洗砂廢水掃流之最佳化

報告題名：Filter-to-waste optimization

作者：陳冠憓、林靖琦、洪詩怡、王文美、林明欣 系級：環境工程與科學學系三年乙班

學號：D9421928、D9478096、D9477817、D9421651、D9422015 開課老師：黃東池

課程名稱：給水工程 Water Supply Engineering 開課系所：環境工程與科學學系

中文摘要

人的日常生活中，最不可獲缺的就是水資源了，現今各個國家幾乎都有辦法 將我們得到的水資源，處理為一般民生用水，而如何降低成本且快速獲得這些水

資源，就是大家所思考的。此篇報告，主要在討論JOURNAL AWWA MAY 2007

期刊中Filter-to-waste optimization(洗砂廢水掃流之最佳化研究) 的內容。 此篇期刊主要探討，一個位於湖邊的研究單位(CLCJAWA)，目前是以 FTW 的方法進行濾床的反沖洗，現今想改用ETSW 的方法來進行濾床的反沖洗，測 試是否能節省反沖洗時間和效率。而FTW 和 ETSW 兩種方法，在反沖洗過程中， 最大的不同，就是ETSW 少了洗砂廢水掃流的步驟。經過 CLCJAWA 研究後， 使用ETSW 的方法進行濾床的反沖洗，發現洗砂廢水的濁度由 0.13ntu 減少到 0.08ntu，反沖洗時間也減少了 14%，所以使用 ETSW 進行濾床反沖洗的方法， 比使用FTW 進行濾床反沖洗的方法，更能節省反沖洗時間，以提高濾床過濾水 的效率。不過CLCJAWA 認為還需再做進一步的評估。 關鍵字： Backwash (反沖洗)

Extended terminal subfluidization wash(ETSW) Filter to waste (FTW)

目 錄 中文摘要……….………1 目錄……….………2 圖目錄……….………3 表目錄……….………3 第一章 目標……….…………..……4 第二章 CLCJAWA 反沖洗回顧………..……….……….5 2-1 水位降低量……….….………5 2-2 空氣洗……….……...…………..5 2-3 空氣/水淋洗………...………..5 2-4 第一次低流量沖洗……….…….………6 2-5 高流量沖洗 ……….………….…….….6 2-6 第二次低流量沖洗……….…………...…….….6 2-7 洗砂廢水掃流……….…...……….….6 第三章 CLCJAWA 處理過程回顧……….……….….7 3-1 來源水……….………..….…..7 3-2 水處理過程……….……….…7 3-3 過濾描述……….………...…….….7 3-4 過濾操作………...…….……….….7 第四章 方法……….….……….…9 第五章 結果……….………….…………....10 5-1 濾床再生剖面……….………....10 5-2 反沖洗水消耗量……….……..…………..11 5-3 過濾池離線時間……….………....…11 5-4 .FTW 濁度………..….………...12 5-5.過濾池指標……….……….…….……….…...…...……..13 第六章 討論和結果……….…………...……….…….………….14 參考文獻………..……….……….………….15

圖目錄 FIGURE 1 在 HPC 期間使用氯反沖洗之表示圖………..8 FIGURE 2 使用 ETSW.方法反沖洗對於濁度等條件隨時間改變圖…………...10 FIGURE 3 使用 FTW 方法反沖洗對於濁度等條件隨時間改變圖...…….….…10 FIGURE 4 裝有 ETSW.的三個特定過濾池的改善圖………...…11 FIGURE 5 比較每個過濾器的平均 FTW 高峰渾濁度圖……….12 表目錄 TABLE 1 反沖洗步驟沖洗速率………5 TABLE 2 反沖洗水質………5 TABLE 3 不同月份每一反沖洗步驟被使用的時間………..……..9 TABLE 4 使用不同方法反沖洗水的消耗量………...11 TABLE 5 反沖洗發生在 FTW 期間的最大渾濁度之分析………....12 TABLE 6 測試和控制濾池的各項差異………..13

第一章 目標 CLCJAWA 的尼爾水處理設備是第一個使用傳統處理過程，而獲得安全水之 友協會的“卓越水處理”獎。此處理廠目標是，水過濾後流出的濁度在 95%的時間 裡會小於0.10 ntu。為了保證這些目標達成， CLCJAWA 設定目標為過濾後濁度 皆要小於0.10 ntu。 這更嚴格目標在現今的反沖洗方法中，更具有挑戰性。這也使 FTW 在 CLCJAWA 處理消耗的水更多，並且增加反沖洗時間。

第二章 CLCJAWA 反沖洗回顧 2-1 水位降低量 在自動的反沖洗開始後，將過濾時的進流水閥門關閉。此時，池中待過濾的 進流水將繼續過濾，直到進流水降落至大約高於濾砂6in(15 厘米)的地方。此時 將進流水過濾後流出的閥門關閉，接下來即可開始進行反沖洗，在反沖洗開始 後，注意需立即將進流水過濾後流出的閘門在打開。 2-2 空氣洗(Air) 在空氣洗期間，空氣經由池底的排水管之孔洞，向上排出。在這步驟裡，過 濾池中的水，會在表面積極地沸騰，目的是要將生物膜和附著的污泥打散。不過 空氣洗會造成濾砂的磨損。所以CLCJAWA，在前 5 年會損失 12.5%的碳。

2-3 空氣/水淋洗(Air and water)

進入此步驟後，空氣洗還是在相同的速率繼續進行(每個反沖洗步驟沖洗速 率請參閱TABLE 1) ，再將過濾後的乾淨水，透過過濾排水管流入池中，增加低 洗流率(反沖洗水質請參閱 TABLE 2)。反沖洗繼續，直到在濾床的水準面接近水 淋槽的底部。連續形成的空氣曲道在池內反覆流動，此時會造成激烈的沙粒摩 擦，這樣的摩擦會讓污泥脫離。在水淋洗期間，結合的空氣/水淋洗被認為是濾 料清洗的最好的方法。然而對生物膜沒有那麼有效。

2-4 第一次低流量沖洗(First low wash) 前一步驟是空氣和水淋洗，所以當進入此步驟時，空氣流動開始停止。在這 個時候，殘餘的空氣會從濾料間的空隙中離開池中，然後濾料會落回底床，體積 變化可用管理標準規則方法測得膨脹率小於2% 2-5 高流量沖洗(High wash) 反沖洗由低流量沖洗速率的流動增加到高流量的沖洗速率。使得雙濾料床 (BAC/sand)變成次流體，體積變化可用管理標準規則方法測得膨脹率擴大到 25-30%。砂緩慢地從碳分開並且回到濾床底部的地方，而碳床也會自動分層。更 大更多有稜有角的碳顆粒沉降到碳床的底部，當小的、圓的、腐蝕碳顆粒在反沖 洗過程中輕輕漂流到濾床的頂部。高流量沖洗進行當時，前面的乾淨水連續在過 濾床替代充滿渾濁粒子的水，向上形成明顯乾淨的界線。在這個步驟裡，清潔的 濾料和生物量的移除是極少的，而且是依賴流體的剪力比在空氣期間發生磨擦來 的重要。

2-6 第二次低流量沖洗(Second low wash)

在第二次低流量的沖洗期間，會使在高流量沖洗時分層好的濾料緩慢沉降回 到原來位置。在這期間濾料運動極少，體積變化恢復可用管理標準規則方法測得 膨脹率小於2%。 2-7 洗砂廢水掃流(FTW) FTW 會在一個固定的流動速度下，自動發生大約 30 分鐘，這個反應，會使 濾床再生，因為在反沖洗期間，由池中釋放的固體轉向流到洗砂廢水槽。在這個 時候，FTW 的水流濁度會持續監控。在 30 分之後 FTW 濁度尖峰原則上已經通 過，然後當過濾排放的濁度降低到0.10 ntu 後，達成反沖洗的目的，濾池就會自 動開始過濾。

第三章 CLCJAWA 處理過程回顧

3-1 來源水

CLCJAWA 的源水來自美國最大的湖，Lake Bluff 湖。由於 Lake Bluff 湖擁

有大約1.3×1015加侖(4.9×1015升)的水，而且沒有逕流在這地方流域內，所以原 水的品質相當的穩定。只有兩個影響最大的過濾因子，那就是水溫和濁度。 在CLCJAWA 水溫數據資料收集，自從 1992 年說明引入水的溫度變化。日 常處理廠流入的水，濁度允許監控從1993 年到 1995 年，顯示平均夏季(5 月-10 月) 源水濁度值 2.7 ntu，而冬季(11 月 4 月)濁度平均為 13.9 ntu。不過留有記錄 中，單一天最大的濁度是336ntu。而處理後的水，濁度平均夏季是 0.7ntu，而冬

季是2.0ntu。冬天濁度增加，也許是由 Lake Bluff 湖水的翻轉和季節性風變動造

成，因為此種情況會促進沉澱物懸浮。 3-2 水處理過程 在一平均天，在0.8 mg/L 的劑量和 13 分鐘的滯留時間(T10)中，有 23mgd （87ML/d）的水被臭氧消毒。 3-3 過濾描述 在CLCJAWA 有 4 種一連串處理系列，每一系列有三個 640 平方英尺的(59 m2) 雙層濾料的過濾床。過濾床1-9 的池子是相同的，池中濾料包含少量的 4 英尺 （1.2m）BAC(由凝聚瀝青的活性碳組成)、1 英尺（0.3m）的沙子和 1 英尺的礫 石。過濾床10-12 池子也被在這項研究期間被評價。不過，因為他們在物理方面 還有些微的不同於其它過濾，結果在這裡沒被報告。 3-4 過濾操作 在2004 到 2005 年間，過濾廢水經由連續檢測，發現濁度是 0.3ntu。定期會 進行反沖洗，平均每年是77 次，造成約 2.4 公尺的水頭損失。而在過濾期間， 如果有任何濁度升高的指示時，也會進行反沖洗，不過此種情況很少見。 在三月時，平均155 個小時，進行一次反沖洗(過濾速度 1.6gpm/sq ft [1.11 mm/s]，水溫 3℃，濁度穩定在 1.26ntu)，而在八月時，平均 70 個小時，進行一

次反沖洗(過濾速度 2.4gpm/sq ft [1.65 mm/s]，水溫 19℃，濁度穩定在 0.73ntu)。 我們發現八月過濾的能力比三月的過濾能力低(1.26>0.73)，這也可以部份解釋為 什麼八月的水頭損失會比較高的原因了。而主要的原因是因為夏天水溫升高，使 生物量成長(變多)，所引起的。生物量成長，會非常顯著的發現，在過濾頂端有 大量的生物出現。生物量的增加，就抑制過濾床捕捉固體的能力，因為過濾的能 力變差，所以水頭損失就會變高。而海藻的阻塞也會影響過濾的能力。Barbiero

和Tuchman 在 6 月時，他們去收集 Lake Michigan water 的岸邊和湖中的湖水，

兩者做海藻對過濾影響的比較，發現岸邊的藻類濃度高於湖中的。

因為臭氧不會有殘餘量，所以天然的細菌就可以在過濾池中生長。這是在 CLCJAWA 合乎需求的狀態下，因為未經處理過的水在臭氧消毒(Ozonation)增加 後，能夠同化有機碳(AOC)，而且在生物過濾清潔後也會再降低。在 1997 到 2005

年間，都有收集樣本並用實驗分析22 個樣本，發現未經處理的水之有機碳再臭

氧消毒後，AOC 從 90μg/L 醋酸鹽之當量(ACE)增加到 160μg/L ACE。在生物過

濾清潔之後AOC 是減少到 80μg/L ACE 在 CLCJAWA。生物過濾也可以分解臭氧

消毒時所產生的副產物。在2000 到 2005 年間，都有收集樣品並用實驗分析 14 個樣本，裡頭包含了甲醛16μg/L 和乙二醛 11μg/L，在檢測的時候，分別發現有 下降的趨勢。在過濾的期間，用氯來消毒也是可以減少生物量。在CLCJAWA， HPC(異養培養基計數)，細菌在一個典型過濾的過濾污水裡，在氯反沖洗中是顯 著減少的，這可由FIGURE 1 中看出。樣品分析由於HPC 的細菌27℃下七天被孵化。 HPC 標準反沖洗之前會達到 30000cfu/mL，之後就會減少 到1000cfu/mL。然而，反沖 洗的負面影響，在AOC 和乙 醛的植物移除影響未被觀察。

第四章 方法 這項研究期間包括 2004 年 7 月到 2004 年 10 月和 2005 年 2 月到 2005 年 5 月。這研究期間，超過了400 個過濾反沖洗，在分析 1-9 的過濾池中發生 447 反 沖洗。反沖洗如果是用人工紀錄缺漏數據或是因機器故障產生問題的話，這些數 據將會被排除，那這些情況下，反沖洗的耗水量數據，也要從數據中被扣除。剩 餘的其他數據，被存放於一個被監督控制和校準完的處理儀器(SCADA)系統中。 在SCADA 對數據(全部數據)做了統計分析，以下是全部的反沖洗收集的數據： 過濾流出水閥門關閉的天數、過濾流出水閥門打開的天數、FTW(洗沙廢水濃度) 渾濁程度的最大值、過濾再生的天數、再生時水頭損失和流量、最後是過濾的時 間和過濾流出水的混濁度。發生在FTW 的最大渾濁程度(再生過濾期間)，這裡 被定義作為高峰渾濁。一個再生的過濾是被定義在過濾後流出的水，濁度要下降 到0.054nut 以下。 在 CLCJAWA，這樣就回覆到一個令人滿意的性能了。 在 CLCJAWA 同ㄧ處理線有三過過濾池(共有 4 條處理線)。各處理線上的其 中一個過濾池，是使用傳統的反沖洗方式(FTW)，而另外二個過濾池，是使用 ETSW 的反沖洗方式，用此方法來比較 FTW 和 ETSW。從 1991 年反沖洗的流量 就被設定了，而各反沖洗的時間根據Aamburger 等人在 2003 年所發表的文章被 建議設定。在此篇文章中，Amburgey 等人評估了，兩個水處理廠使用 ETSW 的 情形，其中一個水處理廠是使用48 寸(1.2 公尺)生物活性煤和 12 吋(0.3 公尺)的 沙子，而另一個是使用18 吋(0.45 公尺)氯化煤和 12 吋(0.3 公尺)的沙子。兩個 廠都使用3 分鐘的 air/wash 步驟、5 到 7 分鐘的 High wash 步驟和最後的 ETSW 步驟。CLCJAWA 建議，使用 12 分鐘的ETSW，這樣會充分的把濾料以 外的固體清除，補嘗增加的水消耗量。 TABLE 3 為設置點在各月份中，每一反 沖洗步驟被使用的時間。

第五章 結果 5-1 濾床再生剖面 代表性FTW 再生剖面為控制和測試過濾池在 FIGURE 2 和 FIGURE 3 被顯 示。FIGURE 2 是使用 ETSW 方法反沖洗對於濁度等條件隨時間改變的表示圖： 關閉進水閥門後，由圖中紅色的虛線，可知前10 分鐘，過濾池的水位會因水的 流出，而越來越少，直到水位達濾料上方大約6 寸(15 cm)的地方，之後就關閉流 出閥門，此時濁度是0.03 ntu。幾分鐘後，空氣洗開始(此項沒被圖顯示)。水加 進去反沖洗在第15 分鐘出現(綠色虛線)。反沖洗繼續，直到空氣中斷，並且反沖 洗流程增加到高流量沖洗(約發生在第 20 分鐘)，然後回到 ETSW 為 12 分鐘。 FIGURE 3 是使用 FTW 方法反沖洗對於濁度等條件隨時間改變的表示圖， 這裡ETSW 不被使用(傳統方法)。由兩張圖可發現 ETSW 和 FTW 兩者方法的差 別只有幾個：第一次的低流量沖洗步驟、高流量沖洗步驟和第二次低流量沖洗步 驟的時間長短。雖然只是步驟時間長短的不同，但是經由測量，FTW 的濁度比 ETSW 的濁度大約多 42%，並且 FTW 使用的時間也比 ETSW 多約 25%。

5-2 反沖洗水消耗量 TABLE 4 為使用不同方法反沖洗水的消耗量。值在表中不包括水消耗量在 FTW 期間。測試過濾池(ETSW)平均多消耗了 5%或 7000 加侖(26000 L)的水。 5-3 過濾池離線時間 在這項研究期間，控制流出閥門 被關閉了平均81 分鐘(標準差[SD]=12 分鐘) 為反沖洗和 FTW 序列。測試過 濾池(ETSW)的離線時間平均 70 分鐘 (SD=8 分鐘)，兩者相差了 11 分鐘， 約減少14％的時間。 為了濾床再生和流出濁度下降到 小於 0.10ntu，作了 31 種控制和測試 FTW 曲線的比較，顯現出 FTW 時間在使

用ETSW 下，濾池反沖洗從 63 分鐘(SD=13min)變為 35 分鐘(SD=9min)，減少了

44%。FIGURE 4 為裝有 ETSW 的三個特定過濾池的改善圖。

反沖洗的設計是可控制的(設計最小掃流 30 分鐘)。歷史上，使用 30 分鐘以

內時間長度的FTW 渾濁度總是超出 0.10 ntu。而在 30 分鐘以後，FTW 渾濁度就

會小於0.10 ntu。當渾濁度下降到 0.10 ntu 以下時， FTW 步驟結束，此時過濾池

5-4 FTW 濁度 每反沖洗發生在FTW 期間的最大渾濁度之分析，其結果總結在 TABLE 5。 平均高峰渾濁度在控制過濾池為0.13 ntu，而使用 ETSW 計劃反沖洗的測試過濾 池從為0.08 ntu，減少了 38%。另外， 95%控制過濾池 FTW 尖峰濁度超出了 0.10 ntu，而測試過濾池只有 4% FTW 尖峰濁度超出了 0.10 ntu。 FIGURE 5 是比較每個過濾器的平均 FTW 高峰渾濁度。藍色表示為平均峰 頂(在測試濾池 1、3、4、6、7 和 9 為使用 ETSW，而控制濾池 2,5, 8 為傳統的)。 綠色則是當所有過濾池都使用FTW 高峰渾濁度的平均 FTW 高峰。由此圖可以 發現這些控制過濾池，在使用ETSW 沖洗時，FTW 的峰頂都有顯著的改善。

5-5 過濾池指標 一個成功反沖洗的要求：(1)能清除固體 (2)濾砂能保留(3)清除細菌，還包 含，時間和水的有效利用，濾砂還要維持成層，濾床必須沒有泥球，低水頭損失， 短反沖洗時間，長過濾時間，出水濁度要低。 1.水乾不乾淨： 固體移除由監測過濾池流出物渾濁作部份估計。如 TABLE 6 所顯示，控制 濾池和測試濾池在FTW 下產生低渾濁水。 2.濾床水頭損失(反沖洗完後)： 污泥的去除也可利用反沖洗後的過濾水頭監督來評估。 在過濾器被安置了 入服務之後，水頭損失立即被注意。如TABLE 6 所顯示，測試和控制濾池有幾 乎相同的水頭損失。 3.濾程： 執行時間被審查作為第三個方法來估計污泥去除的適當性。平均過濾器使用 時間在測試和控制濾池是相似的，建議使用ESTW 沒有不利的影響。

第六章 討論和結果 CLCJAWA，使用 ESTW 的結果是好的。FTW 洗砂廢水尖峰濁度平均從 0.13 減少到了0.08 ntu。 過濾池使用 ETSW 下，各種反沖洗只有 4%超出了使用 FTW 渾濁峰頂的0.10 ntu，然而傳統上的濾池有 95%超出了 0.10-ntu。ETSW 洗滌每 反沖洗會多消耗了7000 加侖。然而，在當前最小 FTW 時間 30 min 下，排除 FTW 步驟將於每反沖洗多出21000 加侖(79000L)已經處理過的水。ETSW 藉由縮短 FTW 期間減少了接近 14%過濾池離線時間。其次，消除了掃流的步驟，濾池可 以提前30 分開始作業。ETSW 計劃沒有很顯著後續衝擊後濾床廢水濁度、水頭 損失或者濾程。這項研究的結果不完全支持FTW 的放棄，因為使用 ETSW 有 4% 濁度超出了0.10 ntu。相反地，建議 FTW 在 96%濾池反沖洗中是不必要的。所 以，自動FTW 應該只有在需要時使用。 延長空氣/水洗滌步驟和把高流量減縮短這兩個長期效應還不清楚，仍待觀 察。延長空氣/水洗步驟可能導致工具隨時間的損耗。縮短高鋒流量也許導致更 重的物質的累積在清洗床而沖不出去。過濾池指標和週期性的濾砂評估將會被需 要，以來決定這個過程長期生存能力。高流量沖洗和ETSW 步驟也需要進一步 評估來確定最適的時間。

參考文獻

(1) JOURNAL AWWA MAY 2007 148-157 頁 (2) 给水工程 黃政賢 編著