TWI386374B - 氨氮廢水的處理系統及方法 - Google Patents

Description

氨氮廢水的處理系統及方法

本發明係有關於環境工程，且特別有關於一種氨氮廢水的處理系統。

氨氮處理不管是都市污水或工業廢水皆為相當重要的課題。都市污水中氮多以氨氮與有機氮形式存在，無論是好氧或厭氧生物處理，有機氮容易被代謝轉化為氨氮。傳統的生物脫氮程序，即是利用微生物在好氧條件下，將氨氮氧化成硝酸態氮，再於厭氧條件下，將硝酸態氮還原成氮氣逸散出水體，達到污水脫氮的目的。

傳統氨氮生物處理方式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亞硝酸氮還原成氮氣處理完成。由於傳統處理方式必須考慮較大之曝氣量以達到將氨氮氧化成硝酸氮之目的，同時於脫氮反應中必須額外添加有機物質作為脫氮反應之碳源。因此整體操作上較為耗能，且操作維護上較為困難。

新的氨氮處理方式有厭氧氨氧化程序(anammox process)，厭氧氨氧化程序主要利用厭氧氨氧化微生物利用亞硝酸氮作為電子接受者，而與氨氮在厭氧環境下反應成 為氮氣。在進行厭氧氨氧化程序前，必須先將氨氮轉化成亞硝酸氮，以達到反應所需之電子接受者。由於亞硝酸氮於廢水處理過程中屬於一過度性的物質，因此有必要增加亞硝酸氮的濃度以促進厭氧氨氧化程序。

本發明係提供一種氨氮廢水的處理系統，包括一氨氮氧化槽以及一薄膜分離槽。氨氮氧化槽包括複數個生物擔體，負載氨氮氧化菌以及亞硝酸氮氧化菌；一pH值控制裝置，使該氨氮氧化槽的pH值大於7.5；一溶氧控制裝置，使該氨氮氧化槽的溶氧量小於1.0 mg/L。薄膜分離槽包括一薄膜及一曝氣裝置，用以分離該氨氮氧化槽出流水之固相及液相。

本發明另提供一種氨氮廢水的處理方法，包括提供一氨氮氧化槽，其中包括氨氮氧化菌以及亞硝酸氮氧化菌；使該氨氮氧化槽中的pH值大於7.5，且溶氧量小於1.0 mg/L，以提升氨氮氧化菌的活性，但抑制亞硝酸氮氧化菌的活性；將一氨氮廢水導入該氨氮氧化槽中，使該氨氮廢水中的氨氮氧化為亞硝酸氮及硝酸氮，其中亞硝酸氮的濃度大於硝酸氮；以及將氨氮氧化槽之出流水導入一薄膜分離槽，分離出流水的固相及液相。

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：

如第1圖所示，在自然界中，銨離子(NH₄ ^＋ )會被氨氮氧化菌(ammonia oxidation bacteria)轉化為亞硝酸根離子(NO₂ ^－ )，然後被亞硝酸氮氧化細菌(nitrite oxidation bacteria)轉化為硝酸根離子(NO₃ ^－ )，此轉化的過程可稱為做硝化作用。在低氧環境下，亞硝酸氮可經由脫硝微生物轉化為氮氣釋放至大氣中。在另一方面，亞硝酸氮也可與氨(銨離子)經由厭氧氨氧化菌轉化為氮氣。然而，亞硝酸氮(NO₂ ^－ )在廢水處理過程中屬於一過度性的物質，其很容即轉化為硝酸氮(NO₃ ^－ )。

本發明係提供一種氨氮廢水的處理系統，其利用控制pH值及溶氧量，使亞硝酸氮成為處理系統中的主要產物。

第2－4圖為本發明氨氮廢水的處理系統之一實施例，應注意的是，為了清楚描述本發明之特徵，第2－4圖僅為本發明實施例之簡單圖示，在實際應用時，此技藝人士可依不同的需求增加或修改本發明之結構。

參照第2圖，本發明之氨氮廢水處理系統10包括氨氮氧化槽12，以及薄膜分離槽14設置於氨氮氧化槽12之後。氨氮廢水W首先導入氨氮氧化槽12，經處理後再著再由氨氮氧化槽12導入薄膜分離槽14，而薄膜分離槽14中的出流水可再迴流至氨氮氧化槽12。

本發明之處理系統僅適用於含氨氮之廢水，如半導體廠之氨氮廢水、污泥硝化槽的出水等，且特別適合用於氨氮濃度大於100 mg－N/L之廢水。若為有機氮廢水，則須另 配合厭氧反應將有機氮轉化成氨氮後再進入本發明之處理系統。

本發明之氨氮氧化槽12中包括複數個生物擔體122，其中擔負氨氮氧化菌以及亞硝酸氮氧化菌。生物擔體122可有效攔截微生物，如氨氮氧化菌，以增加微生物之濃度。生物擔體可為任何擔體，例如，泡棉或不織布等。氨氮氧化菌與硝酸氮氧化菌之種類並無特別限制，如下表一所示：

此外，氨氮氧化槽12中更包括pH值控制裝置124及溶氧量控制裝置126。在一實施例中，pH值控制裝置中包括一pH值偵測器及鹼性溶液(或酸性溶液)，如氫氧化鈉。pH值偵測器可偵測氨氮氧化槽12中的廢水pH值，並利用鹼性溶液將氨氮氧化槽12中的pH值控制在7.5以上， 例如為7.5－8.2。在另一實施例中，溶氧量控制裝置126，可控制廢水迴流至氨氮氧化槽12的迴流比例，使氨氮氧化槽12的溶氧量控制在1.0 mg/L以下，例如為0.5－0.8 mg/L。

應注意的是，氨氮氧化槽12中的環境較佳適合氨氮氧化菌生長，但抑制亞硝酸氮氧化菌的生長，使氨氮氧化菌為氨氮氧化槽12中的優勢菌種。

本發明之薄膜分離槽14中包括薄膜142及曝氣裝置144。薄膜142可用於分離氨氮氧化槽出流水之固相及液相，以達到高品質的處理水質。此技藝人士可依據不同來源的廢水而選用不同的薄膜142，例如，中空纖維膜、板式膜或陶瓷膜等。曝氣裝置144可將空氣A打入薄膜分離槽14中，以清洗薄膜142表面，並可提供氨氮氧化槽12溶氧。在另一實施例中，薄膜分離槽14也可設置於氨氮氧化槽12之中(未圖示)。

在本發明之處理系統10中，氨氮氧化菌可有效地將氨氮轉化為亞硝酸氮，轉換率大於80%，且因亞硝酸氮氧化菌的活性受到抑制，使亞硝酸氮不易被轉化為硝酸氮，並維持在高濃度的狀態。

本發明之廢水處理系統不僅可以減少傳統硝化反應之曝氣動力需求，且因不需將氨氮氧化成硝酸氮，而可以節省50%以上之動力需求。

參照第3圖，在本發明一實施例中，本發明之廢水處理系統10可與厭氧處理槽20串聯。氨氮廢水W首先導入氨氮氧化槽12，經處理後，經處理之廢水由氨氮氧化槽12 導入薄膜分離槽14及厭氧處理槽20。而薄膜分離槽14及厭氧處理槽20中的出流水可再迴流至氨氮氧化槽12。在厭氧處理槽20中，亞硝酸氮可與氨(銨離子)經由厭氧氨氧化程序(anammox process)化為氮氣(如第1圖所示)。

參照第4圖，在本發明另一實施例中，本發明之廢水的處理系統10可與脫氮處理槽30串聯。氨氮廢水首先導入導入氨氮氧化槽12，經處理之廢水再由氨氮氧化槽12導入薄膜分離槽14及脫氮處理槽30。而薄膜分離槽14及脫氮處理槽30中的出流水可再迴流至氨氮氧化槽12。在脫氮處理槽30中，亞硝酸氮可經由脫硝程序(denitrification process)轉化為氮氣(如第1圖所示)。此外，可視需要提供一碳源COD至脫氮處理槽30中。

在本發明另一實施樣態中，本發明另提供一種氨氮廢水的處理方法，如第5圖所示。參照步驟S501，提供一氨氮氧化槽，其中包括氨氮氧化菌以及亞硝酸氮氧化菌。氨氮氧化槽中可包括複數個生物擔體，用以負載氨氮氧化菌以及亞硝酸氮氧化菌。

參照步驟S503，使該氨氮氧化槽中的pH值大於7.5，例如為pH 7.5－.8.2，且溶氧量小於1.0 mg/L，例如為約0.5至0.8 mg/L，以提升氨氮氧化菌的活性，並抑制亞硝酸氮氧化菌的活性。

參照步驟S507，將一氨氮廢水導入該氨氮氧化槽中，使該氨氮廢水中的氨氮氧化為亞硝酸氮及硝酸氮，且亞硝酸氮的濃度大於硝酸氮。

參照步驟S509，將氨氮氧化槽之出流水導入一薄膜分離槽，以分離出流水的固相及液相。

氨氮氧化槽之出流水也可導入另一厭氧槽或脫氮槽，使亞硝酸氮可經由厭氧氨氧化程序(anammox process)或脫硝程序(denitrification process)轉化為氮氣。

本發明之處理方法可有效地將氨氮轉化為亞硝酸氮，轉換率大於80%。

【實施例】 實施例1. 以本發明之系統處理氨氮廢水

本實施例所使用之氨氮廢水處理系統如第2圖所示，包括4L的氨氮氧化槽12及薄膜分離槽14。氨氮氧化槽12包括PU泡棉擔體，其中負載有氨氮氧化菌以及亞硝酸氮氧化菌。薄膜分離槽14為中空纖維膜。

藉由控制迴流比例及pH值，使氨氮氧化槽12的溶氧量維持於於0.8 mg/L，且pH值維持於7.9。

本實施例廢水之氨氮濃度為200 mg/L，廢水經幫浦依序導入氨氮氧化槽12及薄膜分離槽14，流量為8 mL/min，整體停留時間為1天，總氮負荷為0.29 kg NH₃ －N/m³ －d。

第6圖分別顯示氨氮、亞硝酸氮以及硝酸氮之流入及流出濃度。參照第6圖，氨氮之流入濃度為約150－200 mg/L。經處理後，亞硝酸氮的平均流出濃度為約134.8 mg/L，而硝酸氮的平均流出濃度為約43.9 mg/L。由此結果顯示，本發明之氨氮廢水處理系統可有效地將氨氮轉換為 亞硝酸氮，並使亞硝酸氮成為氨氮氧化槽12中的主產物，而亞硝酸氮的轉換效率為約80%。

比較例1. 未控制pH值及溶氧量之廢水系統

比較例1之所使用之廢水系統及步驟與實施例1相同，但未控制氨氮氧化槽12中的pH值及溶氧量。經處理之後，分別偵測廢水中氨氮、亞硝酸氮以及硝酸氮之流入及流出濃度，如第7圖所示。

參照第7圖，廢水中大部份的氨氮皆被轉化為硝酸氮，僅有少部份的氨氮被轉化為亞硝酸氮，其轉化率為約1%。

由上述結果可知，本發明之氨氮廢水處理系統可有效地將氨氮轉換為亞硝酸氮，以克服傳統亞硝酸氮含量不足的問題。

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。

10‧‧‧氨氮廢水處理系統

12‧‧‧氨氮氧化槽

122‧‧‧生物擔體

124‧‧‧pH值控制裝置

126‧‧‧溶氧量控制裝置

14‧‧‧薄膜分離槽

142‧‧‧薄膜

144‧‧‧曝氣裝置

20‧‧‧厭氧處理槽

30‧‧‧脫氮處理槽

S501-S501‧‧‧氨氮廢水的處理步驟

W‧‧‧廢水

A‧‧‧空氣

COD‧‧‧碳源

第1圖顯示自然界中的氮循環。

第2圖顯示本發明一實施例之氨氮廢水的處理系統。

第3圖顯示本發明之氨氮廢水的處理系統與厭氧處理槽串聯。

第4圖顯示本發明之氨氮廢水的處理系統與脫氮處理槽串聯。

第5圖顯示本發明氨氮廢水的處理方法。

第6圖顯示經本發明之氨氮廢水處理系統處理後，廢水中氨氮、亞硝酸氮以及硝酸氮之流入及流出濃度。

第7圖顯示傳統的廢水處理系統僅可將少部份的氨氮轉化為亞硝酸氮。

10‧‧‧氨氮廢水處理系統

12‧‧‧氨氮氧化槽

122‧‧‧生物擔體

124‧‧‧pH值控制裝置

126‧‧‧溶氧量控制裝置

14‧‧‧薄膜分離槽

142‧‧‧薄膜

144‧‧‧曝氣裝置

W‧‧‧廢水

A‧‧‧空氣

Claims (17)

1. 一種氨氮廢水的處理系統，包括：一氨氮氧化槽，包括：複數個生物擔體，負載氨氮氧化菌以及亞硝酸氮氧化菌；一pH值控制裝置，使該氨氮氧化槽的pH值大於7.5；一溶氧控制裝置，使該氨氮氧化槽的溶氧量小於1.0 mg/L；以及一薄膜分離槽，其包括一薄膜及一曝氣裝置，用以分離該氨氮氧化槽出流水之固相及液相。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，其中該氨氮氧化槽的pH值為約7.5至8.2。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，其中該氨氮氧化槽的溶氧量為約0.5至1.0 mg/L。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，其中氨氮氧化菌的活性被活化。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，其中該亞硝酸氮氧化菌的活性被抑制。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，其中該氨氮廢水包括有機氮。
7. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，其中該氨氮氧化槽中的亞硝酸氮濃度高於硝酸氮濃度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，其中該薄膜包括中空纖維膜、板式膜或陶瓷膜。
9. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，其中該擔體包括泡棉擔體或不織布擔體。
10. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，更包括一厭氧槽與該氨氮氧化槽串聯。
11. 如申請專利範圍第1項所述之氨氮廢水的處理系統，更包括一脫氮槽與該氨氮氧化槽串聯。
12. 一種氨氮廢水的處理方法，包括：提供一氨氮氧化槽，其中包括氨氮氧化菌以及亞硝酸氮氧化菌；使該氨氮氧化槽中的pH值大於7.5，且溶氧量小於1.0 mg/L，以提升氨氮氧化菌的活性，但抑制亞硝酸氮氧化菌的活性；將一氨氮廢水導入該氨氮氧化槽中，使該氨氮廢水中的氨氮氧化為亞硝酸氮及硝酸氮，且亞硝酸氮的濃度大於硝酸氮；以及將氨氮氧化槽之出流水導入一薄膜分離槽，分離出流水的固相及液相。
13. 如申請專利範圍第12項所述之氨氮廢水的處理方法，其中該氨氮氧化槽的pH值維持於約7.5至8.2。
14. 如申請專利範圍第12項所述之氨氮廢水的處理方法，其中該氨氮氧化槽的溶氧量維持於約0.5至1.0 mg/L。
15. 如申請專利範圍第12項所述之氨氮廢水的處理方法，其中該薄膜分離槽之出流液回流至該氨氮氧化槽中。
16. 如申請專利範圍第12項所述之氨氮廢水的處理方 法，其中該氨氮廢水在導入該氨氮氧化槽之前經一厭氧或脫氮處理。
17. 如申請專利範圍第12項所述之氨氮廢水的處理方法，更包括對該薄膜分離槽中之廢水進行曝氣。