臺灣博碩士論文加值系統

廢水處理方法大致可分為化學、物理、生物，其中生物處理是目前廢水處理常用的方式，這種處理方法通過微生物的新陳代謝作用達到水質淨化的目的。生物處理法和物理處理、化學處理相較之下，處理成本較低、效率高，容易操作，二次污染影響最低，因此在城市生活污水、工業廢水處理方面得到廣泛的應用。近年來工廠排放廢水的問題一再是矚目的焦點，廢水異常排放的新聞也時常發生。工業廢水中含有許多對環境有害的物質如重金屬離子，排放前若沒有妥善處理，當這些物質進入水體後容易造成環境污染。本研究以某一晶圓半導體製程廠區生成有機廢水之處理程序作為研究對象，嘗試改善該廠活性污泥法並優化完整處理程序，並導入化學與微生物計量學理論，分析不同改善策略之效能可能成本，進而提出有效改善措施以提升實廠未來廢水處理之能力及效率。本研究選定之實廠廢水處理流程因製程與原料關係，廢水在機台內混和後排出，無法百分百的分管分流，需克服以下重點：一、有機廢水中含有高濃度重金屬，造成生物處理的困難；二、有機廢水中營養源不足，無法提供處理程序過程使用活性污泥法中微生物生成所需的營養；三、實廠製程產生異丙醇廢液須委外處理，增加處理費用，若能在廢水處理流程效能改善過程可能可成為微生物馴養所需之碳源，將可減少實廠委外清運的處理成本。
本研究討論主要分四個部分:第一階段針對實廠現有排放情形調查，了解廢水處理廠處理單元，安排水質採樣計畫，每日定期檢測原廢水水質，量測pH、MLSS、溶氧，並取得實廠廢水處理單元之硬體設備體積尺寸、廢水流量。實廠處理流程為獨立兩個活性污泥法，分別處理事業廢水及生活污水。實廠事業廢水來源化學需氧量(Chemical oxygen demand，COD)約50 mg/L，含有近30至50mg/L的銅，現階段系統處理效率COD僅有10至20%，以生物處理方式處理有機廢水，面臨原廢水中營養源不足與重金屬生物毒害問題；第二階段為修改現有處理技術流程，將原本兩個活性污泥法改為重金屬前處理搭配活性污泥法，並針對營養源不足額外添加營養源，選擇現場含高濃度重金屬與異丙醇廢液作為活性污泥法之碳源，將事業廢水與生活污水混和，藉由生活污水中提供活性污泥法所需的氮源。；第三階段為實廠事業廢水處理流程之改善試驗，選擇前述適當碳源後，分析處理後廢水水質以確認改善成效，改善後之處理廢水COD濃度約20至50 mg/L之間，廢水中COD濃度去除率約80%至95%，銅濃度去除率約94%至98%（圖4-24），鎳濃度去除率約在70%至95%之間、氨氮濃度約30至35 mg/L之間。第四階段為活性污泥法微生物參數與平衡劑量化學反應之推估，首先計算活性污泥法參數，得知當事業廢水COD濃度控制在130至260 mg/L，供應氮濃度為4.66至9.33 kg/d，氧氣消耗率115.04至648.56 kg/d之間，可得適用於實廠之微生物特徵參數：微生物衰減係數(b)為0.15 d-1，微生物最大半生長速率濃度(K)為10 mg acetate/L，污泥中可降解的比例(fd)為0.8，微生物生長係數(Y)為0.361 g cells/g isopropanol，基質消耗速率(q)為1.706 g isopropanol/g cell-day。若選用異丙醇為微生物生長碳源，活性污泥全反應式為0.056 (CH3)2COH- + 0.214 O2 + 0.007 NH4+ → 0.083 CO2+ 0.05 HCO3-+ 0.022 C5H7O2N + 0.16 H2O，其中異丙醇基質消耗率為235.98 kg /d、氧的消耗率為482.8 kg/d、微生物生成率為172.92 kg/d、氮的需求率為6.91 kg/d；若以其他物質如醋酸取代異丙醇，全反應式預測為0.125 CH3COO-+0.215 O2 +0.007 NH4+ → 0.097 CO2 + 0.12 H2O + 0.222 C5H7O2N + 0.12 HCO3 -，醋酸基質消耗率為235.98 kg acetate/d、氧的消耗率為220.2 kg/d、微生物生成率為80.6 kg/d、氮的需求率為3.13 kg/d。本研究有效改善一晶圓半導體製程所產生之廢水廠其有機處理系統，從初步水質分析，營養源選擇，系統改善，變更水措，發包工程，最後完成改善完畢運轉試車，並將結果以計量學理論量化說明期望能為將來本廠或其他相似處理廠解決相關事業廢水好氧處理之挑戰。

Wastewater treatment technologies can be divided into chemical, physical, and biological methods, as the biological approaches are commonly used. The biological processes treat wastewater by removing organic and inorganic contaminants in water through metabolism of microorganisms. The advantages of biological treatment technologies include lower processing costs, higher treatment efficiencies, easy operations, minimal impact of secondary pollutions. In the last decades, the industrial wastewater treatment technologies have become the focus of attention, notably when illegal wastewater discharges have been frequently reported. Given that industrial wastewaters typically contain hazardous substances such as heavy metal, the improper treatment and discharges of industrial wastewaters are likely to cause serious environmental pollutions. In this study, a fabless semiconductor processing plant that generates multiple wastewaters was selected for investigation and optimization. Furthermore, chemical and microbial stoichiometry and the associated mechanism theories were applied to analyze the activated sludge and to predict the effects of different nutrient source strategies on the treatment performances and costs. The source wastewaters contain a municipal wastewater, a wastewater containing a high concentration of isopropyl, and heavy metal-containing industrial wastewater. The municipal and industrial wastewaters were treated by two separate secondary treatment processes, while the isopropanol solution was treated by outsourcing. As a result, the challenges of this study are: (1) high concentrations of heavy metals in wastewater inhibited the performance of activated sludge; (2) the nutrients in the industrial water was insufficient to support the activated sludge; (3) the isopropyl waste solution was treated by outsourcing, increasing the treatment costs.
This study includes four stages of results and discussion. In the first stage, the wastewater treatment plant was investigated to fully understand the current situations regarding the operations, discharges, and treatment performances. The water quality was regularly monitored, as the parameters of concern included the pH, mixed liquor suspended solid (MLSS), and dissolved oxygen. The chemical oxygen demand (COD) and copper concentrations of the treated water, and treatment efficiency were 50 mg/L, 30-50 mg/L as Cu, and 10%-20%. Next, the two existing secondary treatment processes were combined to simultaneously treat the municipal wastewater and heavy metal-containing industrial wastewater. The municipal wastewater was used to dilute the heavy metal concentrations in the industrial wastewater and the isopropanol solution was also added for treatment and used as a carbon source of the activated sludge. In the third stage, the treatment processes were modified and the treated water quality was monitored regularly. The COD in the treated water ranged from 20 to 50 mg/L, and the treatment efficiencies of COD, Cu, and nickel (Ni) ranged from 80 to 95%, from 94 to 98%, and from 70 to 95%, respectively. The ammonia concentration ranged from 30 to 35 mg/L as N. In the fourth stage, the concepts and theories of chemical and microbial stoichiometry were applied. Given the COD concentration, nitrogen and oxygen consumption rates controlled within the range of 130 to 260 mg/L, 4.66 to 9.33 kg/d, 115.04 to 648.56 kg/d, respectively, the sludge retention time (θx) was 3.2 d; the residence time (θ) was 6.2 hours; the microbial decay rate was 0.15 d-1; the half-velocity constant (K) was 10 mg acetate/L; the biodegradable fraction of the sludge (fd) was 0.8; the cell yield coefficient rate (Y) was 0.361 g cell/g isopropanol; the substrate consumption rate (q) was 1.706 g isopropanol/g cell-day. The full reaction that treats isopropanol in the activated sludge was: 0.056 (CH3)2COH- + 0.214 O2 + 0.007 NH4+ → 0.083 CO2+ 0.05 HCO3-+ 0.022 C5H7O2N + 0.16 H2O, giving an isopropanol consumption rate of 235.98 kg/d, an oxygen consumption rate of 482.8 kg/d, microbial growth yield of 172.92 kg/d, and a nitrogen demand of 6.91 kg/d. If acetic acid was treated, the full reaction became: 0.125 CH3COO-+0.215 O2 +0.007 NH4+ → 0.097 CO2 + 0.12 H2O + 0.222 C5H7O2N + 0.12 HCO3-, giving an acetic consumption rate of 235.98 kg acetate/d, an oxygen consumption rate of 220.2 kg/d, a microbial growth rate of 80.6 kg/d, and a nitrogen demand of 3.13 kg/d. This study effectively improved the full-scale wastewater treatment processes with the steps including the water quality monitoring, nutrient selection and substitution, system modification, full-scale application, and final treatment performance demonstration, providing insights into the mechanisms and possible strategies for other wastewater treatment plants to face the similar aerobic wastewater treatment challenges.

論文審定書 i
致謝 ii
摘要 iv
Abstract vi
目錄 x
圖表目錄 xiii
第一章 前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究問題 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 水資源 4
2.2 廢水處理流程 5
2.3 廢水處理管理缺失及對策 9
2.3.1 廢水處理廠管理系統常見缺失 9
2.3.2 廢水處理廠異常對策 10
2.4半導體業廢水特性及處理方式 13
2.5半導體業有機溶劑廢水 15
2.6 重金屬廢水處理 16
2.7 微生物生長計量學 16
第三章 研究設備及方法 18
3.1實廠處理系統現況分析 19
3.1.1 處理系統背景 19
3.2 水質採樣及分析 21
3.2.1 實驗設備及儀器 21
3.3保存 23
3.4檢測項目及方法 23
3.5實廠改善分析流程圖示 25
3.6微生物生長計量之應用案例 26
3.7污泥回流對微生物生長計量反應是推導之影響 27
第四章 結果與討論 28
4.1 實廠處理狀況 28
4.1.1 生活污水 29
4.1.2 事業廢水 31
4.1.3 異丙醇廢液 34
4.2 改善評估策略 36
4.3 改善後實廠狀況 43
4.3.1 添加異丙醇廢液後處理系統之實際變化 43
4.3.2 事業廢水與生活污水混和後之實際變化 45
4.3.3 實廠處理能力 48
4.3.4 處理方式改善之效益 50
4.3.5實廠活性污泥法操作條件
4.4 以計量與生長動力學評估實廠微生物特徵參數 61
4.4.1 利用文獻微生物生長參數預測實廠全反應 61
4.4.2 利用修正後微生物生長係數預測實廠處理效能 65
4.4.3 預測實廠以醋酸取代異丙醇做為碳源之可能 69
第五章 結論與建議 74
5.1 結論 74
5.2 建議 76


圖目錄
目次 頁次
圖2-1一般典型常見之廢污水處理流程 9
圖2-2 利用電子供體的能源生產和合成 16

圖3-1 本研究選定之實廠廢水處理程序改善前處理流程 21
圖3-2 實廠改善分析流程圖示 25

圖 4-1兩週連續分析生活污水中的COD濃度 29
圖 4-2兩週連續分析生活污水的銅濃度 30
圖 4-3兩週連續分析生活污水的鎳濃度 30
圖 4-4兩週連續分析生活污水的氨氮濃度 31
圖 4-5兩週連續分析事業廢水的COD濃度 32
圖 4-6兩週連續分析事業廢水的銅濃度 32
圖 4-7兩週連續分析事業廢水的鎳濃度 33
圖 4-8兩週連續分析事業廢水的氨氮濃度 33
圖 4-9兩週連續分析異丙醇廢水的COD濃度 34
圖 4-10兩週連續分析異丙醇廢水的銅濃度 35
圖 4-11兩週連續分析異丙醇廢水的鎳濃度 35
圖 4-12兩周連續分析事業廢水鎳去除率 39
圖 4-13兩周連續分析事業廢水銅去除率 39
圖4-14 實廠改善前廢水處理流程 41
圖4-15 實廠改善後廢水處理流程 42
圖4-16異丙醇廢液添加於廢水前後，2014年3月1日至3月30日COD濃度變化 44
圖4-17異丙醇廢液添加於廢水前後，2014年3月1日至3月30日MLSS濃度變化 45
圖4-18 2014年3月1日至3月30日溶氧濃度變化趨勢 45
圖 4-19連續兩週分析事業廢水與生活污水混和後的COD濃度 46
圖 4-20連續兩週分析事業廢水與生活污水混和後的銅濃度 47
圖 4-21連續兩週分析事業廢水與生活污水混和後的鎳濃度 47
圖 4-22連續兩周析事業廢水與生活污水混和後的氨氮濃度 48
圖 4-23依據本研究規劃改善廢水處理程序後之實際操作COD去除率 49
圖 4-24實依據本研究規劃改善廢水處理程序後之銅去除率 49
圖 4-25實依據本研究規劃改善廢水處理程序後之鎳去除率 50
圖4-26 本研究整體廢水處理機制改善前處理流程示意圖 51
圖4-27 本研究整體廢水處理機制改善後處理流程示意圖 52

圖5-1建議廢水廠處理流程 76











表目錄
目次 頁次
表2-1 前處理單元概述 6
表2-2 一級處理單元概述 7
表 2-3曝氣池按處理方法之不同設計規定 8
表2-4混凝與膠凝脂異常現象及對策 10
表2-5為一般利用生物處理技術處理廢污水若處理效能不佳時之對策 11
表2-6氟系廢水性質 14
表2-7研磨廢水性質 14
表3-1實廠廢水程序之基本資訊 19
表3-2改善前實廠事業廢水放流資訊 20
表3-3實驗設備及儀器一覽表 21
表3-4本研究選定之分析方法其資料來源及品保品管資訊 23
表4-1瓶杯實驗結果分析 38
表4-2活性污泥池按處理方法不同設計規定 40
表4-3處理方式改善之效益 51
表4-4 pH=7.0，無機半反應和半反應的自由能 57
表4-5有機半反應和半反應的自由能 58
表4-6細胞形成Rc和一般用電接受半反應Ra 60

表4- 7食微比、BOD/N比值與微生物化學反應平衡計算之差異 65
表4- 8食微比、BOD/N比值與微生物化學反應平衡計算之差異 70

﹝1﹞Bruce E. Rittmann‧Perry L. McCarty,“Environmental Biotechnology： ( I ) Principles and Applications”.
﹝2﹞Patrick L. Steven and Mitchell, ( 2007 ) “Gated Cross-Correlation Velocity A Breakthrough
Technology For Wastewater Flow Management ,Technical Feature”.
﹝3﹞Peter A. Wilderer , “Hans-Joachim Bungartz ,Hilde Lemmer, Michael”
﹝4﹞Wagner , Jurg Keller,Stefan Wuertz , “Modern scientific methods and their potential in
wastewater science and technology”.
﹝5﹞ZHANG Jian ( 2006 )“Test Study on Chemical Reagent Wastewater Treatment by
Aerated Biological Filter and Influence Factor Analysis”.
﹝6﹞Pai T.Y. ,Chuang S.H.,Tsai Y.P(2004) “Modelling a combined anaerobic/anoxic oxide
and rotating biological contactors process under dissolved oxygen variation by using an
activated sludge-biofilm hybrid model，Journal of EnvirOnmental Engineering ASCE”,
130(12),1433-1441.
﹝7﹞H.S. YOU , C.C. Tseng , M.J. Peng,S.H.Chang , Y.C. Chang and S.H. Peng , (2005) “
Anovel application of a anaerobic membrane process in wastewater treatment,Water
Science and Technology”,51,6-7,45-50.
﹝8﹞H.S. You,C.P. Huang , J.R. Pan and S.C.Chang , (2006) “Behavior of membrane
scalingduring crossflow filtration in the anaerobic MBR system,Separation Science and
Technology”, 41, 7, 1265-1278.
﹝9﹞容邵武，“水資源大危機”，書泉出版，第3-5頁，(2002)。
﹝10﹞歐陽嶠暉等編著，“永續水資源”。台北縣蘆洲市：空大，(2004)
﹝11﹞徐美玲，“遠足圖解地理辭典” ，(2007)
﹝12﹞齊士崢，“水資源與區域發展”環境與世界，第3期，第17-33頁，(1999)
﹝13﹞白子易，“下水道系統生化動力模式建立之研究”，博士論文，
國立中央大學環境工程研究所，(2001)
﹝14﹞黃政賢，“水處理工程”，曉園出版社，(1989)
﹝15﹞黃政賢，“污水工程學精要”，曉園出版社，( 1986 )
﹝16﹞歐陽嶠暉，“下水道工程學”，長松文化興業股份有限公司，再版，(2002)
﹝17﹞歐陽嶠暉，“工業防治技術手冊(十二)-生物曝氣法”，工業污染防治技術服務團，(1992)
﹝18﹞余亮台，徐仙舟，高敬棠，賴偉嘉，曾詩綺，林上維，白子易，“
以穩流生物廢水處理系統處理養豬廢水之研究”，台灣水環境再生協會，(2010)
﹝19﹞“下水道工程設施標準” ，( 2009-11-27)
﹝20﹞劉建國，“生物強化技術在廢水處理中的應用”，( 2002 )
﹝21﹞張建梅、韓志萍、王亞軍，“重金屬廢水的生物處理技術” ( 2003 ) ， P1~P4。
﹝22﹞高肇藩，“給水工程”，修訂版，(1990)
﹝23﹞張良智 、 梁振儒，“薄膜生物反應槽處理半導體廠廢異丙醇之探討”，(2013)
﹝24﹞鄭凱義，“以厭氧生物處理法去除廢水中異丙醇及丙酮碩士論文”，(2005)
﹝25﹞張翠秀，“高重力旋轉填充床反應器應用於以臭氧氧化程序處理光電產業之廢水”，
台灣科技大學創新育成中心，(2005)
﹝26﹞林勝雄、王春盛，“半導體高濃度廢水之高級氧化處理與
有機廢液之異丙醇回收”，(2002)
﹝27﹞“工業區污水處理廠營運管理要點”
﹝28﹞“含毒有機廢水生物處理前的預處理”， (2007)
﹝29﹞張冠甫、周珊珊、彭淑惠，“IPA廢水處理技術介紹”，(2008)
﹝30﹞王建文，“純氧活性污泥法處理綜合性工業廢水之研究碩士論文”， (1999)
﹝31﹞徐立科、申永順，“以離子交換程序處理含多成分重金屬離子及
螫合物混合廢水反應行為之研究”，(2004)
﹝32﹞呂金泉，“污水場規劃設計及操作維護技術手冊”，曉園出版社，初版(1992)
﹝33﹞吳世全、楊偉智，“科學園區半導體產業廢水處理方法簡介”，(2004)
﹝34﹞周珊珊，“半導體及光電廢水處理技術概論”，(2009)
﹝35﹞張永鋒，“許振良.重金属廢水處理最新進展[J].工業水處理”，(2003)。