TWI666175B - 製備無氧氨氧化反應進流水之方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種製備無氧氨氧化反應進流水之方法與裝置，包括於一生物反應槽中培養生物質體，將含氨氮廢水注入生物反應槽，於生物反應槽中加入含氧氣體，進行氨氧化反應，將含氮廢水中氨氮氧化為亞硝酸鹽，及偵測氨氧化反應產生之氧化亞氮濃度，當氧化亞氮濃度到達一反應控制點，即停止供應該含氧氣體。藉由監測硝化過程中所產生的氧化亞氮濃度變化作為控制局部硝化反應停止的方法，使無氧氨氧化反應進流水的製備能在同一個反應槽中完成，以利進入後續厭氧氨氧化(ANAMMOX)反應槽中處理。

Description

製備無氧氨氧化反應進流水之方法與裝置
本發明屬污水處理技術領域，係一種氨氧化反應之方法與裝置，特別是關於一種製備無氧氨氧化反應進流水之方法與裝置。
傳統廢水中氨氮(NH3-N)的去除，常用的方式為生物硝化(nitrification)作用及生物脫硝作用(denitrification)。硝化作用透過自營性微生物(autotrophic microorganisms)，將對環境有害的氨氮轉化為較穩定的硝酸鹽(nitrate,NO3 -)，然而硝酸鹽對環境承受水體而言，仍有造成優養化的潛在危機，必須進一步透過脫硝作用將其還原成氮氣，溢散至大氣中。硝化作用包括兩個主要步驟，首先氨氧化菌(ammonia oxidation bacteria)先將氨氮氧化為亞硝酸鹽(nitrite,NO2 -)(化學式(1)~(3))，之後再由亞硝酸鹽氧化菌(nitrite oxidation bacteria)將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽(化學式(4)~(5))。脫硝作用則是異營菌(heterotrophic microorganisms)在無氧的狀態下，以硝酸根或亞 硝酸跟為電子接受者，分解有機物。硝酸根在此先還原為亞硝酸根，再依序還原為一氧化氮、氧化亞氮最後為氮氣，綜合的反應式如化學式(6)。
NH3+O2+2 H++2 e- → NH2OH+H2O…………………(1)
NH2OH+H2O → HNO2+4 H++4 e-……………………(2)
0.5 O2+2 H++2 e- → H2O………………………………(3)
HNO2+H2O → HNO3+2 H++2 e-………………………(4)
0.5 O2+2 H++2 e- → H2O…………………………………(5)
6NO3 -+5CH3OH → 3N2+5CO2+7H2O+6 OH-…………(6)
上述的處理方式，符合大自然碳循環的原則，為最常被運用的氨氮處理方式。然而硝化過程需要提供足夠的氧氣量，才能使反應順利進行。將1克以氨氮形式存在的氮硝化為以硝酸根型態存在的氮，理論劑量上需要消耗4.6克的氧。除此之外，還需要消耗理論劑量7.1克碳酸鈣當量的鹼度。無論是提供氧氣的能源消耗，或是維持鹼度的所需投入的額外藥品費用，都使污水生物硝化處理成本居高不下。在脫硝方面，足夠的碳源是脫硝作用的重要關鍵，在碳源不足的情況下，往往需要額外添加碳源，1克以硝酸根型態存在的氮經過脫硝作用還原成氮氣，需要提供理論當量1.9克的甲醇。無論是硝化或脫硝過程，都大幅增加了污水的處理成本。
西元1990年代後期，荷蘭科學家及工程師發現了一個生物反應程序，使氨氮在無氧的狀況下，以亞硝酸根來氧化氨氮， 生成氮氣及少部分硝酸根(化學式(7))，如此可有效降低氨氮得處理成本。由於氨氮在無氧的情況下發生，因此稱為無氧氨氧化作用(anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX)。
1 NH4 ++1.32 NO2 -+0.066 HCO3 -+0.13 H+ → 1.02 N2+0.26
NO3 -+0.066 CH2O0.5N0.15+2.03 H2O………………………(7)
上述的ANAMMOX實際運用中，需要提供富含亞硝酸的進流廢水，與氨氮作用。或者，必須在氨氮硝化過程中，將反應控制停留在氨氧化作用的第一步驟，使生成物停留在亞硝酸根，不再進入亞硝酸根氧化作用而轉化為硝酸根。由於這是一個不完整的硝化作用，所以又稱為局部硝化作用。
目前無氧氨氧化實際工程運用上，一般先依照化學式(7)的理論莫爾比，將部份的氨氮廢水(約55%)以局部硝化反應處理，再將該處理水與原本剩餘的氨氮廢水(約45%)混合進入ANAMMOX反應槽進行無氧氨氧化作用。此方法需額外建置一個局部硝化反應槽，增加廢水處理系統建設成本與所需用地空間。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明主要目的在於提出一種製備無氧氨氧化反應進流水之方法與裝置，利用監測硝化過程中所產生的氧化亞氮濃度作為局部硝化反應完成的控制方法，使無氧氨氧化反應進流水的製備可以在同一反應槽中進 行，以進入後續ANAMMOX處理。
為了達到上述目的，本發明提出一種製備無氧氨氧化反應進流水之方法，包括於一生物反應槽中培養生物質體，將含氨氮廢水注入生物反應槽，於生物反應槽中加入含氧氣體，進行氨氧化反應，將含氮廢水中氨氮氧化為亞硝酸鹽，及偵測氨氧化反應產生之氧化亞氮濃度，當氧化亞氮濃度到達一反應控制點，即停止加入該含氧氣體，完成無氧氨氧化反應進流水的製備。
本發明另提出一種製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，包括一生物反應槽，用以容置含氨氮廢水及生物質體，以進行局部氨氧化反應，一曝氣控制裝置曝氣控制裝置，包括一曝氣裝置，用以於生物反應槽中加入一含氧氣體，一氧化亞氮濃度偵測裝置，以資料傳輸媒介與曝氣控制裝置連接，包括一氧化亞氮濃度偵測器，用以偵測氨氧化曝氣反應產生之氧化亞氮濃度，及一氧化亞氮濃度曝氣控制單元，以資料傳輸媒介與氧化亞氮濃度偵測器連接，用以接收氧化亞氮濃度偵測器傳送之氧化亞氮濃度資料，判斷當氧化亞氮濃度到達反應控制點時，傳送停止曝氣訊號給曝氣控制裝置，停止於生物反應槽中加入含氧氣體。
其中，氧化亞氮是一種無色無味的氣體，在氨氧化的過程中，由NH2OH氧化時產生，由於它的水溶性不高，容易在曝氣的情況下溢散至空氣中。而溶解在水中的氧化亞氮會受到微生 物的作用，繼續氧化生成一氧化氮(NO)，一氧化氮為極不穩定的化合物，很容易被氧化為亞硝酸。因此，氧化亞氮的濃度，受到兩種因素的影響：一則是氨氮的濃度，決定了氧化亞氮的產生率；另一個是亞硝酸根的生成率，決定了氧化亞氮的削減率。當兩者達到平衡時，氧化亞氮的濃度開始下降，而此時氨氮在水中的濃度會略小於亞硝酸的濃度，接近無氧胺氧化的化學劑量比(化學反應式(7))，因此可作成為製備ANAMMOX進流水的反應中止點。當氧化亞氮控制裝置分析出N2O的高峰點後，便傳訊給曝氣控制裝置，終止曝氣設備繼續供應氧氣至反應槽。殘餘的氧氣在微生物作用下，繼續進行局部氨氧化，直到氧氣耗盡。使處理水中氨氮進一步減少而亞硝酸鹽增加，兩者比例更接近理論劑量比。
S110‧‧‧流程步驟
S120‧‧‧流程步驟
S130‧‧‧流程步驟
S140‧‧‧流程步驟
S210‧‧‧流程步驟
S220‧‧‧流程步驟
S310‧‧‧流程步驟
S320‧‧‧流程步驟
S410‧‧‧流程步驟
S420‧‧‧步流程驟
510‧‧‧生物反應槽
520‧‧‧生物質體
530‧‧‧曝氣控制裝置
540‧‧‧曝氣裝置
550‧‧‧氧化亞氮濃度偵測裝置
560‧‧‧氧化亞氮濃度偵測器
570‧‧‧氧化亞氮濃度控制單元
610‧‧‧溶氧量控制裝置
620‧‧‧酸鹼值控制裝置
630‧‧‧污泥排放裝置
710‧‧‧調勻槽
720‧‧‧無氧氨氧化反應槽
第一圖係為本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖
第二圖係為本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖
第三圖係為本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖
第四圖係為本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖
第五圖係為本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製備裝置架構圖
第六圖係為本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製備裝置架構圖
第七圖係為本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水裝置架構圖
第八圖係為一個批次反應中氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、總氮及氧化亞氮隨時間的變化
以下係藉由特定具體實施例說明本發明之實施方式，使熟悉此技藝人士可由本說明書所揭示內容，輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
實施例一：請參考第一圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖，本發明實施例為一種製備無氧氨氧化反應進流水之方法，包括於一生物反應槽中培養生物質體S110，將含氨氮廢水注入生物反應槽S120，於生物反應槽中加入含氧氣體S130，進行氨氧化反應，將含氮廢水中氨氮氧化為亞硝酸鹽S140，及偵測氨氧化反應產生之氧化亞氮濃度，當氧化亞氮濃度到達一反應控制點，即停止加入該含氧氣體，完成無氧氨氧化反應進流水的製備。本發明實施例中，生物質體為氨氧化菌，偵測該氨氧化反應產生之氧化亞氮濃 度的方法為使用氧化亞氮偵測器。該控制點為該氨氧化反應中，氧化亞氮濃度由增加轉變為減少的時間點。氧化亞氮濃度由增加轉變為減少時間點的計算方法為最大值法、微分法或切線法等數學方法。加入含氧氣體的方法為使用鼓風機、空壓機或表面曝氣機等曝氣設備送入含氧氣體，含氧氣體為空氣，資料傳輸媒介可為網絡、電信、點對點連接等有線或無線資料傳輸系統。
實施例二：請參考第二圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖，本發明實施例除包括實施例一之製程步驟外，進一步包括以開啟或關閉曝氣設備的方式控制所加入之含氧氣體量，以調整該生物反應槽之含氧量S210。
實施例三：請參考第二圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖，本發明實施例除包括實施例一之製程步驟外，進一步包括控制生物反應槽中之酸鹼值在6~9之間，偏鹼之pH有利於提高氨氮的氧化速率，以維持氨氮的氧化速率S220。
實施例四：請參考第三圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖，本發明實施例除包括實施例一之製程步驟外，進一步包括於停止加入之含氧氣體曝氣後，使生物反應槽靜置一段時間，讓氨氧化反應產生之使污泥沉殿S310，達到固液分離的效果。
實施例五：請參考第三圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反 應進流水製程流程圖，本發明實施例除包括實施例一之製程步驟外，進一步包括排出過剩污泥量以維持一定量之該生物質體S320。
實施例六：請參考第四圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖，本發明實施例除包括實施例一之製程步驟外，進一步包括提供一調勻槽，於提供含氮廢水於注入至生物反應槽前，先注入該調勻槽進行含氮廢水水質調整與水量控制S410。
實施例七：請參考第四圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製程流程圖，本發明實施例除包括實施例一之製程步驟外，進一步包括將製備完成之無氧氨氧化反應進流水注入一將製備完成之無氧氨氧化反應進流水注入無氧氨氧化生物反應槽進行無氧氨氧化反S420。
實施例八：請參考第五圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製備裝置架構圖，本發明實施例包括一生物反應槽510，用以容置含氨氮廢水及生物質體520，以進行局部氨氧化反應，一曝氣控制裝置530，包括一曝氣裝置540，用以於生物反應槽510中加入一含氧氣體；一氧化亞氮濃度偵測裝置550，以資料傳輸媒介與曝氣控制裝置530連接，包括一氧化亞氮濃度偵測器560，用以偵測氨氧化曝氣反應產生之氧化亞氮濃度，及一氧化亞氮濃度控制單元570，以資料傳輸媒介與氧化亞氮濃度偵測器560連接，用以接收氧化亞氮濃度偵測器 560傳送之氧化亞氮濃度資料，判斷當氧化亞氮濃度到達反應控制點時，傳送停止曝氣訊號給曝氣控制裝置530，曝氣裝置540停止於生物反應槽510中加入含氧氣體。其中，生物質體520為氨氧化菌，含氧氣體為空氣，氧化亞氮濃度偵測器560為線上型(on-line)，以即時提供控制訊號，其可為氣體形式偵測器或液體形式偵測器，氣體形式偵測器之偵測方式可為紅外光(infra-red,IR)吸收、紫外光(ultraviolet,UV)吸收或腔增強吸收光譜(cavity enhanced absorption spectroscopy,CEAS)，液體偵測器之偵測原理，係使用可為氣體層析(gas chromatography,GC)方法或微電極(micro-sensor)法，一氧化亞氮濃度控制單元570為一電子計算器，反應控制點為氧化亞氮濃度由增加轉變為減少的時間點，曝氣裝置540為鼓風機、空壓機或表面曝氣等曝氣設備，用以注入空氣至該生物反應槽510，以提供足夠之氧量。
實施例九：請參考第六圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製備裝置架構圖，本發明實施例除包括實施例八之裝置架構外，進一步包括一溶氧量控制裝置610，以偵測及控制維持生物反應槽510中之含氧量。本實施例溶氧量控制裝置610為溶氧計(DO meter)，溶氧量的控制由槽中的溶氧計反饋控制，反應槽中之溶氧應該維持在足以讓局部氨氧化作用持續，而不致於過高導致亞硝酸根氧化。
實施例十：請參考第六圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反 應進流水製備裝置架構圖，本發明實施例除包括實施例八之裝置架構外，進一步包括一酸鹼值控制裝置620，以偵測及控制該生物反應槽510中之酸鹼值。
實施例十一：請參考第六圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製備裝置架構圖，本發明實施例除包括實施例八之裝置架構外，進一步包括一污泥排放裝置630，用以排除所產生之過剩污泥，使生物反應槽510中維持一定量之生物質體520及污泥停留時間。
實施例十二：請參考第七圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製備裝置架構圖，本發明實施例除包括實施例八之裝置架構外，進一步包括一調勻槽710，至於生物反應槽510前，用以於在該含氮廢水進入該生物反應槽510前，先進入該調勻槽710進行含氮廢水水質調整與水量控制。調勻槽710兼具調整水質及貯存水量的功能，局部硝化所需的酸鹼度，可以選擇於此處調整，亦可在生物反應槽510中進行，調勻槽710之廢污水以機械方式或水力方式，將廢水注入生物反應槽510，調勻槽710攪拌方式可為機械攪拌、水力攪拌或氣體攪拌。
實施例十三：請參考第七圖本發明之一實施例之無氧氨氧化反應進流水製備裝置架構圖，本發明實施例除包括實施例八之裝置架構外，進一步包括一無氧氨氧化反應槽720，置於生物反應槽510之後，用以容置製備完成之無氧氨氧化反應進流 水，以進行無氧氨氧化反應。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點與其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士，均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (19)

  1. 一種製備無氧氨氧化反應進流水之方法，包括：(1)於一生物反應槽中馴養一氨氧化菌之生物質體；(2)將一含氨氮廢水注入該生物反應槽；(3)於該生物反應槽中加入一含氧氣體，進行一氨氧化反應，將該含氮廢水中氨氮氧化為亞硝酸鹽；及(4)偵測該氨氧化反應產生之氧化亞氮濃度，當氧化亞氮濃度到達一反應控制點，即停止加入該含氧氣體，完成無氧氨氧化反應進流水的製備，其中該控制點為該氨氧化反應中，氧化亞氮濃度由增加轉變為減少的時間點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之方法，其中偵測該氨氧化反應產生之氧化亞氮濃度的方法為使用氧化亞氮偵測器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之方法，其中加入該含氧氣體的方法為使用鼓風機、空壓機或表面曝氣機等曝氣設備送入該含氧氣體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之方法，進一步包括以開啟或關閉曝氣設備的方式控制所加入之該含氧氣體量，以調整該生物反應槽之含氧量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之方法，進一步包括控制該生物反應槽中之酸鹼值在6~9之間，以維持氨氮的氧化速率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之方法，進一步包括於停止加入之該含氧氣體後，使該生物反應槽靜置一段時間，讓該氨氧化反應產生之污泥沉殿。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之方法，進一步包括，排出過剩污泥量以維持一定量之該生物質體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之方法，進一步包括提供一調勻槽，該含氮廢水於注入該生物反應槽前，先注入該調勻槽進行該含氮廢水水質調整與水量控制。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之方法，進一步包括將製備完成之無氧氨氧化反應進流水注入一無氧氨氧化反應槽進行無氧氨氧化反應。
  10. 一種製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，包括：(1)一生物反應槽，用以容置含氨氮廢水及一氨氧化菌生物質體，以進行氨氧化反應；(2)一曝氣控制裝置，包括一曝氣裝置，用以於該生物反應槽中加入一含氧氣體，一氧化亞氮濃度偵測裝置，以資料傳輸媒介與該曝氣控制裝置連接，包括一氧化亞氮濃度偵測器，用以偵測該氨氧化反應產生之氧化亞氮濃度，一氧化亞氮濃度控制單元，以資料傳輸媒介與該氧化亞氮濃度偵測器連接，用以接收該氧化亞氮濃度偵測器傳送之氧化亞氮濃度資料，判斷當該氧化亞氮濃度到達一反應控制點時，傳送停止曝氣訊號給該曝氣控制裝置，停止於該生物反應槽中加入該含氧氣體，其中該控制點為該氨氧化反應中，氧化亞氮濃度由增加轉變為減少的時間點。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，其中該氧化亞氮濃度偵測器為氣體形式偵測器或液體形式偵測器。
  12. 如專利申請範圍11項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，其中氣體形式偵測器之偵測方式可為紅外光吸收、紫外光吸收或腔增強吸收光譜。
  13. 如專利申請範圍11項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，其中液體偵測器之偵測原理，係使用氣體層析方法或微電極法。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，其中該曝氣裝置為鼓風機、空壓機或表面曝氣等曝氣設備。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，進一步包括一溶氧量控制裝置，以偵測及控制生物反應槽中之含氧量。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，進一步包括一酸鹼值控制裝置，以偵測及控制該生物反應槽中之酸鹼值。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，進一步包括一污泥排放裝置，用以於完成氨氧化反應產生之污泥沉殿後，排出過剩污泥。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，進一步包括一調勻槽，用以於在該含氮廢水進入該生物反應槽前，先進入該調勻槽進行含氮廢水水質調整與水量控制。
  19. 如申請專利範圍第10項所述之製備無氧氨氧化反應進流水之裝置，進一步包括一無氧氨氧化反應槽，用以容置製備完成之無氧氨氧化反應進流水，以進行無氧氨氧化反應。
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