MBR生物處理技術 -...

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財團法人台灣產業服務基金會


MBR生物處理技術（Membrane Bioreactors）

張王冠研究員

工業技術研究院

環境與安全衛生技術發展中心

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好氧生物處理

有機污染物＋ O2

微生物細胞能量

＋無法利用殘餘物＋CO2＋H2O

微生物微生物

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活性污泥

是一種絨絮狀的膠羽，由好氧菌為主體構成的微生物群，其他尚含有有機性、無機性膠羽和懸浮物等。

細菌

原生動物

其他微生物

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膜離生物反應技術

膜離生物反應器技術

傳統活性污泥程序缺點：•無法忍受太大之負荷變化•產生大量污泥•出流水水質不穩定•空間需求大

New Approach新型薄膜應用技術

提昇處理效率降低污泥產率資源回收

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The Filtration Spectrum

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薄膜分離操作原理與方式Phase Membrane

operation Driving force Mechanism

of separation Membrane structure

1＊ 2 Microfiltration Pressure Sieve Macropores;

pore size 0.1-10 µmL 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.

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Membrane A membrane is a semi-permeable barrier that selectivelySeparate constituents in a liquid or gas stream

Particle orSoluble components

Water orSoluble components orSelected ions

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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

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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

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生物脫氮

硝酸氮（電子接受者）碳源（電子供給者）進出流方式

基質傳輸硝酸氮傳輸處理水傳輸

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MBR生物脫氮之應用型式薄膜

處理水

薄膜

脫氮生物膜

甲醇或乙醇(碳源)

磷酸鹽

原水

硝酸氮

處理水氮氣

薄膜脫氮生物膜

甲醇或氫氣(基質)

磷酸鹽

氮氣

原水

硝酸氮

處理水

薄膜

原水

硝酸氮

處理水

乙醇或醋酸(碳源)

原水

微生物

硝酸氮

氮氣

乙醇(碳源)

微生物

氮氣

(a)硝酸氮傳輸與生物膜應用方式

(d)硝酸氮傳輸與懸浮微生物應用方式(c)基質傳輸與生物膜應用方式

(b)處理水傳輸與懸浮微生物應用方式

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固液分離型MBR技術

出流水

空氣

進流水

進流水貯槽進流水泵浦膜離生物反應器

出流水泵浦

薄膜模組

曝氣機

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商業化MBR程序規模與家數演變

年廠家數最大處理量

m3/day

1993 4 125

1995 20 250

1997 70 800

1998 150 1907

1999 237 7100

2000 ？ 12700

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薄膜費用大幅降低

050

100150200250300350400450

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005

年

薄膜費用（

US$

/m2 ）

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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

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MBR與傳統活性污泥程序之比較

進流放流

放流進流（可回收使用）

傳統活性污泥程序

膜離生物反應器程序

活性污泥槽I

活性污泥槽II

沈澱槽砂濾槽消毒槽

薄膜分離

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MBR操作型式

Recirculated MBR

Excess Sludge

Influent

Effluent

Excess Sludge

Influent

Integrated MBR

Effluent

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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。

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傳統式活性污泥（AS） vs. MBR

處理種類 HRT（h） SRT(d) MLSS(mg/L) Energy(Kwh/m3)Sludge

Yield(kgSS/kgCODr)

AS 3~24 3~10 3000~5000 0.3~0.5

MBR 1~4 10~30 5000~30000 0.3~2 0.2

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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

•擾流操作•剪力作用•穿膜壓力

•特殊微生物或族群•微生物環境篩選•生物分解機制

降低結垢，提高穿透通量

提高分離／傳遞效率

反應速率快，污泥產率低

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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

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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)

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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

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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

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 ~25 100-300

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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。

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Web-MBR操作概念示意圖水流方向

濾過液流向

污泥膠羽

單細胞/微粒

操作時間

濾過液流向

薄膜

過膜壓力

表面剝落

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過濾物大小與薄膜孔徑之關係污泥膠羽 (＜100μ)

單細胞/微粒(＜10μ)

薄膜pore size(＜20μ)

Web-type 薄膜 Hollow Fiber 薄膜

污泥膠羽 (＜100μ)

薄膜pore size(＜0.1μ)

單細胞/微粒(＜10μ)

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Case1:食品製程廢水水質

分析項目濃度 (mg/L) 分析項目濃度 (mg/L)

pH 7.40 VSS 65

TCOD 372 TKN 25

SCOD 177 NH3-N 14

BOD 82 TP 2.0

SS 70 油脂 15

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進出流水水質變化

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

0 3 6 9 12 15 18

操作天數(days)

pH

進流水

出流水

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0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100 120 140 160

操作天數 (days)

CO

D濃度

(mg/

L)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

體積負荷

(kg

CO

D/m

3 .d)

進流水

出流水

COD體積負荷

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

操作天數 (days)

進流水

CO

D濃度

(mg/

L)

總COD

溶解COD

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0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 50 100 150 200

操作天數 (days)

SS濃

度 (mg/L)

進流水

出流水

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200

操作天數 (days)

pH

進流水

出流水

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操作壓力與滲透通量變化

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100 120 140 160

操作天數 (days)

操作壓

力(k

Pa)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

通量

(m3 /

m2 .d

)

操作壓力

通量

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Case3:W公司廢水處理流程-既有既有廢水處理流程與預定功能提昇研究部份（黃色標記處）：廢水量：910 CMD

調勻池

中間調勻池放流水

熱交換器高濃度廢水活性污泥槽

化學混凝

加壓浮除槽

H2SO4NaOH

PACpolymer

沈澱槽

污泥貯槽

污泥餅脫水機

污泥

污泥

低濃度廢水

pH調整槽

Q: 300 CMDCOD：500-750 mg/LCOD：150-225 kg/day


Q: 300 CMDCOD：～200 mg/L

V: 200 m3HRT: 16 hrs

V: 700 m3V: 50 m3A: 25 m2

V: 25 m3

V: 80 m3HRT: 6.4 hrsCOD Loading: 1.9-2.8 kg /m3.day

A: 30 m2

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MBR處理技術應用

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (days)C

OD

rem

oval

(%)

CODt

CODs0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (days)

CO

D(m

g/L)

進流-CODt

進流-CODs出流

• 僅用MBR生物處理即可將廢水中的COD去除至符合放流水標準。• 免除既有處理系統尚須後續化學處理所需藥劑費用，以及衍生的污泥和委外處置費用。

W公司MBR研究期間之COD去除功能

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W公司廢水處理流程-修改方案

中間調勻池

放流水

熱交換器高濃度廢水 MBR槽（原調勻池+原活性污泥槽+原沈澱槽）

化學混凝

加壓浮除槽

H2SO4NaOH

PACpolymer

污泥貯槽

污泥餅脫水機

污泥污泥

低濃度廢水

pH調整槽



Q: 900 CMDCOD：～360 mg/L

V: 700 m3

V: 25 m3

V: 200 m3+80 m3 +50 m3 =330 m3HRT: 8.8 hrsCOD Loading: ～1 kg /m3.day

A: 30 m2

Q: 900 CMDCOD：

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