第二章 文獻回顧
2.1 生物薄膜反應槽
2.1.1 生物薄膜反應槽之優缺點
生物薄膜反應器 (membrane bioreactor, MBR)是結合了生物處理與薄膜 分離之技術，其可取代膠凝池、沉澱池、過濾池與消毒池等傳統生物處理 單元，並在許多先進國家中已有不少應用。
MBR 系統是將薄膜置於傳統活性污泥反應槽中，反應槽內的活性汙泥 可對廢汙水進行生物降解，再配合薄膜系統，以達到良好之固液分離效果，
取代了傳統程序中沉澱池及砂濾池之功用，以減少土地面積的需求，並有 效地解決水中膠羽沉降性不良導致出流水水質不佳等問題，使放流水水質 符合水回收再利用的標準。
相對於傳統處理程序，MBR系統在操作上更為方便，但應用上仍會產 生薄膜積垢的問題，進而造成操作及使用成本的提高，因此如何選擇適當 的薄膜材料，並了解薄膜本身的性質與操作的特性，才能將MBR的效能提 升。
MBR 系 統 雖 然 俱 備 許 多 優 點 ， 但 最 為 人 所 詬 病 的 就 是 薄 膜 積 垢 (membrane fouling)的問題。當薄膜積垢的現象產生時，會使得系統中薄膜 產水通量 (membrane flux)衰減，或是透膜壓力 (trans-membrane pressure, TMP)增加，使得MBR系統在操作上清洗薄膜之次數增多，提高了操作及 維護成本，並縮短薄膜之使用壽命，大幅降低MBR系統的經濟效益。
2.1.2 MBR系統積垢之機制
1. 薄膜特性 (membrane characteristics)：包括薄膜製造材料、親疏水性 (hydrophilicity)、孔徑大小 (pore size)與其孔洞分佈、模組結構與型 態等。
2. 系統操作條件 (operating conditions)：包括水力停留時間 (hydraulic retention time, HRT)、污泥停留時間 (sludge retention time, SRT)、透 膜壓力、薄膜表面之掃流速度 (cross-flow velocity, CFV)等。
3. 反應槽中污泥特性 (biomass characteristics)：包括進流水的性質與濃 度 、 反 應 槽 中 污 泥 濃 度 、 膠 羽 結 構 與 尺 寸 大 小 、 胞 外 聚 合 物 (extracellular polymeric substances, EPS)等。
目前，在討論薄膜積垢現象時，都將其歸咎於單純的膜孔徑堵塞問題，
薄膜孔徑會因為積垢，導致其孔洞尺寸變小，造成過濾時的阻力增加，通 量因此減少。MBR 系統通常會選擇在次臨界通量條件下操作，目的是要避 免沉積物在薄膜表面上快速生成。但即使在次臨界通量 (sub-critical flux)的 條件下，經過一段時間操作後，TMP 仍會快速地增加。
Nagaoka et al., (1996a)指出：因為 EPS 在進流液中累積而導致黏滯性 增加的結果。但此學者在後續的研究中指出，TMP 快速上升是由於 EPS 沉
積在薄膜上，且積垢物被壓縮所導致的結果(Nagaoka et al. ,1996b)。有研究也發現 因為 EPS 在次臨界通量操作時會沉積在薄膜表面，造成一些薄膜孔洞被塞 住或縮小，導致局部通量 (local flux)大於整體的平均通量 (surface-average flux)，而產生類似 supra-critical flux的 TMP 快速上升(Cho and Fane, 2002)。
在MBR中，因為加入活性汙泥當作系統的一部分，所以探討薄膜積垢 的問題時，特別對於生物膜與生物積垢 (bio-fouling)這個部分會深入研究。
生物膜可以由單一種細菌組成，也可以由不同種細菌組成，其成份包 含有蛋白質、脂質、醣類、核酸、死活菌體等，稱為胞外聚合物 (extracellular polymeric substances, EPS)。菌類在形成生物膜的過程中，可以分泌單一種 EPS，例如：extra-polysaccharide，或是多種 EPS 所形成的混合物。
胞外聚合物主要負責： (submerged membrane bioreactor, SMBR)操作中，發現薄膜通量的下降係因 為薄膜表面形成一濃縮的生物膜，此生物膜主要由微生物細胞及微生物產 生物質，如：代謝產物及 EPS 所組成(Lim and Bai, 2003)。許多 MBR 的研究已確 認，EPS 為主要造成薄膜積垢的主要生物因子。並指出薄膜的積垢和 EPS 含量有其線性的關係(Chang and Lee, 1998)。
但在 EPS 的組成方面，由於不同研究使用的污泥來源不同，以及選擇 的萃取方法不同，使得各研究結果之 EPS 組成比例有所差異。不過各個研 究皆認為碳氫化合物為 EPS 的主要組成成份，特別是多醣類 (polysaccharide) 及蛋白質 (protein)，另外還有少部分的脂質 (lipid)、核酸 (nucleic acid)，
以及腐植物質 (humic compound)的存在(Bura et al., 1996)；這些物質會在薄膜表面 形成一層緻密且富有黏滯性之生物膜，並增加過濾時之總阻抗 (Rt)，此生 物膜因具有黏滯性，所以會使積垢越來越嚴重，加快薄膜積垢的速度。Lee et al., (2003) 研究指出在沉浸式 MBR 系統的生物性阻塞中，污泥膠羽的疏 水性 (hydrophobicity)、所帶表面電荷及微生物活性為評估生物性阻塞影響 的三大因子，而其受 EPS 的組成及特性影響，即 protein/carbohydrate ratio (P/C)較大。
2.1.3 延緩薄膜積垢之方法
為了延緩 MBR 系統中薄膜積垢的問題，許多文獻嘗試了不同的方法，
包括常見的物理或化學清洗 (physical or chemical cleaning)、薄膜特性最佳 化 (optimization of membrane characteristics)之分析、系統操作條件最佳化 (optimization of operating conditions)之研究、或是針對污泥特性馴養之修正
(Le-Clech et al., 2006)。 積垢 (reversible fouling)與 (2)不可逆積垢 (irreversible fouling)。
可逆積垢是表示薄膜表面累積之濾餅層，可藉由物理清洗的方式去除，
其去除之物質包括無機物質、有機物質，以及微生物，如：胞外聚合物。
而胞外聚合物在過濾時造成薄膜累積的阻抗值增加，主要以蛋白質與多醣 類所佔的比例最高(Lee et al., 2003)。同樣有文獻提出以不同清洗方法的應用，
Metzger et al., (2007)首先以清水沖洗 (rinse)方式，先去除黏附於薄膜表面並 且結構較為鬆散等物質，再以反沖洗方式將剩餘的物質與薄膜孔洞間之物 band, VB)，躍遷至能量較高之傳導帶 (conduction band, CB)，而產生一電子 電洞對 (electron-hole pair)，如圖2-1。位於價帶上所產生之電洞扮演氧化劑 的角色，水中有機污染物能直接和電洞進行氧化反應，或藉由電洞與水產 生之超氧自由基或雙氧水達到氧化污染物之效果；此外，還原反應同時能