國立臺灣大學環境工程學研究所 柴貝融、吳佩勳、于昌平
「循環經濟」是政府產業創新計畫之一,目標在創造經濟與環保雙贏,而沼氣發電即是將廢棄物透過厭氧消化(anaerobic digestion, AD)過程所產生的沼氣進行發電,除了可以作為廢棄物減量的管道,同時可創造綠能的價值。
八里污水處理廠是國內最大的污水處理廠,屬初級處理,污水處理量為每日132萬立方公尺,集污範圍包括新北市、基隆市及台北市部分之超量污水,污水處理後會產生大量的污泥,污泥若直接作為廢棄物處理,將需花費高額的處置成本,可佔污水處理廠營運成本的50%。然而,厭氧消化具有污染處理與能源取得的兩種功能,主要可應用於有機固體物、農業廢棄物、食品廢棄物、污水工程廢棄污泥,可將有機物分解成可燃燒的沼氣,一般而言沼氣(biogas)包含48~65%甲烷、30~45%二氧化碳、微量的硫化氫及水蒸氣。而污泥有機質含量高,若能將污泥有機質進行厭氧消化處理,降解有機固體,不僅可以減少污泥量,達到污泥減廢,亦可大幅減少廢棄污泥處置成本,還可將有機質轉換為沼氣,且沼氣為再生能源,可直接用做於燃料產熱,或以發電機或燃氣引擎作為發電使用,若可再進一步提高厭氧消化產沼及沼氣發電的效率,每年不僅可以節省極為可觀的電費,也可以減少溫室氣體的排放,達到綠能化、環保化、節省公帑的效益,可作為國內污水處理廠的典範。
目前臺大環工所團隊承接臺北市政府工務局衛生下水道工程處「八里污水處理廠厭氧消化產沼發電特性分析及硫化氫去除研究案」計畫,於八里污水處理廠設有一30 kW微氣渦輪發電機模組,在前期科技部研究計畫支持下,機組設置運轉自2016年6月1日至2020年9月,微氣渦輪發電機組已運轉2萬小時以上,並於現有計畫進行功能提升。該模組發電效率為26%,扣除啟動時外部用電,發電模組每日約可產生470度電,若用以取代燃煤發電,每日可減少約260 kg的溫室氣體排放,所產電力亦已聯結廠內電網提供八里污水廠廠內使用,若以一度電5元計算,則該發電機模組每年可省下約86萬元電費,且為提升發電機模組整體效益,強化廢熱的能源交換,以達到能源有效利用,計畫亦將進行發電機機組熱交換模組設計評估及建置,期能使其結合熱能源效率達到90%。 而厭氧消化有機物降解過程主要分為四個關鍵的階段,水解(hydrolysis)、酸化(acidogenesis)、產乙酸(acetogenesis)和甲烷化(methanogenesis),傳統厭氧消化處理污泥,往往需要較長的停留時間(20-30天)且僅有較低的有機乾固體降解率(30-50%),其主要受限於水解反應,因此亦可以藉由物理、化學、生物酵素(生物電化學)等前處理方法提高水解速率,以提升沼氣產量。故該計畫除探討八里蛋型厭氧消化槽之污泥處理及產沼效率與操作條件關係,以評估提供最適操作外,亦進行熱水解前處理試驗,藉由熱水解以提高固體於水中溶解量,加以評估其對於厭氧消化進行及提升沼氣產量的效益及成本。另外,厭氧消化產沼進行發電,其效益亦受脫硫等沼氣純化系統影響甚鉅,因沼氣組成中含有硫化氫,具有腐蝕性,極易腐蝕金屬零件,若脫硫系統處理效果不佳容易造成後端管線或設備燃燒室、排氣系統、管路等腐蝕問題,影響發電效益。因此除了致力於提高厭氧消化產沼的效率之外,也致力於強化現有脫硫效果,評估不同脫硫純化系統之間的差異、適用條件及優缺點,並將進行生物脫硫沼氣純化相關研究,以期能提高整體的沼氣燃燒品質及提升發電效率,並提供適當脫硫沼氣純化技術結合沼氣發電的示範模組與未來污水處理廠進行相關廠區性能提升計畫參考。