薄膜結垢現象與其預防方法

薄膜結垢之形成有兩大機制，即同相(homogeneous)結晶與異 相(hetergeneous)結晶（Pervov, 1991; Lee et al., 1999; Lee and Lee, 2000）；所謂同相結晶是陰離子與陽離子在水相中發生有效碰撞 形成結晶核，即為同相結晶，此結晶核若再與薄膜表面發生有效 碰撞，此結晶核可能沈積（precipitation）於薄膜表面，最後發展 成薄膜表面結垢現象；另一種是陰離子與陽離子在薄膜表面發生

有效碰撞，直接在薄膜表面形成結晶核，稱為異相結晶。因此有 效預防薄膜表面結垢可採取兩種途徑，一種是降低陽離子濃度，

減少陰離子與陽離子之碰撞機會，另一種是降低勻相結晶之結晶 核與薄膜表面之發生有效碰撞機會，即在勻相結晶核碰撞薄膜表 面之前，即消除其本身特性，使其不會沈積於薄膜表面。

當CO2溶解於水中後，會形成碳酸（H2CO3），碳酸於水中會 解離成HCO3-與CO3-2，碳酸於純水中解離，有兩個平衡常數（ka1

與k_a2），k_a1之平衡常數值為4.46 × 10^-7，k_a2之平衡常數值為4.48

× 10^-11，假設不考慮其他因數，碳酸在水中依不同pH 值解離出不

同濃度之HCO3-與CO3-2，以水中H2CO3、HCO3-、CO3-2之百分比

（H2CO3、HCO3-、CO3-2分別為分子，H2CO3 + HCO3- + CO3-2為分 母）為縱座標，與pH 值為橫座標，即可繪製成碳酸系統各物種在 不同pH 值下之百分組成如圖 2-1所示，當 pH 提高時，水中 HCO3-

與CO3-2之比例將增加。

前述厭氧系統具有高濃度之碳酸根，根據實務經驗，厭氧出 流水經曝氣後，因 CO2 之氣提作用（stripping），會提高水中之 pH 值，因此水中之金屬離子如鈣、鎂或鐵很容易與碳酸根反應，

形成碳酸金屬結晶核，而降低水中陽離子濃度，可減少異相結晶 之形成機會，因此只要能有效控制碳酸金屬結晶核與薄膜表面之

發生有效碰撞機會，即可達到結垢預防之功能。

文獻已揭露生物處理系統會產生 EPS，而其成分主要為多醣 體（polysaccharides）、蛋白質、脂質（lipids）與核酸（nucleic acids）

（Frølund et al., 1996; Bura et al. 1998; Mikkelsen and Keiding, 2002;

Sponza, 2002），其典型之螯合官能基為羧基、羥基、氨基（amines）、 硫基與酚基，可當成配位基（ligands）與重金屬錯合（Callander, and Barford, 1983），微生物與其 EPS 在中性 pH 值條件下，通常帶有 負電荷（Mozes and Rouxhet, 1990; Urbain et al., 1993），當水中有 多價金屬離子，可扮演微生物表面與 EPS 負電荷位置交互作用之 橋樑，此現象被稱為陽離子架橋作用（cation bridging）（Eriksson and Alm, 1991）。生物膠羽屬網狀結構體，主要由微生物細胞與 EPS 組成，當水中碳酸金屬結晶核形成後，生物膠羽可能藉由疏 水性作用、氫鍵鍵結、物理網除（physical enmeshment）及靜電力 等機制，將碳酸金屬結晶核捕捉進入生物膠羽網狀結構中，使其 失去與薄膜表面發生有效碰撞機會，此生物膠羽捕捉無機顆粒之 作用稱為生物膠凝作用（bioflocculation）（Eriksson and Alm, 1991）。

圖 2-1 碳酸系統在不同 pH 值下各物種之百分組成

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

pH

%［C］

H₂CO₃ HCO₃^- CO₃²

-pKa1 pKa2

綜合上述分析，預防薄膜結垢之方法可分成以下步驟來達成：

1. 利用氣提作用提高水中 pH，促使碳酸金屬結晶核形成，降 低水中陽離子濃度；

2. 利用微生物表面與 EPS 之負電荷與陽離子形成陽離子架橋 作用，再次降低水中陽離子濃度；

3. 利用生物膠羽之網狀結構，透過生物膠凝作用捕捉無機顆 粒，使其失去結垢之潛勢。