生物薄膜反應器介紹

一、

薄膜程式已廣泛用於處理飲用水，薄膜之種類以孔徑共分為四種，分別為微 過濾(Micro-filtration，MF)、超過濾(Ultra-filtration，UF)、奈米過濾(Nano-filtration，

NF)以及逆滲透(Reverse osmosis，RO)，其分類與其相關之參數應用如表 2-2。

表 2- 2 MBR 薄膜種類與其相關之參數應用

薄膜種類 孔徑範圍 薄膜操作壓力 薄膜之應用

微過濾

(Micro-filtration，MF) 0.1-3μm 10-100psi 細菌、懸浮固體 超過濾

(Ultra-filtration，UF) 0.005-0.1μm 5-150psi 病毒、細菌、懸浮固體 奈米過濾

(Nano-filtration，NF)

0.5nm-0.005

m 50-450psi 多價離子、病毒、細 菌、懸浮固體

逆滲透

(Reverse osmosis，RO) 0.5nm 80-1200psi 單價離子、多價離子、

病毒、細菌、懸浮固體 資料來源：研究者自行整理

二、 MBR 特性與優缺點

MBR 可使微生物有效被保留在反應槽內，而具有較長的 SRT，可助於活性 污泥濃度(mixed liquid suspended solid，MLSS)的提昇，(林秉豐 ，2006)。生長緩 慢的硝化菌能存活於反應槽內可提高硝化能力，而較長 SRT 下，微生物處於靜止 期及對數死亡期間，微生物會自我分解，使污泥產量減少及後續污泥處理成本。

較高 MLSS：

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因為 SRT 長，相對 MBR 的 MLSS 也比一般傳統活性污泥系統高出約 3 到 6 倍，在食微比的概念下，高 MLSS 代表對水質、水量的負荷越大，且能夠忍受並 分解一些對生物有害性物質。

較短水力停留時間(Hydraulic retention time ，HRT)：

MLSS 若高，微生物分解速率就快，因此只需較短 HRT 就能達到傳統活性 污泥系統的處理成效，甚至效果更好且處理設施之面積可縮小。

低污泥產生量：

在相似操作背景及有機負荷下，因 MBR 的操作之穩定性高，不受污泥膨化，

食微比低(羅芳婷，2013)，使其處理後之污泥產生量只 30-80%(林秉豐，2006)和 傳統活性污泥系統比較，污泥量及後續污泥處理成本較少。

處理效果良好且具有消毒的作用：

在經過 MBR 系統後，放流水質穩定且良好，並不會因為進流水質變動，而 使出流水質不穩定。薄膜孔徑小，能過濾掉大部分致病菌及大腸桿菌，具有消毒 的能力，因此 MBR 對於大腸桿菌此水質重要的指標微生物亦有優異的去除效果，

這同樣是傳統生物程式所無法達到的，因此利用薄膜過濾後之放流水可用來當做 回收水使用，達到水資源永續利用的目標。

生物多樣性：

因薄膜可有效的把微生物保留下來，讓反應槽內擁有各種不同種細菌，使系 統微生物多樣性，這也表示對水質變化負荷大，也能分解更多種類的污染物。

提升舊有傳統活性汙泥廠處理效率：

利用現有傳統活性污泥系統升級為 MBR 系統，在不需增加新設備前提下，

只需把終沉池轉為薄膜分離程式，節省佔地面積。

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三、MBR 薄膜模組形式

在不同的污水處理需求中，須針對處理量做膜組態的設計與規劃，為了有效的提 高處理量、因應膜組態的需求，因此，薄膜依照組態可以大致區分為二：平板式 膜組（Flat Membrane）與管狀式膜組（Tubular Membrane）。

平板式膜組（Flat Membrane）：

平板式薄膜模組分別由長方形的平面膜或圓板狀重疊而成，其組合方式類似 板式熱交換器或板框壓濾機，板模型式以 1mm 前後的間隔重疊，滲出水由每一 板組間流出(曾玉惠，2013)。平板式適用於小容量規模，其優點在於結構簡單、

牢固、可承受高壓力、性能穩定及拆裝容易；缺點則設置成本高、易阻塞不易清 洗、濃度極化嚴重及模堆積密度小，如圖 2-1 所示。

圖 2- 1 沉浸式平板式膜組示意圖(mschou,2006)

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管狀式膜組（Tubular Membrane）：

螺旋捲式(spiral wound module)

螺旋捲式模模組以數張平面式薄膜以同心圓方式捲成圓筒型，每層隔層都有 塑膠網或鐵絲網支撐(曾玉惠，2013)。螺旋捲式適用於大容量規模，其優點為結 構緊湊、價格便宜及模堆積密度大；其缺點為設計複雜、密封困難、易阻塞不易 清洗、不適合於高壓及濃度極度變化下操作，如圖 2-2 所示。

圖 2- 2 螺旋捲式膜組示意圖(Osada & Nakagawa ,1992)

管狀式(tubular module)

管狀式模組為薄膜覆於多孔隙管表面，進流水流經管柱中間流道，濾液通過 薄膜後由管壁外緣流出並將之收集，未能通過薄膜者，經由管柱末端流出形成濃 縮液。管狀式模組適用於中容量規模，其優點原水流動狀態好，壓力損失小，可 承受高壓力、易清洗更換(羅芳婷，2013)，且管狀式薄膜具有較大之通量孔徑可 處理高黏度或污泥含量較高之溶液；其缺點為設計成本高、管口密封較困難及模

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的堆積密度小，如圖 2-3 所示。

圖 2- 3 管狀式膜組示意圖(Osada & Nakagawa ,1992)

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中空纖維式(hollow fiber module)

中空纖維式薄膜與管狀式模組類似，但其內徑較小，內徑約 0.2~3 mm，每個 模組內約有數千至數百萬的中空纖維膜束置入圓管狀容器內，進流水流經管束中，

濾液透過薄膜後由外側圓筒收集(李權家，2006；曾玉惠，2013)。中空纖維式薄 膜適用於大容量規模，其優點不須支撐架、模堆積密度大及濃度極化可忽略；其 缺點於製造技術複雜且易阻塞不易清洗，如圖 2-4 所示 。

圖 2- 4 中空纖維式膜組示意圖(陳彥旻，2003) 四、 MBR 薄膜阻塞

MBR 在操作一段時間後，膠體粒子或生物膠羽的沉積會使薄膜發生堵塞現 象，並逐漸形成積垢。累積的生物膠羽會在薄膜表面形成所謂的動態膜(dynamic membrane)，而動態膜上的微生物會阻截、吸附與降解。當 MBR 曝氣時，在薄 膜表面產生的空氣-液體切線流，可能會去除動態膜。由於動態膜的成形是生物積

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垢造成的結果，故動態膜之去除、形成的重複過程，也可能減緩薄膜滲透性的損 失。根據顆粒的物化性質不同，被薄膜阻截的顆粒會在薄膜表面形成濾餅、阻塞 薄膜孔隙，或被吸附在薄膜表面或孔隙壁內。薄膜阻塞是薄膜生物反應槽操作和 設計上之一大重點，薄膜於反應槽中利用壓力進行過濾，在長時間操作下，薄膜 上因處於高濃度現象，造成 MLSS 或是膠體(Colloid)在薄膜上堆積形成濾餅層 (Cake Filtration Layer)、或是微小粒子(Particle)和膠體於進入薄膜孔洞累積造成阻 塞，而造成阻抗(Resistance)上升使流通量(Flux) 下降，如果系統無法正常運作，

薄膜需進行化學藥洗，甚至需更換新的薄膜，導致操作成本增加，也是薄膜阻塞 為 MBR 一大問題點，相對薄膜阻塞形成原因也相當複雜。

五、 MBR 化學清洗

當薄膜長時間操作下形成的阻塞利用如超音波、反沖洗、表面流洗(Flush)這 些物理性震動、水流剪力仍無法有效清除時，即需考慮使用化學藥洗，其搭配介 面活性劑可破壞阻塞物質與薄膜間的吸附力或修改阻塞物質濾餅層的特性來達 成有效的清洗。一般薄膜因其材質的不同，在化學清洗上有些限制，包括清洗劑 的選擇搭配、清洗劑濃度配比、清洗時間等，皆會影響清洗的效率，通常由薄膜 製造廠商配合薄膜材質來提供適當的清洗流程做清洗的動作，才不會造成薄膜性 質之變異或膜濾效能產生變化而使用壽命減短。而最常見的兩類清洗劑為稀酸及 稀鹼，例如檸檬酸、磷酸、鹽酸或含螯合基的 EDTA(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid) 等針對無機性的阻塞會比較有效，而氫氧化鈉、次氯酸鈉則對有機、生物 性的阻塞較有效。

六、

相對於傳統廢水生物處理系統，在 MBR 系統實際應用中，普遍也存在建造 成本較高、能耗較高和膜污染等問題。通過合理選擇曝氣及混合裝置、以及調整 設計操作參數等，預期可以降低能耗及增加薄膜使用期限，以突顯 MBR 系統的

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優點並增加其競爭力。

目前全世界運轉或興建中的 MBR 系統已超過 2,500 套。運轉中最大的 MBR 位於德國 Nordkanal 污水處理廠，設計最大處理量為 50,000m³/day；興建中最大 的 MBR 系統位於美國華盛頓州 Brightwater 污水處理廠，設計最大處理量為 144,000m³/day，已於 2010 年正式運轉，二者皆屬於生活污水回用的實例。

台灣目前已知最大的 MBR 裝置實績為 22,500 m³/day，其次為 20,000m³/day，

皆屬於工業廢水處理實績。而工業廢水因有政策上或環境影響評估上對水回收率 的要求，加上工業廢水水質成分複雜，處理難度較高，對於 MBR 的需求相對較 具急迫性。國內因應用水成本的增加及相關法令的日益嚴苛，既有工業廢水處理 廠必須減少廢水排放量，以降低廢水排放成本，甚至將廢水處理至回收用等級，

以減少用水成本。特別是針對增建空間不足的工廠，欲改建既有廢水處理效能以 達廢水回收用之目的，這也是 MBR 單元具有絕佳的發展優勢。

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