本研究之架構如圖 1 所示，主要欲探討混凝程序中，調整快混攪拌強度(G、
t 值)及混凝加藥組合對天然濁水混沉除濁效能及膠羽生長特性之影響，藉由混凝 膠羽之粒徑及碎形維度評估快混攪拌強度(G 及 t 值)如何交互影響混凝顆粒去穩 定成效。
本研究混凝試驗引用林內淨水場之天然濁水，以最大處理量 100 CMD 的模 廠進行連續式的混凝操作，並分批次在高濁度(>100 NTU)及低濁度(< 100 NTU) 的天然濁水條件下進行混凝試驗。由於考量 FeCl3加藥後產生深褐色氧化鐵顆粒 可能造成色度的問題，故本研究未單獨以 FeCl3加藥進行試驗，而單獨添加鋁系 混凝劑可能發生混沉上澄液殘餘鋁量過高的問題，故本研究另以 PACl 搭配 FeCl3 或助凝劑的加藥組合進行混凝試驗，並比較其與單獨 PACl 加藥之混沉除濁效能 的差異，因此本研究混凝劑加藥組合分別為單獨 PACl (1.0 mg/L as Al)加藥，以及 降 低 鋁 系 混 凝 劑 添 加 量 ， 採 取 PACl (0.5 mg/L as Al) 搭 配 高 分 子 聚 合 物 PolyDADMAC (0.1 mg/L)加藥混凝，及 PACl (0.5 mg/L as Al)搭配 FeCl3 (0.5 mg/L as Fe)加藥混凝。在各種混凝加藥組合下調整快混強度分別在 G 值為 100 s-1、350 s-1、650 s-1、1000 s-1、1350 s-1、1800 s-1，以及 t 值為 15 sec、60 sec 的條件下進 行混凝試驗，並以膠羽影像色彩分析系統(FICA)連續進行慢混水樣膠羽影像 RGB 值的分析，並計算 RGB 三個值的標準偏差，同時批次式採集慢混水樣至實驗室 以小角度雷射光散射粒徑分析儀(Mastersizer 2000, Malvern, UK)分析混凝膠羽特 性(粒徑、碎形維度)，並觀察膠羽影像 RGB 標準偏差值與混凝膠羽粒徑之相關 性，另外再由實驗室瓶杯混凝試驗，連續式量測不同濁度天然濁水在混凝過程的 膠羽粒徑及碎形維度變化，藉以觀察混凝過程的顆粒聚集方式。最後綜合模廠各 混凝加藥組合之試驗結果，同時比較各組合之混沉上澄液殘餘濁度，用以評估調 整快混攪拌強度(G 及 t 值)對不同濁度天然濁水混沉除濁成效之影響。
評估不同混凝加藥組合下 快混攪拌強度(G及t值)如何 交互影響混凝顆粒去穩定成效
慢混膠羽 特性分析
(批次式、連續式)
混沉上澄液 特性分析 碎 形 維 度
膠 羽 粒 徑
膠羽影像RGB值
天然濁水
(林內淨水場)
模廠混凝
PACl + 氯化鐵(FeCl
3)
試驗快混強度及時間
G值：100 ~ 1800 s
-1t值：15、60 sec
低濁度(< 100 NTU)
高濁度(>100 NTU)
殘 餘 濁 度
PACl + PolyDADMAC
聚氯化鋁(PACl)
圖1 研究架構
3-1 模廠設備及處理流程
本研究模廠設置於林內淨水場，模廠設計之最大處理水量為 100 CMD，所有 淨水單元與儀表監控設備放置於 2 個 20 呎貨櫃內，處理程序為國內淨水場最多 使用之傳統處理程序，原水經原水採樣槽、快混槽、慢混槽、沉澱槽，最後經快 濾槽完成處理，各處理單元及程序控制(如圖 2 至圖 4)概述如下：
(1)原水槽及原水採樣槽
原水槽可調節原水流量並穩定水質，槽體體積設計為 1.55 m3(長 1 m × 寬 1 m
× 高 1.55 m)，槽內設置水位計以控制原水槽內水量，使進水維持一定流量。原 水以連續式將部分原水抽入採樣槽內，經 pH 計(DPC1R1A, Hach)、溫度計 (DPC1R1A, Hach)及原水濁度計(SS7 sc, Hach)等線上量測儀器，即時監測原水水 質變化。
(2)快混槽及混凝劑
快混槽體積為 0.0218 m3(長 0.25 m × 寬 0.25 m × 高 0.35 m)，水體體積為 0.0175 m3(長 0.25 m × 寬 0.25 m × 高 0.28 m)，依原水流量控制調整快混時間約 為 15~60 秒。快混攪拌槳設計為模擬實場之三刃螺旋槳，攪拌機以垂直軸向轉動，
具備轉速調整功能(0 ~ 500 rpm)以達所需 G 值。本研究混凝藥劑皆取自林內場實 場用藥，其中聚氯化鋁混凝劑原液濃度為 10% Al2O3(含單體鋁 38.6%、聚合鋁 10.6%及顆粒鋁 50.8%)，而氯化鐵混凝劑及 PolyDADMAC 濃度分別為 38% FeCl3 及 10%，將其經過適量稀釋後作為模廠混凝劑用藥，並以蠕動幫浦進行定量加藥。
(3)慢混槽
慢混槽體體積為 1.9 m3(長 1 m × 寬 1 m × 高 1.9 m)，水體體積為 1.7 m3(長 0.98 m × 寬 0.98 m × 高 1.77 m)，最短攪拌時間約為 26 min，攪拌機和快混槽相 同以垂直軸向轉動，亦具備轉速調整功能以達所需 G 值，模廠參考實場三段式慢 混平均 Gt 值範圍(6×104~105)，設定慢混 Gt 值約為 67000，並在慢混出水處以蠕 動幫浦抽取水樣至 FICA 系統，同步監測膠羽影像之 RGB 值。
(4)沉澱槽
沉澱槽體體積為 6.36 m3(長 3.3 m × 寬 1.07 m × 高 1.8 m)，水體體積為 5.3 m3(長 3.28 m × 寬 1.05 m × 高 1.54 m)，最短水力停留時間約為 81 min，表面溢 流率約為 29 m3/m2-day，採重力式沉澱，槽內設有傾斜板，進水由下往上流，出 水端經溢流堰匯集流至重力式快濾池，其間設置線上濁度計(1720E, Hach)監測沉 澱出水濁度。沉澱槽底污泥以重力方式匯集至排泥溝槽，再以重力式批次排放。
(5)過濾槽
過濾槽體體積為 1.3 m3(長 0.9 m × 寬 0.85 m × 高 1.7 m)，水體體積為 1.16 m3(長 0.88 m × 寬 0.83 m × 高 1.59 m)，採重力式過濾，濾料為石英砂(濾層厚 80 cm，有效粒徑為 0.8 ~ 0.9 mm、均勻係數小於 1.5、比重為 2.55~2.65)，並設定固 定濾池水頭損失以定期自動進行反沖洗。
原水槽及原水採樣槽 快混槽及慢混槽
沉澱槽 重力式快濾槽
圖2 模廠處理單元
圖3 模廠外觀
三刃螺旋槳
調節槽
3-2 混凝膠羽生長特性分析
(1)粒徑
膠 羽 粒 徑 的 分 析 係 取 慢 混 水 樣 使 用 小 角 度 雷 射 光 散 射 粒 徑 分 析 儀 (Mastersizer 2000, Malvern, UK)量測之，其偵測原理乃利用氦氖紅光雷射配合藍 光雷射穿過一組反傅立葉鏡頭再透過水樣中之顆粒，經過多角度偵測器量測出粒 徑分佈範圍，其適用顆粒濃度較高之水樣且可測得粒徑範圍介於0.02 ~ 2,000 μm 之間。量測裝置如圖 5 所示，試驗中以蠕動幫浦為驅動力，水樣經軟管抽入儀器 光感測區測量其顆粒粒徑，進樣流量等速維持在 30 mL/min。
透過各快混條件下之慢混水樣粒徑測量，分析其膠羽在不同快混強度下的膠 羽生長情形，並取其粒徑分佈50%的粒徑值(d50)代表各水樣之膠羽平均粒徑，由 各慢混水樣膠羽平均粒徑評估其對混沉上澄液殘餘濁度的影響，了解模廠混凝膠 羽生長情況與混沉除濁效能的相關性。
Malvern
慢混水樣
Mastersizer 2000
圖5 膠羽粒徑分析裝置
(2)碎形維度
膠羽的碎形維度(fractal dimension, Df)同樣採用前述膠羽粒徑分析裝置之小 角度雷射光散射粒徑分析儀(Mastersizer 2000, Malvern, UK)進行量測。該儀器在 不同角度間(0.01°至 40.6°之間)具有光感測器，光感器可檢測經光束照射後樣品 的散射光，膠羽之碎形維度可利用該儀器之量測數據搭配公式求得，而碎形維度 範圍介於 1 ~ 3 之間，若 Df值愈大表示膠羽形狀越接近於球形(Df = 3)，結構緊密 而完整；反之則表示膠羽結構越鬆散，形狀越接近於線狀(Df = 1)，故膠羽碎形維 度可作為評估其沉降性之參考。
碎形維度之計算方法為一經驗公式，假設氦氖雷射通過水樣時，其測定總散 射光強度為 I，n 為流體之折射率，λ 為雷射光於真空下之波長，則散射波長之無 因次係數為 Q (如式 2)，且 I 與 Q 之關係為
I Q
Df，碎形維度(Df)即可由 logI 與 logQ 圖形之斜率的負值求得，其中 Q 之範圍須介於 10-3至 4.5×10-4之間求得之D
f較具正確性(Lin et al, 1989)。
sin / 2 Q 4 n
(式 2)
(3)膠羽影像 RGB
本研究中使用的膠羽影像色彩分析裝置(floc image colorimetric analyzer, FICA)係為中央大學環工所秦靜如老師研究室所發展之非接觸式光學監測混凝系 統技術，應用於膠羽影像監測裝置量測慢混膠羽影像之三原色(RGB)值，以分析 模廠混凝膠羽聚集特性之變化。FICA 系統由影像擷取系統與光學影像色彩模式 分析系統組成，其中影像擷取系統裝置於一密閉的箱中以避免外來光源干擾，其 設備包含攝影機、石英觀測視窗、LED 平面背光模組、以及影像擷取電腦，裝置 如圖 6 所示。慢混水樣由重力方式經過石英管，藉由攝影機鏡頭擷取畫面後，利 用 LabView 程式進行影像分析水樣 RGB 值之統計運算。膠羽影像色彩分析系統 的原理是利用混凝過程中，隨著膠羽生長的情況，慢混水樣產生色彩變化，由於
三原色光波長及能量強度不同，當膠羽生成時，藉由影像分析軟體偵測膠羽影像 的色彩三原色(RGB)值，因背光模組投射之部分光源會被石英管中的膠羽吸收或 反射，此造成 Red、Green 及 Blue 三個讀值的差異，故以膠羽影像之 RGB 標準 偏差值可作為評估混凝膠羽生長狀況的依據。
Flocculation
Light source
Quarts tube
Web camera
Record and analyze data Gravitational
flow
圖6 膠羽影像色彩分析(FICA)監測系統之裝置
3-3 模廠混凝試驗
模廠混凝試驗採用傳統淨水混凝處理流程，並於各淨水單元裝置自動化監控 系統，因此混凝過程中原水濁度、慢混膠羽影像 RGB 值、沉澱槽及快濾槽之殘 餘濁度皆會連續監測並記錄，不過膠羽粒徑及碎形維度仍需自行批次式採集慢混 水樣，以小角度雷射光散射粒徑分析儀(Mastersizer 2000, Malvern, UK)進行量 測。本研究混凝試驗分別在低濁度(<100 NTU)及高濁度(>100 NTU)之天然濁水條 件下，各別採取單獨 PACl 加藥、PACl 搭配 PolyDADMAC 加藥及 PACl 搭配 FeCl3 的混凝加藥組合，並調整不同快混強度(G=100~1800 s-1)及快混時間(t=15 sec 及 60 sec)，其中快混 t 值為 15 sec 的條件下，單獨 PACl 混凝加藥測試之混沉及過濾效 能監測記錄如附錄 A 所示，而 PACl 搭配 PolyDADMAC 加藥混凝之連續監測記 錄則摘錄於附錄 B 中。
然而模廠混凝試驗中快混 t 值係透過調整原水流量所控制，為求在原水流量 改變時仍能有一致的沉澱時間，因此本研究在快混 t 值為 15 sec、60 sec 的條件下，
皆直接由慢混槽取膠羽水樣，將 2 L 的水樣置於瓶杯試驗的方型杯中，經過相同 沉澱時間(90 min)後，取液面下 10 cm 之水樣以濁度計(2100P Turbidimeter, HACH) 直接進行殘餘濁度量測，而在各快混強度下，三種混凝加藥組合之混沉上澄液殘 餘濁度皆以此方式測得，藉由殘餘濁度評估快混攪拌強度(G 及 t 值)對不同濁度 天然濁水之顆粒去穩定成效的影響。
為了連續觀察混凝過程中，不同濁度天然濁水之顆粒聚集情況，本研究採取 瓶杯混凝試驗，同時連續式量測混凝過程中顆粒之粒徑及碎形維度。瓶杯混凝試 驗採用林內淨水場之天然濁水，分別為高濁度(298.7 NTU)及低濁度(55.9 NTU)之 天然濁水，各別以方形之瓶杯容器盛裝 2 L 之天然濁水，並置於瓶杯試驗機 (PB900, Phipps & Birds, USA)中均勻攪拌一分鐘，使水樣維持懸浮的狀態，隨後 添加 PACl (1.0 mg/L as Al)，並進行快混強度為 650 s-1、快混時間為 15 sec，慢混 強度為 25 s-1、慢混時間為 20 min 的瓶杯混凝試驗，為了能夠連續觀察顆粒聚集
及膠羽的生長特性，試驗中以蠕動幫浦為驅動力，在快混階段之前即將混凝水樣 經軟管抽入小角度雷射光散射粒徑分析儀中，採非侵入式的方式，測量混凝過程
及膠羽的生長特性，試驗中以蠕動幫浦為驅動力，在快混階段之前即將混凝水樣 經軟管抽入小角度雷射光散射粒徑分析儀中，採非侵入式的方式，測量混凝過程