薄膜生物反應槽之形式

目前薄膜生物反應槽使用之薄膜以微過濾膜與超過濾膜為主（Sutton, 2003），MBR依反應槽與薄膜之配置型式可分成兩種，第一種稱為 沈浸式MBR（submerged MBR），薄膜置於反應槽中，以抽真空方式 出水（Chiemchaisri et al, 1993; Yamamoto et al., 1989）；沈浸式MBR 近來已朝簡單化與降低能源消耗方向發展，但因使用低透膜壓力

（transmembrane pressure, TMP），故其通量較低，且若MLSS濃度太 高，易導致嚴重之積垢問題（Seung and Krishna, 2003）。第二種稱為 外掛式MBR（sidestream MBR），薄膜置於反應槽外，依靠迴流泵浦 將微生物混合液抽送至薄膜模組，對薄膜而言，外掛式MBR是一個 正壓系統，微生物混合液在迴流泵浦抽送過程，於薄膜表面形成很高 之掃流速度（cross flow velocity, CFV）（Urbain et al., 1996; Trouve et al., 1994），雖然迴流泵浦需要較高之操作動力，但相對外掛式MBR

可維持較高之通量。外掛式MBR需有高的液相掃流速度（典型為3-5 m/sec）與較高的操作壓力（典型為280-400 kPa），相對於外掛式MBR 而言，沈浸式MBR之操作壓力低與較低之橫流速度，沈浸式MBR典 型之操作壓力為28-56 kPa（Sutton, 2003），外掛式MBR由於迴流泵 浦剪力的關係，致使生物膠羽破碎成更細顆粒，這些顆粒更易於沈積

在薄膜表面成為更緊密之餅層，致使過膜阻力增加（Choo and Lee, 1998）。在掃流過濾（cross-flow filtration）中，迴流泵浦提昇剪力（shear force），導致生物膠羽破碎，而產生細小膠體與細胞，而形成緻密之 餅層於薄膜表面（Wisniewski and Grasmick, 1998; Kim et al., 2001）。

根據Wisniewski et al.（2000）的實驗顯示，膠羽破碎後所形成之顆粒，

其主要粒徑在2 μm左右；一般在沈浸式MBR，膠羽大小介於20～40 μm之間，大於外掛式MBR顆粒粒徑7-8 μm（Zhang et al., 1997）。Chang et al.（2001b）指出膠羽破碎後，膠羽內部之EPS裸露，並增加水中

SMP濃度，導致嚴重積垢問題。

MBR依其微生物功能可分為好氧MBR與厭氧MBR，好氧MBR是結合 薄膜過濾與好氧生物反應槽，大部分好氧MBR應用於都市污水處理 均屬沈浸式，在工業廢水之應用上，則較常用外掛式（Benitez et al., 1995）。曝氣系統是好氧MBR非常重要之設計技術（Gander et al.

2000），生物反應槽之高度與好氧MBR之橫流速度與氧傳效率有關

（Kishino et al., 1996）。好氧MBR之操作成本高於傳統活性污泥法，

對外掛式MBR而言，20～50 ％之動力用於曝氣，其餘用於迴流泵 浦，而在沈浸式MBR系統中，大部分用於曝氣操作。

厭氧MBR結合薄膜過濾與厭氧生物反應槽，厭氧MBR之優點在於省

MBR，主要應用於高濃度之工業廢水（Nagano et al. 1992; Anderson et al. 1996; Choo and Lee 1998; Fakhrularzi and Noor 1999; Ince et al.

2000; Lee et al. 2001），如酒精蒸餾工業廢水（Choo and Lee, 1996）

與啤酒廢水（Strohwald et al., 1992）。Seung and Krishna（2003）利 用MF（microfiltration）組成的外掛式好氧MBR與厭氧MBR，以都市 廢水初沈池之出流水進行平行試驗，他們實驗結果顯示，兩系統在相 同操作條件下，溶解性COD之去除功能相同，但好氧MBR之薄膜表 面顆粒沈積率（solid deposition rate）高於厭氧MBR。

因為厭氧微生物之增殖率低於好氧微生物，因此厭氧系統必須保有一 個較長之SRT，以滿足厭氧微生物之較低的增殖率（Lettinga, 1995），

因此將微生物有效截留於系統中，是厭氧技術最重要之觀念，而薄膜 過濾可有效截留微生物，能促進厭氧處理系統之功能（Anderson et al., 1986b; Nagano et al., 1992）；由於厭氧微生物之可擴散性與絲狀特性

（diffusible and filamentous nature）（Elmaleh and Abdelmoummi 1998），因此厭氧MBR比好氧MBR更能展現薄膜過濾之優點。

Fuchs et al.（2003）指出因為厭氧MBR對微生物之良好截留效果，致 使植種與增殖之微生物可完全保留於厭氧系統中，且微生物不需顆粒 化，使得厭氧MBR得以縮短厭氧系統之起動時間，實驗顯示厭氧MBR 可以提昇COD之去除功能，並能快速穩定的提昇體積負荷，並在厭氧

MBR超負荷之後，可以快速恢復穩定的功能。Fuchs et al.（2003）更 指出厭氧MBR適用於處理含多量生物分解速度緩慢的顆粒之複雜廢 水。

許多研究結果顯示，薄膜特性已被認為是造成厭氧MBR薄膜積垢的 主要原因之一（Imasaka et al., 1989），在厭氧MBR系統中，除有機 性積垢物之外，無機性沈積物亦是一種積垢物，尤其是如磷酸銨鎂

（struvite, MgNH4PO4.6H2O）（Choo and Lee, 1996a）。一般而言，

厭氧MBR具有比好氧MBR高之薄膜阻力，主要原因是厭氧MBR有較 高的體積負荷、較多之微細膠體與無機沈澱物（Chang et al. 2002）。

Harada et al.（1994）發現厭氧MBR會累積溶解性物質，而造成薄膜 積垢。好氧MBR之積垢物主要來自於胞外高分子物質（extracellular polymeric substances, EPS)和其他微生物產物，厭氧系統之積垢會因無 機結垢物（scalants），如磷酸銨鎂而增加（Choo and Lee 1996a）。

在厭氧MBR處理高濃度工業廢水之操作中，發現無機沈澱物與生物 膠體是薄膜積垢之主要因素，厭氧MBR在處理含鎂廢水時，很容易 形成磷酸銨鎂沈澱物而沈積在薄膜表面，更加強化生物固體物所形成 餅層之強度，造成更嚴重的積垢問題，在厭氧代謝過程，水中粒徑 0.5–10 μm之膠體比生物膠羽與溶解性有機物更容易形成餅層阻力

無機沈澱物與膠體已知是厭氧MBR最主要之積垢物質，Choo et al.

（2000）使用高分子有機膜與陶瓷無機膜厭氧MBR，探討多種控制 薄膜積垢的方法，他們實驗結果證實，以酸性廢水反飼經過薄膜模 組，於薄膜孔洞周圍形成酸性環境，可抑制磷酸銨鎂產生，沸石與透 析（dialysis/zeolite）結合的生物反應槽，可減緩磷酸銨鎂產生，其效 果陶瓷無機膜優於高分子有機膜；而在添加粉末活性碳（PAC）於生 物處理槽中，可控制有機物與膠體於高分子有機膜表面沈積，透過 PAC對溶解性有機物之吸附或（與）對膠體物質之混凝作用，而減低 餅層阻力。經由聚丙烯（polypropylene, PP）表面改質，使其表面更 具親水性，亦可降低薄膜積垢現象。Aquino and Stuckey（2004）指 出厭氧系統出流水之COD有82～98 ％是由SMP所造成，當有毒性物 質存在時，SMP濃度會提高。