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• 汙水處理分為前處理、初級處理、二級處理和三級處理這四個階段，透過物理、化學和生物等多重手段去除汙染物質。
• 完全氨氧化菌的發現顛覆傳統認知，單一菌群就能完成氨氮轉化為硝酸鹽的過程，大幅降低汙水處理的能源消耗與運作成本。
• PN-A技術結合完全氨氧化菌和厭氧銨氧化菌的優勢，不僅減少氧氣需求和汙泥產量，更為未來節能環保的汙水處理開創新方向。

水是生命之源。人口增長與城市化使得汙水處理成為全球性挑戰，維持乾淨的飲用水與衛生環境更是聯合國永續發展目標（sustainable development goals, SDGs）的一部分。汙水處理的技術在科技進步與社會對水資源需求的增加下不斷精進，然而除了技術挑戰，我們還需要提升大家對水資源的珍惜意識，確保未來能擁有乾淨、充足的水資源。現在，就讓我們一起探討臺灣的汙水處理現況。

如何處理日常生活中產生的汙水？淺談臺灣汙水處理發展

我們日常生活中使用的水，從廚房、浴室到廁所，最終產生的汙水會經過層層處理才得以環保地排放，但並非一開始就如此。臺灣早期的汙水和雨水是採合流收集處理，由於晴雨時的水量與水質變化大，因此颱風期間的大水量常使末端處理廠無法負荷，導致水災發生。隨著社會的發展與環境保護意識的提升，我們逐漸將這兩者分開，讓家庭與其他源頭的廢水都有專門處理管道。

自2021 年起，臺灣進入汙水下水道建設第六期，不僅致力提升汙水處理普及率，還推動將汙水轉化為可再利用水源的「再生水系統」，這些水源可作清洗街道、澆花甚至工業用途，有助於應對因極端氣候而帶來的水資源短缺問題。如今，汙水處理廠已朝向升級為水資源再生中心，並成為城市基礎建設的一環，在社會、經濟、環境的永續發展扮演更重要的角色。

汙水處理過程大揭密

汙水處理廠的主要工作是去除汙水中的汙染物，讓處理過後的水質達到環境排放標準。環境工程師設計出利用不同物理性、化學性及生物性的處理單元，將汙染物由大到小、從非溶解物質到溶解性物質循序去除。汙水處理其實是一場分步進行的大型科學實驗，主要分為前處理（pretreatment）、初級處理（primary treatment）、二級處理（secondary treatment）和三級處理（tertiary treatment）四個階段（圖一）。

圖一｜汙水處理的四大階段（資料來源：作者提供）

1.前處理：
透過磨碎機（comminutor）、沉砂池（grit chamber）、攔汙柵（screen）等方式，逐步移除汙水中的垃圾、頭髮、砂礫等大顆粒物質。
2. 初級處理：
以物理沉澱技術， 經由調勻池（equalization basin）和初沉池（primary settling）處理，去除50 ～ 60％的懸浮物與30％的有機汙染物。
3. 二級處理：
利用微生物的代謝作用，於生物反應槽（biological reactor）分解水中的溶解性有機物，最終在終沉池（secondary settling）進行沉澱。
4. 三級處理：
針對氮和磷等營養鹽進行進階汙水處理（advanced wastewater treatment），處理過的水再經過濾與消毒程序就可以排放，如此可避免水體優養化，或接續再生水系統，經薄膜過濾後提供更高品質的水源。

在二級處理中，微生物的利用可以說是汙水處理的核心。微生物處理技術又根據是否需要氧氣，分為以下兩種：
・好氧處理：
最常用的技術是「活性汙泥法」，依賴好氧微生物分解有機物。由於這個方法需要大量氧氣，因此能源消耗高且會產生許多廢汙泥。
・ 厭氧處理：
在無氧環境下分解有機物，會產生氮氣（N2）或可再利用的能源氣體――甲烷（CH4）。此種處理方式雖然能源消耗低，但處理速度較慢，因此常與好氧處理技術組合使用。

臺灣汙水處理的當前困境

在汙水處理領域上臺灣可謂進步神速，也積極結合人工智慧技術，提升汙水處理廠的操作與管理效能之餘，降低汙水處理的碳排放、供給更多水資源。然而，收集汙水的下水道普及率不均衡、汙水廠處理能力有限，都讓汙水處理之路充滿挑戰。再者，汙水即使經過處理，仍可能含有氮、磷等營養鹽以及新興汙染物，甚至還有抗藥基因傳播的問題，這些都對水體和環境生態有著相當程度的影響。不僅如此，汙水處理過程還會消耗大量能源，且排放溫室氣體。

另外，說到水體優養化的元兇，汙水中所含的大量氨氮榜上有名。傳統的氨氮處理方法為「硝化－脫硝」（nitrification-denitrification），需經過兩步驟來將氨氮氧化為硝酸氮，再還原為氮氣，如此一來氮氣就可以直接排放到大氣中，達到去除水中氮汙染物的目的（圖二）。只是，這種方式需要大量氧氣和有機物，不僅成本高昂，環保性也不佳。

▲ 圖二：傳統氨氮處理法「硝化―脫硝」的化學過程（作者提供）

功能以一抵二，完全氨氧化菌來啦！

直到2015年，科學家發現一種名為「完全氨氧化菌」（complete ammonia oxidizing bacteria, Comammox）的新型微生物，能一手包辦氨氧化和亞硝氧化反應。過去一百多年，人們一直認為將氨氧化成硝酸鹽的過程（硝化作用）需仰賴兩類不同的微生物合作完成，其中一類先將氨氧化為亞硝酸根（NO₂^-），另外一種則將亞硝酸鹽轉化為硝酸根（NO₃^-）。完全氨氧化菌的發現改變了這個傳統認知，讓氨氮的處理過程變得更加高效。這些屬於硝化螺旋菌屬（Nitrospira genus）的微生物能在低溶氧、低氨氮的環境下有效工作，除了大幅降低能耗，也讓汙水處理過程變得更簡單、節能、永續，為汙水處理領域提供了一個嶄新且重要的解決方案。

缺氧也能反應，PN-A技術帶來的低能耗革新

近年來汙水處理中脫氮的關鍵創新技術，則非PN-A（partial nitritation-anammox，部分亞硝化－厭氧銨氧化）莫屬。這項技術借「完全氨氧化菌」之力，在低溶氧甚至缺氧的環境下將部分氨氮氧化為亞硝酸鹽（但不會繼續氧化成硝酸鹽），隨後「厭氧銨氧化菌」（anaerobic ammonium oxidizing bacteria, AnAOB）會將剩餘的氨氮和亞硝酸鹽直接轉化為氮氣（圖三）。傳統的氨氧化微生物需要高濃度的氧氣，而汙水中的氨氮濃度低，限制了氧化反應速率。另外，脫硝微生物需要充足有機碳源才能完成脫氮過程，因此操作成本較高。

使用完全氨氧化菌的PN-A技術有效克服了這些限制，節能效果相當顯著。首先，由於處理氨氮時只需氧化一半的量，且不再需要將亞硝酸鹽完全氧化成硝酸鹽，因此減少了約60%的氧氣需求。其次，厭氧銨氧化菌和完全氨氧化菌無需有機碳源即可產生氮氣，不再需要額外添加甲醇這類昂貴的化學藥劑，運行成本大幅降低。同時，該技術還減少了汙泥的生成，進一步減輕了廢棄物處理的負擔。以上種種，都凸顯了完全氨氧化菌的競爭優勢。

完全氨氧化菌為汙水處理領域帶來的四大好處：

1. 低能耗：這類微生物可在低濃度氨氮與低溶氧的環境中生長，大幅降低曝氣能源需求。
2. 應用廣：除了氨與亞硝酸鹽，它還可以直接分解有機氮（例如尿素）。
3. 更環保：它不會產生一氧化二氮（N2O，全球暖化潛勢是二氧化碳的265倍）等強效溫室氣體，相當具有環保效益。
4. 更經濟：能耗與溫室氣體排放的減少，都使得汙水處理廠得以藉其降低運營成本，助力減碳目標。

（Adobe Stock）

讓完全氨氧化菌更「百搭」，搞定各類汙水的可能性

即便完全氨氧化菌在低氨氮、低氧環境下表現出色，實際應用上該如何在「不同的汙水成分」和「多變的操作條件」下（例如高濃度氨氮、豐富有機物、低溫及高鹽度等環境壓力）保持高效反應，仍待深入研究。隨著未來對微生物生理與生態學理解的加深，我們或許能透過調整微生物群落組成、培育更具適應性的菌株來最佳化PN-A系統，使它能在不同濃度的氨氮環境下穩定運行，讓各類型的汙水，尤其是都市汙水、工業廢水等低濃度氨氮廢水都能透過這套系統處理。

此外，汙水中富含的有機物資源經厭氧生物單元轉換成沼氣，可被回收用於能量自給自足，結合PN-A技術節省能源消耗。換句話說，未來將可能出現「能源中和」的汙水處理廠。

科學家對完全氨氧化菌生態棲位的深入研究，使得這項技術有潛力應用在更廣泛的領域，例如農業廢水處理、汙染地表水或地下水體的整治、解決全球氮循環中的相關問題等。隨著各國對環保和節能減排的要求不斷加強，PN－A技術有望獲得更多政策支持，例如減排補貼或研發資金投入，讓技術進到商業化應用，而未來市場需求的增長也將吸引更多投資，進一步加速技術的發展與普及。

完全氨氧化菌的發現，為汙水氨氮處理帶來了革命性變革，提供了一個更高效、更環保的解決方案。隨著技術的進步，這類微生物技術將逐漸取代高能耗、高汙泥產生的傳統處理法，成為未來汙水處理的核心技術和全球氮循環解決方案的重要一環！

延伸閱讀
聯合國永續發展目標，https://sdgs.un.org/goals。