微生物新工法應用於廢水處理再利用之探討

前言

最近台灣北部因久旱不雨，致桃、竹、苗地區自來水水源量不足，經濟部日前宣布：自4月1日起開始實施第1段限水(夜間減壓、減量供水)，4月30日宣佈5月中旬將實施第2階段限水，減少供應大用戶及工業用戶(包括游泳池、洗車、三溫暖等行業)之用水，並停供噴水池、沖洗街道、水溝、大樓外牆、試放消防栓及露天屋頂放流等非民生必要之用水。其範圍甚至擴大到中、桃、竹、苗等地區，讓人體會到台灣缺乏有效水資源的嚴重性。其實高雄地區，每年夏季遇有颱風大雨，高屏溪河水濁度便急速飆高，使得凡取用該溪表面水為其原水的水廠，經常會被迫減量出水；或甚至關廠無法出水，此時仁武及楠梓等工業區內的工廠，只好緊急到附近山區運水應急。

據報載楠梓加工出口區使用自來水每立方公尺之產值達新台幣12,000元，若自來水無法充分供應，對其營收至為不利。為此作者乃就日本高嶋博士研發的「有效微生物複合發酵工法」，應用於廢水回收再使用，做進一步的說明，俾供各界人士參考，祈能有助於紓解各地區水源量之不足。

廢水回收之必要性

水資源之不足

水不僅是全球所有生物生存不可缺少的東西，同時也是都市基礎建設(Infrastructures)重要公共資源之一。但隨著工業生產的發展，淡水水資源的消耗量實在驚人，致日益缺乏。雖然海水會藉由陽光蒸發後變成雨水，然後降落在陸地上成為可利用的淡水。但現在因人口暴增，經濟快速成長，人類為了解決糧食不足等問題，錯誤的將原有雨林改為農業耕地(例如巴西政府不顧世人的強烈反對，將亞馬遜河流域沿岸的原始森林予以砍除，作為其生產農作物與養殖畜牧之用地)，結果造成臭氧層更進一步的破壞，使全球暖化更加嚴重。儘管水源並不會消失，但水循環之進行已因而不甚順暢，其循環頻率已超出原先之10日到15日，降雨量也因而發生嚴重的變化。聯合國氣候科學家表示：由於全球氣候暖化，估計在5年內會造成「北澇南旱」，當水氾濫過後就必然會缺水。

水源遭受污染

目前全世界因人口暴增，早年落後國家的人民，在生活上所產生的廢水，包括因家庭及醫藥上所使用的鹽類、一般排水、農工產業廢液及廢棄物等，均大量排放進入河川、湖泊或海洋，致嚴重破壞大自然的生態。另外每天各地以高溫燃燒大量的石化燃料，其所產生大量的二氧化碳，亦嚴重影響地球生態環境。即使只是微量的戴奧辛、多氯聯苯、鉻等，也都成為環境賀爾蒙(Environmental Hormones)，對水資源之安全性造成極大的威脅。

另因人類任意排放廢氣(包括工廠的廢氣及汽車排氣)，其所含的污染成份(尤其是懸浮微粒)，極易降落在鄰近的地面，而造成土壤及水資源的污染；其落塵及其所造成的酸雨也會使土壤酸化及礦物質流失，致影響作物之生長。

尤其是人造化學品或其他異物，如硝酸鹽、氨與牲畜糞便及其相關的農業經營，除會危害人體健康外，也會滲透到地下水含水層，而被人類取用為飲用水，故具有極大的潛在性危險。

廢水處理之工法

活性污泥法

目前經常被工業界所使用的傳統式活性污泥(Activated Sludge Method)工法【1】，是一種污水的好氧生物處理工法。本工法是1912年英國的克拉克（Clark）和蓋奇（Gage）所發明。它是於廢水中應用「好氧生化處理技術」，將廢水中的懸浮固體和膠狀物質由活性污泥予以吸附。而廢水中的可溶性有機物則被活性污泥中的微生物作為其自身繁殖的營養，以代謝轉化為生物細胞，並氧化成為最終產物（主要是CO2）；至於非溶解性有機物則先轉化成溶解性有機物，而後才被代謝和利用，廢水由此得以淨化。

本工法所使用的微生物，事先並未做特別的篩選，自然界大量存在的腐敗型好氧性微生物，會在處理污水過程中進行腐敗與分解作用，因而產生惡臭或毒氣，並生成有害物質等，且廢水中所含之成藥及環境荷爾蒙等成分無法處理掉，而它又是無臭無味，雖然處理後的水質符合水質標準，但卻有毒，故其處理後的廢水無法回收，而且對海水淡化也完全無效。至於其處理成本，根據日本2005年利用本工法處理下水道的污水的紀錄，約為239.2日圓/M3，折合新台幣85元/M3(以新台幣1元=2.82日圓計)，而用戶則按污水量以133.5日圓/M3 (折合新台幣47.7元/M3)支付處理費【2】(具有刻意優待用戶，以防止隨意排放之意)。

微生物新工法

日本高嶋開發工學總合研究所(以下簡稱為「高嶋工研所」)所研發的「有效微生物循環發酵工法 (Effective Microorganisms Brewing Cycle)，在日本簡稱為EMBC工法」，本文則簡稱為：「微生物新工法」。它是利用有效微生物所具有的各種活動力，因「複合發酵」作用，使本工法發生功效【3】。

優缺點比較

微生物新工法則有以下數種優點【2】：既有設備可以活用設備簡單成本低、可以減少污泥，故可抑制CO2、烷及硫化氫的產生、投入的藥劑較少、可減輕惡臭及有害物質，處理後的水質非常清澈。處理前後之水質如下：BOD：10,000ð10；COD：1,100ð10；SS：40,000ð9；T-N：1,000 ð40；T-P：600 ð0.7 ( 單位：PPM)。

目前在高雄的生活廢水處理厰處理成本(以達到2級處理之放流標準為準)約為8元/M3 (不含管線或運送費)；新加坡則高達16元/M3，在日本以本工法之處理費約為4元/M3，相當低廉。

應用於海水淡化

傳統工法

1.傳統海水淡化方法

傳統海水淡化有逆滲透膜法、蒸餾法(分多級閃化、多效蒸餾及蒸汽壓縮法)。至於採用哪種方法最合適，其最大的關鍵是能源。在石油資源豐富的中東地區貧窮國家，海水淡化大都採用逆滲透膜法。目前全世界海水淡化年總量達380至492億M3，雖然數量仍在繼續增加中，但這只是全球用水量0.2 %。【4】

2.成本分析

根據國際淡化協會的統計，全世界約有133 個國家應用海水淡化系統，淡化水的日產量（單位機組日產100M3以上者）已達 3,240 萬M3。對於海水淡化而言，能量損耗是直接決定成本高低的關鍵。40 多年來，隨著技術的提升，海水淡化的能量損耗指標已降低了90%左右(從26.4kwh∕m3 降到2.9 kwh/m3），成本隨之大為降低，甚至在某些地區已經接近或低於自來水的成本，這也為海水淡化技術在全球缺水地區產生了關鍵作用。例如美國佛羅里達州海淡廠之製水成本均約0.5美元/M3，而新加坡之TUAS 海淡廠製水成本甚至只約0.46美元/M3 (以新台幣1元=1/29美元計算，約為新台幣13.34/M3) 【4】。該價格低於澎湖現有海淡廠成本(約30元/M3)之一半，其主要原因是海淡廠的最重要設備，例如逆滲透薄膜、高壓泵(55kg/cm2)及耐酸鹼性之零件，目前國內尚無法自行製造，均需購自海外之故。

3.功效之分析

如上所述，傳統海水淡化工法之處理成本，在國外約為新台幣15元/M3；在國內(澎湖)約30元/M3。雖高於台灣自來水公司送供澎湖地區的自來水(售價只約9元/M3)3倍多，但因該地區之天然水資源極端欠缺，又無工廠廢水可資處理回收再利用，故只有採用海水淡化一途，以解決其水源之不足。不過其所排出的大量濃鹽水，為原海水濃度的1.5倍，且溫度高於海水，通常都直接排入海洋中。因此，廢海水中的熱能會使局部海域水溫升高，導致某些浮游生物急遽繁殖和高度密集。海水水溫的升高還會使海水中的溶氧量降低，影響生物的新陳代謝，甚至使生物群落發生改變，破壞海洋生物的棲息環境，造成海洋生物大量死亡。為解決濃鹽水的區域性污染問題，濃鹽水須控制在適當的溫度後再排放。

微生物新工法【2】

1.處理成本

日本高嶋工研所，曾應用本工法，以5萬CMD之淡化規模進行試驗，運轉前設定測試項目為造水量：50,000 CMD；回收率50%；利用率95%；用電容量：4KWH/ M3；電費：4.20元/ WH/ M3；薄膜汰換率：10%/年；建設單價7.0萬元/ M3；耐用年限：15年；利息：5%。經實際運轉後，加以核算得到其成本每立方公尺約為新台幣50.61元(其中電費：21.0元；薄膜費：1.61元；藥品費：3.08元；維修費2.03元；人事費3.43元；折舊及利息等費：19.46元)。

2.功效之分析

由於海水中所含的有機物，不足以供應微生物生存所需之營養，故其反應時間較久，亦即海水在反應槽中的之滯留時間長達2天以上。易言之，其處理槽容量需相當大，故不符經濟效益。除非可在海邊找到一大片海埔新生地，除其所需之微生物培養增殖槽必須設在室內(因須保持恆溫33℃〜38℃，並經常加以曝氣，以增加其溶氧)外，其餘的反應槽均直接以土為堤(堤上加築漿砌卵石護坡)，將地面挖深1.5公尺，分成所需之數座反應池(槽)，以露天方式進行淡化處理，但其處理成本仍高於目前普遍適用之逆滲透等法。

採用微生物新工法所排出的鹽份只有原有海水鹽量的0.2%，且溫度與原有海水同，若直接排入海洋中，並不影響海洋生態。此外，一般生活廢水之COD高達500mg/L，光只這一項就不得作為飲用水之水源，只能作為農業或工業用水。依目前我國飲用水水源水質標準第5條之規定：地面水體或地下水體作為自來水及簡易自來水之飲用水水源者，其水質規定化學需氧量(COD)須在25mg/L以下。除非在海邊無自來水地區，因故無法取得足量之飲用水時，則可應用本工法，先將生活廢水加以處理，使它符合地面水體做為飲用水之標準，然後再加入海水，利用逆滲透膜法將兩者之混合水加以處理，使之達到飲用水之標準。

應用於生活廢水回收

活性污泥工法

如前所述本工法因它使用自然界大量存在的腐敗型好氧性微生物，進行腐敗與分解作用。在分解過程中會有產生惡臭或毒氣，並生成有害物質等缺點，故其廢水無法回收，而且對海水淡化也完全無效。

微生物新工法

3年前日本高嶋工研所，曾就海水中加入生活廢水(各占50%)混合而成原水(1m3)，然後利用微生物新工法加進行試驗，其設備為原水、混合槽、EMBC增殖液、發酵合成、合成等槽各一座其容量均為1 m3，沉澱槽一座為0.9 m3、另一座為0.5 m3，其流程詳如圖1所示【2】。結果在第10天後，混合廢水中的懸浮固體物(SS)完全消失。在第17天後，廢水中的氯化鈉也完全消失，其處理後之水質可達到飲用水質標準。至於其成本，依高嶋工研所之估計，約為完全以海水加以淡化所需成本之一半，即新台幣25.31元/M3，低於日本目前下水道(生活污水為主)的處理成本：新台幣83.72元/M3 (約為239.2日圓/M3，雖然日本政府對用戶只收費133.5日圓，但折合新台幣也要46.73元)。並且處理過的水又可作為一般家庭用水，比使用當地之自來水的費用達180日圓/M3【2】 (新台幣63.0元/ M3)還低廉，可謂相當合算。

圖1 生活廢水混合海水之處理流程圖

文字方塊:
在當地可用水源不足(特別是在極易乾旱，或水源受污染嚴重之地區)，則可照上述方法，應用微生物新工法，以2段方式進行海水淡化，以補充水資源不足，或乾脆不利用逆滲透法加以處理，只做廢水回收，其處理過的水質只要達到中水之標準，就可作為家庭洗滌、沖馬桶或農業或工業用水，略高於目前自來水公司之平均售價(9.50元/M3)，但已低於目前澎湖海水淡化之成本，其可行性相當高。尤其是澎湖久旱不雨，自來水公司被迫須台水澎運時(其費用高達新台幣180元/M3)，更具其經濟性。

應用微生物新工法情形【5】

2001年6月高嶋工研所與大型化學工業公司合作，在該公司的聯合企業場內，將海水和工廠廢水混合的水，實際進行淨化處理試驗，事後證實該項技術確可將海水予以淡化。

亞洲國家如：新加坡、韓國、印尼(巴里島)、越南、泰國、汶萊、杜拜，阿布拉比、中國、台灣等的政府單位或企業界有關人員，都曾前往日本考察，其中有的已簽訂合作計畫，採用本工法進行其各種廢水之處理。

結論與建議

目前台灣的水資源已不敷需求，亟須立即開發新水源。但因國民意識型態高漲，任何開發新水源方案均會遭受其附近居民之強烈抗爭，故不易推行。而自來水漏水率雖高達20.5%，但老舊水管仍因經費拮据，迄無法全面更新。在開源節流兩不易之情況下，經濟部施部長表示：「再生水使用的時代已經來臨」。因此，開發廢水回收乃目前增加新水源最可行之方案之一。日本高嶋博士研發的微生物新工法，除可分解有害物質並使其生成的污泥消失之外，還可將人類生活廢水混合海水加以淡化，並予回收作為中水等各種用途，一舉兩得。

建議政府及相關單位，積極鼓勵各地相關機構大力推動本工法，促使經常發生缺水地區之工廠，採用微生物新工法處理其工廠廢水，並將其處理後的水回收再利用。而瀕臨海邊之工廠可將其生活廢水混合海水，再應用本工法進行淡化處理，則不僅可節省生活廢水之處理費(目前苗栗地區正在興建生活廢水設施，完工後將實施「處理生活廢水收費制度」，其他地區亦將逐步推動)，又可節省支付自來水之費用。

必要時宜設法配合修改採購規範，讓該工法能在公平公正的條件下順利推行淡化處理，除可節省生活廢水之處理費，亦讓政府及民間均各獲其利，讓水源環境及水源不足等問題亦得以紓緩。

參考文獻

1.活性污泥法：維基百科，自由的百科全書 (zh.wikipedia.org/zh/tw) 。

2. .海水淡水化˙生活排水淨化解析：高嶋開發工學總合研究所，2005年。

3.EMBC情報微生物工學：開發工學總合研究所，2001年。

4海水淡化方法：http://www.livescience.com/ environment/070625_desalination_membranes.html

5..水資源プロジェクト(水資源問題とその解決)： 高嶋開發工學總合研究所，2007年。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載；未經允許請勿任意轉載】