新型陶瓷納濾膜在飲用水安全凈化處理中的應用探究

王 瑞

（西北師范大學地理與環境科學學院，361021）

1 納濾膜濾速衰減原因

一般而言，造成納濾膜濾速衰減現象可歸納為兩個原因：一為薄膜表面濾餅形成使得過濾阻抗增加，通常此為可逆現象；此即藉由改變進流水方向成為掃流過濾方式，在過濾進行中，懸浮液中微粒除受濾液拉曳力作用外同時也受流場逆傳輸作用力作用而離開薄膜表面，最后濾液拉曳力與流場逆傳輸作用力兩力達到平衡時，使聚積在濾面濾餅厚度不再增加而濾速也能保持穩定狀態但目前掃流過濾方式設備卻有愈趨復雜趨勢，且因進流水由壓力抽送不斷循環，而壓濾通過薄膜濾液流量比起掃流回流液流量甚小，因此相對有效作功能量比例甚低且回流液濃度愈來愈高濾液流量愈來愈小，因此顯得不經濟。另一原因為薄膜內部孔道阻塞現象使得過濾阻抗增加，此為不可逆現象，而此一阻塞現象與微粒及薄膜特性有關，因此難以藉由掃流或操作條件變化來控制，但可藉著慎選適當的薄膜孔徑或應用一些前處理方法或使用多種型式去阻塞設備：包括進出流水和濾液脈沖方式、空氣或濾液逆洗方式、納濾膜器加裝電場或超音波震蕩方式等，來加以控制及克服，然根據過去文獻所做研究，顯示以濾液逆洗方式最為經濟且效果最佳。

綜合以上MF 過濾效率及經濟性考量，著者在前期研究以改善傳統垂直流過濾方式，研發以活塞為動力并圓管型無機薄膜處理設備，并結合進流水掃流及濾液逆洗等去阻塞設備優點，能有效地節省能源且提高薄膜處理成效。然由前期研究結果顯示其使用有機薄膜雖具有過濾阻抗小優點，但卻易受酸堿侵蝕及不能再生使用、拆裝麻煩等缺點，而無法廣泛的應用于各種工業廢水處理。是以本研究改以高機械強度及穩定性、高耐溫性、耐化學藥性、有較大的pH 操作范圍、易清洗再生與較佳生物穩定性等優點無機薄膜取代前研究所使用有機薄膜，并探討最佳過濾-逆洗時間周期與最佳濃縮液排放頻率。本設備也以XX污水廠廢水為水樣，分別以直接過濾和以混凝為前處理二種處理方式，于實驗中藉由處理前后水質濁度、懸浮固體物、COD 與TOC 質監測及濾液流量量取，來探討各種處理成效。

2 實驗設備及方法

本計劃實驗配置圖如圖1 所示，其主要設備分述如下：

2.1 管狀型納濾膜裝置

采用法國Tech-set Company 的Micro-Carbosep 20 system 外管為不銹鋼套管制成，管長為27.5 公分，管內徑為2公分，管二端設有過濾進流水與出流水進出口，另外管身亦設有濾液出口可收集濾液。不銹鋼套管內可套裝長20 公分、內徑0.6公分陶瓷薄膜圓管，進流水由陶瓷薄膜圓管內部進入壓力透過薄膜，待充滿內、外管間隙后經由濾液出口收集至天平稱重，再傳訊至電腦記錄繪圖。

圖1 納濾膜系統實驗裝置圖

2.2 動力設備

本實驗動力設備系以空壓機壓縮空氣，并藉油壓裝置（直徑為10cm、高30cm 二槽）來推進活塞做往復式運動，活塞直徑為6cm，活塞最大推進路徑為30cm（不銹鋼制），并連接管狀型陶瓷納濾膜設備。

3 實驗結果與討論

3.1 最佳過濾與逆洗時間間距

當納濾膜時間間距設定較長時，在120 分鐘濾程中活塞往復次數較少，如此可減少因活塞往復時所造成壓力泄降現象，但相對同時，薄膜卻因隨著過濾時間增長而過濾阻抗增加，使得濾液流量減少，因此過濾時間間距有最佳值存在。而在逆洗時間間距方面；當薄膜逆洗時間間距設定愈長時，則薄膜逆洗愈完全阻抗愈低，可獲得愈大濾液流量，但相對也使因逆洗所損失濾液量增加，且使過濾時間減短，因此逆洗時間間距亦有其最佳值存在。由圖2 結果顯示，當過濾與逆洗時間周期設定為90sec，而其中過濾與逆洗時間間距分別設定為85sec 及5sec 時可獲得最大濾液流量。

圖2 最佳過濾與逆洗時間的間距

3.2 最佳濃縮液排放周期

隨過濾進行，薄膜內管進流水濃度漸增，造成濾液流量漸減最后趨近于零，此即為垂直流過濾方式最大缺點。因此為提高過濾成效，應在適當時機將濃縮液排放或回流回儲槽。本實驗配合活塞壓縮時以掃流方式將濃縮液排放，而排放周期愈頻繁愈可減低薄膜表面濃縮液濃度增加濾液流量，但也造成過濾時間減短濾液流量減少現象，是以濃縮液排放周期有其最佳值存在。由圖3所示，當濃縮液排放周期為每三個過濾循環排放一次時，可獲得最大濾液流量。

圖3 最佳濃縮液排放周期

3.3 廢水處理

于實驗中所用薄膜孔徑大小分別為：去除分子量（Molecular cut off，MWCO）15 萬（M9）、30 萬（M1）及 0.14、0.20、0.45μm等五種，由表1 與表2 結果顯示，在濾液流量方面︰以直接過濾處理方式當薄膜孔徑為0.14μm 時所獲得濾液流量為最大，而當薄膜孔徑為0.20μm 時所獲得濾液流量為最小；另以膠凝為前處理處理方式當薄膜孔徑為MWCO 15 萬 時所獲得濾液流量為最大，而仍以薄膜孔徑為0.20μm 時所獲得濾液流量為最小。

表1 廢水直接過濾后濾液水質

表2 廢水混凝過濾后濾液水質

4 結論

本研究往陶瓷復式無機膜過濾系統，最佳過濾周期時間為90 秒、每一過濾周期最佳逆洗時間為5 秒及濃縮液每三周期排放1 次可獲得最大濾液流量。另將本過濾系統應用于廢水處理，并分別以直接過濾和以混凝為前處理二種處理方式，在濾液流量方面：以直接過濾處理方式當薄膜孔徑為0.14μm 時所獲得濾液流量為最大，而當薄膜孔徑為0.20μm 時所獲得濾液流量為最小；另以混凝為前處理處理方式當薄膜孔徑亦以去除分子量MWCO 15 萬時所獲得濾液流量為最大，而仍以薄膜孔徑為0.20μm時所獲得濾液流量為最小，這個部分視懸浮液中粒徑分布情形而定，因此在選擇薄膜孔徑時應先分析欲處理廢水中粒徑大小與分布，方能選取最佳薄膜孔徑。在過濾水質方面：混凝過濾對于濁度去除效果佳，但在TOC 和COD 的去除效果則不佳。

[1]魏鳳玉，肖翔，崔鵬，吳六四.無機陶瓷膜微濾技術澄清中藥水提液的研究[J].中成藥.2004（12）

[2]吳俊，邢衛紅，徐南平.無機陶瓷膜處理印染廢水的研究[J].應用化工 .2004（05）

[3]趙暉，金江，陳悅，徐玲玲.無機膜超濾技術在紅茶澄清中的應用[J].食品工業科技.2002（08）