研究架構、系統操作與參數分析

3-1 研究流程之規劃

本研究之架構，如圖3-1 所示，主要分三個階段進行，第一階 段決定研究議題、採樣地點及分析參數；第二階段則是在建立實驗 參數之分析方法，包括 NPDOC、分子量大小、螢光激發發射光譜、

同步掃描螢光光譜及紫外光吸收，同時調查實廠各項操作參數，如 加氯加量、混凝劑量、快濾床之濾料材質與深度、後臭氧劑量與 BAC 濾床之操作條件，藉以瞭解各單元對水體中有機物含量去除之 效率外，另藉有機物分子量大小和螢光激發發射光譜波峰特性測定 不同波長之吸收值變化，進而比較快濾床和活性碳濾床去除有機物 性質之差異性。

3-2 澄清湖及鳳山淨水處理廠之處理流程及規格

對於水廠之選擇，本研究選取南部兩個淨水廠，包括澄清湖及 山淨水廠，各水廠水源主要直接取自高屏溪攔河堰之地表水源，

鳯

但澄清湖淨水廠則是取自高屏溪攔河堰之地表水源，仍需在澄清湖 停留，再以取水幫浦抽至淨水廠。各水廠之處理單元整理如表3-1。

表3-1 各水廠處理之流程

淨水廠 處理流程

澄清湖(CCL) 澄清湖水→前臭氧→膠羽沉澱池→結晶軟化→

快濾池→後臭氧→生物活性碳濾床→加氯→清水 鳳山(FS) 鳳山水庫原水→加氯→膠凝沉澱池→結晶軟化→

快濾池→臭氧→生物活性碳濾床→加氯→清水

圖3-1 研究架構圖[0.22 m 之說明]

3-2-1 澄清湖淨水廠

澄清湖給水廠位於高雄縣鳥松鄉，民國29 年，由高屏溪抽水經曹公

圳將溪水引入澄清湖水庫，供應高雄獅甲一帶之工業用水。民國 41 年，

政府斥資整建、擴充供水設備，並完成水庫之檔水壩，將水庫改名為

「大貝湖」，並成立「台灣省高雄工業給水廠」，民國 54 年元月為配合 澄清樓之命名而將水庫更名為「澄清湖」及「台灣省澄清湖工業給水 廠」 (中華民國自來水協會，1980)。澄清湖淨水廠水源主要以高屏 溪攔河堰之地表水，擷取夢裡、九曲堂及大樹攔河堰從高屏溪上游 原水至澄清湖，不足部分由九曲堂抽取伏流水補充，經導水管將原水導 送至水庫蓄儲，仍需在澄清湖停留，再以取水幫浦抽至淨水廠，供應 大高雄地區的民生用水來源，澄清湖蓄水量為三百萬噸，約為澄清湖 淨水廠七天的處理量。本廠目前之設計淨水輛 450,000 CMD，最大 淨水量可達 540,000 CMD 各單元設計規格見表 3-2。

3-2-2 鳳山淨水廠

　　鳳山淨水廠水源主要分為民生用水及工業用水，民生用水水源 主要以高屏溪攔河堰抽水站抽取高屏溪水經昭明加壓站送至鳳山水 庫一期淨水場。民生用水設計出水量為 300,000 CMD，目前出水量 為 200,000 CMD，供水區域包括高雄市小港區、前鎮區及旗津區等 民生用水用戶。工業用水水源由港西抽水站抽取東港溪水，以二條 φ1,750 輸水幹管，送至鳳山水庫，再由水庫抽水站抽水送至二期淨 水場。工業用水設計出水量為 400,000 CMD 目前出水量為 300,000 CMD，供水區域包括高雄市臨海工業區含中鋼、台船及高雄縣林園、

大發等工業區工業用戶。各廠水處理流程見表 3-1，各單元設計之 規格見表 3-3。

表 3-2 澄清湖淨水廠各單元之設計規格 淨 水 處 理 單

元 單元設計說明

前 臭 氧 接 觸 池

平均日設計出水量：452,000 CMD

6 池，17.2 (m) × 3.9 (m) × 8.9 (m)

平均日接觸時間：6 min

快混池

平均日設計出水量：273,000 CMD

2 池，5.0 (m) × 5.0 (m)× 5.09 (m)

水躍式攪拌

設計接觸時間：40 sec

設計 G 值：250 sec^-1

快混池D

平均日設計出水量：140,000 CMD

2 池，3.2(m) × 3.0(m)× 3.6(m)

機械/水力攪拌

設計接觸時間：50 sec

快混池A

平均日設計出水量：60,000 CMD

2 池，2.6(m) × 2.6(m)× 4.1(m)

機械/水力攪拌

設計接觸時間：40 sec

膠沉池

平均日設計出水量：273,000 CMD

脈動式沉澱池

3 池，36(m)×21.1(m)× 5.7(m)

平均日停留時間：79 min

GT 值：21,500

沉降速度：6 (m/hr)

沉澱池D

平均日設計出水量：140,000 CMD

傾斜板沉澱池

8 池，35.0 (m) × 5.0(m)×3.6(m)

平均日停留時間：95 min

沉澱池A

平均日設計出水量：60,000 CMD

傳統式沉澱池

2 池，Φ36 (m)×3.4(m)

平均日停留時間：2.7 hr

結晶軟化槽

平均日設計出水量：405,000 CMD

8 池，4.8(m) ×4.8(m)× 6.0 (m)

平均停留時間：4~5min

操作流速：70~110 (m/hr)

快濾池

平均日設計出水量：405,000CMD

雙層濾料深層快濾池

14 池，15.0(m) × 9.6(m)× 5.0(m)

平均日濾速：206.4m/d

第一層無煙煤有效粒徑 1.2~1.5mm，深度 0.8m

第二層濾砂有效粒徑 0.5~0.6mm，深度 0.4m

第三層濾石有效粒徑 6.7~13.2mm，深度 0.1m

反洗水流速：40m/hr

反洗空氣流速：55m/hr

接觸時間：17 min 後 臭 氧 接 觸

池

平均日設計出水量：463,000CMD

6 池，22.6(m) × 5.6(m) × 7.4(m)

平均日接觸時間：12min

CT 值：1(mg．min/L)

生 物 活 性 碳 池

平均日設計出水量：463,000CMD

14 池，濾池尺寸 15.0(m) × 9.6(m)× 6.8(m)

平均日濾速：10m/hr

接觸時間：12 min

單 一 濾 料 活 性 碳 層 ， 深 度 2.8m ， 有 效 粒 徑 0.5~1.0mm

反沖洗水速率：25 m³/hr

反沖洗空氣速率：55 m³/hr 清水池

矩形 RC 構造一座

1 池，186m(L) ×83m(W)× 6.3(WD)× 7.0(H)

體積：97,000m³

表 3-3 鳳山淨水廠民生淨水各單元設計規格

淨水處理單元 單元設計說明

快混池

平均日設計出水量：261,340 CMD

2 池，5.0 (m)L × 5.3 (m)W× 4.7m (WD)

機械式攪拌

設計接觸時間：60 sec

平均日接觸時間：82.65 sec

設計 G 值：421 sec-1 膠羽池

平均日設計出水量：60,500 CMD

豎軸攪拌型式

6 池，7.8 (m)L × 7.8 (m)W× 3.5m (WD)

平均日停留時間：30.4 min

3 段 G 值：69.9 sec-1、57.1 sec-1、40.4 sec-1 沉澱池

平均日設計出水量：59,650 CMD

傾斜板沉澱池

5 池，25.0 (L)m x5.6 (W)m x 4.86 (WD)m

平均日停留時間：1.35 hr

平均日表面積負荷：86.4 CMD/m2 結晶軟化槽 平均日設計出水量：321,040 CMD

6 池，4.8 (m)L ×4.8 (m)W× 6.58m (WD)

平均日 E.B.C.T：4.13 min

快濾池

平均日設計出水量：305,510 CMD

雙層濾料深層快濾池

12 池，16.0 (m)L × 8.8 (m)W× 4.5m (WD)

平均日濾速：165.6 m/d

第一層無煙煤均勻係數：1.4，有效粒徑 1.0 mm，

厚度 0.6 m

第二層濾砂均勻係數：1.5，有效粒徑 0.5 mm，厚 度 0.4 m

反洗水流速：36.9 m/hr

反洗空氣流速：53.4 m/hr 臭氧接觸池

平均日設計出水量：305,510 CMD

4 池，11.75 m x9.0m x 6.05 m(WD)

平均日接觸時間：37.04 min（一池停用）

平 均 日 表 面 水 力 負 荷 ： 460.1 m3/h.m2 （ 一 池 停 用）

生物活性碳池

平均日設計出水量：300,806 CMD

14 池 ， 濾 池 尺 寸 15.0 m(L) × 9.3 m(W)× 4.95 (WD)× 6.8 (H)

平均日設計出水量：233,589 CMD

平均日濾速：6.08 m/hr

平均日 E.B.C.T：19.29 min

單一濾料活性碳層，有效粒徑 0.9 mm

活性碳的深度 1.60 m

4 池，16.0 (m)L × 8.8 (m)W× 4.95 (WD)× 6.8 (H)

平均日設計出水量：67,217 CMD

平均日濾速：6.06 m/hr

平均日 E.B.C.T：19.30 min

單一濾料活性碳層，有效粒徑 0.9 mm

活性碳的深度 1.60 m 清水池 矩形 RC 構造一座

2 池，100 m(L) ×80 m(W)× 3.8 (WD)× 4.0 (H)

體積：30,400m3

3-3 實驗參數分析 3-3-1 基本水質 3-3-1-1 pH

　　在水供應方面， pH 是一種必須和化學絮凝 (Chemical

coagulation)、消毒、軟化與腐蝕控制一起考慮之因素 (Sawyer et al., 1978)。依照環保署公告方法檢測水之氫離子濃度指數（pH 值）測定方法

－電極法。使用 pH 計(PC510, Eutech Instauments , Singapore)^進行水樣 pH 值測定

3-3-1-2 濁度

　　水樣之濁度(turbidity)是由於水中存在懸浮固體物、浮游生物及其他 細小之生物等所引起，在特定之條件下，比較水樣和標準濁度懸浮液對 特定光源散射光之強度，以測定水樣之濁度。本研究參考環保署NIEA W219.52C 以標準濁度懸浮液( Formazin Turbidity Stardand 4000 NTU, HACH, USA)配製成一系列濃度，進行濁度計 (2100P HACH, USA）之 校正，校正完成後再將水樣裝入樣品試管中，以進行濁度之測定，其單 位為NTU。

3-3-2 螢光激發發射光譜 EEFM (Excitation Emission Fluorescence Matrix, EEFM)

本研究以螢光光譜儀 (F-4500, Hitachi, Japan) 進行澄清湖和鳳山 結晶軟化/快濾床及後臭氧/生物活性碳濾床之螢光分析，取各濾床之 進出水水樣，經 0.22 µm 濾膜過濾，進行樣本之螢光分析時，設定 激發發射波長之掃描。分析前將實驗室之二段水柱於一公分之四面 透明石英比色管中，並置入樣品掃瞄，作為空白掃瞄，隨後取八分 滿過濾液進行樣本掃瞄，掃瞄後利用螢光圖譜分析軟體，將樣本圖 譜扣除空白背景圖譜後，得到樣本之螢光圖譜。該設備光源採用氙 燈作為光源，功率 150 W，偵測器採用光電倍增管，其功能除了傳 統單一波長掃描外，並具有三度位向測量 EEFM (excitation emission fluorescence matrix) 之功能，藉此功能可將激發及發射波長分別繪製 於 X 及 Y 軸上，並將螢光強度顯示於 Z 軸，依光柵寬度設定，可 產生大量之數據資料，儀器附屬分析 FL Solutions 軟體進行 3-D 圖 譜之繪製，爾後將其數據輸出轉成 EXCEL.CSV 檔，原本 Excel.csv

矩陣型之數據，經轉檔後變為直列型式數據並匯入 SURFER 後可繪 製出與 FL Solutions 軟體相同之圖譜，最後利用 SURFER 軟體將螢 光圖譜呈現出來，但使用 FL Solutions 軟體作為 EX/EM (Excitation/

Emission) 判讀效率較佳，故繪圖與圖譜之判讀為分開作業之方式。

表3-4 螢光光譜儀 (EEFM)之操作參數設定值

Parameter Value

Measurement type 3-D scan Data mode Fluorescence EX Start – End WL 200 - 400 nm EM Start – End WL 250 - 550 nm EX & EM Slit 10 nm

Scan speed 2400 nm/min PMT Voltage 700 V

3-3-3 非 揮 發 性 溶 解 性 有 機 碳 (non-purgable dissolved organic carbon,NPDOC)

將樣本以 0.22 及 0.45 μm 濾膜 (cellulose acetate, MFS, USA ) 過 濾，將濾液以磷酸 (H3PO4, Merck, Germany) 酸化至 pH < 2 後，裝入 棕色玻璃瓶中以 4 ℃ 冷藏保存。試驗時將棕色玻璃瓶取出至室溫後，

以高純氮氣曝氣約10 分鐘後，進行 DOC 之分析。將樣品以人工方 式放入 TOC 測定儀 (Multi N/C 3000,Analytik Jena AG, Germany) 之 吸取位置後，注入裝填有高感度觸媒(Lotix, Teledyne Tekmar, USA) 之高溫爐中，在 680 ℃ 下與氧氣反應生成 CO2 ，並藉載流氣體攜 帶 CO2 流經無機碳反應器及除濕、降溫與乾燥，最後 CO2 送至非 分散紅外線吸收偵檢器 (Non-dispersive Infrared Absorption Detector) 中並配合由一系列適當濃度之總碳(Total Carbon, TC) 標準溶液所得 之檢量線，而測定出水樣之 TC 即可得水中之 DOC 值，其單位為 mg/L。由於樣本在分析前，利用酸化及氣提方式先行去除無機碳之 步驟， 去除揮發性有機物(Purgeable organic matter)，因此本分析方 法所得之碳量稱為非揮發性溶解性有機碳。

3-3-4 分子量分析(Molecular Weight)

　　依Her et al. (2004)利用高效能液相層析儀 HPLC (L-7455, Hitachi, Japan)配合 DAD 偵檢器(Diode array detector)進行分子量之測定。移 動相(Mobile phase)為 2.4 mM NaH2PO4、1.6 mM Na2HPO4及25 mM Na2SO4混合成 pH 6.8 離子強度 100 mM 之磷酸緩衝液，流速為 0.5 mL/min。水樣以 0.45 μm 之濾膜(Mixed cellulose ester, Advantec MFS Inc., USA)過濾非水溶性物質後隨即分析。分析管柱安裝於外部尺寸 (W×D×H)：185 ×108 × 490 mm，烘箱尺寸：45 × 26 × 330 mm 恆溫 箱(CH-900, ChromTech, Taiwan) 內，固定溫度 30℃，溫度穩定性

±0.3℃，避免移動相因溫差所產生之氣泡干擾。DAD 偵檢器偵測波 長設定為210 nm，分析管柱為 TSK HW-55S(Tosoh, USA)，內徑、

長度分別為7.8 mm 及 300 mm，內部填物為 hydroxylated methacrylic polymer，粒徑及平均孔徑大小為 20－40 μm 與 125 Å，pH 穩定範圍 為2-13。為了得知樣本分子量分佈，以一系列已知分子量且分佈狹 窄之高分子聚合物作為標準品(polyethylene glycol, PEG, Sigma, USA)

作 為 標 準 品 ， 分 子 量 大 小 為

410,000、150,000、50,000、25,000、5,000、1000Da，將標準品以移 動相稀釋成適當濃度後，以150 μL 平頭微量注射針(Gasstight, USA) 抽取並注入體積為100 μL 之 Sample loop，由各標準品之 SEC 圖譜 可得其停留時間與分子量之線性關係式，如圖3-2 所示。

Retention Time (min)

0 10 20 30 40

Molecular Weight (Log Da)

0 2 4 6 8 10

log(M)=-5.503x + 41.122*Ve R=0.992

圖3-2 分子量與停滯時間關係圖

3-3-5 紫外光-可見光吸收光譜(UV Absorption Spectrometer)

測 定 UV-vis 時 ， 將 紫 外 光 及 可 見 光 譜 儀 （ U-2900, Hitachi, Japan）之波長範圍設定於 200-600 nm，測定前使用實驗室之超純水 置於一公分之石英比色管中，並置入樣品槽，進行儀器歸零校正之 步驟，隨後取約八分滿之水樣於一公分之石英比色管中，將其置入 樣品槽內，進行樣本分析，紫外光及可見光譜儀之操作條件如表 3-8。

表3-5 紫外光及可見光譜儀參數設定值

Rameter Value

Measurement type Wavelength scan

Data mode Abs

Start Wavelength 600 nm End Wavelength 200 nm Slit Width 1.5 nm Scan speed 400 nm/min

3-3-6 粒徑分析及表面電位測定

本研究利用界達電位分析儀(Zetasizer NanoZ, Malvern, U.K.)以 PCS (Photon correlation spectroscopy)法進行偵測溶液或懸浮液中顆粒 之擴散速率，利用兩束雷射光束交叉於量測管內之靜止層(Stationary layer)，使其產生干涉條紋(Interference fringe)。樣品粒子在干涉條紋 中移動時所產生之散射光，經由PM (Photo-multiplier)管收集後，以 其強弱及變化速率，準確偵測出粒子之電泳速度，再計算出其界達 電位值，本設備可量測之電位大小屬於沒有限制，即可測定之粒徑 大小範圍0.3 nm ~ 10 m。界達電位其偵測原理為在充滿待測水樣之 量測管兩側施以適當之電壓，利用電場之作用，樣品中粒子向其相 反極性之方向移動，產生電泳速度 (Electrophoretic Mobility)。所偵 測出之電泳速度，再以 Henry function 換算成界達電位。其算式如 下：

μ_E=2 εzf (ka)

3_η ……….(3-1) Z：界達電位

μE：電泳速度 (Electrophoretic Mobility) η：黏滯係數 (Viscosity)

f(ka)：Henry function 亨利函數

ε ：電解常數 (Dielectric Constant)

界 達 電 位 分 析 儀(Zetasizer NanoZ, Malvern, U.K.) 是 以 PCS (Photon correlation spectroscopy)亦可進行顆粒粒徑之量測，在偵測懸 浮液中顆粒之擴散速率，利用兩束雷射光束交叉於量測管內之靜止 層(Stationary layer)，接收到偏離原行進方向的雷射光，當粒子較小 時，雷射光偏離的角度就會較小，反之，粒子較大時，就會產生較 大的偏離角度，再透過算式(3-) 計算成粒徑大小，即可測定之粒徑 大小範圍0.3 nm ~ 10 m。

d_h= K_BT

3 π η₀D ……….………..……(3-2)

dh (nm)：水力直徑

Kb(J/K)：a constant of Boltzmann 波茲曼常數 T(K)：溫度

η

^{0 (CP)：樣品黏度}

D(m²/s)：擴散係數

在文檔中 大仁科技大學環境管理研究所 碩士學位論文 結晶軟化 (頁 42-53)