臺灣博碩士論文加值系統

摘要
一般而言無氧/好氧生物程序有操作簡單、節省能源之特性，但也有許多操作上的瓶頸如污泥膨化、處理水質受污泥沉降性影響極大等。在眾多改良生物處理技術中，生物薄膜程序為一創新與極具發展潛力的新技術，除了解決傳統生物程序所面臨的瓶頸外，更具有可於高污泥濃度下操作，高級處理水質、節省空間、減少污泥產量與耐污染負荷變化等優點。本研究將以無氧/好氧生物程序及無氧/好氧生物薄膜程序作為都市生活污水處理設備，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。
無氧/好氧生物程序於控制條件下之研究結果顯示，經無氧/好氧生物程序處理之都市生活污水，有機碳、COD、氨氮、有機氮、總氮，其去除率分別91.6%、92.4%、95.7%、72.2%、71.8%以上，此外經沉澱池溢流之出流水懸浮固體物平均濃度為23.4 mg/L，具有穩定處理效果，唯一美中不足的是於提升處理負荷時，即無法穩定操作且有污泥膨化的問題，故仍有操作上的瓶頸。
根據無氧/好氧生物薄膜程序於控制操作條件下之研究結果顯示，於污泥濃度5710-6350 mg/L下提升處理負荷，經無氧/好氧生物薄膜程序處理之都市生活污水，有機碳、COD、氨氮、有機氮、總氮，其去除率分別96.9%、96.9%、93.2%、86.4%、85.7%以上，此外經濾膜過濾之出流水懸浮固體物平均濃度為0 mg/L，且濾膜更具有物理性消毒作用，因此無氧/好氧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水質標準。
在預防薄膜單元阻塞的研究中，當薄膜操作壓力在40 kPa以下時，以間歇式操作薄膜過濾10分鐘加上返沖洗1分鐘， (當薄膜停止過濾時以重力進行返沖洗)能維持薄膜通量於10.6 L/m2-hr穩定操作，並有效預防薄膜阻塞而延長薄膜使用時效。當薄膜操作壓力大於40kPa時，以1.5 wt(%) NaOH (pH10-11)化學藥劑清洗薄膜，則能有效去除薄膜積垢避免薄膜薄膜阻塞更為嚴重。
關鍵詞：無氧/好氧程序、生物薄膜程序、都市生活污水、好氧槽混合液、水力停留時間、物理性消毒、間歇式操作、返沖洗、薄膜積垢。

Abstract
In general, Anoxic/Aerobic process (A/O process) is an economical process and useful to remove organic and nutrient from domestic wastewater .However it still has some disadvantages. Numerous of biological treatment technique, membrane bioreactor is a new and creative technique and it improves shortcomings of activated sludge process. High biomass, complete solids removal, a significant disinfection capability, high rate and high efficiency organic matter and nutrient removal, sludge production reduced and be able to endure the variation of contamination are all characteristics of MBR. The investigation on efficiency of domestic wastewater treatment by A/O process and by membrane bioreactor will be used as accordance of full plant design and operation.
Under the control, the ivestigation of A/O process reveals that the removal efficiency of TOC, COD, NH3-N, Org-N and T-N is 91.6%, 92.4%, 95.7%, 72.2% and 71.8% respectively. Furthermore, the concentration of effluent suspended solids is 23.4 mg/L. It is effective to treat domestic wastewater but it still has shortcomings on operating.
Under the control, the investigation of membrane bioreactor reveals that the removal efficiency of TOC, COD, NH3-N, Org-N and T-N is 96.9%, 96.9%, 93.2%, 86.4% and 85.7% respectively. Furthermore, the concentration of effluent suspended solids is 0 mg/L and membrane provides a significant disinfection capability. The quality of the treated water from membrane bioreactor is so high that recycling and reuse is often a viable option.
The investigation of preventing membrane fouling produced, when the membrane operating pressure under 40 kPa, It is useful to make membrane clean by physical backwash with gravity. And when the membrane operating pressure up to 40 kPa, It is useful to make membrane clean by chemical washing with 1.5 wt (%) NaOH (pH10-11)
Key words：anoxic/aerobic process, membrane bioreactor, domestic wastewater, mixed liquid, hydraulic retention time, physical disinfection, intermittent operation, backwash, membrane fouling

目錄
中文摘要
英文摘要
目錄 I
圖目錄 V
表目錄 VII
第一章 前言 1
1-1 研究緣起 1
1-2 研究內容 3
1-3 研究架構 4
第二章 文獻回顧 5
2-1 生物處理污水之原理與發展 5
2-1-1 生物處理污水之原理 5
2-1-2 生物處理程序之發展 6
2-1-3 生物程序操作之瓶頸 12
2-2 都市生活污水特性 13
2-3 採用無氧/好氧生物程序處理都市生活污水之經濟誘因 14
2-4 無氧/好氧生物程序去除污染物之機制 16
2-4-1 有機物的去除機制 16
2-4-2 氮的去除機制 18
2-4-2-1 硝化及脫硝作用 19
2-4-2-2 影響生物硝化及脫硝因子 21
2-5 薄膜單元 24
2-5-1 薄膜分類、材質特性與功能 24
2-5-2 薄膜的結構特性及選擇 27
2-5-3 薄膜處理面臨的問題與解決方法 29
2-6 生物薄膜程序基本原理與機制 33
2-6-1 生物薄膜程序歷史沿革 34
2-6-2 生物薄膜程序操作形式 36
2-6-3 生物薄膜程序之優點 37
2-6-4 生物薄膜程序之實際應用 48
第三章 實驗設計與方法 53
3-1 實驗設計 53
3-1-1 無氧/好氧生物程序 53
3-1-2 薄膜單元 55
3-1-3 無氧/好氧生物薄膜程序 56
3-2 實驗設備裝置 57
3-2-1 無氧/好氧生物程序設備 57
3-2-2 薄膜單元設備 58
3-3 實驗分析項目與方法 59
3-4 實驗分析設備及藥品 60
3-4-1 實驗分析設備 60
3-4-1-1 分析儀器操作之條件 60
3-4-1-2 SEM ＆ EDS分析 61
3-4-2 實驗分析藥品 62
3-4-2-1 生物程序用藥 62
3-4-2-2 水質分析用藥 62
3-5 實驗方法 64
3-5-1 實驗水樣來源 64
3-5-2 污泥的馴養 65
3-5-3 實驗步驟 68
3-5-3-1 無氧/好氧生物程序 68
3-5-3-2 無氧/好氧生物薄膜程序 69
3-5-3-3 薄膜分離單元 70
第四章 結果與討論 71
4-1 無氧/好氧生物程序 71
4-1-1 無氧/好氧生物程序pH、Temp變化 71
4-1-2 無氧/好氧生物程序DO、ORP變化 73
4-1-3 無氧/好氧生物程序MLSS 76
4-1-3-1提升處理負荷對無氧/好氧生物程序MLSS、SVI與出流水SS之影響 76
4-1-4 提升處理負荷對無氧/好氧生物程序處理效能之影響 78
4-1-4-1 有機物去除效能 78
4-1-4-2 有機氮去除效能 78
4-1-4-3 氨氮去除效能 78
4-1-4-4 總氮去除效能 79
4-1-5 好氧槽混合液迴流量對無氧/好氧生物程序處理效能之影響 83
4-1-5-1 有機物去除效能 83
4-1-5-2 有機氮去除效能 85
4-1-5-3 氨氮去除效能 85
4-1-5-4 總氮去除效能 85
4-1-6 無氧/好氧生物程序對磷之去除效能 86
4-1-7 無氧/好氧生物程序操作條件及處理水質 88
4-1-7-1 無氧/好氧生物程序操作條件 88
4-1-7-2 無氧/好氧生物程序處理水質 89
4-1-8 無氧/好氧生物程序試驗中所面臨的問題 90
4-2 無氧/好氧生物薄膜程序 92
4-2-1 無氧/好氧生物薄膜程序pH、Temp變化 92
4-2-2 無氧/好氧生物薄膜程序DO、ORP變化 93
4-2-3 無氧/好氧生物薄膜程序生物槽MLSS 96
4-2-3-1 生物槽MLSS之趨勢 96
4-2-3-2 無氧/好氧生物薄膜程序之操作條件 97
4-2-4 無氧/好氧生物薄膜程序對有機物之去除效能 98
4-2-5 無氧/好氧生物薄膜程序對氮之去除效能 100
4-2-5-1 無氧/好氧生物薄膜程序對有機氮之去除效能 100
4-2-5-2 無氧/好氧生物薄膜程序對氨氮之去除效能 101
4-2-5-3 無氧/好氧生物薄膜程序對總氮之去除效能 102
4-2-6 無氧/好氧生物薄膜程序對磷之去除效能 103
4-2-7 薄膜單元去除污染物之效能 105
4-2-7-1 薄膜單元對SS去除之效能 105
4-2-7-2 薄膜單元對有機物之去除效能 105
4-2-7-3 薄膜單元對氨氮之去除效能 107
4-2-7-4 薄膜單元物理性消毒之效能 108
4-2-8 無氧/好氧生物薄膜程序處理水質 110
4-2-8-1 無氧/好氧生物薄膜程序處理水回收再利用之評估 112
4-3 無氧/好氧生物程序與無氧/好氧生物薄膜程序之比較 114
4-3-1 處理體積污染負荷 114
4-3-2 出流水水質 115
4-3-3 空間設備與維護、操作、管理 117
4-3-4 無氧/好氧生物程序、無氧/好氧生物薄膜程序綜合比較 118
4-3-5 無氧/好氧生物薄膜程序的可行性與應用性 120
4-4 薄膜單元 123
4-4-1薄膜之構造 123
4-4-2薄膜基本特性測試 124
4-4-3 物理性清洗對薄膜操作壓力與通量之影響 125
4-4-3-1 曝氣產生之水流剪力預防薄膜阻塞之效能 125
4-4-3-2 間歇式抽水操作薄膜過濾預防薄膜阻塞之效能 127
4-4-3-3 間歇式抽水操作加返沖洗預防薄膜阻塞之效能 129
4-4-3-4 物理性清洗預防薄膜阻塞之綜合比較 130
4-4-4 薄膜積垢特性 133
4-4-4-1 物理性清洗薄膜積垢之效能 134
4-4-4-2 化學性清洗薄膜積垢之效能 135
4-4-5 薄膜操作壓力與薄膜通量長期監測之結果 136
4-4-6 薄膜操作條件之建立 139
第五章 結論與建議 141
參考文獻 144
附錄 152
附錄一 壓力轉換表 152
附錄二 各國雜用水水質標準 153
附錄三 薄膜清洗步驟 155
附錄四 薄膜表面元素分析 156
圖目錄
圖1-1 研究組織架構圖 4
圖2-1 各種生物程序之修正法 8
圖2-2 各種不同生物程序去除氮、磷之基本流程圖 10
圖2-3 生物處理法之種類 14
圖2-4 碳的循環 16
圖2-5 微生物利用有機物之機制 16
圖2-6 微生物降解有機物途徑 17
圖2-7 氮的循環圖 18
圖2-8 活性污泥槽中污泥的粒徑大小之分布 25
圖2-9 各物種粒徑大小與各式薄膜孔徑之分佈圖 26
圖2-10 中空纖維膜之示意圖 27
圖2-11 濾膜過濾機制圖 29
圖2-12 薄膜周圍流場示意圖 31
圖2-13 間歇性操作預防濾膜阻塞示意圖 31
圖2-14 生物薄膜程序之基本形式（a）；傳統生物程序結合薄膜單元之生物薄膜程序示意圖（b） 33
圖2-15 現有生物薄膜廢水處理廠所應用之廢水種類 35
圖2-16 生物薄膜程序之兩種主要型式(a)側流式(b)沉浸式 36
圖2-17 薄膜單元取代之二級生物程序設施項目圖 45
圖2-18 加拿大Milton廢水處理廠設計參數及實景照片 51
圖2-19 生物薄膜程序處理養豬場廢水系統流程圖 52
圖3-1 無氧/好氧生物程序處理都市生活污水流程圖 54
圖3-2 薄膜分離單元實驗裝置 55
圖3-3 無氧/好氧生物薄膜程序處理都市生活污水流程圖 56
圖3-4 無氧/好氧生物程序裝置圖 57
圖3-5 薄膜單元實驗裝置圖 58
圖4-1 無氧/好氧生物程序Temp、pH即時監測紀錄圖 72
圖4-2 無氧/好氧生物程序DO即時監測紀錄圖 74
圖4-3 無氧/好氧生物程序ORP即時監測紀錄圖 75
圖4-4 無氧/好氧生物程序MLSS、SVI、SS之趨勢圖 77
圖4-5 無氧/好氧生物程序有機物進流、出流濃度與去除率圖 79
圖4-6 無氧/好氧生物程序有機氮進流、出流濃度與去除率圖 80
圖4-7 無氧/好氧生物程序氨氮進流、出流濃度與去除率圖 81
圖4-8 無氧/好氧生物程序總氮進流、出流濃度與去除率圖 82
圖4-9 無氧槽水力停留時間對COD殘餘濃度分布之影響 84
圖4-10 無氧/好氧生物程序磷去除率圖 87
圖4-11 無氧/好氧生物薄膜程序Temp、pH即時監測紀錄圖 92
圖4-12 無氧/好氧生物薄膜程序DO即時監測紀錄圖 94
圖4-13 無氧/好氧生物薄膜程序ORP即時監測紀錄圖 95
圖4-14 無氧/好氧生物薄膜程序MLSS之趨勢與出流水SS濃度圖 96
圖4-15 無氧/好氧生物薄膜程序有機物進流、出流濃度與去除率圖 99
圖4-16 無氧/好氧生物薄膜程序有機氮進流、出流濃度與去除率圖 100
圖4-17 無氧/好氧生物薄膜程序氨氮進流、出流濃度與去除率圖 101
圖4-18 生物薄膜處理程序總氮進流、出流與去除率圖 102
圖4-19 無氧/好氧生物薄膜程序對PO43--P去除率圖 104
圖4-20 無氧/好氧生物薄膜程序各槽COD去除率之比較圖 106
圖4-21 無氧/好氧生物薄膜程序各槽氨氮去除率之比較圖 107
圖4-22 薄膜構造圖 123
圖4-23 薄膜清水試車薄膜操作壓力與通量關係圖 124
圖4-24 曝氣產生水流剪力預防薄膜阻塞薄膜操作壓力與通量關係圖 126
圖4-25 間歇式操作預防薄膜阻塞薄膜操作壓力與通量關係圖 128
圖4-26 間歇式操作加返沖洗預防薄膜阻塞薄膜操作壓力與通量關係圖 129
圖4-27 不同操作方式影響薄膜操作壓力與通量之關係圖 130
圖4-28 不同操作方式影響薄膜操作壓力與通量之關係圖 131
圖4-29 不同操作方式影響薄膜操作壓力與通量之關係圖 132
圖4-30 薄膜表面之積垢圖 133
圖4-31 薄膜積垢時物理性清洗之圖示 134
圖4-32 經化學藥洗後薄膜表面圖 135
圖4-33 薄膜操作壓力與通量隨時間變化圖 138
表目錄
表2-1 各種生物程序修正法開發經過 6
表2-2 各種不同生物程序去除氮、磷之優缺點比較 11
表2-3 各種生物程序操作問題與亟待突破之項目 12
表2-4 台灣地區放流水水質之氮、磷標準 12
表2-5 台灣地區都市污水組成 13
表2-6 生物程序硝化、脫氮作用之機制 20
表2-7 硝化及脫硝影響因子 23
表2-8 薄膜之分類與功能 26
表2-9 現今全球商業化生物薄膜處理程序整理表 35
表2-10 生物薄膜程序處理都市污水再利用之效能 37
表2-11 生物薄膜程序Milton污水處理廠之處理效能 38
表2-12 生物薄膜程序與傳統二級、高級生物程序處理效能比較 39
表2-13 近年來生物薄膜程序處理廢、污水效能相關文獻整理表 39
表2-14 生物薄膜程序與傳統活性污泥法之比較 40
表2-15 生物薄膜程序與傳統生物程序生物槽污泥濃度之比較 43
表2-16 放流水水質標準及再利用水質標準 46
表2-17 生物薄膜程序與傳統生物程序之成本比較 47
表2-18 生物薄膜程序優點整理表 47
表2-19 日本食品加工廠污水使用生物薄膜程序系處理水質 48
表2-20 生物薄膜程序與傳統活性污泥法之比較 49
表2-21 英國Porlock都市污水應用Kubota生物薄膜程序之處理效能 50
表2-22 加拿大Milton生物薄膜程序廢水處理廠之處理效能 51
表2-23 生物薄膜程序應用於養豬場之操作條件 52
表3-1 無氧/好氧生物程序生物反應槽規格 54
表3-2 分析項目標準方法 59
表3-3 總有機碳分析條件表 60
表3-4 試驗之都市生活污水水樣配方 64
表3-5 都市生活污水水質 64
表3-6 實驗試程 68
表4-1 無氧/好氧生物程序實驗操作條件 77
表4-2 無氧/好氧生物程序操作參數 88
表4-3 無氧/好氧生物程序進流、出流水質與去除率 89
表4-4 無氧/好氧生物薄膜程序處理污水之操作條件 97
表4-5 無氧/好氧生物程序與生物薄膜程序對大腸菌去除效能之比較 109
表4-6 無氧/好氧生物薄膜程序處理水質 111
表4-7 水回收再利用水質標準、無氧/好氧生物薄膜程序之放流水水質 113
表4-8 無氧/好氧生物程序、無氧/好氧生物薄膜程序污染負荷比較 114
表4-9 無氧/好氧生物程序、無氧/好氧生物薄膜程序去除率之比較 115
表4-10 無氧/好氧生物程序、無氧/好氧生物薄膜程序處理水質之比較 116
表4-11 無氧/好氧生物程序與無氧/好氧生物薄膜程序綜合比較 119
表4-12 預防薄膜阻塞之方法與其效能之比較 140
表4-13 薄膜操作條件 140

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