生物處理

什麼是生物處理?

生物處理是一種透過細菌將廢水中的污染物(例如:有機物及氨氮等)轉變成無害物質(如甲烷、二氧化碳或氮氣等)的處理方法。構成生物處理(生化氧化還原反應)進行的要素主要有三個部份(圖1):電子提供者 (electron donor)、電子接受者 (electron acceptor)及碳源 (carbon source),細菌透過電子提供者(被氧化)與電子接受者(被還原)的過程,獲得維持生理機能所需的能量(此處可以想成人類的呼吸作用);同時細菌會將進行生化氧化還原反應中一部分的電子,與碳源一起反應合成新的細胞(此處可以想成人類的吃飯造成體重增加)。

圖1-生化反應中的電子流佈

細菌在生理代謝反應上的常見分類包含:光合自營菌、光合異營菌、化學自營菌、化學異營菌四種。其中光合營 (phototroph)及化學營 (chemotroph)的差異主要在於細菌獲得能量(電子)的過程,前者是透過陽光照射到葉綠素,經過一連串的電子傳遞過程獲得能量,而後者則是透過氧化還原反應獲得細胞維生所需的能量;自營 (autotroph/lithotroph)與異營 (heterotroph/organotroph)的差異主要在於細胞合成時利用的碳源不同,前者是二氧化碳,後者則是以任何形式的有機物作為細胞合成時的碳源。

另外,廢水處理中時常聽見所謂的好氧 (aerobic/oxic)、無(缺)氧 (anoxic)、厭氧 (anaerobic)及兼氧 (facultative)的分類,主要是根據反應的電子接受者決定。好氧菌顧名思義主要就是利用水中溶氧做為最終的電子接受者,在廢水處理中必須透過曝氣設備將水中溶氧維持在 1-2 mg L-1或以上(即反應槽中的氧化還原電位常大於 0 mV以上),例如:活性污泥及硝化菌等皆屬好氧菌;無氧菌與厭氧菌因為生理特性上都不喜歡溶氧而常常被混淆,除了水中沒有溶氧外,若其電子接受者中帶有氧原子或氧化還原電位較高的物質,例如NO3-、NO2-、SO42-等,則屬於無(缺)氧菌,像是脫硝菌、無氧氨氧化菌(註2)及無氧脫硫菌等皆是(反應槽中的氧化還原電位約 0~-200 mV左右);厭氧菌則是利用H+或是CO2(註3)當作最終電子接受者,一般如產氫菌或甲烷菌等(反應槽中的氧化還原電位常小於-400 mV);兼氧菌則是在水中有溶氧的時候可以氧作為電子接受者,水中溶氧不足的時候以其他電子接受者(如NO3-)進行其生化反應,像是脫硝菌中有一部分菌群屬於兼氧菌。

表1-常見的電子接受者與其氧化還原電位

註1:上述氧化還原電位僅為該電子接受者進行還原半反應的氧化還原電位,與文章中描述反應槽中量測得之氧化還原電位,因其會受到水中電子接受者不同而有所不同。
註2:無氧氨氧化 (ANAMMOX)最早被發現的時候被稱為厭氧氨氧化菌,主要是1995年時厭氧菌與無氧菌並未明確被分類。
註3:厭氧反應其實是包含一連串的生化反應(水解、酸化及甲烷化反應,主要以還原反應為主),而其最終電子接受者CO2 則是有機物發身自身氧化還原反應而來。


常見的生化反應與生物處理程序中,好氧的生化反應如活性污泥法,主要是透過好氧異營菌將有機物氧化成二氧化碳的過程,其反應式概略可表示成(因為廢水中有機物種類繁多,此處不再特定舉例及平衡其化學式):

有機物+O2 → CO2+H2O

而典型的活性污泥法必須包含一個曝氣槽(生化反應進行處)及一個沉澱槽(污泥迴流及廢棄)才算完整(圖2),透過曝氣槽將廢水中有機物氧化成二氧化碳,而去除有機物得過程,細菌會同時產生新的菌體(即活性污泥),而處理後的水透過沉澱槽進行固液分離並濃縮較濃的污泥進行迴流與部份廢棄,以利維持系統正常功能。其他類似的反應器如薄膜生物反應器 (Membrane Bio-reactor, MBR)或序列批次式反應器 (Sequence Batch Reactor, SBR),前者是利用薄膜取代傳統的沉澱槽,後者則是利用同一槽體,安排不同時段分別進行反應、沈澱、出水等操作。


圖2-活性污泥法示意圖

另一種常見的生物處理即為厭氧反應,主要是透過厭氧菌將有機物分解成甲烷及二氧化碳,其反應式概略可表示成:

有機物 → CH4+CO2

有機氮 → CH4+CO2+NH3

最常使用的厭氧反應器像是上流式厭氧污泥床 (Upflow Anaerobic Sludge Bed, UASB),通常包含進水分配器、直立式的槽體(廢水由下進上出)及氣-液-固三相分離器,廢水由進水分配器進入反應槽後,透過厭氧菌將廢水中有機物分解成甲烷及二氧化碳,再透過三相分離器將污泥截留在反應器內,以維持系統正常功能,其他常見的厭氧反應器還有厭氧流體化床 (Anaerobic Fluidized Bed, AFB)、膨脹顆粒污泥床 (Expanded Granular Sludge Bed, EGSB)及厭氧固定濾床 (Anaerobic Fixed Bed)等。其餘生化反應如硝化反應(對應的技術如BioNET®)、脫硝反應(對應的技術如脫硝流體化床)及無氧氨氧化反應等請參考本網站其他技術文章,有更深入的介紹。

圖3-上流式厭氧污泥床示意圖


撰寫人:林翰磷