第五章 厭氧與兼氧微生物薄膜系統結晶預防研究
5.1 薄膜配置方式對防止結垢之影響
兩組好氧MBR系統起始之通量均設定為14 L/m2-hr，COD介於1500～
2500 mg/L之間，pH介於6.8～7.2之間，曝氣後因除去CO2，故兩組 MBR之pH值均升高至8.2-8.5，整個試程兩組MBR之薄膜透過液之 COD濃度維持在50～100 mg/L之間。MBR操作70小時後，開始添加 CaCl2，不同進料Ca濃度下，薄膜透過液之Ca濃度變化如圖 5-1所示，
進流水Ca離子濃度介於50～350 mg/L 之間，薄膜透過液的Ca濃度隨 進流水濃度度增加而增加，但兩個MBR系統之薄膜透過液的Ca濃度 相近，維持在20～80 mg/L as Ca，表示兩種配置之好氧MBR其去除 Ca之效能相當。
薄膜透過液在不同累積時間下可計算出不同間隔時間之平均Flux，並 從微壓計之量測可獲得當時之TMP，兩個MBR系統不同操作時間 下， 薄膜通量與TMP之變化如圖 5-2所示，圖 5-2 (a)為internal membrane system 之薄膜通量與TMP隨時間之變化，當系統未加 CaCl2之前，其Flux與TMP維持穩定，但加入CaCl2之後，薄膜之過濾 特性呈現兩階段不同之變化，由圖 5-2(a)顯示，當CaCl2加入後，其 TMP隨即由7 kPa開始緩慢增加至20 kPa，而Flux則由14 L/m2-hr緩慢 下降11 L/m2-hr；而後薄膜之TMP在短時間內陡升至50 kPa，Flux則急
速縮減至4 L/m2-hr，依前70小時之薄膜過濾特性，TMP之擴增如此迅 速，應屬薄膜表面產生無機物結垢的現象。圖 5-2 (b)為external membrane system 之薄膜通量與TMP隨時間之變化情形，當系統加 CaCl2之後，其TMP維持穩定，但Flux有微幅降低之趨勢。由於 internal membrane system之薄膜通量由14 L/m2-hr下降至4 L/m2-hr，薄膜通量 衰減超過70 ％以上，需進行化學清洗。
文獻證實同相結晶與異相結晶是薄膜結垢之兩大機制（Pervov, 1991;
Lee et al., 1999; Lee and Lee, 2000）；兼氧槽曝氣過程，一直氣提CO2， 導致pH上升，同時也增加水中碳酸根（CO3-2）之濃度，因此在曝氣 攪拌中，CO3-2 與Ca+2碰撞即產生CaCO3結晶。若CO3-2 與Ca+2在薄膜 表面發生碰撞，則較溶液產生異相結晶於薄膜上，最後發展成薄膜表 面結垢現象；若CO3-2 與Ca+2在水相中碰撞，即形成同相結晶之結晶 核，若此結晶核有機會與薄膜表面發生碰撞，此結晶核就可能沈積
（precipitation）於薄膜表面，最後發展成薄膜表面結垢現象，因此有 效預防薄膜表面結垢可採取兩種途徑，一種是降低鈣離子濃度，減少 CO3-2 與Ca+2碰撞之碰撞機會，另一種是降低CaCO3結晶核與薄膜表 面之碰撞機會，即在CaCO3結晶核碰撞薄膜表面之前即消除其結晶特 性，使其不會沈積於薄膜表面。
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Influent Ca+2 (mg/L) Permeate Ca+2 (mg/L
internal system external system
薄膜透過液之Ca(II)濃度 (mg/L)
圖 5-1 不同進料 Ca 濃度下薄膜透過液之 Ca 濃度變化
0
Operation time (hrs) Permeate flux (L/m2 -hr)
0
Adding CaCl2
0
Operation time (hrs) Permeate flux (L/m2 -hr)
0
Adding CaCl2
13.8 12.6
(a)
(b)
圖 5-2 兩種 MBR 系統在不同操作時間下薄膜通量與 TMP 之變化 (a) internal membrane system, (b) external membrane system
在internal membrane system中，反應區與薄膜裝置區在同一個槽體 中，而薄膜裝置區之Sparging gas之曝氣強度遠高於反應區供氧所需 之曝氣強度，因此在internal membrane system中形成強勁之內循環水 流，造成CaCO3結晶核尚未完全與生物膠羽充分碰撞，被吸附包埋於 生物膠羽結構之前，即進入薄膜裝置區，而有機會與薄膜表面發生碰 撞。在external membrane system其反應區與薄膜裝置區分置成完全獨 立之兩個槽，CO3-2 與Ca+2碰撞產生之CaCO3結晶核，在反應區中有 較長之滯留時間，使其能與生物膠羽充分碰撞而被捕捉，而失去結晶 的特性，使得external membrane system較internal membrane system具 有較強防垢功能之主因。