薄膜生物處理器(MBR)淨化太陽能板切晶製程廢水之研究

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1 薄膜生物處理器(MBR)淨化太陽能板切晶製程廢水之研究
班級：四環四A 學號：4960N026 姓名：王翰偉

2 摘要 太陽能板電池製造過程包括清洗、擴散、網印或蒸鍍、薄膜電池等製程，會有各類酸鹼廢液如檸檬酸、氫氟酸、硝酸、硫酸、磷酸、鹽酸及氨等及酸鹼廢水或氟系廢水產出，傳統大多以化學混凝程序來進行處理，但處理後之化學需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)仍偏高，故本研究目的為將太陽能板切晶製程廢水經過化學混凝沉澱後之出流水再導入薄膜生物處理程序，藉由模廠之實際運作來評估系統之處理效能及其未來應用之可行性。模組經過四個月連續操作測試，生化需氧量(Biological Oxygen Demand, BOD)去除率可達 90.3% ~ 98.5%，而COD 去除率也高達 93.3% ~ 98.4%，放流水水質皆符合科學園區納管標準。

3 一、前言 人類發展太陽能板電池最終的目標，就是希望能取代目前的石化能源例如石油、天然氣、煤等。太陽的能量是取之不盡用之不竭的，從太陽表面所放射出來的輻射能量，換算成電力約3.8×1023 kW；若太陽光經過1.5×107公里的距離，穿過大氣層到達地球的表面也約有1.8×1014 kW，其能量約為全球平均電力的十萬倍。若能夠有效運用此能源，則不僅能解決消耗性能源的問題，並且連環保問題也可一併獲得解決（益通光電網頁）。 台灣投入太陽能板電池的發展始於1970年代的石油危機時期，直到近年來政府大力提倡節能減碳及綠色能源政策，大量的鎂光燈焦點聚集在太陽能產業上，成為新一波發展的重點。太陽能面板生產製程包括清洗、擴散、網印或蒸鍍、薄膜電池等製程（圖1）（陳子泰，2008），會有各類酸鹼廢液（檸檬酸、氫氟酸、硝酸、硫酸、磷酸、鹽酸及氨等）及酸鹼廢水或氟系廢水產出（經濟部工業局，1995），故需規劃相關廢水處理設備，將其廢水處理達法規標準後始能排放。太陽能板產業前段製程（切晶/洗淨製程）之廢水處理流程大多採傳統化學混凝沉澱方式（圖2），往往處理效果不彰，造成化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)排放異常，超出科學園區納管標準450 mg/L。

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6 無論在新建或既有廠擴建改善，薄膜生物處理器(Membrane Bioreactor,MBR)是較佳選擇，因MBR處理單元占地小、處理水質佳及操作成本也較低，所以MBR是未來廢水處理發展趨勢。MBR主要結合傳統的活性污泥程序(ActivatedSludge Process, ASP)及薄膜分離(Membrane Separation)，廢水經處理後可產生高品質的放流水。 薄膜生物處理技術近幾年在國內外快速發展，在不到十年之間，MBR 已從實驗室研究規模發展至超過 10,000 m3/day 之實廠應用規模，然而在國外早在 30年前，Dorr Oliver 及 RHONE 兩家公司提出應用薄膜模組取代二級沉降槽之兩項專利，此技術受限於薄膜材質及種類限制，先期主要應用於小型廢水處理系統為主，無法廣泛應用於一般廢水處理廠，直到 Yamamoto et al. (1989)提出新一代MBR 系統，可大幅增加膜管比表面積，降低膜管初設成本，提升 MBR 的處理效益。 MBR 依 其 薄 膜 放 置 位 置 可 區 分 為 兩 類 ， 傳 統 式 MBR 及 浸 入 式(immersed)MBR，其構造如圖 3 中所示(Cho et al., 1999)。傳統式 MBR 是將活性污泥在高流速（通常大於 2 m/s，有時大於 4 m/s）流速下，用泵浦將污泥抽至管狀(tubular)或平版(flat sheet)模組中，會產生較大壓降及較高過膜(trans membrane)壓力，為一種典型掃流式(cross flow)模組。浸入式 MBR，是將薄膜浸沒於曝氣槽中，兩者最大差異為傳統式 MBR 能源消耗較高且通量也較小，整體效益較浸入式 MBR 差。

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8 表 1 為傳統式及浸入式 MBR 之特性比較(Cho et al
表 1 為傳統式及浸入式 MBR 之特性比較(Cho et al., 1999)，在流通量、積垢控制、能源消耗、改裝及操作彈性等方面，傳統式 MBR 優於浸入式 MBR，但因薄膜技術不斷的發展配合浸入式 MBR 使用，大幅提昇薄膜表面積克服流通量的問題，亦可以改善積垢產生，甚至降低能源使用，相對整體操作成本也大幅降低。

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10 表 2 及表 3 為 ASP 及 MBR 系統之比較，兩者最大差異為反應槽中污泥濃度，ASP 系統中之污泥濃度為 3,000～5,000 mg/L，而 MBR 系統污泥濃度則可高達 5,000～30,000 mg/L，由於污泥濃度高，相對可以縮短水力停留時間（HydraulicRetention Time, HRT），以節省反應槽體積。

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12 MBR 系統係藉由薄膜或濾材以進行固液分離，故出流水水質較傳統生物處理系統，可以取代傳統處理系統的沈澱池、砂濾及消毒單元，獲得良好出流水水質，甚至可直接進行回收再利用，可降低水回收再利用之處理單元及操作成本，亦是採用 MBR 技術處理廢水的另一種優勢。

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14 本研究主要目的為利用MBR處理經化學混凝沉澱之太陽能板切晶製程所產生廢水，以模廠(Pilot Scale)系統進行測試，探討MBR對廢水中各水質指標處理效能及處理水是否符合園區之納管標準（表4），評估處理水回收再使用之可行性。

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16 二、材料與方法 1.MBR 模廠以位於科學園區某太陽能板工廠所產生經化學混凝沉澱程序之切晶製程廢水，做為 MBR 模組之進流水，探討 MBR 再淨化水質之效能，設計 MBR 模組處理能力為 30 L/day，MBR 的進流水水質如表 5。

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18 2.MBR 模廠模組廠所使用儀器及設備如表 6，各單元組裝完成後，將系統控制於連續進出流狀態，藉由監測進出流水之水質，評估 MBR 系統之處理效能，相關處理流程如圖 3 所示

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21 實驗分析項目與方法 試驗水樣之分析均於採樣後迅速以0.45µm 濾紙過濾後，進行水質分析或將濾液置於4 ℃冷藏保存，在一定期限內將水樣分析完畢。COD分析採用重鉻酸鉀密閉迴流法；混和液懸浮固體(Mixed Liquor Suspended Solid, MLSS)之分析採用水中總溶解固體及懸浮固體檢測方法；硝酸鹽之分析以HACH 分光光度計(DR/2010)分析；其餘分析項目等參照環保署公告標準方法(Standard Methods)，實驗分析項目及方法如表7所示。

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23 三、結果與討論 模組廠操作穩定性探討 圖 4 為模組廠的 MBR 進/出水的 pH 變化圖 圖 4 顯示經連續四個月。（Nov. 26,2009 ~ Mar. 31, 2010, 共計 130 天）測試，進出口 pH 介於 6.5~8.0，符合科學園區納管標準 pH5.0~9.0。

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25 圖 5 顯示經四個月測試，出流濁度(Turbidity, TB)介於 0. 4~2
圖 5 顯示經四個月測試，出流濁度(Turbidity, TB)介於 0.4~2.5 NTU，即使在45 天~58 天原水水質較不穩定，TB 高達 530 NTU，但經過 MBR 處理，出流水質還是維持在 1.0 NTU 以下，顯示 MBR 具有極佳過濾效果，能有效去除水中懸浮物質。

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27 圖 6 顯示 MBR 模組廠之進/出水的 SS 及 MLSS 變化圖，在第 37 天原水水質 SS 為 190 mg/L，經過 MBR 處理後，放流水質 SS 為 N.D（小於 2 mg/L），表示放流水含有極少量 SS，這再次證明 MBR 具有過濾去除水中懸浮物質之功能，放流水符合科學園區納管標準（園區標準< 300mg/L）。

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29 圖 7 及 8 顯示 MBR 模組廠的進/出流水 COD 和 BOD 濃度及其去除率的變化圖。由圖 7 和 8 可知在污泥馴養期，COD 和 BOD 之去除效率偏低，然經過一個月的馴養期後 COD 和 BOD 之去除效率可提升至 95％ 藉由 MBR 系統操作，，。能在短時間內使槽內活性污泥形成優勢化菌種，進而大幅提昇 COD 和 BOD 之去除效率，同時，系統於穩定操作期間，雖然進流水之 COD（303~1580 mg/L）和 BOD（242~997 mg/L）濃度變化較大，但仍可維持穩定之 COD（93.9～98.4％）和 BOD（90.1～98.8％）去除效率，不會因 COD 和 BOD 負荷高低而影響系統的處理效能。

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32 薄膜生物反應器（MBR）與傳統活性污泥程序（ASP） Wisniewski and Grasmick (1998)發現生物處理單元中之生物膠羽愈小，對於溶氧及BOD5能提供較好之質傳效果而使處理效果較佳。Cicek et al. (1999)和陳建銘（2002）曾探討MBR與ASP之處理效能比較，發現生物膠羽較小，若使用傳統ASP，生物污泥很容易隨放流水流出，若經由薄膜生物程序中薄膜分離單元過濾後，能得到較佳的懸浮固體物去除效率與放流水水質，表8顯示MBR在COD、DOC、TSS、NH3-N等去除率較ASP高，顯示MBR對污染物之處理效能較ASP佳。本研究所使用之MBR模組廠，在COD、BOD去除率也高達98%以上。

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34 經過連續四個月長期測試及水質分析，在未經 MBR 處理前，COD 及 BOD均不符合科學園區纳管標準（分別大於 500 mg/L 及 300 mg/L），但經 MBR 處理後，COD 及 BOD 分別為 mg/L 及 mg/L，遠小於科學園區纳管標準，表 9 顯示 MBR 可有效處理太陽能板切晶製程廢水，提升放流水水質。

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36 模組廠操作穩定性測試 圖 9 顯示模組廠 MBR 系統之 MBR 內負壓與出水通量關係圖。由圖 9 可知在經過幾次出水通量調整，相對負壓亦隨之變化，在最終出水通量調整至 0.41m3/m2-d 時，MBR 內之負壓不再隨之變化，呈現穩定趨勢，顯示研究模組具有極佳之操作穩定性。

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38 四、結論 太陽能板切晶製程所產生廢水，大多以傳統化學混凝程序來進行處理，但處理後放流水之 COD 及 BOD 仍偏高，超出科學園區納管標準（分別大於 500 mg/L及 300 mg/L）但經 MBR 處理後 COD 及 BOD 分別降為 mg/L 及 mg/L，，（去除率可達 93.9% ~ 98.4%及 90.1% ~ 98.5%），而 SS 及 pH 分別為 N.D（小於2 mg/L） 7.44及（pH 5~9）皆符合科學園區納管標準。在經過幾次出水通量調整，最終出水通量調整至 0.41 m3/m2-d 時，MBR 內之負壓不再隨之變化，呈現穩定趨勢，顯示研究模組具有極佳之操作穩定性，所以 MBR 處理太陽能板切晶製程廢水具有極大效能且其未來應用之可行性非常高。目前園區太陽能產業全廠水回收率不高(約 55%~60%)，後續可再深入研究評估切晶製程廢水經 MBR 處理後回收再利用之可行性，以提高太陽能產業全廠之水回收率，讓太陽能產業成為名副其實的綠色產業。

39 參考文獻 1.益通光電網頁：http://www.e-tonsolar.com/edu.htm#4。
2.陳子泰，“太陽能電池產業製程及污染防治簡介”，環保技術e 報，第59期，第6頁（2008）。 3.工業污染防治技術服務團等著，半導體製造業污染防治技術，經濟部工業局編印（1995）。 4.Yamamoto, K., M. Hiasa, T. Mahmood, and T. Matsuo, “Direct solid-liquidseparation using hollow fiber membrane in an activated sludge aerationtank,” Wat. Sci. Tech., Vol. 21, No. 4-5, pp (1989). 5.Cho, D., A.G. Fane, S.B. Ghayeni, K.J. Kim, and K. Parameshwaran,“Biological wastewater treatment and membranes,” Proceedings ofInternational Specialized Conference on Membrane Technology inEnvironmental Management, Tokyo (1999). 6.Aim, B. R., ”Membrane bioreactor with submerged hollow fibers from labscale to wastewater treatment plant,” Proceedings of InternationalSpecialized Conference on Membrane Technology in EnvironmentalManagement, Tokyo (1999). 7.Water Environment Federation, Membrane Technologies for Industrial andMunicipal Wastewater Treatment and Reuse, New York (2000). 8.Wisniewski, C. and A. Grasmick, “Floc size distribution in a membranebioreactor and consequences for membrane fouling,” Colloid Surfaces A,Vol. 138, pp (1998). 9.Cicek, N., J.P. Franco, M.T. Suidan, V. Urbain, and J. Manem,“Characterization and comparison of a membrane bioreactor and aconventional activated-sludge system in treatment of wastewater containinghigh-molecular-weight compounds,” Wat. Environ. Res., Vol. 71, pp (1999).10. 10.陳建銘，“生物薄膜程序處理合成生活污水之研究”，碩士論文，交通大 學環境工程研究所，新竹市（2002）。