國 立 交 通 大 學
環 境 工 程 研 究 所
碩 士 論 文
預先混凝處理之截留式微過濾薄膜回收
淨水場砂濾反洗水之研究:膠羽特性影響
Recovery of Spent Filter Backwash Water by Using
Dead-end Coagulation-assisted Microfiltration
： Floc Characteristics Effects
研 究 生：李 文 善
指導教授：黃 志 彬 博士
預先混凝處理之截留式微過濾薄膜回收
淨水場砂濾反洗水之研究: 膠羽特性影響
研究生：李文善 指導教授：黃志彬 博士 國立交通大學環境工程研究所 摘 要 在台灣地區淨水場砂濾反沖洗水大多回流至淨水處理單元，常造成 一些問題，如加藥量控制不易和產生原蟲及化學物質長期累積，且每 當颱風暴雨期間，反沖洗水回流造成水場處理單元負荷過大，為了解 決這些問題，本研究將預先混凝反沖洗水再以截流式(Dead-end)微過濾 薄膜去除反沖洗水中之懸浮物質，以利過濾水經消毒後可直接作為公 共給水；同時探討預先混凝所成的膠羽，其特性對於微過濾薄膜產水 率之影響。本研究主要使用新竹第一淨水場反沖洗水，利用 0.5 m 之 微過濾薄膜，以固定壓力(0.40 及 0.67 bar)抽真空方式，混凝機制選擇 電性補丁、快混電中性點及沉澱掃除三種機制，以及選擇 90%、60% 及 10%Alb含量之混凝劑(PACl-3、PACl-2 及 PACl-1)進行預先混凝處理。研究結果顯示，預先混凝反沖洗水後經由 MF 過濾，可提升薄膜通 量，減低薄膜阻塞的程度以及減低濾餅阻抗。至於出水水質，預先混 凝過薄膜濁度及 SS 去除率可達到 99%以上，DOC 及 UV254去除率分 別為 50～60%及 65～70%。此外，過膜通量隨著膠羽特性不同而異， 當膠羽碎型維度大及膠羽強度強，所形成濾餅阻抗較低且過膜通量較 大。不同混凝機制對於薄膜通量提升順序為電性補丁(EPE) ＞電性中
和之電中性點(CN) ＞沉澱掃除(SW)，而不同聚合鋁(Alb)含量混凝劑對 薄膜通量提升順序為 PACl-3＞PACl-2＞PACl-1。對於薄膜阻塞機制， 過濾阻抗以濾餅阻抗為主，其佔總阻抗之 75～95%，隨混凝劑及混凝 機制不同而異。由結果可知，混凝形成之膠羽特性將會影響薄膜上濾 餅的特性，且進一步影響過膜通量及薄膜阻塞行為。 關鍵詞：反沖洗水、薄膜、預先混凝處理、膠羽特性
Recovery of Spent Filter Backwash Water by Using
Coagulation-assisted Microfiltration
：Evalution of Floc Characteristics Effects
Student：Wen-Shan Lee Advisors：Chihpin Huang
Institute of Environmental Engineering National Chiao Tung University
Abstract
Spent filter backwash water (SFBW) is recycled into previous water treatment units for most water treatment plants (WTP) in Taiwan. The water treatment plants often encounter problems such as difficult control of optimal coagulant dosage and accumulated amounts of protozoa and chemical substances existed in SFBW.
In order to solve these problems, the recovery of SFBW was facilitated by MF after the pre-coagulation process. The goal of this study is to investigate the effects of floc properties on membrane flux and the water quality of the filtrate. The SFBW was collected from a local WTP in Taiwan. A bench-scale MF (0.5£m) was set up to simulate a full-scale filtration of the SFBW. The trans-membrane pressure was controlled at 0.4 and 0.67 bar by a suction pump. The pre-cogulation conditions produce different floc properties. The different pre-coagulation mechanisms of electrostatic patch effect (EPE), charge neutralization (CN), and sweep flocculation (SW) were investigated to realize their effects on the formed cake sand PACl coagulants with three different contents of polyaluminum species (Alb) were used to produce
different floc properties in this study.
The results have showed that the pre-coagulation process can enhance membrane flux and reduce specific cake resistance for multiple filtrations. Ordering membrane flux performance from most effective to least effective was EPE, CN, SW. Regarding floc properties made of coagulants with different content of Alb (PACl-1, PACl-2 and
PACl-3), Ordering membrane flux performance from most effective to least effective was PACl-3, PACl-2, PACl-1 The higher membrane flux was cause of the smaller sizes and greater strength flocs which produced more porous cake and lowered specific cake resistance. Regarding the water quality of filtrate, the removals of turbidity, DOC and UV254 were up to 99%, 50% and 65% respectively. As for filtration resistances, the cake
resistance (Rc) was the mean portion (＞75%) of total resistance (Rt). The floc
properties make influence on cake properties, and then impact performances of membrane flux and fouling.
Key words：Spent filter backwash water (SFBW)、Membrane Filtration、 Coagulation
誌謝
「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 教授及李篤中 教授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 (吳 2006)。 兩年的研究生活，要感謝的人很多，首先感謝黃志彬 老師對於我這兩年內的 照顧及研究上的指導，特別是傳授我報告及計畫書的撰寫方式，語句邏輯及用法， 真的受益良多。也謝謝袁如馨 老師，讓我在門下做了兩年的食客，吃了不少好料， 卻沒幫到什麼忙。感謝高雄大學連興隆 老師，教導我正確的求學態度及研究精 神，讓我可以不斷的進步。感謝林志麟 學長把鋁鹽混凝的功力豪不保留的傳授給 我，讓我成為台灣最懂鋁鹽混凝的碩士生，感謝文彬、惠玲、靖宜、育俊 學長姐， 對於我論文上的指導及日常生活的關心慰問，以及容忍我沒大沒小的嬉鬧玩笑。 當然與我攜手努力的夥伴，昭瑩與淑芬，這兩年謝謝你們的陪伴與鼓勵，我們才 能一起成長至今。還有感謝最可愛活潑學弟妹們，嘉玲、璧如、靜逸、奕甫，平 時一起談天打鬧，讓我有一個快樂的學習環境及充滿歡笑的生活。 最後感謝家人這一路求學階段的支持，僅完成碩士學業雖可能有負於您的期 望，但您的關愛與責備都是我完成此論文之原動力。在此，將完成此論文之喜悅 與曾幫助我的人一同分享，一起經歷人生的成長 (陳 2004)。 謹誌 九十五年盛夏 于 風城目錄 中文摘要¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Ⅰ 英文摘要¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Ⅲ 誌謝¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Ⅴ 目錄¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Ⅵ 圖目錄¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Ⅷ 表目錄¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Ⅹ 第一章 研究緣起及目的¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...1 1.1 研究緣起 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .1 1.2 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 ... 6 2.2 反沖洗水處理技術... 8 2.2.1 薄膜處理 ... 8 2.2.1.1 薄膜分類¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ... ..9 2.2.1.2 薄膜之質量傳輸 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...9 2.2.1.3 薄膜之通量衰減 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .10 2.2.1.4 薄膜程序處理反沖洗水之相關研究.¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...14 2.2.2 其他¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...16 2.2.3 預先混凝處理結合薄膜過濾程序...18 2.3 鋁的水化學特性及聚合鋁物種(Alb)之混凝機制¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 20 2.3.1 鋁的水化學特性...20 2.3.1.1 鋁的水解特性...20 2.3.1.2 鋁的聚合特性¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 21 2.3.2 聚合鋁物種分析法及混凝特性.¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 23 2.3.2.1 水中鋁型態之分類及分析方法¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 23 2.3.2.2 聚鋁物種之特性¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 24 第三章 實驗設備、材料及方法 ...27 3.1 實驗水樣...27 3.2 實驗藥品...27 3.3 實驗設備與裝置 ...29 3.3.1 水質分析設備¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...30 3.3.2 截流式微過濾薄膜裝置 ...32
3.4 研究步驟及架構. ...34 第四章 結果與討論...41 4.1 淨水場砂濾反沖洗水水質基本水質分析...41 4.2 不同預先混凝機制對於薄膜通量之影響¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..¡ ¡ 46 4.2.1 不同混凝機制之薄膜週期通量試驗¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 46 4.2.2 不同混凝機制之膠羽特性¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 53 4.2.3 濾餅特性...¡ ¡ ¡ ..¡ ¡ ¡ ¡ ..56 4.2.4 小結¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 58 4.3 不同鋁型態含量混凝處理對於過膜通量之影響¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..59 4.3.1 鋁型態含量¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .¡ ¡ ¡ ...59 4.3.2 最佳 pH¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...61 4.3.3 薄膜週期通量試驗¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ .¡ ¡ ¡ ¡ 66 4.3.4 不同鋁型態含量混凝劑之膠羽特性¡ ¡ ¡ .¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 69 4.3.5 濾餅特性¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ 73 4.3.6 小結¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .76 4.4 MF 薄膜過濾水水質¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...79 4.5 膠羽特性影響薄膜通量之探討¡ ¡ ¡ ¡ .¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .81 4.5.1 顆粒粒徑大小影響薄膜通量之探討¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 81 4.5.2 膠羽結構影響薄膜通量之探討¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 83 4.5.3 混凝/膠凝前處理影響薄膜阻塞機制之探討¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..86 4.5.4 薄膜上有機物積垢之可能性探討¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..91 第五章 結論與建議¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 93 5.1 結論¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 93 5.2 建議¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 94 參考文獻¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .95
圖目錄 圖 2-1 造成 MF 和 UF 薄膜操作通量衰減之因素...11 圖 2-2 Al-Ferron 逐時螯合工作曲線¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...24 圖 3-1 截流式微過濾薄膜裝置 ...33 圖 3-2 研究架構 ...35 圖 3-3 壓縮係數實驗設備裝置¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .¡ .39 圖 4-1 新竹第一淨水場反沖洗水微米級顆粒粒徑分佈¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...45 圖 4-2 新竹第一淨水場反沖洗水(a)pH 及(b)加藥量變化對於殘餘濁度之影響 ..48 圖 4-3 新竹一場之反沖洗水預先混凝處理薄膜微過濾通量隨累積濾液變化情形(a) 無預先混凝、 (b) EPE 機制、(c)CN 機制及(d)SW 機制¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .51 圖 4-4 反沖洗水預先混凝處理過濾 (a) 不同混凝機制之各週期平均通量變化及 (b) 不同混凝機制各週期反洗薄膜後清水通量¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ 52 圖 4-5 混凝狀態下膠羽粒徑變化(即時監測). ..¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 54 圖 4-6 不同混凝機制之膠羽強度係數¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .¡ .55 圖 4-7 不同混凝機制之濾餅壓縮係數..¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .56 圖 4-8 不同混凝機制所成濾餅比阻抗隨過濾時間變化¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..57 圖 4-9 不同聚鋁物種含量混凝劑的 Liquid-state27Al NMR 圖譜¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...60 圖 4-10 (a)PACl-3、(b)PACl-2 及(c)PACl-1 加藥 1ppm 混凝 SFBW 之 pH 對於混凝後 上層液殘餘濁度之影響¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..65 圖 4-11 (a)聚合鋁(Alb)含量 90%之混凝劑、(b)聚合鋁(Alb)含量 60%之混凝劑、(c) SHOWA 混凝劑及(d)未加藥預先混凝處理於微薄膜過濾之週期通量變化¡ ¡ ...67 圖 4-12 反沖洗水預先混凝處理過濾 (a) 不同混凝劑之各週期平均相對通量變化及 (b) 不同混凝劑之各週期清水通量¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...68 圖 4-13 不同聚鋁含量混凝劑混凝過程中膠羽粒徑變化即時監測(快混 1 分鐘 200rpm，慢混 20 分鐘 35rpm)¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .71 圖 4-14 不同混凝劑混凝所成之膠羽強度常數 (200rpm 快混 1 分鐘→35rpm 慢混 20 分鐘→選定破壞膠羽攪拌轉速)¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 72 圖 4-15 投加不同聚鋁含量混凝劑所成濾餅比阻抗隨過濾時間變化¡ ¡ ¡ ¡ ..¡ 74 圖 4-16 投加不同混凝劑混凝所成膠羽之濾餅壓縮係數 (過膜壓力選定 0.13、0.26、 0.53 及 0.80bar)¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ ¡ ¡ ...76 圖 4-17 修正後 Carman-Kozeny Equation¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...84 圖 4-18 (a)不同混凝機制前混凝處理操作第一週期過膜通量與慢混後膠羽碎型維度 關係¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 85 圖 4-18 (b) 投加不同混凝劑前混凝處理操作第一週期過膜通量與慢混後膠羽碎型 維度關係¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...85
圖 4-19 不同混凝機制預先混凝處理以薄膜過濾 9 次操作週期之薄膜阻抗、濾餅阻 抗及薄膜阻塞阻抗所佔總阻抗比例之變化情形，( 其混凝機制為(a)EPE (b)CN (c) SW 及(d) no dosage 每次操作週期為出水 450m L，300mmHg 過膜壓力)¡ ¡ ¡ ...89 圖 4-20 投加不同混凝劑預先混凝處理以薄膜過濾 9 次操作週期之薄膜阻抗、濾餅 阻抗及薄膜阻塞阻抗所佔 總阻抗比例之變 化情形，( 其混凝機制為(a)PACl-1 (b)PACl-2 (c)PACl-3 及(d) no dosage 每次操作週期為出水 450m L，500mmHg 過膜 壓力)¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...¡ ¡ .90
圖 4-21 (a)不同混凝機制過 0.5£m 薄膜之 DOC 及 UV254去除率¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .¡ 92
表目錄 表 2-1 台灣地區淨水場各水場反洗廢水水質 ...7 表 2-2 台灣地區淨水場反沖洗水處理狀況¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .8 表 2-3 各水場反洗廢水過膜後水質¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..¡ 15 表 2-4 鋁的各種水解聚合型態及平衡常數¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..¡ 22 表 2-5 水溶液中各種鋁型態的27 Al 化學位移¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..25 表 4-1 新竹第一淨水場之基本資料...43 表 4-2 新竹第一淨水場之原水、沈澱池出流水、反沖洗水之水質特性...43 表 4-3 新竹第一淨水場反沖洗水水質特性¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..44 表 4-4 濾餅比阻抗與膠羽特性參數...58 表 4-5 本研究使用於預先混凝步驟之混凝劑鋁型態分佈情形¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..61 表 4-6 不同混凝劑慢混膠羽過膜所成濾餅比阻抗與膠羽特性參數¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..78 表 4-7 新竹一場反沖洗水經預先混凝處理薄膜過濾後水質差異¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ..80 表 4-8 新竹一場反沖洗水經不同鋁型態混凝之薄膜過濾水質差異¡ ¡ ¡ ¡ ..¡ 80 表 4-9 固定壓力下，薄膜阻抗(Rm)、濾餅阻抗(Rc)及薄膜阻塞所成的阻抗(Rf) 公式¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ...87 表 4-10 不同混凝機制預先混凝後以薄膜處理之薄膜阻抗分布情形¡ ¡ ¡ ¡ ¡ .88 表 4-11 投加不同混凝劑預先混凝後以薄膜處理之薄膜阻抗分布情形¡ ¡ ¡ ¡ 90
第一章 研究緣起與目的 1.1 研究緣起 反沖洗廢水為淨水場主要的廢水來源，約佔當天所產清水量之 2-10%。若可回收反沖洗廢水且進ㄧ步處理使之符合飲用水標準，使 清水產量提升，為理想的處理方式，所以目前多將反沖洗廢水回流至 上游單元處理，此回流處理恐會造成諸多問題，過濾本為一濃縮累積 單元，將反沖洗廢水做回流會造成污染物的累積問題，其中以原蟲的 問題最受大眾關注，故有效且安全的回收反沖洗廢水為相當重要的課 題。 目前國外對於反沖洗廢水的處理方法主要有薄膜處理、空氣浮 除、混凝沉澱等，如考量處理單元面積及處理後水質之安全性，以薄 膜技術處理反沖洗廢水最佔優勢，薄膜處理佔地小，且過濾水質優， 對於有缺水問題且面積狹小的台灣，薄膜處理反沖洗廢水為相當合適 的方法。 實場上薄膜處理後之水質佳，故過膜後水質不是薄膜處理所遭遇 的主要問題，過膜的產水量及薄膜操作的使用壽命為操作考量所在， 薄膜為耗材且操作單價較高，為薄膜處理之主要花費，故延長薄膜使 用壽命，減少不可回復性的阻塞相當重要。已有許多研究指出預先混 凝處理後過薄膜可增加過膜通量且可延長薄膜使用壽命，但仍有一些
文獻指出預先混凝處理造成薄膜阻塞更加嚴重，因此預先混凝過處理
對薄膜通量之影響仍需進ㄧ步的探討，以便瞭解如何進行前處理使薄
膜使用效率提升。
反沖洗廢水濁度高，經由混凝/膠凝後形成大量的膠羽，容易在膜
上形成 cake layer 厚層，故此時薄膜通量決定於 cake filtration 的通量，
故薄膜處理有大量膠羽存在的廢水時，形成 cake layer 的膠羽特性對 於處理通量影響甚大，因而探討前混凝處理所成之膠羽特性著實重 要。 1.2 研究目的 本論文主要的研究目的為探討反沖洗廢水經由預先混凝處理後形 成膠羽之強度及結構對於薄膜使用效率 (薄膜通量及使用壽命)的影 響，針對不同混凝機制形成的膠羽特性作進ㄧ步探討，了解不同混凝 機制造成膠羽特性上之差異對於薄膜通量大小的影響。
第二章 研究背景及文獻回顧 2.1 反沖洗水來源及特性 本研究採取於新竹第一淨水場砂濾反沖洗水，其來源與特性詳述 於下: 2.1.1 反沖洗水來源 淨水場之淨水程序中，砂濾池單元為普遍固液分離處理方式，主 要是利用過濾單元中的濾料顆粒將水流中的微粒，例如微生物、黏土 等加以攔除、吸附、阻隔以達成淨水之目的。當這些受欄除的微粒累 積到一定程度，影響到砂濾池的正常操作 (水頭損失過大或是過濾通 量降低)，便需進行反沖洗程序。反沖洗程序主要分為水洗、氣洗及 水氣合併清洗等，以水洗而言，一般淨水場將處理後的清水，以反向 沖洗（與過濾方向相反）的方式，將其累積的微粒物質從濾料間沖洗 出來，而此包含這些累積微粒的廢水便稱為反沖洗水。反沖洗水為淨 水場主要的廢水來源，而反沖洗水的水量通常又因濾床的濾速和反沖 洗時間有所不同，一般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
因當地氣候、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，故反沖洗水水質會隨著不同的淨水場而有所變化。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 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)。且研究指出 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)。Kawamura (2000)則指出對於傳統淨水 場 所 產 生 之 反 沖 洗 水 濁 度 大 約 為 150 NTU 到 250 NTU 。 此 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，溶解性有機碳濃度為 0.5~3.3 mg/L，而濁度和總懸浮固體物濃度分別為 550~1250 NTU 及 281~1430 mg/L。雙溪淨水場的部分，除了濁度和總懸浮性固體物濃度和長興 淨水場有顯著的差異外，在酸鹼值、鹼度和總溶解性有機碳濃度等性 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 濃度平均約為 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、桃園平鎮淨水場、台北板新淨水場、 台中鯉魚潭淨水場、台中豐原淨水場及高雄坪頂淨水場之反沖洗水進
行長期調查，報告中指出六水場反洗水水質，於表 2-1， pH 介於 7.3 至 7.8 之間，以鯉魚潭淨水場之反洗廢水 pH 最高為 7.8，平鎮及板新 反洗廢水為最低 7.3，可知此六場反洗廢水 pH 介於中性範圍。就濁 度來看，濾池達到既定的濾程後進行反沖洗之廢水濁度大多小於 1000 NTU，但就坪頂水場而言，因原水濁度較高，故其濾池達到濾程進行 反洗時，造成反洗廢水濁度也較高，達 1188 NTU。以 VS/SS 來看， 除了坪頂淨水場之外，其餘水場 VS/SS 介於 0.5 左右 (0.4 至 0.6)，而 坪頂淨水場則較低為 0.25，坪頂淨水場反洗廢水有機顆粒含量較低， 而 DOC 以及 UV254而言，六個水場反洗廢水之 DOC 值很接近，介於 1.4 至 2.5 mg/L 之間，UV254 差異較大，其值以新竹第一淨水場反洗 廢水最高為 0.0281，以平鎮與坪頂最低為 0.007，UV254 代表含雙鍵 有機物之含量，然而以薄膜的材質大多為疏水性，易攔除吸附雙鍵有 機物，造成薄膜阻塞，所以廢水中 UV254 的含量變化有需要了解， 就 SUVA 值來說，當大於 4 時，代表水中多為疏水性大分子，容易 被混凝去除，其值介於 2 到 4 代表為親疏水性混合，若是 SUVA 值 小於 2，則多為親水性分子，不易以混凝去除 (Chow et al., 1999)。就 採樣的六個水場來看，唯有鯉魚潭水場之反洗廢水 SUVA 值大於 2， 其他淨水場 SUVA 值均小於 2，可知前混凝處理對於其他五個水場之 反洗廢水，效果有限。至於界達電位，其值以鯉魚潭之反洗廢水最低， 為-16.4，影響界達電位的因素有 pH、VS 及 DOC 含量，鯉魚潭反洗 廢水之有機物含量較高，其界達電位也相對有較高的負電性。最後由 SVI 可了解六個水場反洗廢水的顆粒沉降性，發現平鎮及坪頂反洗廢 水顆粒沉降性較好，其 SVI 均為 12.6，而鯉魚潭及板新的反洗廢水之 SVI 則分別為較高的 72.7 及 81.9。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。
2.1.3 反沖洗水之處理現況 我國目前放流水標準規定自來水廠放流水之懸浮固體濃度不得 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。 目前國內處理現況，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，其報 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 2-2 所示。(黃，2005) 國外處理現況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，會面臨潛在負面的問 題，如前加氯及混凝劑加藥量不易控制之問題，及後續處理單元所造 成的水力衝擊需考量，特別是颱風及暴雨期間處理單元之水力負荷， 以及原蟲、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。 亦有研究指出只要將反沖洗水迴流量控制在 10%以下，對飲用水 安全不造成的影響(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。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)。 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。 表 2-1 各水場反洗廢水水質 (黃，2006) 水質參數 新竹第一 淨水場 板新 淨水場 鯉魚潭 淨水場 豐原 淨水場 平鎮 淨水場 坪頂 淨水場 水場地點 新竹 台北縣 台中縣 台中縣 桃園縣 高雄縣 水源 頭前溪下游 地表川流水 大漢溪 及三峽河 鯉魚潭水庫 備用大安溪 大甲溪 石門水庫 高屏溪 pH 7.7 7.3 7.8 7.7 7.3 7.6 濁度 (NTU) 344 133 681 848 820 1188 SS(mg/L) 326 122 620 880 548 1019 VS(mg/L) 193 53 386 366 221 262 DOC (mg/L) 2.47 2.01 2.021 1.459 1.21 1.41 UV254 (cm-1) 0.0281 0.0162 0.067 0.0102 0.007 0.0071 SUVA (L/mg．m) 1.13 0.81 3.32 0.7 0.58 0.5 界達電位 (mV) -10.8 -1.2 -16.4 -5.3 -2.5 -8.1 CST(sec) 11.4 19.1 11.4 13 19.5 18.2 SVI 45.9 81.9 72.7 59.4 12.6 12.6
表 2-2 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 分水井 2 原水端 8 混凝池 7 膠凝池 2 沈澱池 1 反沖洗水 廢水池 1 污泥塘 2 2.2 反沖洗水處理技術發展概論 反沖洗水之處理程序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。
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)機制或是空間篩除 (steric exclusion)為主，如同篩網的薄膜表面，能將大於薄膜孔徑的顆粒物 質及微生物阻隔於薄膜表面上，無法通過薄膜，所以主要用於去除水 中之微粒物質及原蟲，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)。小於 NF 孔徑之薄膜 (NF 及 RO)其篩除效率受到
薄膜電性影響相當大。以薄膜操作依過濾方式可分類為截流式過濾 (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（m3 m-2s-1）可以由達西定 律（Darcy¡s law）之修改式來表示： t
R
p
dt
dV
A
J
1
(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
)
(
R
mR
cR
fP
J
(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 ) ( 1 f c m R R R p J (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。 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) ) 20 ( 024 . 0 0 ) ( ) 20 ( C J T e T J (4) 2.2.1.3 薄膜之通量衰減 隨著薄膜操作時間的增加，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。
對 UF、MF 薄膜操作而言，造成薄膜通量顯著衰減之主因有吸 附阻塞(adsorption)、孔徑阻塞(pore blocking)和薄膜表面濾餅的形成 (cake formation)，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 b m c A VC A M R
(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.,V P A C P A R V t m b m m 2 2 (6) (7) 式中εC 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；K 為 Kozeny 經驗常數，約為 5 (Brinkman et al. 1948)。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，濾餅本身可視為保護薄 膜被小顆粒阻塞的防禦裝置，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，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。
而決定 specific cake resistance 可由以下推導而得(Lee et al. 2005,) : (8)式由(2)式假設 Rf為 0 所得，忽略薄膜阻塞造成的阻抗， 當總阻抗僅有薄膜的阻抗時 (Rc =0)，此時通量 (J)為清水通量 (J0)， 將(9)式代入(8)式經由數學移項可得(10)式 最後將(5)式代入(11)式求出計算比阻抗之公式 (8) (9) (10) (11)
對於較高濁度的廢水，於薄膜處理中會形成ㄧ層濾餅 (cake) 在薄膜表面上，然而濾餅的性質與結構會直接影響薄膜通量效率，若 濾餅的孔隙率較高，則濾餅的比阻抗較低，濾餅的過濾通量則較高， 反之濾餅的孔隙率較低，則濾餅的比阻抗就會提高，造成濾餅過濾通 量降低。然而孔隙率為影響濾餅比阻抗重要因子，可由(7)式計算出， 但是(7)式本為理論計算式，且求得濾餅比阻抗即可，無須以相同公 式求出孔隙率，又礙於無法直接於實驗中量測濾餅的孔隙率，故 Chudacek et al. 於 1984 年提出壓縮性指標 (compressibility index)的 觀念如下: α = α0ΔP n α0 單位壓力下濾餅比阻抗 (m/kg-bar) n 濾餅壓密係數. α 濾餅比阻抗. (m/kg) ΔP 過膜壓力 (bar). 壓縮性指標亦指濾餅的壓縮性，若是濾餅的壓縮性指標較大，則 代表其濾餅較為緊實，且孔隙率較小，故濾餅的比阻抗較大，cake filtration 較差，反之濾餅之壓縮性指標較低，則代表濾餅較不壓密， 故孔隙率較大且濾餅的阻抗較低，導致 cake filtration 較佳。 (12)
除了薄膜表面上濾餅形成的阻力，原水中之顆粒粒徑與薄膜孔徑 大小接近或較小時，更容易造成薄膜過濾孔洞內的阻塞，造成薄膜有 效過濾面積急速減少，使薄膜阻力快速增加，減低過膜通量，此種現 象稱為孔徑阻塞，且其過濾速度的衰減與過濾時間成反比關係(Le and Howell et al., 1984)。 原水中所含之物質吸附或沈積於薄膜孔隙中，導致薄膜有效孔隙 面積比例變小，稱為吸附性阻塞 (Fan et al., 2001)；而此種積垢多為有機物 造成之阻塞，難以去除，因此薄膜阻力相對增大。一般來講，吸附性 阻塞多為腐植酸或其它天然有機物造成，常會吸附在薄膜上及孔徑中 造成薄膜變性孔徑阻塞進而導致通量下降。此外，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會影響積垢產生情 形。一般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天然有機物 增加，造成吸附性阻塞提高。過去研究顯示，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，因薄膜能 夠提供屏障來將微粒物質阻隔在薄膜表面，處理後的水質佳。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，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％。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，基於更安全的 考量則可於薄膜後加設 UV 消毒，消毒後可直接作為公共給水使用 （Vos et al., 1997；Dotremont et al., 1999）；國內方面，黃氏（2006） 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(表 2-3)指出不論是採用孔徑為 0.5 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。 表 2-3 水場砂濾反沖洗廢水過膜後水質 新竹第一 板新 鯉魚潭 豐原 平鎮 pH 7.6 7.3 8.2 8.32 7.7 濁度 (NTU) 0.17 0.15 1.27 1.2 0.9 SS (mg/L) ND ND ND ND ND DOC (mg/L) 2.4 1.44 1.73 1.071 1.02 UV254 (cm-1) 0.0246 0.0153 0.0235 0.0079 0.0066 大腸桿菌 (CFU/100mL) 0 0 0 0 0 總菌落數 (CFU/mL) 100 75 125 100 95
2.2.2 其他 對於其他回收反沖洗廢水之方法，如空氣浮除法、沉澱或是混凝 沉澱方法等，簡介如下: 溶解空氣浮除 溶解空氣浮除法(dissolved-air flotation；DAF)普遍使用在傳統淨 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，在處理淨 水場砂濾反沖洗水方面也已廣泛地被使用。 DAF 程序，主要利用高壓將氣體注入水中，使之過飽和，隨即 在室壓下放出溶解氣體，產生細小氣泡與反沖洗水顆粒接觸，密度小 於水之凝集物則自動從池中溢流出去。 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) 。 Cornwell et al.(2001)於模場之研究中，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。DAF 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%； 此外於模場操作中分別利用 DAF 及薄板沈澱池(lamella sedimentation) 處理反沖洗水，指出 DAF 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；而薄板沈澱池之去除率分別只有 1 log~1.2 log 和 0.91 log~1.1 log(Edzwald et al.,2001)。因為 DAF 在粒徑範圍大於 2 £m 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 £m）和隱孢子蟲（3~5 £m）有良好之去除效果 (Bourgeois et al., 2004)。
沈澱 沈澱單元主要藉由重力分離來去除固體物或微生物。一般的反沖 洗水中之顆粒物質沈降性佳，若作經濟的考量，沈澱處理為合適的選 擇。Bourgeois et al.(2004)的研究指出對於含低密度金屬氫氧化物膠羽 之反沖洗水，若採用沈澱處理效果不佳，可使用陽離子助凝劑膠凝後 沈澱，效果較佳。此外沈澱池操作在低溢流率的情況可增加濁度和原 蟲的去除率外，對於消毒副產物也有較好的去除效果(EPA, 2002)。 混凝沈澱 混凝/膠凝過程可概分為三個階段，當混凝劑加入水中形成混凝 作用基，接著混凝作用基與水中穩定之微粒結合，最後將已去穩定之 膠體微粒相互進行碰撞產生較大粒徑之聚集體在後續沈澱單元去除 (Benefield et al., 1982)。 一般反沖洗水之顆粒多為黏土和金屬氧化物顆粒，多屬不穩定顆 粒，採混凝沈澱處理可促進處理的效果(Cornwell and MacPhee, 2001)。反沖洗水 中懸浮固體顆粒粒徑大都位於 2~15 £m，藉由混凝作用促使顆粒放 大，提高沈澱單元之效率(Edzwald and Tobiason, 2002)。Adin et al.(2002)在反沖 洗水處理之模廠實驗中，進行預沈澱處理後，再添加明礬進行混凝處 理，由於大顆粒已沈澱去除，剩下不易沈澱之小顆粒將藉混凝作用後 沈澱去除，如此能減少混凝劑之加藥量。在國內，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，若能使用適當的高分子絮凝劑搭配混凝劑，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。
2.2.3 預先混凝處理結合薄膜過濾程序
許多研究已指出，混凝前處理可以提升薄膜通量提高薄膜使用效
率 (Jack et al., 1998 and Carroll et al., 2000)，前處理可改變原水中污染物組成狀況
減低薄膜負荷，超作良好時可增加薄膜通量及延緩積垢現象發生之功 能，預先混凝可將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)。此外，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 和蛋白 質造成時，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。混凝前處理有許多優點，但 是依然有許多文獻指出，預先混凝處理無法提升薄膜通量，甚至造成 薄膜阻塞 (Shrive et al. 1999 and Shorney et al. 2001)，Lee et al., 2000 提出預先混凝形 成的膠羽於薄膜過濾時，會在薄膜上形成濾餅，且於無機物含量較高 的濁水中，薄膜的通量決定於 cake filtration 的能力，而 specific cake resistance 會影響到 cake filtration 的好壞，故可知預先混凝時形成的 膠羽累積成 specific cake resistance 較大的 cake layer，則薄膜通量會 不但無法增加反而會降低。所以混凝條件的控制是值得注意的地方， 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。 此外， Lee et al.(2000)曾探討混凝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。 膠羽碎型維度之差異亦會對後續薄膜操作造成影響，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。 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 £m 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。 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)
2.3 鋁的水化學特性及聚合鋁物種(Alb)之混凝機制 2.3.1 鋁的水化學特性 鋁的水化學反應主要為高價金屬離子在水中發生的一系列水解-聚 合-沉澱反應，最終則產生氫氧化鋁沉澱物，以下分別針對其水解及 聚合特性進行簡介。 2.3.1.1 鋁的水解特性 鋁離子通常以水合離子的形式存在於水溶液中，在酸性(pH＜3) 水溶液中，鋁與六個水分子配位結合而生成水合鋁離子 Al(H2O)6 3+， pH＞4 後水合鋁離子將發生一系列的逐級水解反應，並釋出 H+離子 導致水溶液的 pH 值下降，如式(2-1 ~ 2-4)所示： 1,1 3 2 5 2 2 3 6 2O) H O Al(OH)(H O) H O ; K Al(H (2-1) 1,2 3 4 2 2 2 2 5 2O) H O Al(OH) (H O) H O ; K Al(OH)(H (2-2) 1,3 3 0 3 2 3 2 4 2 2(H O) H O Al(OH) (H O) H O ; K Al(OH) (2-3) 1,4 -4 2 3 4H O Al(OH) 4H ; K Al (2-4) 式中 Kx,y為逐級水解平衡常數，而所生成的鋁物種型態取決於溶 液的總鋁濃度(AlT)及 pH 值。如圖 2-1 所示，一般當水溶液中 Al(Ⅲ) ＜10-4 M、pH 為 3 ~ 5 時，水中鋁的水解優勢型態以 Al3+、Al(OH)2+、 Al(OH)2 + 、Al(OH)4 -等羥基單核鋁離子為主；若 pH 為 7 ~ 8 時則生成 Al(OH)3(s)膠體沉澱物為主；而當 pH＞8 時則以 Al(OH)4 -鋁酸根離子 為主要的優勢物種[Sposito, G., 1996]。
2.3.1.2 鋁的聚合特性 在鋁水解反應的過程中，由於所生成的各種水合鋁離子的羥基配 位數尚未達到飽和，亦即還有剩餘的孤對電子，因而各個單核鋁離子 彼此間會發生架橋結合稱為羥基架橋作用。如下式： O 2H O) (H (OH) Al O) 2Al(OH)(H2 52 2 2 2 84 2 (2-5) 聚合反應是在兩相鄰單核羥基鋁離子的羥基之間架橋形成一對 具有共用邊的八面體結構，二聚體鋁物種的結構如圖 2-2 所示，隨著 溶液 pH 值的升高或鹽基比/鹼化度(Degree of neutralization, r = [OH]/[AlT] / Basicity, B=(γ/3)¡ 100 %)比例的增加，水中鋁離子的水解 聚合反應會不斷發生並生成各種複雜的羥基多核鋁物種。因此對於水 中鋁離子的一系列水解、聚合直至沉澱的化學反應可綜合表示為： yH OAl (OH) yH xAl3 2 x y(3x-y) (2-6) 平衡常數式則為： y O H x Al y H xy x 3 y y) -(3x y x xy 2 3 α f f f ] Al [ ] H ][ (OH) Al [ K (2-7) 式中 f 值表示溶液中各個離子的活性係數。
由上述可知，Al(Ⅲ)的水解單核物種有 Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2 + 及 Al(OH)4 -，此外多位學者曾提出相關的多核鋁物種有 Al2(OH)4 + 、 Al2(OH)2 4+、 Al 3(OH)4 5+、 Al 3(OH)15 3+、 Al 7(OH)17 4+、 Al 8(OH)20 4+、 Al13O4(OH)24(H2O)12
7+等等[Stumm and Morgan, 1981]；此外還有[Al(OH)
3]n氫氧
化鋁膠體或沉澱物。表 2-4 為歷年文獻中提出的各種羥基鋁水解聚合 物種的平衡常數。
儘管上述許多學者根據各自的研究結果，對於鋁的水解聚合物種 提出各種不同的聚合物型態，但 Baes and Mesmer (1971)曾指出，鋁
Al(OH)2+、 Al(OH)2+、 Al(OH)3(aq)及 Al(OH)4 -； 三 種 聚 合 型 態 ： Al2(OH)2 4+ 、 Al3(OH)4 5+ 及 Al13(OH)32 7+ ； 以 及 一 種 固 體 型 態 ： Al(OH)3(s)(Gibbsite)。 表 2-4 鋁的各種水解聚合型態及平衡常數 平衡方程式 logK (25℃) 參考文獻
Al3+ + H2O = Al(OH)2+ + H+ -4.97 Baes and Mesmer(1976)
Al3+ + 2H2O = Al(OH)2+ + 2H+ -9.30 Baes and Mesmer(1976)
Al3+ + 3H2O = Al(OH)3(aq) + 3H+ -15.0 Baes and Mesmer(1976)
Al3+ + 4H2O = Al(OH)4- + 4H+ -23.0 Baes and Mesmer(1976)
2Al3+ + 4H2O = Al2(OH)24+ + 4H+ -7.7 Baes and Mesmer(1976)
3Al3+ + 4H2O = Al3(OH)55+ + 5H+ -13.94 Baes and Mesmer(1976)
6Al3+ + 15H2O = Al6(OH)153+ + 15H+ -47.0 Bersillon et al.(1978)
7Al3+ + 17H2O = Al7(OH)174+ + 17H+ -48.8 Bersillon et al.(1978)
8Al3+ + 20H2O = Al8(OH)204+ + 20H+ -68.7
Matijevic and
Tezak(1953)
13Al3+ + 32H2O = Al13O4(OH)247+ +
32H+
-98.73 Baes and Mesmer(1976)
13Al3+ + 34H2O = Al13O4(OH)265+ +
34H+
-97.39 Bersillon et al.(1978)
2.3.2 聚合鋁物種(Alb)分析法及混凝特性 本研究使用不同聚合鋁物種之混凝劑做為前混凝處理之藥劑，於下詳 述聚鋁物種之分析方法及混凝特性: 2.3.2.1 水中鋁型態之分類及分析方法 由於鋁在水中水解的過程複雜且形成之物種繁多，雖有多種方法可分 析其水解產物，但卻無法將各種水解聚合型態檢測出來，故以 Al¡ Ferron 逐時螯合比色法之分析方法各種聚合態的鋁物種分成三類如下: 1. Ala: 與 Ferron 試劑瞬間反應的是單體鋁型態。 2. Alb: 會緩慢反應的為聚合態，此反應服從一級反應動力學。 3. Alc: 未反應或反應緩慢的為惰性型態，如 Al(OH)3固體或凝膠物。 其他也可分析鋁型態的方法如核磁共振法(27Al NMR)、雷射光子相關 光譜法、凝膠色譜法、小角度 X 射線衍射法等。 Al¡ Ferron 逐時螯合比色法 逐時螯合比色法為一較快速常用之檢測方法其原理如下(Smith, 1971)： Ferron 試劑中磺酸基官能團及聚氯化鋁中羥基基團會相互競爭 Al 離子 的螯合反應，所以根據逐時螯合反應速度可以代表聚氯化鋁當中不同型態 Al 分子大小與羥基結構轉化狀況，當鹽基比增大時，造成聚氯化鋁結構變
大，由低聚合態往中高聚合態發展，由線性結構往核環狀面形結構變化， 導致 Ferron 對羥基聚合鋁結構中的 Al 離子螯合反應難以進行，使反應變 慢；根據不同鋁水解型態與 Ferron 試劑螯合的速度不同而將鋁水解的型態 分為三種：單體鋁型態 Ala、聚合態的 Alb高聚合型態 Alc，反應螯合曲線 如圖 2-4。 其三者加總即為總鋁濃度： AlT = Ala + Alb + Alc 一般認為 Alb 部分是凝聚絮凝能力較強的成分即代表聚氯化鋁(PACl) 中 Al13成分。 圖 2-2 Al-Ferron 逐時螯合工作曲線(劉, 2003) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 20 40 60 80 100 120 時間(min) 吸 光 度(A ) 瞬間反應的Ala形態 緩慢反應的Alb形態 反應極緩慢或不反應的Alc型態 AlT
核磁共振法(27Al NMR) 核磁共振法(27Al NMR)是另一近年應用較多之方法，可以鑑定出單體 鋁、二聚體及 Al13 聚合體，其中化學位移(ppm)反映鋁核處的局部化學型 態，是用來進行結構測定的依據，不同鋁聚合型態根據其化學位移不同可 分別鑑定出，一般公認共振峰在 63.0 ppm ¡ 0.5 ppm 附近主要為 Al13型態。 表 2-5 水溶液中各種鋁型態的27 Al 化學位移(劉, 2003) 鋁型態 化學位移(ppm) Al(H2O)6+3 0 Al(H2O)5OH +2 0 Al(OH)4- 79.9 Al2(OH)2(H2O)8 +4 3.3 Al2 complexes 4.5 Al2(OH)4 -2 4 AlO4Al12(OH)24(H2O)12 +7 (Al13) 62.5、62.9、63.5 Al-Ferron 逐時螯合比色法必須稀釋鋁溶液水樣，過程可能造成鋁型態變 化，此法對溫度敏感，試驗需保持恆溫；核磁共振法(27 Al NMR)則不能用 於鋁濃度低於 10-4 mol/L 之水樣，比較 Al-Ferron 逐時螯合比色法測出之 Alb 值代表全部中度聚合型態的鋁物種而核磁共振法(27Al NMR)可準確測 出中度聚合態中的 Al13物種，兩者雖能測定之鋁濃度不同，但其數值之間
2.3.2.2 聚合鋁物種 Al13的特性 Al13 帶電荷大易與水中帶負電膠體粒子電性中和，具有較強之混凝能 力，以此為混凝劑其膠羽凝結迅速堅固且大，可減少沉降時間，且過濾容易， 沉澱池面積也可減少，增加單元處理效率。在高濃度下能維持穩定性，其本 身鹽基度高，故消耗鹼度量較其他混凝劑少。適溫性好，凝絮效果並不會受 水溫影響，且可穩定的存在於廣泛的 pH 範圍，總結 Al13以下三點特性。 1. 吸附-電性中和能力強 2. 鋁型態的穩定性高 3. 較寬的混凝操作區域 當聚氯化鋁中 Al13含量較高時，將其加入水中，Al13和其他中度聚集體 可穩定保持原有的型態並快速的吸附於顆粒表面，由於 Al13的分子量較大且 電荷值較高，具有比一般聚氯化鋁更優異的凝聚絮凝能力。王氏及湯氏(2001) 的研究中指出，實驗室自製的聚氯化鋁中 Alb含量越高時，對顆粒物的電性 中和作用能力越強。 高純度聚氯化鋁的鋁型態分佈多為 Al13及其聚集體，由於 Al13是經過預先 水解聚合而成的多核鋁物種，因此於混凝劑投加後的穩定性較高，於短時間 及不同的 pH 值環境下，依舊能保持其原來的型態而不發生改變。徐氏(2003) 的研究結果發現，在總鋁濃度為 2¡ 10-4 M、pH 值為 4 ~ 11 及熟化時間為 1 小時的情況下，高鹽基比 PACl(γ 為 2.2)及提純的 PACl(95%Al13)其鋁型態隨 pH 值及熟化時間的改變並不敏感，亦即混凝劑鹽基比越高，其鋁型態的穩 定性則越好。 湯氏及欒氏(1997)的研究中指出，PACl 與 AlCl3 具有不同的凝聚-絮凝區域。研究結果顯示，PACl 的最適操作區域(pH 範圍及加藥量) 較 AlCl3更為寬廣，顯示 PACl 具有比傳統混凝劑更大的操作彈性。
第三章 實驗設備、材料及方法 3.1 實驗水樣 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。 3.2 實驗藥品 (1)聚氯化鋁(PACl-1) 使用日本昭和化學(SHOWA)所生產的聚氯化鋁溶液，濃度為 10 % as Al2O3、鹼化度為 45 ~ 65 %，其外觀為白色乳狀且靜置一段時間 後會有沉澱物產生。於實驗進行當日以去離子水稀釋配製為 1,000 mg/L as Al 的儲備溶液，以作為混凝劑使用。 (2)氫氧化鈉(NaOH) 使用 Panreac 所生產的氫氧化鈉，以去離子水配製濃度為 0.2、 0.1 及 0.05 M 的氫氧化鈉儲備溶液做為混凝實驗的酸鹼調整劑。
(3)鹽酸(HCl，島久純藥) 使用和光純藥所生產的鹽酸，將濃度配製成 0.5 M 並利用碳酸鈉 及甲基紅-溴甲酚綠指示劑進行濃度標定。另外，配製濃度為 0.05 及 0.1 M 的鹽酸儲備溶液做為混凝實驗的酸鹼調整劑，用以調整實驗時 所需酸鹼值。 (4)無水磷苯二甲酸氫鉀（C8H5KO4） 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。 (5) 高純度聚氯化鋁 (PACl-3) 由大陸中國科學院生態環境研究中心(R.C.E.E.S, Chinese Academy of Sciences)所提供，採化學法製備。其原始總鋁濃度為 29 % as Al2O3、鹽基比為 2.3，利用硫酸根沉澱法及鋇離子取代法(SO4 2-/Ba2+ deposition-replacement method)進行提純並經冷凍法乾燥，外觀為白色 粉末狀。於實驗進行當日以去離子水稀釋配製為 1,000 mg/L as Al 的 儲備溶液，以作為混凝劑使用。 (6) 鋁標準溶液 為 High-Purity 公司所生產的鋁標準溶液，濃度為 1000 ¡ 3 µg/mL 並保存於 2 %的硝酸中，做為 ICP-OES 檢量線中各個鋁濃度的稀釋儲 備溶液。
(7) 60%Alb 含量之聚氯化鋁 (PACl-2) 由大陸中國科學院生態環境研究中心(R.C.E.E.S, Chinese Academy of Sciences)所提供，採化學法製備。其原始總鋁濃度為 33 % as Al2O3、鹽基比為 2.1，利用硫酸根沉澱法及鋇離子取代法(SO4 2-/Ba2+ deposition-replacement method)進行提純並經冷凍法乾燥，外觀為白色 粉末狀。於實驗進行當日以去離子水稀釋配製為 1,000 mg/L as Al 的 儲備溶液，以作為混凝劑使用。 3.3 實驗設備及裝置 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。
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 £m。此分析 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 £m 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。 8.感應耦合電漿原子發射光譜儀(ICP-OES) 水中總鋁及總矽的量測主要是使用 ICP-OES。採用之機型係法國 製造 、 臺灣 昇 航公 司 代 理， 型 號為 Jobin-Yvon JY24 ，以 連 續式
(Sequential)偵測，通入的氣體為 Ar(6 L/min)，使用氬氣氣體純度為
99.99 %。偵測鋁及矽的波長分別為 308.215 及 212.412 nm，分析時所
配製的鋁濃度檢量線為 0 ~ 10 及 0 ~ 100 mg/L as Al；矽的濃度檢量線
3.3.2 截流式微過濾薄膜裝置
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，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 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
3.4 研究步驟及架構 本研究探討預先混凝處理淨水場砂濾反沖洗水其膠羽結構對於 微過濾薄膜出水通量、使用壽命之影響且探討其濾後水直接作為公共 給水之可行性。首先將於新竹第一淨水場採集反沖洗水進行分析且進 行單元操作資料收集，以了解其淨水場反沖洗水水質變化範圍，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 探討膠羽結構對於過濾通量與薄膜壽命之影響；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。
研究架構 圖 3-2 研究架構 預先混凝處理於 Dead-end 式 MF 回收 淨水場砂濾反洗水之研究 新竹第一淨水場各處理單元資料收 集及收集分析反沖洗水質 不同混凝機制選擇條件 不同鋁型態混凝劑 (混凝劑鋁型態定性及定量) 膠羽特性探討 薄膜使用效率 濾餅壓縮係數量測 膠羽強度常數量測 膠羽碎型維度及膠 羽粒徑變化量測 薄膜通量試驗 濾後水質量測 薄膜阻塞機制 探討膠羽特性對於薄膜使用效率之影響
1.反沖洗水採樣 預先聯絡廠方，於過濾進行反洗程序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。 (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 2. 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。 3.混凝前處理步驟 (1)不同混凝機制之選擇 如同標準瓶杯試驗程序，先以 1mg/L as Al 之 PACl (SHOWA) 進行最佳 pH 條件試驗，確定最佳混凝 pH 後，控制於最佳混凝 pH 進行不同加藥量及殘餘濁度關係圖，對照快混狀況界達電位值 選擇混凝機制。
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 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。
(2)不同鋁型態含量混凝劑混凝試驗 a. 不同鋁型態含量混凝劑選擇 選擇由大陸中國科學院生態環境研究中心所提供，採化學法製 備。其原始總鋁濃度分別為 29 % 及 33% as Al2O3、鹽基比為 2.3 及 2.1，其 Alb含量分別為 90% 及 60%之混凝劑以及選擇原始濃度為 10% as Al2O3聚氯化鋁 (PACl，SHOWA)。 b. 混凝程序 同於不同混凝機制混凝試驗程序。 4. 濾餅壓密性試驗 Compressibility index 分別以 100mmHg、200mmHg、300mmHg、400mmHg 過膜壓力 所 形 成 濾 餅 比 阻 抗 進 行 線 性 迴 歸 ， 其 斜 率 數 值 為 濾 餅 之 compressibility index，而其值大則代表濾餅壓縮性大，濾餅內部膠羽 間孔係小，其值小則表示濾餅壓縮性小，濾餅內部膠羽間孔隙大，其 實驗裝置如下圖 3-3。
圖 3-3 濾餅壓縮係數實驗設備裝置 5. 膠羽特性試驗 a. 膠羽強度常數 於最適 pH 條件下，在水樣中加入所需劑量之混凝劑進行試驗， 快混轉速為 200 rpm (G=350 s-1 )的攪拌 1 分鐘，之後接著進行 20 分鐘 轉速為 30 rpm (G=25 s-1 )的慢混，慢混完成後再依次進行 15 分鐘轉速 分別為 30rpm、65rpm、100rpm 及 200rpm 的攪拌，攪拌結束後立即 以型號為 Mastersizer 2000 的小角度雷射光散射粒徑分析儀進行粒徑 分析，依據 Park et al. (1972) 提出 d = CG-γ 之關係式求出 floc strength constant。 d: 膠羽尺寸 (m) C: 膠羽強度因子 G: 速度坡降 (S-1) γ: 膠羽強度常數
b. 膠羽碎型維度及膠羽粒徑變化量測 於本實驗選定之混凝條件下以小角度雷射光散射粒徑分析儀進行 粒徑分析及碎型維度的量測，選定重複測量時間為 15 秒，測量次數 為 64 次，於混凝過程中進行粒徑變化之連續監測膠羽之粒徑及其碎 型維度。 6. 截流式微過濾薄膜過濾試驗 對於本研究所使用之 PTFE 薄膜，進行通量試驗前，需先前處理 薄膜後使用，其前處理方式至薄膜過濾試驗間，所需進行之步驟如下 所敘: (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)預先混凝處理後之反沖洗水過濾操作
