一、前言

廢污水處理廠是城市水資源保護的重要基礎建設，主要透過一系列處理單元去除水中雜質與污染物，其中，生物處理單元扮演著去除水中有機物與營養鹽的重要角色，藉此降低廢污水排放對承受水體與水生環境之影響、以及確保後續作為水資源使用的品質與安全。然而，隨著社會經濟活動發展與人口和生活品質的改變，廢污水處理負荷逐漸增加，配合近年來循環經濟與永續淨零議題，全球水處理相關事業正逐漸轉型，希冀回收廢污水中可再利用資源例如氮跟磷、以及降低廢污水處理過程排放之溫室氣體(greenhouse gas，GHG)包含甲烷(CH₄)及氧化亞氮(N₂O)，朝向一種非單一功能取向的資源收集與淨零整合式策略經營模式。

廢污水處理過程的GHG排放可分為三個範疇：範疇一屬於直接排放，主要來自廢污水與污泥處理過程中經由人為程序產生的溫室氣體排放。範疇二和範疇三則皆屬間接排放，範疇二泛指因廢污水處理過程之能源與電力消耗所產生之GHG排放，如曝氣機、曝氣池及泵浦站等；範疇三則包含其它與運輸和廠外藥品生產相關的間接排放，例如所採購化學品和廢污水廠產出之污泥運輸等。文獻指出，目前全球廢污水廠在處理過程衍生的碳足跡(carbon footprint，CF)多與直接排放有關(Maktabifard, Zaborowska, & Makinia, 2020)。由許多廢污水廠的長期監測數值來看，N₂O、CH₄、及二氧化碳(CO₂)排放分別佔廢污水廠整體GHG排放總量約86%、14%、及＜1%，從廢污水處理的角度而言，N₂O及CH₄的影響相較CO₂ 排放高出許多，其中原因與廢污水處理過程將污染物礦化所產生的CO₂並不計入GHG的排放計算有關，也顯示出控制N₂O及CH₄排放的重要性(Kosonen et al., 2016)。根據統計，全球廢污水處理廠排放之非CO₂ GHG佔全球排放量約5%，且此排放比例仍在持續上升中，預計至2030年可能增加至22% (Ren, Schnoor, & Pagilla, 2022; Valkova et al., 2021)，因此如何降低廢污水處理過程中衍生的GHG排放已成為迫切待解決之議題。

過去世界各國許多與廢污水處理相關之規範多以水資源環境的保護為目標，例如1875年英國制定Public Health Act以確保提供乾淨水源與適當處理廢污水、1972年美國頒布Clean Water Act表列廢污水處理應符合的相關規定、或歐盟分別於1991與2010年制定Urban Wastewater Directive和Water Framework Directive以保護水環境避免受到民生污水與事業廢水之污染，然而近年來法規逐漸轉向處理過程中的資源有效再利用與回收以及GHG控制，例如2011年Water Environmental Federation強調廢污水廠應逐步轉型成為水資源回收中心(Water Resource Recovery Center，WRRF)、2015年巴黎協議提出GHG排放應有效控制以避免全球氣溫升溫超過2°C、以及2017年德國Environmental Agency Regulation提到一定規模之民生污水廠應回收水中的磷等。

近年來各國逐漸重視全球暖化議題，隨著巴黎協定生效後，各國朝著2050淨零碳排的目標前進，使得GHG減量逐漸成為各行業皆須努力達成之目標，其中也包括廢污水處理廠在內也邁向淨零碳排的方式轉型。近年來歐盟在此相關領域之成果最為顯著，歐盟在全球GHG排放的貢獻比例從1990到2018已經自15%降至8%，在這期間，歐盟整體的排放減量有超過50%與德國和英國的改善有關，羅馬尼亞、法國、義大利、波蘭、捷克也貢獻了歐盟在這段期間整體減碳量的33%。在2019年荷蘭整年碳排量也較前一年度減少了3.2%，相較1990年減少了約18%。上述數據也指出，在GHG減量工作推動方面，世界其他地區還有許多努力空間。

廢污水處理的GHG減量研究相較其他產業更屬於新興研究範疇，許多議題尚屬起步階段，GHG排放途徑也更為多樣與複雜，如圖一所示，其中包含許多直接與間接的N₂O、CH₄、及CO₂排放源。為達到減碳目標，目前許多廢污水處理廠採用補償不同範疇累加之碳足跡 (offset certain CF that is sum of scope 1,2 and 3 emissions)來達到淨零的目標，但有鑑於如圖一中複雜的生成機制所示，廢污水廠其實不宜使用單一策略或單一標準，需同時考慮廢污水回收(wastewater reclamation)以及其它永續目標例如氮磷資源回收，導入源頭管制觀念藉由程序調整(process modification)來減緩N₂O與CH₄排放，可能是未來廢污水廠有效控制GHG排放，且同時發揮資源再利用功能的永續經營策略。

圖一、廢污水處理廠溫室氣體的直接及間接排放來源(Maktabifard et al., 2023)

二、屬範疇一的N₂O與CH₄直接排放

一般廢污水處理場的整體碳足跡中，範疇一、二、和三的平均貢獻比分別為61.5%、21.4%、及17.1%，其中生物處理以及污泥處理過程分別貢獻了45.5%和20.8%，顯示生物處理為全廠碳足跡的重要貢獻來源，因此N₂O與CH₄在其過程中的排放與控制也成為優先改善重點。N₂O具有比CH₄及CO₂更高的全球暖化潛勢(global warming potential，GWP)，同時為生物脫氮反應中的常見中間或最終產物，自廢污水處理過程產生的排放量可占全球整體排放量的3~26% (Wang & Wang, 2020)。近期的IPCC報告也指出，大氣中的N₂O濃度正逐漸增加，在2010-2019年已經達到每年增加0.95 ppb的速率，其中廢污水處理廠為全球占比第四大貢獻排放源，來自全球廢污水廠的N₂O排放在1980~2010期間，已經從0.2 TgN/year (每年百萬噸N)的排放速率提高到0.35 TgN/year (Maktabifard et al., 2023)。

雖然控制N₂O排放極為重要，但因為廢水生物處理過程的N₂O生成機制複雜，多不穩定且持續發生(如圖二所示)，對現場操作而言避免N₂O生成具有相當挑戰，目前已知N₂O生成多與以下四個條件有關：(1)低溶氧(dissolved oxygen，DO)且好氧環境下，當亞硝酸鹽(NO₂⁻)累積或銨氮(NH₄⁺)濃度有明顯變化時；(2)在低化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)與氮(COD/N)比值下，當缺氧環境NO₂-濃度累積時；(3)缺氧與好氧環境的切換過程；以及(4)處理過程水質不穩定時。圖二指出廢污水處理過程的N₂O主要來自三種途徑與兩種微生物，包含自營銨氧化菌在好氧環境下羥胺(NH₂OH)的氧化副產物、自營菌在好氧環境下還原NO₂⁻之產物、以及異營脫硝菌在缺氧脫硝過程的中間產物。因此有效降低廢污水生物處理N₂O產生，可透過以下幾種策略：(1)優化曝氣方法及DO設定濃度；(2) 藉由攪拌最佳化以避免 DO 濃度梯度產生與分布不均；(3)控制處理過程NH₄⁺濃度短時間升高；(4)避免NO₂⁻濃度的累積；以及(5)提供異營菌充足碳源或提高初沉池的水解反應以達到完全脫硝。

圖二、N₂O在生物反應過程中之產生位置與途徑(Maktabifard et al., 2023)

除了上述操作調整的優化作法外，目前廢污水處理領域也正朝向導入新穎處理程序以直接限制N₂O的產生與排放，其中厭氧銨氧化技術(anaerobic ammonium oxidation，anammox)的應用即是一例。Anammox在九零年由荷蘭學者提出，可在低DO環境下將NH₄⁺與NO₂⁻氧化成硝酸鹽(NO₃⁻)，優點為產生少量污泥與減少NO₃⁻產生(Talan, Tyagi, & Drogui, 2021)。為了避免N₂O在傳統硝化脫硝過程的產生，四種應用anammox的技術也應運而生以限制N₂O排放，包含：兩種針對高NH₄⁺濃度廢污水的部分硝化-厭氧銨氧化(partial nitritation-anammox，PN/A)處理技術和同時部分硝化、厭氧氨氧化及脫硝系統(simultaneous PN/A and denitrification (SNAD)處理技術、以及兩種針對高NO₃⁻濃度廢污水的部分脫硝-厭氧銨氧化(partial denitrification-anammox，PD/A)處理技術和膜曝氣脫硝厭氧甲烷氧化和厭氧銨氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation (DAMO)-anammox (DAMO/A)處理技術。相較傳統除氮程序，這些技術可減少能源消耗與污泥產生，同時藉由避免前述N₂O產生步驟而降低廢污水處理的GHG排放(Maktabifard et al., 2023)。

CH₄為廢污水處理過程中產生的另一種重要溫室氣體。過去十年全球CH₄排放速率約為每年9.3 ppb，目前仍正在增加中(Masson-Delmotte et al., 2021)。美國研究指出，廢污水處理所排放CH₄約可占全球排放量的5%~7%，在所有排放源占第四(Maktabifard et al., 2023)。在1990至2019年間廢污水處理產生之CH₄排放量也已由10%上升到14% (Moore et al., 2023)，顯示解決廢污水處理排放CH₄已為刻不容緩的問題。廢污水處理之CH₄排放主要與生物反應過程有機物厭氧降解有關，其中約75%在污泥處理單元例如污泥濃縮(sludge thickening)產生排出(Campos et al., 2016)。雖然CH₄排放似乎是廢污水廠一大挑戰，但若能有效利用CH₄，其實有助於水廠導向能源中和(energy neutrality)與間接補償其他碳排 (indirectly offset CO₂ emissions)，但須注意若未能有效利用如燃燒或洩漏也可能反而因此大幅增加廢污水廠之碳足跡。

CH₄可作為廢污水廠的替代能源進而降低廢污水廠本身的碳足跡，為此須提高CH₄的生成效率，其中一種方法為污泥共消化(co-digestion)。共消化藉由在污泥化過程添加如廚餘、油脂、或乳清等額外基質提高沼氣產生量，可簡單且有效改善營養鹽平衡、調整濕度、以及稀釋具抑制性或有毒性化合物，對廢污水處理過程的能源生產和減少碳足跡有正面效益。目前許多已開發國家的水處理場即多藉由回收共消化過程中產生的大量沼氣來達到能源中和(energy neutral plants)的目標。另一種常見作法為沼氣升級與提高利用率，廢污水廠產生之沼氣可作為廠內燃燒使用以提供電力和熱能，許多開發中國家的廢污水處理廠經營厭氧消化產生沼氣，但並未有良好的熱回收或電力產生裝置，因此產出的沼氣便以燃燒方式處理而浪費掉。目前在歐盟已有多個國家正朝向沼氣升級之作法，利用氣體吸附以及分離技術將沼氣中二氧化碳與其它氣體去除，將沼氣轉換成為生質甲烷並提高其使用率。這些作法皆可有效降低廢污水處理過程排放CH₄至大氣環境，降低廢污水廠之碳足跡。

二、屬範疇二因能源與電力消耗的間接排放

隨著全球廢污水處理廠數量增加與日趨嚴格的管理標準，廢污水廠的能源消耗以及其衍生的碳足跡議題也是另一關鍵課題。全球廢污水處理事業大約 23百萬公噸(MMT)CO₂排放當量(CO₂e)與電力消耗有關，占了整體水處理事業溫室氣體排放的37.7%，其中主要貢獻單元為曝氣(aeration)及泵浦(pumping)，曝氣可佔總用電量的60% (Mamais, Noutsopoulos, Dimopoulou, Stasinakis, & Lekkas, 2015)。由於未來20年內全球預計提高可再生能源使用比例 25%，藉此減少與能源相關的碳足跡達 42%(Maktabifard et al., 2023)，因此廢污水廠若欲減少範疇二因能源使用產生的碳排，第一種方式即是使用不同電力來源。目前許多國家採用風力、水力、太陽能、及核能等再生能源取代原先的化石燃料，其中水力及核能發電被認為是最乾淨的能源，相較於其他能源，其碳排最大值分別為40及110 g CO₂e/kWh（如表一所列），煤炭則具有最大碳排數值，因此使用再生能源為一種減少廢污水處理碳排的替代方案。

表一、不同電力來源之碳排資訊 (Bruckner et al., 2014)

第二種方法即為大家熟知的既有設備改善及優化；確保新設備的能源效率優於原有之設備，如利用自動化監測控制系統、進行即時調整與維護、確保最佳運作狀態、或汰換老舊設備等作法，皆可降低能源消耗與減少維修與檢測之成本。第三種方法則是針對操作條件的調整；由於生物處理單元產生N₂O與CH₄或操作過程之電力消耗等影響因素，藉由調整生物反應中DO及/或污泥停留時間(solid retention time，SRT)，來達到例如曝氣系統最適運作與降低能源消耗等目的，進而降低其相關碳足跡。過去文獻指出，透過DO與SRT可降低廢污水處理廠約7%~9%的能源消耗(Daskiran, Gulhan, Guven, Ozgun, & Ersahin, 2022)。表二列出不同廢污水處理廠透過調整操作條件降低廠內能源消耗之效果。

表二、不同廢污水處理廠藉由調整操作條件降低能耗與GHG排放效果(Maktabifard et al., 2023)

三、屬範疇三因運輸與廠外藥品生產有關的間接排放

廢污水處理過程中屬於範疇三的GHG排放泛指那些並非由水廠直接產生，而是間接性的GHG排放，例如原料和藥品採購、藥品和污泥運輸、員工通勤出差等，由於範疇三排放的間接特性，一般水廠不易直接進行調整或改變，但仍可透過確認排放目標以及策略性規劃合作，使廢污水處理廠有效降低範疇三GHG排放的影響。

在眾多廢污水處理廠可使用來降低範疇三的GHG排放策略中，最常被提及的即為減少化學品使用與消耗。廢污水處理過程常使用大量無機化學品，例如為了提升生物處理過程磷去除效能的硫酸鋁或氯化鐵、用於提升沉澱效果的金屬鹽類例如硫酸鋁、氯化鐵或熟石灰、或控制水中pH的酸鹼等，然而這些無機化學品每公斤可能貢獻1,964 kg CO₂e；為降低這部分GHG間接排放，國際上部分水廠開始採用以回收再生化學品取代採購全新製備化學品之作法。在有機化學品方面也相似，許多藥品需定期添加使用例如高分子聚合物作為膠凝與脫水程序使用，但這些有機化學品每公斤約可貢獻1909 kg CO₂e；因此部分水廠除了使用傳統製程合成的高分子聚合物，生質高分子聚合物 (biopolymer-based flocculants) 正逐漸成為一種重要替代產品，這些新興替代高分子聚合物由殼聚醣、澱粉、纖維素、或木質素再經改質而成，使用過程可降低大比例的GHG間接排放(Jiang et al., 2021)。

另一方法為減少與運輸相關的碳足跡。上游的化學品採購以及下游的污泥運輸都可藉由運輸過程的能源例如化石燃料燃燒產生廢污水處理廠的間接碳足跡，藉由採用更多環境友善的運輸作為以及縮短運輸所需要的距離或強度皆能有效降低此部分碳足跡；另外，使用生質燃料取代來自石化的汽油與柴油，預期可減少一般運輸過程中中至少65% GHG排放，例如從醣類和澱粉類作物(sugar and starch crops)提煉製成的生質乙醇(bioethanol)或從油籽作物製成的生質柴油(biodiesel)皆是目前可見的做法(Brandao, Azzi, Novaes, & Cowie, 2021)。

四、結論與建議

自2015年巴黎協定簽署以來，全球掀起一股減碳浪潮，各國紛紛承諾推動能源轉型與節能減碳，以應對氣候變遷的嚴峻挑戰並達成2050淨零碳排的目標。目前已超過150個國家和地區承諾實現碳中和的目標，全球可再生能源的投資也在過去十年中顯著增長，許多國家積極推動及制定碳排交易政策，以促進減少碳排放。現今各產業必須採取更積極的措施減少碳足跡，如製造業透過提高生產效率、採用低碳材料、與減少廢棄物等方式來減碳；建築業透過利用可再生資源或綠色建築材料達到減碳目的；交通運輸則積極推廣公共交通等策略減少碳足跡。

在各行業積極減碳的過程中，廢污水處理事業的減碳策略也日益受到關注，由於亦屬於高碳足跡事業，積極推動廢污水處理產業之減碳工作勢在必行，此舉不僅降低GHG排放，亦可節省能源與減少污染，並促進廢污水處理事業之永續發展。在廢污水處理事業實施減碳作為過程中可預期將面臨許多限制與挑戰，特別是當前廢水處理廠多數需仰賴傳統生物處理技術，使得減碳策略實施更加困難，以及廢污水處理需同時兼顧放流水質、營運成本、和碳足跡控制之間的相互衝突，本文希冀藉由從不同範疇切入，介紹國際上多種新穎減碳策略搭配既有優化措施，協助國內廢污水處理事業找到解決問題的平衡點，逐步發展出有效減碳的永續經營策略。

五、參考文獻

1. Brandao, M., Azzi, E., Novaes, R. M. L., & Cowie, A. (2021). The modelling approach determines the carbon footprint of biofuels: The role of LCA in informing decision makers in government and industry. Cleaner Environmental Systems, 2. doi:10.1016/j.cesys.2021.100027
2. Bruckner, T., Bashmakov, I. A., Mulugetta, Y., Chum, H., De la Vega Navarro, A., Edmonds, J., . . . Hertwich, E. (2014). Energy systems.
3. Campos, J. L., Valenzuela-Heredia, D., Pedrouso, A., Val del Río, A., Belmonte, M., & Mosquera-Corral, A. (2016). Greenhouse gases emissions from wastewater treatment plants: minimization, treatment, and prevention. Journal of Chemistry, 2016.
4. Daskiran, F., Gulhan, H., Guven, H., Ozgun, H., & Ersahin, M. E. (2022). Comparative evaluation of different operation scenarios for a full-scale wastewater treatment plant: Modeling coupled with life cycle assessment. Journal of Cleaner Production, 341, 130864.
5. Jiang, X. C., Li, Y. S., Tang, X. H., Jiang, J. Y., He, Q., Xiong, Z. K., & Zheng, H. L. (2021). Biopolymer-based flocculants: a review of recent technologies. Environmental Science and Pollution Research, 28(34), 46934-46963. doi:10.1007/s11356-021-15299-y
6. Kosonen, H., Heinonen, M., Mikola, A., Haimi, H., Mulas, M., Corona, F., & Vahala, R. (2016). Nitrous oxide production at a fully covered wastewater treatment plant: results of a long-term online monitoring campaign. Environmental science & technology, 50(11), 5547-5554.
7. Maktabifard, M., Al-Hazmi, H. E., Szulc, P., Mousavizadegan, M., Xu, X., Zaborowska, E., . . . Mąkinia, J. (2023). Net-zero carbon condition in wastewater treatment plants: A systematic review of mitigation strategies and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 185, 113638.
8. Maktabifard, M., Zaborowska, E., & Makinia, J. (2020). Energy neutrality versus carbon footprint minimization in municipal wastewater treatment plants. Bioresource technology, 300, 122647.
9. Mamais, D., Noutsopoulos, C., Dimopoulou, A., Stasinakis, A., & Lekkas, T. (2015). Wastewater treatment process impact on energy savings and greenhouse gas emissions. Water Science and Technology, 71(2), 303-308.
10. Masson-Delmotte, V., Zhai, P., Pirani, A., Connors, S. L., Péan, C., Berger, S., . . . Gomis, M. (2021). Climate change 2021: the physical science basis. Contribution of working group I to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change, 2(1), 2391.
11. Moore, D. P., Li, N. P., Wendt, L. P., Castañeda, S. R., Falinski, M. M., Zhu, J.-J., . . . Zondlo, M. A. (2023). Underestimation of sector-wide methane emissions from United States wastewater treatment. Environmental science & technology, 57(10), 4082-4090.
12. Ren, Z. J., Schnoor, J. L., & Pagilla, K. R. (2022). Toward a net zero circular water economy. Pathways to Water Sector Decarbonization, Carbon Capture and Utilization, 1.
13. Talan, A., Tyagi, R. D., & Drogui, P. (2021). Critical review on insight into the impacts of different inhibitors and performance inhibition of anammox process with control strategies. Environmental Technology & Innovation, 23. doi:10.1016/j.eti.2021.101553
14. Valkova, T., Parravicini, V., Saracevic, E., Tauber, J., Svardal, K., & Krampe, J. (2021). A method to estimate the direct nitrous oxide emissions of municipal wastewater treatment plants based on the degree of nitrogen removal. Journal of Environmental Management, 279, 111563.
15. Wang, X., & Wang, X. (2020). A Refined Assessment Methodology for Wastewater Treatment Alternatives. Energy Consumption, Chemical Use and Carbon Footprints of Wastewater Treatment Alternatives: Assessment Methodology and Sustainability Solutions, 57-77.