沉浸式生物膜反應器處理廢水

   一、概述

生物濾膜反應槽系結合濾膜過濾技術與生物反應槽來處理污染廢水，一般濾膜在生物反應槽中主要用途可分為三種，常見系利用濾膜優良固液分離能力，將活性污泥與處理水分離，藉此取代傳統終沉池效用；第二種形式則是利用濾膜來當作生物反應槽中的無泡式曝氣系統，將氧氣通入濾膜中，作為反應槽中氧氣質量傳輸之用；第三種則是利用濾膜來萃取廢水中無法被傳統污泥程序所去除的有機污染物，而剩余污染物再由生物處理程序去除。

MBR 名詞最早出現于1969年文獻中，當時是利用微濾膜當作固液分離設備，以此取代并省下傳統活性污泥法的終沉池所需面積。1970年代濾膜技術引進日本市場，日本學者Yamamoto首先將中空纖維濾膜結合于活性污泥系統，利用孔徑為0.1mm 之中空纖維濾膜置入傳統活性污泥好氧槽內，再經由泵浦直接將處理完成之放流水抽出，結果顯示經處理后之放流水質較佳，其COD與TOC去除率分別可達到95%和97%，60%的氮亦藉由間歇曝氣的脫硝作用去除，因而逐漸引起各界高度重視，紛紛開始著手進行相關研究。到今日，MBR系統已被廣泛應用于家庭廢水處理、城市廢水處理、紡織廠廢水處理、紙漿廢水處理及面包食品工廠廢水處理等。

自冷戰結束后，美國及世界各國面臨傳統武器及核子武器過剩、需分解破壞的難題，在這些武器當中發現常使用的致癌性化學藥品為RDX（Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine）。根據研究指出，RDX可以利用堿水解來快速破壞分解，但會產生含甲酸、乙酸、甲醛、胺及亞硝酸的高污染性廢水。Zoh and Stenstrom嘗試利用連續流式缺氧MBR系統來處理人工仿真合成廢水并探討其處理效率，實驗結果證明 MBR系統可以有效處理仿真RDX水解后廢水，其COD、NO3--N及NO2--N去除率分別為97%、93.3%及55%，在操作負荷上較高可達0.50kg N/kg MLVSS/d與1.82kg COD/kg MLVSS/d（F/M=0.5kg N/kg SS/d）。

二、薄膜單元

近年來在水處理程序上應用薄膜已經相當廣泛，唯須考慮其經濟性。依水回收用途及原水水質狀況才能決定采用適當的薄膜。目前主要使用于污水處理的薄膜大都為MF與UF。其主要功能是去除污水中的懸浮顆粒、細菌、病毒、有機物。若使用RO，則可更進一步去除有機物、氮、磷等物質。生物薄膜程序中，一個重要單元即為薄膜分離單元，故對薄膜的基本原理與性質亦需有正確的了解，茲以薄膜分類與功能、薄膜操作影響因子與應用與薄膜使用的限制及缺點等項目分述如下：

1、薄膜的材質分類

薄膜程序是利用不同種類的薄膜材料，通過篩濾、滲透或電泳等方式達到溶質分離的效果。一般常用于水及廢水處理之薄膜，其孔徑介于0.0001-2micron之間，分為MF、UF、NF、RO，孔徑大為MF，小為RO。由于MF及UF孔徑較大，能截留分子量較大之物質，故多使用于工業廢水處理及二級處理水再利用。而RO由于孔徑小、成本高，用于海水淡化及家庭用凈水器較多。

依薄膜的材質來分，常用的薄膜材質有聚酰胺膜醋酸纖膜等。若依處理對象的性質來分，薄膜可以分為親水性與疏水性薄膜，由此可因水樣性質不同而選擇適合的薄膜。濾膜材質的選擇極為重要，不同材質特性會造成不同的過濾效果，進而影響濾膜阻塞與否，對可以過濾的時效也會相對改變。以日本三菱公司所生產的中空纖維膜而言，采用的材質為聚乙烯，其表面經過“親水性”的處理，因而具有不會吸附有機物的特性。由于這些有機物多半為菌類，大多由蛋白質構成，且蛋白質具有親油性特質，因此可減緩濾膜孔徑阻塞的現象。若聚乙烯本身為疏水性材質，則會吸附蛋白質、細菌等有機物，因此不經處理的PE膜在經過一段時間操作后，其過濾通量會因膜表面阻塞而造成明顯快速的下降，清洗膜的頻率也會相對提高。

2、薄膜的應用范圍與功能

各種薄膜形式的應用范圍與功能見表1，可知薄膜主要的功能在于過濾機制。圖1顯示一般在活性污泥槽中污泥的粒徑大小的分布，由圖中可發現小于0.1μm的顆粒只占總體積分布的0.3%，若采用0.1μm孔徑的中空纖維膜，則濾膜對懸浮物的去除率可達99.7%以上。此外若選擇0.4μm孔徑的中空纖維膜，由于當污泥濃度高時污泥會聚結，則小于0.4μm的污泥顆粒也會被去除。因此，不管使用何種孔徑的濾膜皆會獲得良好的出流水質，由此可知將薄膜應用于污水中懸浮物的去除有著較佳的功能，當選則薄膜孔徑越小時，薄膜可去除的污染物種類也會更多。

表1 各式薄膜的區分

圖1 活性污泥槽中污泥粒徑的分布

三、沉浸式膜反應器曝氣系統

Nagaoka指出濾膜單元必須設置于曝氣系統上方，利用曝氣形成向上流場擾動中空纖維濾膜，使曝氣系統所產生的水剪力能有效去除附著在濾膜孔隙的粒狀物，如此不僅有效提供好氧槽中充足的溶氧，并能有效移除濾膜表面附著物，使過濾時能保持濾膜穩定通量。控制水流產生向上流場需要兩個重要條件：一是濾膜生物反應槽必須有足夠的空間以利水流循環；二是必須提供充足的空氣，通常曝氣量為100Nm3/m2-hr。沉浸式薄膜在實際應用時，設計上必須特別注意薄膜在曝氣槽中的配置與打入空氣的流速，不當的配置與空氣流速會造成水流往上流動，與再循環時流場遭到破壞而失去沖洗膜管表面的情況。此外須山氏等人指出，原水中若含有超過100mg/L的油脂類物質，也必須先行去除以避免濾膜堵塞。Huang的研究中指出，薄膜操作在理想狀態下，流場的線性流速在濾膜表面必須大40cm/s，且須避免生物槽中亂流的發生。因此在設計上，槽體必須在沉浸式膜組單元四周提供足夠的空間以形成向下流場，如圖2所示。

圖2 薄膜流場示意圖

在實際應用中，沉浸式膜反應器不論是平板式還是中空纖維式，均采用穿孔曝氣器，該形式的曝氣器是在一空氣管上鉆孔，空氣由鼓風機壓送至開孔處流出形成曝氣及攪拌效果。唯其氣泡的粒徑極大，溶氧效率低，故在高濃度的操作條件下，溶氧將形成處理效果的限制條件。因此，川源（中國）機械有限公司開發出利用射流式曝氣器為基礎，同時可進行反洗的曝氣系統（見圖3）。

圖3 沉浸式膜反應器射流曝氣系統示意圖

用于文托利管原理，提供MBR系統所需的高供氧效率及提供活性污泥攪拌混合之用，同時可提供高效率膜片的反沖洗系統，以減少膜片堵塞，因而降低膜片的水通量情形?，F行的曝氣系統為散氣式曝氣系統，如需高溶氧效率時，則會降低對反應槽的攪拌能力，反之亦同。本發明用于解決MBR系統高供氧及高攪拌能力的需求，射流式曝氣系統的活性污泥相因射流器提供高剪力的環境，使活性污泥的顆粒較為密致，不易破碎，可防止因高濃度MLSS及高污泥齡造成污泥破碎的情形。同時可提供一組高速噴流器用于清洗膜片，可降低膜片藥洗頻率，增加系統可靠度。