第四章 結果與討論
4.3 前處理方式對薄膜通量之影響
4.3.2 混凝/膠凝前處理對薄膜通量之影響
4.3.2.1 混凝/膠凝前處理對通量改善之因素探討
由上述兩不同淨水場之實驗結果可發現反沖洗水經混凝/膠凝後 直接薄膜微過濾並不一定有利於薄膜通量之改善，因此接下來將嘗試 藉由分析(1)混凝/膠凝後直接薄膜微過濾過濾水 DOC 和 UV254去除率 (2)混凝/膠凝後顆粒粒徑分佈變化(3)混凝/膠凝後顆粒界達電位變化 (4)混凝/膠凝後膠羽結構變化，並與薄膜通量相對照，找出導致薄膜 通量增加或不利於薄膜通量增加之原因。
1.DOC 與 UV254對薄膜通量之影響
過去許多文獻已指出，混凝前處理能夠減少天然有機物之含量，
降低因天然有機物所造成之薄膜有機積垢(Jang et al., 2005)。故本實驗將藉 由量測混凝/膠凝後薄膜微過濾對 DOC 和 UV254去除率，判斷是否因 有機積垢減少而導致薄膜通量上升。
圖4-15、4-16 分別代表新竹第一淨水場與東興淨水場之反沖洗水 經混凝/膠凝後直接薄膜微過濾之 DOC、UV254去除率。圖 4-15 結果 可發現，混凝/膠凝後直接薄膜微過濾對新竹第一淨水場反沖洗水之 DOC 與 UV254之去除率無明顯改善，對 DOC 和 UV254去除率均小於 10%，代表溶解性有機物絕大部分都皆通過薄膜，僅少部分會吸附在 薄膜上，造成薄膜之有機積垢。而觀察圖 4-16 亦可發現相同結果，
混凝/膠凝後過濾對東興淨水場反沖洗水之 DOC 和 UV254去除率與直 接過濾並無太大差別，對 DOC 和 UV254去除率均位於 15%左右，同 樣代表大部分之溶解性有機物會通過薄膜，僅少部分吸附於薄膜上。
造成上述現象主要原因在於兩股反沖洗水之 SUVA 值皆小於 2(新竹 第一淨水場 SUVA：1.78 ；東興淨水場 SUVA：1.16)，故水中有機物 之構成多屬親水性、低分子量之小分子，此類有機物並不易藉由混凝
作用去除(A.T.Pikkarainen et al.,2004)。而 Kimura et al.(2005)的研究指出對於一 些低分子量之有機物種如多醣類、蛋白質所造成之薄膜不可逆積垢，
前混凝處理將無法有效改善此現象。因此，對此兩股反沖洗水而言，
混凝/膠凝前處理之所以改變薄膜通量並非是因減緩薄膜有機積垢所 致。
Removal(%)
0 20 40 60 80 100
DOC UV254
0 mg/L 0.5 mg/L 1.0 mg/L 2.5 mg/L 5.0 mg/L 10 mg/L
Removal(%)
0 20 40 60 80 100
DOC UV254
0 mg/L 0.5 mg/L 1.0 mg/L 2.5 mg/L 5.0 mg/L 10 mg/L
圖 4-15 新竹第一淨水場反沖洗水混凝/膠凝後直接薄膜微過濾之 DOC、UV254去除率(a)0.5 µm 及 (b) 1.0 µm
(a)
(b)
0 mg/L 0.5 mg/L 1.0 mg/L 2.5 mg/L 5.0 mg/L 10 mg/L
Removal(%)
0 20 40 60 80 100
DOC UV254
Removal(%)
0 20 40 60 80 100
DOC UV254
0 mg/L 0.5 mg/L 1.0 mg/L 2.5 mg/L 5.0 mg/L 10 mg/L
圖 4-16 東興淨水場反沖洗水混凝/膠凝後直接薄膜微過濾之 DOC、UV254去除率(a)0.5 µm 及(b) 1.0 µm
(a)
(b)
2.顆粒粒徑大小對薄膜通量之影響 根據Carman-Kozeny Equation(4.1 式)可知濾餅比阻抗(α)與沈澱顆粒 直徑(dp)成反比關係，代表當顆粒越大時，於薄膜表面所形成之濾餅
Particle Size (um)
Particle Size (nm)
10 100 1000 10000
Volume(%)
圖 4-18 代表東興淨水場之反沖洗水於不同加藥量下經混凝/膠凝 後其粒徑大小變化情形。圖 4-18 結果發現，隨著加藥量之增加其粒 徑亦隨之增加，當加入5 mg/L 之混凝劑混凝/膠凝後，其微米級顆粒 粒徑將由未加藥前之55 µm 放大至加藥後的 125 µm，放大了 110%，
而次微米級顆粒粒徑將由620 nm 成長至 700 nm，但若對照薄膜通量 結果後(圖 4-14)，可發現不論使用何種加藥量進行混凝/膠凝對於孔徑 0.5 µm 或 1.0 µm 之薄膜通量提升效果相當有限，而不同大小之膠羽 對於過濾通量並無明顯差別，其結果似乎並不符合 Carman-Kozeny Equation(4.1 式)之描述。推測其原因可能在於(1)顆粒放大幅度不明 顯；由圖 4-18 可知東興淨水場之反沖洗水之原始粒徑為 55 µm，當 分別加入0.2 mg/L、0.5 mg/L、1.5 mg/L、2.5 mg/L、5.0 mg/L 之混凝 劑混凝/膠凝後，其粒徑分別放大為 56 µm、60 µm、68 µm、79 µm、
125 µm，放大幅度為 0.5%~110%，可發現不同加藥量下所形成之膠 羽大小並無明顯之差別，且最大也僅放大 110%，反觀新竹第一淨水 場之反沖洗水經各個加藥量混凝/膠凝後，其顆粒粒徑放大幅度位於 210%~800%間，故造成其過薄膜通量有較明顯之差別。(2)粒徑大小 並非決定薄膜通量之唯一因素，其餘影響因素將於下述幾小點分別討 論。
Particle Size (um)
Particle Size (nm)
10 100 1000 10000
Volume(%)
3.顆粒界達電位對薄膜通量之影響 薄膜表面形成的濾餅之比阻抗(specific cake resistance)將較「沈澱網 除」機制下所形成之膠羽來的小(Lee et al, 2000；Pikkarainen et al.,2004)。
0 mg/L 0.5 mg/L 1.0 mg/L 2.5 mg/L 5.0 mg/L 10 mg/L Avg.J/J0
0.00 Zeta potential
圖4-19 新竹第一淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝/膠凝後 薄膜平均相對通量與快混後界達電位之關係
圖 4-20 為東興淨水場之反沖洗水在不同加藥量下，快混後界達 膜表面上並在薄膜表面形成一高黏滯度之膠凝層（flocculant layer），
造成薄膜之水力阻抗增加。(Nguyen and Ripperger, 2002)
Avg.J/J0
0.000 Zeta potential
0 mg/L 0.2 mg/L 0.5 mg/L 1.5 mg/L 2.5 mg/L 5.0 mg/L
圖 4-20 東興淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝/膠凝後薄膜平
4.膠羽結構對薄膜通量之影響
影響薄膜過濾之通量的因子除水中顆粒大小、混凝/膠凝機制 外，混凝/膠凝程序所產生之膠羽密度、形狀及強度等相關性質亦扮 演極重要之因子。膠羽之幾何構造具有高度的不規則性及無次序之排 列狀態，除光學照像表示外，很難去描述與定量。而1983 年 Mandelbrot 提出所謂碎形理論(fractal theory)，利用數學模式來描述天然界及工程 系統中具有不定形、不規則態的結構。
此後即有許多學者應用此理論來進行膠羽結構之描述與相關研 究；其中，碎形維度(fractal dimension, Df)便是最常用來描述碎形幾何 物理量的參數，可用來表示生成膠羽的緻密程度。Df通常介於1 ~ 3 之間，Df= 3 表示該碎形結構體為顆粒以最密堆積方式堆疊成的實心 圓球結構體，Df 值越趨近 3 代表該膠羽結構較緊實，形狀接近於球 型；而 Df = 1 則表示是由顆粒凝聚而成之碎形結構體，僅形成一線 性結構的排列，Df值越小則表示該結構較為鬆散，形狀接近於線狀。
(甘，1999)
圖4-21 為新竹第一淨水場之反沖洗水於不同 PACl 加藥量下經混 凝/膠凝後膠羽碎型維度與薄膜平均相對通量之關係。由圖 4-21 可看 出水樣中膠羽碎型維度越低時，其通過薄膜之平均相對通量越高，代 表膠羽結構越鬆散時(接近一維線性)，其於薄膜表面所形成之濾餅透 水性越高。Cho et al.(2006)之研究同樣指出碎型維度越低，其膠羽結 構將越鬆散，此時薄膜表面之濾餅將有較低之水力阻抗。
Avg.J/J0
Fractual Dimension
0 mg/L 0.5 mg/L 1.0 mg/L 2.5 mg/L 5.0 mg/L 10 mg/L 0.2~2.5mg/L 時，其膠羽碎型維度變化並不如新竹第一淨水場之反沖 洗水來的明顯，因此各個加藥量間之薄膜通量差異並不太明顯，而加
Avg.J/J0
Fractal Dimension
0 mg/L 0.2 mg/L 0.5 mg/L 1.0 mg/L 2.5 mg/L 5.0 mg/L
圖4-22 東興淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝/膠凝後之碎型 維度與薄膜平均相對通量與之關係
5.混凝/膠凝前處理對薄膜過濾機制影響
在一定壓之 MF 過濾系統中，其過濾程序可依序分為三階段(1) 薄膜之阻抗限制階段(membrane resistance-limited process)：此階段只 發生在薄膜過濾開始極短時間內，此時過濾之阻抗主要來自於薄膜本 身(2) 孔 洞 阻 塞 之 阻 抗 限 制 階 段 (pore blocking resistance-limited process):當水樣中的顆粒開始沈積在薄膜表面上時，便進入此階段；
此時，由於大量之顆粒沈積於薄膜表面上或進入薄膜孔道中，將使的 薄膜通量於短時間內快速衰減(3)濾餅形成之阻抗限制階段(cake formation resistance-limited process)：隨著過濾之進行，將有越來越多 之顆粒累積於薄膜表面，最後形成濾餅，此時薄膜通量之限制因子為 濾餅阻抗，而在此階段薄膜通量之衰減相當緩慢。(Wiesner et al., 1992)
Lim and Bai(2003)使用三種不同之模式來模擬上述三種過濾機 制，其特性方程式如表 4-10 所示。表中 J0 代表薄膜之初始通量
(m3/m2-hr)，J 代表薄膜過濾廢水時之通量(m3/m2-hr)，Km、Kp、Kc則
Model Constant pressure Membrane-limited J J Kmt
將有較佳之薄膜通量。另外，由表 4-12 則可看出東興淨水場之反沖 洗水經混凝/膠凝後，對於孔徑 0.5 µm 和 1.0 µm 之 MF 薄膜而言，
其薄膜孔洞阻塞之阻抗僅有小幅度的減少，因此若和圖 4-14 對照可 發現於此階段(孔洞阻塞之阻抗限制階段；約累積體積 150 mL 之前)，
其通量衰減幅度僅有少幅度之改善，其中孔徑 0.5 µm 薄膜改善情形 又優於孔徑 1.0 µm 薄膜；而在濾餅阻抗方面，可發現有無混凝/膠凝 前處理似乎對於濾餅之阻抗無明顯改變。