豬糞尿水之生物去氮除磷

豬糞尿水之生物去氮除磷

蔡孟潔

1

_，周楚洋

2 1.國立台灣大學生物產業機電工程學系碩士 2.國立台灣大學生物產業機電工程學系副教授，本文通訊作者

摘

要

為處理 豬糞尿水中 的氮磷，本 研究發展出 一套包含無 氧、厭氧及 好氣等單 元 的系統，同 時進行實驗 以評估不同 有機負荷時 此系統的處 理效果。 實驗時無氧槽及厭氧槽的溫度控制在攝氏37±1 ℃，好氣槽則為攝氏 30±1 ℃。 進流原廢水的COD 濃度調整在約 5,000 mg/L，並以系統水力停留時間(HRT)5.75 天、 3.83 天及 2.875 天為操作參數改變有機負荷，然後觀察整個系統及各槽的固形物、 有機物、氮 化物及磷化 物的變化情 形。 實驗結果顯示本系統對豬糞尿水中的COD 及氮磷均有顯著的去除效果，COD、 總氮及總磷 的去除率分 別為92~98%，62~93%及 42~88%。 關鍵詞：豬 糞尿水、生 物處理、氮 磷去除

BIOLOGICAL NUTRIENT REMOVAL FOR

SWINE WASTEWATER

Meng-Chieh Tsai

1

_{, Chu-Yang Chou}

2

1. Former Graduate Student, Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University.

2. Associate Professor, Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University, Corresponding Author.

A system including units of anoxic, anaerobic and aerobic has been developed in this study to remove nutrients for swine wastewater. Three tests at different organic loading rates were also conducted to evaluate the treatment efficiency for this system.

Both anoxic and anaerobic units were controlled at 37±1 ℃, while the aerobic unit was controlled at 30±1 ℃. The influent COD was prepared at a concentration about 5,000 mg/L before feeding. Three different sets of tests at system HRT of 5.75 d, 3.83 d and 2.875 d were operated to evaluate the performance of the whole system and each individual unit. Water quality including solids, organic matters, nitrogen and phosphate were monitored during experiment.

Experimental results showed that all three tests had significant effect in removing both COD and nutrients for swine wastewater. The removal efficiencies of COD, total nitrogen and total phosphate were achieved at the ranges of 92~98%, 62~93% and 42~88%, respectively.

Keywords：Swine wastewater, Biological treatment, Nutrient removal

一、前

言

養豬業是國內農業中年產值最高的產業，長 久以來都佔有很重要的地位。目前的在養頭數約 有七百萬頭（行政院農委會，2002），而豬糞尿 水加上清洗豬舍所產生的廢水，若以每日每頭豬 30 公升之廢水量來計算，則每日所產生的廢水量 高達 20 幾萬公噸，這些大量的廢水若未經處理 就 直 接 排 入 河 川 等 水 體，將 直 接 衝 擊 水 中 的 生 物，破 壞 生 態 環 境 並 造 成 水 體 的 優 養 化（陳， 1996）。目前台灣的養豬戶都已設有廢水處理設 備，且大部份都採用三段式廢水處理系統（固液 分離－厭氧－好氣）來處理豬糞尿，而三段式廢 水處理的設計是二級的生物處理，主要是著重在 生化需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)以及懸浮固 體(SS)的去除，排放水中氮、磷的含量依舊偏高， 對環境仍會有不良的影響。 過去處理廢水中氮磷的方法，有物理－化學 的 處 理 如：氣 提 法(Gas stripping)、折 點 加 氯 法 (Break-point chlorination)、離 子 交 換 法(Ion-exchange) (稻森等人，1987；Metcalf & Eddy, 2003; WEF, 1998) ；及 生 物的 處 理(WPCF, 1983)如：循序批次反應 槽(Sequencing batch reactor, SBR)、厭氧－無氧－ 好氧(A2O)、UCT(University of Cape Town process) 、Bardenpho、VIP(Virginia Initiative Plant)等。以上 的方法各有優缺點，但是考量成本及操作的便利 性等因素，則以採用生物方法居多，表1 所列為 不同的生物氮磷去除方法之優缺點比較。若考慮 國內養豬戶的現況，目前亟待解決的問題應該是 將 目 前 的 三 段 式 廢 水 處 理 設 備 做 最 小 幅 度 的 修 改，而使排放水中的氮磷達到有效的去除。因此 本研究之目的為：1. 配合目前的三段式廢水處理 設備，建立一個豬糞尿水氮磷之處理系統，以及 2. 評估此系統對於氮、磷的去除效果及特性。

二、材料與方法

氮磷處理流程設計 本實驗採用之脫氮除磷程序為無氧－厭氧－ 好氣，如圖1 所示，此程序跟一般脫氮除磷程序 不同的地方，是將無氧槽置於最前面。而採用上 述 之 廢 水 處 理 流 程 的 原 因 如 下(Metcalf & Eddy, 2003; WPCF, 1983; WEF, 1998; Grady et al., 1999):

1. 溶 氧：進流之原廢 水原本就會含有不 少的溶 氧，所 以 適 合 先 流 入 無 氧 槽 中，等 到 氧 消 耗 完 畢 後再 進 入 厭 氧 槽中，以 避 免過 多 的 水 中 溶氧影響到厭氧槽的菌相生長。 2. 除 氮：先 經過 好氣 槽的 硝化 作用，再 利用 迴 流 的 方式 將 硝 化 後 的廢 水 回 到 無 氧 槽中，加 上 剛 進流 原 廢 水 中 的充 足 碳 源，就 可 以 有 較 高的除氮效率。 圖1 系統流程圖 Fig.1 Flow diagram of the system

表1 不同生物氮磷去除方法之比較

Table 1 Comparison of different methods of biological nutrient removal (Metcalf & Eddy, 2003; WEF, 1998; 蔡，2001)

3. 去磷：(a)先 經 過厭 氧槽 的釋 磷作 用，後 經過 好 氣 槽 的蓄 磷 作 用，再 將 好 氣 槽 的 污泥 排 除 即 可達 到去 磷 的效 果。(b)在去磷的整個過程 中，當短鏈脂肪酸(SCFA)越多，就越適合磷蓄 積 菌 的 生 長，也 就 是 越 適 合 磷 的 去 除，然 而 SCFA 必須要在無氧槽中有足夠的時間發酵才 會 產 生，因 此 廢 水處 理 流 程 中 適合 先 經 過 無 氧程序再進入厭氧程序。 4. 厭 氧槽後直接連上好 氣槽，一方面可 以避免 過 程 中有 氧 氣 的 進 入減 少 去 磷 的 效 率，一 方 面因為胞外碳源大多會在厭氧槽中利用殆盡， 使 用 這樣 的 流 程 所 產生 的 環 境，只 有 磷 蓄 積

菌 可 以 利 用 PHA (Polyhydroxyalkanoates)（或 Polyhydroxybutyrate, PHB）進行代謝及生存， 其他一般非去磷異營菌根本無法競爭。 5. 將無氧程序放在 厭氧程序前，使 得無氧槽在 執 行 脫 硝作 用 時 會 有 足 夠的 碳 源，並降 低 廢 水 中硝 酸 鹽的 濃度 使 得廢 水不 會 在進 入厭 氧 槽 時，因 為 水 中 有 過高 的 硝 酸 鹽 濃 度而 影 響 到磷的釋放。 實驗材料 本研究採用之進流廢水取自苗栗縣造橋鄉的 平順豬場，此養豬場是以一般飼料來餵養豬隻， 原廢水取得之後，以200 mesh 的濾網過濾殘渣及 較大之固形物，然後儲存於4 ℃冰櫃中以避免微 生物孳長，實驗前先測原廢水的COD，並依需要 進行稀釋，使進流COD 濃度維持在 5,000 mg/L。 實驗設備 實驗系統配置如圖2 所示，包含無氧槽、厭 氧槽、好氣槽等反應槽主體及沈澱槽，以及進出 流 設 備、溫 控 裝 置、量 測 儀 器、打 氣 及 攪 拌 裝 置、控制電腦和控制模組（蔡，2001）。 1. 反應槽主體：反應槽是以厚度 0.5 cm 的壓克力 製成，槽體為長方體，底部為邊長20 cm 的正 方形，高度為35 cm，淨容積約為 12 公升，下 端5 cm 的區域作為污泥沈澱區，使用斜板設 計，使污泥容易集中排放。 2. 沈澱槽：沈澱槽是以厚度 0.5 cm 的壓克力製 成，形狀亦為長方體。沈澱槽底部為邊長 15 cm 的正方形，高度為 35 cm，淨容積約為 7.5 公升，下端8 cm 的區域作為污泥沈澱區。 3. 進 出 流 設 備：進 出 流 是 以 可 調 速 蠕 動 馬 達

(MASTER FLEX, Model No. 7553-80 及 No. 7553-70, Cole-Parmer Instrument Co., Chicago, IL, U.S.A.) 及 定 時 器（FRONTIER TM-627、 Theben TM-26，台灣）所控制。 4. 溫 控 裝 置：以 壓 克 力 材 質 的 容 器(30 cm 65 cm 36 cm)當作恆溫水浴，再將反應槽置於其 中，利 用 加 熱 棒、溫 度 感 測 棒 以 及 溫 度 控 制 器（MIN HAW 溫度控制器，台灣）將反應槽 控制在實驗所需的溫度。 5. 量測儀器：ORP 電極（OR106014-03-B，緯成 儀器，台灣）；ORP數值顯示器（JENCO Model No. 691N，任氏，台灣）。 圖2 實驗系統配置圖

6. 打氣及攪拌裝置：無氧槽及好氣 槽皆裝設有 打氣裝置（EP-3000 及 EP-9000，藍波水族器 材，台灣），厭氧槽則有可調速之攪拌裝置， 幫助厭氧槽混合均勻。 7. 控制電腦及控制模組：本實驗使用 GENIE 2.0 圖控程式（研華，台灣）於 Windows 環境下 進 行 無 氧槽 氧 化 還 原 電 位之 監 測，並依 照 所 讀 取 之 數 據 利 用 控 制 模 組（ADAM 4520 及 ADAM 4012，研華，台灣）來控制無氧槽中的 打氣裝置。 實驗設計與步驟 本 研 究 之 實 驗 系 統 是 利 用 定 時 器 採 取 全 自 動 半 連 續 進 流 之 方 式，進 流 之 原 廢 水 TN （總氮）維持在約500 mg/L。在正式實驗前， 豬場原廢水經五次採樣之分析結果，COD/TN 的比值約為 10，因此將原廢水稀釋，使進流 TCOD 調整約為 5,000 mg/L。由前人的研究經 驗(WEF, 1998; Grady et al., 1999; Metcalf & Eddy, 2003)，選定處理系統中個別反應槽之水力停 留時間，採用無氧：厭氧：好氣為2：1：2 之 比例，為了維持上述之HRT 比值，且三個槽 的 進 出 流量 都 相 同，因 此 操 作 時 系 統中 之 無 氧槽廢水的體積為10 公升，厭氧槽為 5 公升， 好氣槽則為10 公升，此系統亦有內部迴流裝 置（將好氣沈澱槽之上層液迴流至無氧槽）， 而其迴流比訂為 1.3（常，1995）。三個反應 槽之操作條件如下： 1. 無氧槽 無氧槽是要將槽中的溶氧控制在約0 mg/L ，為 了 避 免 溶 氧 不 足 變 成 厭 氧 狀 態，以 及 溶 氧 過 多 會成 為 好 氣 狀 態，所 以 在 無 氧槽 中 加 上ORP 電極以電腦控制，使反應槽中的 ORP 值維持在-100 mV 到-50 mV。同時為了適合脫 硝 菌 等 無氧 菌 之 生 存 及 提高 其 去 除 效 率，無 氧槽的溫度維持在37±1 ℃。 2. 厭氧槽 厭 氧 槽 槽 體 是 完 全 密 封 的 狀 態，槽 內 設 置 機 械 式攪 拌 器 做 連 續 的攪 拌，使 得槽 內 廢 水 能 均 勻 混 和，增 加 處 理 效 率，厭 氧 槽 的 溫 度控制在37±1 ℃以利於厭氧菌生長。 3. 好氣槽 好氣槽的溫度控制在30±1 ℃，為了提供 足 夠 的溶 氧，好 氣槽 的 曝 氣 機 維持 在 連 續 開 啟的狀態，以維持槽內溶氧高於2.0 mg/L。 整 個 實 驗 分 為 三 個 批 次，其 操 作 特 性 如 表1 所列，主要的控制參數為整個系統之水力 停留時間，各批次之實驗步驟如下所述： 第一批次：每天原廢水進流量 Q 為 4.35 公升 (2.3Q ＝ 10 公升)，無氧槽的 HRT 為1 天，厭氧槽的 HRT 為 0.5 天， 好氣槽的HRT 為 1 天。每天取樣 1 次，取樣項目包括進流原廢水、 無 氧 沈 澱 槽 上 層 液、厭 氧 沈 澱 槽 上 層 液 及 放 流 水。反 應 槽 中 污 泥 迴 流 以 人 工 每 天 從 各 沈 澱 槽 迴 流 兩 次，迴 流 方 式 是 維 持 各 個 槽 體 中25%之污泥量。 第二批次：每天原廢水進流量 Q 為 6.52 公升 (2.3Q ＝ 15 公升)，無氧槽的 HRT 為0.67 天，厭氧槽的 HRT 為 0.33 天，好氣槽的HRT 為 0.67 天。此 批實驗每天取樣2 次，取樣項目同 第 一 批 次。污 泥 迴 流 方 式 改 為 全 自 動 控 制，控 制 策 略 亦 是 維 持 各 槽體中25%的污泥量。 第三批次：每天原廢水進流量為 8.70 公升 Q (2.3Q ＝ 20 公升)，無氧槽的 HRT 為0.5 天，厭氧槽的 HRT 為 0.25 天，好氣槽的HRT 為 0.5 天。此批 實驗每天取樣2 至 3 次，取樣項目 同 第 一 批 次。污 泥 迴 流 方 式 及 策 略同第二批次。 實驗分析方法 本研究中樣品分析的項目包括：TS, VS, SS, COD, TKN, NO3--N, NO2--N 和 PO4-3-P。除了 NO3--N 以離子電極(DetectION, Nico Scientific, Huntington Valley, PA, U.S.A.)分析外，其餘都是根據 Standard Methods (APHA, 1992)，分 析 時 每 個 樣 品 做 三 重 複，並取其平均值，各樣品之分析項目及分析方 法如表2 所列。

三、結果與討論

批次實驗結果 本研 究藉 著改 變水 力停 留時 間(HRT)，以控 制COD 負荷作為操作因子，共進行三個批次實驗， 其COD 負荷分別為 0.794，1.342 及 1.859gCOD/L/d。 各個批次實驗中糞尿水及各個反應槽出流水之水 質及其去除率之結果如表3、表 4 及表 5 所示， 表中所列為各個批次之平均值及標準差(standard deviation)。結果顯示系統的 COD 累積去除率可達 90%以上，而總氮的去除率為 73%~91%，磷(PO4-3) 的去除率則為64%~77%。 表2 水質分析項目及分析方法

Table 2 Analytical items and methods used for water samples

表3 第一批次實驗結果

表4 第二批次實驗結果

Table 4 The experimental results of the second batch

表5 第三批次實驗結果

有機負荷之影響 1. 有機負荷對於整個系統處理結果之影響 如圖3 所示 COD 的去除率會隨著 COD 負 荷 增 加 而有 下 降 的 趨 勢，不 過 去 除 率仍 可 維 持在 90%以上，由此可知本系統設計對於養 豬廢水中的有機污染物有極好的處理效果。 總氮(TN)及正磷酸鹽(PO4-3-P)的去除，則 和COD 不同，即 TN 和 PO4-3-P 的去除率並非 隨著COD 負荷的增加而呈現下滑的趨勢，從 圖中可以發現，雖然第一批次的COD 負荷最 小，但是去除率反而是3 個批次中最低的。表 示COD 負荷對於整個系統氮磷去除是個極重 要的因素之一，過低的COD 負荷會使得處理 氮 磷 的 菌 種（如 nitrosomonas, nitrobacter 和 acinetobacter）無足夠的碳源供其生長所需， 當 菌 種無 法 有 效 生 長，會 使 得 系統 氮 磷 的 去 除率降低。但是過高的COD 負荷也會造成菌 種的負擔，就如第3 批次，會漸漸降低其氮磷 處理效率，所以選擇適當的COD 負荷，是提 高整個系統效率的重要關鍵。 2. 有機負荷對於無氧槽之影響 如圖4 所示 COD 的負荷並不會影響到無 氧槽TN 的去除率，去除率維持在 20 %左右， 圖4 COD 負荷對於無氧槽處理結果之影響

Fig.4 Effect of the COD loading on treatment efficiency of the anoxic reactor 圖3 COD 負荷對於整個系統處理結果之影響

因為除了無氧槽本身菌種生長需要氮源之外， 並 沒 有 很 多 脫 硝 菌 所 需 要 的 硝 酸 鹽(NO3-)流 入，所 以 去 氮 的 效 果 普 通，沒 有 特 別 明 顯。 而隨著COD 負荷增加，COD 及正磷酸鹽的去 除率也隨之增加，但當COD 負荷達到 5 g/L/d 的時候，COD 的去除率反而降了 10%左右， 但正磷酸鹽的去除率卻沒有很大的變動。 3. 有機負荷對於厭氧槽之影響 由圖5 可知，在去除有機物及氮磷方面， 不 論 負 荷的 多 寡，大部 分 時 間 厭 氧 槽的 去 除 效率都不佳，尤其是在去除COD 方面，雖然 COD 負荷增加到 5.6 g/L/d，但是根據前人的實 驗結果（劉，1996），這應該還是厭氧槽可以 負荷的狀態，COD 的去除率不應該只有 20% 左 右，表 示 此 實 驗中 厭 氧 槽 在 後來 的 狀 態 不 佳，其 原 因 可 能 是因 為 自 動 污 泥迴 流 系 統 中 產 生 污泥 架 橋 作 用，使 得 迴 流 系統 並 沒 有 將 足 夠 的污 泥 迴 流，因 此 使 得 厭 氧槽 的 處 理 效 率 變 差。不 過 厭 氧槽 的 功 能 並 非在 於 去 除 有 機 物 及 氮 磷，而 是 著 重 在 釋 磷 方 面，但 是 從 數據及圖形觀察，釋磷作用並不顯著。 4. 有機負荷對於好氣槽之影響 圖6 為有機負荷與好氣槽處理結果之關係 圖，由圖中可知，隨著COD 負荷增加，好氣 圖6 COD 負荷對於好氣槽處理結果之影響

Fig.6 Effect of the COD loading on treatment efficiency of the aerobic reactor 圖5 COD 負荷對於厭氧槽處理結果之影響

槽的COD 去除率也隨之降低，這表示對於好 氣槽來說，不宜有過高的COD 負荷。在圖中 有 一 特 殊的 現 象，根據 理 論 好 氣 槽 應該 是 利 用亞硝化菌及硝化菌將TKN 轉變成亞硝酸及 硝酸鹽類，所以TN 應該不會有太大的變化， 但是實驗結果卻顯示好氣槽的TN 去除率相當 高，尤其是COD 負荷在 1.3 g/L/d 時，TN 的平 均去除率居然達到76%，其原因可能是好氣菌 為 了 生 長而 急 遽 消 耗 的 結果，並 且 隨著 好 氣 污 泥 沈 澱於 好 氣 沈 澱 槽 中，才 會 達 到較 佳 的 TN 去除率。另一個可能的原因則是氨氣在曝 氣槽中容易被揮發(ammonia volatilization) ，而 形成較高的總氮去除率。 5. 與其他研究之比較 本 研 究 與 其 他 生 物 處 理 程 序 之 比 較，結 果如表6 所示，本研究使用高濃度進流廢水， 對於有機物(COD)的去除率可達到 92%以上， 並 且在 同 時去 除水 中 氮磷 方面 都 優於 其他 處 理程序。

四、結

論

本研究以組合無氧、厭氧及好氣三段反應槽 的實驗室規模系統處理豬糞尿水，各反應槽的水 力 停 留 時 間 維 持 在 2:1:2，但改變 原廢水 的進流 量，共進行3 個不同 COD 負荷的試驗。 結果顯示COD 去除率達 90%以上，總氮(TN) 的去除率為73~91%，正磷酸鹽(PO4-3-P)的去除率 為64~77%。而 3 個批次的實驗中以 COD 負荷為 1.34 g/L 時，對於氮磷可以達到最高的去除率， TN 之去除率可達到 91%，正磷酸鹽之去除率可 達到77%。同時與其他處理程序作比較，本研究 對於COD 的去除率皆可以達到 90%以上，高於其 他處理程序，而且在氮磷處理方面也不亞於其他 處理程序，因此應用本系統於豬糞尿水的處理相 當可行。

五、誌

謝

本研究承行政院農委會 90 農科-5.1.1-牧-U1 (4)及 91 農科-6.1.1-牧-U1(2)計畫之經費補助、沈 韶儀博士及陳力騏博士提供寶貴意見，特此誌謝。

六、參考文獻

1. 行政院農委會。2002。農業統計年報。20。台 北：行政院農委會。 2. 沈 韶 儀、洪 嘉 謨。1999。養 豬 廢 水 之 氮 磷 去 除。豐年半月刊49 (14): 27-28。 3. 官政明。1994。以 SBR 去除豬糞尿廢水中的 氮。第 三 屆 國 際 畜牧 污 染 防 治 技術 研 討 會 專 輯。224-234。台北：行政院農委會。 4. 陳國誠。1996。廢水生物處理學。第 3 版。台 北：茂昌。 5. 常方麒。1995。硝化液循環比對厭氧缺氧好氣 表6 各種生物處理法之比較

生 物 除 氮 去 磷 法 之 影 響。碩 士 論 文。台 北： 私立淡江大學水資源及環境工程研究所。 6. 劉安琪。1996。應用固定化細胞技術處理豬糞 尿 廢 水。碩 士 論 文。台 北：國 立 台 灣 大 學 農 業機械工程研究所。 7. 蔡孟潔。2001。養豬廢水之生物脫氮除磷。碩 士 論 文。台 北：國 立 台 灣 大 學 生 物 產 業 機 電 工程研究所。 8. 前川孝昭。1994。利用間歇曝氣法及改進碳氮 比 去 除 豬糞 尿 廢 水 之 氮。第 三 屆 國 際畜 牧 污 染防治技術研討會專輯。81-133。台北：行政 院農委會。 9. 稻森悠平、竹下俊仁、須藤隆一。1987。湖沼 水 質 保 全對 策 技 術 諸 法 今後 方 向 性。公 害 對策23(9)：26-34。

10. APHA/WEF/AWWA. 1992. Standard methods for the examination of water and wastewater. 18th ed., eds. Arnold E. Greenberg, Lenore S. Clesceri and Andrew D. Eaton., Washington, D.C.： American Public Health Association.

11. Germán Cuevas-Rodríguez, Óscar González-Barceló and Simón González-Martínez. 1999. Wastewater fermentation and nutrient removal in sequencing batch reactors. Water Science & Technology 38 (1)：255-264.

12. Grady, C. P. Leslie, Jr., G. T. Daigger and H. C. Lim. 1999. Biological nutrient removal. In "Biological Wastewater Treatment", 487-560. New York: Mcrcel Dekker, Inc.

13. Metcalf & Eddy, Inc., 2003. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, 4th_{ed. New York:} McGraw-Hill Co., Inc.

14. Stensel, H. D. 1980. Performance of first U.S. national seminar on control of nutrients in Municipal wastewater effluents. In "Proc. Vol. Ⅲ: Nitrogen and Phosphorus." Cincinatti, Ohio: U.S. Environmental Protection Agency, MERL. 15. Water Pollution Control Federation. 1983. Nutreint

Control. Manual of Practice No. FD-7, chairman: E.A. Orris. Washington, D.C.: Water Pollution Control Federation.

16. Water Environment Federation. 1998. Biological and Chemical Systems for Nutrient Removal. Washington, D. C.: Water Environment Federation.

收稿日期：2004 年 12 月27 日 修改日期：2005 年 3 月 1 日 接受日期：2006 年 1 月19 日