3.3 實驗設備與裝置
3.3.2 截流式微過濾薄膜裝置
研究中所使用的截流式微過濾薄膜設備主要由進料槽、薄層複合 膜(Thin-Film Composite Membrane)模組、電子天秤、抽氣幫浦、抽氣 錐形瓶、電腦等設備所組成，如圖 3.1 所示。以下將簡述各項設備及 規格。
1.進料槽
採用長 11 cm，高 21 cm 之壓克力方形槽，體積為 2 L。
2.薄層複合膜模組
研究中所用之圓形薄層複合膜（Thin-Film Composite Membrane）
由美國 Gore 公司所生產，直徑為 5 cm，孔徑大小為 0.5 m，其過濾 面材質為 PTFE，而支撐材料為 PP。過濾時需將膜片置於圓形薄膜過 濾匣中，此時薄膜有效過濾面積為 0.02 m2。
3.電子天平
由 Precisa 公司所製造，型號為 XB 4200C 電子天平，負重範圍 由 0.5 g~4200 g，使用時可和電腦連線，並將量測結果即時輸出到電 腦記錄。
4.抽器幫浦
使用由 GAST 所製造之幫浦，過濾時將壓力控制在 0.65 kg/cm2， 屬低壓薄膜操作。
5.抽氣錐形瓶
由 KIMAX 公司所生產容量為 2 L 之抽氣錐形瓶，專門用來收集 經過薄膜處理後之過濾液。
6.電腦
電腦系統為 IBM 相容性個人電腦，專門用來線上紀錄電子天平 的量測結果。
圖 3-1 截流式微過濾薄膜裝置
3.4 研究步驟及架構
本研究探討預先混凝處理淨水場砂濾反沖洗水其膠羽結構對於 微過濾薄膜出水通量、使用壽命之影響且探討其濾後水直接作為公共 給水之可行性。首先將於新竹第一淨水場採集反沖洗水進行分析且進 行單元操作資料收集，以了解其淨水場反沖洗水水質變化範圍，藉由 實驗室小型微過濾薄膜設備，進行實場反沖洗水微過濾薄膜處理，並 探討膠羽結構對於過濾通量與薄膜壽命之影響；同時，過濾水需被收 集，並進行一連串水質分析，並評估薄膜過濾水直接作為公共給水之 可行性。研究架構如圖 3-2。主要實驗流程如下列章節所述。
研究架構
圖 3-2 研究架構
預先混凝處理於 Dead-end 式 MF 回收 淨水場砂濾反洗水之研究
新竹第一淨水場各處理單元資料收 集及收集分析反沖洗水質
不同混凝機制選擇條件 不同鋁型態混凝劑
(混凝劑鋁型態定性及定量)
膠羽特性探討
薄膜使用效率 濾餅壓縮係數量測
膠羽強度常數量測
膠羽碎型維度及膠 羽粒徑變化量測
薄膜通量試驗 濾後水質量測 薄膜阻塞機制
探討膠羽特性對於薄膜使用效率之影響
1.反沖洗水採樣
預先聯絡廠方，於過濾進行反洗程序指定時間到達淨水場進行採 樣。採樣完成後，詢問廠方關於淨水場操作方面資料，如淨水處理流 程、砂濾池形式、砂濾池反洗時間、反沖洗水水量及其處理狀況等資 料。
(1)先採集淨水場原水
(2)準備一繫有長繩之採樣桶
(3)當砂濾池排完水，砂床開始上浮時，將採樣桶丟入排水渠道中進 行採樣，採樣時間為 6 分鐘
(4)將每次採樣桶所取得之反沖洗水裝入 20 L 之儲水桶中
(5)將現場所取得之反沖水樣混合均勻後，進行後續水質分析及薄膜 過濾實驗
2. 反沖洗水水質分析
採樣完成後，立即分析其基本水質，分析的項目包含濁度、pH、
總懸浮固體物、總揮發性固體物、溶解性有機物（DOC）、UV254、總 菌落數、大腸桿菌數、SVI、界達電位和粒徑分佈等項目，建立各淨 水場之反沖洗水水質資料。
3.混凝前處理步驟 (1)不同混凝機制之選擇
如同標準瓶杯試驗程序，先以 1mg/L as Al 之 PACl (SHOWA) 進行最佳 pH 條件試驗，確定最佳混凝 pH 後，控制於最佳混凝 pH 進行不同加藥量及殘餘濁度關係圖，對照快混狀況界達電位值 選擇混凝機制。
a.瓶杯試驗
使用美國 Phipps&Birds 公司所製造型號為 PB-700 之瓶杯試驗 機，最大轉數為 400 rpm，最小轉數為 10 rpm，槳葉規格為長 7.6 cm，寬 2.8 cm，每批次可同時操作 6 個水樣，每組實驗則使用體 積為 2 L，長 11 cm，高 21 cm 之壓克力方形槽。
首先，需先尋找最適操作之 pH。實驗進行時，於水樣中加入 固定劑量之 PACl 後，分別調整水樣 pH 值為 4、5、6、7、8、9、
10，提供轉速為 200 rpm (G=350 s-1)的快混攪拌 1 分鐘，之後的 20 分鐘進行轉速為 30 rpm (G=25 s-1)的慢混，慢混停止後靜置 20 分 鐘量測其上澄液濁度，決定最適操作 pH。
找出混凝劑之最適操作 pH 後，在不同水樣中加入不同劑量之 混凝劑進行試驗，並調整水樣 pH 為最適操作 pH。提供轉速為 200 rpm (G=350 s-1)的快混攪拌 1 分鐘，快混後立刻測量顆粒表面之界 達電位，之後的 20 分鐘進行轉速為 30 rpm (G=25 s-1)的慢混，慢 混後立即測量其粒徑分佈和溶解性有機碳濃度，隨後靜置 20 分鐘 後量測其上澄液濁度和溶解性有機碳濃度，決定不同混凝劑加藥 量下之界達電位、濁度、粒徑分佈和溶解性有機碳去除率之關係。
b. 混凝程序
取反沖洗水 1.5 L 置入體積 2 L 之壓克力槽，分別加入不同劑 量之混凝劑（與瓶杯試驗之劑量相同），並將 pH 調整為最適操作 pH，提供轉速為 200 rpm (G=350 s-1)的快混攪拌 1 分鐘和轉速為 30 rpm (G=25 s-1)的慢混後，倒入進料槽中，隨即進行薄膜過濾實 驗。
(2)不同鋁型態含量混凝劑混凝試驗 a. 不同鋁型態含量混凝劑選擇
選擇由大陸中國科學院生態環境研究中心所提供，採化學法製 備。其原始總鋁濃度分別為 29 % 及 33% as Al2O3、鹽基比為 2.3 及 2.1，其 Alb含量分別為 90% 及 60%之混凝劑以及選擇原始濃度為 10%
as Al2O3聚氯化鋁 (PACl，SHOWA)。
b. 混凝程序
同於不同混凝機制混凝試驗程序。
4. 濾餅壓密性試驗 Compressibility index
分別以 100mmHg、200mmHg、300mmHg、400mmHg 過膜壓力 所 形 成 濾 餅 比 阻 抗 進 行 線 性 迴 歸 ， 其 斜 率 數 值 為 濾 餅 之 compressibility index，而其值大則代表濾餅壓縮性大，濾餅內部膠羽 間孔係小，其值小則表示濾餅壓縮性小，濾餅內部膠羽間孔隙大，其 實驗裝置如下圖 3-3。
圖 3-3 濾餅壓縮係數實驗設備裝置 5. 膠羽特性試驗
a. 膠羽強度常數
於最適 pH 條件下，在水樣中加入所需劑量之混凝劑進行試驗，
快混轉速為 200 rpm (G=350 s-1)的攪拌 1 分鐘，之後接著進行 20 分鐘 轉速為 30 rpm (G=25 s-1)的慢混，慢混完成後再依次進行 15 分鐘轉速 分別為 30rpm、65rpm、100rpm 及 200rpm 的攪拌，攪拌結束後立即 以型號為 Mastersizer 2000 的小角度雷射光散射粒徑分析儀進行粒徑 分析，依據 Park et al. (1972) 提出 d = CG-γ之關係式求出 floc strength constant。
d: 膠羽尺寸 (m) C: 膠羽強度因子 G: 速度坡降 (S-1) γ: 膠羽強度常數
b. 膠羽碎型維度及膠羽粒徑變化量測
於本實驗選定之混凝條件下以小角度雷射光散射粒徑分析儀進行 粒徑分析及碎型維度的量測，選定重複測量時間為 15 秒，測量次數 為 64 次，於混凝過程中進行粒徑變化之連續監測膠羽之粒徑及其碎 型維度。
6. 截流式微過濾薄膜過濾試驗
對於本研究所使用之 PTFE 薄膜，進行通量試驗前，需先前處理 薄膜後使用，其前處理方式至薄膜過濾試驗間，所需進行之步驟如下 所敘:
(1)薄膜前處理
以超純水浸泡 24 小時以上方可使用。
(2)清水試車
實驗進行前膜片需經前處理後方可使用。清水試車操作前需先以 1000 mL 之超純水通過薄膜，以洗去膜片上所殘留之有機物。續以清 水進行試車，以瞭解系統運轉狀況和薄膜初始通量，其操作步驟如下：
a.將薄膜模組置入裝有超純水 1.5 L 之進料槽中 b.開啟電子天平並歸零後，與電腦連線
c.檢查測試之壓力、管線、閥件是否正常 d.紀錄累積濾液體積至 800 mL 所對應的時間 (3)預先混凝處理後之反沖洗水過濾操作
清水試車結束後接續進行反沖洗水過濾實驗，操作步驟如下：
a.將薄膜模組置於裝有 1.5 L 水樣之進料槽中，並以固定轉速磁石 攪拌保持水樣均勻
b.開啟電子天平並歸零後，與電腦連線 c.檢查測試之壓力、管線、閥件是否正常
d.紀錄累積濾液體積至 450 mL，進行水力反沖洗(重複此步驟 9 次) e.取過濾後水樣，進行濁度、溶解性有機物、UV254、總菌落數和大 腸桿菌數等分析
(4) 反洗後薄膜之清水通量
水樣過濾結束後，進行水力反沖洗，再將膜片通過超純水，紀錄 累積濾液體積至 800 mL 所需時間。
7.探討膠羽特性差異對於薄膜通量及過濾水質之影響
不同的預先混凝條件 (不同混凝劑或是不同混凝機制) 造成不 同的膠羽特性，膠羽特性可直接反應於膜上的濾餅特性，然而薄膜通 量的阻抗主要可分為薄膜本身的阻抗及濾餅阻抗，故探討膠羽特性對 濾餅阻抗特性於薄膜通量之影響，主要探討以濾餅壓縮係數、碎型維 度、膠羽粒徑大小、膠羽強度係數對於薄膜過濾通量及使用壽命之影 響，最後探討過濾水直接作為公共給水回收之可行性。
第四章 結果討論 4`.1 淨水場砂濾反沖洗水水質基本水質分析
本研究使用之淨水場砂濾反沖洗水採集自新竹第一淨水場，其原 水水源來自於頭前溪。主要淨水程序為混凝沈澱過濾；濾池採用傳統 綠葉式單閘門濾池進行過濾，詳細基本單元操作資料於表 4-1。
表 4-2 則為新竹第一淨水場之反沖洗水水質資料。由表 4-2 可發 現在反沖洗水濁度位於 620~2620 NTU 間，濁度高且變動範圍大，主 要原因在於新竹第一淨水場採用河川水作為原水水源，因此易受到季 節氣候變化之影響，造成原水水質變動大，反沖洗水水質呈現不穩定 狀態；以季節來區分，夏秋兩季，其反沖洗水濁度約位於 1000~2000 NTU 間，但如果適逢下雨時期其反沖洗水濁度可高達 2600 NTU，而 春冬兩季，反沖洗水濁度較低，約小於 1000 NTU。Edzwald et al.(2003) 在其研究報告中亦指出原水水質為影響反沖洗水水質之重要因素，此 外快濾池的形式亦會造成反沖洗水水質之不同，新竹第一淨水場所採 用的濾池為傳統綠葉式單閘門，且較其他形式的濾池深，故濾程較 長。新竹一場之濾池濾料粒徑較小，故其反沖洗水之顆粒範圍分布較 集中且濁度較高。根據 AWWARF 的調查資料指出，美國地區反沖洗
表 4-2 則為新竹第一淨水場之反沖洗水水質資料。由表 4-2 可發 現在反沖洗水濁度位於 620~2620 NTU 間，濁度高且變動範圍大，主 要原因在於新竹第一淨水場採用河川水作為原水水源，因此易受到季 節氣候變化之影響，造成原水水質變動大，反沖洗水水質呈現不穩定 狀態；以季節來區分，夏秋兩季，其反沖洗水濁度約位於 1000~2000 NTU 間，但如果適逢下雨時期其反沖洗水濁度可高達 2600 NTU，而 春冬兩季，反沖洗水濁度較低，約小於 1000 NTU。Edzwald et al.(2003) 在其研究報告中亦指出原水水質為影響反沖洗水水質之重要因素，此 外快濾池的形式亦會造成反沖洗水水質之不同，新竹第一淨水場所採 用的濾池為傳統綠葉式單閘門，且較其他形式的濾池深，故濾程較 長。新竹一場之濾池濾料粒徑較小，故其反沖洗水之顆粒範圍分布較 集中且濁度較高。根據 AWWARF 的調查資料指出，美國地區反沖洗