第二章 文獻回顧
2-1 科學工業園區廢水
2-1-1 各科學工業園區污水廠簡介
我國共有三座科學園區：新竹科學工業園區、南部科學工業園區及中 部科學園區，分別成立於民國 67、84 及 92 年，隸屬行政院國科會，為我 國高科技產業之發展基地，並扮演促使台灣產業升級及提升經濟之角色。
三座科學園區由於開發時間、引進目標產業與開發方式不盡相同，故 污水處理廠之營運與操作狀況各異，將各科學園區營運中污水廠之操作成 效彙整如表 2-1 所示，可知放流水質皆可符合標準。
目 前 園 區 污 水 廠 之 處 理 法 皆 以 生 物 處 理 (活性污泥 法或 接觸曝氣法 ) 為主，有效去除廢水中之有機物，後再搭配化學處理之二級處理程序，以 節省加藥量，而為確保 SS 之有效去除，於放流前再加以過濾單元處理；
其處理流程如圖 2-1 所示。
污 水 進 流
攔污柵 沉砂池 好氧生 物處理
化學 混凝 污泥
濃縮 污泥脫水
過濾 放 流 汙 泥 餅 清 運
圖 2-1 科學工業園區污水廠污水處理流程示意圖
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2-1-2 高科技產業廢水特性
目前國內科技業主要可分為六大產業：積體電路產業、電腦及周邊產 業、通訊產業、光電產業、精密機械業及生物科技產業等，然因製程不同 ， 產出廢水之特性亦相差頗大，茲分別介紹如下：
1. 積體電路產業：以生產晶片、晶圓製品為主，亦包含產品之測詴及 封裝，製程中常使用有機溶劑，所產生之廢水中常含 酸鹼、氟、銅 及研磨廢水等。
2. 電腦及周邊產業：主要為生產電腦產品、網路設備之產業，常使用 酸鹼及有機溶劑，故所產生之廢水常含酸鹼、鎳及研磨廢水等。
3. 通訊產業：生產與通訊有關之周邊配備，其製程廢水中常含有 酸鹼、
氟、砷等物質。
4. 光電產業：生產晶片、二極體、液晶螢幕、太陽電池等 多種產品之 開發、研究與生產，排出含酸鹼、氟、研磨廢水、有機物、砷、銅、
鉻等物質之廢水。
5. 精密機械業：生產自動控制設備、精密儀器 之元件與設備，此外亦 開發系統軟體，所產生之廢水以一般生活污水為主 。
6. 生物科技產業：生產疫苗、檢驗及醫療器材，並從是生技產品之研 發與製造，其製程廢水常含酸鹼、有機廢水等物質。
2-1-3 園區污水廠進流水質
如表 2-1 所示，目前之處理流程已可將有機物有效去除並達法規標準，
然為達成永續發展及提升產業形象之目的，氮、磷之去除已然成為廢水處 理之趨勢，環保署未來亦將針對放流水中之氮磷做管制，故如何處理廢水 中之氮、磷為未來園區廢水處理之重點。
園區內污染源可分為事業污染源 (即進駐園區之事業單位所排放之廢 污水 ) 及 一般污染源 (家庭、服務及研究機構所排放之廢污水 )，然根據
「科學工業園區污水處理及污水下水道使用管理辦法」規定：園區事業單 位 應 將 所 產 生 之 廢 污 水 先 行 處 理 至 符 合 園 區 污 水 下 水 道 之 納 管 標 準 (如
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本研究以受園區下水道納管標準規範後之廢水為進流，其中所含之重 金屬及有害毒性物質濃度頗低，且根據調查結果顯示：園區污水處理廠進 流水質之碳、氮、磷比能符合 100：5：1 之比例，為適合生物處理之廢水，
唯 C/N 較一般都市污水低 (如表 2-3)，此亦為本研究之重點。
表 2-3 廢污水性質比較 水質項目
(mg/L) 園區廢水 一般都市污水
BOD5 25 - 69 200
COD 30 - 100 300
NH3-N 30 - 70 25 PO4
3--P 3 - 25 4
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air
In
Out
air
In
Out
Recirculat
Membrane
於固液分離程序中，若依薄膜單元與生物反應槽之相對位置，則可將 MBR 系 統 又 分 作 旁 流 式 或 側 流 式 (Side-Stream) 及 沉 浸 式 (Submerged) 兩類，如圖 2-3 所示 (Stephenson et al., 2000)：側流式之 MBR 系統，薄 膜為位於生物反應槽外之一獨立單元，污泥利用泵浦經薄膜過濾後，迴流 至反應槽中，過濾後之處理水則由另一端出流； 沉浸式之 MBR 系統中，
薄膜單元直接浸沒於生物反應槽中，由泵浦經薄膜抽出處理水，利用薄膜 之過濾功能，將污泥截留於反應槽中。
薄膜單元位置之不同，將導致操作上的差異：於 側流式系統中，抽水 及迴流皆頇使用泵浦，故動力費用將比沉浸式系統高；此外，沉浸式系統 於操作時，可利用位於薄膜單元下方之曝氣盤，於曝氣時產生之上升氣流 與水流，減緩薄膜表面之積垢現象 (Ueda et al., 1996)。
(a) Side-Stream system (b) Submerged system 圖 2-3 側流式與沉浸式 MBR 系統
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2-2-2 MBR 之應用
根據 Stephenson et al.在 2000 年之調查數字顯示，全世界有超過五百 座 MBR 廠正在操作，其中約有 55% 採沉浸式系統操作；而在 Yang et al.
(2006) 中指出全球有超過 2200 座 MBR 廠已設置運轉或陸續興建當中。
而 Atkinson. (2006) 的報告更指出：該年 MBR 之市場有約 2.1 億美金，
並以每年平均 10%以上之速度成長，並推估於 2010 年將達到 3.6 億美金。
由以上資料顯示，MBR 為全球水處理之趨勢，且增加快速；由范姜仁茂 等 (2009) 的研究顯示，現階段 MBR 常見之處理容量約為 190-1900 CMD，
且設置以美國、日本、南韓、英國、德國最為積極 。
MBR 系統 之應 用範 圍很廣 ，除 都市 污 水之處 理外 ，亦 可 用於 工業廢 水 、 垃 圾 滲 出 水 等 之 處 理 ， 表 2-4 即 為 全 球 MBR 應 用 範 疇 之 統 計 (Stephenson et al., 2000)，由表可看出工業廢水為廣泛應用 MBR 處理之項 目；而由 MBR 之特點，亦可看出該程序除可解決園區污水廠佔地不足之 窘境，在地狹人稠之台灣地區亦有良好的發展潛力。
表 2-4 全球 MBR 系統之應用範疇統計
Type of wastewater Approximate % of
total MBRs
Industrial 27
In-building 24
Domestic 27
Municipal 12
Landfill leachate 9
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2-2-3 薄膜特性與分類
薄 膜 過 濾 可 依 水 流 與 膜 面 之 角 度 分 為 截 流 式 過 濾 或 死 端 過 濾 (dead-end or full-flow) 及掃流式過濾 (cross-flow) 兩種，如圖 2-4 所示，
圖 2-4 (a) 為 dead-end 形式，特色為進流水與膜表面垂直、由水流所造成 之阻力較小，但膜面上之積垢物常導致總阻力上升，並使通量下降，故較 適用於固體物含量較少之水源；圖 2-4 (b) 為 cross-flow 形式，特色為進 流水與薄膜表面平行，且較 dead-end 多了一股與膜面平行之 retentate 水 流，雖會造成部分阻力，但可有效去除膜表面之積垢物，降低 整體操作壓 力，適於處理固體物含量高之源水 (Stephenson et al., 2000; Judd, 2006)。
一般而言，微過濾 (MF) 與超過濾 (UF) 常為 cross-flow 形式，且由 圖 2-4 中可看出 cross-flow 形式之積垢阻力 (Rc) 及通量將隨操作時間之 延長，逐漸穩定；然 dead-end 形式則否，且積垢阻力之上升與通量之下 降遠較 cross-flow 形式變化大，在操作上亦較不符合經濟效益，故在 選用 薄膜處理廢水時，多半採用 cross-flow 之形式，除可維持較高之通量及較 小之阻力外，亦可順帶清除膜面上之積垢物 (Cheryan, 1998)。
Feed
Permeate
Feed
Permeate
Retentate
Rc
J Time
J
Time
Rc
(a) (b)
Cake Cake
Membrane Membrane
圖 2-4 薄膜過濾形式：(a) dead-end；(b) cross-flow
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Inonic Molecular Macromolecular Microparticle
Macro-particle
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(二) 以薄膜外型做分類
薄 膜 之 型 態 主 要 可 分 為 四 類 ： 平 板 式 (Flat Plate, FP)、 管 柱 式 (Tubular)、螺旋式 (Spiral Wound, SW) 及中空纖維式 (Hollow Fiber, HF)。 在使 用 上 ，平 板膜 之 能 量消 耗 低 且易 於 拆 除清 洗 ， 但填 充 密 度 低、所需佔地面積大；管柱式薄膜較不易為懸浮固體物阻圔且可承受 之壓力高，但單位薄膜面積所占空間大、壓損高、操作成本高；螺旋 式薄膜之填充密度高、壓損小，但不易清洗，故不適於處理高濁度之 原水；中空纖維式薄膜之填充密度高、比表面積大且易於反洗，但視 材質而異，易受水中髮絲及堅硬物質損壞。上述四類膜組之比較如表 2-5 所示 (Stephenson et al., 2000)。
由於中空纖維膜有單價低、有效過濾面積大、處理 單位成本低，
可進行反洗以減少薄膜積垢、延長操作時間等操作優勢，且常應用於 沉浸式 MBR 中，故本研究採用中空纖維式之薄膜進行操作。
表 2-5 不同膜組型態之比較
Configuration Cost
Area/Volume ratio (m
2/m
3)
Back-flushable Application
Flat Plate High 400-600 No ED, UF, RO
Tubular Very high 20-30 No UF, NF,
high TSS water
Spiral Wound Low 800-1000 No RO, NF, UF
Hollow Fiber Very low 5000-40000 Yes MF, RO
(三) 以薄膜材質做分類
製作薄膜的材料主要分為兩種：聚合物 (常見有：CA、PP、PS、
PTFE、PVDF 等) 及無機物 (如：玻璃纖維、陶瓷纖維等 )，然無機膜 因材料特性之原故，其延展性較差、易脆，常因外力而損壞；而常見 之 製 膜 聚 合 物 有 醋 酸 纖 維 (Cellulose acetate, CA) 、 聚 丙 烯 (Polypropylene, PP) 及聚氟化亞乙烯 (Polyvinylidene Fluoride, PVDF)
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等，各材質特性如表 2-6 所列 (Stephenson et al., 2000)。由於 PVDF 材料具高度之抗污染性、耐磨性及抗化學性，且材料強度高，為降低 實驗時因更換膜片所造成之影響，遂本研究採用 PVDF 膜進行詴驗。
表 2-6 常用薄膜材料優缺點比較
Polymer Advantage Disadvantage
Cellulose Acetate Inexpensive Chlorine resistant
Poor thermal, chemical and mechanical stability
Polypropylene Chemically resistant Hydrophobic unless surface treated
Polysulphone pH resistant, Solvent cast Poor resistant to hydrocarbons PTFE
Very hydrophobic, Excellent organic resistant, Excellent
chemical stability
Too hydrophobic, Expensive
Polyvinylidene-fluoride
Good thermal, chemical and
mechanical resistant Stability
Expensive
理想之薄膜應具備有：有效過濾面積大、操作所需動能低、單位成本 低、便於清洗、通量大、選擇性高等條件，然上述之理想條件卻礙於技術 之發展，多半相互矛盾，如：薄膜孔徑大，通量大，則選擇性低；有效過 濾面積越大，則清洗越困難等。故而發展出不同型態之薄膜，以不同之操 作優勢供不同目的使用。
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2-2-4 薄膜單元操作問題
薄膜單元於操作期間，常遇阻圔 (積垢)、通量下降及透膜壓力上升、
清洗與反洗等問題，為 MBR 之操作帶來變數，並因此造成操作成本 增加。
薄 膜 阻 圔 之 機 制 有 許 多 種 ， 主 要 分 為 四 類 ： 完 全 阻 圔 (Complete blocking)、部分阻圔 (Intermediate blocking) 、孔內或內部阻圔 (Standard blocking) 及濾餅 (Cake filtration)，如圖 2-6 所示，其中孔內阻圔及濾餅 之形成，多半由膠體物質或蛋白質過濾所引起，易導致 通量下降及透膜壓 力上升 (Judd et al., 2006)。
(a) Complete blocking (b) Intermediate blocking
(c) Standard blocking (d) Cake filtration
圖 2-6 薄膜阻圔機制
薄膜單元於操作時，常隨操作時間增加而產生積垢，使透膜壓力上升，
故需適時清洗，以維持系統操作之穩定。薄膜之清洗可分為物理清洗及化 學清洗兩種，物理清洗如：表面沖洗及刷洗、間歇抽水、以水流作逆向操 作 ( 反 洗 ) 等 ， 可 用 於 去 除 膜 面 或 薄 膜 孔 洞 中 之 可 逆 積 垢 (reversible foulant)， 操作簡單 ，花費時間 少 (數 分鐘內即可 完成 )， 但通量回復 之效 果較差；化學清洗則為利用化學藥劑浸泡，以去除不可逆積垢 (irreversible foulant)， 所需時間 較長 (視各膜 片供 應商之建議 )，操作 後有藥劑廢 棄之 問題，然通量回復之效果亦遠較物理清洗佳 (Judd et al., 2006)。
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清洗薄膜之時機應視操作通量及透膜壓力之變化而定，過於頻 繁之清 洗，將導致操作成本上升；但如超出薄膜可承受之壓力變化後才 進行清洗，
則效果將變差，並易使薄膜之受命減短、成本上升，故一般建議於平時定 期做物理清洗，待透膜壓力達臨界點時再 進行化學清洗。然薄膜於長期使 用及反覆清洗後，初始通量及藥洗間隔皆將下降，故如何利用適當之清洗
則效果將變差，並易使薄膜之受命減短、成本上升，故一般建議於平時定 期做物理清洗，待透膜壓力達臨界點時再 進行化學清洗。然薄膜於長期使 用及反覆清洗後，初始通量及藥洗間隔皆將下降，故如何利用適當之清洗