近年極端氣候現象及多種生態與環境系統消失，導致政府、企業、公眾各單位之環境意識日益提升，各國紛紛提出環境保護相關對策，例如：歐盟《硝酸鹽削減指令》（Nitrates Directive）針對糞肥之氮、磷及其他養分施用進行嚴格控管，以避免影響地表及地下水體水質受到污染 (OECD, 2023)。其中，我國農業活動之廢水種類包含：畜牧業廢水、水產養殖業廢水及廢棄物處理之厭氧消化液等，上述廢水中含有極高濃度營養鹽，若未經妥善處理便澆灌至農地，可能導致土壤污染，抑或引發水體優養化，破壞水生環境生態平衡，對生物多樣性構成嚴重威脅 (Soro et al., 2023)。傳統廢水處理中之物理化學分離技術（例如：混凝、沉澱、過濾、薄膜分離、離子交換等）多屬無選擇性分離技術，難以精準分離廢棄物中有價物質，並將其重新投入原生產鏈或其他生產活動中進行循環利用；此外，上述部分分離技術能耗極高且可能造成二次污染，甚至產生有毒副產物。因此本計畫旨在建構農業有價資源之循環利用模式，開發以電去離子（Electrodeionization，簡稱EDI）為基礎之技術及創新離子導體材料（Ionic Conductive Materials，簡稱ICM），實現農業廢棄物之梯級回收（Cascade Recycle），其中，農業廢水中常見之有價物質包含：有機酸、腐殖酸、營養鹽等，利用綠色分離技術處理農業廢水不僅可避免周圍水體污染，保障水生環境之生物多樣性，亦能促進有價物質於產業間之循環利用，提高資源利用效率，邁向農業循環經濟。

研究方法：
本計畫建構整合式精準分離技術，開發新型材料以降低整體能耗並提升模組運作之分離性能，並精進系統多項關鍵操作條件。以下說明各階段之研究方法及目標：

1. 運用綠色化學原則，研發整合式精準分離技術，設計梯級分離單元以回收農業廢水中有價物質（有機酸及營養鹽等）。
2. 開發離子導體材料之配方及模組設計，多元化末端分離產品種類及純度，評估不同操作下技術效率，並研析電化學分離機制與反應途徑。
3. 結合程序化學、反應動力學及質量傳輸等理論探討選擇性分離技術，建立選擇性分離預測模型，鑑別各模組之關鍵設計參數及其經驗設計數值。
4. 多元化產業廢水供應來源，試驗實廠廢水導入精準分離系統，並進行系統優化及改良。

 
研究成果：
本計畫以綠色化學原則為基礎，涵蓋三大主軸包括關鍵材料開發、創新模組設計及程序系統優化。本計畫已成功開發多項農業廢水高值化技術，實現綠色梯級精準分離程序（如圖1），並針對工程、經濟及環境等面向進行綜合評估，深入瞭解技術規模化運行之執行潛力，以下針對關鍵成果進行說明。

圖1、開發整合式精準分離技術應用於有價資源之梯級回收示意圖

 

1. 開發高效萃取吸附技術進行養豬廢水有機物質回收：
   • 圖2（a）所示，同時，為實現資源循環零廢棄戰略，本項目亦以廢棄塑膠材料為原料萃取對苯二甲酸（TPA），作為開發金屬有機骨架（MOF）吸附材料之前驅物，再評估不同方法合成MOF對於有機質回收之效率，使整體系統更符合綠色化學原則，詳如圖2（b）所示。

圖2、（a）開發梯級吸附分離技術處理養豬廢水之相關參數；資料來源：(Chen et al., 2021)；（b）廢塑膠基吸附材料之解聚及金屬有機骨架之製備過程示意圖；相關成果已投稿至國際SCI期刊審查中。

 

2. 開發電透析技術進行銨鹽與磷酸鹽之選擇性回收：
   • 圖3（a）所示。為有效評估該系統之可行性，本項目亦針對此營養鹽回收技術進行成本效益分析，結果顯示每噸廢水之處理成本約為其他技術之50%。假設每日廢水之產出量為10萬立方公尺，則預估每日收益約35.6萬美元，益本比（Benefit-Cost Ratio）為1.48，具有相當程度之應用潛力，詳如圖3（c）所示。

圖3、（a）養豬廢水營養鹽回收循環利用示意圖；（b）於不同操作條件下之能源消耗；（c）該技術經濟面向之可行性評估（成本效益分析）。資料來源：(Wei et al., 2022)。

 

3. 開發離子導體材料促進離子傳輸效率及能源效率：
   • 圖4（a）所示。將兩種複合材料應用於雙極膜電去離子系統(Bipolar Membrane Electrodeionization，簡稱BMEDI)，透過調整不同變因例如陰離子交換樹脂、樹脂比例及黏合劑種類等，瞭解其分離琥珀酸之效果。結果顯示：琥珀酸最高回收效率可達91%以上，琥珀酸係多項化學品製程之原料，具有相當程度之市場及工程應用價值。

圖4、（a）多孔隙離子導體材料製作流程、（b）BMEDI-ICM整合模組之設計概念、（c）BMEDI系統於不同操作條件下之琥珀酸回收效率、能耗及產率。相關成果已投稿至SCI期刊審查中。

 

4. 開發濃度震波電透析技術於養豬廢水回收鹽類：
   • 穩態二維模型，據以預測於不同操作條件下，模組之分離性能及效率等績效評估因子。

圖5、（a）Shock ED 運行機制概念圖（b）COMSOL軟體模擬成果：反應器中鈉離子（Na+）與氯離子（Cl-）之二維濃度分佈。資料來源：(Lin et al., 2024)。

 
致謝：
感謝國科會愛因斯坦培植計畫，提供本研究經費之補助。感謝本團隊成員曾渤之、林育誼、鄭又綺、廖裕倫、蕭詠儀、李瑋婷等人之投入。
 
參考資料：

• Chen, C.-Y., Li, W.-T., & Pan, S.-Y. (2021). Performance Evaluation of Cascade Separation for a Humic Substance and Nutrient Recovery from Piggery Wastewater toward a Circular Bioeconomy. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 9(24), 8115-8124. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01106
• Liao, Y.-L. (2023). Development of ionically conductive materials for recovery of succinic acid from biomass fermentation broth. https://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdr&s=id=%22111NTU05404017%22.&searchmode=basic
• Lin, Y.-I., Pan, S.-Y., Lin, Y. J., & Tseng, P.-C. (2024). An integrated approach to optimizing concentration shock wave electrodialysis using 2D multicell simulation and response surface models. Chemical Engineering Journal, 496, 153693. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153693
• OECD. (2023). Policies for the Future of Farming and Food in the European Union. https://doi.org/doi:https://doi.org/10.1787/32810cf6-en
• Soro, M.-P., N'Goran, K. M., Ouattara, A. A., Yao, K. M., Kouassi, N. G. L. B., & Diaco, T. (2023). Nitrogen and phosphorus spatio-temporal distribution and fluxes intensifying eutrophication in three tropical rivers of Côte d'Ivoire (West Africa). Marine Pollution Bulletin, 186, 114391. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2022.114391
• Wei, C.-Y., Pan, S.-Y., Lin, Y.-I., & Cao, T. N.-D. (2022). Anaerobic swine digestate valorization via energy-efficient electrodialysis for nutrient recovery and water reclamation. Water Research, 224, 119066. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119066