1002935 ■ 公開 □ 密件、不公開 執行機關(計畫)識別碼：070201U104
行政院農業委員會100年度科技計畫研究報告
計畫名稱：
畜牧污泥厭氧消化對溫室氣體減量之評估
(第
2年/全程2年)
(英文名稱)
Assessment of greenhouse gases emission
reduction from anaerobic digestion of
livestock sludges
計畫編號：
100農科-7.2.1-牧-U1(4)
全程計畫期間： 自 99年4月1日 至 100年12月31日
本年計畫期間： 自 100年4月1日 至 100年12月31日
計畫主持人：
林志高
研究人員：
莊維倫、廖南維
執行機關：
交通大學
一、執行成果中文摘要：
以序批式反應槽利用同時部分硝化、厭氧氨氧化和反硝化 (SNAD)處理養豬廢水厭氧 出流水，TKN、TN 與 COD 去除率，分別 100%、83%、80%，可達提升放流水回收再 利用之價值，調查平順養豬場每年產生廢水量80000 CMD，每年可降低排放 GHGs 之 潛勢約為 3200 噸 CO2(eq)。
二、執行成果英文摘要：
Using simultaneous partial nitrification, ANAMMOX and denitrification (SNAD) treating anaerobic effluent of manure wastewater, the removals of TKN, TN and COD were 100%, 83% and 80%, respectively. The effluent of SNAD is valuable for recycle in the plant. In addition, greenhouse gases emission reduction from anaerobic digestion of livestock wastewater treatment plant for a flow of 80000 CMD is assessed as 3200 tons/year.
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三、計畫目的：
以厭氧氨氧化處理畜牧廢水，除氮以降低溫室氣體排放，提升放流水回收再利用之 價值。
四、重要工作項目及實施方法： 實驗設備與方法 1. 進流水特性 本研究所用進流水為平順養豬場厭氧出流水；水質特性如表1所示，COD平均濃度為 1220 mg/L，TKN 820 mg/L， NH4+-N 630 mg/L，屬高碳高氮有機廢水；鹼度平均為 3530 mg CaCO3/L。 2. 植種污泥植種污泥來自臺灣基隆天外天垃圾滲出水處理廠。植種污泥含 ANAMMOX 紅色顆粒。通過對進出流水中氮平衡計算分析，螢光原位雜交法 (FISH) 技術與聚 合酶鏈反應 (PCR) 技術均證實 ANAMMOX細菌的存在 (Wang et al., 2010)。除此之 外，植種污泥亦被證實存在AOB、NOB以及反硝化細菌。 3. 反應系統與操作步驟oC，最高26 oC，水溫變化係季節變化引起；控制 pH 7-8，DO ＜ 0.5 mg/L。 4. 分析方法
本研究檢測項目COD、TKN、NH4 +-N、NO2-N、NO3-N、鹼度等，分析方法皆根據
Standard Methods (APHA, 1998)。
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五、結果與討論： 1. pH與DO 圖2為研究期間反應槽pH與DO趨勢圖。反硝化過程會產生HCO3- 使得pH升高，但部分 硝化會消耗鹼度，使得pH降低。本實驗結果顯示，部分硝化過程對pH影響較大，導 致反應槽整體出現pH下降的趨勢。反應初期接種細菌在馴養階段，亞硝化反應尚未 達到最佳狀態，因此pH約為7.5-8；約50天以後，亞硝化以及ANAMMOX過程均達到良 好狀態，pH降至7.0左右。 在實驗初期 (第0 ~ 40天)，溶氧值 (DO) 的測定為直接量測反應槽之出流水，然而 出流水是使用虹吸管抽出，因此在取樣過程中的擾動可能使空氣中的氧氣進入水中 ，而高估了實際溶氧值，為了取得更貼近反應槽內的溶氧值，量測方式改以 100 mL 燒杯將反應槽內混合液一併撈出，並使用溶氧計測定之。在整個實驗過程中，溶氧 將控制於0.5 mg/L 以下，若出流水中NH4+-N過高時，手動調節流量計提高曝氣速率 ，使硝化菌有足夠之氧氣將NH4+-N轉化為NO2--N並與剩下的NH4+-N繼續進行厭氧氨氧化 反應。然而在實驗的過程中，因曝氣量的大小不易掌握，使得溶氧有時上升至 4 左 右 (如圖2所示)，極度促進硝化過程的發生，致使鹼度消耗及pH降低，當pH＜6時 ，添加NaHCO3以補充鹼度。 2. 氮去除率與有機物去除率 第二階段 (42-83 d) 提高NLR至66 g/m3/d。此階段初期，由於ANAMMOX尚未適應此 NLR，因此並未表現出更好的處理效率。在ANAMMOX適應了此NLR之後，總氮 (TN) 與 TKN的處理效率均顯著提高。TKN處理效率最佳可達100%，對應的TN處理效率亦可達 為83%。第三階段 (84-127 d) 更將NLR提高至132 g/m3/d，平均 TKN 及 TN 處理效 率均可分別維持在87% 及62%。 進、出流水COD變化及處理效率如圖4所示；反硝化細菌為異養缺氧型細菌，它的代 謝過程需要消耗有機物，在單一反應器中同時部分硝化、厭氧氨氧化與反硝化 (SNAD) 程序正是利用了這一點來同時去除廢水中的有機物。由圖4可看出，在不同 階段COD處理效率皆呈現良好趨勢；處理效率逐漸上升，到第60天基本達到穩定 ，COD降解率為65%-80%；文獻記載ANAMMOX細菌的增殖需要7-11 d [3-4]。 Lan et al. (2011) 研究指出，提高NLR可以促進ANAMMOX細菌的繁殖。本研究實驗採 SBR，研究期間未排泥。在三個實驗階段，反應槽中MLVSS (mg/L) 分別為 2467 mg/L (第 1 天) 、2669 mg/L (第 60 天)、3733 mg/L (第 103 天)。 3. 溫室氣體排放成效評估
1 Kg N約同等50 Kg CO2(eq) (30~70 Kg CO2(eq)) (Oenema et al., 2006)；由化學計量
厭氧出流水TKN 820 mg/L、COD 1220 mg/L (表一)，亦即0.82 Kg TKN/d、1.22 Kg COD/d，T N 及COD去除率分別可達 83%、80%，每日可降低排放 GHGs之潛勢則分別 為34.03、6.3928 Kg CO2(eq)，合計約40 Kg CO2(eq)。調查平順養豬場約有9600頭豬 ，每日產生廢水量約為170-250 CMD，夏季廢水量較大，冬季則較低，平均220 CMD；若每年產生廢水量80000 CMD則每年可降低排放 GHGs之潛勢約為3200噸 CO2(eq) 。 6 6 -1002935
六、結論： 本計畫研究證實，養豬廢水厭氧出流水很適合以厭氧氨氧化處理降解TKN，在室溫下 成功地建立了以養豬廢水厭氧出流水為進流水的SNAD系統。在NLR分別為45、66、 132 g/m3/d的情況下，均可取得很高的TKN、TN與COD去除率，最高分別可達100%、 83%、80%，可達提升放流水回收再利用之價值。調查平順養豬場每年產生廢水量 80000 CMD則每年可降低排放 GHGs之潛勢約為3200噸 CO2(eq)。
七、參考文獻：
APHA (1998) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 20th ed., American Public Health Association, Washington, DC.
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表 1 養豬廢水厭氧出流水水質特性 項目 mg/L COD 1220 ± 320 TKN 820 ± 100 NH4+-N 630 ± 140 NO2−-N - NO3−-N 6 ± 3 Alkalinity1 3530 ± 290 pH2 7.2 ± 0.1 1單位 mg CaCO 3/L, 2無單位, Ave±std (三次採樣) 表 2 反應系統操作條件 Stage 1 2 3 T (oC) Ambient temperature (14-26oC) Inf. TKN (mg/L) 225 330 330 Inf. COD (mg/L) 130 140 140 HRT (d) 5 5 2.5 Phase (d) 0-41 (41) 42-83 (42) 84-127 (43) NLR (g/m3/d) 45 66 132 10 -1002935
圖 1 反應系統裝置示意圖
1. 攪拌器, 2. 出流水管, 3. 曝氣頭, 4. 曝氣馬達, 5. 流量計 (用於控制曝氣速度), 6. 量筒 (用於接收出流水)
圖 3 進出流水含氮化合物變化及處理效率
圖 4 進出流水 COD 及處理效率
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