逆滲透薄膜系統於水再生之操作維護策略

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逆滲透薄膜系統於水再生之操作維護策略

(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：MOEAWRA0980315，MOEAWRA0990023

摘要

本研究建議一逆滲透(reverse osmosis, RO)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，並以迪化污水廠二沉池出流水為對象，利用實驗室 RO 薄膜系統進行污水回收再利用作為案例，其原水經系統處理後，pH 值為 4.82-7.41，低於加坡 NEWater 再生水水質標準 7-8.5，故需加藥調整，其他項目如氨氮、硝酸鹽氮、電導度、總溶解固體及總有機碳皆符合水質標準，而以微濾 (microfiltration, MF)膜為前處理時，RO 膜最佳操作條件為每 6 小時進行化學清洗，

操作通量為10 LMH，其單位產水耗電量為操作通量 15 及 20 LMH 的 73%及 55%，

以超濾(ultrafiltration, UF)膜為前處理時，RO 膜最佳操作條件為每 12 小時清洗一次，操作通量為10 LMH，單位產水耗電量為操作通量 20 LMH 的 63%。而比較前處理MF 及 UF 在最佳操作條件時之經濟效益，以 UF 作為前處理時，其最佳操作條件時的單位產水耗電量為MF 的 59%。故若以實驗室 RO 薄膜系統而言，

在利用RO 膜回收迪化污水廠二沉池出流水時，其最佳條件為 UF 作為前處理、

CIP 時間為 12 小時及操作通量為 10 LMH。

關鍵字：逆滲透(RO)薄膜、水回收、最佳化

一、前言

許多國家利用薄膜系統將廢污水回收再利用，如日本中水道系統將生活污水經由建築物本身或回收水處理廠處理後再利用於澆灌、沖廁等水質需求較低的次級用水，其水回收再利用處理設施為MF 或 UF 膜結合活性污泥法的薄膜生物反應器(membrane bioreactor, MBR)為主(Suzuki et al., 2002)；新加坡其 NEWater 計畫，利用薄膜系統回收都市二級放流水，其系統主要由RO 膜、前處理設備及消

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毒設備構成，處理水質符合美國環保署(US-EPA)及世界衛生組織(WHO)飲用水水質標準，可再利用於工業及科技業的製程用水、農業灌溉用水及間接飲用水。

國內雖也有水回收再利用，但大部分是自行回收廢污水再利用於次級用水，

無法利用在水質要求較高的用水，如淡江大學及大葉大學，皆有設置MBR 系統處理廢污水後回用至澆灌、沖廁等用途，而目前在台中市福田水資源回收中心有設置一座水回收再利用示範廠，除供給民生次級用水，並利用UF 及 RO 膜系統處理後供給工業上的冷卻用水及鍋爐用水等(水規所，民國 96 年)。

積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)，而在積垢的特性上，一般可分為可逆積垢 (reversible fouling)及不可逆積垢(irreversible fouling)；可逆是指可利用清洗方式來完全去除的積垢，不可逆積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，因此為避免薄膜形成不可逆積垢使其能有長時間的良好操作，需利用前處理及操作通量來控制薄膜積垢的情形，以及透過清洗來去除薄膜積垢(Adham et al., 1993)。而了解前處理、操作通量及清洗對薄膜積垢的影響及其是否有經濟效益，是值得研究探討作為未來水回收再利用時的參考。

二、研究目的與內容

為增加回收水的可利用性，參考 NEWater 新生水計畫利用 RO 膜系統處理回收都市二級放流水，本研究目的是建議一RO 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。由於目前在水回收再利用上，主要是透過前處理的設置、膜操作通量的設定及薄膜進入清洗的頻率來控制RO 膜積垢的問題，避免形成不可逆積垢造成薄膜系統效率下降(Abdel-Jawad et al., 1997; Ang et al., 2006;

Qin et al., 2005)，因此測試流程主要針對不同前處理、設計通量及清洗頻率作測 試，最後依薄膜積垢的影響作簡易的經濟效益分析找出最佳的操作條件。

三、研究方法

本研究設置實驗室模型廠，並利用建議之 RO 薄膜系統測試流程，探討不同前處理、操作通量及清洗頻率對RO 膜於污水回收再利用時積垢的行為，找出最佳的操作條件，處理水源為迪化污水廠二沉池出流水，採固定操作通量的方式，

前處理的選擇採用MF 及 UF，RO 膜操作通量則分別測試 10、15 及 20 LMH，

RO 清洗方法為現地清洗(clean in place, CIP)，CIP 是利用化學藥劑浸泡清洗積垢，

藥劑依廠商RO 膜技術手冊採用 0.1 wt% NaOH + 0.025 wt% Na-SDS，清洗頻率以每 6 小時或 12 小時清洗測試是否形成不可逆積垢，實驗以標準化通量 (normalized flux)的下降來代表膜積垢的行為，標準化通量為單位透膜壓差下的通

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量並考慮溫度的影響，如式 1，T 為水溫以凱式溫度表示，Q 為透膜之水量，A 為薄膜表面積，ΔP 為透膜壓差，而捲式膜的透膜壓差為進流端與濃縮端壓力的平均值扣除產水端的壓力(Qin et al., 2005)。

Normalized flux = 1.03^(297-T) × Q ÷ (A × ΔP) (式 1)

水質檢測除測試 RO 進流水是否符合膜製造商的溫度、pH、SDI15、濁度 (turbidity)及餘氯的限制，並測試產水水質中的濁度、電導度(conductivity)、總溶解固體(total dissolute solid, TDS)、氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)及總有機碳 (total organic carbon, TOC) 是否符合 NEWater 再生水水質標準。

實驗的基本架構分為兩部分，第一部分為前處理及操作通量測試，主要是觀察其標準化通量的下降，第二部分為CIP 清洗頻率試驗，主要是觀察不同清洗頻率下的標準化通量回復率，最後利用經濟效益分析找出最佳的操作條件，經濟效益分析方法參考Pearce (2008)探討薄膜系統在操作時單位產水量所消耗的電量來做比較。

前處理設備 MF 膜使用 kubota 平板模，薄膜孔徑為 0.4 μm，膜表面積為 0.1 m²，產水通量12-25 LMH，操作透膜壓差範圍為 0.05-0.1 bar；UF 膜使用 GE ZW-1 中空纖維膜，孔徑為0.036 μm，產水通量 18-40 LMH，膜表面積為 0.046 m²，操作透膜壓差範圍為0.11-0.55 bar。RO 薄膜使用 DOW 公司生產之 BW-30 由台灣金棠公司捲膜，尺寸2012 為膜組直徑 2 吋、長 12 吋，膜表面積為 0.465 m²，其進流水水質限制主要為濁度小於1 NTU、SDI15小於5 及餘氯小於 0.1 mg/L。

四、結果與討論

1、RO 膜系統測試程序

本研究建議之 RO 膜系統測試程序主要針對 RO 膜其前處理、操作通量及清洗頻率作考量，以期能減少不可逆積垢的產生達到能長時間操作並維持良好薄膜系統效率，而以其系統的單位產水成本來作最佳化的依據。

測試程序架構如下圖 1，首先檢測原水水質如濁度、SS 及所需處理水量，以最佳化MF 及 UF 膜的操作，如前處理、操作通量、清洗及薄膜的配置等，並檢測MF、UF 產水水質，如 pH、濁度、餘氯及 SDI15，檢測是否符合RO 進流水標準，接著決定RO 操作通量，檢測各操作通量對 RO 膜積垢的影響，如操作壓力及通量的變化，並找出能恢復RO 膜操作的最佳清洗頻率及藥劑，檢測 RO 產水水質是否符合回收水水質，最後利用試驗結果作經濟分析：固定成本方面依處理設施的規模，如管線、動力設備及檢測設備等，並根據RO 進流水量及操作通量

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決定薄膜並聯的支數，及根據回收水水質標準及RO 產水水質決定薄膜串聯的支數，作為固定成本的計算；變動成本的部分以一般RO 膜系統生命周期 20 年為基準，計算期間薄膜操作中動力設備的耗電量、CIP 清洗時所消耗的化學藥劑及薄膜的替換作為變動成本。計算出固定及變動成本後，根據總成本及系統產水量計算單位產水的成本，找出最低者即最佳的系統設計。

回收水水源

經濟分析系統產水水量

固定成本

計算系統操作成本：動力設備消耗電量、CIP 清洗藥劑及加藥處理等計算系統設置成本

檢測水質：濁度、SS 及回收水水質標準項目處理水量：所需的回收水處理量

選擇前處理

決定RO 系統

變動成本

根據進流水水質及水量決定系統薄膜數量及配置

定時記錄操作時各參數的變化：壓力、通量透過清洗試驗找出適合的CIP 頻率及藥劑決定操作通量

檢測產水水質：回收水水質標準項目

薄膜清洗 MF/UF 最佳化操作通量

MF

UF

RO 系統最佳化

檢測產水水質前處理

圖1 逆滲透膜系統測試程序

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2、實驗室模型廠試驗

由於本試驗是以實驗室模型廠進行，處理水量有限約240 L，且採批次實驗，

為延長操作時間故採濃縮水回流至進流水，因此加速薄膜積垢速率，且所使用的 RO 膜為實驗室尺寸直徑 2 吋、長 12 吋，相較於實廠一般使用的直徑 4 或 8 吋、

長40 吋小型許多，在同樣通量下，其產水較少，故在計算單位產水耗電量會較實廠高，無法完全反映實廠的操作情形，而由於實驗室薄膜系統規模及操作時間比實廠小許多，考量其固定成本並無意義，因此主要針對其單位產水的耗電量即成本作探討。

(1) RO 產水水質

迪化二沉池出流水、MF、UF 及 RO 產水水質與 NEWater 水質標準比較如表 1，迪化二沉池出流水的 pH 值、氨氮、TDS、電導度及 TOC 不符合水質標準，

無法直接再利用其出流水，需經水回收系統處理後方能再利用，在經過MF 及 UF 處理後的水質，顯示兩者去除濁度皆能達到 90%以上且符合水質標準，但對其他項目如TDS、電導度及 TOC 無去除效率，其水質只適用於次級用水上，而在經RO 膜處理後的水質，除 pH 值外，其餘項目皆符合水質標準，且對 TDS、

電導度及TOC 皆有 90%以上的去除率，因此不需再串接其他處理系統，pH 值則可利用加藥程序調整。

表1 處理產水之水質與水質標準

迪化二沉出流 MF 產水 UF 產水 RO 產水 NEWater 標準 pH 值 5.52-6.8 5.67-6.8 5.69-6.5 4.82-7.41 7.0-8.5 turbidity, NTU 1.73-4.72 0.11-0.31 0.14-0.15 0.11-0.18 5 NH4+-N, mg/L 0.28-2.4 0.19-0.83 0.05-0.52 0-0.45 1 NO3--N, mg/L 1.7-4 2.4-3 3-3.1 1.1-1.7 15 TDS, mg/L 148.8-242 148.8-193.3 151.6-241 14.6-27.8 150 conductivity,

μS/cm 309-500 310-401 317-499 31.6-54.2 250 TOC, mg/L 3.02-8.34 2.4-3.27 3.2-3.86 0 0.5 註:迪化二沉池出流水採樣次數為 8 次。

(2) 不同操作通量對膜積垢的影響試驗

圖 2 與圖 3 分別為 MF 及 UF 作為前處理及不同的 RO 操作通量時，RO 膜標準化通量變化情形，當設定通量越大，雖產水量較多，但其標準化通量下降越

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快，膜積垢情形越嚴重，此結果與Qin et al. (2005)對 RO 膜系統於不同操作通量 下的積垢情形相同，當通量越大，流過單位面積薄膜的水量及污染物越多，導致加速薄膜的積垢。MF 為前處理時，在 RO 操作通量設定在 10、15 及 20 LMH 時，

其平均標準化通量下降速率(average normalized flux decline rate)分為 2.3、2.7 及 3.1 (% per hr)。而 UF 作為前處理時，RO 操作通量設定在 10 及 20 LMH 時，其值為0.68 及 1.9 (% per hr)。

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 5 10 15 20 25 30 35 Normalized Flux, J/J0

Time (hr)

MF-10 LMH MF-15 LMH MF-20 LMH

MF-RO 10 LMH MF-RO 15 LMH MF-RO 20 LMH

圖2 逆滲透膜(前處理 MF)不同操作通量之標準化通量下降情形

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 5 10 15 20 25 30 35 Normalized Flux, J/J0

Time (hr)

UF-10 LMH UF-20 LMH UF-RO 10 LMH UF-RO 20 LMH

圖3 逆滲透膜(前處理 UF)不同操作通量之標準化通量下降情形

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(3) CIP 清洗時間之試驗

RO 膜目前清洗方法以 CIP 清洗為主，CIP 清洗時需停止系統操作來進行，

故實廠上以定期的方式清洗，本試驗之目的即找出MF 及 UF 膜作為 RO 膜前處理時，適合的CIP 清洗頻率，測試的 CIP 清洗頻率為 12 及 6 小時。

MF 作為前處理時，觀察以每 12 小時進入 CIP 程序的 RO 標準化通量變化情形，在第一次清洗時標準化通量回復率約92%，清洗過後，操作時標準化通量下降較清洗前快，清洗前薄膜操作在12 小時，標準化通量約下降至初始 70%，

而在清洗後操作12 小時，標準化通量降至 57%，推測為 RO 膜在操作 12 小時內產生不可逆積垢，CIP 清洗無法完全去除積垢，故薄膜尚有積垢殘留，而造成標準化通量無法恢復及加速積垢的情形，經過第二次CIP 清洗後，標準化通量回復率為86%，標準化通量下降情形較前兩次嚴重，約在操作時間 8 小時，標準化通量下降至初始的47%。由此兩次清洗的結果，推測薄膜已生成不可逆積垢，因此每12 小時以 CIP 程序並不適用於 MF 膜作為前處理時。

由上一測試結果知道 MF 膜作為前處理時，CIP 清洗的時間點應小於 12 小時，故測試每6 小時進入 CIP 程序時，觀測其 RO 膜標準化通量的變化，經由第一次清洗及第二次清洗其標準化通量回復率皆為96%，而在清洗後，RO 膜的標準化通量在操作6 小時，下降程度皆為 75%，與清洗前的下降程度 76%差異不大，故此CIP 清洗時間確實能清除積垢，恢復 RO 膜系統的效能。由上述結果可知，以MF 作為 RO 前處理時，每 6 小時進入 CIP 程序能有效的避免不可逆積垢的產生，可作為其CIP 清洗頻率。

UF 作為前處理時，觀察 CIP 清洗頻率為 12 小時的 RO 標準化通量變化情形，

結果顯示在其兩次清洗後的標準化膜通量回復率分為100%及 96%，而清洗前後在操作12 小時之標準化通量的下降程度分為 67%、64%及 69%，三者變化情形差異不大，因此當UF 作為前處理時，每 12 小時進入 CIP 清洗一次可以確實清除積垢，恢復其標準化通量。

(4) RO 膜系統之最佳化

由 CIP 清洗時間試驗的結果可以得知利用 MF 膜作為 RO 膜前處理時，每 6 小時進行CIP 一次可避免不可逆積垢的產生，故以此作為薄膜的清洗頻率。利用不同操作通量對膜積垢的影響試驗結果，MF 為前處理時，6 小時中 RO 膜操作通量為10、15 及 20 LMH 時的平均壓力分為 2.86、3.77 及 5.64 bar，總產水量分為0.065、0.094 及 0.14 m³，進流量分為9.32、14.1 及 18.5 L/hr，利用上述資料，

各通量在操作6 小時的單位產水耗電量計算結果如表 2。在 10、15 及 20 LMH 的單位產水耗電量分為68.5、94.3 及 124 kWh/m³，若以MF 作為前處理且 CIP

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為每6 小時進行一次時，操作通量設定在 10 LMH 其經濟效益較高，其單位產水耗電量約為15 LMH 及 20 LMH 的 73%及 55%。

表2 系統(MF-RO)操作 6 小時之各通量單位產水耗電量

前處理-RO 操作通量 MF-10 LMH MF-15 LMH MF-20 LMH

操作壓力, bar 2.86 3.77 5.64

進流量, L/hr 9.32 14.1 18.5

總產水量, m³ 0.065 0.094 0.14

耗電量, kWh 4.45 8.86 17.4

單位產水耗電量, kWh/m³ 68.5 94.3 124

當 UF 膜作為 RO 前處理時，其 CIP 清洗時間適用每 12 小時進行一次。同樣利用不同操作通量對膜積垢的影響試驗結果，以UF 作為前處理時，設定通量在10 及 20 LMH 之 RO 膜的平均操作壓力為 2.59 及 5.33 bar，總產水量為 0.10 及0.26 m³，在設定通量為10 及 20 LMH 時之單位產水耗電量分為 80.5 及 127 kWh/m³，如表3。以 UF 作為前處理及 CIP 清洗時間 12 小時的情況，操作通量為10 LMH 時其單位產水耗電量約為 20 LMH 的 63%，因此最佳操作通量設定在 10 LMH。

表 3 系統(UF-RO)操作 12 小時之各通量單位產水耗電量前處理-RO 操作通量 UF-10 LMH UF-20 LMH

操作壓力, bar 2.59 5.33

進流量, L/hr 9.32 18.5

總產水量, m³ 0.10 0.26

耗電量, kWh 8.05 32.9

單位產水耗電量, kWh/m³ 80.5 127

前處理為 MF 及 UF 膜時，當 RO 膜設定通量為 10 LMH 時有最低的單位產水耗電量，為比較MF 及 UF 的差異，CIP 清洗時間在 MF 及 UF 為前處理時分為6 及 12 小時，以系統操作時間 12 小時，UF 操作一批次時相當於 MF 操作兩批次，因此在同樣操作12 小時的 RO 系統單位產水耗電量，MF 膜為前處理時應為137 kWh/m³，而UF 為 80.5 kWh/m³約是MF 的 59%。

而在前處理的耗電量比較上，因為本研究之前處理的單位產水耗電量只占總耗電量的2-16%，可知影響整體耗電量最主要的因素在於 RO 膜系統操作的部分，

前處理的操作影響較小。綜合以上結果，以實驗室RO 膜模型廠回收再利用迪化污水廠二沉池出流水時，其處理程序建議以UF 膜作為前處理，薄膜操作通量設

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定為10 LMH 以及 CIP 清洗時間為 6 小時。

五、結論

本研究建議一逆滲透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，並設實驗室模型廠探討RO 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前處理、操作通量及CIP 清洗頻率下對薄膜積垢的影響，並利用此結果作經濟效益分析找出操作成本最低時RO 膜系統的前處理、操作通量及CIP 清洗頻率，作為其最佳化的操作條件。

利用實驗室 RO 模型廠對不同前處理 MF、UF 與操作通量 10、15、20 LMH 以及CIP 清洗時間 6、12 小時處理都市污水廠二沉池出流水時，對 RO 膜積垢的影響，結論如下：

1. 迪化污水廠二沉池出流水經 RO 處理後，其產水 pH 值範圍在 4.82-7.41，低於NEWater 水質標準 7-8.5，需經加藥調整，其他項目如氨氮、硝酸鹽氮、電導度、總溶解固體及總有機碳皆符合水質標準。

2. 以 MF 膜為前處理時，CIP 清洗時間為 12 小時，其標準化通量回復率在第一次清洗時為92%，第二次清洗時則降至 86%，CIP 清洗時間為 6 小時，其通量回復率兩次皆為96%，CIP 時間 6 小時較適用於 MF 作為前處理的情況。

3. 以 UF 膜為前處理時，CIP 清洗時間為 12 小時，其標準化通量回復率在第一次清洗時為 100%，第二次清洗時為 96%，清洗後的薄膜在操作時標準化通量變化情形與清洗前類似，在操作12 小時下降約 64~69%，CIP 時間 12 小時適用於UF 作為前處理的情況

4. 以單位產水耗電量(kWh/m³)作經濟效益分析時，MF 作為前處理及 CIP 時間為6 小時的情況，操作通量為 10 LMH 的單位產水耗電量為 15 LMH 及 20 LMH 的 73%及 55%，若以 MF 作為前處理，10 LMH 為其最佳的操作通量。

5. UF 作為前處理及 CIP 時間為 12 小時的情況，操作通量為 10 LMH 的單位產水耗電量為20 LMH 的 63%，若以 UF 作為前處理，10 LMH 為其最佳的操作通量。

6. UF 作為前處理，其最佳條件時的單位產水耗電量為 MF 最佳條件的 59%。利用RO 膜回收迪化污水廠二沉池出流水時，最佳條件為 UF 作前處理、CIP 時間為12 小時及操作通量 10 LMH。

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