RO膜之阻塞種類與機制

由於目前國內各淡化廠之主要處理程序仍以RO 處理系統為主，且皆面 臨嚴重之膜阻塞問題，其造成系統之通量衰減、壓力增加，使得反洗頻率 須隨之提升，增加操作成本；此外，生物性阻塞更可能導致膜之腐蝕，因 此以下就常發生於RO 膜表面之阻塞種類進行探討，一般可將其分為顆粒性 及膠體性積垢、有機性阻塞、無機性阻塞及生物性阻塞。

顆粒性及膠體性積垢，一般包括有懸浮固體物及金屬膠體，如SiO₂、 Fe₂O₃、Al₂O₃等，一般而言，此類物質於MF、UF之過濾程序中，阻塞機制 為直接沉積於膜表面或進入薄膜孔洞之中，然由於RO膜之孔徑約小至 0.001 μm (小於 1000 MWCO)，因此顆粒及膠體性積垢之形成機制，主要以表面 沉澱或受其他具黏性有機質黏附為主。

關於有機性阻塞之相關研究，Dalvi et al. (2000)指出一般海水中之有機 物濃度約為2 ~ 4 mg/L，其中約 99%之溶解性有機物以腐植質為代表，一般 腐植質表面帶負電，且能與水分子產生氫鍵；因此其於水中相對地較為穩 定。然而對於暴露於水中的任何表面，腐植酸將先行形成單層吸附，但厚 度多小於50 μm，並達平衡，不至對膜造成不可逆傷害；然當流速過快或經 陽離子絮凝劑前處理，將導致腐植酸因過大之壓力降而凝結或於膜表面產 生濃度極化現象，因而影響通量及去除率(Winters, 1987)。

無機性阻塞即化學性積垢，主要因當水流經RO膜表面，滲透液不斷被 移除，同時濃縮液不斷濃縮，當濃縮液之鹽類濃度被濃縮至超過某限值，

則將產生鹽類沉澱析出，並於膜表面結垢，因此RO膜之無機性結垢主要受 濃縮水之濃縮倍率影響(Marwan et al., 1995; Al-Shammiri et al., 2005)。

Sheikholeslami & Ong (2003)指出經一階段RO膜後，其濃縮液濃度約可增加 2 倍，經二階段RO膜則可增至 4 ~ 5 倍。海水及鹹井水淡化廠之RO膜表面

最常見之無機結垢物包括有CaCO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4、CaF及SiO2等。

生物性阻塞，為近年來海水淡化之相關研究中備受關注之議題，相較 於其他無機性結垢與有機性阻塞對 RO 系統具有更大之影響(Sommariva et al., 2007)。相關研究如 Petrucci & Rosellini (2005)及 Abd El Aleemet et al.

(1998) 指出微生物具有增生的能力，並於代謝時分泌可造成嚴重薄膜阻塞 的代謝物，即胞外聚合物(excellular polymer substrate, EPS)，並於膜表形成 一層包含微生物細胞與代謝聚合物複合成的生物膜。Carnahan et al. (1995) 及Petrucci & Rosellini (2005)則說明造成生物性阻塞之微生物包括有細菌、

原生動物、藻類等；而生物膜之生成機制初步乃因水中有機質因帶負電性 而吸附於膜表面，而後微生物便逐漸黏附於其上，具活性之微生物將於表 面增生，並釋放其代謝物質，微生物持續累積成多層細胞，並嵌入其自身 產生之胞外聚合物中，最後發展為成熟具高族群密度的生物膜，基部之生 物膜則呈現厭氧狀態。

生物性阻塞之所以較其他類阻塞更受到重視，乃因為其除了能導致RO 膜的處理效能降低外，微生物代謝所產生之酸性物質，更可能導致薄膜被 腐蝕，特別是針對醋酸纖維膜(Flemming, 1997; Abd El Aleem et al., 1998;

Petrucci & Rosellini, 2005)，而具黏性之胞外聚合物，亦將增加膠體顆粒及 有機物於薄膜上黏附的機會。此外，Dudley & Darton (1996)更指出即使有 加氯前處理，然為保護RO膜，添加亞硫酸氫鈉(sodium bisulphite, SBS)除氯 後，雖匣式過濾前(除氯後)之微生物計數為零，RO進流水仍有微生物增生 之情形，此乃受到匣式過濾及管線再度污染所導致，微生物仍能於短時間

Petrucci & Rosellini, 2005)，不但微生物種與數量隨季節而改變，微生物之 生理特性如細胞膜之親疏水性、代謝狀況及成長與否皆受環境的變化而有 所改變，包括有溫度、pH、壓力與鹽度等(Munn, 2004)，因而導致生物性阻 塞之控制更加複雜。

Bereschenko et al.(2008)曾進行實廠 RO 序列之菌種分析，然而生物性 阻塞隨不同之進流水而改變，如淡水或海水。許多海水微生物之細胞顆粒 粒徑很小，如 Thermodiscus sp. (0.08 μm × 0.2 μm)及 Prochlorococcus sp. (直 徑0.6 μm) (Munn, 2004)，導致其極易通過 RO 系統之砂濾及微過濾(1 μm、

3 μm、5 μm)濾芯，因而進入 RO 系統。圖 2.1 指出微生物族群之發展將歷 經誘導期、對數累積期，而後達高原期(Flemming, 1997)，Byrne(2002)於其 試驗中微生物族群之對數成長期約發生於操作之起始5 天內，並於 40 天內 有緩慢且少量之增加，並於40 ~ 209 天呈現緩慢減少趨勢。顯示膜表面微 生物族群發展於起始操作數天內即可達高原期。

誘導期 (Induction)

對數累積期 (Log. Accumulation)

高原期 (Plateau)

time

圖2.1 RO膜表面微生物之生長曲線圖(Flemming, 1997)