為瞭解不同種類混凝劑對低濁度高有機物原水混沉去除效能及 過濾性之影響，以下試驗將以硫酸鋁、聚氯化鋁及聚矽酸鐵作為混凝 劑，探討不同混凝劑種類對濁度與溶解性有機物之去除效能、混沉後 上澄液過濾性之影響及膠羽特性探討。
4-3-2-1 混凝劑種類加藥量對 pH 變化之影響
混凝劑投入水中後，瞬間產生水解反應並釋放出 H+離子導致溶 液的 pH 值下降，而不同的混凝劑種類產生不同的水解程度造成 pH 值的變化對水解產物形態的轉化亦有影響，原水中鹼度的多寡也是影 響 pH 值變化及加藥量的控制的主因，此原水的特性除了包含有機物 外，水中的鹼度也較一般原水偏低，因此探討硫酸鋁、聚氯化鋁及聚 矽酸鐵投加藥後對原水 pH 變化之影響，結果如圖 4-30 所示。
由圖可知在混凝劑在投加後，因混凝劑的水解作用導致 pH 值的 下降，而這三種混凝劑硫酸鋁、聚氯化鋁及聚矽酸鐵最後的 pH 值分 別從 8 下降到 6.5、7.2 及 5.5。投加聚氯化鋁後的 pH 值改變較其他 二種混凝劑來得不明顯，在加藥量為 2 mg/L 後的改變已趨於平緩。
這是因為聚氯化鋁已經預先水解，在加入水中後產生水解作用及生成 複雜的水解產物的程度較硫酸鋁少，因此對 pH 值的影響較單核性之 鋁鹽小。而硫酸鋁主要是由單體鋁組成，因此在投入水中後，因水解 作用產生較多的氫氧錯合物，釋出大量的 H+離子導致 pH 值快速的下 降，因此硫酸鋁較聚氯化鋁而言，對於消耗水中鹼度的有較強的能力。
一般聚矽酸鐵的加藥量為聚氯化鋁的 2~3 倍，因此在試驗中聚矽 酸鐵的加藥量為 2.5 mg/L 至 15 mg/L，由圖可知聚矽酸鐵投加後 pH 值從 8 下降至 5.5，下降的程度皆遠大於硫酸鋁與聚氯化鋁，這是因
為聚矽酸鐵投入水中後除了鐵離子的水解作用及矽酸聚合物在水中 溶解產生弱酸的單核物及多核物的生成外，仍有鐵離子及矽酸在水解 過程中相互之影響。
0 1 2 3 4 5 6
p H
5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5
硫酸鋁 聚氯化鋁 聚矽酸鐵
Dosage (mg/L)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
(as Al mg/L)
(as Fe mg/L)
圖 4-30 混凝劑種類不同加藥量下對 pH 變化之影響
4-3-2-2 混凝劑種類加藥量對顆粒表面界達電位之影響
硫酸鋁、聚氯化鋁及聚矽酸鐵三種混凝劑對顆粒表面界達電位變 化如圖 4-31 所示。鋁鹽混凝劑加藥量在低於 5mg/L 以下、聚矽酸鐵 混凝劑加藥量在低於 15mg/L 以下，顆粒表面界達電位的大小分別是 硫酸鋁、聚氯化鋁及聚矽酸鐵。
一般而言預先水解混凝劑含有較多的聚合鋁，其中以 Al13的聚集
12%，因此在低加藥量所量測到的顆粒表面界達電位與硫酸鋁並無差
Zeta Potential (mV)
-25
Dosage (mg/L)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 (as Al mg/L)
(as Fe mg/L)
圖 4-31 混凝劑種類不同加藥量下對顆粒表面界達電位之影響
4-3-2-3 混凝劑種類混沉後上澄液之過濾性及濁度去除效能 混 凝 劑 種 類 混 沉 後 上 澄 液 之 過 濾 性 及 濁 度 去 除 效 能 如 圖 4-32(a)、(b)及(c)所示。使用硫酸鋁混沉處理低濁度高有機物原水對 濁度去除效能(如圖 4-34(a))可以發現在投加 0.5 mg/L 的混凝劑後濁度 即出現明顯的去除效果，濁度由約 35 NTU 降至約 1.5 NTU，而混凝 劑加藥量增加到 3~5 mg/L 時，混沉後上澄液的殘餘濁度上升至約 5~6 NTU。觀察使用硫酸鋁混凝劑混沉後上澄液的過濾性可以發現，混沉 後上澄液的過濾性在 0.5 mg/L 時有較佳的上澄液過濾性，而後隨著 混凝劑劑量的增加(1~2 mg/L)，吸取時間指標有略為增加的趨勢，顯 示混沉後上澄液之過濾性有略為變差的趨勢。加藥量增加至 3 mg/L 後，上澄液的過濾性明顯變差。造成此結果是因硫酸鋁在少量加藥下 以電性中和機制去除濁度，在過量加藥(3 mg/L)後顆粒表面界達電位 增加至+8.5 mV，導致電性逆轉，顆粒再穩定，使得殘餘濁度上升。
而在加藥量為 1 ~ 2 mg/L 範圍內觀察混沉後上澄液的殘餘濁度並沒 有明顯的差異，皆約為 1.5 NTU。因此使用上澄液殘餘濁度做為加藥 指標，1 ~ 2mg/L 皆為加藥的區間。但藉由吸取時間指標的觀察可以 明顯的觀察到混沉後上澄液的過濾性已經出現變差的趨勢，因此可選 擇 0.5 ~ 1mg/L 為最適加藥量，可更經濟混凝劑的使用。
由圖 4-32(b)可知使用聚氯化鋁對於上澄液過濾性及濁度的去除 皆相當的穩定，在加藥量為 0.5 ~ 3 mg/L 時，殘餘濁度皆約為 1 NTU，
上澄液之吸取時間指標約為 1.35。在加藥量增加至 5 mg/L 時，殘餘 濁度及吸取時間指標開始出現上升的趨勢，分別增加至 2 NTU 及 1.85，但效果並不明顯。這是因為聚氯化鋁在 pH 為中性時，去除濁
溶液中，導致殘餘濁度增加及過濾性變差。由此可知在處理低濁度高 有機物原水(且低鹼度)時，使用聚氯化鋁較硫酸鋁不易消耗鹼度，因 此較易控制 pH 值在適當的操作範圍內，混沉後上澄液也具有較佳的 過濾性。
使用聚矽酸鐵混沉處理後的(圖 4-32(c))上澄液過濾性及濁度去 除皆有良好的效果，即使過量加藥，導致 pH 減少至較低 pH 值(5.5) 下仍可有效操作。這是因為聚矽酸鐵的分子量為 500 KDa 主要去除機 制為靠矽酸聚集體行吸附架橋作用，有別於上述二種鋁鹽混凝劑的電 性中和機制。而聚矽酸從聚合到聚集、生成顆粒、溶膠及凝膠過程因 pH 值的變化會影響快慢。矽酸溶液在低於 pH 2 時，矽酸為正電荷的 化合態，處於介穩態。pH 高於 2 時，溶液轉入負電荷陰離子區，隨 pH 值升高而羥離子增多會加速聚集，在約 pH 5 時達最快膠凝，聚集 成鏈狀或網狀含水的聚集體(Iler,1979)，因此即使在加藥量為 15 mg/L 時(pH 約 5.5)，混沉後上澄液仍有很好的過濾性。
綜合以上結果可知在處理低濁度高有機物難處理原水時，聚氯化 鋁及聚矽酸鐵混沉後上澄液之過濾性及濁度去除效能皆優於硫酸 鋁，且硫酸鋁在過量加藥後上澄液之過濾性明顯變差，這是因為過量 加藥後，上澄液 Al(OH)3膠體大量增加所造成。而聚氯化鋁在處理上 與聚矽酸鐵沒有明顯的差異。
(a)硫酸鋁
0 1 2 3 4 5 6 7
Suction Time Index (STI)
0
Residaul Turbidity (NTU)
0
Suction Time Index (STI)
0
Residual Turbidity (NTU)
0
Suction Time Index (STI)
1
Residual Turbidity (NTU)
5
4-3-2-4 混凝劑種類對水中溶解性有機物之影響
使用不同混凝劑種類對低濁高有機物原水溶解性有機物之影響 如圖 4-33 所示。圖中使用硫酸鋁混沉處理低濁高有機物原水後，水 中殘餘溶解性有機物濃度約為 1.0 ~ 1.4 mg/L。使用聚氯化鋁混沉處 理後水中殘餘溶解性有機物在加藥量小於 1.5 mg/L 濃度約為 1.0 ~ 1.1 mg/L，而在加藥量大於 1.5 mg/L 時，水中殘餘溶解性有機物濃度出 現增加的趨勢，從 1.1 逐漸增加至約 2.5 mg/L。經使用聚矽酸鐵混沉 處理後原水中的殘餘溶解性有機物濃度約 0.7 ~ 0.8 mg/L。
在比較使用鋁鹽混凝劑去除溶解性有機物時，溶解性有機物的去 除效率與聚合鋁(Alb)含量有關(Yan et al., 2008a)，當混凝劑中聚合鋁 含量較高時，有較強的電性中和能力去除原水中溶解性有機物，因此 在加藥量小於 1.5 mg/L 時(pH 7 ~ 7.5 )，聚氯化鋁混凝劑有較佳的效 果，但聚氯化鋁在過量加藥後，殘餘溶解性有機物出現增加的趨勢。
而硫酸鋁在持續加藥下(pH 約 6)，此時混凝劑中的單體鋁(Ala)瞬間轉 化成聚合鋁(Alb) 能與溶解性有機物形成膠羽，因此硫酸鋁處理後比 聚氯化鋁具有較少的殘餘溶解性有機物，但硫酸鋁所形成之此種膠羽 沉降性並不佳(Yan et al., 2008b)。
使用聚矽酸鐵混凝去除原水中溶解性有機物的效能相當的穩 定，這是因為聚矽酸鐵混凝劑能藉有具有較大的分子量行吸附架橋作 用去除溶解性有機物，且在增加加藥量下溶解性有機物仍有下降的趨 勢(0.8 →0.7)。
綜合以上結果可知使用硫酸鋁在較高加藥量下(pH 6)可瞬間生成 聚合鋁(Alb)能與溶解性有機物形成膠羽，但是沉降性並不佳，只能藉 由過濾去除(Yan et al., 2008)。使用聚氯化鋁控制在電性中和點能得到 較少的溶解性有機物殘餘濃度。聚矽酸鐵能藉由吸附架橋作用去穩定
有機物，進而形成較大的聚集體後沉澱去除溶解性有機物且能避免孔 洞阻塞，因此混沉後上澄液過濾性較佳(如圖 4-34(c))。(Tran et al., 2006)
Dosage (mg/L)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
0 1 2 3 4 5 6
R es id u al D O C ( m g /L )
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
硫酸鋁 聚氯化鋁 聚矽酸鐵
(as Fe mg/L) (as Al mg/L)
圖 4-33 混凝劑種類不同加藥量下對殘餘溶解性有機物之影響
4-3-2-5 混凝劑種類對膠羽生成大小及殘餘濁度之關係
膠羽生長的結果將會影響在混沉處理過程中的效能，為了觀察混 凝劑種類生成膠羽大小之差異，在此使用光纖膠羽偵測儀(PDA)對硫 酸鋁、聚氯化鋁及聚矽酸鐵混凝劑在快混/慢混程序中的膠羽進行監 測，觀查最後測得慢混結束後膠羽大小及經沉澱後的殘餘濁度之關 係，實驗結果分別如圖 4-34(a)、(b)及(c)所示。圖 4-36(a)為使用硫酸
FI 值約為 0.20。而隨著加藥量的增加，FI 值有逐漸下降的趨勢，在 加藥量為 5 mg/L 時，FI 值約為 0.10，僅剩 1 ~ 1.5 mg/L 加藥量時的 一半，這是因為過量加藥後，導致膠羽聚集效果並不理想且同時與殘 餘濁度及混沉後上澄液過濾性相較下(如圖 4-34(a))，可知混沉後殘餘 濁度及上澄液之吸取時間指標皆隨過量加藥而變得不佳。
使用聚氯化鋁處理之 FI 值及殘餘濁度的結果(圖 4-34(b))，可知 最初加藥量為 0.5 mg/L 時，FI 值約為 0.25。隨後加藥量為 1 mg/L FI 值約為 0.38，增加至 5 mg/L 時，FI 值有略為下降的趨勢，約為 0.34。
同時比較混沉後殘餘濁度及吸取時間指標(如圖 4-32(b))，同樣出現隨 著 FI 值的下降，而導致殘餘濁度及吸取時間指標有略為增加趨勢。
由圖 4-34(c)可知使用聚矽酸鐵混凝劑處理低濁度高有機物原水之 FI 值及殘餘濁度皆相當的穩定， FI 值約為 0.36。而混沉後上澄液殘餘 濁度及過濾性也相當穩定。
綜合以上結果可知，膠羽聚集的情況將會影響顆粒去除的效果，
一般而言較小膠羽沉澱去除效果較差(Boller and Blaser, 1998)，而使用 硫酸鋁所產生的膠羽皆小於聚氯化鋁及聚矽酸鐵，且加藥量大於 1.5
一般而言較小膠羽沉澱去除效果較差(Boller and Blaser, 1998)，而使用 硫酸鋁所產生的膠羽皆小於聚氯化鋁及聚矽酸鐵，且加藥量大於 1.5