沉浸式生物膜反应器处理废水

一、概述
生物滤膜反应槽系结合滤膜过滤技术与生物反应槽来处理污染废水，一般滤膜在生物反应槽中主要用途可分为三种，最常见系利用滤膜优良固液分离能力，将活性污泥与处理水分离，藉此取代传统终沉池效用；第二种形式则是利用滤膜来当作生物反应槽中的无泡式曝气系统，将氧气通入滤膜中，作为反应槽中氧气质量传输之用；第三种则是利用滤膜来萃取废水中无法被传统污泥程序所去除的有机污染物，而剩余污染物再由生物处理程序去除。

MBR 名词最早出现于1969年文献中，当时是利用微滤膜当作固液分离设备，以此取代并省下传统活性污泥法的终沉池所需面积。1970年代滤膜技术引进日本市场，日本学者Yamamoto首先将中空纤维滤膜结合于活性污泥系统，利用孔径为0.1mm 之中空纤维滤膜置入传统活性污泥好氧槽内，再经由泵浦直接将处理完成之放流水抽出，结果显示经处理后之放流水质极佳，其COD与TOC去除率分别可达到95%和97%，60%的氮亦藉由间歇曝气的脱硝作用去除，因而逐渐引起各界高度重视，纷纷开始着手进行相关研究。到今日，MBR系统已被广泛应用于家庭废水处理、城市废水处理、纺织厂废水处理、纸浆废水处理及面包食品工厂废水处理等。
自冷战结束后，美国及世界各国面临传统武器及核子武器过剩、需分解破坏的难题，在这些武器当中发现最常使用的致癌性化学药品为RDX（Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine）。根据研究指出，RDX可以利用碱水解来快速破坏分解，但会产生含甲酸、乙酸、甲醛、胺及亚硝酸的高污染性废水。Zoh and Stenstrom尝试利用连续流式缺氧MBR系统来处理人工仿真合成废水并探讨其处理效率，实验结果证明 MBR系统可以有效处理仿真RDX水解后废水，其COD、NO3–N及NO2–N去除率分别为97%、93.3%及55%，在操作负荷上最高可达0.50kg N/kg MLVSS/d与1.82kg COD/kg MLVSS/d（F/M=0.5kg N/kg SS/d）。
二、薄膜单元
近年来在水处理程序上应用薄膜已经相当广泛，唯须考虑其经济性。依水回收用途及原水水质状况才能决定采用适当的薄膜。目前主要使用于处理的薄膜大都为MF与UF。其主要功能是去除污水中的悬浮颗粒、细菌、病毒、有机物。若使用RO，则可更进一步去除有机物、氮、磷等物质。生物薄膜程序中，一个重要单元即为薄膜分离单元，故对薄膜的基本原理与性质亦需有正确的了解，兹以薄膜分类与功能、薄膜操作影响因子与应用与薄膜使用的限制及缺点等项目分述如下：
1、薄膜的材质分类
薄膜程序是利用不同种类的薄膜材料，通过筛滤、渗透或电泳等方式达到溶质分离的效果。一般常用于水及废水处理之薄膜，其孔径介于0.0001-2micron之间，分为MF、UF、NF、RO，孔径最大为MF，最小为RO。由于MF及UF孔径较大，能截留分子量较大之物质，故多使用于工业废水处理及二级处理水再利用。而RO由于孔径小、成本高，用于海水淡化及家庭用净水器较多。
依薄膜的材质来分，常用的薄膜材质有聚酰胺膜醋酸纤膜等。若依处理对象的性质来分，薄膜可以分为亲水性与疏水性薄膜，由此可因水样性质不同而选择适合的薄膜。滤膜材质的选择极为重要，不同材质特性会造成不同的过滤效果，进而影响滤膜阻塞与否，对可以过滤的时效也会相对改变。以日本三菱公司所生产的中空纤维膜而言，采用的材质为聚乙烯，其表面经过“永久亲水性”的处理，因而具有不会吸附有机物的特性。由于这些有机物多半为菌类，大多由蛋白质构成，且蛋白质具有亲油性特质，因此可减缓滤膜孔径阻塞的现象。若聚乙烯本身为疏水性材质，则会吸附蛋白质、细菌等有机物，因此不经处理的PE膜在经过一段时间操作后，其过滤通量会因膜表面阻塞而造成明显快速的下降，清洗膜的频率也会相对提高。
2、薄膜的应用范围与功能
各种薄膜形式的应用范围与功能见表1，可知薄膜最主要的功能在于过滤机制。图1显示一般在活性污泥槽中污泥的粒径大小的分布，由图中可发现小于0.1 m的颗粒只占总体积分布的0.3%，若采用0.1 m孔径的中空纤维膜，则滤膜对悬浮物的去除率可达99.7%以上。此外若选择0.4 m孔径的中空纤维膜，由于当污泥浓度高时污泥会聚结，则小于0.4 m的污泥颗粒也会被去除。因此，不管使用何种孔径的滤膜皆会获得良好的出流水质，由此可知将薄膜应用于污水中悬浮物的去除有着极佳的功能，当选则薄膜孔径越小时，薄膜可去除的污染物种类也会更多。
表1 各式薄膜的区分
去除 大 分 子 有 机 物、 细 菌 、 去除 胶 体 物 质 、 去除 悬浮固 体 物、 去除 大 分 子 染 料
去除 病 毒 、 细 菌 、 去除 大 分 子 无 机 性 离子 、 去除 分 子 量 300~1000 、 有 机 物 去除 盐 类 、 去除 小 分 子 染 料
去除 病 毒 、 细 菌 、 病 原 菌 、 去除 所 有有 机 物、 去除 溶 解 盐 类 、 去除 小 分 子 染 料

图1 活性污泥槽中污泥粒径的分布
三、沉浸式膜反应器曝气系统
Nagaoka指出滤膜单元必须设置于曝气系统上方，利用曝气形成向上流场扰动中空纤维滤膜，使曝气系统所产生的水剪力能有效去除附着在滤膜孔隙的粒状物，如此不仅有效提供好氧槽中充足的溶氧，并能有效移除滤膜表面附着物，使过滤时能保持滤膜稳定通量。控制水流产生向上流场需要两个重要条件：一是滤膜生物反应槽必须有足够的空间以利水流循环；二是必须提供充足的空气，通常曝气量为100Nm3/m2-hr。沉浸式薄膜在实际应用时，设计上必须特别注意薄膜在曝气槽中的配置与打入空气的流速，不当的配置与空气流速会造成水流往上流动，与再循环时流场遭到破坏而失去冲洗膜管表面的情况。此外须山氏等人指出，原水中若含有超过100mg/L的油脂类物质，也必须先行去除以避免滤膜堵塞。Huang的研究中指出，薄膜操作在理想状态下，流场的线性流速在滤膜表面必须大40cm/s，且须避免生物槽中乱流的发生。因此在设计上，槽体必须在沉浸式膜组单元四周提供足够的空间以形成向下流场，如图2所示。具体参见更多相关技术文档。

图2 薄膜流场示意图
在实际应用中，沉浸式膜反应器不论是平板式还是中空纤维式，均采用穿孔曝气器，该形式的曝气器是在一空气管上钻孔，空气由鼓风机压送至开孔处流出形成曝气及搅拌效果。唯其气泡的粒径极大，溶氧效率低，故在高浓度的操作条件下，溶氧将形成处理效果的限制条件。因此，川源（中国）机械有限公司开发出利用射流式曝气器为基础，同时可进行反洗的曝气系统（见图3）。

图3 沉浸式膜反应器射流曝气系统示意图
用于文托利管原理，提供MBR系统所需的高供氧效率及提供活性污泥搅拌混合之用，同时可提供高效率膜片的反冲洗系统，以减少膜片堵塞，因而降低膜片的水通量情形。现行的曝气系统为散气式曝气系统，如需高溶氧效率时，则会降低对反应槽的搅拌能力，反之亦同。本发明用于解决MBR系统高供氧及高搅拌能力的需求，射流式曝气系统的活性污泥相因射流器提供高剪力的环境，使活性污泥的颗粒较为密致，不易破碎，可防止因高浓度MLSS及高污泥龄造成污泥破碎的情形。同时可提供一组高速喷流器用于清洗膜片，可降低膜片药洗频率，增加系统可靠度。