臺灣博碩士論文加值系統

摘要
在廢水處理中使用的薄膜生物反應器最為詬病的一個問題就是積垢問題，而溶解性微生物產物（SMP）是造成積垢的主因，其大部分的組成物為蛋白質、碳水化合物及腐殖酸等。本研究利用水熱合成法製備三種多孔性磁性氧化鐵(γ-Fe2O3)來當作吸附劑來去除SMP，以降低薄膜的積垢，其中利用尿素當作孔洞形成劑製備之γ-Fe2O3，為S1；第二種則是添加孔洞形成劑與分散劑-十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，其命名為S2；S3則是不進行表面的改良。合成後利用磁粉進行吸附批次實驗及薄膜積垢減緩測試。由結果顯示三者吸附量以S1為最佳，其蛋白質吸附結果為83.81mg/g、碳水化合物為357.95mg/g、腐植酸為8.96mg/g；S2的吸附量在蛋白質則為81.9mg/g、碳水化合物為150.9mg/g、腐植酸為16.4mg/g；S3蛋白質吸附量為13.3 mg/g、碳水化合物為60.2 mg/g、腐植酸為2.13 mg/g。另薄膜積垢減緩實驗發現S1對蛋白質、碳水化合物溶液及實廠進出流水的最適添加為0.4克，在腐植酸添加0.1克就有明顯的減緩積垢效果，活性污泥則以0.2克效果較好；S2對蛋白質溶液與活性污泥最適添加為0.2克，碳水化合物溶液及進出流水的最適添加量為0.4克，在腐植酸添加0.1克就有明顯的減緩積垢效果。整體而言，對於減緩薄膜積垢之效果以S1奈米氧化鐵為最適添加劑。

Abstract
The use of membrane bioreactors (MBR) in wastewater treatment has an obvious limitation –membrane fouling, which is not only reduces process efficiency but also increases operational cost. Soluble microbial products (SMP) is composed of protein, polysaccharide, humic acid and so on, which directly causes membrane fouling. In this study, mesoporous magnetic iron oxide (γ-Fe2O3) was synthesized by hydrothermal synthesis as an adsorbent to remove SMP. The use of urea as a pore-forming agent to prepare γ-Fe2O3,named S1；second is added pore forming agent and dispersant - cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB),which is named S2；S3 is without surface improvement. The magnetic experiments conducted two stages, the first one is adsorption capacity for bovine serum albumin (BSA) and carbohydrate and humic acid were determined in a series of batch tests. The influent, effluent, and sludge from Dihua WWTP and the three pure pollutants were used in the jar test for membrane in the second stage. Among the three adsorbents , S1 show the best adsorption capacity of BSA, carbohydrate and himic acid with values 83.81mg/g, 357.95mg/g, 8.96mg/g respectively.S2 show the adsorption capacity of BSA, carbohydrate, humic acid with values 81.9mg/g,150.9mg/g, 16.4mg/g. S3 show the adsorption capacity of BSA, carbohydrate, humic acid with values 13.3 mg/g, 60.2 mg/g, 2.13 mg/g. In this study membrane test adding 0.4g of S1 showed the best result for BSA and alginate, humic acid have significantly slowed fouling effect was added over 0.1g S1. Flowing in and out of the real plant is better to add 0.4g, sludge is better to add 0.2g. S2 optimum addition of BSA solution was 0.2 g, carbohydrates optimal solution add 0.4g. In humic acid added over 0.1g already significantly slowed fouling effect. Flowing in and out of the real plant dosage 0.4g is better, in activated sludge added 0.2g is better. In this operating condition obviously slow individually fouling effect In preliminary tests maghemite have recoverability which was around 92% can be separated from water through magnet in as quickly as 10 mins. Overall, for the membrane fouling test maghemite S1 is the best adsorbent for this study.

目錄

第一章 緒論 1
1.1 研究緣起目的及內容 1
1.2 研究重點 3
1.3 研究架構 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 薄膜生物反應槽 5
2.1.1 MBR優點 6
2.1.2 MBR缺點 7
2.2 積垢及去除 8
2.3 磁性顆粒 9
2.3.1 合成方法比較 9
2.3.2 磁粉特性 11
2.3.3 磁性顆粒種類 11
2.3.4 磁性顆粒之應用 11
2.3.4.1 磁性顆粒吸附特性與機制 11
2.3.4.2 影響吸附之因子 12
2.3.5 磁性顆粒作為吸附劑之研究現況 12
2.4 吸附特性 14
第三章 實驗材料、步驟與方法 17
3.1 研究流程 17
3.1.1 磁粉合成標準化 17
3.1.2 磁粉吸附效能測試 18
3.1.3 批次薄膜功能測試 19
3.2 實驗材料 21
3.3 分析設備與儀器 22
3.3.1 設備 22
3.3.2 分析儀器 22
第四章 結果與討論 24
4.1 第一型奈米氧化鐵 24
4.1.1 S1基本物化特性分析 24
4.1.1.1 SEM 24
4.1.1.2 BET 25
4.1.1.3 DLS雷射粒徑分析儀 27
4.1.1.4 界達電位 28
4.1.1.5 X-ray diffraction(XRD) 29
4.1.1.6 FTIR 30
4.1.2 S1吸附批次實驗 31
4.1.2.1 蛋白質吸附 31
4.1.2.2 碳水化合物吸附 32
4.1.2.3 腐植酸吸附 33
4.1.3 S1薄膜反應器測試 34
4.1.3.1 蛋白質薄膜減緩積垢測試 34
4.1.3.2 碳水化合物薄膜減緩積垢測試 37
4.1.3.3 腐植酸薄膜減緩積垢測試 39
4.1.3.4 污水廠進流水薄膜減緩積垢測試 42
4.1.3.5 污水廠出流水薄膜減緩積垢測試 44
4.1.3.6 活性污泥薄膜減緩積垢測試 47
4.2 第二型奈米氧化鐵 50
4.2.1 S2基本物化特性分析 50
4.2.1.1 SEM 50
4.2.1.2 BET 51
4.2.1.3 DLS雷射粒徑分析儀 53
4.2.1.4 界達電位 54
4.2.1.5 X-ray diffraction(XRD) 55
4.2.1.6 FTIR 56
4.2.2 S2吸附批次實驗 57
4.2.2.1 蛋白質吸附 57
4.2.2.2 碳水化合物吸附 58
4.2.2.3 腐植酸吸附 59
4.2.3 S2薄膜反應器測試 60
4.2.3.1 蛋白質薄膜吸附 60
4.2.3.2 碳水化合物薄膜吸附 63
4.2.3.3 腐植酸薄膜吸附 66
4.2.3.4 污水廠進流水薄膜吸附 68
4.2.3.5 污水廠出流水薄膜吸附 71
4.2.3.6 活性污泥薄膜吸附 73
4.3 第三型之奈米氧化鐵 76
4.3.1 S3基本物化特性分析 76
4.3.1.1 SEM 76
4.3.1.2 BET 77
4.3.1.3 DLS雷射粒徑分析儀 79
4.3.1.4 界達電位 80
4.3.1.5 X-ray diffraction(XRD) 81
4.3.1.6 FTIR 82
4.3.2 S3吸附批次實驗 83
4.3.2.1 蛋白質吸附 83
4.3.2.2 碳水化合物吸附 84
4.3.2.3 腐植酸吸附 85
4.4 奈米氧化鐵(S1~S3)之綜合比較 86
4.4.1 S1~S3物化特性比較 86
4.4.1.1 SEM 86
4.4.1.2 BET 87
4.4.1.3 DLS雷射粒徑分析儀 87
4.4.1.4 界達電位 88
4.4.1.5 X-ray diffraction(XRD) 88
4.4.1.6 FTIR 88
4.4.2 S1~S3積垢物的批次吸附比較 90
4.4.2.1 蛋白質吸附比較 90
4.4.2.2 碳水化合物吸附比較 90
4.4.2.3 腐植酸吸附比較 91
4.4.3 S1與S2於薄膜減緩測試實驗比較 92
4.4.3.1 蛋白質比較 92
4.4.3.2 碳水化合物吸附比較 93
4.4.3.3 腐植酸比較 94
4.4.3.4 污水廠進流水 95
4.4.3.5 污水廠出流水 96
4.4.3.6 污水廠活性污泥 97
4.4.3.7 測試綜合說明 98
第五章 結論與建議 99
5.1 結論 99
5.2 建議 100
參考文獻 101
附錄一、分析方法 103
附錄二、粒徑分析 107


圖目錄
圖1.1研究架構 4
圖2.1世界MBR市場趨勢圖 6
圖2.2MBR取代傳統二級處理程序示意圖 5
圖2.3影響MBR過濾之積垢因子 7
圖2.4磁性顆粒製備的種類 10
圖2.5吸附示意圖 14
圖2.6不同型式等溫吸附曲線圖 16
圖3.1磁粉合成過程 17
圖3.2吸附測試示意圖 19
圖4.1 磁性顆粒S1之SEM圖像 25
圖4.2 S1氮吸附脫附曲線 26
圖4.3 S1孔徑分布曲線 26
圖4.4 S1粒徑分佈圖 27
圖4.5 S1在不同pH下之界達電位 28
圖4.6 S1奈米氧化鐵XRD圖譜 29
圖4.7 S1奈米氧化鐵IR圖譜 30
圖4.8 S1於800ppm BSA之吸附濃度圖 31
圖4.9 S1於800ppm Alginate之吸附濃度圖 32
圖4.10 S1於50ppm Humic acid之吸附濃度圖 33
圖4.11 S1於100ppm BSA薄膜反應壓力圖 35
圖4.12 S1於100ppm BSA薄膜反應通量圖 36
圖4.13 S1不同添加劑量於BSA溶液反應六小時後壓力與通量變化圖 36
圖4.14 S1於100ppm Alginate薄膜反應壓力圖 38
圖4.15 S1於100ppm Alginate薄膜反應通量圖 38
圖4.16 S1不同添加劑量於Alginate溶液反應六小時後壓力與通量變化圖 39
圖4.17 S1於50ppm Humic acid薄膜反應壓力圖 40
圖4.18 S1於50ppm Humic acid薄膜反應通量圖 41
圖4.19 S1不同添加劑量於腐植酸溶液反應六小時後壓力與通量變化圖 41
圖4.20 S1於進流水之薄膜反應壓力圖 43
圖4.21 S1於進流水薄膜反應通量圖 43
圖4. 22 S1不同添加劑量於進流水反應六小時後壓力與通量變化圖 44
圖4. 23 S1於出流水之薄膜反應壓力圖 45
圖4.24 S1於出流水之薄膜反應通量圖 46
圖4.25 S1不同添加劑量於出流水反應六小時後壓力與通量變化圖 46
圖4.26 S1於污泥之薄膜反應壓力圖 48
圖4.27 S1於污泥之薄膜反應通量圖 48
圖4.28 S1不同添加劑量於活性污泥反應六小時後壓力與通量變化圖 49
圖4.29磁性顆粒S2之SEM圖像 51
圖4.30 S2氮吸附脫附曲線 52
圖4.31 S2孔徑分布曲線 52
圖4.32 S2粒徑分佈圖 53
圖4.33 S2在不同pH下之界達電位 54
圖4.34 S2奈米氧化鐵XRD圖譜 55
圖4.35 S2奈米氧化鐵IR圖譜 57
圖4.36 S2於800ppm BSA之吸附濃度圖 58
圖4.37 S2於800ppm Alginate之吸附濃度圖 59
圖4.38 S2於50ppm Humic acid之吸附濃度圖 60
圖4.39 S2於100ppm BSA薄膜反應壓力圖 62
圖4.40 S2於100ppm BSA薄膜反應通量圖 62
圖4.41 S2不同添加劑量於BSA溶液反應六小時後壓力與通量變化圖 63
圖4.42 S1於100ppm Alginate薄膜反應壓力圖 64
圖4.43 S2於100ppm Alginate薄膜反應通量圖 65
圖4.44 S2不同添加劑量於Alginate溶液反應六小時後壓力與通量變化圖 65
圖4.45 S2於50ppm Humic acid薄膜反應壓力圖 67
圖4.46 S2於50ppm Humic acid薄膜反應通量圖 67
圖4.47 S2不同添加劑量於腐植酸溶液反應六小時後壓力與通量變化圖 68
圖4.48 S1於進流水之薄膜反應壓力圖 69
圖4.49 S2於進流水薄膜反應通量圖 70
圖4.50 S2不同添加劑量於進流水反應六小時後壓力與通量變化圖 70
圖4.51 S2於出流水之薄膜反應壓力圖 72
圖4.52 S2於出流水之薄膜反應通量圖 72
圖4.53 S2不同添加劑量於出流水反應六小時後壓力與通量變化圖 73
圖4.54 S2於污泥之薄膜反應壓力圖 74
圖4.55 S2於污泥之薄膜反應通量圖 75
圖4.56不同添加劑量於活性污泥反應六小時後壓力與通量變化圖 75
圖4.57磁性顆粒S3之SEM圖像 76
圖4.58 S3氮吸附脫附曲線 77
圖4.59 S3孔徑分布曲線 78
圖4.60 S3粒徑分佈圖 79
圖4.61 S3在不同pH下之界達電位 80
圖4.62 S3奈米氧化鐵XRD圖譜 81
圖4.63 S3奈米氧化鐵IR圖譜 82
圖4.64 S3於800ppm BSA之吸附濃度圖 83
圖4.65 S3於800ppm Alginate之吸附濃度圖 84
圖4.66 S3於50ppm腐植酸之吸附濃度圖 85
圖4.67奈米氧化鐵S1~S3之SEM圖像 86
圖4.68奈米氧化鐵S1~S3之粒徑分布圖 87
圖4.69 S1到S3之FTIR圖譜彙整 88
圖4.70批次吸附最適添加比較(BSA) 90
圖4.71批次吸附最適添加比較(Alginate) 91
圖4.72批次吸附最適添加比較(腐植酸) 91
圖4.73 S1及S2於BSA之最適添加壓力比較 92
圖4.74 S1及S2於BSA之最適添加通量比較 92
圖4.75 S1及S2於Alginate之最適添加壓力比較 93
圖4.76 S1及S2於Alginate之最適添加通量比較 93
圖4.77 S1及S2於腐植酸之最適添加壓力比較 94
圖4.78 S1及S2於腐植酸之最適添加通量比較 94
圖4.79 S1及S2於進流水最適添加壓力比較 95
圖4.80 S1及S2於進流水最適添加通量比較 95
圖4.81 S1及S2於出流水最適添加壓力比較 96
圖4.82 S1及S2於出流水最適添加通量比較 96
圖4.83 S1及S2於活性污泥最適添加壓力比較 97
圖4.84 S1及S2於活性污泥最適添加通量比較 97

表目錄

表2.1磁性顆粒合成方法比較表 10
表2.2水熱法與粉體傳統製程及沉澱法、溶膠凝膠法的比較 10
表2.3常用的鐵磁性奈米粒子及其特性 11
表3.1磁粉合成種類 18
表3.2污水廠進出流水與污泥水質特性表 20
表4.1官能基圖譜對照 30
表4.2 S1吸附BSA的薄膜測試表 35
表4.3 S1吸附Alginate的薄膜測試表 37
表4.4 S1吸附Humic acid的薄膜測試表 40
表4.5 S1吸附進流水的薄膜測試表 42
表4.6 S1吸附出流水的薄膜測試表 45
表4.7 S1吸附活性污泥的薄膜測試表 47
表4.8官能基圖譜對照 56
表4.9 S2吸附BSA的薄膜測試表 61
表4.10 S2吸附Alginate的薄膜測試表 64
表4.11 S2吸附Humic acid的薄膜測試表 66
表4.12 S2吸附進流水的薄膜測試表 69
表4.13 S2吸附出流水的薄膜測試表 71
表4.14 S2吸附活性污泥的薄膜測試表 74
表4.15官能基圖譜對照 82
表4.16 BET數據 87
表4.17 S1到S3官能基種類彙整 89

參考文獻

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