Bioenergy Production from Wastewater

中国环境学会  2011年 06月21日

  林秋裕a、張逢源b、朱正永b、賴奇厚c、李嘉雯c、吳石乙d、林屏杰d、張振昌e
  a逢甲大學 講座教授 建設學院院長
  bc逢甲大學 綠色能源發展中心 副研究員 助理研究員
  de逢甲大學 化學工程系 教授 助理教授
  *通訊地址:407 台中市西屯區文華路100號


    中文摘要


  國際潮流上,廢水之處理已經逐漸採取資源化甚至綠色能源化之方向,合乎所謂從搖籃到搖籃(cradle to cradle)的精神。台灣政府對於包括生質能的再生能源的發展相當重視,政策上有「綠色能源產業旭升方案」。行政院國家科學委員會專題研究計畫中,環境工程學門之2010年度重點研究項目也包括生質能源,並被歸納於環境生物系統領域;「能源化」研發則佔廢水處理研究案件的27.3%。逢甲大學使用細胞固定化技術提升微生物濃度,開發出『高速率厭氧微生物暗醱酵系統』,獲有世界紀錄的產氫速率與模廠技術;也以實例說明廢水能源化之經濟效益評估。逢甲大學並設有「亞洲氫能聯盟」與「APEC生物氫能技術網絡」,提供極佳之技術與學術交流平台,其經驗與成果可以供華人之分享與參考。


  英文摘要
  The management of wastewater problem is shifting from treatment to reuse and now to produce clean energy which is compromising the idea of “Cradle to Cradle”. It is an important policy in Taiwan to develop renewable energy including clean bioenergy. There are many energy-related research proposals have been applied for the funds from National Science Council in the field of Environmental Engineering in FY2010. The percentage of energy-related proposals to wastewater proposals is 27.3%. Feng Chia University has developed a high-rate anaerobic fermentative hydrogen production pilot-plant technology which resulted in world-record H2 production rate. The energy efficiency of energy production from textile wastewater is discussed. The university has organized “Asia BioHyLinks” and “APEC Research Network for Advanced Biohydrogen technology” which are good platforms for sharing academic and technical achievements in biohydrogen energy with Chinese-speaking researchers and experts.
  關鍵字:生質能,生物氫能源,氫能源,厭氧醱酵,廢棄物,廢水處理,能源效益,亞洲氫能聯盟,APEC生物氫能技術網絡」 (bioenergy, biohydrogen, hydrogen energy, anaerobic fermentation, waste, wastewater, energy efficiency, Asia BioHyLinks, APEC Research Network for Advanced Biohydrogen technology)
   
  一、台灣之生質能研究
 

  根據國際能源總署2008年資料,生質能為全球第四大能源,也是目前最廣泛使用的再生能源。生質能源的使用量,亞洲(不含中國大陸)占32.2%,非洲24.5%,中國大陸22.4%,經濟合作暨發展組織 (OECD)會員國(含歐美澳日等30國)則占12.8%。台灣對於再生能源的發展也相當重視,政府推動項目也包括生質能,提出「綠色能源產業旭升方案」規劃,將培育「產業規模或應用市場尚處於萌芽階段之潛力產業」。
  行政院國家科學委員會專題研究計畫中,環境工程學門之2010年度重點研究項目也包括生質能源(環境生物系統領域)。廢水處理研究之申請案,主分系統開發、污染減量及能源化三項,其中「能源化」研發佔整個廢水處理研究案件的27.3%(未含2009年10月核定而屬於環工學界執行的「國家型能源計畫」案),可見能源化也是目前台灣環境工程學術界之重要研究方向(表一)。
  表一  2010年度國科會專題計畫環工學門之廢水處理研究申請案統計

  性質分類

研發課題/方向

系統開發

實廠應用--各種廢水的污染強度降解及處理技術的開發,技術開發包括:高溫好氧處理系統、奈米觸媒電極結合電觸媒技術、厭氧脫氯、細胞固定化技術與電化學感測及新型貴重金屬回收模組。

污染減量

各種有機廢水,例如:BTEXMTBE污染地下水、苯二甲酸廢水、聚乙烯醇水溶液、含磷有機廢水、製藥廢水、染料廢水、化妝品工廠廢水及微量新興污染物。

處理技術:MBR操作、氧化處理程序、厭氧/好氧SBR生物處理、電凝系統、奈米薄膜及整合兩段式氮氧化物與電化學。

能源化

基質:(1)有機廢水--養豬廢水、光電廢水、食品廢水及(2)資源生質物--廢棄污泥、纖維素、微藻。

技術研發:建構厭氧醱酵系統產氫、生物可分解塑膠(PHB)、微生物燃料電池及碳排放減量。

 

  二、台灣之生質產氫技術
  1. 高速率產氫技術
  逢甲大學使用細胞固定化技術提升微生物濃度,開發出『高速率厭氧微生物暗醱酵系統』。該系統使用污水處理廠污泥提供主要菌種並獲有世界紀錄的生物產氫速率:例如英國Glamorgan大學Hawkes 教授等人,2007年於International Journal of Hydrogen Energy 文章即指出,能持續高速率產氫則該顆粒化系統將大有可為(Hawkes et al., 2007);新加坡南洋理工大學也在該期刊另文作肯定之表示(Zhang et al., 2008)。
  2. 有機廢水產氫
  工廠或家庭廢水或廢棄物富含有機物,可作為醱酵之料源,將能同時達廢棄物處理、再利用及產生新能源之功用。逢甲大學團隊積極開發有機廢水之產氫技術,包括棉布漿料廢水、糖蜜濃縮醱酵液、豆腐製程廢水及廚餘等。
  (1) 含澱粉之廢水
  紡織上漿程序需添加澱粉,故會產生高濃度的澱粉廢水。逢甲大學團隊發現以牛糞污泥菌種,在起始pH 7.0及溫度55oC分解棉布漿料廢水20 g COD/L,有最大產氫速率(1.14 L H2/L/d),氫氣濃度39%。成功大學化工系張嘉修教授也採各種厭氧反應器針對澱粉廢水醱酵產氫。此外,米飯成分含碳水化合物 78.3%、蛋白質6.6%、脂質3.2%及水11.9%。因此國際上Fang等人(2006)將米於100℃蒸煮30分鐘,批次試驗以米飯基質(5.5 g carbohydrate/L)及熱篩厭氧消化污泥菌種,在pH 4.5與37℃獲得最高產氫速率1.168 L H2/L/d,主要菌屬為Clostridium sp.。
  (2) 濃縮糖蜜醱酵液
  本團隊將啤酒廠廢水及果糖廠之玉米浸漬液醱酵,於35℃、pH 6.0分別可得產氫率1.50 mol/mol glucose及1.30 mol/mol glucose (Wu等人,2004)。以基質濃度40 g COD/L與pH 5.5在CSTR (Continuous Flow Stirred Tank Reactor)之連續醱酵在水力停留時間(Hydraulic retention time, HRT) 3 h及有機負荷320 g COD/L-d有最大產氫速率9.55 L H2/L-d,氫氣濃度51.7%(Lay et al., 2010)。針對糖蜜,哈爾濱工業大學任教授(Ren et al., 2006)也建構1.45 m3CSTR厭氧產氫模廠,有機負荷3.11~85.57 kg COD/m3 reactor/d的最大產氫速率為5.57 L H2/L/d。
  (3) 豆腐製程廢水
  亞洲地區由於豆腐的民生需求多,故產生大量豆渣和豆腐廢水。2005-2007年台灣豆渣申報量約80-100噸,伴隨產生的豆腐廢水排放量亦相當驚人,但大多未妥善處理,造成工廠周遭環境惡臭、蚊蟲滋生等環境問題。本團隊以中興污水污泥菌種、溫度35oC及pH5.5-6.5醱酵,獲得氫氣濃度42%與產氫率83 mL H2/g COD之結果。當pH 7.5-8.0時有甲烷,濃度36%與產率11.42-11.57 mL CH4/g COD (Lin et al., 2009)。日本Noike等人(2002)以豆腐廢棄物在中溫以Clostridium acetobutylicum 醱酵產氫;Kim等人(2009)以CSTR及薄膜生物反應器馴養厭氧產氫菌種分解豆渣廢棄物產氫,在pH 5.5及60oC有最大產氫速率19.86 L H2/L-d。
  (4) 廚餘
  廚餘主要來自家庭及餐廳、是複雜的高濃度有機質,甘藷繁殖快、生長期短、產量穩定,為含高澱粉之農作物。本團隊利用污水廠廢棄污泥及廚餘、甘藷進行共同厭氧醱酵,探求最佳產氫混合比及菌種熱前處理對產能之影響,再以CSTR系統探討產氫,最大產氫率為1.44 mol H2/mol hexose,總醣利用率達89%(李,2009)。成功大學鄭幸雄教授也以模場醱酵槽有效的產氫。日本Okamoto等人(2000)測試甘藍菜、胡蘿蔔及米飯等家庭廢棄物之醱酵產氫,氫產率26.3~96 mL H2/g VSadded;韓國Kim等人(2005)與Shin等人也曾以廚餘與污泥成功地共醱酵產氫。


  .3. 能源回收與碳交易效益評估
 

  各項工程均可以考慮節能減碳與碳交易之效益評估,以下舉例說明逢甲大學紡織漿料廢液厭氧生物產氫之情形。
  1. 設計參數:進料速率200 m3/d,紡織漿料廢液(28 g COD/L),工廠每年操作360天。
  2. 廢水處理廠參數(以逢甲團隊數據為參考值):
  產氫速率:1.84 L/L/h(HRT2 h,反應槽體積 17 m3,進料20 g COD/L)
  最高產氫速率:15 L/L/h(HRT 0.5 h;反應槽體積 4.2 m3,進料20 g COD/L)
  氫氣密度 = 0.0899 kg/m3(273K)
  氫氣熱值34,000 Kcal/kg
  進口燃料煤熱值9,400 Kcal/Kg
  燃料油熱值9,200 Kcal/L
  3. 碳交易參數:
  CO2氣體排放係數:2.53 Kg CO2e/ Kg 燃料煤
  處理每公噸COD廢水約產0.25公噸甲烷
  產CO2氣體潛勢:1公噸甲烷氣體約為CO2氣體的23倍
  一、成本
  1. 設備成本
  厭氧醱酵產氫設備包括泵浦、基質預混槽(不銹鋼)、醱酵槽(不銹鋼)…等,以現階段數據評估醱酵槽大小約17 m3,建造成本概估為500萬元台幣;若以最大產氫值估算,醱酵槽約為4.2 m3,建造成本概估為300萬元台幣。
  2. 操作成本
  因厭氧醱酵設備增設於既有廢水處理設備,故無額外人事成本。且因廢水含豐富的微量元素故不需添加營養鹽,所以操作成本也極為低廉。依逢甲大學模場操作放大,預估每年電費約5~8萬元。
  二、投資效益(現階段數據評估)
  H2日產量= = 750.7 m3H2/d
  H2年產量=750.7 m3H2/d × 360d/yr = 270,260 m3H2/yr 

  1. 燃料煤減量效益
  氫氣總熱值=270,260 m3×0.0899kg/m3×34,000 Kcal/kg = 826×106 Kcal
  相當於燃料煤減量=826×106Kcal /9,400(Kcal/Kg)/1000= 88 公噸
  燃料煤減量效益 = 88 公噸×70USD/公噸×33 NTD/USD = 20.3萬元
  相當於燃料油減量=826×106Kcal /9,200Kcal/L/1000= 89公秉
  燃料油減量效益 = 89公秉×350USD/公秉×33 NTD/USD = 102.8萬元   
  2. 申請自願探標準(Voluntary Carbon Standard, VCS) 碳交易收益
  (1) 溫室氣體減量= 88 公噸×2.53 Kg CO2e/Kg= 222公噸CO2e
  (2) 甲烷逸散減量估算(假設廢水為厭氧處理)
  廢水進流量 = 200 m3/d×360d/yr = 72,000 m3/yr;平均進流COD = 28 g/L
  假設COD去除率為65%,處理每公噸COD廢水約可產0.25公噸甲烷
  廢水產生之甲烷量 = 72,000 m3/yr × 28 g/L×65%×0.25/105
  = 3.3公噸CH4/yr = 75.3公噸CO2e/yr
       VCS碳交易收益 = (222+75.3)公噸×5USD/公噸×34NTD/USD= 5萬元  
  3. 廢水處理成本降低效益
  原始高濃度污水 (28 g COD/L) 每噸處理費8元;當污水濃度降至8 g COD/L,後續污水處理費每噸4元(環境顧問公司估算值)。廢水經由厭氧醱酵產氫降低COD強度後,可節省污水處理成本為每噸4元。
  故每年可節省污水處理費用為 = 4元/噸×200噸/天×360天 = 28.8萬元/yr
  4. 合計效益:
  投資效益=燃料煤減量效益+碳交易收益+廢水處理成本降低效益
  =20.3萬+5萬+28.8萬 = 54.1 萬元/yr
  若以最大產氫值估算,投資效益整理如表二。
  表二 紡織退漿料廢液厭氧生物產氫效益評估

  項目

現階段數據評估(燃煤)

現階段數據評估(燃油)

最大產氫值估算(燃煤)

最大產氫值估算(燃油)

成本

設備成本(萬元)

500

500

300

300

操作成本(萬元/yr)

5

5

8

8

投資效益

燃料減量效益(萬元/yr)

20.3

102.8

40.9

208.9

碳交易(萬元/yr)

5

8.9

8.9

8.9

廢水處理成本降低效益

(萬元/yr)

28.8

28.8

28.8

28.8

合計(萬元/yr)

54.1

136.6

78.6

246.6

可回收時間說明

10

3.8

4.5

1.5


  三、國際生質能發展現況


  1. 國際生質氫能現況
  「國際能源組織氫能推動協定(International Energy Agency - Hydrogen Implementing Agreement, IEA-HIA)」附屬組織「生物產氫任務小組(Task 21)」,自2005年起每年數次不定期於會員國(目前有10餘國)輪流舉辦會議,交換生質產氫研發技術與行政、政策資訊。亞洲國家參與此Task之成員國相對較少,以台灣、日本、韓國為常見,最近一次在義大利舉辦,會中各國說明報告內容摘要表之資料(表三)可知,台灣之模場技術研發與英國、日本較屬同步,但英國也已進入實際設置生物氫能之加氫站供汽車使用;這是台灣需加快腳步研發的,此種再生氫能之應用,可配合應用於台灣一般交通特性之「機車」。
  表三  2010 Italy Annex 21各國研究發展現況

  國家

工作內容

美國

基礎型研發,藻類產氫

加拿大

反應機制

日本

(1) 糖與糖醇之血清瓶產氫,(2) 跨國合作模場操作

(3) 業界合作模場操作

台灣

(1)  APEC計畫內容,(2) 模場產氫,(3) 醱酵CO2養藻

法國

(1)  Desulfovibrio研究,(2) 反應機制

荷蘭

可水解Rhamnosexyloseglucose之高溫純菌

義大利

(1) 暗醱酵串聯光醱酵,(2) 室內、室外反應槽試驗,(3) 純菌,

(4) 高溫純菌、CO2養藻,(5) 產氫與利用結合

英國

(1) 微生物燃料電池,(2) 於小鎮設置4座加氫站實用,(3) 經濟評估,(4) 產氫模式

德國

藻類產氫

芬蘭

針對造紙廢水以biorefinery (生物精鍊)方式應用(5年跨校計畫)

土耳其

(1) 6FP計畫 (Hyvolution)(2) 光醱酵原型反應槽 (版狀)(3) 利用橄欖油廢水

  2. 逢甲大學團隊參與的國際活動
  (1) Asia BioHyLinks (亞洲生物氫能聯盟)
  為促進生亞洲國家地區生質氫能相關的研究和發展,於2006年由日本、韓國與台灣的生物氫能專家學者(逢甲團隊)共同發起『亞洲生物氫能聯盟』,以交換生物產氫的研究、技術與教育心得。該聯盟秘書處設在逢甲大學,由本校教授擔任秘書並維護網站。
  (2) APEC 先進生質氫能技術網絡
  逢甲大學於2009年11月成立『APEC(亞太經濟合作)先進生質氫能技術研究中心』,是『APEC先進生質氫能技術網絡計畫(APEC Research Network for Advance Biohydrogen Technology)』的一部份。該網絡計畫規劃兩個階段:提供短期訓練課程與專家互訪、建立溝通網頁及舉辦生物氫能技術國際研討會;第二階段將協助有興趣的會員體成立生物氫科技研究中心、提供生物產氫先導工廠技術之課程分享生物產氫技術放大之經驗、擴散生物氫技術於應用領域並與APEC能源工作小組跨組密切合作。
  結論與建議
  國際潮流上,廢水之處理已經逐漸採取資源化甚至綠色能源化之方向,合乎所謂從搖籃到搖籃(cradle to cradle)的精神。台灣利用含糖有機廢水之醱酵產氫技術則領先全球,研發團隊之逢甲大學並設有亞洲氫能聯盟與APEC生物氫能網絡,提供極佳之技術與學術交流平台,其經驗與成果可以供華人之分享與參考。
  
  
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