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為何台積電的綠電承諾春風 吹不動廚餘生質能發展?(二):外埔經驗初探

國內廚餘生質能領頭羊 外埔經驗初探

台中外埔生質能廠位在大安溪南岸,原為1996年之台中外埔堆肥廠,於2008年因為臭味抗爭而關廠,空間一度閒置。台中市府於2016年林佳龍市長時代著手規劃外埔堆肥場的轉型計畫,依據促參法引進民間技術與資金,採ROT模式,於2017年4月開始招商,於8月與得標廠商禾山林簽約,簽約內容除了廚餘生質能廠外,也包括稻桿氣化發電廠,且分成兩期設置。以下僅就廚餘生質能廠(一期)部份,提供相關說明。3

外埔廚餘生質能廠(一期)於2017年10月動工,並於2019年7月完工運轉,設計年處理量為30,000噸,以每年運轉333日計,設計日處理量為90噸。使用土地面積約為1.4公頃,投入資金約為3.6億元。

該生質能廠技術源自奧地利,流程如下圖。首先,廚餘須先破碎後製漿,也就是破碎並加水稀釋,讓其固形物含量從入料的15-20%降到10-12%,同時在此階段排出無法有效厭氧醱酵的雜質。

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廚餘漿液在流經緩衝槽後,接著流入酸化槽進行水解酸化;然後在尚未完成水解酸化反應時就離開酸化槽進入消化槽,繼續進行水解酸化與甲烷化;之所以會有多槽設計,是為了便於醱酵條件的控制。

所謂的水解,是透過兼氣性的水解菌,釋放酵素到生物質表面,讓構成這些生物質的蛋白質、脂質與醣類等不溶性高分子,水解成胺基酸、單糖與長鏈脂肪酸等可溶性的小分子,為厭氧消化過程的關鍵步驟。

水解後的小分子,接著被微生物酸化:首先,這些小分子由產酸菌(有的是兼氣菌,有的是厭氧菌)吸收到細胞內後,被代謝成短鏈脂肪酸(乙酸、丙酸與丁酸)及其他副產物,如氨、二氧化碳與氫氣,以及少量的醇、醛與酮類。然後再由產乙酸菌將前述產物(短鏈脂肪酸與醇類)轉化成乙酸、氫氣與二氧化碳。產乙酸作用為僅次於水解反應的限速步驟。

所謂的甲烷化,是讓乙酸或氫氣在嗜乙酸甲烷菌和嗜氫甲烷菌的作用下形成含有甲烷的沼氣,然後脫硫進行燃燒發電。

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厭氧醱酵過程涉及的微生物反應。(資料來源:見附註4)

這厭氧醱酵過程看似簡單,其實是一群微生物在彼此之間及與生長環境之間交互作用下競合的結果,因為需要多種微生物在不同階段發生作用,而不同菌種的生長條件(如PH值、溫度)不同,而其分解生物質所得的產物(如短鏈脂肪酸與氨氣)又會影響到漿液特性,反過頭來影響菌群生長,因此需要控制許多變數,才能使菌群的生長達到最佳化,產氣達到最大化。茲將一些重要因子羅列如表2。

表2. 厭氧發酵過程的一些關鍵因子4
因子 說明
粒徑
  • 粒徑太大,與酵素接觸的面積減小,影響水解速率;
  • 但粒徑太小,水解及酸化速度過快,會產生過多短鏈脂肪酸與氨,從而抑制甲烷化。
溫度
  • 嗜溫菌:30-40°C
  • 嗜熱菌:50-70°C
短鏈脂肪酸
  • 酸化過程產物,包括乙酸、丙酸、丁酸與戊酸。
  • 產氣潛力最大,但過多會造成PH值過低,而不利醱酵
PH值
  • 甲烷菌:6.5-7
  • 水解酸化菌:4-8.5
碳氮比
  • 不同營養成份間須達到最佳的平衡,才能使微生物適當繁衍,達到最佳的產氣效果;這平衡通常以碳氮比(C/N ratio)來表示。
  • 一般的最佳碳氮比範圍:20-30
  • 可於厭氧醱酵過程與脂肪酸中和,緩衝PH值的變化,增加沼氣生成;但是,過多時也會抑制甲烷菌繁衍。
  • 會隨著溫度與PH值增加而增加。
長鏈脂肪酸
  • 脂肪降解主要產物。於酸化過程會變成氫與醋酸酯,再變成甲烷。
  • 過多會導致PH降低、抑制甲烷菌繁衍
金屬與微量重金屬
  • 輕金屬 (Na, K, Mg, Ca)與重金屬(Cr, Co, Zn, Cu)有助於厭氧菌產生酵素與保持活性,但過多會抑制厭氧醱酵

廚餘漿液停留在酸化槽、消化槽、後消化槽的時間約25-30天,然後固液分離成沼渣與沼液;沼渣可當肥料,沼液則部份返送做為廚餘破碎製漿的用水來源,其餘則可當液肥澆灌農田。

如果沼渣沼液都是肥,那麼雙北的環保局在意的那許多剩下來的東西,到底是什麼?經詢問外埔廠實際操作情形並經過換算,才知原來每100噸的廚餘進去,會排出15-18噸的雜質,6-8噸的沼渣,63-66噸的沼液(如下圖)。雜質、沼渣、沼液的排出量,相當於入料廚餘的九成多;其中接近入料廚餘兩成的雜質,數量不算少,確實相當令人在意。

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外埔生質能廠質能平衡圖

降低雜質與廚餘分類

首先,這15-18噸的雜質,排出後是台中市府必須負責運回處理的,而非外埔生質能廠操作業者的責任。這些雜質越多,無謂消耗的成本就越高。那到底這些雜質含有什麼東西?經詢問得知除了少量被民眾誤丟的塑膠袋、金屬之外,主要是一些無法有效進行厭氧醱酵、但可拿去堆肥的生物質。

原來可有效產生沼氣的廚餘,主要是人或動物可以消化或吞食的成份,比如單糖或多糖類、蛋白質、脂肪、纖維素及半纖維素,這些營養成份受厭氧菌歡迎的程度,或者說產氣潛力,請參見表3。

表3. 可有效厭氧醱酵的營養成份及其產氣潛力5
營養成份 甲烷產生量(公升甲烷/克營養成份 所產生沼氣中甲烷含量(%v)
單糖 0.373 50
多糖 0.415 50
蛋白質 0.495 50
脂質 1.013 70
纖維素 0.415 50
半纖維素 0.424 50

但如果是粗韌的、吞都吞不下去的植物部位,其木質化程度較高,且纖維長,如甘蔗渣、竹筍殼,這種東西破碎製漿後,纖維會互相交纏在一起,而無法通過濾網,會隨著其他無機成份(骨頭、蛋殼等)一起被當作雜質排出。另外木質化程度更高的東西,像是椰子殼、木頭等,由於硬度高,則不能進入用來破碎細軟食物的廚餘破碎設備。

原來植物纖維主要來自植物的細胞壁,是由纖維素、半纖維素與木質素依不同比例互相糾纏而成的複雜結構。纖維素是由葡萄糖組成的同質結晶性多醣,而半纖維素則是木糖(Xylose)、甘露糖(Mannose)、阿拉伯糖(Arabinose)及半乳糖(Galactose)組成的異質無定形多醣,這兩者都容易被生物分解;而木質素則是由對香豆醇(paracoumaryl alcohol)、松柏醇(coniferyl alcohol)、芥子醇(sinapyl alcohol)形成的一種複雜的酚類交聯聚合物,分子中有許多苯環,具疏水性,可增強細胞壁及黏合纖維,是促成植物細胞木質化的重要成份,不容易被生物分解,無法有效醱酵產生沼氣;且木質素含量越高,和其糾結在一起的纖維素與半纖維素的生物可分解性會跟著降低。


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形成植物細胞壁的木質纖維素(lignocellulose)示意圖。
資料來源:整理自美國USDA及維基百科。

在功能為行光合作用、儲存養分的植物部位,也就是通常可供食用的植物部位,如菜葉、根莖類食物、水果果肉,其細胞壁主要由纖維素、半纖維素及果膠所構成,薄且具彈性;但如果功能為支撐結構、保護組織的植物部位,如甘蔗莖、堅果殼,其細胞壁的木質素含量就較高,較堅硬且纖維也較長,無法在一般厭氧消化槽中有效分解,但仍可拿去堆肥。

表4. 不同植物的纖維組成6
項次 植物名稱 纖維素(%) 半纖維素(%) 木質素(% )
1 紅蘿蔔 10.01 5.73 2.5
2 蕃茄 8.6 5.33 5.85
3 黃瓜 16.13 4.33 4.51
4 蘋果 8.81 5.44 2.98
5 葉子 15-20 80-85 0
6 棉絮 80-95 5-20 0
7 甘蔗渣 33.28 22.58 6.15
8 稻桿 35 25 12
9 稻殼 35.62 11.96 15.38
10 堅果殼 25-30 25-30 30-40
11 軟木枝幹 45-50 25-35 25-35
12 硬木枝幹 40-55 24-40 18-25
13 椰子殼 46-63 0.15-0.25 31-36

因此要降低雜質比例,必須源頭就做好分類,而且與其把廚餘分生熟,倒不如分粗嫩,粗硬生物質拿去堆肥,軟嫩生物質則可送去廚餘生質能廠或者養豬、餵食黑水虻或蚯蚓。


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附註:

3. 底下外埔廠資料主要取自禾山林公司於2019年10月30日的簡報以及向該公司技術人員的訪談。

4. 整理自:“Reviewing the Anaerobic Digestion of Food Waste:From Waste Generation and Anaerobic Process to Its Perspectives”, Carlos Morales-Polo, et al., Applied Science 2018, 8, 1804.

5. 參見:“Food Waste Digestion:anaerobic digestion of food waste for a circular economy”, IEA Bioenergy Task 37, 2018.12.

6. 前四項植物取自“Isolation and Characterization of Cellulose from Different Fruit and Vegetable Pomaces”, Monika Szymańska-Chargot, et al., Polymers 9(10):495, October 2017;第五至第十二項取自〈纖維乙醇之料源〉,謝志誠:第十三項的椰子殼取自〈椰殼纖維〉,百科知識

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  • 作者:謝和霖/看守台灣協會 祕書長。
  • 發表日期:2021年6月20日。
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