臺灣博碩士論文加值系統

近年來先進各國皆相繼研究發展生物處理單元結合薄膜固液分離單
元之生物薄膜程序。此程序將傳統生物程序之二級沉澱池以薄膜單元取代，其優點正可改善傳統生物處理程序現今所面臨的問題。另外，由於薄膜製造技術日新月異，使用年限已可增長至5 到8 年；加上薄膜成本隨著研發技術的進步而日趨下降，使得設置成本和操作費用大幅降低。本研究以實廠傳統生物程序及模廠生物薄膜系統處理水源區生活污水，探討其處理效能、優缺點，以作為未來實廠設計與操作之依據。
利用架設於直潭污水處理廠之MBR 模廠進行直潭區域之生活污水處
理及進、出流水採樣；並同步於直潭污水處理廠現場進行進、出流水採樣，並分析溫度、pH、SS、COD、BOD、DO、氨氮、磷酸鹽、硝酸鹽氮、大腸桿菌等水質資料。進而由兩者之數值分析比對，以瞭解各種處理之效率。
實廠傳統生物程序處理之水源區生活污水，SS、BOD5、COD、NH3-N、
PO43-、E-coil 去除率分別為88.9%、76.0%、72.8%、39.2%、18.5%、18.5%、94.4%以上。唯一美中不足的是於處理負荷變動大時，即無法穩定操作，故仍有操作上的瓶頸。根據生物薄膜系於控制操作條件下之研究結果顯示，SS、BOD5、COD、NH3-N、PO4
3-、E-coil，其去除率分別提高至97.2%、75.2%、81.0%、87.5%、37.9%、99.4%以上。生物薄膜程序不僅能提升水力負荷縮短水力停留時間至4 小時，其處理水質更可符合水回收再利用之標準，而有效的固液分離性質，將取代傳統生物處理程序中大部分固液分離及消毒設施，能有效節省土地面積，符合地小人稠的台灣發展。

The investigation of Membrane Bioreactor (MBR) process is popular recently.The membranes separation can be the substitution of sedimentation, which can solve many problems in the traditional biological treatment process. Besides, the life of membrane has been extending to 5-8 year; it’s longer and cheaper then before. The sewage of water shed of reservoir is the target for this research. The objective of this investigation is compared the performance of MBR and tradition biological process.
The pilot MBR process in Ji-tan sewage treatment plane is treated for sewage,and sampling the raw water and effluent of MBR process and Ji-tan sewage treatment plane. The items of analysis were included pH, SS, COD, BOD, DO, NH3-N, PO43-,nitrate-nitrogen and E-coil. Compare the both to discuss the treatment performance.
The results showed that, removal of SS、BOD5、COD、NH3-N、PO43-、E-coil of Ji-tan sewage treatment plane is 88.9%、76.0%、72.8%、39.2%、18.5%、18.5%、94.4%, respectively. The operation is not stable when the loading change. The removal of SS、BOD5、COD、NH3-N、PO43-、E-coil of MBR process is 97.2%、75.2%、81.0%、87.5%、37.9%、99.4% respectively. The HRT of MBR process is decreased to 4 hr, and the water quality can achieve the recycling standard.

目錄
摘要 …………………………………………………………………I
目錄 …………………………………………………………………II
圖目錄 ………………………………………………………………III
表目錄 ………………………………………………………………IV
第一章 緒論
1-1 研究緣起 ………………………………………………………1
1-2 研究目的及內容 ………………………………………………2
第二章 文獻回顧
2-1 生物處理污水之原理與發展
2-1-1 生物處理污水之原理………………………………………4
2-1-2 生物處理程序之發展………………………………………5
2-1-3 生物程序操作之瓶頸………………………………………8
2-2 生活污水特性 …………………………………………………11
2-3 生物程序去除污染物之機制
2-3-1 有機物的去除機制 …………………………………………13
2-3-2 氮的去除機制 ………………………………………………14
2-3-2-1 硝化及脫硝作用………………………………………15
II
2-3-2-2 影響生物硝化及脫硝因子 …………………………18
2-3-3 生物除磷作用………………………………………………19
2-4 薄膜處理程序
2-4-1 薄膜種類……………………………………………………21
2-4-2 薄膜材質與型式……………………………………………22
2-4-2-1 中空纖維薄膜…………………………………………25
2-4-2-2 不織布薄膜 …………………………………………26
2-4-2-3 薄膜過濾原理 ………………………………………28
2-5 薄膜生物處理系統(MBR)
2-5-1 程序特點 …………………………………………………30
2-5-2 質傳理論 …………………………………………………33
2-5-3 工程應用 …………………………………………………34
2-5-4 MBR 型式…………………………………………………36
2-6 MBR 廢水處理程序
2-6-1 MBR 好氧程序…………………………………………37
2-6-2 MBR 厭氧程序…………………………………………39
2-7 薄膜積垢與結垢
2-7-1 薄膜積垢………………………………………………39
2-7-2 薄膜結垢………………………………………………46
II
第三章 研究方法
3-1 實驗藥品與設備
3-1-1 實驗藥品………………………………………………48
3-1-2 實驗設備 ……………………………………………52
3-2 實驗分析項目方法 ……………………………………………52
3-3 實驗設備
3-3-1 實廠傳統生物程序 …………………………………53
3-3-2 生物薄膜系統 ………………………………………55
3-5 實驗方法
3-5-1 實驗設計 ……………………………………………58
3-5-2 實驗水樣來源 ………………………………………60
3-5-3 污泥的馴養 …………………………………………61
第四章 結果與討論
4-1 實廠好氧生物處理程序
4-1-1 實廠好氧生物處理設計操作條件 …………………62
4-1-2 實廠好氧生物處理程序MLSS、pH 變化……………63
4-1-3 實廠好氧生物處理程序污染物去除效能 …………64
4-1-4 傳統生物程序所面臨的問題 ………………………67
4-2 生物薄膜系統
II
4-2-1生物薄膜系統操作參數及條件 ………………………69
4-2-1 生物薄膜系統MLSS、pH 變化………………………71
4-2-2 生物薄膜系統對有機物之去除效能…… ……………72
4-2-3 生物薄膜系統對氨氮之去除效能 ……………………73
4-2-4 生物薄膜系統對硝酸鹽氮之去除效能 ………………74
4-2-5 生物薄膜系統對磷酸鹽之去除效能 …………………75
4-2-6 生物薄膜系統對大腸桿菌之去除效能 ………………76
4-2-7 生物薄膜系統對懸浮固體之去除效能 ………………77
4-2-8 生物薄膜系統處理水質 ………………………………78
4-2-9 生物薄膜程序處理水回收再利用之評估 ……………79
4-3 過濾去除污染物之效能
4-3-1 過濾對有機物之去除效能 ……………………………81
4-3-2 過濾對氨氣之去除效能 ………………………………82
4-3-3 過濾對硝酸鹽氮之去除效能 …………………………83
4-3-4 過濾對磷酸鹽之去除效能 ……………………………84
4-3-5 過濾對大腸桿菌之去除效能 …………………………85
4-3-6 過濾對懸浮固體之去除效能 …………………………86
4-3-7 過濾處理水質與生物薄膜系統處理水質之比較 ……87
4-4 傳統生物系統與生物薄膜系統之比較
II
4-4-1 出流水水質… …………………………………………88
4-4-2 空間設備與維護、操作、管理 ………………………89
4-4-3 生物薄膜系統的可行性與應用性… …………………90
第五章 結論與建議 …………………………………………………94
參考文獻 ………………………………………………………………96
附錄 …………………………………………………………………附-1
圖目錄

圖2-1 各種生物程序之修正法(郭氏，1996) ……………………7
圖2-2 各種生物程序去除氮、磷之基本流程圖
(Clifford et al.,1999)…………………………………10
圖2-3 碳的循環 (Clifford et al.,1999) ……………………14
圖2-4 微生物利用有機物之機制 (郭氏，1996) ………………14
圖2-5 微生物降解有機物途徑 (郭氏，1996)… ………………14
圖2-6 氮的循環圖 (莊氏，1996) ………………………………15
圖2-7 磷蓄積菌厭氧/好氧代謝模式之示意圖(歐陽，2001) …21
圖2-8 薄膜分離粒徑之比較(AWWA，1995)………………………22
圖2-9 薄膜操作系統示意圖(倪等，2003)………………………25
圖2-10 不織布濾材之過濾機制(Cheryan, M., 1998)………26
圖2-11 粒子於不同階段在不織布濾材上沈積情形
(張氏，2003) ……………………………………………27
圖2-12 比較端點過濾與橫流過濾之差異
(Gunder, B., USA , 2001) …………………………30
圖2-13 比較MBR與傳統活性污泥程序(洪、張等，2003) ……32
圖 3-1 直潭污水處理廠處理流程圖………………………………54
圖3-2 生物薄膜系統處理流程圖 ………………………………56
圖3-3 實驗流程圖 ………………………………………………59
圖4-1 實廠MLSS、pH監測紀錄圖 ………………………………64
圖4-2 實廠生物處理程序水質去除率圖 ………………………66
圖4-3 MBR MLSS、製水壓力監測紀錄圖…………………………70
圖4-4 MBR MLSS、pH監測紀錄圖 ………………………………72
圖4-5 生物薄膜系統COD進流、出流濃度與去除率圖…………73
圖4-6 生物薄膜系統BOD5進流、出流濃度與去除率圖 ………73
圖4-7 生物薄膜系統NH3－N進流、出流濃度與去除率圖 ……74
圖4-8 生物薄膜系統NO3－N進流、出流濃度與去除率圖 ……75
圖4-9 生物薄膜系統PO33-進流、出流濃度與去除率圖 …………76
圖4-10 生物薄膜系統大腸桿菌進流、出流濃度與去除率圖……77
圖4-11 生物薄膜系統SS進流、出流濃度與去除率圖 …………78
圖4-12 過濾處理COD進流、出流濃度與去除率圖 ……………82
圖4-13 過濾處理BOD5進流、出流濃度與去除率圖 ……………82
圖4-14 過濾處理NH3－N進流、出流濃度與去除率圖 …………83
圖4-15 過濾處理NO3－N進流、出流濃度與去除率圖 …………84
圖4-16 過濾處理PO43-進流、出流濃度與去除率圖 ………………85
圖4-17 過濾處理大腸桿菌進流、出流濃度與去除率圖 …………86
圖4-18 過濾處理SS進流、出流濃度與去除率圖 ………………87
表目錄

表2-1 各種生物程序修正法開發經過(郭氏，1996) ………………6
表2-2 各種不同生物程序去除氮、磷之優缺點比較(郭氏，1996)…10
表2-3 各種生物程序操作問題與亟待突破之項目(郭氏，1996)…11
表2-4 台灣地區放流水水質之氮、磷標準…………………………11
表2-5 台灣地區生活污水組成(郭氏，1996) ………………………13
表2-6 生物程序硝化、脫氮作用之機制(莊氏，1996)……………18
表2-7 硝化及脫硝影響因子(Clifford et al.,，1999)…………19
表2-8 生物除磷作用所需之環境條件與步驟………………………21
表2-9 已商業化固液分離型膜離生物處理技術所用之薄膜型式…24
表3-1 分析項目標準方法……………………………………………53
表3-2 直潭污水處理廠設備數量及設計參數………………………54
表3-3 直潭污水處理廠生活污水水質………………………………60
表4-1 直潭污水處理廠設計條件……………………………………63
表4-2 實廠生物處理程序進出流水質………………………………66
表4-3 生物薄膜處理系統進出流水質………………………………79
表4-4 水回收再利用水質標準、生物薄膜系統之放流水水質… …81
表4-5 過濾與薄膜生物處理系統進出流水質………………………88
表4-6 實廠生物處理程序、生物薄膜系統處理水質之比較 ……89

Anderson G, Saw C, Fernandes M.(1986b) Application of porous
membranes for biomass retention in biological wastewater
treatment processes, Process Biochem;21(6):174-82.
Benitez, J.; Rodriguez, A ., Malaver , R. (1995) Stablization and dewatering of wastewater using hollow fiber membranes, Wat. Res.,29 (10), 2281
Bouhabila, E. H., Aim, R. Ben, and Buisson, H.
(1998).“Microfiltration of activated sludge using submerged
membrane with air bubbling.” Desalination, 118,315-322.
Bowne, W. R., Calvo, J. I., and Hernandez, A. (1995). Steps of Membrane blocking in flux decline during protein
icrofiltration. J.Membr. Sci., 101,153-165
Chang, I. S. and Lee, C. H. (1998). Membrane filtration
characteristics in membrane coupled activated sludge system－the effect of physiological states of activated sludge on membrane fouling.Desalination, 120, 221-233.
Chang, C. N., C. C. Chiu, C. P. Ho, and Y. S. Ma. 2000. Recovering dosmestic wastewater by submerged membrane bioreactor (SMBR).
第25 屆廢水處理研討會論文集, 145-150.
Cicek, N., Dionysiou, D., Suidan, M. T., Ginestet, P., and Audic, J. M.(1998b). “Performance deterioration and structural change of a ceramic membrane bioreactor due to inorganic abrasion.” J. Membr.Sci., 163, 19－28.
Defrance, L., Jaffrin, M.Y.; Gupta, B.; Paullier, P.; Geaugey, V. (2000) Contribution of various constituents of activated sludge to membrane bioreactor fouling, Bioresource Technol. 73, 105-112
Gander, M. A.; Jefferson B.; Judd, S., J. (2000) Membrane bioreactors For use in small wastewater treatment plants: membrane materials and effluent quality, Wat. Sci. Technol., 41 (1),205
Gunder, B., “The Membrane-coupled Activated Sludge Process In Municipal Wastewater Treatment,” Technomic Publishing
Co.Inc., Lancaster, PA, USA, 2001
Imasaka T, Kanekuni N, So H, Yoshino H. (1989) Cross-flow of methane fermentation broth by ceramic membrane. J
Ferm Bioeng;68:200
Kawakatsu, T., S. I. Nakao, and S. Kimura. 1993. Effects of size and Compressibility of suspended particles and surface pore size of Membrane on flux in crossflow filtration. J.
Membrane. Sci. 81: 173-179.
Kim, J. S., Lee, C. H., and Chang, I. S. (2001). “Effect of pump shear on the performance of a crossflow membrane bioreactor.” Water Res., 35, 2137-2144.
Kishino, H., Ishida, I., and Nakano, I. (1996). Domestic wastewater reuse sing a submerged membrane bioreactor. Desalination, 106,115-119.
Leow, H.F. and Bai, R.B. (2001) Nylon screen incorporated into Hollow fiber microfiltration system for wastewater treatment,Water Sci. Technol. 1, 131.
Ludzack, F. L. and M. B. Ettinger. “Controlling Operation
Minimize Activated Sludge Effluent Nitrogen,” J. Wat. Pol.
Con. Fed. ,34:920.(1962)
Mcclintock, S. Sherrard,J.S. Novak,J.T. and Randall, C.W.
“Nitrate versus Oxygen Respiration in the Activated Sludge
Process ,”J.Wat.Pol.Con.Fed.,60(3):342-350(1988)
Muller, E. B.; Stouthamer, A. H.; van Verseved, H., .;Eikelboom,
D. H. (1995) Aerobic domestic wastewater treatment in a
pilot plant with complete sludge retention by cross-flow
filtration, Wat. Res., 29 (4), 1179
Nagano A, Arikawa E, Kobayashi H. (1992) The treatment of liquor wastewater containing high-strength suspended solids by membrane bioreactor system. Water Sci. Technol.;26(3－4):887－95.
Parameshwaran, K. Fane, A.G. Cho, B.D. and Kim, K.J. (2001)
Analysis of microfiltration performance with constant flux
processing Of secondary effluent, Water Res. 35 4349.
Ross WR, Barnard JP, Strohwald NK, Grobler CJ, Sanetra J. ( 1992)
Practical application of the ADUF process to the full-sclae treatment
of a maize-processing effluent. Water Sci Tech;25:27.
Shimizu, Y., Shimodera, K. I., and Watanabe, A. (1993). Cross flow
microfiltration of bacterial cells. J. Ferment. Bioeng., 76, 493-500
Shino. H. (2004) Kubota submerged flat sheet membrane application And
its future direction to be headed. Kubota presentation document.
Tardieu, E., Grasmick, A., Geaugey, V., and Manem, J.
(1998).”Hydrodynamic control of bioparticle deposition in a MBR applied to wastewater treatment.” J. Membr.Sci., 147, 1－12.
Wang, P. Tan, K.L. Kang, E. T. and Neoh,K.G. (2002) Plasma-induced
immobilization of poly( ethylene glycol) onto poly(vinylidede
fluoride) microporous membrane, J. Membr. Sci. 195, 103.
Wen, C., X. Huang, and Y. Qian. 1999. Domestic wastewater treatment
using an aerobic bioreactor coupled with membrane filtration.
Process Biochemistry, 35: 335-340.
Yamamoto, K., Hissa, Mahmood, T., and Matsuo, T. (1989). “Direct solid
liquid separation using hollow fiber membrane in an activated
sludge aeration tank.” Water Sci. Technol., 21, 43-54
Yeom, I. T; Nah, Y. M.; Ahn K. H. (1999) Treatment of household
wastewater using an intermittently aerated membrane bioreactor,
Desalination, 124,193
Zhang, B., Yamamoto, K., Ohgaki, S., and Kamiko, N. (1997). “Floc size
distribution and bacterial activities in membrane separation activated
sludge processes for small scale wastewater
treatment/reclamation.” Water Sci. Technol., 35, 37-44.
劉茱娥等 ( 1998 )，”逆滲透”，膜分離技術，化學工業出版社，184-208
高山鎮，”薄膜阻塞控制之研究”成功大學環境工程系89 年碩士論文。
謝淵林、曾四恭、張育傑(2000) 利用中空矽膠管薄膜生物反應槽進
行廢水同時硝化脫硝之反應.第25 屆廢水處理研討會論文集，
270-274。
游惠宋、吳鴻榮、簡志賢等，”統一企業新市總廠廢水處理擴建工程
實務”，2003 工業污染防治工程實務技術研討會。
洪仁陽、張王冠等，”MBR 處理醱酵食品廢水之案例研究”，2003 工
業污染防治工程實務技術研討會。
張敏超，”MBR 用膜材及過瀘分離機制”，2003 環安簡訊電子報24
期。
張王冠，”新世代水與廢水處理技術－膜離生物反應器”，2003 環安簡
訊電子報24 期。
倪振鴻 陳廷光 陳治欣 陳重男，”國內第一座沈浸式生物薄膜程序廢
水處理廠處理TFT-LCD 製程有機廢水回收再利用之長期操作經
驗”,2003 產業環保工程實務技術研討會。
郭瓊梅，〝生物處理統去除都市污水中營養鹽之模擬分析〞，
碩士論 文，國立中興大學環境工程研究所，台中（1996）
莊順興，〝脫氮除磷代謝模式與反應動力之研究〞，博士論
文，國立中央大學環境工程研究所，中壢（1997）