評估實廠生物活性碳濾床對有機物之移除效能
黃于珊
1、
2、
31大仁科技大學環境管理研究所。
研究計畫編號：
摘 要
關鍵詞：
一、 前言
國內淨水廠常用之淨水程序為混凝、沉澱、
過濾及消毒為主。但因在國內原水水質遭受污染 日漸嚴重，在汙水處理的觀念尚未落實之前，使 飲用水水源的安全性備受關切[1]。自來水處理程 序中，活性碳主要目的是為了去除臭味的物質，
但是現在卻逐漸將其應用於水中毒性及致癌物質 的去除[2]。因活性碳表面具微小的孔隙，讓大分 子無機物無法進入孔隙中被吸附，由於水中腐植 質分子量較大，活性碳吸附對水中腐植質之處理 效率一般遠低於對水中特定有機物(如農藥及其 他毒性物質)之處理效能[3]。為了增加對水中腐植 質的吸附效果，常使用前處理方法(如添加臭氧) 降低腐植質分子量大小而改善吸附能力。
臭氧消毒雖可降低三鹵甲烷 (THM) 或鹵化 醋酸 (HAAs) 等氯化有機物的生成，但臭氧無法 將原水中的天然有機物完全氧化成無機態，在含 有溴離子(Br-)的原水中，若臭氧劑量足夠，易生 成臭氧消毒副產物，包括溴酸鹽(bromate)、溴酚 (bromophenos) 、 溴 仿 (bromoform) 、 溴 化 醋 酸 (bromoacetic acids) 、醛類 (aldehydes) 、脂肪酸 (fatty acid) 及 生 物 可 利 用 有 機 碳 (Assimilable oraginc carbon,AOC) 等[4]。而活性碳在淨水處理 上對有機物染物有良好的去除。而近年來發現臭 氧接活性碳濾床，對降低清水生物潛勢-增加水 質生物穩定性有幫助。主要是利用活性碳濾床內 之吸附及生物作用，可將臭氧化生成之生物可利
用有機物去除，稱為生物活性碳 (BAC)。
近年來，普遍使用螢光光譜法偵測水中有機 物質，因其優點簡單、快速且不需複雜前處理，
且可提供有機物之分子結構、化學及官能基等特 性[5]。三維螢光激發發射光譜 (F-EEM) ，已被用 於區分水中天然溶解性有機碳 (DOC) 不同類型 及來源。故本研究以螢光光譜儀配合其他參數如 濁度、顆粒粒徑及表面電位等，評估淨水廠生物 活性碳濾床對有機物移除之效能。
二、方法與材料
2.1. 實廠操作程序
本研究選取鳳山淨水廠(FS)，此淨水廠水源 來自高屏溪攔河堰之地表水。淨水程序如表1，
採樣為2016 年 3、6、11 及 12 月，為生物活性碳 濾床之進出水。
表1 鳳山淨水廠之淨水程序
原水→膠凝→快濾→臭氧→生物活性碳→清水
2.2. 分析方法
2.2.1. 螢 光 激 發 發 射 光 譜 EEFM(Excitation emission fluorescent matrix, EEFM)
關於水樣之螢光特性，本研究以螢光光譜儀 (F-4500, Hitachi, Japan) 進行測定，樣本分析前須 經0.22 m 之濾膜(Mixed cellulose ester, Advantec MFS Inc., USA)過濾隨後約取八分滿之水樣於一 公分之石英比色管（四面透明）中，進行樣本 3-D 掃描，掃描後利用螢光圖譜分析軟體本身的
功能，將水樣圖譜與空白圖譜相減後，即可得到 樣本真實之螢光圖譜。相關操作條件，包括激發 及發射波測定範圍分別為 200-400 nm 及 250- 550 nm ， 光 柵 設 定 條 件 10 nm ， 掃 描 速 度 為 2400 ( nm/min )，PMD 設定為 700V。超純水作 為空白背景值，所有呈現之樣本均需扣除背景值。
2.2.2. 非 揮 發 性 溶 解 性 有 機 碳 (non-purgable dissolved organic carbon,NPDOC)
將 樣 本 以 0.22 m 濾 膜 (cellulose acetate, MFS, USA ) 過 濾 ， 將 濾 液 以 磷 酸 (H3PO4, Merck, Germany) 酸化至 pH < 2 後，裝入棕色玻 璃瓶中以 4 ℃ 冷藏保存。試驗時將棕色玻璃瓶 取出至室溫後，以高純氮氣曝氣約 10 分鐘後，
進 行 DOC 之 分 析 。 將 樣 品 以 人 工 方 式 放 入 TOC 測定儀 (Multi N/C 3000,Analytik Jena AG, Germany) 之吸取位置後，注入裝填有高感度觸 媒(Lotix, Teledyne Tekmar, USA) 之高溫爐中，在 680 ℃ 下與氧氣反應生成 CO2 ，並藉載流氣體 攜帶 CO2 流經無機碳反應器及除濕、降溫與乾 燥，最後 CO2 送至非分散紅外線吸收偵檢器 (Non-dispersive Infrared Absorption Detector) 中並 配合由一系列適當濃度之總碳(Total Carbon, TC) 標準溶液所得之檢量線，而測定出水樣之 TC 即 可得水中之 DOC 值，其單位為 mg/L。由於樣 本在分析前，利用酸化及氣提方式先行去除無機 碳之步驟， 去除揮發性有機物(Purgeable organic matter)，因此本分析方法所得之碳量稱為非揮發 性溶解性有機碳。
2.2.3. 紫外光 -可見光吸收光譜 (UV Absorption Spectrometer)
將所得樣本經 0.22 μm 之濾膜(cellulose acetate, MFS, USA )過濾後進行測定，將紫外光 及可見光譜儀（U-2900, Hitachi, Japan）之波長 範圍設定於 200-600 nm，測定前使用實驗室之 超純水置入樣品槽，進行儀器歸零校正之步驟，
隨後取約八分滿之水樣於一公分之石英比色管中，
將其置入樣品槽內，進行樣本分析。紫外光吸收 光譜之操作條件：掃描起始至結束波長為200- 600 nm ，光柵寬度為 1.5 nm，掃描速度則是 400
nm/min。
2.2.4. 分子量分析(Molecular Weight)
利 用 高 效 能 液 相 層 析 儀 HPLC (L-7455, Hitachi, Japan) 配 合 DAD 偵 檢 器 (Diode array detector) 進 行 分 子 量 之 測 定 。 移 動 相 (Mobile phase)為 2.4 mM NaH2PO4、1.6 mM Na2HPO4及 25 mM Na2SO4 混合成 pH 6.8 離子強度 100 mM 之磷酸緩衝液，流速為0.5 mL/min。水樣以 0.45
m 之 濾 膜 (Mixed cellulose ester, Advantec MFS Inc., USA)過濾非水溶性物質後隨即分析。
2.2.5. 濁度、粒徑分佈及表面電位
濁 度 測 定 方 法 根 據 環 保 置 公 告 之 NIEA W219.52C 水中濁度檢測方法－濁度計法進行。
利 用 界 達 電 位 分 析 儀(Zetasizer NanoZ, Malvern, U.K.) 是 以 PCS (Photon correlation spectroscopy)法進行偵測溶液或懸浮液中顆粒之 擴散速率，利用兩束雷射光束交叉於量測管內之 靜 止 層(Stationary layer) ， 使 其 產 生 干 涉 條 紋 (Interference fringe)。樣品粒子在干涉條紋中移動 時所產生之散射光，經由 PM (Photo-multiplier) 管收集後，以其強弱及變化速率，準確偵測出粒 子之電泳速度，再計算出其界達電位值，本設備 可量測之電位大小屬於沒有限制，即可測定之粒 徑大小範圍 0.3 nm ~ 10 m。
三、結果與討論
3.1. 濁度、顆粒粒徑及表面電位之變化
圖1 為 2016 年 3 月至 12 月份 CCL 及 FS 經 生物活性碳程序後之濁度變化。
圖1(B)各月份生物活性碳濾床進水濁度變化 3 月為 0.06 NTU、6 月 0.38 NTU、11 月為 0.02 NTU 及 12 月為 0.19 NTU，而出水濁度變化 3、6、11 及 12 月分別為 0.01、0.04、0 及 0.24 NTU。濁度去除率部分，在 3、6 及 11 月均有去 除，分別為58、34 及 5%，但在 12 月濁度沒有 去除反而增加26%。
圖1 2016 年(A)CCL(B)FS 生物活性碳濾床進出 水不同月份之濁度去除率。
圖2 為 2016 年 3 月至 12 月 CCL 及 FS 經生 物活性碳濾床程序後之表面電位變化。圖2 顯示 生物活性碳濾床進出水皆為負電位，因和水中有 機物大多為負電位相關。圖2(A)進水部分在 3、6、11 及 12 月分別為-9.73、-11.4、-15.2 及- 12.9；出水部分則為-8.75、-11.3、0.134 及- 8.75。圖 2(B)進水部分以 11 月最不負，其值為- 7.7 mV，3、6 及 12 月分別為-16.9、-16.8 及-13.6 mV；出水部分則和進水相同，皆是 11 月最不負，
其值為-4.17 mV，而 3、6 及 12 月各別為-5.04、- 9.6 及-12.2 mV。依此結果得知，經生物活性碳 濾床後水中有機物電位減少。
圖2 2016 年(A)CCL(B)FS 生物活性碳濾床進出 水不同月份之電位變化
圖3 為 2016 年 3 月至 12 月 CCL 及 FS 經生 物活性碳濾床程序後平均粒徑之變化。圖3(A) 水部分在3、6、11 及 12 月分別為
313.9、798.1、712 及 812.4nm；則出水為
68.18、1,794、269.2 及 831.1nm，在 3 及 11 均有 去除，而6 及 12 月反而增加，推測可能與濾料 流出有關。
圖3(B)進水部分在 3、6、11 及 12 月分別為 509.5、878.2、24.73 及 342.5 nm；則出水分別為 176.1、563.3、72.02 及 482 nm。3 月及 6 月平均 粒徑均有去除，而11 及 12 月則反之。
圖3 2016 年(A)CCL(B)FS 生物活性碳濾床進出 水不同月份之平均粒徑變化
3.2. 生物活性碳濾床進出水中有機碳含量及分子 量之變化
圖4(A)為 2016 年 3 月至 12 月 CCL 及 FS 經 生物活性碳濾床程序NPDOC 之變化。圖 4(A)進 水部分在3、6、11 及 12 月分別為 0.6、1.4、0.5 及0.9mg-C/L；出水部分則為 0.3、5.8、0.6 及 0.8 mg-C/L。圖 4(B)在各月份進水為
0.4、1.2、0.4 及 1 mg-C/L；出水則為 0.2、0.8、0.4 及 0.6 mg-C/L。
圖4(A)6 及 11 月沒有去除反而增加了 332 及 42%，此可能與後臭氧可有效轉化大分子量之有 機物成為小分子，有利於生物濾床微生物之滋生，
大量微生物滋生後，產生大量之有機物釋出[6]。
圖4 2016 年(A)CCL(B)FS 生物活性碳濾床進出 水不同月份之NPDOC 去除
圖5 為 2016 年 3 月至 12 月 CCL 及 FS 經生 物活性碳濾床程序分子量之變化。圖5(A)三月 (A-1)分子量大小為 12 kDa 與 47 KDa，六月(A- 2)、十一月(A-3)及十二月(A-4) 分子量大小為 12 kDa 與 43 kDa。圖 5(B)三月(A-1)分子量大小為 14 kDa 與 39 kDa，六月(A-2) 分子量大小為 7 kDa 與 30 kDa，十一月(A-3) 分子量大小為 12 kDa 與 43 kDa。十二月(A-4) 分子量大小為 12 kDa 與 47 kDa。
圖5 2016 年(A)CCL(B)FS 生物活性碳濾床進出 水之分子量變化(1:3 月、2:6 月、3:11 月、4:12
月)
3.3. 螢光激發發射全譜於生物活性碳濾床進出水 之變動
根據文獻指出，可將三維螢光全譜中激發與 發射波長位置區分為 5 個區塊，激發波長小於 250 nm，發射波長小於 350 nm 屬芳香型之蛋白 質 (aromatic protein)，此部分為第 I 及 II 區；激 發波長小於 250 nm，發射波長大於 350 nm 屬黃 酸 (fulvic acid) ， 為 第 III 區 ； 激 發 波 長 小 於 250-280 nm，發射波長小於 380 nm 屬於溶解性 微 生 物 代 謝 物 質 (Soluble microbial by-product- like)，為第 IV 區；激發波長大於 280 nm，發射 波長大於 380 nm，屬似腐植酸 (humic acid-like) 物質，為第 V 區[7]。
圖6 為 2016 年 CCL 經生物活性碳濾床程序 進出水之螢光激發發射光譜圖。圖6(A)進水及圖 6(B)出水皆出現五個主要波峰，其激發發射波長 位置分別落在222-226/292-322 nm、228-236/331-
337 nm、230-248/397-421 nm、268-280/301- 346nm 與 279-308/397-406nm。但在 11 月(A-3 及 B-3)部分，Peak V 似腐植酸 (humic acid-like)物 質經臭氧化後去除。
圖6 2016 年 CCL 生物活性碳濾床進出水(A)3 月、(B)6 月、(C):11 月、(D):12 月之螢光激發發 射光譜圖(1:進水；2:出水)
圖7 為 2016 年 FS 經生物活性碳濾床程序進 出水之螢光激發發射光譜圖。圖7(A)進水及圖 7(B)出水部分在五類有機物出現五個主要波峰，
其激發發射波長位置分別落在224-228/252-319 nm、226-246/301-373 nm、226-304/355-421 nm、228-304/304-388nm 與 252-310/403-451 nm。但在圖 7(A-3)及(B-3)部分則和 CCL 相同，
Peak V 似腐植酸 (humic acid-like)物質經臭氧化 後去除。
2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
A - 1 B - 1
2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
A - 2 B - 2
2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
A - 3 B - 3
2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0
2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
Excitation(nm)
A - 4
2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0
0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 4 2 0 4 8 0 5 4 0 6 0 0 6 6 0 7 2 0 7 8 0 8 4 0 9 0 0
E m i s s i o n ( n m ) B - 4
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
圖7 2016 年 FS 生物活性碳濾床進出水(A)3 月、
(B)6 月、(C):11 月、(D):12 月之螢光激發發射光 譜圖(1:進水；2:出水)
圖8 (A)CCL(B)FS 五類有機物去除率(1：I 類為 芳香型之蛋白質酪胺酸；2：第 II 類屬芳香型之 蛋白質與 BOD5有關之物質；3：第 III 類屬黃酸 (fulvic acid)物質；4：第 IV 類屬於溶解性微生物 代謝物質；5：第 V 類，屬似腐植酸物質)
3.5. 紫外光吸收於生物活性碳濾床進出水之變化 依文獻指出UV210 為[8]，UV254 為芳香碳氫 化合 (polyhydroxy aromatic)[9]。
2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
A - 1
Excitation(nm)
I I I I I I
I V V
2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
A - 2 B - 2
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
A - 3 B - 3
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0
2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
A - 4
2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0
0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4 0 0 4 4 0 4 8 0 5 2 0 5 6 0 6 0 0 6 4 0 6 8 0
E m i s s i o n ( n m )
B - 4
I I I I I I
I V V
I I I I I I
I V V
B - 1
I I I I I I
I V V
圖9 2016 年(A)CCL(B)FS 生物活性碳濾床進出 水紫外光吸收之變化 (1:UV210；2:UV254)
圖10 2016 年(A)CCL(B)FS 生物活性碳濾床進 出水SUVA 值之變化
四、結論
五、致謝
六、參考文獻
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