1.1 研究緣起
由於日漸嚴格的放流水標準及薄膜科技的快速發展，薄膜技術已在近 十幾年來廣泛地應用於廢水處理中。生物薄膜反應器 (membrane bioreactor, MBR)便是結合了生物處理及薄膜分離之新的處理技術，其在許多先進國家 中已快速發展並取代傳統生物處理，如活性污泥法 (activated sludge process, ASP)等。MBR 之特點在於以薄膜單元取代傳統活性污泥法之沉澱池，進行 有效之固液分離，使其操作上不為污泥沉降性所限制。對於解決傳統生物 程序急待突破之項目，MBR 實為一最佳處理技術。
由於 MBR 具有良好的固液分離效果，故可有效提升出流水水質並增加 污泥停留時間 (solid retention time, SRT)，如此可提高污泥濃度 (mixed liquor suspended solids, MLSS)，減少反應槽體積，增加水力負荷 (hydraulic loading)。SRT 的增加，不僅可減少污泥生成量 30 ~ 80 %，降低後續處理費 用，也使得一些生長較慢的自營菌，如：硝化菌得以培養出，大幅提升生 物處理效能，使其處理水具有回收再利用的潛能。
MBR 雖然具有以上之優點，但目前操作上最為人詬病的便是薄膜積垢 (membrane fouling)問題。薄膜積垢的發生會使得薄膜通量衰減或透膜壓力 (trans-membrane pressure, TMP)增加，導致清洗薄膜的次數變多，進而縮短 薄膜壽命，並且提高操作成本。薄膜積垢的發生是由於薄膜本身特性與污 泥中不同成份反應所造成，其會隨著進流基質、微生物狀態與系統操作環 境之改變而有所影響。薄膜積垢之特性和積垢之程度會受到薄膜性質、污 泥特性及操作條件三種因素所影響(Chang et al., 2002)。針對 MBR 系統中薄膜積 垢的問題，衍生出許多解決的辦法，包括常見的物理或化學清洗 (physical or
chemical cleaning) 、 薄 膜 特 性 最 佳 化 (optimization of membrane characteristics) 之 分 析 、 系 統 操 作 條 件 最 佳 化 (optimization of operating conditions)之研究、或是針對汙泥特性馴養之修正(Le-Clech et al., 2006)。
在 MBR 系統中，因為為一生物反應系統，所以許多文獻特別針對胞外 聚合物 (extracellular polymeric substances, EPS)著墨許多。EPS 主要成分可 為多醣類 (polysaccharide)及蛋白質 (protein)，它們會在薄膜表面形成一層 緻密且富有黏滯性之生物膜，增加過濾時之總阻抗 (Rt)，此生物膜因為具 有黏滯性，所以一旦生成之後，就會加快積垢之速度，使得薄膜積垢越來 越嚴重。
近年來，由於二氧化鈦 (titanium dioxide, TiO2)的化學穩定性佳，成本 低廉，且具有光催化效果等優點，成為相當熱門的光觸媒材料。二氧化鈦 本身就具有親水特性，若再經由 UV 光照射之後，親水性質則會更加顯著。
若將二氧化鈦的超親水特性應用於薄膜表面改質，可增加薄膜表面之親水 性，避免 MBR 系統中之積垢物質與薄膜發生疏水性作用，進而延緩積垢 之速度，甚至能增加其通量。此外，提升薄膜表面之親水性，也可使已經 積垢於膜表面的物質，藉由系統中水流所產生的剪力而被帶走，若再加上 照光之條件，使二氧化鈦具有光催化效應，使未受水流剪力帶走之薄膜積 垢，能藉由光催化反應進行降解，更進一步延緩積垢之嚴重程度。因此，
本研究希望能利用上述之優點，合成一新穎之二氧化鈦複合薄膜，以期能 延緩薄膜積垢之問題，提升 MBR 系統之操作效能。
1.2 研究目的與內容
針對減緩薄膜積垢之目標，本研究係以自行研發合成之中性奈米級二 氧化鈦凝膠 (TiO2-sol)，對薄膜表面進行改質，以不傷害薄膜原始結構為前 提，將光觸媒材料與薄膜結合，合成一奈米級二氧化鈦複合薄膜，並加入 照光條件，以期許此新穎光觸媒複合薄膜，能發揮二氧化鈦之特性與優點，
以有效地減緩薄膜積垢。
本研究利用截流式過濾系統 (dead-end stirred cell filtration system)，配 合取自本實驗室馴養之 MBR 系統污泥來進行過濾，對於改質後之複合薄膜 加入了照光條件，以紫外光與可見光作為 TiO2之激發光源，來比較薄膜改 質前後，以及照光與否之過濾特性。使用掃流式過濾系統 (cross-flow filtration system)，進行長時間 (long-term)污泥過濾，對 TiO2複合薄膜表面 之積垢物以生物染色後加以鑑定，探討薄膜表面經由改質後之積垢特性。
本研究內容包括：
1. 比較薄膜改質前後對延緩薄膜積垢之影響 2. 比較有無照射光源對 TiO2薄膜表面積垢之影響 3. 探討 TiO2複合薄膜之積垢特性