)，縱軸代表含氨氮廢水的亞硝酸鹽與硝酸鹽之含量變化(mg/L)，曲線501代表亞硝酸鹽之含量變化的標準曲線，曲線503代表硝酸鹽之含量變化的標準曲線。曲線501與曲線503之關係式如下式(I)所示：y=ax+b (I)
在式(I)中，x代表鹼度，而y代表亞硝酸鹽或硝酸鹽之含量。
由圖5之結果可知，曲線501之a值為0.58，而相關係數R2為0.67，代表鹼度與亞硝酸鹽之含量彼此間具有顯著相關性，也證明含氨氮廢水之生物處理步驟確實可藉由不同鹼度控制其所得的亞硝酸鹽之含量。
相較之下，曲線503之a值為0.04，而相關係數R2為-0.26，代表鹼度與硝酸鹽之含量彼此間並無顯著相關性。
另外，請參閱圖6，其係繪示根據本發明實施例3之生物處理步驟在不同時間添加鹼度的亞硝酸鹽含量、硝酸鹽含量、氨氮含量以及pH值的曲線圖。在圖6中，橫軸代表處理時間(小時)，縱軸代表含氨氮廢水的亞硝酸鹽含量(mg/L)、硝酸鹽含量(mg/L)、氨氮含量(mg/L)以及pH值變化，其中曲線601代表亞硝酸鹽的含量變化，曲線603代表硝酸鹽的含量變化，曲線605代表氨氮的含量變化，曲線607代表pH值的變化，箭頭611代表添加鹼度的時間點。
由圖6之結果可知，如箭頭611所示，在處理時間4小時、24小時、28小時分別添加鹼度後，不僅可以將生物處理步驟的pH值控制在pH 6.0至pH 8.0之間，而且提升亞硝酸鹽的含量，又可降低氨氮的含量並抑制硝酸鹽的產量。
在上述實施例中，每組數據之樣本數至少為3個(n≧3)。
綜言之，實施例1至實施例3應用本發明之生物處理含氨氮廢水的方法，在好氧環境下，利用煉焦廢水馴養之污泥，可將含氨氮廢水之氨氮有效轉變成亞硝酸鹽，且大幅降低硝酸鹽的產生。藉由控制含氨氮廢水的鹼度，可調整所得的中間處理水之亞硝酸鹽達到所需的濃度，以快速接續進行習知短程硝化脫硝步驟及/或厭氧氨氧化步驟，進而有效降低習知硝化脫硝程序的能耗。相較之下，比較例1至比較例2因未使用煉焦廢水馴養污泥，或未使用特定的處理條件進行生物處理步驟，無法穩定控制所得之中間處理水中的 亞硝酸鹽的濃度，亦無法降低硝酸鹽的產生。
需補充的是，本發明雖以特定來源的生物污泥、特定的馴養條件、特定處理條件之生物處理步驟作為例示，說明本發明之生物處理含氨氮廢水的方法，惟本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者可知，本發明並不限於此，在不脫離本發明之精神和範圍內，本發明之生物處理含氨氮廢水的方法亦可使用其他來源的生物污泥、其他的馴養條件、其他處理條件之生物處理步驟進行。
由上述本發明實施例可知，本發明之生物處理含氨氮廢水的方法，其優點在於在好氧環境下，利用煉焦廢水馴養之污泥，可將含氨氮廢水之氨氮有效轉變成亞硝酸鹽，以大幅降低硝酸鹽的產生。其次，藉由控制含氨氮廢水的鹼度，可調整所得的中間處理水之亞硝酸鹽達到所需的濃度，以快速接續進行習知短程硝化脫硝步驟及/或厭氧氨氧化步驟，進而有效降低習知硝化脫硝程序的能耗。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
201/203/205/209‧‧‧曲線

Claims (13)

  1. 一種生物處理含氨氮廢水的方法，包含：進行一馴養步驟，使一生物活性污泥在一好氧環境中與一煉焦廢水反應，以獲得一馴養污泥，其中該馴養污泥之氨氧化菌群優於亞硝酸氧化菌群，該煉焦廢水包括100毫克/公升(mg/L)至1000mg/L之一總酚含量、大於0mg/L至600mg/L之氨氮含量以及1000mg/L至5000mg/L之化學需氧量(chemical oxygen demand；COD)，該生物活性污泥之一污泥停留時間為至少20天，且該馴養步驟進行至少180天；將該馴養污泥導入一處理裝置中，以形成一生物處理裝置，其中該馴養污泥之一混合液懸浮固體物濃度(mixed liquid suspended solid；MLSS)為1000mg/L至7000mg/L；以及進行一第一生物處理步驟，將一含氨氮廢水導入至該生物處理裝置中反應，使該含氨氮廢水之氨氮氧化為亞硝酸鹽，以獲得一中間處理水，其中該含氨氮廢水之一氨氮濃度為大於0mg/L至400mg N/L但不含亞硝酸鹽，且該第一生物處理步驟之一處理條件包括：該含氨氮廢水與該馴養污泥之一食微比為0g NH3-N/g MLSS至0.2g NH3-N/g MLSS，該含氨氮廢水於該生物處理裝置中的一酸鹼值為pH 6.0至8.0，該含氨氮廢水於該生物處理裝置中的一鹼度相當於50mg/L至650mg/L之碳酸鈣，且該第一生物處理步驟之一操作溫度為20℃至40℃，且 其中該中間處理水之亞硝酸鹽含量為大於0mg/L至400mg/L且硝酸鹽含量低於該亞硝酸鹽含量的十分之一。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中該馴養污泥之菌種包括α-變形菌門(α-Proteobacteria)之寡氧菌屬(Oligotropha sp.)與山達雷辛諾桿菌屬(Sandarcinobacter sp.)，β-變形菌門(β-Proteobacteria sp.)之嗜脂環菌屬(Alicycliphilus sp.)、硫桿菌屬(Thiobacillus sp.)、亞硝酸單孢菌屬(Nitrosomonas sp.)、叢毛單孢菌屬(Comamonas sp.)、奧托維亞菌屬(Ottowia sp.)與極小單孢菌屬(Pusillimonas sp.)、厚壁菌門(Firmicutes)之優桿菌屬(Eubacterium sp.)以及上述之任意組合。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中在該馴養步驟中，該污泥停留時間為20天至60天。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中在該馴養步驟中，該煉焦廢水之一平均水力停留時間為1天至2天。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中該處理裝置為一曝氣池或一流體化床。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中該馴養污泥係懸浮培養於該曝氣池中。
  7. 根據申請專利範圍第5項所述之生物處理 含氨氮廢水的方法，其中該馴養污泥係裝填於複數個生物載體內，且該些生物載體係培養於該曝氣池或該流體化床中。
  8. 根據申請專利範圍第5項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中該流體化床為一好氧上流式流體化床(aerobic upflow fluidized bed)。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中該含氨氮廢水的該鹼度是由一鹼劑提供，且該鹼劑為碳酸氫鈉或碳酸鈉。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中該第一生物處理步驟更包括將一含氧氣體導入該含氨氮廢水中，使該含氨氮廢水的一溶氧含量為0.5mg/L至6.0mg/L。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中該含氧氣體為空氣或氧氣。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中在該第一生物處理步驟中，該第一生物處理步驟之該操作溫度為30℃至35℃。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述之生物處理含氨氮廢水的方法，其中在該第一生物處理步驟之後，更包括：進行一第二生物處理步驟，使該中間處理水進行一短程硝化脫硝步驟及/或一厭氧氨氧化步驟，以將該中間處理水之該亞硝酸鹽轉換為氮氣。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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