台灣過濾與分離學會電子報2024年第13期

研究新知

◎利用水蚤進行水回收：一種自然的三級廢水處理技術

        城市化、人口成長和氣候變遷為水資源帶來了前所未有的壓力，導致全球水危機和水再利用的需求。然而，除非從再生水中去除持久性化學汙染物，否則水的再利用是不安全的。用於減少廢水中持久性化學汙染物的最先進技術通常會帶來高昂的營運和能源成本，並可能產生有毒副產品（例如，臭氧化產生的溴酸鹽）。以自然的解決方案，如生物三級廢水處理引起許多關注，能降低對環境的影響。然而，到目前為止，對於工業規模的應用來說效率較低，且往往需要投資大型基礎設施。

        英國伯明罕大學的Luisa Orsini教授團隊利用水蚤（Waterfleas）來過濾水中的細小顆粒，攝取包括碎屑、藻類和細菌等物，讓水源變乾淨。水蚤（屬名：Daphnia）是一種生活在水中的枝角目浮游生物，體長介於0.2~5 mm之間，具有休眠幾個世紀的能力。為了找到可以處理不同汙染物的水蚤，研究團隊從河底的沉積物中取得休眠的水蚤胚胎，這些沉在湖底的胚胎有外殼包住，以等待更好的孵化條件來臨，研究團隊將胚胎復活，並選擇對化學汙染物耐受性不一的水蚤種類進行研究，測試他們的基因組成和生存技能。

水蚤可以有效過濾廢水中的藥物、農藥和工業化學品

        在實驗室研究中，研究人員將水蚤從廢水中去除16種藥物的能力與其他生物製劑（即藻類和細菌）進行比較，發現水蚤對工業化學品，例如：全氟辛烷磺酸（PFOS）、農藥（草脫淨atrazine）、重金屬（砷）和藥物（雙氯芬酸diclofenac）具有去除效率，無論是在實驗室環境中還是在半自然的室外條件下，水蚤吸收的化學物質都不會釋放回水中。

        Orsini教授團隊創立了Daphne Water Solutions （DWS）公司，目的在利用水蚤的獨特特性，包括過濾能力、長期休眠和演化穩定性，對抗水中的化學汙染，不僅利用自然的力量來滿足對清潔水的迫切需求，同時是更具成本效益的水處理解決方案。DWS採用工業時代前的湖泊沈積物中復活的水蚤，一旦從湖泊沈積物中復活，水蚤就會快速繁殖增長，可以用來去除二級處理廢水中的持久性化學汙染物，在廢水排放之前提供廢水的淨化步驟。

        下圖是模仿廢水處理廠二級沉澱池的運作條件（圖A），擴散噴嘴保持水的層流（圖B），水溫平均為21°C，每日溫度變化範圍17°C~24°C，溶氧平均為6 ppm，範圍在4~9 ppm之間。過濾裝置懸掛在原型罐頂部1 m處，在4週內測試戶外原型中水蚤群體對雙氯芬酸的去除效率，其最高去除效率為90%，週平均去除效率為78%，相當於一個3.5人的家庭每天產生的廢水量。

水蚤的廢水處理技術原型

原型規模的雙氯芬酸去除效率

        活水蚤族群被容納在由堅固框架和多孔網組成的容器中，允許水的流動，同時保留活水蚤族群並允許在容器底部收集生物廢棄物（死水蚤）。容器底部的互連閥門可隔離各個設備，同時生物廢棄物被輸送到進一步處理，備用槽由串聯生物反應器組成，用於以藻類現場培育水蚤。

在澄清池中設置模組化的互連設備，以維持水蚤族群並去除化學汙染物，進一步獲得回收水

        水蚤技術具有性能、經濟和工程優勢。最近在英國的現場試驗證明DWS技術有效去除水中汙染物，原型裝置可容納相於八户家庭的真實廢水，過去10個月已經在英國Spernal的Severn Trent資源回收創新中心成功運作，證實藥物、農藥和工業化學品有效地被去除。2024年夏季預計與南非Durban的Umgeni Water Amanzi公司合作進行商業規模環境試驗。
    DWS技術能非選擇性地吸收、濃縮和保留廢水中懸浮和溶解的有機和無機汙染物，產生清潔的廢水。它具有可擴展性，透過對現有基礎設施進行改造來滿足客戶的承受能力標準，並提供從水淨化到無毒生物廢棄物的解決方案（專利WO2021116229號），其優勢如下：

1.非選擇性去除多種汙染物

2.去除多餘的營養物質，防止水體優養化

3.資本支出和營運支出比傳統技術低幾個數量級

4.汙染物可被代謝成對環境無害的副產物，或被水蚤體內捕獲

5.處理後的生物質可重複使用，實現廢水處理的循環方法。

6.實現循環並滿足國際脫碳議程的淨零碳目標。

DWS原型可容納相當於八戶家庭的真實廢水

資料來源：

1.https://fs.mydigitalpublication.co.uk/articles/rethinking-water-treatment

2.https://www.dwsol.co.uk/

3.M. Abdullahi, I. Stead, S. Bennett, R. Orozco, M. A.-E. Abdallah, S. Jabbari, L. E. Macaskie, A. Tzella, S. Krause, B. Al-Duri, R. G. Lee, B. Herbert, P. Thompson, M. Schalkwyk, S. Getahun, K. D. Dearn, L. Orsini, Harnessing water fleas for water reclamation: A nature-based tertiary wastewater treatment technology, Science of The Total Environment, 905, 2023, 167224. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167224.

台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society