厭氧與兼氧微生物薄膜系統長期操作下 TMP 與 Flux 之變化

厭氧與兼氧微生物薄膜系統長期操作下其TMP與Flux之變化如圖 4-9所示，實驗分兩階段進行，第一階段之Flux 設定為 11 L/m²-hr，

第二階段之Flux 調高為 18 L/m²-hr，在此實驗期間薄膜並未進行反 洗，經過150天之操作記錄顯示，其TMP長期維持在2 ±1 kPa之間，顯

示厭氧與兼氧微生物薄膜系統之薄膜具有抗積垢之特性，可能與厭氧 與兼氧微生物薄膜系統有關，其原因有三：

1. 厭氧與兼氧微生物薄膜系統具有低 EPS 濃度之特性

Defrance et al.（2000）將微生物混合液分離成懸浮固體物、

膠體與溶解性有機物三部分，並認為與薄膜積垢有絕對之關係；

Noguera et al.（1994）與 Barker and Stuckey（2001）之研究指出，

此溶解性有機物包含原廢水中不可分解之殘存有機物、有機物之 代謝中間產物與微生物細胞分泌產物，即所謂之 EPS；許多文獻 證明薄膜積垢與EPS 有關（Nagaoka, et al., 1996, 1998; Chang and Lee, 1998; Chang et al., 1998），Chang and Lee（1998）認為 EPS 是薄膜積垢之主要貢獻者；EPS 是一種非常複雜的高分子聚合物 質，包含多醣體（polysaccharides）、蛋白質、脂質（lipids）與

0 5 10 15 20 25 30

1 10 23 32 41 50 59 78 135 151

0peration Time(days) Flux (L/m2 hr)

0 4 8 12 16 20

TMP(kPa)

Flux(L/m2hr) TMP(kPa)

圖 4-9 厭氧與兼氧微生物薄膜系統長期操作下 TMP 與 Flux 之變化

核酸（Frølund et al., 1996; Bura et al. 1998）。而 Kuo et al.

（1996）之研究發現，厭氧代謝之 EPS 產生量低於好氧代謝，且 厭氧代謝所產生之 EPS，有可能在好氧環境下被分解代謝；而好 氧代謝所產生之 EPS 因迴流回厭氧槽，也有可能在厭氧環境下被 分解代謝，因此本質上厭氧與兼氧微生物薄膜系統，具有低 EPS 之特性，是導致厭氧與兼氧微生物薄膜系統之薄膜具有抗積垢之 特性。

2. 厭氧與兼氧微生物薄膜系統具有低膠體數量之特性

造成薄膜積垢之另一個因子為膠體，許多學者研究均發現，

膠體與薄膜積垢有關（Wisniewski and Grasmick, 1998；Defrance et al., 2000；Bouhabila et al., 2001），但是研究結果顯示，其造成薄

膜積垢之影響程度不一，這與其試驗系統及方法有關。膠體顆粒 在一般過濾系統之行為表現，已有許多研究，在這些研究中發現：

在過濾系統中，可以透過截留（interception）、碰撞吸附（collision adsorption）與擴散（diffusion adsorption）等機制，而達到去除水 中膠體顆粒之功能（Levine et al., 1985; Kaminski et al., 1997; Landa et al., 1997）；Mahmoud et al.（2003）亦指出上流式厭氧反應器同 樣具備上述之機制。在厭氧與兼氧微生物薄膜系統之厭氧生物反

應槽為污泥床式反應器，薄膜槽中之混合液，透過連續迴流進入 厭氧生物反應槽，透過厭氧污泥床之截留與吸附作用，降低後續 薄膜槽中之膠體數量，導致厭氧與兼氧微生物薄膜系統之薄膜具 有抗積垢之特性之第二個原因。

3. 厭氧與兼氧微生物薄膜系統具有高電荷斥力之特性

薄膜積垢表現在外之行為是通量降低，導因自薄膜阻力增 加；導致薄膜積垢之原因通常包括:孔洞阻塞、濃度極化與餅層形 成三種（Bai and Leow, 2002a; Bai and Leow, 2002b），Choi et al.

（2005）指出不可逆之積垢（irreversible fouling）導因於這些積垢 物質（foulant）具有很強之附著力（strong attachment），採用物 理之控制方法不易清除，因薄膜表面孔洞吸附積垢物質，逐步造 成孔洞窄化（pore narrowing）最後導致孔洞阻塞，積垢物質與薄 膜表面因發生有效碰撞，使積垢物質與薄膜表面接觸而達成吸附 作用；因此若能有效防止積垢物質與薄膜表面發生有效碰撞，即 可控制薄膜之積垢作用。

在厭氧與兼氧微生物薄膜系統中之兼氧槽與薄膜槽，由於CO2

之氣提作用，使水中之 pH 值提高至 8～9 之間（如圖 4-4(b)所示）， 由於生物膠凝作用而無結垢之困擾，此薄膜槽之pH 值高於一般文

獻好氧MBR 之操作 pH 值 2 個單位，因而造成積垢之 EPS 所帶之 羧基、氨基、與硫基等官能基帶更多之負電荷（Callander and Barford, 1983）。就前所述（圖 4-7）厭氧與兼氧微生物薄膜系統 之生物顆粒之ZP 值（絕對值），隨 pH 值之增加而增加，顯示在 高 pH 值，生物顆粒與 EPS 帶有更高之負電荷。相同的，許多有 機性薄膜在中性pH 值下亦帶負電荷，且其表面特性與生物顆粒一 樣，其 ZP 值（絕對值）隨 pH 值之增加而增加（Schaep and Vandecasteele, 2001; Tay, et al., 2002; Jonathan and Amy, 2002）。根 據Choo et al.（2000）引述 Shimizu et al.（1989）所進行陶瓷微過 濾薄膜之厭氧MBR 研究指出，帶負電荷薄膜之通量，比不帶電或 帶正電荷之薄膜高，其主因為帶負電荷薄膜與積垢物間有較強之 靜電斥力（electrostatic repulsion），而可提昇薄膜之通量，此為導 致厭氧與兼氧微生物薄膜系統之薄膜具有抗積垢特性之第三個原 因。

經由各個環境轉換對微生物功能之影響試驗，與長達6個月之長期穩 定實驗，證實厭氧與兼氧微生物薄膜系統可穩定操作，並確認在此系 統中之厭氧槽可不必設置三相分離器；並於後續兼氧槽中添加顆粒化 污泥之試驗亦可證實當廢水具有結垢潛能時，微生物可利用生物膠凝

作用捕捉碳酸金屬結晶物。由於厭氧與兼氧微生物薄膜系統處於低 EPS、低膠體數量與高pH值環境下，致使厭氧與兼氧微生物薄膜系統 之薄膜具有抗積垢特性。