報告人：張王冠 -...

財團法人

工業技術研究院環境與安全衛生技術發展中心

1張王冠, 07/2005Email: [email protected]: (03)5732975

水及廢水高級處理實務技術講習班

膜離生物反應器(MBR)技術原理及應用

報告人：張王冠

工業技術研究院

環境與安全衛生技術發展中心

財團法人



薄膜分離操作原理與方式

Phase Membrane operation

Driving force Mechanism of separation

Membrane structure1＊ 2

Microfiltration Pressure Sieve Macropores; pore size 0.1-10 µm

L L

Ultrafiltration Pressure Sieve Mesopores; pore size 1-100 nm

L L

Nanofiltration Pressure Sieve + (solution/diffusion, + exclusion)

Micropores; pore size 2 nm

L L

Reverse osmosis

Pressure Solution/diffusion + exclusion

Dense skin; pore size 1 nm

L L

Pervaporation Activity (partial pressure)

Solution-diffusion Dense L G

Membrane stripping

Activity (partial pressure)

Evaporation Macropores L G

Membrane distillation

Activity (temperature)

Evaporation Macropores L L

Dialysis Activity (concentration)

Diffusion Mesopores L L

Electrodialysis Electrical potential Ion exchange Ion exchange L L ＊Phase 1 is the feed.

財團法人



The Filtration Spectrum

財團法人



膜離生物反應器技術

膜離生物反應器技術（Membrane Bio-Reactor Technology）

Solid-Liquid Membrane Separation Bubbleless Aeration Membrane Bioreactors Extractive Membrane BioreactorBioreactor

固液薄膜分離生物處理槽無泡曝氣生物處理槽萃取式薄膜生物處理槽

Oxygen

InfluentInfluent

EffluentEffluent

Bioreactor

Biofilm

Hollow FiberMembrane

BubblelessOxygen Transfer

Influent(containing organic pollutants)

Oxygen

Effluent(organic pollutants extracted)

Extr

activ

e M

embr

ane

Rec

ycle

Suspended SolidsBioreactor

Nutrients

Influent

Bio

mas

sR

ecyc

le

Suspended SolidsBioreactor

Permeate

MembraneFilter

BAMB EMBSLMSB

財團法人



MBR技術發展現況

MBR型式

技術特點

主要研究區

域

可應用領域

目前國際發展階段

SLMSB 1. 污泥量少 2. 處理水質佳 3. COD去除率高

日本、德、

法都市污水垃圾滲出水食品工業化學工廠廢水自來水除氮

已有商業化

BAMB 1. 無泡曝氣 2. 氧傳送速率提高

英、美廢氣處理含 priority有機物水及廢水處理地下水處理

實驗室階段

EMB 1. 對特殊行業廢水處理相當有效

2. 菌種選擇很重要

英含鹽份、無機物之有機物廢水(如染料製造業、製藥業廢水) 含低濃度有機毒性物質廢水

實驗室規模，開始進入

商業化階段

財團法人



現有生物/薄膜程序應用案例數目處理容量 (m3/d) 100,000系統供應商都市污水板框式MBR2 Kubota ~ 200 ~490 ~ 220 8 2 中空纖維MBR Zenon 5 45 45 16 三級處理＋MF3 Memcor 18 9 1 工業廢水＋掩埋滲出水板框式MBR Kubota 24 ~ 220 ~ 100 5 1 中空纖維MBR Zenon 1 24 85 16 2 支流式MBR Wehrle 4 32 25 3 1 三級處理＋MF3 Memcor 5 1 1. Lesjean, B, et. al. (2004). Membrane-aided biological wastewater treatment – an overview of applied

systems, Membrane technology, August 2004, pp. 5-10. 2. 另有約 60個糞便處理之應用案例，平均處理容量為 100 m3/d 3. 2003 年數據

財團法人



MBR之全球應用趨勢

0

100

200

300

400

500

600

財團法人



MBR與傳統活性污泥程序之比較傳統活性污泥程序

進流

進流

活性污泥槽沈澱槽砂濾槽消毒槽

薄膜模組

放流

放流（可回收使用）

膜離生物反應器程序

財團法人



MBR技術特點現有技術遭遇之問題 MBR 之技術優點

無法忍受太大之負荷變化污泥濃度高，可處理高濃度變化

反應速率慢污泥濃度高，處理系統單位活性增加

不易分解多種污染物污泥停留時間（SRT）可相當長，生長速率緩慢的微生物得以滯留與增殖，有利於特殊或難分解

污染物的去除。

截留難分解之高分子物質，增加處理效率。

產生大量污泥維持低 F∕M 比，減少廢棄污泥量。

處理水水質不穩定 Biomass 可完全截留，沒有傳統程序污泥分離的問題。

可去除細菌和病毒，利於處理水回收再利用的水質要求。

空間需求大處理系統不需沈澱單元，可大幅節省空間。

污泥濃度高，處理系統單位活性增加，進而減少處理槽體積。

財團法人



傳統式活性污泥（AS） vs. MBR處理種類 H R T（ h） S R T (d) M LS S (m g/L) E nergy

(K w h/m 3)S ludge

Y ield (kgS S /kgC O D r)A S 3~24 3~10 3000~5000 0 .3~0 .5

M B R 1~4 10~30 5000~30000 0 .3~2 0 .2

參數 AS MBR

污泥齡 (d) 20 30

COD 去除率 (%) 94.5 99

DOC去除率 (%) 92.7 96.9

TSS去除率 (%) 60.9 99.9

氨氮去除率 (%) 98.9 99.2

總磷去除率 (%) 88.5 96.6

污泥產率（kg VSS COD-1 d-1)

0.22 0.27

Floc平均直徑(μm)

20 3.5

財團法人



固液分離型MBR 技術

好氧薄膜反應器厭氧薄膜反應器

Recirculated MBR

Excess Sludge

Influent

Effluent

Excess Sludge

Influent

Integrated MBR

Effluent

財團法人



國內、外技術現況

好氧薄膜反應器技術厭氧薄膜反應器技術

國內技術現況

工研院開發與建立不織布MBR技術

目前工研院投入研究開發

國外技術現況

有3-5家商品化技術，領先廠商為加拿大Zenon、日本Kubota等

80年代初期曾有實廠出現但不成功，目前仍積極研究

財團法人



好氧薄膜處理系統

出流水

進流水

進流水泵浦

出流水泵浦

薄膜模組

空氣

膜離生物反應器進流水貯槽曝氣機

財團法人



厭氧薄膜處理系統

Biogas or Air

Raw water

Waste sludge

Air

Effluent 厭氧槽好氧槽薄膜分離槽

財團法人



MBR技術重點

微生物

薄膜流力

•親／疏水性•孔隙大小分佈•模組設計•生物穩定性

降低結垢，提高穿透通量提高分離／傳遞效率

•特殊微生物或族群•微生物環境篩選•生物分解機制

反應速率快，污泥產率低

•擾流操作•剪力作用•穿膜壓力

財團法人



影響積垢之因素

影響積垢因素

操作狀況薄膜微生物

孔隙率

疏水性

材質

型態

孔隙大小

溶解物質

污泥結構

胞外高分子物質

濃度

污泥顆粒大小

HRT/SRT

曝氣

橫流速率

操作型式

透膜壓力

財團法人



薄膜過濾特性

J = ΔPT/(μ‧Rt)Rt = Rm + Rc + Rf其中J：滲透通量ΔPT：透膜壓力μ：滲透液黏度Rt：總過濾阻力Rm：薄膜本身阻力 (intrinsic membrane resistance)Rc：薄膜表面濾餅層之濾餅阻力 (cake resistance)Rf：溶質吸附於薄膜孔洞與孔壁所引起之積垢阻力(fouling resistance)

財團法人



Crossflow and Dead-end Filtration

濾餅層

薄膜

進流

滲透液出流

滲透液出流

濾餅層厚度

濾餅層厚度

滲透液出流

Dead-end filtration Crossflow filtration

財團法人



各種固液分離型MBR使用薄膜

公司名稱薄膜型式

Zenon (ZeeWeed) 0.036μm或 0.1μm中空纖維

Mitsubisi Rayon 0.4μm中空纖維(聚乙烯)

Wehrle werk Ag 管狀 UF(polysulfone)

Orelis Mutsui Chemicals 平板式(聚丙烯材料)

Kubota 於不織布塗上一層 0.2μm~0.45μm厚之多孔性(孔徑大

小 0.4μm)之高分子塗層(板框式)

CESH/ITRI 30-100μm 不織布

財團法人



微孔MBR 技術-中空纖維

財團法人



微孔MBR 技術-板框式

財團法人



不同MBR設計型式比較單位板框式 2 中空纖維支流式 2 薄膜/模組型式 - 平板束狀管狀淨通量 L/h.m2 15-25 20-30 70-100 MLSS建議值 g MLSS/L 10-15 10-15 15-30 薄膜佔好氧槽體

積比率 % 30-100 10-40 置於槽外

能量消耗 kWh/m3 0.3-0.6 0.3-0.6 2-10 成本 -/m2 高中很高 pH範圍 - 1-12 2-11 1-13 操作溫度 °C < 60 < 40 < 100 1.Lesjean, B, et. al. (2004). Membrane-aided biological wastewater treatment – an overview of applied systems, Membrane technology, August 2004, pp. 5-10.2.板框式: Plate-and-Frame；支流式: Side stream

財團法人



國際上主要MBR設備之比較 Zenon

Environmental

Kubota Mitsubishi Rayon USFilter

薄膜種類中空纖維平板中空纖維中空纖維

型式垂直浸入垂直浸入水平浸入垂直浸入

孔隙大小(μm) 0.04 0.4 0.1或 0.4 0.1 材料專利材質 PE PE PVDF 預估薄膜壽命 8 年未知未知 5-10 年

薄膜出水幾乎連續連續間斷連續

薄膜曝氣粗氣泡粗氣泡粗氣泡噴流

反洗設計有無無有

現地清洗設計有有無有

操作中案例 Arapahoc

County, CO (1.4

mgd)

Wessex Water,

UK (3.3 mgd)

Byfield, MA (0.1

mgd)

King County, WA (模廠設備)

*Crawford, G. (2002). Competitive bidding and evaluation of membrane bioreactor equipment – three large plant case studies, ‘Proceedings WEFTEC 2002’, Chicago, USA, September 28-October 2, 2002.

財團法人



Zenon Kubota Mitsubishi USFilter 薄膜

種類

型式

孔隙大小

模組尺寸

安裝位置

中空纖維

垂直浸入 0.04 μm

31.6 m2 分離槽

平板

垂直浸入

0.4 μm

0.8 m2

反應槽

中空纖維

水平浸入

0.4 μm

105 m2

反應槽

中空纖維

垂直浸入

0.1 μm

9.3 m2

分離槽

篩網規格 ≦2 mm ≦3 mm ≦2 mm ≦2 mm

通量管理

m3/m2/hr 曝氣方式

0.37

10秒開/10秒關

0.53 持續

0.73 持續

0.18 持續

通量操作

平均，L/m2/hr

尖峰(≦6 hrs)，

L/m2/hr

17-25

< 42

17-25

< 59

8.5-12 均勻

17-25

財團法人



MBR 技術發展（日本）

1970

1980

1990

2000

First generationSide-stream UF MBR

Nightsoil Treatment

Industrial WastewaterTreatment

Wastewater Reclamation in buildings

Second generationSubmerged MF MBR

JokasoOn-site Domestic

Wastewater Treatment

Sewage Application Third generation？

Aqua-Renaissance ‘90National Project

財團法人



工研院Web-type薄膜的特性

•具有比微孔薄膜較低之過濾阻力(即低透膜壓力)，但可達到類似之出流水質。

•對薄膜成本而言，不織布薄膜較微孔薄膜低。

• 不織布薄膜對進流水水質要求較低，可使用較簡單之前處理單元。

財團法人



過濾物大小與薄膜孔徑之關係

單細胞/微粒(＜10μ)

薄膜pore size(＜20μ)

污泥膠羽 (＜100μ)

薄膜pore size(＜0.1μ)

單細胞/微粒(＜10μ)

污泥膠羽 (＜100μ)

Web-type 薄膜 Hollow Fiber 薄膜

財團法人



各種MBR技術比較Parameter Kubota Mitsubishi

Rayon Zenon Orelis or

Wehrle CESH/ITRI

Membrane geometry flat plate hollow fiber hollow fiber

tube Tube/ flat plate

Process configuration submerged submerged submerged side-stream submerged

Mean air velocity (m/s) 0.05 0.03 0.1 - 0.01

Mean liquid velocity (m/s)

0.5 - - 1-3 -

TMP(bar) 0.05-0.12 0.1-0.5 0.1-0.5 3-5 0.05-0.2

Flux(LMH) 15-35 20-50 40-70 70-130 10-30

Permeability(LMH/bar) 250-500 100-200 150-400 ~25 100-500

$ ? ? ? ?

財團法人



比較不織布與微孔MBR系統

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Time (days)

Effl

uent

CO

D(m

g/L)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Influ

ent C

OD

(mg/

L)

Web-MBR

MR-HF

Influent

財團法人



MBR之應用

•生活污水處理•工業廢水處理

財團法人



生活污水處理

•在缺乏土地與土地價格較高之都市區域，提供省空間之技術工業廢水處理

•提供可直接回用之出流水質或做為脫鹽及純水單元之前處理

財團法人



工業廢水處理

•相對於生活污水，工業廢水濃度較高，水力需求較低，與傳統生物程序相比較，薄膜模組增加

之成本，可與土木節省之費用取得平衡，因此

MBR程序較具競爭力。•MBR可完全截留非溶解性COD與分解之，且加強難分解COD之去除，均是MBR技術在工業廢水處理之優點。

財團法人



工業廢水處理應用

• 食品與飲料製造廢水• 化妝品製造水• 紡織業廢水• 紙業廢水• 化學品製造業• 製藥業• 皮革業• 洗衣業• 掩埋場滲出液

財團法人



應用案例

•食品廢水處理•生活污水處理

財團法人



食品廢水處理

油脂廢水加壓浮除 MBR槽放流水放流槽

污泥貯槽脫水機廢棄污泥

2 4 85

6

7

1油水分離

9

食品廢水

3

財團法人



食品廢水處理

0

500

1000

1500

2000

2500

1 8 15 22 28 34 40 44 50

Time (days)

CO

D (m

g/L)

0

1

2

3

4

5

6

Vol.

Load

ing

(kg

CO

D/m

3 .d)

InfluenteffluentVol. loading

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1 8 15 22 28 34 40 44 50

Time (days)In

fluen

t SS

(mg/

L)

0

5

10

15

20

2530

35

40

45

50

Efflu

ent S

S (m

g/L)

InfluentEffluent

財團法人



食品廢水處理

0

1

2

3

4

5

6

7

1 8 15 22 28 34 40 44 50

Time (days)

DO

(mg

O2/

L)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

MLS

S (m

g/L)

DOMLSS

0

1

2

3

4

5

6

1 8 15 22 28 34 40 44 50

Time (days)TM

P (k

Pa)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

Flux

(m3/

m2.

d)

TMP1TMP2Flux

財團法人



生活污水處理

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100 120

Time (days)

CO

D (mg/L)

Influrent

MBR-1

MBR-2

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Time (days)

COD removal (%)

MBR-1MBR-2

財團法人



生活污水處理

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80 100 120

Time (days)

NH

3-N (mg/L)

Influrent

MBR-1

MBR-2

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Time (days)

NH

3-N conversion (%)

MBR-1

MBR-2

財團法人



延長薄膜壽命（改善清洗策略、前處理方法及薄膜材質）

探討與降低薄膜積垢（藉由適當程序設計、操作條件及化學清洗方法）

薄膜及模組壽命保證與長期操作性能數據，以加強市場信心

不同品牌模組規格之標準化，以降低薄膜更換成本

降低能量需求（曝氣、薄膜阻力等）

降低人力需求（自動化操作）

建立最適程序（設計、程序組合、操作條件等），以降低初設與操作成本

大型廠之放大應用（降低人力與維護成本）

系統標準化（系統模組化，以降低設計與建造成本）

未來展望

財團法人



結論

• MBR加強生物處理之效率與可靠性，具有省空間、高效率與易操作等優點。

• 處理水水質佳，提高廢水回收再利用之可行性。• 更經濟有效膜材之開發應用，及提高其比表面積與薄膜通量，將是本技術未來推廣應用之主要關鍵。

工研院Web-type 薄膜的特性

報告人：張王冠 -...

Documents

Transcript of 報告人：張王冠 -...