2-1 原水濁度及顆粒特性對混沉除濁成效之影響
以水庫或河川等地表水體為原水的淨水場，其原水水質易受瞬間豪雨、颱風 或水庫洩洪等原因而有急遽的變化，尤其雨季期間造成原水濁度瞬間驟升至數千 NTU，常使淨水單元無法負荷而需減量供水甚至暫停供水。而處理高濁度原水 時，大多需增加混凝劑添加量，但增加混凝劑量也將提高污泥產生量，依人工原 水進行的瓶杯試驗結果，濁度由數百 NTU 上升至數千 NTU，混凝劑約需額外增 加 50~100%的加藥量才能達到混沉上澄液殘餘濁度低於 5 NTU 的水質標準，且 污泥量隨加藥量上升而明顯增加(翁，2003)。雨季洪水不僅使原水濁度升高，暴雨沖 刷土壤夾帶大量天然有機物質(natural organic matter, NOM)，致使原水之耗氯量物 質增加，且鋁系混凝劑中單體鋁物種易與 NOM 鍵結反應，其反應所生成的膠羽 微小不利沉降(Yan et al., 2008)
，因此難以透過混沉處理將之去除。
天然濁水中顆粒粒徑在 1~5 μm 之間最易形成比重大且沉降速度快的理想膠 羽，而顆粒粒徑界於 10-3~1 μm 之微小膠體顆粒(colloid)，由於體積甚小且表面積 大，故在水體中呈現穩定的狀態，為色度及濁度之主要來源。水中色度多由懸浮 親水性膠體造成，主要靠混凝劑水解聚合物與膠體官能基反應，透過化學作用產 生中性鹽沉澱以去除之，而混凝作用去除濁度顆粒的機制則不同，是藉由水中顆 粒及細小膠體提供形成膠羽所需的核心(nucleus)物質，以利膠羽生成而將顆粒沉 澱去除，當水中顆粒數越多，膠羽的生成量及生長速率隨之增加，而顆粒比重增 加時，其形成之膠羽更易於沉澱(高，1978)，此顯示原水中富含顆粒雖會使濁度升高，
但同時也增加混凝膠羽生成的機會，對於混沉除濁並非完全無益。
反觀原水濁度低時，水中膠體數量少，在混凝時顆粒碰撞機率低，需提高快 混 G 值增加顆粒碰撞機率，較能有利膠羽生成(黃，2010)。但實場在處理低濁度原水 時，通常採取降低混凝劑量因應之，當原水濁度降低(10 NTU 以下)，易造成混凝
劑量調控的困難，發生混凝劑加藥量不足的現象，會使混凝去穩定效果降低，尤 其在水中濁度顆粒少的條件下，鋁系混凝劑無法與膠體有效的混合產生氫氧化物 沉澱，將使混凝劑在水中殘留溶解性單體鋁物種，不僅無法去除濁度還可能造成 沉澱出水濁度及顆粒數都比原水濁度和顆粒數高之現象(劉，2007)，因此低濁度的原 水所含濁度顆粒少，反而較不易達到混凝去穩定的效果。
2-2 快混操作參數對混沉除濁成效之影響
混凝程序是淨水處理去除水中顆粒的重要環節之一，而混凝程序主要藉由添 加帶高正電荷特性的水解性鋁系或鐵系混凝劑於天然濁水中，再以高攪拌強度的 混合方式使混凝劑均勻分佈至水中顆粒表面，此時水中帶負電性的顆粒或 NOM 與混凝劑進行電性中和、架橋或沉澱掃除等作用而逐漸形成微膠羽，而後減低攪 拌強度，透過慢混促使水中微膠羽間發生碰撞並聚集，微膠羽不斷聚集而生成粒 徑大的膠羽，生成的膠羽內含濁度顆粒、NOM 及混凝劑的膠體物質，並於後續 的沉澱及過濾單元被去除。顯見在整體水處理程序中，混凝單元是使水中顆粒去 穩定的重要關鍵，快混操作條件不同，會影響水中顆粒碰撞與聚集程度，使混凝 膠羽之密度、碎形維度及粒徑分佈等特性各有不同，造成膠羽在水中沉降性之差 異，並會影響後續沉澱除濁之效率及濾床的過濾效能(黃，2010)，因此探討快混強度、
時間及混凝加藥組合等操作參數對混沉除濁效能的影響，是評估快混操作及混凝 加藥策略的重點。
2-2.1 快混強度、時間對混凝膠羽生成及混沉效能之影響
混凝攪拌的主要功能即是使混凝藥劑有效均勻分散，使水中膠體顆粒與混凝 劑充分反應而達到去穩定顆粒的作用。快混時，混凝劑加藥量的調整會隨原水條 件而變動，在不同快混強度(G 值)及快混時間(t 值)操作下，生成膠羽之粒徑及密 實度等特性亦隨之改變，造成後續沉澱及過濾處理的濁度去除效率有所變動，而 主要影響膠羽生長特性之因子如下所述。
(1)快混強度
快混單元藉由提供足夠混合強度使混凝劑在水中均勻分散，在實場中有機械 式、水躍式及管中快混等多種快混型式，由於機械式攪拌混合效率高且操作彈性 大，因此成為水場最常使用之快混方式，其典型的快混 G 值約 600~1000 s-1。一 般機械攪拌設備依構造及葉片型式可分三種，分別為螺旋槳驅動輪(propellers)、
渦輪槳翼(turbine impellers)以及翼片槳翼(paddle impellers)。螺旋槳翼通常為 2~3
片，其與另外兩種葉片之差異在於其翼片些微傾斜，因此轉動時會產生軸向螺旋 水流，其轉速範圍約在 400~1750 rpm，較渦輪及翼片槳翼來得快。渦輪槳翼 (impellers)之直徑通常為 30%~50%快混池直徑或寬度，渦輪槳翼之轉速約為 10~150 rpm；翼片槳翼通常有 2~4 個翼片，槳翼直徑通常為 50~80%池直徑或寬 度，其轉速為 20~150 rpm(Reynolds and Richard, 1996)，一般淨水場通常以翼片槳翼為主，
因槳翼的投影面積大，能產生較大的紊流及混合效率。
攪拌槳的設計多是為了產生更大的攪拌強度，許多研究已指出混凝主要受初 始快混強度影響顆粒之間的聚集與破碎，是膠羽生成的重要關鍵(Amirtharajah and Mills,
1982; Spicer et al., 1998)，若混凝攪拌強度不足，易因混凝劑分散不均使水中局部過量加
藥，造成膠體顆粒再穩定而懸浮，同時未充分與藥劑反應的水中膠體亦難以被去 除，在攪拌不均的條件下，即使提高混凝劑加藥量，對水中懸浮顆粒的去穩定作 用仍有限。而高快混強度不僅可增加混凝初期膠體顆粒之間的碰撞機率，更使得 混凝劑與膠體顆粒充分反應達到電性中和而去穩定。
在不同混凝作用機制下，快混強度會改變膠羽的聚集特性，若以聚氯化鋁 (polyaluminium chloride, PACl)混凝劑進行混凝加藥，當混凝機制為吸附及電性中 和時，快混強度對混凝作用成效存在明顯的影響，增加混凝攪拌強度可以提高顆 粒間碰撞的效率，達到較佳的混凝效果。高效率的顆粒碰撞及聚集作用會形成聚 集體與聚集體的膠羽聚集型態(cluster-cluster aggregation)，此時形成膠羽之結構較 鬆散，但其膠羽粒徑增大，增加沉降性有利混沉上澄液殘餘濁度降低，但若快混 強度低，此時的顆粒聚集效率較低，聚集方式大多呈現顆粒與聚集體的聚集型態 (particle-cluster aggregation)，但生成膠羽之結構較為密實(Wiesner and Klute, 1998)。因此，
混凝時快混強度的改變將使水中顆粒聚集型態產生變化，在低快混 G 值的條件 下，雖水中膠體顆粒多以聚集為主，但因顆粒碰撞效率差使其聚集的膠體粒徑仍 小，應將 G 值增加以利於提昇膠體碰撞及聚集的效率，使膠羽的生長與破碎達到 平衡，此時即為生成膠羽之粒徑可達最大值的條件，但若繼續提高快混 G 值，雖 高 G 值可使膠體碰撞效率提昇，不過因剪力增加造成水中膠體發生破碎，此時水
中顆粒的聚集體將破碎至原本的顆粒粒徑而無法聚集生長(Aktas et al., 2013)，顯示過高 強度的快混易使膠羽聚集後再破碎，造成混沉除濁效能下降，因此最適用之快混 強度範圍仍需測試後方能得知。
在適用之快混強度範圍內，增加快混強度不僅可促進混凝劑於水中的分散 性，高快混強度使生成之混凝膠羽內部結構密實，有助於降低後續混沉上澄液殘 餘濁度及溶解性 NOM 的濃度，而若減低快混 G 值則使生成之膠羽內部結構鬆 散，此鬆散結構使得膠羽內部的微小顆粒易在混合攪拌過程裡被釋出至水中，但 因膠羽內部顆粒釋出卻也增加了膠羽表面對水中 NOM 吸附的機會(Sheng et al., 2006)， 顯示快混強度對混凝膠羽生長特性的影響，更間接造成混沉除濁成效的不同。
此外若再大幅度提高快混強度，以管中快混設備產生遠大於一般淨水場快混 操作之 G 值(4501 s-1、16514 s-1、22802 s-1)，可明顯提昇後續沉澱單元之濁度去 除率，且在原水濁度低的條件下，提高快混 G 值可明顯增加混沉上澄液之過濾 性，但對水中溶解性有機物(dissolved organic carbon, DOC)移除之助益並不明顯，
而當原水濁度升高時，提高快混 G 值僅使殘餘濁度些微降低(黃，2010)。由此可知提 高快混 G 值雖可增加水中混凝藥劑分散性，但混凝及沉澱程序去除水中濁度的成 效仍受原水水質條件影響。
(2)快混時間
混凝操作攪拌時間的設計與攪拌強度之選擇具相同考量，兩者皆以使水中膠 體顆粒與混凝劑充分混合為主要目的，實場中典型的快混 t 值依淨水場處理量而 異，大多約為 10 至 30 sec。混凝劑在水中的水解反應快速，添加混凝劑後經過約 6 sec 的水解反應時間，混凝藥劑即與水中顆粒進行電性中和及吸附等作用，此後 再延長快混時間，對其混凝作用無太大變化(Edzwald et al., 1998)。不過實場進行混凝劑 加藥時仍受混凝劑種類、劑量、快混強度等因素影響藥劑於水中的分散性，一般 而言，增加快混時間可有助於提高藥劑於水中均勻分散的程度。快混時間增加可 提高膠羽間碰撞的機會，但膠羽經過長時間的破碎與再聚集會改變其膠羽表面特 性，而導致顆粒聚集的效率降低，因此過長的快混 t 值會使生成膠羽之粒徑減小，
造成水中大多為粒徑一致的小膠羽(Yu et al., 2010a)。因此在混凝時，快混時間有其合 適的操作範圍，例如以 PACl 混凝處理高嶺土人工原水時，初始增加快混 t 值可 使生成膠羽之粒徑增大，但再持續增加快混時間則會使得其生成膠羽之粒徑明顯 減小，而在使用聚矽酸鐵混凝劑時亦會有此相似的結果(Aktas et al., 2013)，顯示快混時
造成水中大多為粒徑一致的小膠羽(Yu et al., 2010a)。因此在混凝時，快混時間有其合 適的操作範圍，例如以 PACl 混凝處理高嶺土人工原水時，初始增加快混 t 值可 使生成膠羽之粒徑增大，但再持續增加快混時間則會使得其生成膠羽之粒徑明顯 減小，而在使用聚矽酸鐵混凝劑時亦會有此相似的結果(Aktas et al., 2013)，顯示快混時