本研究之模廠混凝試驗主要欲探討不同快混攪拌強度(G 及 t 值)及混凝加藥 組合下，各種濁度天然濁水之混沉除濁效能及混凝膠羽特性的變化。文獻研究，
在不同原水濁度下，不僅混凝劑加藥量會影響顆粒聚集的型態，當水中顆粒越多 時，膠羽的生成量及生長速率亦隨之增加，而顆粒比重增加時，其形成之膠羽更
易於沉澱(高，1978)，所以水中濁度顆粒數量也可能影響混凝膠羽生長的形式。由於
有多種因素可能影響膠羽生長特性，而在各原水濁度及不同混凝加藥組合下，應 有個別適用的快混攪拌強度，故本研究混凝試驗即欲探討，混凝處理不同濁度的 天然濁水時，調整快混 G 及 t 值對膠羽生長特性的影響，並比較不同混凝加藥組 合下，膠羽之粒徑及碎形維度與混沉濁度去除效率的相關性。以下將各別詳述不 同天然濁水濁度條件下，調整快混 G 及 t 值對各混凝加藥組合之膠羽生長特性及 混沉除濁效能的影響。
4-1 天然濁水水質特性
本研究試驗期間之天然濁水水質條件如表 2 所示，因試驗採用之天然濁水為 林內淨水場原水，其水源主要來自濁水溪，因此原水濁度隨季節變化明顯，濁度 範圍約為 50~600 NTU，除了春季枯水期的原水濁度低於 100 NTU 以外，其它季 節時原水皆為濁度高於 100 NTU 的高濁水，且雨季發生暴雨時甚至會造成原水濁 度突增至 500 NTU 以上，但原水 pH 值(約為 7.8~8.2)、鹼度(約為 142 mg/L as CaCO3)及 DOC 濃度(約為 0.7~1.1 mg/L)之變化則較小，而天然濁水中雖顆粒多，
且水色深呈現深灰色，但顆粒特性較為穩定，其平均粒徑約 7.8 μm (如圖 7 所示)，
而顆粒表面界達電位約為-19 mV，整體而言水質呈現高濁度、高鹼度及高 pH 值 的特性。
圖7 本研究採用之天然濁水 表2 天然濁水水質特性
水樣
水質項目 低濁水 高濁水
pH 8.1 ±0.1 8.0 ±0.1 濁度 (NTU) 54.1 ±21.4 277.8 ±168.0 DOC (mg/L) 0.7 ±0.1 1.0 ±0.2
鹼度
(mg/L as CaCO3) 141.7 ±2.5 141.7 ±2.1 顆粒界達電位
(mV) -18.9 ±0.4 -19.9 ±1.3 顆粒平均粒徑
(µm) 7.8 ±0.4 7.9 ±0.3 ※採樣期間：2012 年 9~11 月及 2013 年 5 月 (高濁水)
2013 年 1~3 月 (低濁水)
4-2 混凝加藥組合對混凝膠羽生長特性之影響
不同混凝劑加藥組合的水解反應差異，可能對混凝膠羽生成特性造成影響，
而混凝膠羽生長特性與混沉除濁效能具有相關性，為了使添加的混凝劑充分發揮 對濁度顆粒去穩定的作用，混凝時需考量混凝劑的適用條件，因此以下分三節討 論單獨 PACl 加藥及 PACl 搭配助凝劑(PolyDADMAC)加藥，以及 PACl 搭配 FeCl3 加藥混凝，各別探討三種混凝加藥組合在固定的快混延時(t=15 sec)條件下，增加 快混強度對混凝膠羽粒徑及碎形維度的影響，並評估膠羽影像 RGB 標準偏差值 與膠羽粒徑的相關性，以了解不同混凝加藥組合之混沉除濁效能及其對混凝膠羽 生長特性之影響，其詳細實驗結果如下所述。
4-2.1 單獨 PACl 加藥混凝
調整快混強度對水中顆粒聚集方式的影響，可能會因不同原水濁度而有程度 上的差異，在高濁水的條件下，水中顆粒數越多，膠羽的生成量及生長速率隨之 增加，當顆粒比重增加時，其形成之膠羽更易於沉澱(高，1978)，而低濁水因水中膠 體數量少，在混凝時顆粒碰撞機率低，需提高快混 G 值以增加顆粒碰撞機率，較 能有利膠羽生成(黃，2010)。因此，本研究分別在天然濁水為高濁水及低濁水的條件 下，以相同的 PACl 加藥量(1.0 mg/L as Al)進行混凝試驗，其混凝膠羽粒徑、碎形 維度值及混沉上澄液殘餘濁度如圖 8 所示，當原水濁度高達 234.4 NTU 時，增加 快混強度對顆粒聚集效率影響不大，其混凝膠羽的碎形維度值低(Df < 2.10)，膠 羽呈現鬆散結構且粒徑皆小於 50 μm，因此混沉上澄液殘餘濁度並未隨快混 G 值 增加而有明顯變化。而當原水濁度在 83.3 NTU 時，其混凝膠羽碎形維度值較高(Df
> 2.25)，且膠羽粒徑皆大於 100 μm，並隨快混 G 值增加而有粒徑增大的趨勢，
當快混 G 值提高至 650 s-1以上時，混沉上澄液殘餘濁度可明顯降低，此種膠羽生 長特性明顯異於高濁水時的情況，主因濁度低時，水中濁度顆粒數較少，增加快 混強度有利水中顆粒聚集效率提昇，當顆粒經由顆粒-聚集體(particle-cluster aggregation)模式聚集時，水中小顆粒有機會進入聚集體內部，可形成密實的膠羽
而不易因混凝攪拌過程發生破碎，故低濁水之膠羽粒徑明顯大於高濁水混凝生成 0907高濁: 234.4 NTU
Velocity gradient (s-1)
350 650 1000 1350
Residual turbidit y (NTU )
0
raw water turbidity : 234.4 NTU raw water turbidity : 83.3 NTU
Fractal
raw water turbidity : 234.4 NTU raw water turbidity : 83.3 NTU turbidity
s-1)下，高濁度(298.7 NTU)原水經 15 sec 的快混後，水中顆粒聚集速率快，其顆 粒在慢混階段的前 240 sec 內快速聚集生長，當膠羽成長至一定粒徑(約 50 μm)之 後聚集生長速率則趨於平緩，而低濁度(55.9 NTU)原水在混凝過程中顆粒聚集速 率則相對較為緩慢，在慢混階段的前 240 sec 內水中顆粒緩慢聚集，而後微小膠 羽逐漸聚集，使水中膠羽粒徑快速增大，經過 20 min 的慢混階段後膠羽粒徑可達 到約 130 μm。此瓶杯試驗結果與文獻研究成果相似，因濁度高之原水所含顆粒數 多，在混凝過程中顆粒碰撞效率高，使其顆粒聚集速度快，容易形成聚集體-聚集 體(cluster-cluster aggregation)的聚集模式，初始形成之聚集體相互聚集而快速生成
膠羽(Lin et al., 2008)
，而低濁度原水則因水中顆粒數較少，混凝過程中顆粒經由顆粒-聚集體(particle-cluster aggregation)的模式聚集，緩慢的聚集過程使小顆粒有機會 進入聚集體內部，並逐漸生長為大膠羽，故不同濁度原水條件下混凝膠羽粒徑有 如此顯著之差異。
但此瓶杯試驗混凝膠羽之碎形維度與前述圖 8 的模廠混凝試驗結果不同，此 試驗結果以高濁水混凝所生成的膠羽碎形維度較高，依文獻研究指出，膠羽經過 長時間破碎並再聚集之後所生成的膠羽，其膠羽碎形維度值明顯高於破碎時間短 的條件下所生成的膠羽，因此膠羽的生成過程經過破碎及再聚集的生長型態有利 於使其結構更加密實(Wang et al., 2009)，而瓶杯試驗的混凝膠羽生長過程中，膠羽持續 增大並沒有發生破碎及再聚集，所以其膠羽結構鬆散而碎形維度值較低，僅高濁 水混凝的條件下，膠羽在快速聚集生長到一定程度之後，膠羽生長速率趨緩，而 經過長時間的結構重組，使其生成膠羽的結構變得更密實，因此其碎形維度高於 低濁水混凝生成的膠羽。
Time (sec) d
50siz e ( m)
0 20 40 60 80 100 120 140
raw water turbidity：55.9 NTU raw water turbidity：298.7 NTU
Time (sec)
0 200 400 600 800 1000 1200
Frac ta l di men sio n (D
f)
0.0 0.5 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
rapid mixing : 15 sec flocculation : 20 min
圖9 連續式監測瓶杯試驗混凝過程之膠羽粒徑及碎形維度 (快混時間：15 sec；慢混時間：20 min)
4-2.2 PACl 搭配 PolyDADMAC 加藥混凝
前述混凝試驗結果顯示使用 PACl 加藥混凝時，在原水濁度低的條件下，增 加快混強度有利提昇水中顆粒聚集效率，且對混凝膠羽生成特性影響甚大。但在 不同混凝加藥組合下，調整快混強度對水中顆粒之聚集效率的影響程度不同，例 如採用混凝劑搭配助凝劑進行混凝，會使得顆粒聚集速度加快，而影響生成膠羽 的粒徑及結構(Wei et al., 2009; Yu et al., 2006)，故針對不同混凝加藥組合，需要考量調整快 混強度以達適合顆粒聚集的條件。因此本研究進一步探討快混強度在 100~1800 s-1 範圍內時，以 PACl 搭配助凝劑(PolyDADMAC)加藥混凝對膠羽生長特性之影響，
其混凝膠羽之粒徑、碎形維度值及混沉上澄液殘餘濁度如圖 10 所示，當快混強 度由 100 s-1增至 650 s-1時，混凝膠羽粒徑逐漸增加並達到最大值(162 μm)，但持 續增加快混強度至超過 650 s-1時，混凝膠羽粒徑減小，而此時膠羽碎形維度(Df >
2.35)達到最大，且混沉上澄液殘餘濁度可明顯降低，但快混強度增加至 1800 s-1 時將 造 成混 沉 上澄 液 殘 餘 濁度 再升 高 。由 試 驗結 果顯 示 ，使 用 PACl 搭配 PolyDADMAC 加藥混凝時，當快混強度大於一特定值後，其膠羽的粒徑會明顯 減小。據文獻研究結果指出，助凝劑添加於水中，隨著快混強度之增加，混凝膠 羽破碎程度會明顯上升(Kim et al., 2006; Libecki, 2011)，因試驗添加的陽離子助凝劑 (PolyDADMAC)在增加快混強度的條件下，膠羽發生破碎與再聚集，雖使得膠羽 粒徑減小，但再聚集之後的膠羽結構更加密實，致使膠羽碎形維度會隨快混強度 增加而有上升之趨勢，而結構密實的膠羽有利沉降，可使混沉上澄液殘餘濁度明 顯下降但過高的快混強度(G= 1800 s-1)仍可能影響顆粒的聚集，不利於膠羽沉降，
顯示 PACl 搭配添加 PolyDADMAC 混凝時，適度增加快混強度(G= 650~1350 s-1) 可提高水中顆粒的聚集效率，有利生成結構密實的膠羽，同時可降低混沉上澄液 殘餘濁度，因此膠羽特性對混沉除濁效能的影響，主要與膠羽密實度及沉降性較 具相關性，並非單以膠羽粒徑越大者表示除濁效果最佳(Wang et al., 2011; He et al., 2012)
。
d50 size
Velocity gradient (s-1)
d 50 size ( m)
0130 Al+polymer= 0.5+0.1
100 350 650 1000 1350 1800
raw water turbidity : 65.6 NTU
Residual (PACl dosage: 0.5 mg/L as Al; PolyDADMAC dosage: 0.1 mg/L)
4-2.3 PACl 搭配 FeCl
3加藥混凝度，此結果顯示 PACl 搭配添加 FeCl3混凝，在快混強度足以使混凝劑均勻分散至 濁度顆粒表面的條件下，調整快混 G 值對膠羽生長特性並無直接地顯著影響，不 過增加快混強度可提高混凝劑對顆粒的去穩定程度，仍有利提高混沉除濁效能。
d50 size
Velocity gradient (s
-1) d 50 size ( m)
0130 Al+polymer= 0.5+0.1
100 350 650 1000 1350 1800
Turbidity removal efficiency
F racta l dim ens ion ( D
f) Fractal dimension
raw water turbidity : 55.8 NTU
Res idual turb idity (N TU )
同，透過膠羽影像色彩分析儀(FICA)監測慢混水樣之三原色(RGB)值，由 RGB 值 之標準偏差可判斷膠羽生長狀況，當 RGB 三個值相對差距變大時，混凝膠羽粒的條件下，其慢混膠羽粒徑皆大於 80 μm，當膠羽粒徑增大時，水樣之 RGB 標準 偏差值亦隨之增加，不過在高濁水(234.4 NTU)的情況下，混凝膠羽粒徑小，但其 膠羽影像 RGB 值標準偏差卻明顯大於低濁水混凝所生成的膠羽，且其 RGB 標準 偏差值並未隨膠羽粒徑改變而有相同的變化趨勢。此試驗結果之差異，係由於高 濁水所含的砂石顆粒多，膠羽含有大量深灰色的顆粒會造成其 RGB 標準偏差值 受干擾，導致混凝處理高濁水時，無法直接由膠羽影像 RGB 標準偏差值直接分 析膠羽的粒徑變化。而圖(b)是由 PACl 搭配 PolyDADMAC 加藥進行混凝，其膠 羽影像 RGB 標準偏差值隨著膠羽粒徑增大而增高，但圖(c)PACl 搭配 FeCl3加藥
的條件下，其慢混膠羽粒徑皆大於 80 μm，當膠羽粒徑增大時，水樣之 RGB 標準 偏差值亦隨之增加，不過在高濁水(234.4 NTU)的情況下，混凝膠羽粒徑小，但其 膠羽影像 RGB 值標準偏差卻明顯大於低濁水混凝所生成的膠羽，且其 RGB 標準 偏差值並未隨膠羽粒徑改變而有相同的變化趨勢。此試驗結果之差異，係由於高 濁水所含的砂石顆粒多，膠羽含有大量深灰色的顆粒會造成其 RGB 標準偏差值 受干擾，導致混凝處理高濁水時，無法直接由膠羽影像 RGB 標準偏差值直接分 析膠羽的粒徑變化。而圖(b)是由 PACl 搭配 PolyDADMAC 加藥進行混凝，其膠 羽影像 RGB 標準偏差值隨著膠羽粒徑增大而增高，但圖(c)PACl 搭配 FeCl3加藥