配合混凝前處理之截流式微過濾薄膜回收處理淨水場砂濾反沖洗水之研究：實驗室評估

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(1)國立交通大學環境工程研究所碩士論文. 配合混凝前處理之截流式微過濾薄膜回收處理淨水場砂濾反沖洗水之研究：實驗室評估 Recovery of Spent Filter Backwash Water by Using Dead-end Coagulation-assisted Microfiltration：Laboratory-scale Evaluation. 研究生：吳政倫指導教授：黃志彬博士. 中. 華. 民. 國. 九十五. 年. 七. 月.

(2) 配合混凝前處理之截流式微過濾薄膜回收處理淨水場砂濾反沖洗水之研究：實驗室評估研究生：吳政倫. 指導教授：黃志彬博士. 國立交通大學環境工程研究所摘要. 為解決台灣地區淨水場砂濾反沖洗水回流至淨水處理單元造成加藥量控制不易和產生原蟲及化學物質長期累積，以及颱風暴雨期間，砂濾反沖洗水回流造成淨水場處理單元負荷過大的問題，本研究將以截流式(Dead-end)微過濾薄膜去除砂濾反沖洗水中之懸浮物質及微生物等污染物質，以利過濾水經消毒後可直接作為公共給水；同時微過濾薄膜將配合不同前處理方法，期望能增加薄膜之產水率。本研究主要使用新竹第一淨水場反沖洗水與東興淨水場反沖洗水，分別利用 0.5 m 及 1.0 m 之微過濾薄膜，以固定壓力(0.65 kgf/m2)抽真空方式，將此兩股砂濾反沖洗水通過薄膜處理後供水。而在前處理方法方面，分別採用沈澱前處理與混凝/膠凝前處理。結果顯示，當反沖洗水中之次微米級(sub-micron scale)顆粒粒徑與薄膜孔徑大小相近時，將會使薄膜產生嚴重之孔洞阻塞 (pore blocking)，且無法藉由薄膜反沖洗來回覆既有之通量。而兩淨水場反沖洗水經截流式微過濾薄膜直接處理後之水質在濁度、大腸桿菌數及總菌落數方面可符合我飲用水水質標準，但溶解性有機物去除效率不佳。在前處理方法對薄膜通量之影響方面，先行將反沖洗水沈澱後再. I.

(3) 經薄膜過濾，於短期操作下雖可使薄膜之通量提高，但隨著操作時間之增加卻會產生極嚴重之孔洞阻塞，並不利於薄膜長期操作。另外，新竹第一淨水場反沖洗水經混凝/膠凝後直接薄膜過濾將能有效提升通量，且當混凝劑加藥量與瓶杯試驗最佳加藥量相同時，薄膜通量將有最佳提升效果；而東興淨水場之反沖洗水經混凝/膠凝後，不論加藥量為何，薄膜通量均無法有效提升，造成上述兩淨水場反沖洗水實驗結果差異之原因在於影響薄膜混凝/膠凝通量之因素相當複雜，其結果是許多影響因子之交互作用而成，如顆粒大小、混凝/膠凝機制、膠羽結構皆會造成薄膜通量之影響。關鍵詞：反沖洗水、薄膜、沈澱前處理、混凝/膠凝前處理. II.

(4) Recovery of Spent Filter Backwash Water by Using Dead-end Coagulation-assisted Microfiltration: Laboratory-scale Evaluation Student：Cheng-Lun Wu. Advisors：Chihpin Huang. Institute of Environmental Engineering National Chiao Tung University Abstract Recycling of the spent filter backwash water (SFBW) has been a burden for water treatment plants due the difficulty in chemical dosing especially during the typhoon and heavy storms and the accumulation of protozoa. The objective of this investigation is to use membrane technology, a dead-end MF, to remove the suspended solids and the microorganism particularly Cryptosporidium and Giardia from the SFBW. The goal is to use the membrane permeate as drinking water after disinfection. Different pretreatment methods were performed to SFBW before the membrane filtration to enhance the membrane flux. In this investigation, the SFBW were collected from Hsinchu First Water Treatment Plant and Tonghsing Water Treatment Plant. The SFBW was filtered through a polyterafluoroethylene (PTFE) membrane of pore size 0.5 m and 1.0 m at low vacuum pressure (0.65 kgf/cm2). Sedimentation and coagulation/flocculation were used as pretreatments. The result indicates that the flux declined seriously when the size of the sub-micron particles in the SFBW is close to the pore size of the membrane due to pore blocking. The quality of membrane permeates of SFBW from both water treatment plants, namely, turbidity, total coliform and total bacteria counts, complies with the current Drinking Water Quality Standard of Taiwan EPA. The DOC was reduced slightly after membrane filtration. Sedimentation pretreatment improved the membrane permeate flux in the beginning, but it caused serious pore blocking in the long run. On the other hand, pretreatment by coagulation/flocculation improved the membrane permeate flux of the SFBW from Hsinchu First Water Treatment Plant. However, it did not improve the membrane flux of the SFBW collected from Tonghsing Water Treatment Plant due to the complex factors such as particle size, coagulation condition, and fractal dimension of floc. Keyword. :. Spent. filter. backwash. Coagulation/flocculation III. water,. Membrane,. Sedimentation,.

(5) 致謝「光陰似箭，歲月如梭」，當我在寫此文時，才驚覺兩年時間就這樣過去了。而這兩年的研究所生活，承蒙恩師黃志彬教授及袁如馨教授的教導，使的學生不論是在學術研究上還是做人處事上都受益良多，在此致上學生最深的謝意。而在口試期間，感謝劉志成教授及周珊珊博士百忙之中還撥空前來參加學生的論文口試，並提供寶貴的建議及指導，使的學生論文能夠漸趨完善，在此一併致上深深的謝意。能順利的過完兩年的研究所生活，需要感謝的人實在太多。採樣時感謝新竹第一淨水場、東興淨水場、板新淨水場、平鎮淨水場、坪頂淨水場各位同仁鼎力協助。在實驗最後階段感謝中興顧問社朱博士給我許多論文寫作及實驗上的建議。在工研院期間，感謝周珊珊學姊、李茂松學長、洪仁陽學長的照顧及指導。在實驗室期間，多虧了志麟學長對我論文研究上的教導與建議，育俊學長和文彬學長對我實驗方面的建議，使我順利完成本篇論文；同時，也感謝實驗室中各位學長姐(志麟、育俊、文彬、惠玲、靖宜)、同學(信杰、智淵、綉文、昌郁)、學弟妹(文善、淑芬、昭瑩、靜逸、奕甫)等人陪我度過這兩年美好的時光。最後，感謝親愛的家人在我求學這段期間對我無悔的付出與支持。在此，將此論文獻給最親愛的家人，並一同分享這一份喜悅。. 政倫謹誌九十五年盛夏. IV.

(6) 目錄中文摘要………………………………………………………………Ⅰ 英文摘要………………………………………………………………Ⅲ 致謝……………………………………………………………………Ⅳ 目錄……………………………………………………………………Ⅴ 圖目錄…………………………………………………………………Ⅶ 表目錄…………………………………………………………………Ⅸ 第一章研究緣起與目的........................................................................ 1 1.1 1.2. 研究緣起........................................................................................................1 研究目的........................................................................................................2. 第二章文獻回顧.................................................................................... 3 2.1. 反沖洗水來源及特性....................................................................................3 2.1.1 反沖洗水來源.....................................................................................3 2.1.2 反沖洗水水質與特性.........................................................................3 2.1.3 反沖洗水之處理現況.........................................................................5 2.2 反沖洗水處理技術發展概論........................................................................7 2.2.1 薄膜處理.............................................................................................7 2.2.1.1 薄膜分類..................................................................................8 2.2.1.2 薄膜之質量傳輸......................................................................8 2.2.1.3 薄膜之通量衰減......................................................................9 2.2.1.4 薄膜程序處理反沖洗水之相關研究....................................12 2.2.1.5 混凝前處理結合薄膜過濾....................................................13 2.2.2 溶解空氣浮除...................................................................................15 2.2.3 沈澱...................................................................................................16 2.2.4 混凝沈澱...........................................................................................17. 第三章實驗設備、材料及方法.......................................................... 18 3.1. 實驗水樣........................................................................................................18 3.1.1 新竹第一淨水場砂濾反沖洗水.......................................................18 3.1.2 東興淨水場砂濾反沖洗水...............................................................18 3.2 實驗藥品......................................................................................................19 3.3 實驗設備與裝置..........................................................................................20 3.3.1 水質分析設備...................................................................................20 3.3.2 截流式(Dead-end)微過濾薄膜裝置 ................................................22 3.4 實驗架構與步驟..........................................................................................24 V.

(7) 3.4.1. 實驗步驟...........................................................................................26. 第四章結果與討論.............................................................................. 30 4.1. 淨水場砂濾反沖洗水水質基本水質分析..................................................30 4.1.1 反沖洗水之粒徑分佈.......................................................................32 4.2 反沖洗水直接薄膜處理對通量及過濾水水質之影響..............................34 4.2.1 新竹第一淨水場反沖洗水直接微過濾薄膜處理...........................34 4.2.2 東興淨水場反沖洗水直接微過濾薄膜處理...................................40 4.3 前處理方式對薄膜通量之影響..................................................................45 4.3.1 沈澱前處理對薄膜通量之影響.......................................................45 4.3.2 混凝/膠凝前處理對薄膜通量之影響 .............................................51 4.3.2.1 混凝/膠凝前處理對通量改善之因素探討 ..........................61 4.3.2.2 小結........................................................................................75. 第五章結論與建議.............................................................................. 77 5.1 5.2. 結論..............................................................................................................77 建議..............................................................................................................78. 參考文獻 ................................................................................................ 79. VI.

(8) 圖目錄圖 2-1 造成 MF 和 UF 薄膜操作通量衰減之因素 ..................................................10 圖 3-1 截流式微過濾薄膜裝置 .................................................................................23 圖 3-2 實驗架構 .........................................................................................................25 圖 4-1 新竹第一淨水場與東興淨水場顆粒粒徑分佈 .............................................33 圖 4-2 新竹第一淨水場反沖洗水顆粒粒徑分佈(a)微米級顆粒及(b)次微米級顆粒 ..............................................................................................................................36 圖 4-3 新竹第一淨水場之反沖洗水薄膜微過濾通量隨累積濾液變化情形(a) 0.5 µm 及(b) 1.0 µm ........................................................................................................38 圖 4-4 東興淨水場反沖洗水顆粒粒徑分佈(a)微米級顆粒及(b)次微米級顆粒 ....41 圖 4-5 東興淨水場之反沖洗水薄膜微過濾通量隨累積濾液變化情形 (a)0.5 µm 及 (b)1.0 µm .............................................................................................................43 圖 4-6 新竹第一淨水場與東興淨水場反沖洗水濁度與沈降時間之關係 .............45 圖 4-7 新竹第一淨水場反沖洗水沈澱前後之粒徑分佈變化(a)微米級顆粒及(b)次微米級顆粒..........................................................................................................47 圖 4-8 新竹第一淨水場反沖洗水直接薄膜處理與沈澱 15 分鐘後薄膜處理之通量隨累積濾液變化情形(a) 0.5 µm；直接過濾、(b)1.0 µm；直接過濾、(c)0.5 µm；沈澱後過濾及(d) 1.0 µm；沈澱後過濾 ............................................................49 圖 4-9 新竹第一淨水場反沖洗水於不同 pH 值下混凝沉澱後之上澄液殘餘濁度52 圖 4-10 新竹第一淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝沉澱之快混後界達電位與沈澱後上澄液濁度..........................................................................................52 圖 4-11 新竹第一淨水場反沖洗直接薄膜微過濾、混凝/膠凝後直接薄膜微過濾之相對通量隨累積濾液變化情形(a) 0.5 µm 及(b) 1.0 µm.......................................54 圖 4-12 東興淨水場反沖洗水於不同 pH 值下混凝沉澱後之上澄液殘餘濁度 ....57 圖 4-13 東興淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝沉澱之快混後界達電位與沈澱後上澄液濁度..................................................................................................57 圖 4-14 東興淨水場反沖洗直接薄膜微過濾、混凝/膠凝後直接薄膜微過濾之相對通量隨累積濾液變化情形(a) 0.5 µm 及(b) 1.0 µm...........................................59 圖 4-15 新竹第一淨水場反沖洗水混凝/膠凝後直接薄膜微過濾之 DOC、UV254 去除率(a)0.5 µm 及 (b) 1.0 µm..........................................................................63 圖 4-16 東興淨水場反沖洗水混凝/膠凝後直接薄膜微過濾之 DOC、UV254 去除率 (a)0.5 µm 及(b) 1.0 µm........................................................................................64 圖 4-17 新竹第一淨水場反沖洗水混凝/膠凝前後之顆粒粒徑分佈變化(a)微米級顆粒(b)次微米級顆粒.............................................................................................66 圖 4-18 東興淨水場反沖洗水混凝/膠凝前後之顆粒粒徑分佈變化(a)微米級顆粒(b) 次微米級顆粒......................................................................................................68 圖 4-19 新竹第一淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝/膠凝後薄膜平均相對通 VII.

(9) 量與快混後界達電位之關係..............................................................................69 圖 4-20 東興淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝/膠凝後薄膜平均相對通量與快混後界達電位之關係......................................................................................70 圖 4-21 新竹第一淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝/膠凝後之碎型維度與薄膜平均相對通量關係..........................................................................................72 圖 4-22 東興淨水場反沖洗水於不同 PACl 藥量下混凝/膠凝後之碎型維度與薄膜平均相對通量與之關係..........................................................................................73. VIII.

(10) 表目錄表 2-1 台灣地區淨水場反沖洗水處理狀況 ................................................................7 表 4-1 新竹第一淨水場、東興淨水場之基本資料 .................................................31 表 4-2 新竹第一淨水場、東興淨水場之原水、沈澱池出流水、反沖洗水之水質特性..........................................................................................................................32 表 4-3 新竹第一淨水場反沖洗水水質特性 .............................................................35 表 4-4 新竹第一淨水場反沖洗水經薄膜微過濾前後之水質差異 .........................40 表 4-5 東興淨水場反沖洗水水質特性 ......................................................................40 表 4-6 東興淨水場反沖洗水經薄膜微過濾前後之水質差異 ..................................44 表 4-7 新竹第一淨水場反沖洗水直接薄膜處理與沈澱 15 分鐘後薄膜處理之各過濾週期初始通量變化情形......................................................................................50 表 4-8 新竹第一淨水場反沖洗水於不同 PACl 加藥量下進行混凝/膠凝後直接過濾，薄膜之過濾特性分析..................................................................................55 表 4-9 東興淨水場反沖洗水於不同 PACl 加藥量下進行混凝/膠凝過濾後直接過濾，薄膜之過濾特性分析..................................................................................60 表 4-10 固定壓力下，薄膜阻抗限制模式、孔洞阻塞阻抗限制模式、濾餅形成阻抗限制模式之特性方程式......................................................................................74 表 4-11 新竹第一淨水場反沖洗水混凝/膠凝後過薄膜之 Kp 及 Kt .......................76 表 4-12 東興淨水場反沖洗水混凝/膠凝後過薄膜之 Kp 及 Kt ...............................76. IX.

(11) 第一章研究緣起與目的. 1.1. 研究緣起反沖洗水通常為淨水場最主要的廢水來源，一般約佔當天所產生. 清水量的 2-10%(Environmental Engineering and Technology, 1999)。以我國境內之淨水場而言，由於「廢水零排放」政策的推行，所以目前多將反沖洗水回流至上游單元回收，但回流處理卻可能造成諸多問題，包括了對後續單元之加藥控制和水力衝擊，特別是在暴雨期間影響尤大，但其中最為大眾所關注的便是原蟲累積問題，其曾造成大規模之感染，對公共衛生方面影響甚大；然而，我國目前對於砂濾反沖洗水回流處理並無相關之規範。反觀在國外地區，美國環保署於 2001 年安全飲用水修正法案中已制定「砂濾反沖水回流規則」，其目的主要在規範淨水場內砂濾反沖洗水回流處理程序，確保公眾飲用水方面不會受到原蟲污染之危害；因此不久未來，對於如何更安全的回收反沖洗水必然成為淨水場之一大挑戰。目前國外對於反沖洗水之處理方法主要有薄膜處理、空氣浮除、砂濾、沈澱和混凝沈澱等，每種方法各有其優缺點，但如考量用地面積和處理後水質之再利用性，薄膜處理將最具優勢，其用地面積不但最節省，且其過濾水質可達飲用水等級，對於原蟲將有完全隔絕之效果，且回收率可達 93%(Vos et al., 1997)，因此對於常出現缺水危機之台灣地區，在新水源選找不易且淨水場硬體設備無足夠空間擴充之情形下，利用薄膜來回收淨水場砂濾反沖洗水作為公共給水，將是可行方法之一。. 1.

(12) 1.2. 研究目的本研究主要目的可分為三部分，一為分析各地淨水場採集的反沖. 洗水基本水質特性，期望建立台灣地區反沖洗水水質之基本資料，另一為反沖洗水經不同前處理程序後薄膜微過濾處理，評估其產水通量變化，最後評估其過濾水直接作為公共供水之可行性。. 2.

(13) 第二章文獻回顧. 2.1 2.1.1. 反沖洗水來源及特性反沖洗水來源在淨水場的淨水程序中，砂濾池為一種最為普遍固液分離單元，. 其主要是利用位於濾池中濾料顆粒將水流中的一些微粒，例如微生物、黏土等加以捕集、吸附、阻隔以達成淨水之目的。當這些捕集到的微粒累積到一定程度，影響到砂濾池的正常操作，便需進行反沖洗程序。反沖洗程序主要利用淨水場處理後的清水，以反向沖洗（與過濾方向相反）的方式，來將這些累積的微粒物質從濾料中分離出來，這股包含這些累積微粒的廢水便稱為反沖洗水。反沖洗水通常為淨水場最主要的廢水來源，而反沖洗水的水量通常又與濾床的濾速和反洗持續時間相關，一般來講濾床反洗速率約為濾速的 10~20 倍，反洗時間約為 10~20 分鐘，故反沖洗水水量約佔淨水場總產生清水的 2~10%，平均約佔 2.5%(Environmental Engineering and Technology, 1999)。. 2.1.2. 反沖洗水水質與特性反沖洗水水質會隨著不同的淨水場而有所變化，主要的原因可能. 在於當地氣候、原水水源、處理流程或操作方法有所不同而導致其水質上差異。另一方面，由於砂濾池具有累積污染物的特性，因此反沖洗水往往含有高濃度的污染物。在國外統計資料，AWWA(American Water Works Association)的調查報告指出，反沖洗水一般主要組成有鐵或鋁的氫氧化物、細微黏土顆粒、化學物質、微生物和濾料等，pH. 3.

(14) 約介於 7.2~7.8，BOD 約 2~10 mg/L，COD 約 28~160 mg/L，DOC 為 0.8~191 mg/L(AWWA, 1999)。而 Kawamura (2000)指出對於一傳統淨水場所產生之反沖洗水濁度大約為 150 NTU 到 250 NTU，另一研究則指出砂濾池在反沖洗過程最初 1 分鐘所產生之反沖洗水濁度高達 100 NTU 至 1000 NTU 以上，然後在 2~3 分鐘後濁度快速下降至 10 NTU 至 65 NTU，濁度依淨水場操作條件不同而有所變動，平均 pH 約為 7.5~8.2， DOC 位於 1.79~3.56 mg/L，而其總懸浮固體物含量約在 46 mg/L 至 384 mg/L(Adin et al., 2002)。另外 AWWARF(American Water Works Association Research Foundation)曾針對美國地區 25 座淨水場之原水和未處理之反沖洗水進行調查，報告中指出反沖洗水中梨形鞭毛蟲 (Giardia)和隱孢子蟲(Cryptosporidium)的濃度分別較原水高出 16 倍及 21 倍，在溶解性有機碳和鋅的濃度則較原水高出 3 倍，而在總三鹵甲烷(TTHMs)的濃度甚至高出原水 92 倍(EPA, 2002)。國內相關的反沖洗水水質資料，楊氏(2005)曾針對國內長興淨水場及雙溪淨水場之反沖洗水進行研究，研究中指出長興淨水場之反沖洗水 pH 約介於 6.8~7.37，鹼度約為 30 mg/L CaCO3，溶解性化學需氧量為 1~32 mg/L，溶解性有機碳為 0.5~3.3 mg/L，而濁度和總懸浮固體物的變動則較大，分別為 550~1250 NTU 及 281~1430 mg/L。在雙溪淨水場部分，除了濁度和總懸浮性固體物和長興淨水場有較大的差異外，在酸鹼值、鹼度和總溶解性有機碳等性質變動不大，其反沖洗水濁度約在 55~57 NTU 之間，總懸浮固體物平均約為 137~193 mg/L，均比長興水廠之反沖洗水來的低。黃氏(2005)則對新竹第一淨水場之反沖洗水進行長期調查，報告中指出新竹一場之反沖洗水濁度約 620~2600 NTU 左右，較國外來的高，溶解性有機物部分約 1.01~1.31 mg/L，普遍較國外低。故由上述之調查可知，國內反沖洗水質和國外水質仍有一些差異。 4.

(15) 2.1.3. 反沖洗水之處理現況從上述可得知，反沖洗水為一股量大且水質較差的廢水，以我國. 目前放流水標準規定自來水廠放流水之懸浮固體不得大於 50 mg/L，化學需氧量不得大於 100 mg/L，此類廢水將無法直接排放，需經過適當的處理或回收。在國內處理現況，中華民國自來水協會曾針對台灣地區 23 座出水量大於 40,000 CMD 的淨水場之濃縮池上澄液、污泥脫水廢水、砂濾反沖洗水等三股廢水處理現況進行調查，在反沖洗水部分，報告中指出有 21 座淨水場對反沖洗水進行回流處理，其餘兩座則直接排至污泥塘，詳細如表 2-1 所示。(黃，2005) 在國外方面，相較於我國對反沖洗水管制較不明確，美國環保署於 1996 年之安全飲用水法修正案規定淨水場必須回流反沖洗水至上游處理單元，進行回收再利用，而根據美國自來水協會(AWWA)於 1998 年曾對美國境內 335 個淨水場進行反沖洗水回流普查，發現有 83%的淨水場回流反沖洗水至進水口，11%至初沈池，4%沈澱池，另有 2%至過濾單元前。(Arora et al., 2001) 然而，回流反沖洗水至淨水場上游單元，卻會面臨潛在負面的衝擊，例如： 1. 前加氯及混凝劑加藥量之控制問題。 2. 對後續處理單元所造成的水力衝擊，特別是颱風及暴雨期間。 3. 原蟲、微生物及化學物質累積問題，其濃度可能超出既有的污染物去除限制。. 5.

(16) 但亦有研究指出只要將反沖洗水迴流量控制在 10%以下，將不會對飲用水安全造成嚴重的影響(Edzwald and Tobiason, 2002)。Tobiason et al.(2003) 研究亦發現反沖洗水迴流率在 10%~40%並不會增加過濾池出流水的固體物量，即在此情況下迴流反沖洗水對淨水程序影響不大。楊氏 (2005)根據在長興淨水場及雙溪淨水場所設之模型廠實驗結果指出回流之反沖洗水與原水混合後其混凝效果良好，且在未考慮原蟲影響下，回流反沖洗水並未造成整體處理程序之負面衝擊。儘管如此，有鑑於回流反沖洗水會對水廠操作產生不良影響，美國環保署於 2001 年進一步制訂了規範淨水場反沖洗水回流法則 (Filter Backwash Recycling Rule)(US EPA, 2002)。其目的主要在減低反沖洗水回流處理時對原本水廠之處理效能之影響，另外，也將加強控制反沖洗水回流時所產生隱孢子蟲累積問題，以確保供水之安全. (US EPA,. 2002). 。故從未來趨勢來看，對於反沖洗水之管制將會越來越嚴格，主要. 在於反沖洗水中所含之高濃度污染物和高濃度微生物，特別是梨形鞭毛蟲和隱孢子蟲。因此如何在不影響供水安全之前提下，能夠有效回收利用此股水，已成為重要之課題，特別是對於水資源匱乏之國家。. 6.

(17) 表 2-1 台灣地區淨水場反沖洗水處理狀況(黃，2005) 回流廢水種類有回流之狀況之水廠數無回流之狀況之水廠數. 反沖洗水. 2.2. 分水井. 2. 原水端. 8. 混凝池. 7. 膠凝池. 2. 沈澱池. 1. 廢水池. 1. 污泥塘. 2. 反沖洗水處理技術發展概論反沖洗水之處理程序和一般淨水場處理原水的過程是類似的，處. 理過程主要包含了固體物的分離和微生物的去除。目前有好幾個方法已被廣泛的使用在反沖洗水之回收處理上：薄膜處理、空氣浮除、砂濾、沈澱和混凝沈澱等，對於反沖洗水中之濁度和懸浮固體物皆有一定去除效果。以下將對各個處理技術作進一步的介紹。. 2.2.1. 薄膜處理利用薄膜程序進行水及廢水處理，目前已成為世界各國積極研究. 之課題，主要的原因在於薄膜程序相較於傳統分離法具有所需土地面積小、化學藥劑使用量少、污泥產量少、極佳的固體分離效率且出流水質良好、穩定等優點，目前已廣泛使用在硬水軟化、海水淡化及廢水回收等方面。. 7.

(18) 2.2.1.1. 薄膜分類. 薄膜種類可依孔徑大小不同分為多孔性薄膜(porous membrane)及非多孔性薄膜(nonporous membrane)兩種，其作用機制亦有所不同。多孔性薄膜主要以顆粒篩除(size exclusion)機制為主，主要是將薄膜視為篩網，能將大於篩網孔徑的顆粒物質阻隔於薄膜表面上，不讓其通過，故其用途主要在去除水中之微粒物質，此種薄膜有 MF、UF 等。非多孔性薄膜主要藉由溶液的擴散作用(solution diffusion)和薄膜的電荷排斥(charge repulsion)進行分離，可去除水中小分子有機物和離子，NF、RO 屬此種薄膜(AWWA, 1989)。另外，薄膜操作依過濾方式可分為截流式過濾(dead-end filtration)和掃流式過濾(cross-flow filtration) 兩種，其中截流式過濾可以低壓操作及利用前處理程序改善薄膜阻塞問題。而掃流式過濾需在高壓下進行，導致較高的能量損耗和維修費用(krulik et al., 2001；Lee et al., 2003)。. 2.2.1.2. 薄膜之質量傳輸. 對於壓力差為△p 之多孔性薄膜通量 J（m3m-2s-1）可以由達西定律（Darcy’ s law）之修改式來表示：. 1 dV p J  A dt Rt. (1). 式中 A 為薄膜過濾面積(m2)；△p 為透膜壓差(transmembrane pressure；TMP)(Pa)；Rt 為薄膜總阻抗(m-1)。對於 MF 薄膜而言，因其過濾機制是以顆粒篩除為主，因此過濾過程中薄膜之總阻抗主要由薄膜初始之阻抗、濾餅之阻抗和積垢現象之阻抗所造成，故(1)式可改寫為 8.

(19) P J ( Rm Rc R f ). (2). 式中 Rm(intrinsic membrane resistance)為薄膜本身初始之阻抗 (m-1)；Rc 為薄膜表面濾餅之阻抗；Rf 為薄膜因不可逆吸附(irreversible adsorption) 和孔洞阻塞 (pore blocking) 之積垢現象所產生的阻抗 (m-1)。(Lee et al., 2000) (2)式可改寫為(3)式 J 1  p ( Rm Rc R f ). (3). J/△p 定義為比通量(specific flux)(Braghetta et al., 1997)，代表每單位透膜壓力所產生之通量。在 MF 薄膜操作中，有機或無機物質將會吸附或沈澱於薄膜孔洞上，導致薄膜積垢，同時，Rf 將會增加；J/△p 將會下降。故比通量也可間接用來表示薄膜之積垢狀況(MO et al., 2002)。此外，原水之溫度變動亦會影響薄膜之通量，以 20℃下之通量為參考值，則 T℃時的通量可用(4)表示(Braghetta et al., 1997). J (200 C ) J (T )e 0.024(T 20). 2.2.1.3. (4). 薄膜之通量衰減. 隨著薄膜操作時間的增加，原水中所含的膠體顆粒或溶解性物質將會吸附於薄膜孔隙內層，使孔隙受壓縮而改變其原有效半徑；另外大顆粒物質將會阻塞孔洞，導致薄膜有效過濾面積減少，當更多物質沈積於薄膜表面或孔隙時，便會在薄膜表面形成濾餅，使欲通過薄膜之溶液受阻，因而降低產水率。 9.

(20) 對 UF、MF 薄膜操作而言，造成薄膜通量顯著衰減之主因有薄膜表面濾餅的形成(cake formation)、薄膜孔徑阻塞(pore blocking)和吸附性阻塞(adsorption)，如圖 2-1 所示(Hong et al., 2005)。. 圖 2-1 造成 MF 和 UF 薄膜操作通量衰減之因素(Hong et al., 2005). 濾餅阻抗 Rc、濾餅比阻抗α(每單位厚度濾餅之阻力，m．kg-1) 和薄膜表面沈積的濾餅之質量 M，可以下式表示：. M VCb Rc   Am Am. (5). 式中 Am 代表薄膜的面積；V 表累積之過濾液體積；Cb 為顆粒之濃度；α為濾餅之比阻抗，一般來講濾餅之比阻抗可藉由實驗決定，在 TMP( △ p) 固定之條件下利用 (6) 式求出，另外也可利用 Kozeny-Carman 公式來求出比阻抗之理論值，如(7)式所示 (Lee. et al.,. 2000). ： R C t  m  2b V V Am P 2 Am P. (6). 10.

(21) 180(1 )  2 2 p d p. (7). 式中ε為濾餅之孔隙率(porosity)；ρp 為沈澱顆粒之密度；dp 為沈澱顆粒直徑。由(7)式可知當沈澱於薄膜表面顆粒粒徑越小時，其濾餅所造成之阻抗將會越大，若濾餅主要由大顆粒組成則其濾餅阻力將會較小，能獲得較佳之產水率。對 MF 和 UF 薄膜操作而言，濾餅本身可視為一移除小顆粒的去除裝置，用以去除水中之小顆粒，但隨時間增加，顆粒會逐漸累積在薄膜表面上，濾餅將會逐漸增厚，最後濾餅壓密，而濾餅阻力也會隨時間而增大 (Boerlage. et al., 1998). 。Hong et. al.(2005)指出濾餅阻力對 MF 和 UF 應用於淨水或廢水處理而言，為主要影響濾液通量之因素。除濾餅形成之阻力外，當原水中之顆粒粒徑與薄膜孔徑大小接近時，將造成薄膜過濾孔道之阻塞，使的薄膜有效之過濾面積急速減少，使薄膜阻力快速增加，此種現象稱為孔徑阻塞(pore blocking)，濾速之衰減將與過濾時間成反比關係，而孔徑阻塞所產生之阻抗將較濾餅形成和吸附性阻塞產生之阻抗來的大(Le and Howell et al., 1984)。此外，原水中所含之物質隨時間將會吸附或沈積於薄膜孔隙中，導致薄膜表面有效孔隙面積比例及有效孔隙半徑變小，稱為吸附性阻塞(adsorption)(Fan et al., 2001)；而此種積垢難以去除，因此薄膜阻力相對增大。一般來講，吸附性阻塞多為有機物造成，特別是腐植酸或其它天然有機物，常會吸附在薄膜上造成通量下降。另外，由於吸附性阻塞多為有機物所造成，因此有機物及薄膜表面所帶電荷將影響積垢產生情形。一般而言，用於淨水或廢水處理的醋酸纖維膜、陶瓷膜及薄層複合膜表面皆帶有部份陰離子，通常薄膜親水性較佳者其膜面上之電位密度亦較高。另一方面，由於疏水性作用會使累積於薄膜表面之 11.

(22) 天然有機物增加，因而促使吸附性阻塞提高。過去許多研究顯示，以親水性薄膜處理湖水時，其薄膜阻塞現象較疏水性薄膜要來得低；而對於溶解性有機物之去除，薄膜之疏水性較大者其吸附性阻塞現象也較易發生。. 2.2.1.4. 薄膜程序處理反沖洗水之相關研究. 在國外，薄膜程序已被廣泛的使用在反沖洗水處理上，主要原因在於薄膜能夠提供一極佳的屏障來將微粒物質阻隔在薄膜表面，且處理後的水質再利用可行性高。在反沖洗水處理上常用的薄膜種類有 MF 和 UF，Vigneswaran et al.(1996)採用掃流式 MF 薄膜操作，發現在長期操作下，濃度極化現象並不明顯，配合適當的反洗，將可維持一定比率之產水率。而 Willemse 及 Brekvoort（1999）則採用截流式 UF 薄膜回收反沖洗水，結果指出其動力成本將較掃流式操作減少 34 ％，且回收率可達 93％。同時，根據國外許多薄膜模場或實廠操作的資料顯示，反沖洗水經薄膜處理後，可有效去除濁度、總懸浮固體物和微生物等物質，處理後水質可達歐盟的飲用水水質標準，若基於更安全的考量則可於薄膜後加設 UV 消毒，消毒後則可回收直接作為公共給水使用（Vos et al., 1997；Dotremont et al., 1999）；國內方面，黃氏（2005）利用實驗室規模之截流式 MF 薄膜系統進行反沖洗水處理，結果指出不論是採用孔徑為 0.5 m 或 1.0 m 之 MF 薄膜進行過濾，過濾水於濁度、大腸桿菌和總菌落數方面可達我國飲用水水質標準。另外，針對目前淨水場普遍將反沖洗水迴流至原水端可能造成原蟲累積或穿透風險，薄膜技術亦提供一良好解決技術。文獻指出當 MF 薄膜的孔徑小於 0.2 m 時可去除所有的細菌和原蟲，其中包含了梨形鞭毛蟲和隱孢子蟲(Jacangelo and Buckley, 1996)。Thomposon et al.(1995)自 12.

(23) 行在反沖洗水中添加梨形鞭毛蟲和隱孢子蟲，隨後以 0.2 m 之 MF 處理後，過濾水中沒有檢測出任何梨形鞭毛蟲和隱孢子蟲。. 2.2.1.5. 混凝前處理結合薄膜過濾. 許多研究已指出，在薄膜過濾前進行前處理將可改變原水中污染物組成狀況，具有增加薄膜通量或降低操作壓力以及延緩積垢現象發生之功能，這些前處理方法包含有粉狀活性炭吸附、顆粒活性炭吸附、固體沈降、混凝處理和臭氧處理(Choi and Dempsey, 2004)。其中以混凝處理最常被作為前處理手段，其作用使累積在薄膜表面小顆粒聚集成較大的顆粒，使濾餅有較大之孔隙率，增加薄膜通量(Pikkarainen et al., 2004)。除了放大顆粒粒徑外，在原水中添加混凝劑混凝沈澱後結合薄膜微過濾可增加天然有機物之去除率，並可減緩因有機物所產生之積垢現象 (Jang et al., 2005). ；但並非所有的有機物皆可藉由混凝沈澱來去除，Kimura. et al.(2005)指出當薄膜不可逆之積垢（irreversible fouling）由低分子量之有機物如 polysaccharides 和 protein 造成時，由於混凝沈澱處理對此類有機物去除效率不佳，故此時混凝前處理對於薄膜積垢並沒有明顯改善；而 Hwang 及 Liu (2002)則指出在薄膜過濾前進行混凝前處理將可加強薄膜過濾時表面之傳輸現象，促使積垢物質(foulants)遠離薄膜表面。雖然混凝前處理有眾多優點，但混凝條件的控制上仍有值得注意的地方，Judd 及 Hillis (2001)指出混凝前處理產生膠羽大小必須達到一定程度，否則薄膜表面可能會因混凝劑顆粒之阻塞而產生不可逆之積垢；類似的結果亦在另外一份研究中被提及，Nguyen 及 Ripperger (2002)的研究中指出在薄膜過濾前使用膠凝劑對原水進行膠凝動作時，此時膠凝劑的添加量有一臨界值存在，一旦超出此臨界值，隨著膠凝劑添加量的增加薄膜通量反而逐漸下降，主要原因在於 13.

(24) 過量加藥時，除了會使原水之黏滯度上升外，殘餘的膠凝劑將會吸附在薄膜表面上並在薄膜表面形成一高黏滯度之膠凝層（flocculant layer），造成薄膜之水力阻抗增加。此外，在其它混凝前處理研究方面，Lee et al.(2000)曾探討混凝前處理之機制對後續薄膜過濾之影響，結果指出在截流式 MF 微薄膜過濾時，若前混凝之條件為電性中和，則此條件下所產生之污泥在薄膜表面形成的濾餅之比阻抗(specific cake resistance)將較沈澱網除條件下所形成之污泥來的小，可降低薄膜操作壓力，減少成本；但如以掃流式式 MF 薄膜來進行實驗，則前混凝處理機制不同對後續過濾並無明顯差異；另外，Choi 及 Dempsey (2004)在混凝結合 UF 薄膜處理的實驗中，同樣發現在酸性和電性中和條件下所產生之膠羽於薄膜過濾時將有較低水力阻抗，但若考慮後續的水力反沖洗效率(hydraulic washes)，發現去穩定之顆粒(電性中和)反而較帶電(未電性中和)之顆粒不易藉由水力反沖洗自薄膜表面清洗出來，又如果測量化學清洗 (chemical cleaning)後之阻抗，可發現過濾電中性膠羽溶液之薄膜在經化學清洗後之阻抗將會最小，也就是說「電性中和」機制對於控制薄膜不可逆之積垢將有最佳效果。而在不同前混凝條件下，膠羽碎型維度之差異亦會對後續薄膜操作造成影響，當膠羽碎型維度越小時，其膠羽結構較為鬆散，其在薄膜表面所形成之濾餅會有較大之孔隙率，故濾餅阻抗較小；反之，膠羽碎型維度越大，膠羽結構較為緊實，故其所組成之濾餅透水率較差，使的濾餅阻抗增大(Cho et al., 2005)。但亦有相反看法，Kim et al.(2005)指出膠羽碎型維度越大時，膠羽形狀較為均一(接近球體)，故膠羽在薄膜表面排列將較為規則，因此濾餅將有較高之孔隙率；反之，碎型維度較低之膠羽，其在薄膜表面多呈不規則排列，故造成濾餅孔隙率較低。 14.

(25) 而在反沖洗水薄膜過濾處理上，亦有結合混凝前處理之研究。 Song et al.(2001)在薄膜模廠的實驗中指出，反沖洗水通過薄膜前若經前混凝和前加氯處理可使孔徑為 0.5 μm之截流式 MF 薄膜有效回收反沖洗水，對於總菌落數和大腸桿菌的去除率分別可達到 99.99％和 100％，且水質可達歐盟飲用水水質標準。Nasser et al.(2002)亦指出反沖洗水經前混凝處理後，對反沖洗水之濁度及隱孢子蟲去除率可達 93％，且混凝後過 UF 薄膜可增加噬菌體(MS2 bacteriophage)去除達 99％，優於單一 UF 薄膜處理。雖然在薄膜過濾前進行前處理程序能有效增加薄膜操作效率，但相對也會造成薄膜廠之總支出增加，事實上並非所有薄膜廠都需前處理，仍須視水質狀態而定，以達到最大之經濟效益。(Gabelich et al., 2002). 2.2.2. 溶解空氣浮除. 溶解空氣浮除法(dissolved-air flotation；DAF)普遍使用在兩方面：在傳統淨水流程中取代重力沈澱池及廢水處理中作為污泥濃縮單元，但目前也已廣泛的使用在處理淨水場砂濾反沖洗水。在溶解空氣浮除的程序中，主要利用利用高壓將氣體注入反沖洗水中，使之呈過飽和，隨後在大氣壓力下放出溶解氣體，產生細小氣泡與反沖洗水顆粒接觸，形成密度小於水之凝集物後藉由機械刮除或自動從池中溢流出去。使用溶解空氣浮除法需考量廢水之特質，一般對於處理含有低密度顆粒、低固含量或高氫氧金屬物質之反沖洗水較適合使用溶解空氣浮除法來進行(楊，2005)，而 Bourgeois et al.(2004)在實廠的操作中發現，即使添加助凝劑，此程序仍只對反沖洗水中之低密度顆粒有較理想之去除效果。 15.

(26) Cornwell et al.(2001)在模場的研究中，發現當反沖洗水濁度為 30~300 NTU 時加藥經溶解空氣浮除法處理後，濁度可降到 1~2 NTU，去除率可達 99％。除了濁度外，溶解空氣浮除法對於反沖洗水中之總有機碳、鐵和鋁亦有良好去除效果，去除率分別可達 87％、 98％、99％，惟對錳的去除率較差，僅有 20%；此外在粒徑範圍大於 2 μm之顆粒去除率最大可達 92％，因此對於直徑較大之梨型鞭毛蟲（5~10 μm）和隱孢子蟲（3~5 μm）亦有良好之去除效果 (Bourgeois et al., 2004)。另外，在分別利用溶解空氣浮除法及薄板沈澱池(lamella sedimentation)處理反沖洗水之模場操作中，指出溶解空氣浮除法對於隱孢子蟲及梨形鞭毛蟲之平均去除率分別可達 2.4 log 和 2.1 log；然而薄板沈澱池的去除率則分別只有 1 log~1.2 log 和 0.91 log~1.1 log(Edzwald et al.,2001)。. 2.2.3. 沈澱沈澱單元主要藉由重力或物理分離來去除固體物或微生物。一般. 來講，反沖洗水中之顆粒物質沈降性相當良好，在考量經濟的條件下，沈澱單元為一合適之選擇。Bourgeois et al.(2004)在模場的研究中，指出對於含有低密度金屬氫氧化物膠羽之反沖洗水，若直接採用沈澱處理效果不佳，可先使用陽離子助凝劑膠凝後再沈澱，效果較佳；另外，水中若含有天然有機物時，添加助凝劑亦可增加有機物之去除效率。而沈澱池若能操作在低溢流率的情況下除了可增加濁度和原蟲的去除率外，對於消毒副產物也有一定的去除效果(EPA,. 2002). 。此. 外，若能採用傾斜板或傾斜管沈澱池來處理反沖洗水亦可獲得不錯之效果(Hess et al., 1993；Narasomhan 1997；Tobiason et al.,2003)。. 16.

(27) 2.2.4. 混凝沈澱混凝/膠凝過程可概分為三個階段，當混凝劑加入水中首先會進. 行一連串的化學反應並形成具作用性的混凝作用基，接下來混凝作用基與水中穩定之微粒結合，並進行膠體去穩定作用，最後的階段為已經去穩定之膠體微粒相互進行碰撞之後，產生較大粒徑之聚集體，而所形成之大聚集體可在後續沈澱單元去除(Benefield et al., 1982)。一般反沖洗水中懸浮固體顆粒粒徑大都位於 2~15 μm，不易藉由重力沈澱，因此必須藉由混凝劑或助凝劑的作用，促使顆粒放大，增加沈澱之去除效果(Edzwald and Tobiason, 2002)。此外，由於反沖洗水中之顆粒多為黏土和金屬氧化物顆粒，多屬不穩定顆粒，若直接採混凝沈澱處理，將可增加有效碰撞頻率，促進處理的效果(Cornwell. and MacPhee, 2001). 。. Adin et al.(2002)在反沖洗水處理之模廠實驗中，先對反沖洗水進行預沈澱處理後，再添加明礬進行混凝處理，由於不穩定之大顆粒已被沈澱去除，剩下不易沈澱之小顆粒將藉混凝作用聚集成大膠羽後沈澱去除，此操作方式將能有效減少混凝劑之加藥量，而混凝處理對於隱孢子蟲將有高達 93%的去除率，對病毒(Coxackie A9)則有 73%的去除效率。另外，楊氏（2005）曾對長興淨水場和雙溪淨水場之反沖洗水進行混凝處理，研究中分別使用多元氯化鋁和明礬作為混凝劑，對於反沖洗水皆有良好的濁度去除效果，其中又以多元氯化鋁混凝劑的效果較佳，且若能選用適當的高分子絮凝劑搭配多元氯化鋁混凝劑一起混凝，將可加強對反沖洗水中濁度及有機質的去除效果，並可減少混凝劑所需之加藥量。. 17.

(28) 第三章實驗設備、材料及方法. 3.1 實驗水樣 3.1.1. 新竹第一淨水場砂濾反沖洗水新竹第一淨水場位於新竹市，主要以頭份溪為原水水源，原水經. 由淨水場之混凝、膠凝、快濾和消毒等程序後進入配水系統，供水量約 130,000 CMD，主要供一般民眾使用。廠內快濾池為傳統綠葉式單閘門，共有 8 池，每池每天約反洗 1 次，每次約 10 分鐘，反洗水量約 5,000~6,000 CMD，約佔總產生清水量之 3~5％，而所產生之反沖洗水將會排至廢水池與其他廢水混合後，排入初沈池後，待沈降一段時間後抽取上澄液回流至快混池回收。. 3.1.2. 東興淨水場砂濾反沖洗水東興淨水場位於苗栗縣，原水來源主要來自於永和山水庫，原水. 經由淨水場之高速膠凝沈澱池、快濾和消毒等程序後進入配水系統，供水量約 160,000 CMD，其中 80,000 噸可供科學園區使用，其餘作為民生用水。廠內快濾池為美國哈丁齊式（ABW），共有 4 池，每池每天約反洗 3 次，每次約 2~3 分鐘，反洗水量約 2,600 CMD，約佔總產生清水量之 1.6％，而所產生之反沖洗水將會排至廢水池與其他廢水或污泥混合後排入污泥濃縮槽，濃縮後澄清之上澄液將會回流至原水端。. 18.

(29) 3.2. 實驗藥品. (1)聚氯化鋁(PACl，SHOWA) 原始濃度為 10% as Al2O3。於混凝實驗進行當日直接由原液稀釋至 1,000 mg/L as Al 作為混凝劑之用。 (2)氫氧化鈉(NaOH，Panreac) 濃度配置成 0.1 N，用以調整實驗時所需酸鹼值。 (3)鹽酸(HCl，島久純藥) 濃度各配置成 0.1N，用以調整實驗時所需酸鹼值。 (4) 胰化蛋白. 葡萄糖培養基（DifcoTM Tryptone Glucose Extract. Agar，Becton, Dickinson and company）取 21 g 粉末溶於 1 L 蒸餾水中，經 121 ℃ 滅菌 15 分鐘後，冷卻至約 50 ℃，倒入無菌培養皿中，室溫下凝固，作為總菌落數之培養基。未用完之培養基可保存於冰箱中，保存時間以不超過兩週為限。 (5) LES Endo agar 培養基（DifcoTM Endo Agar LES，Becton, Dickinson and company）取 51 g 粉末溶於含 20 mL 酒精(95%，v / v)之 1 L 蒸餾水中，煮沸溶解後，冷卻至 45 至 50 ℃，分裝約 5 mL 之培養基至直徑 60 mm 培養皿中，置於室溫下凝固後，作為檢測大腸桿菌之培養基。未用完之培養基需保存在 2 至 10 ℃ 不透光的容器或黑暗中，但不得超過兩星期。. 19.

(30) (6) 磷酸二氫鉀（KH2PO4，Panreac）取 3.4 g 磷酸二氫鉀溶於 50 mL 的蒸餾水中，俟完全溶解後，以 1.0 N NaOH 溶液調整其 pH 值為 7.2 ± 0.5，然後加蒸餾水至全量為 100 mL，儲存於冰箱中，作為配置無菌稀釋液用。 (7)氯化鎂（MgCl2‧6H2O，島久純藥）取 8.1 g 氯化鎂先溶於少量蒸餾水，俟完全溶解後，再加蒸餾水至全量為 100 mL，儲存於冰箱中，作為配置無菌稀釋液用。 (8)無水磷苯二甲酸氫鉀（C8H5KO4，Acros）溶解 2.1254 克的無水鄰苯二甲酸氫鉀（KHP，anhydrous potassium biphthalate）於試劑水中並定容至 1000 mL，此溶液濃度為 1000 mg 碳 / L，作為溶解性有機碳分析儀校正標準儲備液。. 3.3. 實驗設備與裝置本研究所採用的實驗設備可分為兩部分：水質分析設備、微過濾. 薄膜裝置，各項設備將簡述如下。. 3.3.1. 水質分析設備. 1.酸鹼度計（pH meter）由 WTW 公司所製造，型號為 inoLab Multi Level 1 之儀器，可同時測量導電度和 pH 值。. 20.

(31) 2.濁度計（Turbidimeter）由 WTW 公司所製造，型號為 Turb555 之儀器，以鎢絲燈管作為光源，量測顆粒對光線的散射程度來求得濁度值。其偵測濁度範圍為 0.02~1750 NTU。 3.瓶杯試驗機（jar tester）由美國 Phipps & Birds 公司所製造型號為 PB-700 之瓶杯試驗機，最大轉數為 400 rpm，最小轉數為 10 rpm，槳葉規格為長 7.6 cm，寬 2.8 cm。 4.總有機碳分析儀（Total organic carbon analyzer）由日本 Shimadzu 公司所製造，型號為 TOC-5000A 之儀器。水樣均勻攪拌及適當稀釋或減量後，在酸性的條件下，將無機碳轉換成二氧化碳，並藉由吹氣的方式將二氧化碳吹除，此時樣品中只剩有機碳，然後再將樣品注入內含催化劑的加熱反應器分析，而有機碳會被氧化成二氧化碳和水，將這些二氧化碳以載流氣體送至非分散式紅外線分析儀，檢測所得為總有機碳濃度。 5.紫外光可見光光譜儀（UV-visible spectrometer）由日本 Hitch 公司所製造，型號為 U3010 之儀器。 6. 小角度雷射光散射粒徑分析儀（Small-angle laser light scattering instrument ）由英國 Malvern 公司所製造，型號為 Mastersizer 2000 的小角度雷射光散射粒徑分析儀，主要利用氦氖紅光雷射配合藍光雷射穿過一組反傅立葉鏡頭再透過水樣中的顆粒，經過多角度偵測器量測出懸浮液中之粒徑分佈狀況，其量測之粒徑範圍為 0.02~ 2000 μm。此分析. 21.

(32) 儀適用顆粒濃度較高且顆粒粒徑較大的水樣。 7.動態雷射光奈米顆粒/界面電位儀及分子量量測儀（Zeta-sizer）由英國 Malvern 公司所生產，型號為 Zetasizer nano ZS 之儀器。用以量測混凝膠凝處理後的上澄液與薄膜過濾濾液中之顆粒粒徑分佈狀況，以及界達電位值。此儀器可偵測的顆粒粒徑範圍為 0.6 ~ 6000 nm，而界達電位所能分析範圍為粒徑介於 3 nm ~ 10 μm之顆粒。此測量儀適用於顆粒濃度較低、顆粒粒徑小、粒徑分佈範圍窄之水樣。. 3.3.2. 截流式(Dead-end)微過濾薄膜裝置研究中所使用的截流式微過濾薄膜設備主要由進料槽、薄層複合. 膜(Thin-Film Composite Membrane)模組、電子天秤、抽氣幫浦、抽氣錐形瓶、電腦等設備所組成，如圖 3.1 所示。以下將簡述各項設備及規格。 1.進料槽採用長 11 cm，高 21 cm 之壓克力方形槽，體積為 2 L。 2.薄層複合膜模組研究中所用之圓形薄層複合膜（Thin-Film Composite Membrane）由美國 Gore 公司所生產，直徑為 5 cm，孔徑大小為 0.5 m 和 1.0 m，其過濾面材質為 PTFE，而支撐材料為 PP。過濾時需將膜片置於圓形薄膜過濾匣中，此時薄膜有效過濾面積為 0.02 m2。 3.電子天平由 Precisa 公司所製造，型號為 XB 4200C 電子天平，負重範圍由 0.5 g~4200 g，使用時可和電腦連線，並將量測結果即時輸出到電 22.

(33) 腦記錄。 4.抽器幫浦使用由 GAST 所製造之幫浦，過濾時將壓力控制在 0.65 kg/cm2，屬低壓薄膜操作。 5.抽氣錐形瓶由 KIMAX 公司所生產容量為 2 L 之抽氣錐形瓶，專門用來收集經過薄膜處理後之過濾液。 6.電腦電腦系統為 IBM 相容性個人電腦，專門用來線上紀錄電子天平的量測結果。. 圖 3-1 截流式微過濾薄膜裝置. 23.

(34) 3.4. 實驗架構與步驟本研究探討利用微過濾薄膜處理淨水場砂濾反沖洗水後直接作. 為公共給水之可行性。首先將進行淨水場單元操作資料收集，並採集實廠之反沖洗水進行分析，以釐清各淨水場反沖洗水水質之差異，然後藉由實驗室小型微過濾薄膜設備，進行實場反沖洗水微過濾薄膜處理，並探討直接過濾、沈澱後過薄、混凝後過濾對於過濾通量之影響；同時，過濾水需被收集，並進行一連串水質分析，並評估薄膜過濾水直接作為公共給水之可行性。研究架構如圖 3-2。主要實驗流程如下列章節所述。. 24.

(35) 圖 3-2 實驗架構. 25.

(36) 3.4.1. 實驗步驟. 1.水廠資料收集與反沖洗水採樣採樣前需先聯絡廠方，確定何時濾池將進行反洗程序，並於指定時間到達淨水場進行採樣。採樣完成後，詢問廠方關於淨水場操作方面資料，如淨水處理流程、砂濾池形式、砂濾池反洗時間、反沖洗水水量及其處理狀況等資料。 2.反沖洗水採樣 (1)先採集淨水場原水 (2)準備一繫有長繩之採樣桶 (3)當砂濾池排完水，砂床開始上浮時，將採樣桶丟入排水渠道中進行採樣，採樣時間為 6 分鐘 (4)將每次採樣桶所取得之反沖洗水裝入 20 L 之儲水桶中 (5)將現場所取得之反沖水樣混合均勻後，進行後續水質分析及薄膜過濾實驗 3.反沖洗水水質分析採樣完成後，立即分析其基本水質，分析的項目包含濁度、pH、總懸浮固體物、總揮發性固體物、溶解性有機物（DOC）、UV254、總菌落數、大腸桿菌數、SVI、界達電位和粒徑分佈等項目，建立各淨水場之反沖洗水水質資料。 4.反沖洗水前處理 (1)沈澱前處理 a.沈澱時間之選擇 26.

(37) 取 1.8 L 之反沖洗水置於體積 2 L 之壓克力方形槽中，並於固定時間下量測其液面下 10 cm 之濁度，繪製出濁度隨時間變化曲線，並以其曲線之轉折點訂為最佳沈澱時間。 b.沈澱程序取 1.8 L 之反沖洗水置於體積 2 L 之壓克力方形槽中，依所選定之最佳沈澱時間使其自由沈降，沈澱終了，取其上澄液 1.5 L 移至進料槽中進行薄膜微過濾實驗。 (2)混凝前處理 a.瓶杯試驗使用美國 Phipps&Birds 公司所製造型號為 PB-700 之瓶杯試驗機，最大轉數為 400 rpm，最小轉數為 10 rpm，槳葉規格為長 7.6 cm，寬 2.8 cm，每批次可同時操作 6 個水樣，每組實驗則使用體積為 2 L，長 11 cm，高 21 cm 之壓克力方形槽。首先，需先尋找最適操作之 pH。實驗進行時，於水樣中加入固定劑量之 PACl 後，分別調整水樣 pH 值為 4、5、6、7、8、9、 10，提供轉速為 200 rpm (G=350 s-1)的快混攪拌 1 分鐘，之後的 20 分鐘進行轉速為 30 rpm (G=25 s-1)的慢混，慢混停止後靜置 20 分鐘量測其上澄液濁度，決定最適操作 pH。找出混凝劑之最適操作 pH 後，在不同水樣中加入不同劑量之混凝劑進行試驗，並調整水樣 pH 為最適操作 pH。提供轉速為 200 rpm (G=350 s-1)的快混攪拌 1 分鐘，快混後立刻測量顆粒表面之界達電位，之後的 20 分鐘進行轉速為 30 rpm (G=25 s-1)的慢混，慢混後立即測量其粒徑分佈和溶解性有機碳濃度，隨後靜置 20 分鐘後量測其上澄液濁度和溶解性有機碳濃度，決定不同混凝劑加藥. 27.

(38) 量下之界達電位、濁度、粒徑分佈和溶解性有機碳去除率之關係。 b. 混凝程序取反沖洗水 1.5 L 置入體積 2 L 之壓克力槽，分別加入不同劑量之混凝劑（與瓶杯試驗之劑量相同），並將 pH 調整為最適操作 pH，提供轉速為 200 rpm (G=350 s-1)的快混攪拌 1 分鐘和轉速為 30 rpm (G=25 s-1)的慢混後，倒入進料槽中，隨即進行薄膜過濾實驗。 5.截流式微過濾薄膜過濾試驗 (1)薄膜前處理以超純水浸泡 24 小時以上方可使用。 (2)清水試車實驗進行前膜片需經前處理後方可使用。清水試車操作前需先以 1000 mL 之超純水通過薄膜，以洗去膜片上所殘留之有機物。續以清水進行試車，以瞭解系統運轉狀況和薄膜初始通量，其操作步驟如下： a.將薄膜模組置入裝有超純水 1.5 L 之進料槽中 b.開啟電子天平並歸零後，與電腦連線 c.檢查測試之壓力、管線、閥件是否正常 d.紀錄累積濾液體積至 800 mL 所對應的時間 (3)未處理或前處理後之反沖洗水過濾操作清水試車結束後接續進行反沖洗水過濾實驗，操作步驟如下： a.將薄膜模組置於裝有 1.5 L 水樣之進料槽中，並以磁石攪拌保持水樣均勻. 28.

(39) b.開啟電子天平並歸零後，與電腦連線 c.檢查測試之壓力、管線、閥件是否正常 d.紀錄累積濾液體積至 800 mL，進行水力反沖洗(若為長期性試驗則重複此步驟 4 次) e.取過濾後水樣，進行濁度、溶解性有機物、UV254、總菌落數和大腸桿菌數等分析 (4) 反洗後薄膜之清水通量水樣過濾結束後，進行水力反沖洗，再將膜片通過超純水，紀錄累積濾液體積至 800 mL 所需時間。 6.探討反沖洗水水質特性及前處理方法對於薄膜通量及過濾水質之影響於薄膜過濾實驗完成後，將探討未處理反沖洗水與前處理後反沖洗水之水質特性，如膠羽大小、界達電位和溶解性有機物濃度等項目，對於薄膜過濾通量之影響，最後探討過濾水直接作為公共給水回收之可行性。. 29.

(40) 第四章結果與討論. 4.1. 淨水場砂濾反沖洗水水質基本水質分析本研究使用之淨水場砂濾反沖洗水係分別採集自新竹第一淨水. 場及苗栗東興淨水場，兩者之原水水源分別來自於頭前溪和永和山水庫；而其主要淨水程序則分別為混凝沈澱和高速膠羽沈澱池；在濾池部分，新竹第一淨水場採用傳統綠葉式單閘門濾池進行過濾，而東興淨水場則使用哈丁齊濾池(ABW)進行過濾，詳細基本單元操作資料如表 4-1 所示。表 4-2 則為兩淨水場之反沖洗水水質資料。由表 4-2 可發現在反沖洗水濁度方面，兩淨水場有較大之差異，以新竹第一淨水場而言，其反沖洗水濁度位於 620~2620 NTU 間，濁度高且變動範圍大，主要原因在於新竹第一淨水場採用河川水作為原水水源，因此易受到季節氣候變化之影響，造成原水水質變動較大，連帶使的反沖洗水水質呈現不穩定狀態；若以季節來區分，夏秋兩季，其反沖洗水濁度約位於 1000~2000 NTU 間，但如果適逢下雨時期其反沖洗水濁度可高達 2600 NTU，而春冬兩季，反沖洗水濁度較低，約<1000 NTU。在東興淨水場方面，其原水水源主要來自於永和山水庫，由於永和山水庫屬離巢水庫，基本上原水水質變動不大，故其反沖洗水濁度變動幅度不大，Edzwald et al.(2003)在其研究報告中亦指出原水水質為影響反沖洗水水質之重要因素；另外，快濾池的形式亦會造成反沖洗水水質之不同，新竹第一淨水場所採用的濾池為傳統綠葉式單閘門，其池深較深，且濾料粒徑較小，再加上其反沖洗次數一天僅有一次，因此會有較多之顆粒累積於濾池中，故其反沖洗水濁度較高；反之，東興淨水場採用的是哈丁齊式濾床，濾床深度約為傳統綠葉式的一半，再加上濾料粒徑較大，反洗次數較頻繁，故其反沖洗水濁度較傳統綠 30.

(41) 葉式濾池所產生的反沖洗水為低。而在其他水質方面，如界達電位、 pH、DOC、UV254、SVI 等兩淨水場之反沖洗水並無明顯差異；若和國外相比，根據 AWWARF 的調查資料指出，美國地區反沖洗水濁度約位於 0.57~97 NTU，pH 則介於 6.2~6.8，總有機碳為 5.54~7.1 mg/L，可發現台灣地區之反沖洗水於濁度及 pH 方面較國外地區來的高，但有機物部分與國外相比則有偏低的情況(Comwell and Lee, 1993)，而楊(2005) 亦曾指出國內淨水場之反沖洗水，其濁度與總懸浮固體物濃度均較國外水廠來的高，但 UV254 吸光值則遠低於國外反沖洗水，代表國內淨水場反沖洗水中天然有機物(Natural organic matter；NOM)含量並不高。. 表 4-1 新竹第一淨水場、東興淨水場之基本資料淨水場名稱. 新竹第一淨水場. 東興淨水場. 原水來源. 頭前溪. 永和山水庫. 處理流程. 快混池-膠凝池-沈澱池快濾池-清水池-供水. 混合池-膠羽沈澱池快濾池-清水池-供水. 砂濾池形式. 傳統綠葉式單閘門. 哈丁齊式(ABW). 濾池反洗頻率. 1 次/天. 3 次/天. 濾池反洗持續時間. 10 min/次. 2~3 min/次. 反沖洗水處理方式. 廢水池-初沈池-回收井快混池. 廢水池-污泥濃縮池原水混和池. 反洗用水量總產生清水量. 4.5%. 1.5%. 31.

(42) 表 4-2 新竹第一淨水場、東興淨水場之原水、沈澱池出流水、反沖洗水之水質特性水質項目. 新竹第一淨水場東興淨水場. 原水. Turbidity(NTU). 23.4~44. 2.6~5.0. 沈澱池出流水. Turbidity(NTU). 6.5~7.4. 4.1~5.0. Turbidity(NTU). 620~2620. 290~450. pH. 7.7~8.0. 7.7~7.9. TS(mg/L). 846~1616. 666~826. SS(mg/L). 432~1407. 376~536. DOC(mg/L). 1.01~2.47. 1.04~1.64. UV254(cm ). 0.012~0.028. 0.012~0.019. Zeta potential(mV). -7.3~-12.9. -3.0~-9.8. SVI. 9~45. 51~81. 反沖洗水. -1. 4.1.1. 反沖洗水之粒徑分佈. 反沖洗水中所含之顆粒主要為原水經混凝沈澱後仍無法去除而為砂濾池所阻留之顆粒。一般來講，反沖洗水中顆粒之粒徑分佈範圍相當廣泛，小至數百奈米，大至數千微米都有；而本研究使用之新竹第一淨水場和東興淨水場之反沖水粒徑分佈狀況經小角度雷射光散射粒徑分析儀量測所得結果如圖 4.1 所示，對於新竹第一淨水場之反沖洗水而言顆粒粒徑分佈範圍較窄，約 0.5 ~100 µm 間，主要顆粒粒徑集中在 30 µm 左右，而東興淨水場之反沖洗水顆粒粒徑分佈範圍較廣，約 5 ~1000 µm 間，主要顆粒粒徑集中在 65 µm 左右。. 32.

(43) 8 12/16 東興淨水場 1/5 新竹第一淨水場. Volume (%). 6. 4. 2. 0 0.1. 1. 10. 100. 1000. Particle Size (um). 圖 4-1 新竹第一淨水場與東興淨水場顆粒粒徑分佈. 33.

(44) 4.2. 反沖洗水直接薄膜處理對通量及過濾水水質之影響目前台灣地區各淨水場對於反沖洗水處理大多是採用回流至上. 游單元重新處理，但回流至上游單元可能產生前加氯或混凝劑加藥量控制問題、對後續處理單元之水力衝擊和化學物、原蟲累積問題，特別是在暴雨期間對淨水場操作影響更大。因此，本研究提出以微過濾薄膜處理淨水場砂濾反沖洗水，期望處理後可直接作為公共給水使用。. 4.2.1. 新竹第一淨水場反沖洗水直接微過濾薄膜處理. 1.反沖洗水水質特性本次進行薄膜微過濾的反沖洗水水樣係於民國 95 年 1 月 5 號取自於新竹第一淨水場，其水質特性如表 4-3 所示。在粒徑分佈方面，由於過濾試驗所使用的 MF 薄膜其孔徑分別為 0.5 µm 和 1.0 µm，故反沖洗水中位於此範圍之次微米級(submicron-scale)顆粒，將可能造成薄膜之阻塞，因此本研究除使用小角度雷射光散射粒徑分析儀量測其微米級(micron-scale)顆粒粒徑（0.02~2000 µm）外，亦使用動態雷射光奈米顆粒分析儀分析水樣中之次微米級顆粒粒徑（0.6~6000 nm）分佈情形，粒徑分佈如圖 4-2 所示，可看出此股反沖洗水之微米級顆粒大小主要集中在 30 µm 附近，次微米級顆粒粒徑分佈主要位於 955 nm 左右。. 34.

(45) 表 4-3 新竹第一淨水場反沖洗水水質特性水質項目. 反沖洗水. pH. 7.9. Turbidity(NTU). 685. SS(mg/L). 432. TS(mg/L). 846. VS(mg/L). 166. DOC(mg/L). 1.31. UV254(cm-1). 0.023. SVI. 45. 35.

(46) 8. (a). Volume (%). 6. 4. 2. 0 0.1. 1. 10. 100. 1000. Particle Size (um). 60. (b) 50. Volume (%). 40. 30. 20. 10. 0 10. 100. 1000. 10000. Particle Size (nm). 圖 4-2 新竹第一淨水場反沖洗水顆粒粒徑分佈(a)微米級顆粒及(b)次微米級顆粒. 36.

(47) 2.薄膜長期過濾試驗新竹第一淨水場反沖洗水薄膜微過濾之通量隨濾液變化情形如圖 4-3(a)及(b)所示。由圖 4-3 中之資料計算可知 0.5 µm 之 MF 薄膜其廢水平均通量為 0.51 m3/m2-hr，而 1.0 µm MF 薄膜之廢水平均通量 0.45 m3/m2-hr；另外，觀察後可發現當以孔徑 1.0 µm 之 MF 薄膜進行過濾時，其初始通量將由第 1 個週期的 4.12 m3/m2-hr 衰減至第 4 個週期的 3.03 m3/m2-hr，初始通量衰減率達 25%，然而對孔徑 0.5 µm 之 MF 薄膜而言，其每個週期的初始通量並無明顯下降，表示對孔徑 1.0 µm 之 MF 薄膜已發生不可逆阻塞的現象，主要因為此股反沖洗水中所含的次微米級顆粒粒徑主要集中在 955 nm 左右，近似與薄膜孔洞大小，因此過濾過程中所施加之壓力將使這些與薄膜孔洞大小相近的次微米級顆粒將與薄膜孔洞緊密結合在一起，造成薄膜有效孔隙面積減少，Le 及 Howell et al. (1984)指出當原水中顆粒粒徑接近薄膜孔洞孔徑時，此時所造成之孔洞阻塞現象(pore blocking)將最為嚴重，且無法藉由反沖洗過程來回復通量。反之，對於孔徑 0.5µm 之 MF 薄膜而言，由於薄膜孔徑小於水樣中之次微米級顆粒，因此能夠將次微米級顆粒阻隔於薄膜表面，使其無法進入薄膜之孔洞，造成薄膜孔洞之阻塞，故其每個週期之初使通量並無明顯下降之情況。綜合上述可知，若採用孔徑 0.5 µm 之 MF 薄膜直接過濾新竹第一淨水場之反沖洗水，對薄膜之產水率及操作將較 1.0 µm 之 MF 薄膜有利。. 37.

(48) 6. (a). 4. 3. 2. Flux(m /m -hr). 5. 3. 2. 1. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Accumulated Volumed(mL) 5. (b). 3. 3. 2. Flux(m /m -hr). 4. 2. 1. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Accumulated volume(mL). 圖 4-3 新竹第一淨水場之反沖洗水薄膜微過濾通量隨累積濾液變化情形(a) 0.5 µm 及(b) 1.0 µm 38.

(49) 3.MF 薄膜過濾水水質反沖洗水經薄膜處理後，其過濾水將被收集，進行水質分析，結果如表 4-4 所示。由表 4-4 中可發現不論是採用孔徑為 0.5 µm 或 1.0 µm 的 MF 薄膜，污染物質皆有良好之去除效果，特別是濁度方面去除率可達 99.99%以上，而過濾水於總菌落數和大腸桿菌數方面可達我國飲用水水質標準，但可發現 1.0 µm MF 過濾水之總菌落數已相當接近法規之上限值，因此基於安全考量及確保供水過程中有餘氯存在，後續仍應需進行加氯消毒動作；而唯一去除效果較差之項目為溶解性有機碳，對孔徑 0.5 µm 和 1.0 µm 的 MF 薄膜而言，其去除率分別僅有 7%和 5%，原因在於一般溶解性有機物分子大小多位於數奈米到一百奈米(Laabs et al., 2004)，因此對於本研究所採用的兩種 MF 薄膜，溶解性有機物分子將無法藉由薄膜本身孔洞來阻隔，而溶解性有機物濃度通過薄膜後之所以會減少主要是由於薄膜材質會造成某些有機物之吸附，但由於被吸附的量相當有限，故可知有機物所造成之薄膜有機積垢亦相當有限，然而由於薄膜過濾水仍須經消毒程序，故過濾水中所含之有機物，將有產生消毒副產物之疑慮，因此對於具高有機物含量之水樣，某些研究曾採取混凝配合微過濾或混凝配合超過濾來解決此問題(Pikkarainen. et al., 2004). 。但如就整體水質來看，MF 薄膜過濾水. 直接作為公共給水使用之可行性相當高。. 39.

(50) 表 4-4 新竹第一淨水場反沖洗水經薄膜微過濾前後之水質差異過濾前過濾後（1.0 µm）過濾後（0.5 µm）. 水質項目 pH. 7.9. 7.9. 7.9. Turbidity(NTU). 685. 0.43. 0.42. SS(mg/L). 432. ND. ND. TS(mg/L). 846. ND. ND. DOC(mg/L). 1.31. 1.23. 1.25. UV254(cm ) 總菌落數(cfu/mL). 0.023. 0.023. 0.023. -. 97. 46. 大腸桿菌(cfu/100 mL). -. <10. <10. -1. 4.2.2. 東興淨水場反沖洗水直接微過濾薄膜處理. 1.反沖洗水水質特性本次進行薄膜微過濾的反沖洗水水樣係於民國 94 年 12 月 16 號取自於苗栗東興淨水場，其水質特性如表 4-5 所示，而其微米級粒徑分佈和次微米級粒徑分佈分別如圖 4-4(a)及(b)所示。可看出此股反沖洗水之微米級顆粒大小主要集中在 56 µm 附近，而次微米級顆粒粒徑分佈則主要位於 610 nm 左右。. 表 4-5 東興淨水場反沖洗水水質特性水質項目. 反沖洗水. pH Turbidity(NTU) SS(mg/L) TS(mg/L) VS(mg/L) DOC(mg/L) UV254(cm-1). 7.7 317 376 666 131 1.25 0.015. SVI. 61. 40.

(51) 7. (a). 6. Volume (%). 5. 4. 3. 2. 1. 0 0.1. 1. 10. 100. 1000. Particle Size (um). 60. (b) 50. Volume (%). 40. 30. 20. 10. 0 10. 100. 1000. 10000. Particle Size (nm). 圖 4-4 東興淨水場反沖洗水顆粒粒徑分佈(a)微米級顆粒及(b)次微米級顆粒. 41.

(52) 2.薄膜長期過濾試驗東興淨水場反沖洗水薄膜微過濾之通量隨濾液變化情形如圖 4-5(a)及(b)所示。由圖 4-5 中之資料計算可知 0.5 µm 之 MF 薄膜其廢水平均通量為 0.67 m3/m2-hr，而 1.0 µm MF 薄膜之廢水平均通量 0.65 m3/m2-hr；另外，從圖 4-4(b)可看出此股反沖洗水次微米級顆粒粒徑主要分佈於 610 nm 間，因此對於 1.0 µm 的 MF 薄膜而言，次微米級顆粒將會造成薄膜吸附性阻塞 (adsorption) 和孔洞阻塞 (pore blocking)，但由於次微米級顆粒粒徑大都小於薄膜孔徑，因此主要將以吸附性阻塞為主，故其初始通量將由第一週期之 2.20 m3/m2-hr 衰減至第四週期之 1.91 m3/m2-hr，衰減幅度為 14%，阻塞程度較新竹第一淨水場反沖洗水之顆粒對薄膜造成之完全孔洞阻塞來的輕微。而對 0.5 µm 的 MF 薄膜而言，由於次微米級顆粒粒徑多大於薄膜孔徑，因此顆粒無法進入薄膜之孔道中，絕大部分在薄膜表面即被阻隔並形成濾餅層(cake)，且可藉由薄膜反沖洗將之去除，故從圖 4-5(a)可知其薄膜阻塞現象並不明顯。綜合上述可知，若採用孔徑 0.5 µm 之 MF 薄膜直接過濾東興淨水場之反沖洗水，對薄膜之產水率及操作將較 1.0 µm 之 MF 薄膜有利。. 42.

(53) 3.5. (a) 3.0. 2.0. 3. 2. Flux(m /m -hr). 2.5. 1.5. 1.0. 0.5. 0.0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Accumulated volume(mL) 2.5. (b). 1.5. 3. 2. Flux(m /m -hr). 2.0. 1.0. 0.5. 0.0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Accumulated Volume(mL). 圖 4-5 東興淨水場之反沖洗水薄膜微過濾通量隨累積濾液變化情形 (a)0.5 µm 及(b)1.0 µm 43.

(54) 3. MF 薄膜過濾水水質反沖洗水經薄膜處理後，其過濾水分別收集，進行水質分析，結果如表 4-6 所示。可發現不論是採用孔徑為 0.5 µm 或 1.0 µm 的 MF 薄膜，污染物質皆有良好之去除效果，在濁度方面薄膜處理後過濾水濁度分別為 0.29 NTU 和 0.32 NTU，去除率皆可達 99.99%以上，在生物性指標部分，兩種薄膜過濾水中所含之大腸桿菌與總菌落數亦可達我國飲用水水質標準，但為確保供水過程中之餘氯存在，後續仍需進行加氯消毒方可供水；在 DOC 和 UV254 方面，對孔徑 0.5 µm 之 MF 而言，其去除率分別為 20%和 23%，而對 1.0 µm MF 而言，其去除率則分別為 17%和 10%，可推知東興淨水場反沖洗水中將有較多溶解性有機物會吸附於薄膜上形成有機積垢，但吸附量仍然有限，大部分之溶解性有機物仍將通過薄膜直接進入過濾水中，故過濾水加氯消毒時仍有產生消毒副產物之疑慮。而就整體水質來看，薄膜過濾水直接作為公共給水使用之可行性相當高。. 表 4-6 東興淨水場反沖洗水經薄膜微過濾前後之水質差異水質項目. 過濾前過濾後（1.0 µm）過濾後（0.5 µm）. pH. 7.7. 7.7. 7.7. Turbidity(NTU). 317. 0.32. 0.29. SS(mg/L). 376. ND. ND. TS(mg/L). 666. ND. ND. DOC(mg/L). 1.25. 1.04. 1.01. UV254(cm-1) 總菌落數(cfu/mL). 0.015. 0.013. 0.011. -. 85. 40. 大腸桿菌(cfu/100 mL). -. <10. <10. 44.

(55) 4.3. 前處理方式對薄膜通量之影響通常利用薄膜回收反沖洗水，除了必須考量其過濾水水質外，在. 經濟面上，則必須考量其產水率，是否可符合淨水場之經濟利益。因此本研究將利用兩種不同之前處理方式，包含沈澱前處理及混凝/膠凝前處理，探討反沖洗水經前處理後對薄膜通量之影響。. 4.3.1. 沈澱前處理對薄膜通量之影響. 由表 4-2 之統計資料可發現反沖洗水之 SVI 相當低，可推知其沈降性相當良好。而圖 4-6 為新竹第一淨水場與東興淨水場反沖洗水沈降一小時之上澄液濁度變化情形，圖同樣顯示出反沖洗水之良好沈降性，於最初數十分鐘內，兩股反沖洗水之濁度去除率即可達 70%~80%。由此可知反沖洗水中存在許多不穩定之大顆粒，或可藉由沈澱前處理將反沖洗水中之不穩定大顆粒去除後，再通過薄膜，使薄膜能於低固體物負荷下操作，嘗試能否有助於薄膜通量之提升。 800 新竹第一淨水場(94.11.22) 東興淨水場(94.06.10). Turbidity(NTU). 600. 400. 200. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Time(min). 圖 4-6 新竹第一淨水場與東興淨水場反沖洗水濁度與沈降時間之關係 45.