以光柵式沉降管柱評估載體嵌合技術應用於活性污泥程序之研究

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(1)中國醫藥大學碩士論文編號：IEH-1714 以光柵式沉降管柱評估載體嵌合技術應用於活性污泥程序之研究 Evaluation performance of carrier docking by light grid settling column for activated sludge process. 所別：環境醫學研究所指導教授：江舟峰博士 Chiang Chow-Feng 學生：陳建安 Chen Chien-An 學號：9465014. 中華民國. 九十六. 年. 七. 月.

(2) 誌謝. 首先誠摯感謝我的恩師江舟峰教授，由於江老師的指導，使出身公衛體系的我，得以涉足環境工程的領域，兩年的求學路上，雖遭遇許多困難與挑戰，承蒙恩師傾囊相授，協助我奠定基礎，更一路支持我度過重重難關，跟在江老師身邊，讓我體認到對於學術該有的堅持與嚴謹，以及待人處事的態度，同時恩師亦不時指點我人生的方向並分享他的人生經歷，對我來說，能在恩師門下學習與成長，是一件非常榮幸的事情。. 好友永政、祖恩、慶輿，他們在我遭遇困難時，給予我相當多的鼓勵與幫助，禮豪學長對於我論文，提供了寶貴的建議，源輝、耕榜、孟涵及厚吾、培凱這幾位學弟，亦竭盡所能協助我完成載體嵌合試驗，學妹小玉在我埋首論文時，也默默地幫忙我處理日常瑣碎的事務，使我能心無旁鶩，在永豐餘工作的恆揚學長，在繁忙的公務之餘，仍熱心分享處理場方面的實務經驗，環醫所的老師們亦對我照顧有加，不時替我加油打氣，而家人在心靈上的鼓勵與經濟上的支持，還有女友卉娟無微不至的照顧，讓我能順利的完成論文，謹將此書獻給他們。.

(3) 摘要. 活性污泥程序 (activated sludge process, ASP) 由於操作方便、成本低廉、技術成熟，現為最普遍之廢污水二級處理技術，但常遭遇污泥膨化 (bulking) 問題，導致放流水質惡化。傳統上以設置選種槽等方式改善上述問題，本研究則嘗試利用自製之小粒徑、低成本且不需回收之淘洗細砂 (elutriated microsand)，透過載體嵌合 (carrier docking) 以物理方式增加污泥比重，改善其沉降性。本研究自行研發連續式光柵沉降管柱 (continuous-light grid settling column, C-LGSC) (內徑長 20 cm、有效深度 143 cm)，評估載體嵌合技術，改善造紙廢水活性污泥沉降性之成效，並與本研究群前期研究，批次量筒 (內徑長 6 cm、有效深度 36 cm)、批次光柵沉降管柱 (B-LGSC) (內徑長 12 cm、有效深度 100 cm) 試驗結果評比。本研究首先分析中部某造紙廢水處理場，自 2000 年 11 月至 2002 年 10 月，連續 24 個月之 ASP 操作數據。將放流水懸浮固體 (suspended solid, SS)SS 與化學需氧量 (chemical oxygen demand, COD) 兩者月平均值進行線性迴歸，顯示放流水每單位 SS 貢獻 2.6 單位 COD，且曝氣池生物分解的極限為 52.1 mg/L COD。根據放流水質是否違反國家標準，並可將 24 個月的操作分為穩態與非穩態期；於穩態期間，SS 違反放流水標準之風險為 COD 的 3 倍，且水質異常係導因於處理流量瞬間大幅變動 (小時尖峰係數達 2.2)，因此增加生物膠羽的比重，改善終沉池污泥沉降性實為提升處理成效之關鍵。測試自行開發之 C-LGSC 時，於批次沉降試驗完成後，在三個不同深度連續進流污泥，結果顯示，進流點深度不當設計將影響污泥沉降試驗，而良好之進流點約為液面下 3/4 有效水深的位置，對沉降之干擾最小，與實場終沉池之進流點類似。 I.

(4) 接著利用 C-LGSC 進行批次沉降試驗，再進行固體通量分析 (solid flux analysis)，推算 ASP 系統理論設計與操作參數，結果終沉池表面積為 1,800 m2，固體停留時間 (solid retention time, SRT) 為 12 days，與前期 1L 量筒及 B-LGSC 沉降試驗比較，顯示 C-LGSC 試驗顯著減少管壁效應。唯長期操作數據之分析結果，顯示該場之處理風險，可能導因於終沉池表面積過小及 SRT 值過短 (實場：900m2、6days)。本研究最後以 6 種載體劑量進行三重複批次沉降試驗，若以未添加載體之污泥初始沉降速度 (initial velocity, V0) 為控制組，試驗組載體劑量為 8 ~ 42 % (w/w)，結果顯示各組試驗之 V0 增加 33 ~190 %，且 V0 增加比例隨載體劑量增加而遞增，上澄液之 SS 與 COD 亦呈改善趨勢。以固體通量法進一步分析載體嵌合成效，結果顯示終沉池表面積可縮減 0.5 ~ 4.3 倍，SRT 可由 12 days 降至 4 ~ 8 day，且載體劑量達 16 % 時，即可有效改善實場終沉池表面積過小與 SRT 過短的缺點，但與前期研究結果交叉分析，顯示 MLSS 濃度、污泥沉降特性與載體粒徑，皆為影響載體嵌合技術成效之因素。. 關鍵字：連續式光柵沉降管柱、載體嵌合、造紙廢水活性污泥、固體通量分析. II.

(5) Abstract The activated sludge process (ASP) has been widely accepted as a secondary technology for wastewater treatment due to its operational convenience, low cost, and technical maturity.. However, ASP often. experiences bulking sludge problem, which deteriorates effluent quality. Conventionally the problem is approached by placing biological selectors preceding the ASP.. This study instead proposes an alternative solution namely. carrier docking to enhance sludge settleability by physically increasing sludge density with non-recovered elutriated microsand produced by using an elutriating method in our laboratory.. We also developed a light grid settling. column capable of continuous operation (C-LGSC) (20 cm ID × 143 cm EH) for evaluating sludge settleability.. The settling data obtained were analyzed. and compared with the data tested with 1-L graduate cylinders (6 cm ID × 36 cm EH) and the batch LGSC (B-LGSC) (12 cm ID × 100 cm EH) from our previous coworkers. We first analyzed a set of 24-month data between November 2000 and October 2002. Linear correlation of monthly averages in effluent suggests, on the long-term basis, one unit of suspended solid (SS) contributing 2.6 unit of chemical oxygen demand (COD) in effluent and a biodegradation limit of 52.1 mg/L COD for the ASP treating pulp-making wastewater.. The 24-month data. were separated into 3 periods: stable, outbreak, and recovered period.. During. the stable period, the frequency of exceeding the national discharge standard in SS was three times of the one in COD.. Hydraulic analysis showed. dynamically a wide fluctuation with a hourly peak factor (PF) of 2.2 being imposed on the 2nd settler.. We conclude that higher density of biofloc. structure is crucial to cope with the fluctuation for stable effluent quality. The C-LGSC developed in this study was evaluated for continuous operation.. Upon completion of batch settling for 30 minutes, sludge III.

(6) suspension was fed into the column continuously at three specific locations of different depths.. In order to minimize hydraulic disturbance from the. continuous feeding, it was clearly shown that sludge should be fed directly into sludge blanket at a depth about 3/4 of the effective height below the overflow weir.. This situation is in agreement with the configuration of the full-scale. final sedimentation tank. We then conducted a series of batch C-LGSC tests and performed a solid flux analysis in this study to estimate several key system parameters.. The. analysis resulted in a surface area of 1,800 m2 for the final settler and an SRT of 12 days for the ASP. The settling-controlled SRT should be compared with the SRT required for biological degradation and a longer one should be used for design and operation.. Comparing with the test data obtained from our. previous tests, it can be concluded that the wall effect adhered to C-LGSC was well eliminated.. Along with the fact concluded from the 24-month. operational data analysis, the solid flux analysis suggested that, for the fullscale units, surface area was undersized by 50% for the 2nd clarifier (900 m2) at a short SRT (6 days). At last, we performed a series of batch settling tests using the C-LGSC at 6 different doses (8 ~ 42 % by weight) of microsand carrier each with triplicate runs. Using the test without carrier addition as the control, all the microsanddocked tests showed a significant increase of 33 ~ 190 % in initial settling velocities (Vo).. Higher doses yielded higher Vo increases with a marginal. trend at the higher ends of the doses.. We also performed a solid flux analysis. and concluded that carrier addition at a dose of 16 % may be used to compensate the inadequate design in surface area and SRT.. However,. comparative analysis with the previous tests indicated that MLSS concentration, settling property of the sludge, and carrier diameter all are important factors affecting the docking performance.. IV.

(7) Keywords: continuous-light grid settling column, carrier docking, pulp-making wastewater activated sludge, solid flux analysis. V.

(8) 目錄. 中文摘要.....................................................................................................I 英文摘要..................................................................................................III 目錄..........................................................................................................VI 表目錄......................................................................................................IX 圖目錄.......................................................................................................X 第一章前言........................................................................................................1 1-1 緣由與目的....................................................................................1 1-2 研究架構........................................................................................2 1-3 研究限制........................................................................................3 第二章文獻回顧................................................................................................6 2-1 沉降類型與分析目的....................................................................6 2-2 固體通量之理論及應用................................................................8 2-3 載體混凝技術..............................................................................10 2-3-1 載體混凝原理.....................................................................11 2-3-2 載體嵌合原理.....................................................................12 2-3-3 載體混凝重要歷史沿革.....................................................13 2-3-4 載體混凝技術評估方法與參數.........................................17 2-3-5 商業進轉技術.....................................................................26 2-3-6 小結............................................................................................27 第三章研究方法..............................................................................................29 3-1 實場長期操作風險分析...............................................................29 3-2 連續式光柵沉降管柱之設計與開發...........................................30 VI.

(9) 3-3 連續進流點試驗.......................................................................31 3-4 污泥沉降性評估試驗...................................................................32 3-5 載體嵌合成效試驗.......................................................................33 第四章造紙廢水活性污泥程序實場長期操作風險分析..............................36 4-1 摘要...............................................................................................36 4-2 前言...............................................................................................38 4-3 研究方法.......................................................................................38 4-3-1 處理流程.............................................................................38 4-3-2 SS、COD 與放流水量之檢測....................................................40 4-3-3 統計方法.............................................................................41 4-4 結果與討論...................................................................................42 4-4-1 放流水質變動期分析..................................................................42 4-4-2 放流水 SS 與 COD 關聯分析.....................................................43 4-4-3 長期穩態操作參數分析..............................................................44 4-4-4 長期穩態操作風險分析..............................................................46 4-4-5 放流水質變動與操作參數關聯分析.................................48 4-5 結論與建議...................................................................................50 參考文獻..............................................................................................51 第五章連續式光柵沉降管柱連續進流點試驗..............................................53 5-1 以目視觀察連續進流點深度對污泥沉降之影響.......................53 5-2 以沉降數據分析連續進流點深度對污泥沉降之影響...............56 第六章固體通量演算法之建立與污泥沉降性分析......................................59 6-1 固體通量模式推導......................................................................59 6-2 固體通量演算法之建立..................................................................61 VII.

(10) 6-3 活性污泥沉降性分析...................................................................64 6-3-1 污泥初始沉降速度分析.....................................................64 6-3-2 固體通量演算法分析........................................................65 第七章載體嵌合成效分析....................................................................72 7-1 污泥沉降性分析...........................................................................72 7-2 放流水質分析...............................................................................76 第八章總結與建議................................................................................78 8-1 造紙廢水活性污泥程序實場長期操作風險分析.......................78 8-2 連續式光柵沉降管柱連續進流點試驗.......................................79 8-3 固體通量演算法之建立與污泥沉降性分析...............................79 8-4 載體嵌合成效分析.......................................................................80 參考文獻..................................................................................................81 附錄 A. 活性污泥 MLSS 濃度離心檢測方法........................................86 附錄 B. 本研究污泥沉降性評估沉降試驗數據..….......................................91 附錄 C. 本研究載體嵌合成效沉降試驗數據.................................................92 附錄 D. 本研究固體通量計算示例.................................................................95. VIII.

(11) 表目錄 Table 2-1 沉降作用類型............................................................................6 Table 2-2 載體混凝技術重要歷史沿革..............................................14 Table 2-3 載體混凝技術評估方法與試驗參數評比表..........................19 Table 3-1 連續式光柵沉降管柱設計規格..............................................30 Table 3-2 光柵代碼解碼表......................................................................33 Table 4-1 Daily average of OLR, F/M and Td for aeration tank, and. daily average, maximum daily average of OR, and SLR for final settling tank during the stable period and recovered period......................................................................................45 Table 4-2. Risk in effluent variation with CV of daily effluent SS and COD in a month; and in percentage of frequency exceeding effluent SS and COD national standards during the stable and recovered period...............................................................47 Table 6-1 本研究建立之固體通量演算法...............................................62 Table 6-2 本研究固體通量分析時採用之參數值...................................69 Table 6-3 本研究三種沉降工具推估實場理論參數值與實場值之比較......................................................................69 Table 7-1 本研究沉降工具載體嵌合沉降數據分析結果................................73 Table 7-2 以固體通量演算法分析 C-LGSC 載體嵌合沉降數據所得之實場理論設計及操作參數..........................................75 Table 7-3 C-LGSC 嵌合試驗上澄液 SS 及 COD 檢測結果...........................76. IX.

(12) 圖目錄 Figure 2-1 Type II 沉降等去除率曲線.....................................................7 Figure 2-2 活性污泥批次沉降曲線圖.......................................................8 Figure 2-3 污泥沉降單元沉降操作示意圖...............................................9 Figure 2-4 固體通量曲線圖.....................................................................10 Figure 2-5 載體混凝作用機理示意圖.....................................................11 Figure 2-6 載體嵌合作用機理示意圖.....................................................12 Figure 2-7 添加載體之活性污泥膠羽 (400 倍) .....................................12 Figure 2-8 Settlometer 作用機制示意圖..................................................22 Figure 2-9 Schlumosed 作用機制示意圖................................................23 Figure 2-10 1-L 量筒批次沉降試驗.........................................................24 Figure 2-11 批次式光柵沉降管柱...........................................................25 Figure 2-12 連續式光柵沉降管柱...........................................................25 Figure 2-13 Actiflo 載體混凝技術處理流程圖.......................................25 Figure 3-1 本研究開發之連續式光柵沉降管柱圖.................................31 Figure 3-3 載體與技術玻片顯微照片.....................................................34 Figure 3-4 載體溶液離心完成圖.............................................................34 Figure 3-5 載體乾燥完成圖.....................................................................34 Figure 4-1 Wastewater treatment flow chart and mass balance diagram of the pulp-making plant.........................................................39 Figure 4-2 Monthly average of effluent COD and SS concentration, showing the stable period, transition period, outbreak period, and recovered period of the treatment plant of this study.......42. X.

(13) Figure 4-3 Linear correlation between monthly average of effluent COD and SS during the 24 months of this study, showing that one unit of SS contributing 2.6 unit of COD; and a COD treatment limit is of 52.1 mg/L................................................43 Figure 4-4 Trend of monthly average of effluent COD, responding to the organic loading rate (OLR) of aeration tank during the 24 months of this study. ..........................................................48 Figure 4-5 Trend of monthly average of effluent SS, responding to the overflow rate (OR) of final settling tank during the 24 months of this study. ...................................................48 Figure 4-6 Transient effluent flowrate in every 30 minutes for a week, showing a large fluctuation. ................................50 Figure 5-1 液面下 15 cm (1/10 有效水深)連續進流污泥之污泥沉降情形...53 Figure 5-2 液面下 15 cm (1/10 有效水深)連續進流清水之污泥沉降情形...54 Figure 5-3 液面下 50 cm (1/3 有效水深)連續進流污泥之污泥沉降情形.... 55 Figure 5-4 液面下 110 cm (3/4 有效水深)連續進流污泥之污泥沉降情形.. 55 Figure 5-5 污泥界面變動趨勢.................................................................56 Figure 5-6 污泥層變動趨勢.....................................................................57 Figure 6-1 於一定排泥速率(U)而變動 MLSS 濃度(X)時，典型之固體通量曲線圖.........................................................60 Figure 6-2 本研究三種沉降工具之活性污泥冪函數迴歸曲線圖..............65 Figure 6-3 SFL vs. U 迴歸曲線.................................................................66 Figure 6-4 XR vs U 迴歸曲線...................................................................67 Figure 6-5 r vs OR 迴歸曲線...................................................................67 Figure 6-6 OR vs U 迴歸曲線..................................................................68 Figure 6-7 本研究三種沉降工具 SFL vs. A 關係圖.................................70 XI.

(14) Figure 7-1 本研究三種沉降工具於各載體劑量比之 V0 增加率............74 Figure 7-2 C-LGSC 載體添加量與 SS、COD 關係曲線..........................77. XII.

(15) 第一章前言 1-1 緣由與目的台灣造紙廠現為 108 家，紙與紙板總生產量每年約 480 萬噸，每日生產超過 150 萬噸之廢水 (造紙同業公會，2006)，活性污泥程序 (activated sludge process, ASP) 由於操作方便、成本低廉、技術成熟，一直為廢、污水最普遍使用之生物處理方法 (Metcalf and Eddy, 2003)，由於生物系統易受到各種操作條件影響，造成系統異常，特別是污泥不易沉降的問題。過去研究著重於以生物控制的觀點改善 ASP 之操作效能，如使用選種槽 (selector) (Andreasen et al., 1999)、調整曝氣池操作條件、或添加氯、過氧化氫等物質，選擇性去除絲狀菌 (Neethling et al., 1985)，但系統異常的問題仍時有所聞。載體混凝技術 (ballasted flocculation) 嚐試以物理控制觀點來改善活性污泥沉降性，利用塗布於大粒徑載體表面的高分子膠凝劑，吸附水體中的顆粒或膠羽體，或形成架橋，過去研究證實該方法確能有效且快速改善污泥沉降性 (Clauss et al., 1999；Vanderhasselt et al., 1999；Seka et al., 2001)，但仍存在諸多缺點，如載體 (ballasted agent, carrier) 成本過高、需透過特殊設備回收載體、或載體添加比例過高等，本研究乃自行研發載體嵌合 (carrier docking) 理論與技術，採用小粒徑且成本低廉不需回收之載體，直接以嵌入膠羽結購中，增加其視密度 (bulk density)，以改善造紙廢水活性污泥之沉降性，但目前評估載體沉降性的工具仍以 1-L 量筒為主，國外專利的即時監控沉降管柱又甚為昂貴 (Vanrolleghem et al., 1996；Fuchs et al., 1999)，本研究乃自行開發光柵式沉降管柱 (light-grid settling column, LGSC)，前期研究已開發批次沉降管柱 (batch LGSC)，本研究目的：(1) 分析實場長期操作數據，探討污泥沉降性在 ASP 系統失敗 1.

(16) 時扮演的腳色，(2) 開發連續式沉降管柱 (continuous LGSC)，(3) 建構固體通量演算法 (solid flux algorithm)，(4) 評估以載體嵌合改善造紙廢水活性污泥沉降性之成效，探討最佳載體添加劑量，(5) 評估該沉降工具與評估方法之可行性，建立一致且有效之評估流程。 1-2 研究架構本研究架構與流程如 Figure 1-1，分成 Phase-I、Phase-II 與 Phase-III 三部分，Phase-I 為活性污泥系統分析，Phase-II 為固體通量分析，PhaseIII 為連續式光柵沉降管柱 (C-LGSC) 試驗，詳細說明如下： 1-2-1 Phase-I 活性污泥系統分析本研究分析台灣中部某造紙廢水處理場之 ASP 系統連續 24 個月的操作數據，首先分析放流水懸浮固體 (suspended solid, SS) 月平均值與化學需氧量(chemical oxygen demand, COD) 月平均值間的關聯性，其次檢視 24 個月期間，ASP 系統放流水質的階段性變動，再分析 ASP 系統為穩態操作期間 (state period) 之操作參數與操作風險，最後探討放流水質的變動分別與曝氣池有機負荷 (organic loading rate, OLR) 月平均值、終沉池溢流率(overflow rate, OR) 月平均值等操作參數之間的關聯性。 1-2-2 Phase-II 固體通量分析為準確評估活性污泥沉降性與載體改善成效，本研究乃推導固體通量公式以建立固體通量演算法，並以演算法分析與評比本研究沉降工具 CLGSL 與前期沉降工具 1-L 量筒、B-LGSL 之批次沉降試驗數據，探討不同沉降工具之活性污泥沉降性與載體改善成效。 1-2-3 Phase-III 光柵式沉降管柱 (C-LGSC) 試驗本研究以自行最新開發之沉降工具 C-LGSC 進行活性污泥沉降試驗，因 C-LGSC 具連續進流操作的功能，依沉降方式，C-LGSC 沉降試驗分為 2.

(17) Phase-IIIA 連續進流點試驗與 Phase-IIIB 批次沉降試驗，詳細說明如下： Phase-IIIA 連續進流點試驗：為探討 C-LGSC 分別以三種進流點深度 (液面下 15 cm、50 cm、110 cm) 進行污泥連續進流操作時，對污泥沉降的影響，了解是否會干擾污泥沉降行為，本研究另於液面下 15 cm 的深度連續進流清水，檢視進流流況對污泥沉降的影響。 Phase-IIIB 批次沉降試驗：本研究將 C-LGSC 批次沉降試驗分成兩部分，首先進行污泥批次沉降試驗，先計算污泥初始沉降速度 (initial velocity, V0) 並以固體通量演算法分析沉降數據，計算出實場終沉池表面積、迴流污泥量、廢棄污泥量等參數，再與 1-L 量筒 (蔡，2004)、BLGSL (陳，2005) 評比，探討活性污泥於不同沉降工具之沉降性，其次將載體加入污泥中，以批次沉降的方式進行載體嵌合試驗，評估載體改善污泥初始沉降速度與上澄液水質之成效，並以固體通量演算法分析沉降數據，評估載體嵌合技術若實際應用於處理實場，對於終沉池表面積、迴流污泥量、廢棄污泥量等參數的影響。. 本研究共分上述三大部分，論文撰寫格式則參考本校環境醫學研究所規定，以及台大公衛學院 (邱，1996) 與歐洲 Wageningen Agricultural Unuversity (Spanjers, 1993) 之論文模式，將部分研究成果撰寫成期刊，直接納入本論文第四章，但仍採本校環醫所之章節格式。 1-3 研究限制由於本研究與蔡 (2004)、陳 (2005) 等前期研究，皆取自同一處理場曝氣池之活性污泥，但採樣時間並不相同，但活性污泥之特性可能因時間、季節或造紙廠製程廢水於水質、水量上的變動而改變，進一步影響本研究 C-LGSC 與 1 L 量筒 (蔡，2004)、B-LGSC (陳，2005) 之評比結果，此為本研究限制之一。 3.

(18) 文獻收集與評析. Phase-I 活性污泥程序系統分析 (24 個月). Phase-II 固體通量分析. Phase-III 連續式光柵沉降管柱 (C-LGSC) 試驗. 固體通量模式推導放流水 SS 與 COD 關聯分析長期穩態操作參數分析. 放流水質階段性變動分析. 固體通量演算法建立. 放流水質與操作參數關聯分析. 液面下 15 cm 連續進流清水. 長期穩態操作風險分析. Phase-IIIA 連續進流點測試. 液面下 15 cm 連續進流污泥液面下 50 cm 連續進流污泥液面下 110 cm 連續進流污泥. Figure 1-1. 本研究架構流程圖 4. Phase-IIIB 批次沉降試驗. 污泥沉降性評估. 載體嵌合效能評估. 評估結果分析與評比 (1-L 量筒、B-LGSL).

(19) 本研究以批次沉降試驗評估污泥於 C-LGSC 之沉降性以及載體改善成效，進行試驗時，本研究需自 C-LGSC 的頂端倒入污泥，由於 CLGSC 本身設計高達 1.6 m，倒入污泥時，可能破壞污泥膠羽結構，影響污泥沉降性，因此產生試驗誤差，影響本研究沉降試驗的準確性，此為本研究限制之二。. 5.

(20) 第二章文獻回顧 2-1 沉降類型與分析目的沉降 (sedimentation) 為一種固-液體分離程序，為藉重力作用將水中懸浮固體顆粒分離，如 Table 2-1 所示，沉降可依水中顆粒濃度與顆粒之間的交互作用分成四種類型：Type I：單顆粒沉降或稱自由沉降 (free settling)、Type II：膠凝顆粒沉降 (coagulated settling)、Type III：層沉降 (zone settling) 或稱阻滯沉降 (hindered settling)、Type IV：壓密沉降 (compression setting) (Metcalf and Eddy, 2003)。. Table 2-1. 沉降作用類型 (Metcalf and Eddy, 2003) 沉降類型 Type I 自由沉降. Type II 膠凝沉降. Type III 層沉降. Type IV 壓密沉降. 沉降特性說明. 實際應用. 發生於低濃度懸浮溶液的情形，顆粒各自沉降，且顆粒間無顯著交互作用. 應用於去除沸水中的砂礫及細砂顆粒. 發生於較為稀釋的懸浮溶液中 (SS<1,000 mg/L)，在沉降過程中顆粒會形成膠凝，使得變重且增加速度. 應用於去除初級沉降或是二級沉降上層部位的懸浮固體，亦可適用於沉澱池中的化學膠羽. 通常發生於懸浮固體達到一定濃度時 (SS = 1,000 ~ 5,000 mg/L )，顆粒間的作用力阻滯周圍顆粒的沉降，於沉降過程中顆粒維持相對的位置，形成層狀污泥層，污泥層上方產生一明顯之固液分離界面通常發生於高懸浮固體濃度沉降 (SS> 5,000 mg/L)，顆粒形成一完整結構，且沉降的進行只能依靠本身結構的重量壓密完成，壓密作用來自於上層顆粒的重量向下層顆粒持續施壓，導致整體的顆粒密度增加. 應用於生物處理系統中的二級沉殿單元. 6. 通常發生於底層的污泥，例如二級沉降單元的底部或是污泥濃縮單元.

(21) 不同沉降型態其沉降分析方式亦不相同：Type I 沉降特性遵循史托克定律 (Stock’s law)，顆粒於沉降過程中先以加速度沉降直到由浮力、液體摩擦力所形成的牽引力 (drag force, FD) 與重力形成的驅動力 (impelling force, FI) 相等時，顆粒便以等速度 V 進行沉降，當顆粒為圓形時其終端沉降速度 (terminal velocity) Vs 之計算公式如下： 4 (ρs - ρw) Vs = ( 3C d × g ) 1/2.....................................................................(2-1) ρ D w 其中 ρs = 顆粒比重 (g/cm3)、ρw = 液體比重 (g/cm3)、d = 圓形顆粒投影直徑 (mm)、g = 重力加速度、CD = 牽引係數，顯示顆粒粒徑及比重對於顆粒沉降特性有直接的影響。 Type II 膠凝顆粒之沉降特性可藉由沉降筒進行批次沉降試驗 (batch settling test) 繪出不同大小顆粒於不同深度及時間之等去除率曲線(figure 2-1)，沉降時間 TC 的固體去除率 RT 公式如下： H2 H1 RT = RC + H (RD - RC) + H (RE - RD)......................................................(2-2) 其中 H2 = 粒徑介於 RD-RC 間的顆粒之沉降高度、H1 為粒徑介於 RE-RD 間的顆粒沉降的高度，Type II 顆粒沉降性亦受顆粒粒徑與濃度影響。. Figure 2-1. Type II 沉降等去除率曲線 7.

(22) 於二級沉降單元中 (最終沉澱池)，主要的沉降型態為 Type III 及 Type IV，Talmage and Fitch (1955) 使用量筒 (cylinder) 以污泥批次沉降試驗，分析其沉降特性，作為設計與操作參數估算之依據，污泥沉降曲線如 Figure 2-2 所示，該曲線於轉折點 1 由層沉降 (或阻滯沉降) 轉為壓密沉降，於層沉降階段之斜率代表污泥層初始沉降速度，再考慮污泥濃度等數據，並套用於沉降曲線，可推算出理論終沉池表面積等重要設計參數。. Figure 2-2. 活性污泥批次沉降曲線圖 (Talmage and Fitch, 1955). 2-2 固體通量之理論與應用二級沉降單元的設計與操作通常利用固體通量 (solid flux, SF)，進行分析，如 Figure 2-3 所示，於沉降過程中，污泥層藉重力與排泥操作，以 Type III 及 Type IV 的方式穩定沉降時，沉降的情形可透過固體通量 SF 表示，SF 代表每單位時間及面積所通過之污泥量 (kg/m2-d)。因為固體通量分別受重力及排泥速率所影響，因此總固體通量 SFT 為重力 8.

(23) 固體通量 SFG 與排泥固體通量 SFU 之總和，總固體通量計算公式如下： Qu SFT = SFG + SFU = Xi × Vi + Xi × Ub = Xi × Vi + Xi × A .........................(2-3) Xi =污泥濃度 (g/m3)、Vi = 污泥濃度為 Xi 時的沉降速率 (m/h)、Ub = 污泥迴流率 (m/h)、Qu = 迴流污泥流量 (m3/h)、A = 終沉池表面積 (m2)。. Figure 2-3. 污泥沉降單元沉降操作示意圖 (Metcalf and Eddy, 2003). 推算 SFT 首先以不同 MLSS 濃度之污泥，進行批次沉降試驗，分別求得污泥層沉降速度，再以式 2-3 分別求出 SFG、SFU 以及 SFT，如 Figure 2-4 所示，當污泥濃度高到一定濃度時，污泥沉降速度會逐漸下降趨近於零，導致 SFG 因而下降；SFU 與污泥濃度為線性關係，其斜率為排泥率 Ub ，由於 SFT 為 SFG 及 SFU 之總和，因此可藉由控制排泥速率調整總固體通量，若繪製一水平切線，與 SFT 曲線最低點相交，該點即為極限固體通量 SFL，當進流污泥之總固體通量超出極限固體通量時， 9.

(24) 若沉降單元未根據 SFL 值設計合理的表面積，可能會因污泥進流過量導致無法沉降或浮至溢流堰，而造成放流水質惡化的風險，因此固體通量法實為 Type III 沉降重要評估方法： AT =. (Q+Qu) × X ........................................................................................(2-4) SFL. X = 污泥濃度 (g/m3)、(Q + QR) = 終沉池總污泥流量 (m3/d)、SFL = 極限固體通量 (kg/m2-d) 濃度= Xi 時的沉降速率 (m/h)、AT = 終沉池理論表面積 (m2)。. Figure 2-4. 固體通量曲線圖 (Metcalf and Eddy, 2003). 2-3 載體混凝技術載體混凝 (ballasted flocculation)，為一種改善廢水處理效能的快速沉澱法，其原理為進行廢水處理進行至混凝階段時，加入如細砂等高密度的載體 (balladted agent)，加入活性污泥膠羽體中，形成高密度的膠羽顆粒，進而增進活性污泥的沉降性，載體混凝技術自 1964 開始研究以來 (Sibony. 1981) ，經過長期研究已漸臻成熟，為改善廢、污水處理效 10.

(25) 能的主要選擇之一。相較於文獻之載體混凝技術，本研究群則以自 2000 年研發另一種原理之載體嵌合 (carrier docking) 技術，並用於改善造紙廢水活性污泥之沉降性，本節探討載體混凝及載體嵌合的原理，並彙整國外文獻暨本研究群過去 6 年的研究成果，包括載體種類、特性、適用廢水種類及成效評估方法與指標等四項，並介紹實例與商轉技術。. 2-3-1 載體混凝原理載體混凝原理為廢水處理過程中，於進行混凝時加入載體 (ballasted agent)，形成高密度膠羽顆粒進而改善其沉降特性 (Metcalf and Eddy, 2003)；載體的種類依照處理技術的不同有所差異，一般以細砂 (microsand) 為主要材質，其他則有滑石 (talc)、煤粉 (coal powder) 等，載體混凝作用機理如 Figure 2-5 所示，高分子膠凝劑 (polymer) 將載體完全包覆後，與周圍的膠羽顆粒透過架橋作用形成載體膠羽 (ballasted floc)，載體膠羽間亦可相互連結成更大的顆粒使得膠羽密度增加，進而提升污泥沉降速度。. Figure 2-5. 載體混凝作用機理示意圖 (modified from Metcalf and Eddy, 2003) 11.

(26) 2-3-2 載體嵌合原理本研究群所研發之載體嵌合技術 (carrier docking) 的作用機理如 Figure 2-6 所示：藉由生物高分子 (biopolymer)，在生物膠羽結構體內以凡得瓦力 (van der waals force) 或包陷 (entrapment) 等方式於不特定結合位 (biding site) 形成嵌合 (docking)，直接增加生物膠羽整體結構之視密度，而不只藉由弱作用力進行結合，Figure 2-7 為本研究團隊使用 400 倍之顯微鏡，所觀察到黑色點為嵌合於生物膠羽之載體。本研究群所用的載體乃透過特殊淘洗程序 (elutriation) 所產生，密度約 2.26 g/cm3，粒徑介於 1 ~ 10 µm，較一般細砂載體的密度 (2.65 ~ 2.7 g/cm3)、粒徑 (45 ~ 150 µm) 都來得低。. Figure 2-6. 載體嵌合作用機理示意圖 (modified from 蔡，2004). 載體 (ballasted agent). 污泥膠羽 (sludge floc). Figure 2-7. 添加載體之活性污泥膠羽 (400 倍) (蔡，2004) 12.

(27) 2-3-3 載體混凝重要歷史沿革 Table 2-2 為國外文獻及本研究群之研究成果：Clauss (1999) 將載體混凝技術應用於造紙廢水處理廠，並於活性污泥產生膨化 (bulking) 時加入 70 % 之滑石載體，且污泥體積指數 (sludge volume index, SVI) 於 24 小時內由 280 mL/g 降至 160 mL/g，下降幅度達 43 %，且載體改善效能與劑量比例呈正向相關，該研究亦指出當滑石材質的載體之劑量降至 25 % 則對 SVI 則無顯著改善效果。Jeschke (1999) 採用具專利載體混凝技術之 Actiflo 處理程序，應用於自來水廠的水質處理上，結果發現應用處理後之水體平均濁度由 0.60 降至 0.036 NTU，改善幅度達 94 % 而三鹵甲烷的濃度亦由 70 降到 50 µg/L 且化學藥劑用量減少 28 %。 Vanderhasselt (1999) 以線上監測裝置 Settlometer 及 Schlumosed，評估添加滑石、煤粉及高分子膠凝劑，對不同污泥沉降性的影響，結果指出滑石增加污泥初始沉降速度 (m/h) 高出碳粉 15 ~ 28 %，且減少的污泥層高度 (mL/L) 比碳粉高出 3 ~ 35 %，膠凝劑對增加上澄液透明度效果最佳，最高達 71 %，同時亦發現載體的改善效用與污泥種類有相當關係，因此評估載體成效時，建議採用 2 種以上的參數以增加評估之準確性；Vanderhasselt (1999) 另以 Settlometer 評估滑石與高分子膠凝劑對工業廢水及生活污水活性污泥的改善效果，結果指出滑石與膠凝劑對於兩種污泥之初始沉降速度、SVI 及攪拌污泥容積指數 (stirred sludge volume index, SSVI) 皆有相當正面的效果，且滑石的改善效果可維持 15 小時，而膠凝劑則維持不到 3 小時；該研究亦指出載體應用效果與其劑量呈線性正向相關 (R2 = 0.92 ~ 0.99)，但改善程度隨著污泥種類而改變，但滑石最大的缺點是導致污泥量增加。. 13.

(28) Table 2-2. 載體混凝技術重要歷史沿革參考文獻. 研究目的. 研究成果. Clauss et al. (1999). 以滑石改善造紙廢水活性污泥沉降性. 1. 劑量為 70 %時，SVI 可由 280 降至 160 mL/g 2. 劑量達 70 %，產生過量污泥. Jeschke et al. (1999). Actiflo 程序用於淨水 1. 劑量為 9.59 g/L 時，平均濁度由 0.6 降處理至 0.036 NTU 2. 混凝劑用量降低 28% 1. 滑石改善污泥沉降性效果優於煤粉 2. 膠凝劑改善上層液透明度成效較載體為佳 3. 以多種參數評估活性污泥沉降性以避免錯誤評估改善成效. Vanderhasselt et al. (1999). 開發新型 Settlometer 與 Schlumosed 評估工具. Vanderhasselt et al. (1999). 以 Settlometer 評估兩 1. 滑石對於不同活性污泥皆可改善其沉種載體之改善成效降性，添加 15 小時內可發揮穩定效應 2. 膠凝劑提升活性污泥初始沉降速度約為滑石的 3 倍，但只能維持 4 小時 3. 滑石載體添加比例高，產生過量污泥. Seka et al. (2001). Desjardins et al. (2002). 評比複合成份載體與單一載體改善成效. 1. 以滑石、膠凝劑、殺菌劑 (biocide) 所組成的複合載體可促進污泥沉降速度，並可破壞絲狀菌 2. 同時具短期及長期的改善功效改善傳統載體添加次數及添加量過多的缺點. 探討改良式瓶杯試驗能否準確評估載體混凝技術於實廠應用之成效. 1. 可有效評估載體混凝技術於實廠應用之成效 2. 載體、膠凝劑、混凝劑劑量與 pH 影響載體混凝成效甚鉅. 14.

(29) Table 2-2. 載體混凝技術重要歷史沿革 (續) 參考文獻. 研究目的. 研究成果. Kessler et al.. 評估載體混凝技術於不同進流條件下能有效去除鋼鐵廠廢水中總懸浮微粒油脂和特定金屬. 1. 於溢流率為 25 以及 75 gpm/ft2 的進流條件下仍可有效改善放流水質 2. TSS 平均去除率達 96 %，油脂去除率為 92%，放流水的銅及鎳含量分別低於 6.1 及 20 μg/L. 探討載體膠羽形成機理及影響載體膠羽大小和沉降性之因子. 1. 載體膠羽具高沉降速度導因於密度增加且於高混合速率而不崩解 2. 最佳載體劑量隨著進流水濁度、混凝劑和膠凝劑量的不同而變動. 蔡等，2003. 以量筒批次沉降評估細砂載體載體嵌合技術改善造紙廢水活性污泥沉降性. 1. 載體重量比為 8.5 和 43 %時，初始沉降速度分別增加 11 及 244 % 2. 載體的添加可提升 COD 處理成效達 7 ~ 22%，扣除稀釋效果仍對放流水質有正面改善效果 3. 建議載體重量比建議應小於 20 %以下. 江等，2005. 測試新型光柵式沉降管柱，應用於細砂載體成效評估. 1. 初始沉降速度增加 68 至 127 % 2. 添加載體重量比由 8 增至 42 %時，扣除稀釋效果後，初始沉降速度仍可增加 63 至 98 % 3. 對放流水質之 SS 以及 COD 無明顯改善效果 4. 建議載體重量比應控制在 10 %以下. (2002). Young et al. (2003). Seka (2001) 採用複合材質載體 (multi-component additive)，與滑石載體以多種配比，應用於不同性質污泥。該研究指出以滑石，膠凝劑、殺菌劑 (biocide) 為材質的複合載體，可快速減少污泥之 30 分鐘量筒沉降體積 (sludge volume 30, SV30)，並具有破壞絲狀菌的功能。此外單次 15.

(30) 添加複合載體後 120 小時，改善成效仍優於滑石載體，因此推論複合載體較滑石載體更具長效性，且複合載體除可改善沉降性外，更可改善滑石添加次數及添加劑量過多的缺點。 Desjardins (2002) 以改良式瓶杯試驗 (jar-test) 來模擬 Actiflo 程序，探討影響載體混凝技術應用於淨水處理成效的因子，結果指出該評估方法可有效預測 Actiflo 技術應用於實場的處理效能，並發現載體與混凝劑的劑量及混凝階段之 pH 值為重要影響因子。Kessler (2002) 亦探討 Actiflo 程序應用於鋼鐵廠廢水的處理，結果發現在表面溢流率為 25 及 75 gpm/ft2 之進流條件下，總懸浮固體 (total suspended solid, TSS) 平均去除率達 96%，油脂的平均去除率為 92 %，放流水銅、鎳濃度分別低於 6.1 及 20 µg/L，並推論進流條件變動對於載體混凝成效影響不大。 Young (2003) 探討載體膠羽的形成與影響載體膠羽大小及沉降性的因子，結果指出載體膠羽的形成機理與一般膠羽相同，但載體膠羽具有高沉降速度的主因在於載體膠羽密度較高，且載體膠羽在一定混合速率 (mixing rate) 下可維持較大、較圓的尺寸而不會崩解，而載體的最佳劑量隨著處理水體的濁度、混凝劑劑量和膠凝劑劑量改變而變動。本研究群 (蔡等，2004) 將載體嵌合技術應用於造紙廢水活性污泥，使用 1-L 量筒為試驗工具，添加載體進行批次沉降試驗，評估污泥沉降特性的改善程度，結果指出當載體劑量由 0 % 增加至 43 % 時，污泥初始沉降速度由 0.027 cm/min 增加至 0.093 cm/min，沉降速度提升了 244 %，且添加載體可提升 COD 處理成效達 1 ~ 11 %，並建議載體重量比應控制於 20 % 以下，避免產生過量污泥。本研究群 (江等, 2005) 將載體嵌合技術同樣應用於造紙廢水活性污泥，並自行開發光柵式沉降管柱，進行批次沉降試驗，評估載體對於污泥沉降特性的改善程度，結果發現當添加載體劑量比由 0 % 增至 42 % 時，如不考慮稀釋效果，污泥. 16.

(31) 沉降速度由 0.41 cm/min 增至 0.53 cm/min，增加 127 %，若扣除稀釋效應，載體貢獻比仍佔 76.9 ~ 92.9 %，但隨著劑量比愈高載體貢獻於改善比例愈小，且上澄液之 SS 及 COD 濃度僅略有改善，建議適當之載體重量比為 10 % 以下。 Table 2-2 顯示，載體混凝技術用於改善活性污泥之沉降性亦或改善放流水質，不同研究使用不同載體、評估工具與方法，適用廢水種類亦不同，可綜合歸納如下： 1. 載體混凝的應用處理範圍廣泛，跨及淨水、工業廢水、生活污水等領域。 2. 於放流水質與活性污泥沉降性皆有正面改善效果，改善程度依廢水、載體種類、特性、混凝劑、膠凝劑劑量的差異而有所變動，其中載體劑量與污泥沉降特性改善程度呈正向相關。 3. 本研究群持續開發線上監測沉降管柱，探討如何正確評估沉降改善效果，並能實證低成本之小粒徑細砂載體對污泥沉降特性有大幅改善之效果 (127 % ~ 244 %)。. 2-3-4 載體混凝技術評估方法與參數如 Table 2-2，載體混凝技術歷經多年研究與發展，衍生出多種評估工具與方法，不同技術主要差異在於載體種類、劑量、水體種類以及評估工具與評估指標，以下逐一進行文獻探討。. 1. 種類與特性如 Table 2-3 所示，載體材質主要有滑石、細砂、煤粉等 3 類，因複合材質的特性，文獻並未詳加說明，但其組成份中 98.5% 為滑石，因此可將該載體歸類於滑石材質，載體的特性主要從密度、粒徑及回收特性等 3 方面考量，以滑石密度 2.8 g/cm3 最高，其次為細砂 2.65 g/cm3，而 17.

(32) 本研究群所用載體是淘洗過的細砂 (eludated microsand)，密度為 2.26 g/cm3 較一般細砂載體低，煤粉密度為 1.5 g/cm3 最低；至於載體粒徑以煤粉 600 µm 最大，細砂 45 ~ 150 µm 居次，滑石粒徑 38 ~ 100 µm 略小於細砂，本研究群的淘洗細砂透過電子顯微鏡，並配合計數玻片量測，介於 1 ~ 10 µm，是所有過去研究中最小的，低成本且不需回收，細砂需回收且較昂貴，其他滑石、碳粉等則不需回收，回收式載體的優點為節省添購成本，但缺點為需添購回收裝置且載體單價較昂貴，而拋棄式載體則無上述缺點，但載體種類不同影響需添加的劑量，過高劑量可能導致大量污泥，增加污泥處理成本，本研究團隊期能研發低成本，不需回收，低劑量之載體配方，且達到預期的處理成效。. 2. 劑量與水體種類如 Table 2-3 所示，載體混凝技術廣泛應用於各類水體，包括淨水、生活污水及各種工業廢水，但評估技術僅限於批次沉降方法，且載體配方與製造技術尚未成熟，本研究群自行研發之載體嵌合技術，目前僅用於處理造紙廢水，係考量造紙廢水富含不易分解纖維質，且生物膠羽體 (biofloc) 呈絲狀結構，不易沈降，容易導致污泥膨化的問題。如 Table 2-3，文獻使用的載體劑量受載體或水體種類影響，且使用之劑量單位亦不相同，如以水體體積為基礎之 g/L，也以污泥質量與體積為基礎之 g/g MLSS，及 g/L MLSS，本研究群認為以 g/g MLSS 重量百分比較為合理，細砂劑量一般為 3 ~ 10 g/L，滑石隨水體種類不同，劑量為 42 ~ 100 % MLSS，複合載體為 50 ~ 67 % MLSS，本研究群使用劑量為 0 ~ 42 % (w/w)。. 18.

(33) Table 2-3. 載體混凝技術評估方法與試驗參數評比表 Clauss et al. (1999). Jeschke et al. (1999). Vanderhasselt et al. (1999). Vanderhasselt et al. (1999). Seka et al. (2001). 試驗參數載體種類. 滑石 (talc). 細砂 (microsand). 滑石 (talc) 煤粉 (coal powder). 滑石 (talc). 滑石 (talc) 複合載體 (multi-component). 商轉技術. N/A. Actiflo. N/A. N/A. N/A. 密度. 2.8 g/cm3. N/A. T : 2.8 g/cm3 C : 1.5 g/cm3. 2.8 g/cm3. N/A. 粒徑. 未描述. 45-150µm. T：38µm C：600µm. <100µm. N/A. 回收. 不需. 需要. 不需. 不需. 不需. 劑量. 70 % (w/w). 9.59 g/L. 42 ~ 86 % (w/w ). 0.5 ~ 8.5 (g/L). 複合:50 ~ 67 % (w/w) 滑石:80 ~ 100 % (w/w). 水體種類. 造紙廢水. 自來水 (2-10 NTU). 生活廢水蛋加工廢水蕃茄廢水. 生活廢水 (7 g/L) 製藥廢水 (7 g/L). 食物廢水 (2 g/L) 蔬菜廢水 (0.66g/L) 造紙廢水 (1.5 g/L). 評估方式. 實場加入載體取樣進行量筒批次試驗. 實場監測. 使用自動監測沉降工具進行批次沉降試驗. 使用自動監測沉降工具進行批次沉降試驗. 瓶杯試驗 (Jar-test). 評估指標. 污泥體積指數 (SVI, g/mL). 濁度 (NTU) 三鹵甲烷 (THM, µg/L). 污泥容積指數 (SSVI, g/mL) 初始沉降速度 (V, m/h) 上澄液濁度 (NTU). 污泥容積指數 (SVI, g/mL) 攪拌污泥體積指數 (SSVI, g/mL) 初始沉降速度 (V, m/h). 30 分鐘沉降體積 (SV30, mL/L). 載體特性. N/A：Not available 19.

(34) Table 2-3. 載體混凝技術評估方法與試驗參數評比表 (續) 蔡等 (2003). Young et al. (2003). 江等 (2005). 細砂 (microsand). 經淘洗所得細砂 (elutriate microsand). 細砂載體 (microsand). 經淘洗所得細砂 (elutriate microsand). Actiflo. Actiflo. 尚無. N/A. 尚無. 密度. 2.7 g/cm3. N/A. 2.26 g/cm3. 2.65 g/mL. 2.26 g/cm3. 粒徑. 45-150 µm. 45-150 µm. 1-10 µm. 75-300 µm. 1-10 µm. 回收. 需要. 需要. 不需. 需要. 不需. 劑量. 1 ~ 7g/L. 3 ~ 5 g/L. 8 ~ 43 % (w/w). 0 ~ 5 g /L. 8 ~ 42 % (w/w). 水體種類. 自來水. 鋼鐵廢水. 造紙廢水 2.7g/L (MLSS). 未描述. 造紙廢水 2.7g/L (MLSS). 評估方式. 改良式瓶杯試驗. Pilot plant 測試. 1L 量筒批次試驗. 瓶杯試驗. 光柵式沉降管柱批次試驗. 評估指標. 濁度 (NTU) 總有機物 (TOC, mg/L). 懸浮固體去除率 (%) 油脂去除率 (%) 金屬濃度 (µg/L). 初始沉降速度 (V, cm/min) 懸浮固體 (SS, mg/L) 化學需氧量 (COD, mg/L). 沉降時間 (T, s) 濁度 (NTU). 初始沉降速度 (V, cm/min) 懸浮固體 (SS, mg/L) 化學需氧量 (COD, mg/L). Desjardins et al. (2002). Kessler et al. (2002). 載體種類. 細砂 (microsand). 商轉技術. 試驗參數. 載體特性. 3. 評估工具與方法如 Table 2-3 所示，載體混凝技術應用於淨水與廢水兩類。評估淨水處理效果的方法通常採用實場監測或瓶杯試驗，評估指標為濁度及總有機碳 (TOC) 或是三鹵甲烷 (THM)。廢水處理成效評估因廢水種類、特性差異大，評估工具不斷改良，評估方法除實場測試外，實驗規模評估方法如傳統量筒批次沉降，或採即時監控設備如 Settlometer、 20.

(35) Schlumosed 及本研究群自行研發之光柵式沉降管柱 (light grid settling column, LGSC)等，評估工具雖不同，但皆為批次式沉降，若能以連續操作進行，應更準確評估載體混凝、嵌合技術之處理成效。本研究群乃自行開發連續式 LGSL (continous- light grid settling column, C-LGSC)，安裝污泥進流馬達，動力攪拌手，能有效減少管壁效應，以模擬實場連續操作，並利用程控式光柵，判讀污泥沉降界面高度，期能有效評估載體嵌合技術處理成效。文獻中最普遍使用的評估工具為 1-L 量筒，利用污泥容積指數 (sludge volume index, SVI) 評估污泥沉降性，SVI 的定義為經 30 分鐘沉降後，每克污泥的體積，試驗程序為使用 1-L 量筒，加入混合懸浮液 (mixed-liquor suspended solid, MLSS)，沉降 30 分鐘後，以目視判讀沉降後的污泥體積，將沉降體積除以 MLSS 濃度即為 SVI 值，單位為 mL/g， SVI 小於 100 mL/g 時污泥沉降性良好，大於 150 mL/g 表示沉降不良，但此評估方法並不適當，特別是當污泥濃度過高 (10,000 mg/L) 時，可能因管壁效應而低估污泥之沉降性，因此若沉降試驗所得之 SVI 大於 250 mL/g 時，污泥需經過稀釋方可進行 SVI 試驗，除此之外，由於量筒內徑較小，污泥顆粒易與管壁摩擦，產生阻滯力降低污泥沉降速度，造成低估污泥沉降速度，此現象則稱為管壁效應 (wall effect)，嚴重影響評估載體改善成效的準確性，為改善此缺點，應於實驗進行中，利用攪拌棒 (stirring rod) 進行慢速攪拌 (1.3 cm/min) 以減低管壁效應影響，而評估指標則稱為攪拌污泥容積指數 (stirred sludge volume index, SSVI)。除 1-L 量筒外，文獻亦使用不同試驗工具及評估方法，以 Settlometer (Vanrolleghem et al., 1996；Vanderhasselt et al. 1999) 及 Schlumosed (Fuchs et al., 1999；Vanderhasselt et al., 1999) 二種最為先進。 Settlometer 為容量 10-L 的玻璃管柱，高 70 cm，直徑為 14 cm，線. 21.

(36) 上即時監測污泥沉降性，其作用機制如 Figure 2-8 所示，管柱外圍裝置逸散光源，以光源掃描器沿著管柱上下移動，再根據接收光源強度判讀沉降高度及時間，管柱內設有較快的攪拌速度 (13 cm/min) 以減少管壁效應，可自動接收訊號，並繪成沉降高度對沉降時間曲線圖，推算出最大初始沉降速度 (maximum initial settling velocity)，並以污泥層高度計算 SSV，作為污泥沉降特性評估指標。 Schlumosed 作用機制如 Figure 2-9 所示，直徑及高度分別為 3 cm 與 32 cm，亦利用光學原理量測污泥沉降，Schlumosed 配有 3 個固定光源感應器，可於沉降時，判讀接收之光源強度 (light intensity, LIsludge)，並以淨水之接收光源強度為背景值 (LIref)，量測沉降完成後上澄液之透明度 (transparence, T) 作為污泥沉特性評估指標，透明度計算公式如下： LIsludge T % = LI × 100..…..........................................................................….(2-5) ref. Figure 2-8. Settlometer 作用機制示意圖 (Vanrolleghem et al., 1996). 22.

(37) Figure 2-9. Schlumosed 作用機制示意圖 (Fuchs et al., 1999). 4. 本研究群試驗工具與評估方法為評估載體嵌合技術之應用成效，有效之沉降工具的採用極為重要，本研究群採用之評估工具依序分別為 (1) 1-L 量筒 (cylinder) (2) 批次式光柵沉降管柱 (3) 連續式光柵沉降管柱。如 Figure 2-10 所示，本研究群最初使用之沉降工具為文獻中最常使用之 1-L 量筒，使用的成效評估指標分為兩類 (1) 初始沉降速度 (2) 放流水質。沉降速度的測量方式，是於 1-L 量筒內倒入 MLSS，沉降 30 分鐘後，以目視判讀特定時間點之污泥層沉降高度，繪出沉降界面高度對沉降時間曲線圖，再求得初始沉降速度，放流水質則檢測污泥層上方之上澄液中所含懸浮固體 (suspended solid, SS) 與化學需氧量 (chemical oxygen demand, COD)，由於 1-L 量筒內徑小 (約 6 cm)，易產生管壁效應 (wall effect)，導致低估污泥之沉降速度，甚至高估載體之改善成效，本研群乃研發新式污泥沉降工具。. 23.

(38) Figure 2-10. 1-L 量筒批次沉降試驗. 如 Figure 2-11 所示，批次式光柵沉降管柱為本研究群早期開發之試驗工具，是參考 Standard Methods (APHA, 1998) 之 SVI 檢測法，設計規格如下：有效高度為 100 cm、內徑為 12 cm、攪拌速度為 4 rpm，安裝波長 690 nm 之光源，監測長度為 45 cm、每一監測點距離為 10 mm，此外各光源點可獨立發射、接收，光源不會互相干擾，管柱內徑長為 1L 量筒 (6.2 cm) 的 2 倍，可減少管壁效應，有較高沉澱區及機械攪拌棒，以模擬活性污泥於處理場終沉池之沉降情形，至於沉降數據的取得則透過電腦驅動之光柵，以光學原理自動監測污泥沉降界面，初始沉降速度之推算法與 1-L 量筒相似。比較 1-L 量筒及沉降管柱 30 分鐘之批次沉降曲線，量筒之沉降在 10 分鐘後便由 Type III 阻滯沉降轉變成 Type IV 壓密沉降，而沉降管柱並無此現象發生，由此可見沉降管柱較量筒更可模擬實場終沉池之污泥沉降特性，可更準確評估載體嵌合技術改善成效，放流水質的評估仍透過採樣及檢測 SS 及 COD 進行。. 24.

(39) Figure 2-11. 批次式光柵沉降管柱具備開發批次沉降管柱經驗後，本研究群再進行連續式沉降管柱的開發，期能模擬實場終沉池操作，更準確評估載體嵌合技術之成效，與批次沉降管柱比較，連續式沉降管柱同樣以光柵測量沉降數據，但管柱本身乃參考實場水力參數設計，除內徑加長至 20 cm，為批次沉降管柱的 2 倍外，管柱有效高度亦增加至 146 cm 並配備可調速式攪拌手，可有效降低管壁效應，此外最特殊之處為連續進流的設計，具有進流管以及溢流堰等設計，並配備污泥進流幫浦，能完整模擬實場終沉池操作。. Figure 2-12. 連續式光柵沉降管柱 25.

(40) 2-3-5 商業進轉技術許多載體混凝文獻報導美國 Kruger 公司所研發之載體混凝處理程序 Actiflo，早在 1981 年便有相關的研究，現為市場上被廣為應用的載體混凝技術之ㄧ，但主要應用於淨水的處理，其處理流程如 Figure 2-13 所示，處理水體流入槽體後，先移除大型顆粒，再進入主要處理單元，並分成 3 階段，首先添加助凝劑，經過短暫混合後，再加入膠凝劑以及載體，以特定攪拌速度進行混合；第 2 階段為熟成期，此階段形成載體膠羽，增加膠羽大小及密度；第 3 階段於終沉池中進行重力沉降，後續可進行第三級處理或直接放流，含有載體之污泥於終沉池底部回收，導入水力旋流分離器 (hydrocyclone)，藉由離心方式分離載體與污泥，分離載體之後再導入 Actiflo 程序回收再使用，污泥則進行後續處理。. Figure 2-13. Actiflo 載體混凝技術處理流程 (US Filter Kruger, 2002) Actiflo 處理程序的優點為：減少處理廠所需的面積、降低土地成本、適用於不同水利條件且不影響處理效率 (Kessler, 2002)、減少化學藥劑用量、及降低濁度 (Jeschke, 1999) 等，除應用於淨水或廢水的處理，Actiflo 亦應用於處理暴雨合流溢流污水 (combined sewer overflow, 26.

(41) CSO) (Sampley, 2002)，具有廣泛的應用領域。但 Actiflo 處理程序亦有其缺點，比起傳統處理方法，Actiflo 處理程序於操作上需要更專業的判斷及操作，其次為載體經由幫浦回流進行回收時，常造成載體的損害，尤其是應用於 CSO 的處理時載體時常需替換或補充，且無法完全回收載體，Jeschke (1999) 研究指出每處理 1,000,000 加侖，會損失 8 磅 (3.62 kg) 載體，因此需持續補充載體而提高操作成本，再者 Actiflo 處理程序需時數小時，且達到穩定的處理效率後，會受氣候因素而影響處理效率，該處理程序應用於 CSO 上尚未有長期確認之效果。. 2-4 小結本研究針對載體混凝相關文獻與本研究群前期研究成果進行分析、探討後，可得出以下結論。 1. 載體混凝的應用處理範圍廣泛，跨及淨水、工業、生活廢水等領域。 2. 載體混凝及嵌合技術優於傳統處理方法，對於活性污泥沉降性有正面改善效果，包括濁度 (0.60 降至 0.036)、SVI (280 降至 160 mL/g)、SSVI (60 降至 44 mL/g)，改善程度依廢水、載體種類、特性、混凝劑、膠凝劑劑量的差異而不同，且載體劑量與改善程度呈正相關。 3. 本研究群過去僅針對造紙廢水活性污泥進行研究，結果顯示載體嵌合技術可改善污泥沉降性 (127 % ~ 244 %)，此外本研究群亦設計與改良現有之評估工具，期能正確評估載體嵌合之成效。 4. 載體混凝技術中所採用的載體種類、處理應用的水體、試驗方法與評估指標十分多樣化，欲藉由文獻探討載體混凝、嵌合技術間或是載體種類的成效差異，並不容易。由於直接於處理場進行評估具有相當風險及困難性，因此建立準確且一致的試驗工具和評估方法， 27.

(42) 有其迫切性。 5. 載體混凝成效評估方式，目前仍限於批次沉降，可能無法正確評估實場處理成效，因此進行前導規模的連續式沉降試驗是未來的目標 6. 理想載體混凝商轉技術需考量：(1) 具瞬間及長期穩定的改善效果 (2) 處理效果不易受氣候改變影響 (3) 應用水體種類廣泛 (4) 有效降低處理成本 (5) 能應用於現存的水體處理系統。 7. 本研究群的載體嵌合技術與文獻知載體混凝技術間最大差異為載體種類不同，本研究群所用載體粒徑介於 1 ~ 10 µm，載體混凝技術依載體種類不同粒徑介於 38 ~ 600 µm，粒徑差異使本研究群的載體可嵌入生物膠羽中，直接增加污泥膠羽的重量並提升沉降性。. 28.

(43) 第三章研究方法 3-1 實場長期操作風險分析針對中部某造紙廢水處理場自 2000 年 11 月至 2002 年 10 月期間，共連續 24 個月之操作數據，進行以下分析：(1) 24 個月之放流水 SS 與 COD 月平均值之線性迴歸分析 (2) 針對曝氣池有機負荷率(organic loading rate, OLR) 與終沉池溢流率 (overflow rate, OR)，分析穩態期的月平均值與樣本變異係數 (coefficient of variation, CV) (3) 統計穩態操作期間 SS 與 COD 日之違反國家放流水標準之風險與變動性。每隔 8 小時以抓樣方式 (grab sample) 採取實場放流水，每天採樣 3 次，星期天亦採樣。SS 之檢測採用 Standard Methods 2540 D 之 103 ~ 105℃乾燥法 (APHA et al., 1998)，將待測水樣以已知重量之玻璃纖維濾片進行抽氣過濾，過濾後將濾片置入 103 ~ 105 oC 烘箱中乾燥至少 1 小時，再移入乾燥箱平衡至恆重，最後其所增加之重量即為 SS 之重量，再除以過濾體積得出 SS 之濃度；懸浮固體殘重 (∆W) 應介於 2.5 mg ~ 200 mg，樣品結果經重複試驗其變異係數 (CV) 應小於 10 %。 COD 之檢測採用開放迴流法，並參考 Standard Methods 5220 B (APHA et al., 1998)，樣品體積為 20 mL，酸化之待測水樣加入過量之過錳酸鉀 (K2Cr2O7) 溶液，迴流加熱至 150 ℃，剩餘之重鉻酸鉀以硫酸亞鐵銨溶液滴定，由消耗之重鉻酸鉀量求得水樣中之 COD 濃度；樣品結果經重複測試 CV 應小於 6.5 %。該場放流水量的測量是以巴歇爾流量計，讀取每日早上 8 時之累計流量，再扣除昨日早上 8 時之累計流量，即為昨日處理水量，因此本研究之每日放流水量為一累計水量。. 29.

(44) 3-2 連續式光柵沉降管柱之設計與開發本研究進一步參考過去所開發之批次式沉降管柱，開發連續式光柵沉降管柱 (continuous-light grid settling column, C-LGSC)，規格如 Table 3-1，本研究根據實場終沉池 OR 及堰負荷率 (weir loading rate, WLR) 設計管柱與溢流堰內徑，C-LGSC 配備有進流幫浦，並計算平均進流量為 0.25 L/min，並設定水力停留時間 (hydraulic detention time, Td) 為 2 小時，為模擬終沉池流量變異的情形，C-LGSC 可承受之水力負荷最高為平均流量的 2 倍，過去研究者使用之 Settlometer 與 Schlumosed，利用光學原理測量污泥沉降性，與本研究採用光柵相似，但光柵可藉由軟體調整監測頻率，較前二種工具以移動式或 3 點固定式更具敏感度也較為準確，由於 C-LGSC 無排泥設計，污泥層隨污泥進流時間增加而上升，本研究根據光柵高度與污泥進流量設計 C-LGSC 之污泥沉澱區，以避免干擾光柵測量污泥的沉降，C-LGSC 之設計如 Figure 3-1： Table 3-1. 連續式光柵沉降管柱設計規格連續式沉降管柱規格管壁材質. 壓克力. 有效高度. 146 cm. 管柱內徑. 20 cm. 攪拌手轉速. 1.2 cm/ min. 進流幫浦. 平均流量 0.25 L/min. 光柵規格波長. 690 nm. 監測高度. 45 cm. 各光源點距離. 1 cm. 訊號轉換介面. ADAM-4520. 30.

(45) Stirring motor. Stirring controller. Overflow weir (Outlet point). Modular light grid Inflow tube Stirring rod. Inlet point. Inflow pump Figure 3-1. 本研究開發之連續式光柵沉降管柱圖. 3-3 連續進流點試驗本研究於 C-LGSC 開發完成後，即進行污泥連續進流沉降試驗，結果顯示，污泥無法順利沉降，為探討影響沉降的原因，以模擬處理場終沉池之操作，本研究乃進一步測試：(1) 以污泥連續進流時，進流點深度對污泥沉降的影響 (2) 以清水連續進流時，水力流況對污泥沉降的影響。為評估於不同進流點深度連續進流，對污泥沉降之影響，首先進行活性污泥批次沉降 2 小時，待沉降完成、界面穩定後，進行 1 小時之連 31.

(46) 續進流操作，藉由觀察污泥沉降與污泥層變化情形，評估不同進流點深度所造成的影響；三種進流位置分別為液面下 15 cm (1/10 有效水深)、液面下 50 cm (1/3 有效水深) 及液面下 110 cm (3/4 有效水深)，液面下 15 cm 進流點試驗分成二部份，除連續進流污泥外，也連續進流清水，以判斷水力流況對沉降之影響。. 3-4 污泥沉降性評估試驗為評比 1-L 量筒、B-LGSC 與 C-LGSC 三種工具，本研究採用與前期研究相同來源之活性污泥進行批次沉降試驗。為能快速檢測得出污泥 MLSS 濃度，本研究乃建立污泥離心讀值與 MLSS 濃度之檢量線，設計與建立流程如附錄 A，檢量線公式如下： y = 2.19x.......................................................................................................(3-1) 本研究首先以離心機獲得離心讀值，依式 3-1 推算污泥濃度，本試驗使用之污泥以濃縮與稀釋的方式將污泥分為 5 種濃度，依照濃度由高至低分別為 5.48 g/L、3.45 g/L、2.35 g/L、1.51 /L 及 1.15 g/L。首先以原濃度污泥進行批次沉降試驗，並於試驗完成後進行稀釋，再以稀釋過後之活性污泥繼續進行批次沉降試驗，持續上述步驟直到 5 種濃度試驗完畢，每批次沉降時間為 30 分鐘，沉降期間使用光柵以 4 秒一次的頻率，量測污泥層沉降界面高度，光柵接收訊號後，並經由介面軟體將訊號轉換成沉降代碼，沉降代碼共 12 位數，代碼種類分為 5 種，分別為 F、E、C、8、0，比對解碼表，再利用 Excel 軟體，將代碼轉為沉降界面數據，即能繪得沉降界面高度對沉降時間的沉降曲線。. 32.

(47) Table 3-2. 光柵代碼解碼表光柵沉降代碼. 界面高度 (cm). 光柵沉降代碼. 界面高度 (cm). FFFFFFFFFFF8. 45. FFFFFC000000. 22. FFFFFFFFFFF0. 44. FFFFF8000000. 21. FFFFFFFFFFE0. 43. FFFFF0000000. 20. FFFFFFFFFFC0. 42. FFFFE0000000. 19. FFFFFFFFFF80. 41. FFFFC0000000. 18. FFFFFFFFFF00. 40. FFFF80000000. 17. FFFFFFFFFE00. 39. FFFF00000000. 16. FFFFFFFFFC00. 38. FFFE00000000. 15. FFFFFFFFF800. 37. FFFC00000000. 14. FFFFFFFFF000. 36. FFF800000000. 13. FFFFFFFFE000. 35. FFF000000000. 12. FFFFFFFFC000. 34. FFE000000000. 11. FFFFFFFF8000. 33. FFC000000000. 10. FFFFFFFF0000. 32. FF8000000000. 9. FFFFFFFE0000. 31. FF0000000000. 8. FFFFFFFC0000. 30. FE0000000000. 7. FFFFFFF80000. 29. FC0000000000. 6. FFFFFFF00000. 28. F80000000000. 5. FFFFFFE00000. 27. F00000000000. 4. FFFFFFC00000. 26. E00000000000. 3. FFFFFF800000. 25. C00000000000. 2. FFFFFF000000. 24. 800000000000. 1. FFFFFE000000. 23. 000000000000. 0. 3-5 載體嵌合成效試驗為評估載體嵌合技術改善造紙廢水活性污泥沉降特性之成效，本研究以 C-LGSC 進行批次沉降試驗，操作步驟如下：試驗前先製備載體溶液，取 1,000 g 建築砂，加水 3,000 mL 充份攪拌 2 分鐘後，再靜置沉降 30 秒，取上層液為載體溶液，並以電子顯微鏡 (100 X) 及計數玻片推估載體的粒徑大小 (Figure 3-3)，為避免因加入載體溶液稀釋污泥而影響評 33.

(48) 估之準確性，本研究嘗試將載體溶液乾燥化，首先以 50 mL 離心管盛裝載體溶液，置入離心機內 (型號 CN-5100)，以平均轉速 5,000 rpm 進行離心約 5 分鐘，完成後小心倒出上澄液後，再倒入載體溶夜進行離心，持續上述步驟直到固態載體存積至一定體積後 (Figure 3-4)，再取出載體置入烘箱以 103 ~ 105 oC 進行乾燥至恆重，乾燥完成之載體 (Figure 3-5) 於秤重後置入防潮箱中，予以保存供後續進行載體嵌合試驗所用。. Figure 3-3. 載體與計數玻片顯微照片. Figure 3-4. 載體溶液離心完成圖. Figure 3-5. 載體乾燥完成圖 34.

(49) 進行載體嵌合試驗前，以快速離心測定方法檢測污泥 MLSS 濃度 (g/L)，乘以污泥體積 (L) 計算污泥總重量 (g)。為便於和前期研究成果比較，本試驗採用與前期研究相同劑量比，劑量比為載體重對活性污泥重之百分比，劑量比由低到高分別為 0、8、16、25、33 及 42 %，依照各載體添加劑量比推算所需載體重量 (g)，再以電子天平秤取所需之載體重，為使固狀載體均勻分布於污泥中，須先以少量污泥與載體混合使載體充分溶解後，再倒入活性污泥中並充份攪拌，讓載體與污泥膠羽充分嵌合，再倒入沉降管柱後，以批次沉降方式進行沉降試驗，每批不同添加劑量之污泥皆進行三重複試驗，每批次沉降時間為 30 分鐘，沉降期間使用光柵以 4 秒一次之頻率量測沉降界面高度。本研究載體嵌合技術成效之評估指標有二種，一為污泥沉降評估指標，另一為放流水質評估指標，SVI 雖為評估污泥沉降性之標準指標 (APHA et al., 1998)，試驗設備需求亦較為簡單，但易受管壁效應或污泥濃度等因素而影響評估之準確性，雖為多數研究者採用，但不宜作為評估沉降性的指標。污泥沉降評估指標亦分兩部份，先以光柵測量得出沉降界面高度，繪出沉降高度對沉降時間曲線圖，並推算污泥初始沉降速度 (cm/min)，與 Vanrolleghem (1996) 及 Vanderhasselt (1999) 相同；另以固體通量理論，建立固體通量演算法，再以該演算法分析載體嵌合試驗之沉降數據，推算出廢水處理場終沉池之理論設計及操作參數，作為第二項污泥沉降性評估指標，至於放流水質評估指標，Vanderhasselt (1999) 量測上澄液之透明度評估放流水質，本研究雖無類似評估方法，但本研究參照我國放流水標準，檢測上澄液 SS 與 COD 之濃度，作為放流水質評估指標，是適當且合理的。完成載體嵌合試驗後，取污泥層上方之上澄液，檢測 SS 及 COD 作為成效評估指標，SS 與 COD 之檢測參考 3-1 節。. 35.

(50) 第四章造紙廢水活性污泥程序實場長期操作參數與風險分析實場造紙廢水活性污泥程序長期操作參數與風險分析研究成果已於 2006 年 11 月 17 日發表於中華民國環境工程學會，第三十一屆廢水處理技術研討會 (江等，2006)，本研究將研討會論文修訂後，作為本章研究結果，修訂重點如下：. z 增修統計方法內容 z 增修實場處理流程 z 修訂放流水 SS 與 COD 關聯分析結果 z 修訂長期穩態操作參數分析結果 z 修訂放流水質與操作參數關聯分析結果. 4-1 摘要本研究針對台灣中部某造紙廢水處理場之活性污泥程序 (activated sludge process, ASP) 於 2000 至 2002 年間，進行連續 24 個月長期操作數據分析，該廠生產再生漿且百分之百以回收廢紙為原料，研究期間 ASP 曾失敗，導致放流水質不穩定，本研究主要目的為：分析 ASP 長期穩態期間的系統功能操作參數，及放流水超過國家標準之風險，作為其他處理場設計或操作上的參考，並分析操作參數與放流水質異常的關連性。根據放流水懸浮固體 (suspended solid, SS) 及化學需氧量 (chemical oxygen demand, COD) 兩者月平均值之線性迴歸曲線顯示，每單位 SS 貢獻 2.6 單位 COD，曝氣池溶解性 COD (soluble COD, SCOD) 之處理極限為 52.1 mg/L，SS 與 COD 之間具良好關聯性 (R2 = 0.8338)，顯示改善 SS 之沉降性為提升 ASP 系統效能之關鍵；分析該場穩態操作參數，顯示完全以回收廢紙為原料之造紙廠，若以修正式二階段曝氣 (two-step 36.

(51) aeration) ASP 處理其製程廢水，ASP 系統於長期穩態期間，合理操作參數之平均值與標準差如下：曝氣池有機負荷率 (organic loading rate, OLR)：2.1 ± 0.4 kg COD/m3-day、食微比 (food-to microorganism ratio, F/M)：0.7 ± 0.2、終沉池平均溢流率 OR avg：15.3 ± 1.9 (m3/m2-day)、尖峰溢流率 OR peak：17.7 ± 1.6 m3/m2-day、平均固體負荷率 (average solid loading rate, SLR avg)：101.5 ± 42.8 kg / m2-day、尖峰固體負荷率 (peak solid loading rate, SLR peak)：160.7 ± 55.6 kg / m2-day。進一步分析穩態操作期間共 14 個月的 SS 及 COD 日平均值，顯示 SS 違反該行業國家放流水標準的風險介於 0 ~ 50 %，全期平均為 9.2 % (n = 14)，COD 風險介於 0 ~ 23.3 %，全期平均為 3.1 % (n =14)，說明於穩態期間，終沉池的操作風險約為曝氣池的 3 倍，SS 及 COD 之變異係數 (coefficient of variation, CV) 分別為 35.5 %及 23.3 %，顯示終沉池的操作較曝氣池不穩定，改善終沉池的操作之穩定性為提昇整體處理成效的關鍵，經比對曝氣池 OLR 與放流水 COD 兩者月平均值之變動趨勢，以及終沉池 OR 月平均值與放流水 SS 月平均值之變動趨勢，顯示 OLR 及 OR 於短期內劇烈變動為導致放流水異常的主因，而處理流量的變異則是 OLR 與 OR 變動的要素，建議後續研究以載體嵌合技術改善活性污泥之沉降性，提升終沉池操作效能與穩定性，以克服短期流量大幅變異的問題。. 關鍵字：造紙廢水、風險分析、溢流率、有機負荷率. 37.

(52) 4-2 前言台灣造紙廠現為 108 家，紙與紙板總生產量每年約 480 萬噸，且於 2004 年，每日產生約 150 萬噸之廢水 (造紙同業公會，2004；造紙同業公會，2006)，雖然工業界目前已普遍設置廢水處理場，活性污泥程序 (activated sludge process, ASP) 現為最普遍之生物處理方法，但仍普遍面操作不穩定的情形。本研究分析台灣中部某造紙廢水處理場活性污泥程序於 2000 至 2002 年間連續 24 個月的長期操作數據，本研究目的為：(1) 探討長期放流水懸浮固體 (suspended solid, SS) 與化學需氧量 (chemical oxygen demand, COD) 兩者月平均值之關聯，藉此推估系統的處理極限 (2) 檢視 24 個月期間，ASP 系統放流水質的階段性變動 (3) 分析 ASP 長期穩態 (steady state) 操作參數，作為其他處理場設計或操作上的參考 (4) 分析 ASP 長期穩態操作時，放流水 SS 或 COD 之變異與違反國家放流水標準之風險 (5) 進一步分析放流水 SS、COD 分別與終沉池溢流率 (overflow rate, OR)、曝氣池有機負荷率 (organic loading rate, OLR) 之關聯性，探討放流水質異常 (outbreak) 的原因。. 4-3 研究方法 4-3-1 處理流程該造紙廠所用之造紙原料 100 % 為回收廢紙，如紙板、鋁箔包、舊雜誌等，每日處理量約為 840 公噸，唯一產品為工業瓦楞芯紙，日產量約為 700 公噸，廢水處理場設計處理量為 20,000 CMD，Figure 4-1 為該處理場之流程圖，該場經歷多次擴建，處理流程較為複雜，可視為一修式正二階活性污泥程序 (modified two-step active sludge process)，以下略述處理流程，並概算主要處理單元之質量平衡表，原廢水在調節池與廢棄污泥 (waste activated sludge, WAS) 匯流後，經化學混凝處理後，進入浮除單元 (dissolved air floatation, DAF) 進行加壓浮除，將 SS 自 1,000 38.