行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
飲用水中背景有機物特性及處理技術之研究
Char acter istics and Tr eatments of NOM in Dr inking Water
計畫編號：90-2211-E-002-047
執行期限：90年8月1日至91年7月31日
主 持 人：王根樹 國立台灣大學公共衛生學系
摘要 本研究選取六個不同原水特性水廠之原水為對象， 進行強化混凝實驗，由傅立葉紅外線光譜分析、UV 光譜測定、三鹵甲烷生成潛能（THMFP）及水中溶解 性有機碳（DOC）之分析測定探討原水、清水中有機 物的特性並探討水廠對有機物處理效率。試驗結果顯 示混凝處理主要去除水中高分子量之腐植質。在部份 情形下，經 DOC 之濃度標準化後，清水之三鹵甲烷 生成潛能可能高於原水之三鹵甲烷生成潛能。但 DOC 之去除未必代表 THMFP 之去除；經混凝處理留下之 低分子量親水性有機質亦為主要 THMFP 之來源，水 廠必須去除低分子量之親水性有機物才能有效降低 THM 之生成；此時必須採用臭氧或 UV/H2O2等高級 氧化程序（AOP）方可達到目的。FTIR 圖譜顯示臭 氧、UV/H2O2、混凝等處理流程對水中有機物有不同 之去除機制，因而有不同之去除效果。 關鍵詞：強化混凝、背景有機物、傅立葉紅外線光譜、 官能基、消毒副產物 AbstractThe effectiveness of enhanced coagulation for control of trihalomethane (THM) precursors from source water was assessed in this study. Water samples of raw water and sedimentation effluents from six water treatment plants were analyzed by measuring dissolved organic carbon (DOC), ultraviolet absorbance at 254 nm (UV254),
THM formation potential (THMFP), and Fourier transform infrared (FTIR) spectrum. Laboratory enhanced alum coagulation were also conducted at optimum DOC removal conditions for comparison. However, the DOC, UV254 and THMFP removals
obtained in field sedimentation effluents were lower than those obtained after laboratory coagulation treatment. It was observed that normalized THMFP (THMFP/DOC) for treated water maybe higher than the untreated one. After alum coagulation, FTIR spectrum showed a major reduction on NOM with functional group of aliphatic C-H deformation, alcoholic and phenolic OH, and –CH deformation of -CH3 groups. Ozonation and UV/H2O2
photolysis of humic acid were also evaluated to compare
the DOC removal efficiency.
Keywor ds: Enhanced coagulation, dissolved organic carbon, UV absorbance, FTIR, trihalomethane formation potential. 前言 自來水廠對於水中有機物之傳統處理程序主要透過 混凝、沈澱、過濾等流程去除，但在傳統淨水程序中， 對於加氯消毒副產物有機前質之去除能力有限。為控 制消毒副產品的生成，最有效的方法為減少消毒副產 物前質，而對傳統淨水廠而言，「強化混凝」為有效 去除有機物最經濟且便捷之方式。傳統淨水程序中， 以化學混凝及沈澱單元對水中所含各種有機物質的去 除效果最佳，本研究在不改變水廠操作單元的設計及 最經濟的情況下，選擇以混凝最適劑量及 pH 值，利 用六個水廠原水、清水及水廠原水在實驗室進行模擬 水廠混凝之杯瓶實驗，進行各項條件之分析，觀察各 項參數包括 pH 值、濁度、鹼度、UV 強度、有機物濃 度及水中有機物之特殊官能基變化的情形，所得結果 並與各水廠沈澱池出水之水質相比較，以探討處理效 率。同時以腐質酸為對象，透過臭氧、UV/H2O2、混 凝等不同處理流程探討高級氧化與強化混凝對水中溶 解性有機物處理效率之差異。相關實驗流程請參閱相 關參考文獻（Wang et al., 2002; Wang and Pai, 2001a; Wang et al., 2001b）之說明。
結果與討論 水廠原水經實驗室進行強化混凝實驗後，水中 DOC 濃度及 UV254吸光度均可有效降低；但一般而言水廠 之處理效能無法達到實驗室強化混凝對有機物之去除 率（圖一）。但 FTIR 之光譜分析顯示實驗室混凝水 之有機物特性與水廠處理過之沈澱水並沒有很大的差 異。一般來說，原水 NPDOC 高之地區經混凝處理後 NPDOC 去除率亦高，相對而言 THMFP 去除率（圖 二）亦高（實驗結果顯示 THMFP 之去除率高於 NPDOC 去除率），但望安及金門水廠之原水在經混 凝處理後曾有 THMFP 增加之情況；而原水 NPDOC 較低之六堵、板新及長興水廠，其 NPDOC 與 THMFP 之去除率亦低，實際上六堵及板新水廠之 THMFP 並 沒有明顯減少。此種現象主因可能與原水 DOC 過低 因而不易去除有關；此外，六堵及板新水廠因部份受 到家庭污水污染，不僅原水中 DOC 濃度低，原水中
天然有機物之比例較低，因而三鹵甲烷前質較不易去 除。成功水廠、望安水廠及金門水廠之原水 NPDOC 及鹼度偏高，且經強化混凝後，NPDOC 之去除率佳。 以混凝方法去除原水 NPDOC，主要去除為高分子量 之腐植酸，低分子量黃酸之去除率較差；此種現象在 金門及澎湖水廠特別明顯。 水廠原水之 FTIR 圖譜 水廠原水在 FTIR 圖譜中波數高的吸收較高，在經 過處理過的水，主要吸收峰出現在波數較低的地方。 此種結果顯示出混凝過程已去除掉較大的分子之有機 物。由各水廠原水之 FTIR 圖譜來看，各個水廠水質 組成大致相近，但仍有比例上的不同（楊曉菁， 2001c）。由 FTIR 圖譜中顯示，澎湖本島的成功水廠 與望安島的望安水廠水樣主要的吸收峰出現在 O-H、 COOH、C-O 及芳香族 C-H 等官能基的吸收。而板新、 長興及六堵水廠之主要吸收峰亦類似，但在芳香族 C-H 之官能基吸收較不明顯。經過混凝處理後，水中 含有之脂肪族碳氫化合物 IR 吸光度大幅下降，顯示混 凝處理對水中脂肪族碳氫化合物有極為良好之去除效 果。此外，醇類及酚基化合物之-OH 及-CH 之 IR 吸 光度亦有明顯下降，顯示混凝處理對水中此類化合物 去除效果亦即良好。特別是酚基化合物之-OH 為主要 之消毒副產物前質，其 IR 吸光度下降可顯示消毒副產 物前質之有效去除。 但水中 NPDOC 之去除未必代表 THMFP 之有效去 除。89 年 10 月份之望安、六堵及太湖水廠及 89 年 12 月份之太湖水廠水樣皆出現每單位沈澱水 NPDOC 所測得之 THMFP（μg THMFP / mg NPDOC）高於 每單位原水 NPDOC 之 THMFP 之現象。此種結果顯 示 NPDOC 之去除並不代表消毒副產物前質之去除， 由於 DOC 濃度下降，有時可能導致水中單位有機物 之 THM 生成量增加，在水中含有溴離子時甚至會增 加可能之健康風險（如外島水廠）。水廠若要降低 THM 之生成，必須針對去除低分子量之親水性有機物質之 可能方式加以探討。 THMFP 的降低 大致而言，水廠的 THMFP 去除都與 DOC 的去除 模式類似。在低 DOC 的原水如長興、板新、六堵水 廠，THMFP 的去除差異甚大，分別為 46％、14％及 3％。造成差異的原因應為水廠原水本身的性質所 致。長興水廠原水來自受到良好維護的新店溪，水中 腐植酸成分較高。由於腐植質具較高 THMFP 且較易 由 混 凝 過 程 去 除 ， 故 長 興 原 水 可 以 得 到 較 高 的 THMFP 去除率。與長興水廠比較，六堵及板新原水 受到家庭污水污染，故腐植質比例較低，THMFP 去 除也較低（Wang et al., 2002b）。混凝試驗結果亦顯 示含高 DOC 的水廠原水也達到高 THMFP 去除率。 實驗室混凝處理對 DOC 之去除效果亦優於實廠操作 的 THMFP 去除效果。而在混凝處理後，THMFP/DOC 也隨之降低，表示混凝過程對於原水中 THM 前質的 去除優於有機物的去除。但 DOC 含量較低（在三個 高 DOC 含量的水廠中）的成功水廠混凝後，其 UV254 及 SUVA 在混凝後降低幅度不大，在此處需說明，高 DOC 或高 UV254去除並不一定等於高 THMFP 的去 除。 UV 與 FTIR 圖譜 由於臭氧前處理已被水廠廣泛的使用於降低加氯 過程中 THM 的生成，加以 UV/H2O2對腐植酸的光解 也為目前熱門之研究題材，為便於比較混凝對水中 DOC 之去除效率，同時能比較臭氧及 UV/H2O2等不 同處理流程對 DOC 之處理效果，本研究亦以腐質酸 為對象探討不同處理過程前後的腐植酸 UV 及 FTIR 圖譜。由處理前後之 UV 圖譜可知臭氧及 UV/H2O2處 理都可有效的去除腐植酸溶液中吸收 UV 範圍波長 (<300 nm)的溶解性有機物，表示大部分與氯反應的 物質已被臭氧及 UV/H2O2分解。 圖三為腐植酸溶液臭氧及 UV/H2O2 處理前後的 的 FTIR 圖譜，有機物官能基的紅外線吸收頻率的詳 細位置請參閱相關文獻(David, 1999)。腐植酸主要的 IR 吸收位置在 3400、1600、1400、1120、860 及 625 cm-1的位置，與表面水的圖譜相似。在臭氧處理 10 分鐘後，在 3400、1400、860 及 625 cm-1位置的 吸收大幅降低，但在 1320 及 775cm-1位置的吸收峰 經過 30 及 60 分鐘的臭氧處理後有增加的現象。由經 過臭氧處理的腐植酸溶液 FTIR 圖譜可知，臭氧可以 有效的打斷腐植酸的單鍵 OH 基及分子內的 OH 鍵 結、脂肪族的 C-H 鍵結、脂肪及酚類的-OH 與-CO 鍵、 同時打斷-CH3基的-CH 鍵結。在 1320 cm-1位置的吸 收峰增加代表羧酸鹽與單取代的烷類在臭氧處理過程 中逐漸形成，IR 吸收峰從 860 cm-1移到 775 cm-1表 示在臭氧氧化過程中芳香族化合物的側鏈發生某些降 解反應，如二取代或三取代的苯經臭氧反應後降解成 單取代的苯。 FTIR 圖譜同時可看出腐植酸經臭氧反應的機制 與的 UV/H2O2光解反應不同。UV/H2O2的光解圖譜指 出芳香族的-C＝C、酮類的-C＝O 及-COO-鍵結都有 顯著的減低，而臭氧並不能有效分解此部分的有機官 能基，圖譜中同時也指出 UV/H2O2光解並無法有效的 去除醇類及酚類的 OH 基、也不能打斷-CH3基的-CH 鍵結。此種結果與臭氧氧化不同，此外 UV/H2O2並未 如臭氧般生成羧酸鹽、單取代烴類、單取代苯類的降 解產物。臭氧及 UV/H2O2對於 THMFP 的去除效率不 同主要是因為臭氧對於 THM 前質的去除有選擇性。 雖然臭氧可以去除 70％以上的 THMFP，但只能去除 小部分的 DOC；而 UV/H2O2 的光解對於 DOC 及
THMFP 的去除則無選擇性。 經過高級氧化後，IR 吸收峰降低最多的部分在 3400 及 1400 cm-1，代表酚類-OH 的降解，由於此部 分官能基具有較高的三鹵甲烷生成潛能，這些官能基 的降解降低了氯與腐植酸的反應性，表示臭氧氧化及 UV/H2O2光解都可以有效的降低消毒副產物的形成。 但經過臭氧氧化造成羧酸鹽、單取代烴類及單取代苯 類增加，表示腐植酸並未完全被礦化，而使得 NPDOC 的殘餘量較 UV/H2O2光解高。在某些情形下，反而會 由於大分子腐植酸被分解成 THM 前質而增加 THM 的 形成。在這種情況下，需要增加臭氧劑量或接觸時間 以提高 THM 前質去除率。 結論 水廠原水經混凝處理過後，水中高分子量之腐植 質易於化學混凝中去除，而低分子量之親水性有機質 （主要為黃酸）則不易於混凝去除。在部份情形下， 經 DOC 之濃度標準化後，清水之三鹵甲烷生成潛能
可能高於原水之三鹵甲烷生成潛能。水廠原水經實驗 室進行強化混凝實驗後，其溶解性有機碳、三鹵甲烷 生成潛能之去除率均優於水廠處理過之沈澱水，但水 中有機物之特性與水廠處理過之沈澱水並沒有明顯差 異。FTIR 圖譜顯示混凝過程主要去除水中烷類碳氫化 合物，對水中不同成分之有機酸及含酚基之化合物亦 有一定之去除效果。水廠若要降低 THM 之生成以降 低可能之健康風險，必須要針對去除低分子量之親水 性有機物質之可能方式加以探討。此時必須採用臭氧 或 UV/H2O2等高級氧化方式處理水中 DOC，以有效 降低水體之 THMFP，FTIR 圖譜顯示水中腐植酸經臭 氧、UV/H2O2、混凝等處理流程對水中 DOC 的去除 機制不同，因而所去除之 DOC 成分亦有所不同。 參考文獻
Wang, G., S. Kang, S. Yang, S. Pai, H. Chen, 2002, “Removal of Dissolved Natural Organic Matter
from Source Water with Alum Coagulation”,
Environ Technol, in press. （SCI）
Wang, G. and S. Pai, 2001a, “Ozonation of Dissolved Organic Matter In Biologically Treated Wastewater Effluents”, Ozone-Sci Eng, 23(5)351-358. （SCI）
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Wang, G., S. Hsieh and C. Hong, 2000, "Destruction of Humic Acid in Water by UV Light -Catalyzed Oxidation with Hydrogen Peroxide",
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楊曉菁，2001，混凝處理自來水中消毒副產物前質之 探討，國立台灣大學公共衛生學院環境衛生研究所碩 士論文。
圖二 強化混凝對不同水廠 THMFP 之去除率
