TW202026254A - 沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統與方法 - Google Patents

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Abstract

一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，包括：一第一厭氧除碳處理單元、一厭氧脫氮單元、以及一生物脫硫單元，其包括至少一種自營性脫硝菌以進行自營性脫硝反應。一廢水經該第一厭氧除碳處理單元處理，以降低該廢水之化學需氧量，而形成一第一沼液，並產生含硫化氫之一沼氣。該第一沼液被輸送至該厭氧脫氮單元，以使該第一沼液脫氮並產生含硝酸根之一第二沼液，且該第二沼液再被輸送至該生物脫硫單元，而含硫化氫之該沼氣亦被輸送至該生物脫硫單元。於該生物脫硫單元中，該至少一種自營性脫硝菌以該第二沼液中之該硝酸根氧化該硫化氫而產生硫酸根與氮氣，以使該沼氣脫硫並去除硫化氫，而形成一經脫硫之沼氣並排出。

Description

沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統與方法
本發明係關於廢水處理，且特別是關於一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統與方法。
厭氧消化是一種於處理有機固體廢棄物領域常用的方法，其藉由一連串的生化反應（包括，水解、有機酸化、酸化及甲烷化反應等），可將有機固體物分解並且可回收沼氣（甲烷）。然而，產生沼氣時之副產物硫化氫往往會降低沼氣發電時能源回收的效益，且常導致設備的損耗，因此降低副產物硫化氫為沼氣回收中非常重要的一環。
一般硫化氫的處理多採用好氧脫硫程序，又厭氧消化後產生的沼液亦會含有高濃度的氨氮。由於厭氧消化過程已將大部分有機成分轉化成甲烷，因此沼液中的氨氮去除採用厭氧氨氧化為相對符合經濟效益的做法（厭氧氨氧化是利用亞硝酸鹽作為電子接受者，將氨氮氧化成氮氣與硝酸鹽的反應）。惟，厭氧氨氧化雖然可將約90%的氨氮轉化成氮氣，但是仍有約10%以硝酸鹽形式存在的氮無法處理，而可能導致超過放流水硝酸鹽的管制標準。而其中，如欲去除硝酸鹽則需額外添加有機碳源。
無論前述的好氧脫硫的動力消耗或是脫硝尚需額外添加的碳源，皆會使整個含有有機固體物之廢水處理及沼氣能源回收的成本提高。因此，目前亟需一種既可整合廢水之脫硫與脫氮處理，且可降低處理成本的廢水處理方法與系統。
本發明提供一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，包括：一第一厭氧除碳處理單元、一厭氧脫氮單元、以及一生物脫硫單元，其包括至少一種自營性脫硝菌以進行自營性脫硝反應。其中，一廢水經該第一厭氧除碳處理單元處理，以降低該廢水之化學需氧量，而形成一第一沼液，並產生含硫化氫之一沼氣，又，該第一沼液被輸送至該厭氧脫氮單元，以使該第一沼液脫氮並產生含硝酸根之一第二沼液，且該第二沼液再被輸送至該生物脫硫單元，而含硫化氫之該沼氣亦被輸送至該生物脫硫單元。且其中，於該生物脫硫單元中，該至少一種自營性脫硝菌以該第二沼液中之該硝酸根氧化該硫化氫而產生硫酸根與氮氣，以使該沼氣脫硫並去除硫化氫，而形成一經脫硫之沼氣並排出。
本發明也提供一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，係經由上述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統來進行。
本發明還提供一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，包括：(a) 將一廢水進行一第一厭氧除碳處理，以降低該廢水之化學需氧量，而形成一第一沼液，並產生含硫化氫之一沼氣；(b) 將該第一沼液進行一厭氧脫氮處理，以使該第一沼液脫氮並產生含硝酸根之一第二沼液；以及(c) 將該第二沼液與該沼氣進行一生物脫硫處理，其中該生物脫硫處理係藉由至少一種自營性脫硝菌所進行，且其中，該自營性脫硝菌係以該第二沼液中之該硝酸根氧化該硫化氫而產生硫酸根與氮氣，以使該沼氣脫硫並去除硫化氫而形成一經脫硫之沼氣，並使該第二沼液再進一步脫氮。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
本發明提供一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統。
本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，不須藉由額外的好氧單元或其相關裝置，即可達成同時完成脫氮與脫硫處理，不僅能有效降低廢水處理成本，並可有效減少或完全去除廢水處理期間所產生之沼氣硫化氫，進而提升沼氣回收與再利用之效益，並可減少沼氣發電設施的損耗。
具體而言，藉由本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，於脫硫處理中，可有效再利用廢水於脫氮處理中無法完全轉換成氮氣的含氮化合物（例如，以硝酸鹽形式存在）作為脫硫反應中之電子接受者，而不需氧氣，進而達成將沼氣硫化氫脫硫且可進一步將廢水完全脫氮的雙重功效。
適用本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統進行處理的廢水可包括含有有機物之廢水，但不限於此。含有有機物之廢水的例子則可包括，但不限於，畜牧廢水、農業廢水、家庭廢水等或其任意之組合。畜牧廢水可包括養豬業之豬糞尿等，但不限於此。
本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統可包括，但不限於，一第一厭氧除碳處理單元、一厭氧脫氮單元與生物脫硫單元，其中生物脫硫單元可包括至少一種自營性脫硝菌以進行自營性脫硝反應。
第1A圖顯示，本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100與廢水處理流程之一實施例的示意圖。
參見第1A圖。本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100包括第一厭氧除碳處理單元101、厭氧脫氮單元103與生物脫硫單元105。
於本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100中，首先，一廢水W進入第一厭氧除碳處理單元101並經由第一厭氧除碳處理單元101進行第一厭氧除碳處理，以降低廢水W之化學需氧量，而形成第一沼液S1，並產生含硫化氫之一沼氣G1。
第一厭氧除碳處理單元101可包括至少一種厭氧微生物，但不限於此。上述至少一種厭氧微生物可包括，但不限於，梭菌屬(Clostridium )之細菌、嗜蛋白質菌屬(Proteiniphilum )之細菌、互營單胞菌屬(Syntrophomonas )之細菌、紫單胞菌屬(Petrimonas )之細菌、沉澱桿菌屬(Sedimentibacter )之細菌、甲烷螺旋菌屬(Methanospirillum )之細菌、甲烷絲菌屬(Methanothrix )之細菌、甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter )之細菌、甲烷囊菌屬(Methanoculleus )之細菌等或其任意之組合。
於第一厭氧除碳處理單元101中，可藉由上述至少一種厭氧微生物來降低廢水W之化學需氧量，而形成第一沼液S1，與產生含硫化氫之沼氣G1，但不限於此。
在一實施例中，第一厭氧除碳處理單元101的例子，可包括一厭氧醱酵槽等，但不限於此。
接著，第一沼液S1被輸送至厭氧脫氮單元103以進行厭氧脫氮反應，以使第一沼液S1脫氮並產生含硝酸根之第二沼液S3，而含硫化氫之沼氣G1則被輸送至生物脫硫單元105。
第一厭氧除碳處理單元101可與厭氧脫氮單元103連接或不連接，並無特殊限定，只要第一沼液S1可被輸送至厭氧脫氮單元103即可。例如，在第一厭氧除碳處理單元101與厭氧脫氮單元103不連接的情況，可將第一厭氧除碳處理單元101所產生之第一沼液S1從第一厭氧除碳處理單元101取出，再將其加入厭氧脫氮單元103中，但不限於此。
又，於本發明中所使用之用語「連接」，可為直接連接或間接連接，並無特殊限定。
上述厭氧脫氮單元103的例子則可包括，但不限於厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, anammox)單元。
上述厭氧脫氮單元103可包括至少一種厭氧脫氮微生物，但不限於此。
於厭氧脫氮單元103中，可藉由上述至少一種厭氧脫氮微生物來使第一沼液S1脫氮並產生含硝酸根之第二沼液S3，但不限於此。
而上述至少一種厭氧脫氮微生物的例子，則可包括，但不限於，至少一種厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, anammox)菌。
在一特定實施例中，厭氧脫氮單元103為一厭氧氨氧化單元，而厭氧氨氧化單元103包括至少一種厭氧氨氧化菌。
於此特定實施例中，於厭氧脫氮單元103中，可進行下方反應方程式所示之厭氧氨氧化反應以脫氮，但不限於此。
NH4 + + 1.32 NO2 - + 0.13 H+ +0.066HCO3 - → 0.066 CH2 O0.5 N0.15 + 0.26 NO3 - + 1.02 N2 + 2.03 H2 O。
又，上述至少一種厭氧氨氧化菌並無特殊限制，只要是可進行厭氧氨氧化反應之細菌即可，且其可自然存在於汙泥中。上述至少一種厭氧氨氧化菌的例子，可包括候選屬(Candidatus)Kuenenia 之細菌、候選屬Jettenia 之細菌、候選屬Brocadia 之細菌、候選屬Anammoxoglobus 之細菌、候選屬Scalindua 之細菌等或其任意之組合，但不限於此。前方所提及之各候選屬尚無正式中文命名。
候選屬Kuenenia 之細菌可包括，但不限於Kuenenia stuttgartiensis 等。候選屬Jettenia 之細菌則包括Jettenia asiatica 、Jettenia caeni 或其任意之組合，但不限於此。候選屬Brocadia 之細菌的例子則可包括，但不限於，Brocadia fulgida 、Brocadia anammoxidans 、Brocadia sinica 等或其任意之組合。候選屬Anammoxoglobus 之細菌可包括Anammoxoglobus progionicus 等，但不限於此。候選屬Scalindua 之細菌的例子則可包括，但不限於，Scalindua wagneri 、Scalindua brodae 、Scalindua sorokinii 、Scalindua marina 、Scalindua profunda 、Scalindua Arabica 等與其任意之組合。上述屬於各候選屬之細菌皆尚無正式中文命名。
在一實施例中，於本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100中，厭氧脫氮單元103可設置有一線上感測裝置，以監測於厭氧脫氮單元103內之沼液的情況，並根據厭氧脫氮單元103中之沼液處理的情況，來調控第二沼液S3需輸送至生物脫硫單元105的量，而形成一自動控制系統。於此實施例中，線上感測裝置可包括任何得以偵測可用於判斷厭氧脫氮單元103內於處理中之沼液之狀況的參數的感測器，例如，一pH感測器、一硝酸根(NO3 - )感測器、一氧化還原電位感測器等或其任意之組合，但不限於此。
於含硝酸根之第二沼液S3產生之後，含硝酸根之第二沼液S3被輸送至生物脫硫單元105。而於生物脫硫單元105中所包括之至少一種自營性脫硝菌係指，只要是具有將硝酸鹽作為電子接受者而將硫化氫氧化成硫酸鹽之能力的細菌即可，並無特殊限制。
具體而言，於生物脫硫單元105中，上述至少一種自營性脫硝菌以第二沼液S3中之硝酸根來氧化前述由第一厭氧除碳處理單元101所產生並被輸送至生物脫硫單元105之含硫化氫的沼氣G1，而產生硫酸根與氮氣，以使沼氣G1脫硫並去除硫化氫而形成一經脫硫之沼氣G3並排出。又，第二沼液S3經上述氧化後，可以排放水E形式自生物脫硫單元105被排出及/或回流至厭氧脫氮單元103。
於生物脫硫單元105中，可進行下方反應方程式所示之去硝化反應以使沼氣G1脫硫並使第二沼液S3進一步脫氮，但不限於此。
1.24 NO3 - + S2 O3 2- + 0.11 H2 O + 0.45 HCO3 - +0.09 NH4 + → 0.09 C5 H7 O2 N + 0.62N2 + 0.4 H+ +2SO4 2- 。
而於生物脫硫單元105中所包括之至少一種自營性脫硝菌，可自然存在於汙泥中，且可包括，但不限於，硫桿菌屬(Thiobacillus )之細菌等。硫桿菌屬(Thiobacillus )之細菌的例子，則可包括排硫硫桿菌(Thiobacillus thioparus )、脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans )等或其任意之組合，但不限於此。
又，於一實施例中，生物脫硫單元105可包括一擔體(carrier)，特別是多孔性擔體，以作為上述至少一種自營性脫硝菌進行附著及生長的介質。擔體之材料可包括多孔性泡棉(porous foam)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)、聚乙烯(polyethylene, PE)或聚氨酯(polyurethane, PU)，但不限於此。
第一厭氧除碳處理單元101可與生物脫硫單元105連接或不連接，並無特殊限定，只要含硫化氫之沼氣G1可被輸送至生物脫硫單元105即可。例如，在第一厭氧除碳處理單元101與生物脫硫單元105不連接的情況，可從第一厭氧除碳處理單元101收集所產生之含硫化氫之沼氣G1，再將其加入生物脫硫單元105中，但不限於此。
相似地，厭氧脫氮單元103可與生物脫硫單元105連接或不連接，並無特殊限定，只要第二沼液S3可被輸送至生物脫硫單元105即可。例如，在厭氧脫氮單元103與生物脫硫單元105不連接的情況，可將厭氧脫氮單元103所產生之第二沼液S3從厭氧脫氮單元103取出，再將其加入生物脫硫單元105中，但不限於此。
在一實施例中，於本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100中，生物脫硫單元105可設置有一硫化氫感測器，以監測從生物脫硫單元105排出之經脫硫之沼氣G3中的殘留硫化氫含量。
在一實施例中，於本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100中，第一厭氧除碳處理單元101可分別與厭氧脫氮單元103及生物脫硫單元105連接，又厭氧脫氮單元103可與生物脫硫單元105連接。
又，在一實施例中，本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100，可更包括一發電機，以利用經脫硫之沼氣G3進行發電。
第1B圖顯示，於本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統與廢水處理流程之另一實施例的示意圖。
參見第1B圖。本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100’包括第一厭氧除碳處理單元101、第二厭氧除碳處理單元102、厭氧脫氮單元103與生物脫硫單元105。
相似於上述本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100與廢水處理流程的相關敘述，於本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100’中，首先，一廢水W進入第一厭氧除碳處理單元101並經由第一厭氧除碳處理單元101進行處理，以降低廢水W之化學需氧量，而形成第一沼液S1，並產生含硫化氫之一沼氣G1。
關於第一厭氧除碳處理單元101之敘述，與前方所述相同，故不於此重複以避免贅述。
接著，第一沼液S1被輸送至第二厭氧除碳處理單元102，以進一步降低第一沼液S1之化學需氧量，而成為經進一步除碳之第一沼液S2，之後此經進一步除碳之第一沼液S2被輸送至厭氧脫氮單元103。
第一厭氧除碳處理單元101可與第二厭氧除碳處理單元102連接或不連接，並無特殊限定，只要第一沼液S1可被輸送至第二厭氧除碳處理單元102即可。例如，在第一厭氧除碳處理單元101與第二厭氧除碳處理單元102不連接的情況，可將第一厭氧除碳處理單元101所產生之第一沼液S1從第一厭氧除碳處理單元101取出，再將其加入第二厭氧除碳處理單元102中，但不限於此。
相似地，第二厭氧除碳處理單元102可與厭氧脫氮單元103連接或不連接，並無特殊限定，只要經進一步除碳之第一沼液S2可被輸送至厭氧脫氮單元103即可。例如，在第二厭氧除碳處理單元102與厭氧脫氮單元103不連接的情況，可將第二厭氧除碳處理單元102所產生之經進一步除碳之第一沼液S2從第二厭氧除碳處理單元102取出，再將其加入厭氧脫氮單元103中，但不限於此。
第二厭氧除碳處理單元102可包括至少一種厭氧微生物，但不限於此。上述至少一種厭氧微生物可包括，但不限於，梭菌屬之細菌、嗜蛋白質菌屬之細菌、互營單胞菌屬之細菌、紫單胞菌屬之細菌、沉澱桿菌屬之細菌、甲烷螺旋菌屬之細菌、甲烷絲菌屬之細菌、甲烷短桿菌屬之細菌、甲烷囊菌屬之細菌等或其任意之組合。
於第二厭氧除碳處理單元102中，可藉由上述至少一種厭氧微生物來降低第一沼液S1之化學需氧量，而形成經進一步除碳之第一沼液S2，但不限於此。
第二厭氧除碳處理單元102可包括，上流式厭氧污泥床反應器(up-flow anaerobic sludge blanket, UASB)、厭氧消化(anaerobic digestion, AD)反應器、厭氧流體化床生物處理技術(anaerobic fluidized bed, AFB)、厭氧膜生物反應器(anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)、厭氧膨脹顆粒污泥床(expanded granular sludge bed, EGSB)、厭氧固定膜反應器(Anaerobic fixed-film reactor)、內部循環厭氧(internal circulation, IC)反應器等，或其任意之組合，但不限於此。
經進一步除碳之第一沼液S2於進入厭氧脫氮單元103之後的處理流程以及關於厭氧脫氮單元103與生物脫硫單元105之敘述，均與上述本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100與廢水處理流程之相關段落中所述者相同，故不於此重複以避免贅述。
在一實施例中，於本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100’中，第一厭氧除碳處理單元101分別與第二厭氧除碳處理單元102及生物脫硫單元105連接，又第二厭氧除碳處理單元102與厭氧脫氮單元103連接，且厭氧脫氮單元103與生物脫硫單元105連接。
又，在一實施例中，本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統100’可更包括一發電機，以利用經脫硫之沼氣G3進行發電。
基於上述，本發明也可提供一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其可經由上述任何之本發明沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統來進行。
此外，本發明還可提供另一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法。其可包括下述步驟，但不限於此。
首先，將一廢水進行一第一厭氧除碳處理，以降低廢水之化學需氧量，而形成一第一沼液，並產生含硫化氫之一沼氣。
上述廢水可包括含有有機物之廢水，但不限於此。含有有機物之廢水的例子則可包括，但不限於，畜牧廢水、農業廢水、家庭廢水等或其任意之組合。畜牧廢水可包括養豬業之豬糞尿等，但不限於此。
而第一厭氧除碳處理可由至少一種厭氧微生物所進行，但不限於此。而至少一種厭氧微生物的相關說明與例子，可與上述第一厭氧除碳處理單元101之相關說明段落中所述者相同，故不於此重複以避免贅述。
第一厭氧除碳處理的例子可包括厭氧醱酵等，但不限於此。
接著，將上述第一沼液進行一厭氧脫氮處理，以使上述第一沼液脫氮並產生含硝酸根之一第二沼液。
上述厭氧脫氮處理可藉由至少一種厭氧脫氮微生物所進行，但不限於此。而至少一種厭氧脫氮微生物的相關說明與例子，可與上述厭氧脫氮處理單元103之相關說明段落中所述者相同，故同樣不於此重複以避免贅述。
厭氧脫氮處理的例子可包括，但不限於，厭氧氨氧化處理等。
在一實施例中，厭氧脫氮處理可為一厭氧氨氧化處理，且厭氧氨氧化處理可藉由至少一種厭氧氨氧化菌所進行，但不限於此。而至少一種厭氧氨氧化菌的相關說明與例子，可與上述厭氧脫氮處理單元103之相關說明段落中所述者相同，故同樣不於此重複以避免贅述。
於此實施例中，於上述厭氧脫氮處理中，可進行下方反應方程式所示之厭氧氨氧化反應以脫氮，但不限於此。
NH4 + + 1.32 NO2 - + 0.13 H+ +0.066HCO3 - → 0.066 CH2 O0.5 N0.15 + 0.26 NO3 - + 1.02 N2 + 2.03 H2 O。
接著，可將上述厭氧脫氮處理所產生之第二沼液與上述第一厭氧除碳處理所產生之含硫化氫之沼氣進行一生物脫硫處理。
上述生物脫硫處理可藉由至少一種自營性脫硝菌所進行，其中自營性脫硝菌以上述第二沼液中之硝酸根氧化硫化氫而產生硫酸根與氮氣，以使沼氣脫硫並去除硫化氫而形成一經脫硫之沼氣，並使第二沼液再進一步脫氮。
於上述生物脫硫處理中，可進行下方反應方程式所示之去硝化反應以使上述含硫化氫之沼氣脫硫並使上述第二沼液進一步脫氮，但不限於此。
1.24 NO3 - + S2 O3 2- + 0.11 H2 O + 0.45 HCO3 - +0.09 NH4 + → 0.09 C5 H7 O2 N + 0.62N2 + 0.4 H+ +2SO4 2- 。
關於至少一種自營性脫硝菌的說明與例子，可與前方在生物脫硫處理單元105相關說明段落中所述者相同，故同樣不於此重複以避免贅述。
又，在一實施例中，上述本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，除了上述第一厭氧除碳處理、厭氧脫氮處理與生物脫硫處理以外，可更包括在生物脫硫處理之後，利用上述經脫硫之沼氣進行發電。
此外，在一實施例中，上述本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，除了上述第一厭氧除碳處理、厭氧脫氮處理與生物脫硫處理以外，可更包括於上述第一厭氧除碳處理與上述厭氧脫氮處理之間，可更包括將上述第一沼液進行一第二厭氧除碳處理，以進一步降低上述第一沼液之化學需氧量。
第二厭氧除碳處理可由至少一種厭氧微生物所進行，但不限於此。而至少一種厭氧微生物的相關說明與例子，可與前方在第二厭氧除碳處理單元102說明段落中所述者相同，故不於此重複以避免贅述。
藉由上述任何本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，可於脫硫處理中，有效再利用廢水於脫氮處理中無法完全轉換成氮氣的含氮化合物（例如，以硝酸鹽形式存在）作為脫硫反應中之電子接受者，而不需氧氣，進而達成可將沼氣硫化氫脫硫且可進一步將廢水完全脫氮的雙重功效。
又，上述任何本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，不須額外之氧氣添加，即可達成同時完成脫氮與脫硫處理，而有效降低廢水處理成本，並可有效減少或完全去除廢水處理期間所產生之沼氣硫化氫，進而提升沼氣回收與再利用之效益，並可減少沼氣發電設施的損耗。
實施例
A. 簡易廢水處理系統測試
1. 簡易廢水處理系統
第2圖顯示，於本試驗中所採用之簡易廢水處理系統200的示意圖。此簡易廢水處理系統係模擬本發明系統中生物脫硫單元之運作，以確認本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理的可行性。
參見第2圖。簡易廢水處理系統200包括一長型管柱201，其為組裝型聚丙烯材料(polypropylene, PP)，也包括一循環水模組207。
長型管柱201頂部設置有一灑水裝置203，其可控制進入長型管柱201之水的進水流速，並可使水霧化，減小水滴大小，提升水與氣體的接觸表面積。長型管柱201內含擔體材料205，以作為自營性脫硝菌之微生物菌群進行附著並生長的介質。本實驗之簡易廢水處理系統200中所採用之擔體材料205是經生物網膜(BioNET)技術處理之高表面積且多孔性之擔體材料。BioNET技術原理為利用多孔性擔體作為微生物附著生長之介質，於適當的環境條件下，微生物於擔體的表面增殖形成生物膜，並藉由大量微生物及多樣性微生物族群之作用，分解水或廢水中之污染成份，達到淨化水質之目的 。此外，長型管柱201之頂部也設置有硫化氫感測器215，以偵測自長型管柱201排出之氣體G3的硫化氫含量。
簡易廢水處理系統200也包括一循環水模組207，循環水模組之進料水為厭氧氨氧化單元的出水AL，其含有硝酸根(NO3 - )。於長型管柱201中經過微生物處理的液體則會成為回流水RL回流至循環水模組207，而循環水模組207定期將其內含之循環水CL作為排放水EL輸送至灑水裝置203以作為灑水裝置203之水來源。
又，循環水模組207進一步設置有線上感測裝置，以即時監控循環水模組207內之循環水CL的情況。線上感測裝置包括硝酸根線上感測器209、pH線上感測器211與氧化還原電位線上感測器213。其中，循環水模組207可藉由硝酸根線上感測器209所感測之硝酸根濃度經由訊號SG1來控制是否需對循環水CL進行置換與進料，且循環水模組207亦可以藉由pH線上感測器211與氧化還原電位線上感測器213所分別感測之pH值與氧化還原電位來確認循環水CL之水質狀態，並經由訊號SG2與SG3同時控制是否需對循環水CL進行置換與進料，而如此一來，此簡易廢水處理系統200即成為自動控制系統。
2. 測試方法與條件
將循環水模組207中之循環水CL的pH控制於7.5-8.5間，而氧化還原電位控制於-100 mV至150 mV間。藉由pH與氧化還原電位訊號的回饋，可控制循環水CL之置換或進料。
依據第3圖，可知在不同pH值所對應之氧化還原電位，廢水常見成分之氧化還原狀態(Stumm, W. and Morgan, J. J. (1996): Aquatic Chemistry Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters (3rd Edition). John Wiley & Sons, Inc. (New York), 1022p.〔ISBN0-471-51185-4〕)。又依據第4圖，可得知廢水常見成分於不同氧化還原電位之氧化還原趨勢(Stumm, W. and Morgan, J. J. (1996): Aquatic Chemistry Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters (3rd Edition). John Wiley & Sons, Inc. (New York), 1022p.〔ISBN0-471-51185-4〕)。因此，藉由pH與氧化還原電位訊號的回饋可以明確得知循環水CL之各成分的氧化還原情況，進而確認是否需對循環水CL進行置換或進料。
含硫化氫之沼氣G1由長型管柱201底部經散氣頭使氣流均勻分布且上升，並以灑水裝置203控制循環水CL之滴濾流速。
在不同滴濾流速（m/小時）與不同之含硫化氫之沼氣進料負荷（50、70與90 g/m3 /小時）條件下對簡易廢水處理系統200進行試驗。
結果如表1與第5圖所示。
表1
Figure 107147659-A0304-0001
結果顯示，在滴濾流速3 m/h時，含硫化氫之沼氣皆能達到95%以上之硫化氫去除。
由此可知，藉由本發明之廢水處理系統確實可利用硝酸鹽作為脫硫反應之電子接受者而達成廢水之脫硫與脫氮的整合處理。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。
100、100’:本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統101:第一厭氧除碳處理單元102:第二厭氧除碳處理單元103:厭氧脫氮單元105:生物脫硫單元W:廢水S1:第一沼液S2:經進一步除碳之第一沼液S3:第二沼液G1:含硫化氫之沼氣G3:經脫硫之沼氣E:排放水200:簡易廢水處理系統201:長型管柱203:灑水裝置205:擔體材料207:循環水模組209:硝酸根線上感測器211:pH線上感測器213:氧化還原電位線上感測器215:硫化氫感測器SG1:硝酸根線上感測器所產生之訊號SG2:pH線上感測器所產生之訊號SG3:氧化還原電位線上感測器所產生之訊號AL:厭氧氨氧化單元的出水RL:回流水CL:循環水EL:排放水
第1A圖顯示，本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統與廢水處理流程之一實施例的示意圖。 第1B圖顯示，本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統與廢水處理流程之另一實施例的示意圖。 第2圖顯示，於本發明一實施例中所採用之簡易廢水處理系統的示意圖。 第3圖顯示，在不同pH值所對應之氧化還原電位，廢水常見成分之氧化還原狀態(Stumm, W. and Morgan, J. J. (1996): Aquatic Chemistry Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters (3rd Edition). John Wiley & Sons, Inc. (New York), 1022p.〔ISBN0-471-51185-4〕)。 第4圖顯示，廢水常見成分於不同氧化還原電位之氧化還原趨勢 (Stumm, W. and Morgan, J. J. (1996): Aquatic Chemistry Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters (3rd Edition). John Wiley & Sons, Inc. (New York), 1022p.〔ISBN0-471-51185-4〕)。 第5圖顯示，在滴濾流速3 m/h時，含硫化氫之沼氣的硫化氫去除情況。
100:本發明之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統
101:第一厭氧除碳處理單元
103:厭氧脫氮單元
105:生物脫硫單元
W:廢水
S1:第一沼液
S3:第二沼液
G1:含硫化氫之沼氣
G3:經脫硫之沼氣
E:排放水

Claims (25)

  1. 一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，包括： 一第一厭氧除碳處理單元； 一厭氧脫氮單元；以及 一生物脫硫單元，其包括至少一種自營性脫硝菌以進行自營性脫硝反應， 其中， 一廢水經該第一厭氧除碳處理單元處理，以降低該廢水之化學需氧量，而形成一第一沼液，並產生含硫化氫之一沼氣， 又，該第一沼液被輸送至該厭氧脫氮單元，以使該第一沼液脫氮並產生含硝酸根之一第二沼液，且該第二沼液再被輸送至該生物脫硫單元，而含硫化氫之該沼氣亦被輸送至該生物脫硫單元， 且其中， 於該生物脫硫單元中，該至少一種自營性脫硝菌以該第二沼液中之該硝酸根氧化該硫化氫而產生硫酸根與氮氣，以使該沼氣脫硫並去除硫化氫，而形成一經脫硫之沼氣並排出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該第一厭氧除碳處理單元分別與該厭氧脫氮單元及該生物脫硫單元連接，又該厭氧脫氮單元與該生物脫硫單元連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該第一厭氧除碳處理單元包括至少一種厭氧微生物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該第一厭氧除碳處理單元包括一厭氧醱酵槽。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該厭氧脫氮單元為一厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, anammox)單元，且該厭氧氨氧化單元包括至少一種厭氧氨氧化菌。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該厭氧脫氮單元設置有一線上感測裝置，以監測該厭氧脫氮單元中之沼液處理的情況，並調控該第二沼液送入該生物脫硫單元的量，而形成一自動控制系統。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該線上感測裝置包括一硝酸根(NO3 - )感測器、一pH感測器、一氧化還原電位感測器或其組合。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該生物脫硫單元設置有一硫化氫感測器，以監測從該生物脫硫單元排出之該經脫硫之沼氣中的殘留硫化氫含量。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，更包括一發電機以利用該經脫硫之沼氣進行發電。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，更包括一第二厭氧除碳處理單元，其中該第二厭氧除碳處理單元接收該第一沼液以進一步降低該第一沼液之化學需氧量，而經降低化學需氧量之該第一沼液再被輸送至該厭氧脫氮單元。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該第一厭氧除碳處理單元分別與該第二厭氧除碳處理單元及該生物脫硫單元連接，又該第二厭氧除碳處理單元與該厭氧脫氮單元連接，且該厭氧脫氮單元與該生物脫硫單元連接。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統，其中該第二厭氧除碳處理單元包括至少一種厭氧微生物，而該第二厭氧除碳處理單元包括上流式厭氧污泥床反應器(up-flow anaerobic sludge blanket, UASB)、厭氧消化(anaerobic digestion, AD)反應器、厭氧流體化床生物處理技術(anaerobic fluidized bed, AFB)、厭氧膜生物反應器(anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)、厭氧膨脹顆粒污泥床(expanded granular sludge bed, EGSB)、厭氧固定膜反應器(Anaerobic fixed-film reactor)、內部循環厭氧(internal circulation, IC)反應器或其組合。
  13. 一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，係經由如申請專利範圍第1項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理系統來進行。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該第一厭氧除碳處理單元包括至少一種厭氧微生物，且該第一厭氧除碳處理單元包括一厭氧醱酵槽。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該厭氧脫氮單元包括至少一種厭氧脫氮微生物。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該厭氧脫氮單元為一厭氧氨氧化單元，且該厭氧氨氧化單元包括至少一種厭氧氨氧化菌。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，更包括一第二厭氧除碳處理單元，其中該第二厭氧除碳處理單元接收該第一沼液以進一步降低該第一沼液之化學需氧量，而經降低化學需氧量之該第一沼液再被輸送至該厭氧脫氮單元。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該第二厭氧除碳處理單元包括上流式厭氧污泥床反應器、厭氧消化反應器、厭氧流體化床生物處理技術、厭氧膜生物反應器、厭氧膨脹顆粒污泥床、厭氧固定膜反應器、內部循環厭氧反應器或其組合。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該第二厭氧除碳處理單元包括至少一種厭氧微生物。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該廢水包括畜牧廢水、農業廢水及/或家庭廢水。
  21. 一種沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，包括： (a) 將一廢水進行一第一厭氧除碳處理，以降低該廢水之化學需氧量，而形成一第一沼液，並產生含硫化氫之一沼氣； (b) 將該第一沼液進行一厭氧脫氮處理，以使該第一沼液脫氮並產生含硝酸根之一第二沼液；以及 (c) 將該第二沼液與該沼氣進行一生物脫硫處理，其中該生物脫硫處理係藉由至少一種自營性脫硝菌所進行，且其中，該自營性脫硝菌係以該第二沼液中之該硝酸根氧化該硫化氫而產生硫酸根與氮氣，以使該沼氣脫硫並去除硫化氫，而形成一經脫硫之沼氣，並使該第二沼液再進一步脫氮。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該第一厭氧除碳處理係由至少一種厭氧微生物所進行。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該厭氧脫氮處理為一厭氧氨氧化處理，且該厭氧氨氧化處理係藉由至少一種厭氧氨氧化菌所進行。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，於步驟(a)與步驟(b)之間，更包括(a’) 將該第一沼液進行一第二厭氧除碳處理，以進一步降低該第一沼液之化學需氧量，其中該第二厭氧除碳處理係藉由至少一種厭氧微生物所進行。
  25. 如申請專利範圍第21項所述之沼氣脫硫與沼液脫氮之整合處理方法，其中該廢水包括畜牧廢水、農業廢水及/或家庭廢水。
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