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環保高效能去氨氮生物反應器之開發與推廣
分類:國科會工程處產學計畫成果專文
發行期別:
發佈日期:2021-06-28
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科技部工程司109年度產學計畫優良成果|民生化材領域

 

環保高效能去氨氮生物反應器之開發與推廣

計畫基本資料

編號:MOST 108-2622-E-033-002-CC2

執行單位:中原大學環境工程學系

主持人/共同主持人:黃郁慈/鄧志浩 

參與人員:杜宗軒、張鶿、李定祥、林漢昇、黃亭慈、伍志超

合作企業:威新生物科技股份有限公司

 

文:黃郁慈  編輯:張萬珍   圖:計畫團隊、鄭憶雯

 

計畫主持人黃郁慈教授(右二)與學生

 

自1995年厭氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation, Anammox)被發表後,相關技術發展迅速,將Anammox相關技術應用於高氨氮污水的處理,能有效減少工業污水處理的成本,提高效能,減少污泥,還能降低溫室氣體的排放。

 

計畫主持人黃郁慈副教授目前任教於中原大學化學工程學系,開授:生化工程、物理化學、生物化學、綠色科技講座等課程,並主持「生物資源科技研究室」,她指出,與傳統的脫氮方法相比,厭氧氨氧化菌是一種自營性細菌,具有相當的優勢,例如:無需外部電子供應、污泥產量低、氮去除率(nitrogen removal rate, NRR)高等。也因為污泥產量較低以及無須供應有機碳源,通氣的需求可減少約50%,因此降低約60%的電力消耗,而溫室氣體排放可減低約90%,還能把二氧化碳分子固定為生物碳。因為這些優勢,厭氧氨氧化菌甚受關注。

 

由於Anammox菌生長速度慢,根據黃教授實驗室的研究成果顯示,自然情況下NRR約為10%,若進行監控時NRR能夠高達40%,因此Anammox菌的快速培育,及其相關節能與環境調控,仍然是將此技術應用於產業的挑戰。黃教授與威新生物科技股份有限公司合作,希望以新式Anammox技術改善傳統硝化脫硝技術產生溫室氣體又過度耗能的缺點,並開發去氨氮生物反應器,以加快Anammox微生物的生長,提升半導體及高科技廠的氨氮污水生物處理技術,降低環境負荷。

 

目前多數的研究聚焦於探討Anammox反應器在各種不同類型的污水處理時穩定操作的條件,研究結果顯示,外在環境因素被認為是導致反應器性能下降的主因,黃教授舉例,世界上第一個大規模Anammox反應器的啟動就耗時近2年,這表示Anammox的培養方法和條件都需要尋求更有效率的啟動策略。

 

黃教授基於分子生物學的背景,希望藉由徹底探討臺灣Anammox菌群的分佈和DNA序列特徵,設計開發適合Anammox的反應器。在她解析原生種Anammox序列的過程中,曾受Anammox研究的頂尖學者Jetten教授邀請,到荷蘭Radboud University分享臺灣的研究成果,並由次世代定序了解到臺灣原生種Anammox極可能是新的亞種,她期待能如Jetten教授一樣,在原生種新命名時呈現「Taiwan」,將名字彰顯在學名中。

 

在這項研究中,考量Anammox的特性,藉由薄膜保留Anammox菌群在反應器中,加快生物體累積效率,同時薄膜的通透性可以有效促進生物體與基質的接觸與傳輸。計畫團隊整合人工智慧(AI)晶片智能決策系統,提供即時的水質數據,進行即時的水體化學物質調整,達到最佳的生長條件,使 Anammox提高NRR,同時減少電力和化學物質添加的成本。黃教授表示,整體而言,上述的方式可以改善生物性污水處理系統操作維護的困難,提供處理氨氮污水的有效解決方案。

 

黃郁慈老師設計之生物反應器

 

黃教授研究團隊所開發的第一代新式生物反應槽為5L的雙槽式反應槽,在500 ppm氨氮強度下,操作水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)最短可到24小時。團隊根據氨氮去除效率及監測參數調整曝氣頻率與亞硝酸鹽濃度,相較於24小時不間斷曝氣,間歇性曝氣可節省87%的電力成本,穩定增加氨氮去除效率。

 

研究團隊開發的第二代新式生物反應槽為15L雙槽式反應槽,除了增加水體體積,同時以內循環馬達增加水流交換率。植種後初期,發現反應槽內部溶氧過高,導致酸鹼度變動值約在pH = 5.5~7.5間,團隊持續調整反應槽操作條件,並加強槽體密封性,亦搭配監測系統,由各項參數的數據作為操作依據,運轉3個月後可達穩定。若單獨接種成熟的Anammox污泥,或是黃教授所開發的含厭氧氨氧化菌粉末(中華民國專利發明証號I 597361)作為種子污泥,可加快啟動速度。

 

黃教授指出,這項計畫達成的重要成果與技術創新包括:以新式去氨氮生物反應器加快Anammox菌的生長;透過間歇性曝氣節省87%電力消耗,降低85%以上污泥與溫室氣體的排放;搭配數位監控系統,能即時得知槽體變化做出應對;建立Anammox生物農場模式,能即時提供大量的生物體。

 

來自中原大學化學工程所、土木工程所與環境工程所的4名碩士生、1名專題生以及1位合作廠商派員參加了這項研究,各自負責其相關Anammox領域的實驗研究,包含厭氧氨氧化菌生物製劑配置、Anammox反應器效率與節能優化,以及微生物系統中的合作與競爭分析。專題生伍智超同學以數據收集和即時監控為主要研究內容。研究團隊高度投入,不分日夜持續實驗,連過年期間也排班採樣,建立了深刻的合作情感,交流了不同系所的專業知識和技能,大大激發了研究的靈感。

 

同學進行實驗

 

研究過程中,黃教授積極培育研究生參與各項發表會和競賽,例如帶領研究生和廠商參加2018中原大學生醫產業與新農業跨領域人才培育計畫,於生醫產業創新創業課程結業成果發表贏得第2名的榮譽,後續在2018年全國生醫產業與新農業創新創業獎競賽「生醫產業組」贏得「佳作」的肯定。

 

張鶿同學參加臺灣化學工程學會65週年年會以題目「高密度渦流厭氧氨氧化技術於氨氮廢水之應用」贏得「佳作」榮譽,於2019年參加臺灣創新技術博覽會贏得「銅牌獎」殊榮。研究生李定祥和盧昶竹同學參與臺灣化學工程學會67週年年會,題目分別為「Anammox反應槽快速啟動之條件模擬及微生物相效率觀察」和「Technology for rapid detection of anammox bacteria in wastewater treatment system」,均榮獲「佳作」。盧同學在第四屆臺灣碳料學術研討會發表論文「快速偵測廢水處理系統中厭氧氨氧化菌種之技術」,榮獲「佳作」。

 

同學們組成團隊,參加「財團法人臺灣永續供應協會」主辦的「2020 Green Circular創新技研競賽」從入圍一路晉升到決選階段,李定祥同學通過激烈競爭,以論文「Anammox 顆粒污泥氮去除效率比較與快速啟動條件之模擬 (Comparison of Anammox granule and sludge nitrogen removal efficiency and simulation of fast start-up conditions)」贏得「日月光文教基金會」提供的第七屆日月光環保學術碩士論文補助。

 

黃教授指出,為達到永續發展,各國都對氨氮制訂日益嚴格的排放標準,而Anammox被學界認為是含氮污水處理的明日之星。有鑑於人工觀察無法有效掌握其複雜的好厭氧複合環境,她和計畫團隊設計了「環保高效能去氨氮生物反應器」,期許未來能積極應用在產生含氮廢水的產業,如高科技光電產業或是民生畜牧養殖,除了根據現場槽體補強施工,還要導入AI智能化判讀,增加生物除氮穩定度,若能採用已開發出原型試片的「厭氧氨氧化菌的快速檢測平台」,將能即時掌握Anammox菌群的消長,減輕現場操作人員的負擔,節省電力、人力及原料的成本,降低溫室氣體排放,提升臺灣產業的競爭力。

 

黃教授感謝科技部工程司提供產學合作研究計畫案,讓她的實驗室團隊有機會了解產業界的需求,建立長期的合作關係,共同開發有益於學界和業界的產品,她說:「當上台領取簡報組優良獎時,內心充滿感激與力量,期許能再次爭光。」

計畫主持人與科技部工程司長官合影