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超濾膜技術於水再生之應用

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Academic year: 2022

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超濾膜技術於水再生之應用

超濾膜技術於水再生之應用

(作者資訊投稿時不可填寫,待論文審查後上傳定稿時再填寫) 計畫編號:MOEAWRA0980045,MOEAWRA0990020

摘要

薄膜結垢為回收再利用系統中常見操作問題,細菌及微生物於系統中附著介 質生長累積形成,常造成處理單元如預濾器、薄膜系統阻塞影響產水效能。因此 薄膜操作與維護的最佳化實驗為找出單位產水成本最低的系統配置及維護如前 處理、薄膜通量及清洗維護方法,而最基本的原則是在延長及避免薄膜結垢達到 不可逆結垢。清洗維護方法主要是避免薄膜結垢情形形成不可逆結垢,以回復薄 膜的操作與效能,主要考量清洗的頻率,清洗的時間及清洗的藥劑,並考量其清 洗成本來做最佳化的操作。薄膜結垢到一定程度後需透過清洗來清除結垢,以回 復其操作壓力、操作通量或薄膜滲透係數並達到理想最佳化薄膜清洗維護策略,

因此本研究以迪化污水處理廠二沉出流水之放流水為對象,利用中空纖維超濾膜

(ultrafiltration, UF)進行廢污水回收再利用之可行性評估。薄膜操作條件為固定 通量約20 LMH,過濾時間以不超過2 小時,固定反沖洗流速為0.1 m/s,並且搭 配玻璃纖維(fiber filter)過濾之前處理技術為最佳操作處理流程。經實驗結果得知,

在無結合前處理之條件下,過濾2小時反沖洗1分鐘,經17小時過濾後TMP 上升 約280%;若結合玻璃纖維過濾和反沖洗步驟,其TMP上升約58%。

關鍵字:超濾膜(UF)、結垢、水回收、操作與維護

一、前言

受到全球環境變遷之影響,各國都感受到氣候異常造成之缺水問題,而各地 區也都面臨可開發之水源日漸困難,如何有效將既有水資源再利用開發作為輔助 水源為一項重要課題。目前國內水再生利用技術尚在起步階段,主要仍屬於小規 模運作,再者,國內法規系統並不完整,我國雖有「資源回收再利用法」,然而 其立法核心主旨在減少廢棄物產生,並未以水資源再生利用為目的。因此如何發 展出適合之廢污水處理技術,提高水再生利用率,並將其廣泛應用於家庭、學校、

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超濾膜技術於水再生之應用

工廠等地方,是值得進一步探討的課題。水利署針對國內都市大型污水處理廠進 行評估,顯示現有都市污水廠最大再生潛勢為每天286萬噸,而現有可再生潛勢 為每天135萬噸,然而因法規與回收水質標準尚未明定、民眾認知與接受度不足,

以及缺乏大型健康風險評估計畫等因素,目前的廢污水回收多轉做為廠內各類雜 用水,包括綠地澆灌、沖廁、機械設備沖洗或供其它政府單位索取作為相同用途

結垢為薄膜操作時最主要的問題,除會降低薄膜系統效率外,也會影響系統 的設置跟操作成本(Zhao et al., 2010),而在結垢的特性上,一般可分為可逆結垢 (reversible fouling)及不可逆結垢(irreversible fouling)。可逆是指可利用清洗方式來 完全去除的結垢,不可逆結垢則是清洗後尚有無法完全清除的部分,通常是因為 薄膜連續操作過久而形成,通常可逆結垢能利用水力反沖洗(backwash) (Adham et al., 1993)或空氣清洗(air scrubbing)等物理方式加以去除,然而不易透過物理方式 去除之不可逆結垢,往往需搭配化學藥劑,以提高結垢的去除效能(Le-Clech et al., 2006; Meng et al., 2009)。有研究指出在反沖洗過程中,添加NaOCl、檸檬酸或氫 氧化鈉可以加強反沖洗效果,以低濃度次氯酸鈉做週期性反沖洗可以有效減少生 物膜附著情況,另外,也可以採用空氣清洗使濾餅不易在薄膜表面形成(Ueda et al., 1996),當薄膜阻塞情形嚴重,通常會採取CIP程序去除膜孔內的阻塞物。因 此清洗維護方法主要是避免薄膜結垢情形形成不可逆結垢,以回復薄膜的操作與 效能,主要考量清洗的頻率,清洗的時間及清洗的藥劑,並考量其清洗成本來做 最佳化的操作。薄膜結垢到一定程度後需透過清洗來清除結垢,以回復其操作壓 力、操作通量或薄膜滲透係數並達到理想最佳化薄膜清洗維護策略。若在當薄膜 已形成不可逆的結垢,薄膜的操作無法回復到最初的設計值,進而增加操作成 本。

二、研究目的與內容

本研究利用UF 薄膜模組針對家庭污水、進行實驗,觀察經處理後之出流水 是否能符合回收水標準,並且進一步觀察薄膜滲流率衰減情形。為了減緩滲流率 衰減,延長薄膜使用壽命,進行薄膜清洗程序實驗。本研究目的是建議一UF薄 膜系統測試流程來找出最佳的操作與維護供實廠設計參考。藉由實驗找出最佳之 操作處理流程,以作為實廠應用薄膜技術於水回收再利用之參考基準。另外薄膜 一般隨時間操作形成結垢,大致可分成安全區、可回復區、警示區及不可回復區,

如圖1,在警示區之前可透過清洗維護方法來回復薄膜的操作與性能,而到達不 可回復區時,薄膜形成不可逆的結垢,造成效能降低且無法回復,因此基本的評 估原則為利用前處理及通量的控制來延長到達不可回復區的時間及透過清洗維 護如反沖洗在不可回復區前回復操作與效能以延長薄膜的使用時間。因此需測試 不同的清洗的頻率,清洗的時間及清洗的藥劑,觀測薄膜操作的回復情形及所需

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的成本做為最佳化的考量。

圖1 薄膜操作時變遷與各結垢區域

三、研究方法

本研究以實驗室模型廠為例,結合前處理與UF 過濾程序,針對家庭污水、

進行三級處理,評估產水回收的可行性,並進一步探討薄膜結垢現象,搭配薄膜 清洗程序,找出最佳操作流程,做為應用於實廠廢污水處理的參考基準。UF清 洗維護實驗則探討透膜壓差(Transmembrane Pressure - TMP)時變遷影響,在不同 的過濾時間如1小時、1.5小時、2小時、2.5小時、3小時擬訂出薄膜結垢操作與維 護策略。第一部分為薄膜結垢實驗,測試在無清洗下產生結垢(以膜系統透膜壓 差上升敏感度作為操作結束時間點)探討所衍生問題,第二部分為反沖洗實驗,

中空纖維膜以反沖洗進行結垢清洗維護,探討在一般反沖洗實驗壓差上升情形以 及產水水質參數。實驗方法以初始壓差為基準,觀察在不同過濾時間後進行反沖 洗,TMP 恢復的情形,如圖2所示,當TMP 上升100% 進行反沖洗,在理想狀 態下,TMP會恢復到初始壓差,即為圖中虛線部分,然而在實際操作中,並無法 將所有的結垢藉由反沖洗去除,因此導致TMP 無法恢復,如圖二中實線部分的 結果。根據上述方法找出最佳的操作時間,第三部分為提升過濾清洗程序(CIP),

以反沖洗清洗維護搭配化學藥劑清洗,尋求合適的清洗維護方法,第四部份對壓 差上升至100%時,以現地清洗程序(CIP)找出最佳抗結垢清洗藥劑種類、浸泡時 間等及根據上述方法找出最佳的操作時間。

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圖2 理想最佳化薄膜清洗維護策略

四、結果與討論 薄膜結垢實驗

直接以薄膜過濾迪化污水廠二級放流水,固定產水流量,連續過濾16小時,

觀察TMP 上升情形,實驗結果如圖3,初始產水通量大約維持在20 LMH,初始 TMP 為6.7 kPa,經操作4小時,通量下降至13 LMH,TMP上升至15.4 kPa,即 TMP 上升百分比約130%,於操作12小時後,通量約上升至15 LMH,TMP突增 至33 kPa,TMP 上升百分比約為400%。從結垢實驗得知雖然固定產水流量,但 由於幫浦抽取或水樣的水溫皆會造成些許誤差,導致flux 的變動,因此帶入式1 換算成薄膜滲透率(permeability),結果如圖4所示,當滲透率測值越低表示薄膜 結垢越嚴重。以過濾15分鐘之薄膜滲透率0.25 LMH/kPa·cp 為初始點,經過濾1 小時,滲透率上升至2.54,而後即因結垢之生成導致滲透率逐漸下降,於操作17 小時後,下降至0.33 LMH/kPa·cp。

Permeability = Q / (A × P) × μ (式 1) 其中Q 為產水流量(m3h-1),A 為薄膜有效面積(m2),△ P 為薄膜透膜壓差 (MPa),μ為黏滯係數(cp) (Qin et al., 2004; Qin et al., 2007) 。

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Time (hr) TMP (k P a ) Fl u x (L M H )

Flux TMP

     

圖3  薄膜結垢實驗結果(都市污水) 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Time(hr) P erm ea b il it y (L M H /d T M P * cp )

 

圖4  薄膜滲透率對操作時間的關係,黏滯係數為:1.002 cp(都市污水) 

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超濾膜清洗時機,以固定通量操作過濾1小時、過濾1.5小時、過濾2小時、

過濾2.5小時、過濾3小時反沖洗後所測得之第一筆TMP值,其值分別為5.4,5.4,

5.4,5.4,6.7,7.6 kPa。可知,當過濾時間為2.5小時,TMP無法經由反沖洗回復 至初始值,因此應控制過濾時間小於2小時進行反沖洗為較佳操作清洗條件。

由上述所得之結果,將水樣分別以薄膜過濾1小時和2小時,並搭配反沖洗程 序,連續操作17小時,實驗結果如圖5,當採取過濾1小時後反沖洗,TMP由8.3 kPa 上升至17.1 kPa,TMP上升百分比約110%,若過濾2小時後反沖洗,TMP由5.4 kPa 上升至20.5 kPa,TMP上升百分比約280%,與未進行薄膜清洗程序之結果比較,

在經過濾17小時後之TMP上升百分比約480%,因此由此實驗結果得知,適時的 反沖洗能有效清除結垢,避免結垢累積在薄膜表面。另代入黏滯係數為1.002 cp 換算成薄膜滲透率加以討論,結果如圖6,當未進行薄膜清洗程序時,經過濾17 小時,薄膜滲透率明顯呈現下降趨勢,比較採取過濾1小時後反沖洗與過濾2小時 後反沖洗之薄膜滲透率變化情形,兩者所得結果並無明顯差異。

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

TMP(kPa)

Time (hr)

無反沖洗程序

過濾1小時,反沖洗1分鐘 過濾2小時,反沖洗1分鐘

圖5 比較薄膜在有無反沖洗程序之條件下TMP 變化情形(都市污水)

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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Permeability (LMH/dTMP* cp)

Time (hr)

無反沖洗程序

過濾1小時,反沖洗1分鐘 過濾2小時,反沖洗1分鐘

圖6 比較薄膜在有無反沖洗程序之條件下薄膜滲透率變化情形(都市污水)

薄膜藥洗實驗

觀察4次CIP 清洗程序薄膜滲透係數變化,經4次CIP 清洗程序,薄膜滲透係 數下降速率有增加之趨勢,當下降速率越快,表示薄膜滲透性越差。因此由實驗 結果得知單獨使用NaOCl 做為清洗藥劑並無法完全清除薄膜結垢。

五、結論

本研究建議以UF膜系統測試流程來找出最佳的操作與維護供實廠設計參考,

並設實驗室模型廠探討UF膜系統回收再利用迪化污水廠二沉池出流水時為例,

利用測試流程了解系統在不同的反沖洗時間及CIP清洗頻率下對薄膜結垢的影響,

並利用此結果來延長薄膜到達不可逆結垢的時間,作為其最佳化的操作條件。

1. 薄膜清洗程序實驗,固定反沖洗流速為0.1 m/s,以都市二級放流水作為污水 回收再生水水源,視水質狀態應控制過濾時間以不超過2小時進行反沖洗程 序因為過濾1小時後反沖洗與過濾2小時後反沖洗之薄膜滲透率變化情形,兩 者所得結果並無明顯差異。

2. 都市污水在無薄膜清洗程序和無前處理的操作條件下,固定產水通量為20 LMH,初始TMP 為6.7 kPa,經操作17小時,TMP上升百分比約500%;若 無結合前處理,且採過濾2小時進行反沖洗之操作條件下,經17小時過濾後

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之TMP 上升約280%。

3. 薄膜在進行過濾時應配合反沖洗以維持在可回復區和警示區之間以及延長 到達不可回復區,當薄膜的TMP不斷的提升時則需要進行CIP以讓TMP恢復 到初始壓差並避免加速抵達不可回復區或形成不可逆結垢,而因此增加操作 成本。

六、參考文獻

1. Adham, S.S., Snoeyink, V.L., Clark, M.M. and Anselme, C., Predicting and verifying TOC removal by PAC in pilot-scale UF system. J. Am. Water Works Ass. 85(12), 58-68 (1993).

2. Le-Clech, P., Chen, V. and Fane, T.A.G., Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment, J. Membr. Sci. 284, 17-53 (2006).

3. Ueda, T., Hata, K., Kikuoka, Y. and Seino, O., Effect of Aeration on Suction Pressure in a Submerged Membrane Bioreactor, Water Research, 31, 489 (1996).

4. Qin, J.J., Oo, M.H., Wai, M.N., Lee, H., Hong, S.P., Kim, J.E., Xing, Y. and Zhang M., Pilot study for reclamation of secondary treated sewage effluent.

Desalination, 171, 299-305 (2004).

5. Qin, J.J., Kekre, K.A., Tao, G., Oo, M.H., Wai, M.N., Lee, T.C., Viswanath, B.

and Seah, H., New option of MBR-RO process for production of NEWater from domestic sewage. J. Membr. Sci. 272, 70–77 (2006).

6. Zhao, Y., Song, L. and Ong, S.L., Fouling behavior and foulant characteristics of reverse osmosis membranes for treated secondary effluent reclamation. Journal of Membrane Science 349(1-2), 65-74 (2010).

7. Meng, F., Chae, S.R., Drews, A., Kraume, M., Shin, H.S., Yang, F., 2009. Recent advances in membrane bioreactors (MBRs): Membrane fouling and membrane material. Water Res. 43, 1489-1512.

參考文獻

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