廢水處理中的碳移除技術：應對氣候變遷的關鍵策略

前言

昨日文章介紹了海洋方面的碳移除背景及重要性，其中一個常見爭議點在海洋範疇邊界太大；一來干擾變因極多，二來潮汐波浪影響下，不易精確監測成效數據。因此類似的概念其實是能夠運作在較小的水體，例如河川或湖泊，更有甚者是人為可控最精確地點：污水處理廠。實現廢污水處理流程中進行碳移除。

主要參考文獻來源為以下兩篇最直接相關的期刊論文：

1. Wastewater Treatment for Carbon Capture and Utilization
2. Wastewater Treatment for Carbon Dioxide Removal

技術背景

隨著《巴黎協定》確立了將全球平均氣溫升幅控制在2°C以下，並努力達成1.5°C的目標，碳移除技術已成為達成淨零排放的重要手段。根據聯合國環境署 (UNEP) 的分析，目前各國的減排承諾僅能實現所需減排量的三分之一，剩餘的碳排放需依賴負排放技術來平衡。

廢水處理過程在此脈絡中扮演著關鍵角色。全球每年產生近1,000 km³的廢水，其中包括來自工業廢水和城市污水。傳統廢水處理廠不僅是能源的高耗能者（全球耗能約3%），更是溫室氣體的重要排放源之一，特別是非CO₂氣體如甲烷和一氧化二氮，其溫室效應分別是CO₂的25倍和298倍。廢水處理過程中的有機物降解會釋放大量CO₂，但這些氣體目前並未被有效捕捉和利用。

因此，將碳移除技術與廢水處理結合，能減少廢水處理過程中的碳排，並將此流程轉化為碳捕捉資源。這樣的轉變不僅能減輕廢水處理對環境的負擔，還能協助達成全球碳中和的目標，為氣候變遷提供新的解決方案。此外，廢水處理廠通常位於人口密集的城鎮和工業區，具備現成的基礎設施和運輸系統，這使得碳捕捉技術的應用更具經濟性和可行性。是故在氣候行動的全球框架下，利用廢水處理進行碳移除，不僅能有效減少溫室氣體排放，還能將廢水處理設施轉變為資源回收和負碳排中心，這對於應對全球氣候危機具有重要意義。

技術介紹

微生物電解碳捕捉 (Microbial Electrolytic Carbon Capture, MECC)

MECC 是一種新興技術，利用微生物電化學反應來進行廢水中的碳捕捉。這項技術的原理是在陽極中，電活性細菌將廢水中的有機物分解，釋放電子和二氧化碳 (CO₂)，而陰極端則產生氫氣 (H₂) 和氫氧根離子 (OH-)。此過程中，CO₂ 能夠與氫氧根離子及其他金屬離子 (如鈣離子) 結合，最終形成穩定的碳酸鹽。MECC 的一大優勢在於它不僅能捕捉廢水中的二氧化碳，還能產生氫氣作為額外的能量來源。此外，這項技術能在低溫下運行，能源消耗相對較低。

微藻培養 (Microalgae Cultivation)

微藻培養是一種通過光合作用來捕捉 CO₂ 並同時處理廢水的技術。微藻在自養生長過程中，能夠吸收廢水中的氮 (N) 和磷 (P) 等營養物質，同時將 CO₂ 固定在其生物質中。微藻培養的優點在於其生長速度快，且可產生多樣的生物質燃料或生物產品。然而，微藻培養對於光照、溫度和培養環境的要求較高，運營成本可能較大，特別是生物質收集和處理過程。

碳酸鈣礦化 (Calcium Carbonate Mineralization)

此技術使用富含鈣離子的廢水來促進 CO₂ 的礦化，將其轉化為碳酸鈣 (CaCO₃)。這類技術通常通過將濃縮 CO₂ 注入廢水中，使 CO₂ 與廢水中的鈣離子結合，生成穩定的碳酸鈣礦物。該技術的特色在於生成的碳酸鈣可以被儲存或用於工業應用，如建材或塑料填充劑。此外，該過程還有助於提高廢水的水質，實現水回收和循環經濟。

微生物電合成 (Microbial Electrosynthesis, MES)

MES 與 MECC 類似，但其陰極端反應涉及自養細菌將捕獲的 CO₂ 轉化為有價值的有機化合物，例如甲烷和乙酸。這項技術通過電活性微生物來催化 CO₂ 還原，能實現較高的能源轉換效率，並有潛力將 CO₂ 轉化為多種有機化學品。MES 的挑戰在於需要進一步提高反應速率以實現商業應用。

構造濕地 (Constructed Wetlands)

構造濕地是一種模擬天然濕地的生態系統，通過植物、土壤和微生物的協同作用來處理廢水，同時捕獲 CO₂。這種系統能有效去除有機碳和營養物質，並將一部分 CO₂ 固定在植物生物質中。然而，構造濕地的碳捕捉效能受限於氣候條件，特別是在寒冷地區，且其大規模應用需要大量土地。

技術比較

微生物電解碳捕捉 (MECC)

• 優點：

1. 能源正效益：MECC 不僅能捕捉 CO₂，還能生產氫氣，成為能源正向技術。
2. 低溫操作：相比傳統廢水處理技術，MECC 能在低溫下運行，降低了能源消耗。
3. 減少污泥產生：與活性污泥系統相比，MECC 能減少高達 80% 的污泥產生，降低污泥管理成本。

• 缺點：

1. 高成本與複雜設計：目前 MECC 還處於實驗階段，實際應用中需要降低成本並簡化系統設計。
2. 營養去除不足：雖然對有機物處理效果佳，但對氮、磷等營養物質的去除效果較有限。

微藻培養

• 優點：

1. 多功能性：微藻同時能進行 CO₂ 捕捉與氮磷去除，特別適用於廢水中含有高營養物質的情況。
2. 生物質生產：微藻可以用來生產生物燃料或其他生物產品，提升經濟價值。

• 缺點：

1. 運營成本高：微藻的生物質收集和處理過程需要較高的能量與資源投入。
2. 空間需求大：為了達到足夠的碳捕捉和營養物質去除效率，微藻培養可能需要大量土地和設施。

碳酸鈣礦化

• 優點：

1. 生成高品質的碳酸鈣：此技術能生成高純度的碳酸鈣，可用於工業應用或長期儲存。
2. 改善水質：碳酸鈣礦化不僅能捕捉 CO₂，還能同時提高廢水的水質，實現水回收的可能性。

• 缺點：

1. CO₂ 來源限制：該技術需要穩定的 CO₂ 來源，如濃縮 CO2 或工業廢氣，如果是自然環境中的低濃度 CO2，則反應速度較慢。
2. 設備需求高：需要專門的設備來進行 CO₂ 的注入和礦化過程，初期投資較大。

微生物電合成 (MES)

• 優點：

1. 轉換效率高：相比植物或光合作用，MES 在能量轉換效率上優於傳統技術，能將 CO₂ 高效轉化為有機化學品。
2. 產出高價值產品：MES 不僅能捕捉 CO₂，還能產出如甲烷、乙酸等高附加值產品，具備經濟潛力。

• 缺點：

1. 反應速率低：目前技術在反應速率上仍有待提升，尚未達到大規模應用的要求。
2. 選擇性不足：MES 的反應中常生成多種副產物，需要進一步提升產物選擇性。

構造濕地

• 優點：

1. 生態效益：構造濕地不僅能捕捉 CO₂，還能改善生物多樣性，並提供洪水控制和景觀價值。
2. 操作簡單：構造濕地通常不需要高技術維護，適合於較低成本的應用場景。

• 缺點：

1. 土地需求大：構造濕地需要大量土地來實現有效的廢水處理和碳捕捉，這在城市化地區可能不切實際。
2. 溫室氣體排放的複雜性：雖然植物能固定 CO₂，但有些構造濕地會釋放甲烷和一氧化二氮，削弱碳捕捉效果。

發展前景

技術與系統優化

未來廢水碳移除技術的發展將強調系統與技術整合。例如，微生物電解碳捕捉 (MECC) 和微藻培養可以結合應用，前者可有效去除有機物並捕捉 CO₂，後者則可利用 CO₂ 和廢水中的營養物進行生物質生產。這樣的整合方式不僅能提高碳捕捉效率，還能實現資源最大化利用。隨著技術的進一步成熟，廢水處理廠有潛力從傳統的能源消耗者轉型為資源回收和能源生產中心。

此外，隨著資料科學和人工智慧技術的進步，未來的廢水處理系統可以通過智慧管理，實現過程的動態最佳化。這將有助於降低營運成本，並提高碳捕捉與資源回收效率。

技術商業化與大規模應用

目前許多技術仍處於實驗室或試點階段，商業化與大規模應用是未來的關鍵挑戰。以微生物電合成 (MES)為例，該技術雖然在理論上能將 CO₂ 高效轉化為有機化學品，但目前的反應速率和選擇性仍需要提高，才能在工業規模上實現經濟效益。隨著技術改進和成本下降，這些技術將能夠更廣泛地應用於城市污水和工業廢水處理中。

另一方面，碳酸鈣礦化技術的應用潛力大，特別是在與工業廢水和鋼鐵業廢料結合使用的情況下。然而，這類技術的進一步發展需要解決在不同應用情境中的設計和操作問題，確保其穩定運行和經濟性。

政策支持與市場激勵

碳移除技術的推廣與發展也依賴於政策支持和市場激勵機制。例如，碳稅或碳交易系統的引入，將有助於提升碳捕捉技術的經濟可行性。政府可以通過制定有利的政策環境，激勵廢水處理設施進行技術升級，以實現碳捕捉和資源回收目標。

同時，碳市場的發展也將促進這些技術的應用，特別是當廢水處理廠能夠將捕獲的 CO₂ 用於生產碳權並進入碳交易市場時，將進一步激勵投資與技術創新。

研究與技術突破

未來的研究將致力於提升現有技術的效率和可行性，並探索新的技術路徑。例如，微藻培養雖然已經展現出捕捉 CO₂ 和回收營養物的潛力，但未來研究可著重於提高微藻生長速度、優化光照條件以及減少收集成本。此外，構造濕地系統將需要在寒冷地區進行更多的研究，提升其在不同氣候條件下的碳捕捉能力。

此外，科學家們還將繼續探索生物技術和合成生物學在微生物電合成 (MES)和微生物電解碳捕獲 (MECC)中的應用，開發更具選擇性的微生物催化劑和更高效的電化學系統，以實現更大的技術突破。

循環經濟與可持續發展

廢水碳移除技術的發展與循環經濟概念密不可分。隨著水資源日益短缺，這些技術不僅能幫助減少碳排，還能實現水的回收利用，並生產有價值的副產品，例如生物質燃料、碳酸鈣和有機化合物。未來廢水處理系統將不再僅僅是廢棄物處理設施，而是整合了水資源回收、能源生產和碳捕捉的綜合系統，推動廢水處理行業向永續發展邁進。

總結

廢水碳移除技術已逐漸成為應對氣候變遷和實現碳中和的重要策略之一。在全球氣候行動框架中，廢水處理過程不僅是溫室氣體的重要來源，還能成為碳捕捉與資源回收的關鍵領域。通過技術創新，廢水處理不再只是高耗能的環保措施，而是能夠轉型為具有碳捕捉潛力的系統，協助減少全球碳排放。

本文探討了多種廢水處理中的碳移除技術，包括微生物電解碳捕獲 (MECC)、微藻培養、碳酸鈣礦化、微生物電合成 (MES) 以及構造濕地系統。這些技術各自擁有不同的優勢和挑戰：MECC 和 MES 技術具備高效碳捕捉能力並可生產氫氣或有機化合物，但商業化挑戰較大；微藻培養能同時處理廢水和捕捉 CO₂，但成本高且需要大量土地；碳酸鈣礦化適合與工業廢水結合，能生成高品質的碳酸鈣，具有一定的商業價值；構造濕地系統則具備生態多功能性，但受制於土地需求和氣候影響。

未來隨著技術進步、系統優化和政策支持，廢水碳移除技術將具備更廣闊的應用前景。這些技術不僅有助於降低碳排，還將推動水資源回收、能源生產及循環經濟的發展。隨著商業化進程加速和技術突破，廢水處理廠有潛力成為資源回收和負碳排的核心設施，為全球應對氣候變遷提供有力支持。