物理處理單元-浮除 浮除(flotation)是一種將顆粒浮至水面刮除，以澄清廢水或濃縮污泥的方法。對微小及低比重粒子(如油脂、紙漿纖維、棉毛絮)之去除而言，浮除法優於沉澱法，可在短時間內除去得更完全。浮除一般可分重力浮除及加壓浮除，分別介紹如下。 重力浮除 重力浮除主要是由水中分離非乳化性油脂，主要設施有API及CPI油水分離池。

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1 物理處理單元-浮除 浮除(flotation)是一種將顆粒浮至水面刮除，以澄清廢水或濃縮污泥的方法。對微小及低比重粒子(如油脂、紙漿纖維、棉毛絮)之去除而言，浮除法優於沉澱法，可在短時間內除去得更完全。浮除一般可分重力浮除及加壓浮除，分別介紹如下。 重力浮除 重力浮除主要是由水中分離非乳化性油脂，主要設施有API及CPI油水分離池。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

2 物理處理單元-浮除 CPI油水分離池 CPI (Corrugated-Plate Interceptor)油水分離池類似傾斜板沉澱池(圖6-8、6-9、6-10)，其構造如圖7.1所示，板為FRP製瓦楞型，板厚1.27 mm (0.05英吋)，間距 cm ( 英吋)，標準模組(module) 100 cm × 100 cm × 180 cm高、傾斜45o。油滴集結於瓦楞頂上浮，水及污泥則往下流。CPI對粒徑60 m以上之油滴可完全去除，20-60 m者去除率為90%，< 20 m者去除率為60%。 圖7.1 CPI油水分離池示意 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

3 物理處理單元-浮除 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系
比重小於1的固體物，在水中均會上浮。物體的比重愈小，就愈容易漂浮於水面。當水中氣泡上升時，一些比重略小於1的顆粒就被氣泡推動，而加快了上浮的速度。即使是比重大於1的顆粒，也有可能因為氣泡和顆粒相互的黏著，而使得此一結合體的比重小於1而上浮至水面。此種氣泡與固體物相互連接的機制，包括黏著、捕捉、吸收等。 空氣固體比(air-to-solids ratio, A/S)為可供浮除用空氣的量與進流固體物量之比值，為影響浮除濃縮最重要的因素。 A/S以「釋出空氣公斤/公斤固體(kg of air released/kg of fed solids)」表示。當A/S比值升高時，被氣泡捕捉而浮除的固體量亦隨之增多，直至某一限值時浮除之固體物量不再明顯地增加，一般達到此一限值時的A/S比約為 。如空氣量較理想值偏低，則加壓浮除的效果便會降低；而在濃縮時，則以濃縮後之污泥固體濃度來評估。A/S比值對浮除系統的影響如下： 1.欲處理廢污水中油脂及懸浮固體量。 2.浮除物質的上升速度，此速度控制溢流率和廢水於浮除池的水力停留時間。 3.浮除物中固體物濃度。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

4 加壓浮除法(a)無迴流直接加壓 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

5 加壓浮除法(b)有迴流加壓 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

6 物理處理單元-過濾 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系 目的：分離水體懸浮固體，以澄清廢水。 過濾包括下列作用：
1.衝擊(impaction)作用。 .凝聚(adhesion)作用。 .阻留(screening)作用。 4.微生物或原生動物分解。 衝擊、凝聚、阻留為過濾主要機制，生物分解則為次要(圖8.1)。衝擊作用為例子與濾料撞擊而為濾料捕捉；凝聚作用為粒子附著於濾材表面上，而被捕捉者；阻留作用為較濾材之濾粒間隙為大的粒子，被濾料所捕捉者。過濾水水質受與濾料之接觸機會所影響，濾層愈厚、粒徑愈小，過濾效果也愈高。通常之快濾以凝聚及阻留作用為主。 圖8.1：澄清過濾機制 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

7 物理處理單元-過濾 表8.1 過濾方式比較 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系 過濾方式
表8.1 過濾方式比較 過濾方式 概要 快濾 (1)過濾速度每日可達數百米。 (2)已有廢水處理應用實績。 (3)依水之過濾方向、過濾壓力，分數種方法。 (4)過濾及反沖洗多採自動化。 (5)壓濾方式多採套裝設計。 直接過濾 (1)藉纖維或織物直接過濾原水或廢水。 (2)濾料有濾紙、濾網、多孔質過濾筒者，也有於濾筒內填充活性碳、離子交換樹脂等濾材者。 (3)與矽藻土過濾法比較，操作管理較容易。 過濾方式 目前廢水所用之過濾方式，依其過濾速度、濾料的性質與種類等可分成二類，如表8.1所示。依過濾水之水流方向可分為：向下流式、向上流式、雙向流式及水平流式等四類。若依過濾時施加於水之壓力區分，向下流式又可分為重力式與壓力式。目前通用之「向下流式壓濾槽」及「平流式自動反洗過濾槽」如圖8.2所示。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

8 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系 圖8.3：平流式自動反洗過濾槽 圖8.2：多層壓濾槽
柘榴石 圖8.3：平流式自動反洗過濾槽 (1)過濾進水自過濾槽圓筒的中央部流向圓周，通過濾砂；(2)逆洗用揚水及揚砂用空氣自套管間通入，自中心管流出；(3)反沖洗水、受汚濾砂、空氣在中心管往上共流，濾砂被洗淨；(4)反沖洗水由槽頂溢流出槽；(5)濾砂在槽內往下移動；(6) 與向下流式比較，濾層整體均具濾除顆粒效能，SS去除率高、過濾量大。 圖8.2：多層壓濾槽 水由濾層上部流入，在濾層內向下流。為提升粒子的捕捉能力，多採用多層濾層設計。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

9 物理處理單元-過濾 快濾池設計準則 過濾水質
快濾可去除的污染項目為懸浮固體，溶解性物質則無法藉本法濾除。設計快濾設施前，應對欲過濾之原水或二級處理放流水水質或水量的時間變化，及快濾可達到之去除率進行調查及試驗，以符合目標水質。 過濾速度 過濾速度(V)與水量(Q)及濾料填充層截面積(A)的關係示如下式： V＝Q/A 過濾速度受原水水質、濾層填充物(濾料)尺寸、濾料厚度、濾料表面之粒子捕捉量等因素影響。若過濾速度過大，則濾後水質變差，有效過濾時間將縮短。一般廢水過濾速度，在平均水量時宜為 m/day，最大水量則為 m/day。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

10 物理處理單元-過濾 濾層 表8.2 濾料性質 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系
為防止濾層在過濾持續之短時間內阻塞，濾料之種類多採2層或3層，儘可能使 各層可發揮捕捉粒子，並增長過濾持續時間。通常向下流式之濾料組合為： 2層過濾：無煙煤＋砂 3層過濾：無煙煤＋砂＋柘榴石 表8.2 濾料性質 無煙煤 砂 柘榴石 品質 良好 堅硬均質 不純物少 比重 1.4以上 3.8以上 鹽酸可溶率 1.5%以下 3.5%以下 5%以下 有效粒徑 mm mm。 mm 均ㄧ係數 接近1 (一般使用1.4以下者) 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

11 物理處理單元-過濾 「有效粒徑」係指一粒徑不等之濾料樣品，經篩分試驗後，10%重量濾料樣品可通過之篩網尺寸，一般稱為d10；同一濾料樣，60%重量濾料樣品可通過之篩網尺寸，則稱為d60；「均ㄧ係數」定義為「d60/d10」，為濾料粒徑分佈程度之衡量，不均ㄧ係數大者，粒徑分佈亦大。 圖8.4 濾料之有效粒徑及均ㄧ係數 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

12 物理處理單元-過濾 濾層支持層 濾層支持層用以防止濾料流出，以礫石(粒徑2-50 mm)分四層(厚度20-50 cm)鋪設之。本支持層以能使反沖洗時，水及空氣能均勻分散為宜。 集水設備 集水設備為使過濾及反沖洗能適當進行之設施，有下列幾種型式： (1) 韋氏型：於濾床上設置支柱，而於其上置混凝土成形品塊。 (2) 多孔板型：於濾床上置空氣室及分散室之成形品塊。 (3) 濾器型：濾床上的管或支持板上設置過濾器。 (4) 多孔管型：濾床上設置多孔的支幹管。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

13 物理處理單元-過濾 反沖洗 過濾操作達一定損失水頭時或經一定過濾時間後，須以水及空氣沖洗濾層，以再提升過濾能力。反沖洗使濾層膨脹20-30%時，其洗滌效果較佳，故宜以目測該值以決定反沖洗流速。 一般反沖洗以流速 公尺/分沖洗5-10分鐘，若以空氣沖洗則以 公尺/分之流速進行數分鐘。圖8.5顯示最適反沖洗流速與濾料粒徑之關係。 最適反沖洗流速與濾料粒徑之關係 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

14 物理處理單元-薄膜過濾 薄膜過濾程序有別於傳統過濾，過濾物質包括溶解性成分，粒徑範圍一般在0.0001至1.0 m間。 薄膜過濾原理
系統如圖9.1所示，為一選擇性屏蔽，可以讓特定物質通過並截流溶液中其他物質。過濾機制依據薄膜孔徑不同而有差異。MF (微過濾，micro-filtration)及UF (超過濾，ultra-filtration)薄膜主要以篩分為去除機制，NF(奈米過濾，nano- filtration)薄膜則為篩分、溶解擴散及電性排除。 通過半滲透性薄膜之液體稱為滲出液(permeate)，未通過膜而包含截流物質之液體則稱為濃縮液(concentrate)，而單位時間、單位面積通過薄膜的滲出量則稱為通量(flux)，常用單位為L/m2.d。 薄膜過濾系統示意 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

15 物理處理單元-薄膜過濾 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系 薄膜種類:依孔徑區分
薄膜孔徑可依大小區分為四類，分別為微過濾(MF)、超過濾(UF)、奈米過濾(NF)及逆滲透(reverse osmosis, RO)，並以分子截留量(molecular weight cut-off, MWCO)作為孔徑界定區分。 MF/UF利用分子大小篩除方式過濾，濾膜孔徑一般大於0.01 μm，UF之MWCO為 ,000 Da (1 Da為1個質子在靜止時之質量，約為1.674 × g，或約為1個氫原子質量)；NF主要機制為電價排除，另亦具篩除功能，可去除水中二價陽離子( Ca2+、Mg2+)，MWCO約小於500 Da；RO一般視為無孔洞薄膜，可截留水分子之外物質，其MWCO約50 Da；各種薄膜可過濾分離之範圍及物質如圖9.2所示。 各種薄膜對特定物質分離範圍 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

16 物理處理單元-薄膜過濾 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系 依薄膜型態區分
薄膜型態主要區分為四大類：平板式(flat plate)、管式(tubular)、螺旋捲式(spiral wound)及中空纖維式(hollow fiber)。 (1)平板式(flat plate, FP) 如圖9.3，其優點在於低能量消耗且易於拆除清洗，但因每一片薄膜均需個別的支撐體，故使其填充密度較低，一般多用於電透析(electrodialysis, ED)、MF及RO。 (2)管式(tubular) 如圖9.4，薄膜披覆在多孔細管表面，進流水流向與薄膜表面平行，濾液(permeate)係經壓力使其垂直通過膜再由管壁流出，未通過膜的濃縮液(concentrate)則由另一端流出。由於採掃流式(cross-flow)操作，薄膜較不易為懸浮固體物所阻塞，因此可在高壓下操作。但由於其單位面積薄膜所佔空間甚大，且透膜壓損高，其能量消耗較其它三種形式之膜高，使操作成本相對提高。 平板式薄膜模組 管式薄膜 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

17 物理處理單元-薄膜過濾 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系 (3)中空纖維式 (hollow fiber, HF)
如圖9.5，將薄膜製成如髮絲般的中空纖維狀，集束於壓力元件內。由於其不需薄膜的支撐體，因此填充密度高，且又因具大的比表面積，設備費用低。操作方式分為水由膜內向膜外滲出或由膜外向膜內滲入，易於反沖洗(backwash)。 (4)螺旋捲式(spiral wound) 如圖9.6，兩層薄膜以一網狀物作支撐，薄膜的三邊均密合，僅開口端接於模組中間的收集管，再纏繞於收集管而成捲式膜。其具有高的填充密度，且透膜壓損較小，但不易清洗，若無良好的前處理，不適合處理高濁度的進流水，一般多用於RO及NF。 圖9.5 中空纖維式薄膜 圖9.6 螺旋捲式薄膜 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

18 物理處理單元-薄膜過濾 依進流水方向過濾區分 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系
薄膜程序可依進流水方向的不同將之區分為截流式(dead-end)與掃流式(cross-flow)兩種，如圖9.7。 截流式過濾進流水與出流水方向相同，隨著過濾的進行，被阻擋的粒子會累積在薄膜表面，形成額外阻力，導致過濾無法持續進行。掃流式之進流水與出流水方向垂直，主要概念為利用高速流平行通過薄膜表面，在其上形成水流剪力，以減少濃度極化層厚度及顆粒的沉積。截流過濾之積垢潛勢較掃流者為大，一般可輔以曝氣或其他方式避免積垢之生成。 薄膜過濾方式及通量變化趨勢 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

19 物理處理單元-薄膜過濾 薄膜過濾應用 薄膜積垢型式 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系
MF/UF多用於RO之前處理，去除水中懸浮固體物，避免大顆粒物質直接阻塞RO。於半導體業中，UF可置於RO之前去除水中溶解性及懸浮態的二氧化矽(SiO2)，可有效延RO的使用期限。NF具去除二價離子功能，多用於去除水中硬度離子，如鈣及鎂離子。利用MF前處理後進入NF膜，再加以消毒，出流水可再利用。 薄膜積垢型式 (1)積垢(泥餅形成)，進流中之物質累積在薄膜表面； (2)結垢，進流物質因為化學特性之故，在薄膜表面形成化學沉積； (3)薄膜損害，進流物質會與薄膜反應而破壞薄膜。 積垢現象一旦產生，會造成薄膜通量下降，薄膜壽命減短及滲出液減少等問題；因此需要依賴前處理、清洗設備、操作設計及保養來預防。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

20 物理處理單元-薄膜過濾 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系 薄膜阻塞機制如圖9.8所示。由顆粒造成的薄膜阻塞可以區分為：
(1)膠層/泥餅之形成(gel/cake layer)，(2)孔洞阻塞(pore plugging)，(3)膜孔壁阻塞(pore narrowing)。 膠層/泥餅的形成係因薄膜表面發生濃度極化作用(concentration polarization, CP)，造成積垢物不斷累積壓縮；孔洞阻塞為與孔洞大小相近之積垢物直接堵塞膜孔；膜孔壁阻塞乃由於小分子顆粒吸附在薄膜孔內壁，或是鹽類在表面析出，兩者皆會使薄膜孔洞縮小，影響過濾效果。 依薄膜清洗方式可區分為可逆及不可逆積垢兩種。可逆積垢所造成的通量衰減可利用物理性清洗回復。無法經物理性清洗去除的積垢為不可逆積垢，需以化學藥劑清洗，常用藥劑包括酸鹼、界面活性劑、金屬螯合劑及觸媒，其效果受溫度、pH、藥劑濃度、接觸時間及操作環境(掃流速度及壓力)之影響。無機性積垢如鐵、錳氧化物可利用濃度0.3 %之檸檬酸清洗，二氧化矽垢物可使用鹼洗。清洗方式多為浸泡或直接過濾，清洗時間則依積垢狀況調整。 薄膜阻塞機制 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

21 RO逆滲透原理 滲透現象 逆滲透 所施加之壓力 > 滲透壓 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

22 RO薄膜材質 醋酸纖維膜(cellulose acid, CA) 聚醯胺類(polyamide, PA)
耐氯性高，但當原處於鹼性的條件下(pH ≧8.0)或細菌存在的狀況下，將導致使用壽命縮短 聚醯胺類(polyamide, PA) 對氯及氯氨的承受性則較差，故原水在進入逆滲透膜之前，需以活性碳及還原劑等先做處理 芳香族聚醯胺類(aromatic polyamides)、polyfuranes等 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

23 RO薄膜型式 螺旋捲式膜(spiral wound) 中空纖維膜(hollow fiber) 管式膜 (tubular)
對稱性膜(symmetric membrane) 非對稱性膜(asymmetric membrane) 薄層合成膜(thin film composite membrane, TFC)。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

24 螺旋捲式膜及中空纖維膜 螺旋捲式膜 中空纖維膜 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

25 應用 工業廢水 : 二級處理之後及高科技產業之廢水 回收再利用 飲用水處理 : 海水淡化 去除率:
- 單價離子(monovalent ions): 90 ~ 98% - 雙價離子(divalent ions): 95 ~ 99% (可以防止分子量大於200 Da的物質通過) 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

26 RO膜之阻塞種類與機制(1/3) 可逆性阻塞 – 濃度極化：
當膜表面累積溶質濃度提升，透膜壓力或滲透壓變大，導致溶質反向擴散至水中，當達平衡時溶質被帶至膜表面的量等於反向擴散至水中的量，此時膜表面所累積濃度必大於主體溶液之濃度 影響：滲透液通量衰減，滲透壓差變大。當系統停止操作，此現象將消失，故為可逆之膜阻塞現象，但若不加以重視，將可能導致進一步之膜表無機物沉澱結垢 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

27 RO膜之阻塞種類與機制(2/3) 顆粒或膠體性阻塞：
顆粒性及膠體性積垢一般包括有懸浮固體物及金屬膠體，如SiO2、Fe2O3、Al2O3等，一般而言，此類物質於MF、UF之過濾程序中，阻塞機制為直接沉積於膜表面或進入薄膜孔洞之中，然由於RO膜之孔徑約小至0.001 m (小於1000 MWCO)，因此顆粒及膠體性積垢之形成機制，主要以表面沉澱或受其他具黏性有機質黏附為主 - 衡量水質是否適宜進入RO單元之重要指標： SDI (silt density index)值，當SDI < 2 ~ 3，方可進入RO處理單元 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

28 SDI (silt density index)
大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

29 RO膜之阻塞種類與機制(3/3) 無機性結垢：
- RO膜之無機性結垢主要受濃縮水之濃縮倍率影響。一般而言，經一階段RO膜後，其濃縮液濃度約可增加2倍，經二階段RO膜則可增至4 ~ 5倍，RO膜表面最常見之結垢物包括有CaCO3、CaSO4、BaSO4、CaF2及SiO2等。 - 水中鹽濃度、離子強度、各鹽類溶解度、溫度、pH值及RO水回收率等皆為影響結垢物於膜表面沉澱析出之重要參數。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

30 物理處理單元-物理吸附及應用 物理吸附原理 物理吸附應用例
吸附是利用吸附劑吸附廢水中的污染物質。依被吸附物與吸附劑的表面鍵結作用力不同，可分為物理吸附與化學吸附。物理性吸附主要鍵結作用力是凡得瓦爾力(van der Waal’s force)。一般而言，物理吸附之反應熱小於10 kcal/mole，化學吸附則大於10 kcal/mole。 物理吸附應用例 物理吸附通常被應用在去除水中帶電重金屬離子、有機極性分子等。ㄧ般須考量廢水的pH、離子價電數、粒子表面電位、水溫等影響因子，調整上述因子以獲致最佳條件，可達良好去除率。以下提供一些廢水處理相關應用實例。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系

31 物理處理單元-物理吸附及應用 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系 活性碳對COD及餘氯之吸附
活性碳可使用於生物無法分解COD之吸附去除，使排放廢水達法定水質標準。ㄧ般而言，每公斤活性碳可吸附5-50 g COD，影響因素為有機物成分、在廢水中之平衡濃度、活性碳種類、廢水與活性碳接觸形式及時間。 活性碳吸附有機物時，碳床可設定為 cm，廢水通過碳床之空塔接觸時間2-4 min，空塔流速 m/min。 活性碳亦可吸附水中餘氯或氯胺(chloramine)，每公斤活性碳可吸附1 kg餘氯。吸附餘氯時，碳床可設定為60-90 cm，空塔接觸時間1.5-4 min，空塔流速 m/min；吸附氯胺時，碳床可設定為180 cm，空塔接觸時間8 min，空塔流速0.23 m/min 。 活性碳對Cr(VI)之吸附 在廢水中，六價鉻隨pH的不同分別以不同的形式存在。活性碳表面存在大量含氧基團如羥基(-OH)、羧基(-COOH)等，彼等均具靜電吸附功能，對Cr(VI)具物理吸附、化學吸附、化學還原等綜合功能。 試驗顯示，水溶液中Cr(VI)濃度50 mg/ L、pH = 3，吸附時間1.5 h時，活性碳對Cr(VI)的吸附性能和的去除率均達最佳效果。 大漢技術學院 土木工程與環境資源管理系