高效率生物接触滤材与曝气器在废水处理上之应用.doc

高效率生物接触滤材在废水处理上的应用
蔡高荣1, 谢宏炅2, 刘颖3, 董彬彬4
（1.振钧环工技师事务所负责人、上海川源机械工程有限公司顾问 2.上海川源机械工程有限公司 总经理 3.上海川源机械工程有限公司 企划处 处长 4.上海川源机械工程有限公司 企划处 工程师）

摘要：生物反应器分解水体中之有机质时，在相同容积相同的停留时间下，欲分解更大量或复杂的有机物时，需要更大的生物质量及生物相，接触曝气法则可满足这种需求。生物质量的常取决于滤材的表面积大小及附着性的难易，及曝气系统供氧能力均决定系统的成败。高效率生物滤材的高比表面积及抗生物附着性的曝气系统可供高度及复杂性质废水选择。
关键词：接触曝气法、曝气、接触滤材、绳状滤材

一、前言
在石油化学工业及生物科技日渐发达的今天，所造成的废水性质亦日驱复杂，对于传统式的废水生物处理是一大难题。在废水处理的工艺设计上，常需串接各种不同的处理技术，好满足放流水水质符合国家放流水标准。但在制造的流程及制造者实际的情形，常因订单的多寡及产品质量的改善作业，造成制程排放水水质的不稳定或水量的急剧变动，这对废水处理的操作上，又是一大挑战。在废水流程上，是否可有一种耐高冲击负荷（Shock Loading）制程，为环境工程师的一大考验。

二、文献回顾
生物处理一般可概略分为好氧性处理及厌氧性处理，其净化能力，与细菌、真菌类、藻类、原生动物、微小后生动物等各种微生物有关，为由数十种以上的混合培养体（Mixed Culture ）以去除混合基质的处理程序，故要确立合理的设计标准及操作准则并不大容易，大多依据经验或判断较多。一般低污染性工厂所排放之废水，以好氧性处理法处理后，水质大都可达到现行放流水标准，而通常废水有机污染浓度较高的工厂，必须先实行厌氧性处理，后段再设置好氧性处理单元，才能符合放流水标准，故一般来说，好氧性处理是废水生物处理的关键。由于生物处理系统操作状况发生变异，均会引发微生物相的改变，因此微生物相可综合地反应处理的水质及操作条件；故在进行废水处理场操作处理效率改善时，以微生物观察为主的废水好氧生物处理功能诊断技术是一项重要的操作调整技术。
一般好氧性生物处理可分为悬浮生长式及附着生长式，而悬浮生长式包括活性污泥法、氧化（深）渠法等；附着生长式（一般称为生物膜法）则包括滴滤法、旋转圆盘法、接触曝气法等。由于活性污泥法之处理水BOD 可由100 mg/L 至数千mg/L ，而生物膜则仅能由10 至500 mg/L ，故目前工业废水中所采用的生物处理，约有70 ％以上好氧生物处理为悬浮生长式生物处理。
悬浮生长式生物处理由于悬浮生长式生物处理均需由后续沉淀单元得以固液分离，获得良好的处理水质，故其影响处理成效有两项主要因子，其一为有机物的分解去除效果，这可由指标微生物得以判断，其二则为污泥的沉降性，可由显微镜观察出胶羽的大小、结构（紧密或松散）丝状结构型态等作评估。兹分述如下：以有机物的分解去除效果为例，已找出活性污泥处理负荷溶氧状况与微生物相的关系，如表1活性污泥处理负荷溶氧状况与微生物相之关系所示。在高负荷状况下，其微生物相呈现多量的分散状细菌；而低负荷状况下，其有壳型原生动物会出现较多，且分散状细菌数量会非常少。根据目前的研究指出，发现原生动物在活性污泥中出现的种类与个数也会随着净化过程中有机物的减少而改变，一般原生动物的转变顺序是1.小型游泳性生物。2.大型游泳性生物。3.固着性生物。图2在活性污泥生成过程中原生动物的变迁详细表示了原生动物的出现次序，由于这个出现次序的不同，可以借着微生物相来进行曝气槽的诊断，假如观察到大量的鞭毛虫与纤毛虫时，即显示曝气槽内的有机物量很多，此时即可(1)增加空气量(2)增加回流污泥量(3)降低BOD、SS 负荷(4)延长停留时间(5)将回流污泥再曝气，使F / M 比变小，即可使情况好转。假如观察到大量固着性生物，亦即接近图2 之顶点状态时，表示处理水中的有机物非常少，

图1 由河川自净作用至废水生物处理系统

表1 生物相与有机负荷、溶氧间之关系

高负荷
标准负荷
低负荷
个体数
多 少
种类数
少 多
虫体大小形状
小形 大形
细菌类
分散状细菌类 分散状细菌类
胶羽状细菌类
原生动物
小型鞭毛虫类 植物性鞭毛虫类
织毛虫类
后生动物
移动型
游泳型 泳型
匍匐动物型
附着 固着型
有壳与否
有壳型

DO溶氧量
DO不足
DO2～3mg/l
低负荷所造成之
DO消耗量较低
原生动物
鞭毛类 织毛虫类 变形虫类
后生动物
线虫类 轮虫类 其它后生动物
细菌类
分散状细菌类 丝状性细菌类 胶羽状细菌类

是处于好的状态，因此继续稳定地操作即可。假如虽然仍可观察到固着性生物，不过大形变形虫与后生动物轮虫类越来越多，这是显示由于F / M 比变得非常小，污泥解体，而只有极少数的有机物残留，必需(1)降低溶氧量(2) 进行污泥的移除(3)提高BOD、SS 负荷(4)缩短停留时间，才可改善处理状况。
附着生长式（生物膜法）生物处理一般在旋转生物圆盘法中容易观测出生物膜的数量，但在其它的生物膜法，如接触曝气法与滴滤法进行生物膜的定量测定就比较困难。所有的生物膜法其曝气槽内所能维持之污泥量（生物膜量）通常都比活性污泥法高，然而生物膜量越多并不表示处理水质越好；相反的，生物膜量如果太多，反而容易成为阻塞与产生厌气恶臭的原因。以旋转生物圆盘法而言，生物膜量如果在5 ~ 10 mg / cm2或更高，就会引起架桥（生物膜变得太厚，使圆盘间闭塞的现象），于是产生了恶臭。生物膜量通常是以BOD 负荷来决定的，一般在1 ~ 5 mg / cm2的程度。在接触曝气法的生物膜量最好是2,000 ~ 5,000 mg/L ，若在4,000 ~ 6,000 mg/L 或更高，就会产生接触材料的阻塞，一旦发生阻塞现象，就必须进行逆洗。还有，在旋转生物圆盘法中也有以加压水将生物膜强行剥离的设计例，这种生物膜量的测定及作此种适当的控制在处理上是必要的。在控制生物膜量的同时，也必须进行显微镜观察，并配合生物膜的色泽、臭味鉴定，以判断微生物相正常与否。在高负荷与低负荷的情况下比较生物膜微生物相，多半不像活性污泥，能较容易的以微生物相来反应处理水质。这是因为BOD 负荷越高，生物膜越厚，使好氧性与厌氧性二种微生物皆能生存的缘故所致。在低负荷时，由于生物膜薄，因此膜的表面与深处的微生物相没有太大差别，因此可以认定在生物膜内层出现的微生物种类与BOD 负荷有很大的关系。
固定式生物膜反应器之特性固定式生物膜反应器乃藉生物膜之吸附作用，而形成局部高密度生物处理系统，再进行污染物之分解，此系统类似一具连续式生物反应器及吸附床之结合系统（Mashayekhi，1993）。而有机污染物之去除机制乃取决于其经扩散而至液膜附着，之后再扩散入细胞生物质量中，因此传输过程决定于质传及扩散阻抑。而生物膜内又可形成氧化、无氧化、厌氧等状态，因此随着固定化生物膜之氧气及营养源物质浓度梯度，而形成不同微生物分解生态（Lupton，1979）。所以在通气状况下，生物膜反应器中，兼具有好氧及厌氧性环境及处理活性。固定化生物质量乃是藉由微生物细胞生长分裂过程中，产生并释放胞外之聚合醣胶体物质（polysaccharide gels ；此生物黏膜现象于地下水含水层、河床、水管中常可发现），一旦微生物附着在其表面，其活性则取决于表面之局部状态，例如，营养物、基质、电子接受者及供给者等物质之传送。而此胶体媒介之捕捉及吸附污染物之能力，乃是分解代谢之必要条件（Alexander，1980）。依此模式，被分解或待分解有机物因被胶体捕捉而延长了停留时间，进而利于分解。由于胶体物亦可吸附其它微生物菌体，所以会随外在废水负荷及条件而改变菌相生态。因此可推论生物膜之微生物相乃是时间及生物膜厚度之函数，生物膜厚度乃取决于基质通量（flux）、膜上之生物生长及活性降减速率等因素（Bryers，1987）。
一般而言，固定式生物膜反应器较悬浮生长式系统具有较佳之特性（Criddle， 1991），尤其在处理有害性与生物难分解性工业废水时，采用固定式生物膜反应器技术之生物程序处理时，有下列几项重要优点：
1.生物处理技术在常温、常压条件下操作，所使用之设备费用较低。
2.生物处理程序能自我维持，所需之维修及再生工作量甚低。
3.有害性化学品如phenol、BTEX 等，均可被完全矿化成无害之二氧化碳及水。
4.微生物具多用途性，极易取得与大量培养。
5.更符合EPA 之自然降减无二次公害之要求。
固定式生物膜反应器技术除具上述之优点外，与传统之活性污泥及其它类似之活性碳生物处理技术相较，更具有下列之优点（Jewell，1983）：
1.具较高之水力负荷率，因为固定式生物膜反应器系统不需要藉提高微生物生长率，来维持生物触媒之活性。其生物反应器效率高，所需要之硬件投资较低，处理同样废水量所需之场地面积较小。
2.固定式生物膜反应器不必藉微生物之生长与增加，来维持生物触媒之活性，如此处理过程所产生之污泥即生物菌体量较少，因此可大幅减少污泥清理费用。
3.固定式生物膜反应器对生物触媒之保留及保护效果较佳，可增强整个处理程序之稳定性及对环境负荷之包容及吸收能力。
4.固定式生物膜反应器之固定化细胞，可选择特定之微生物，而不必担心微生物间彼此之竞争。
影响固定式生物膜反应器处理效果之因素：
一、接触滤材Cassidy（1996）在泡棉的研究指出，微生物附着的速率与接触滤材载体表面孔洞大小、电性及亲水性有密切的关系。Webb（1990）也针对高效率担体在微生物及工程上之应用做出建议，在微生物方面，担体之参数条件必须具备高效率群集、高比表面积作为群集之基地、可调式孔径、高孔径体积、开孔性及表面可改变性等，另外工程参数需考虑几何形状、可逆洗、不易阻塞及机械强度等。
接触滤材所扮演的主要角色包括提供微生物附着的表面及提高反应槽内污泥的浓度，故滤材本身的特性将影响反应槽的操作条件，一般越小尺寸的滤材较能提供较高的微生物附着表面积，虽然污泥浓度提高，但由于污泥颗粒的密度相对降低无法承受较高的水力负荷。滤材表面的粗糙程度也会影响生物膜的生成，一般越粗糙表面越有助于生物膜之生成。
由于比表面积是支配滤材单位容积形成生物膜量的因素，比表面积越大的接触材料，不仅对溶解性物质，对于悬浮物质的去除机能也佳。
二、曝气方式
一般固定式生物膜法曝气方式可分为鼓风机曝气、曝气机曝气及泵浦曝气等方式，应用时除需考虑经济性、处理效果、操作方便性，还需考虑曝气之形式。由于附着在担体上之微生物，必须供给其所需之氧量，因此以全面曝气方式较侧面曝气、中心曝气等方式，较不易有阻塞及偏向流程和剥落污泥不易排出之问题。使用全面曝气方式之特性为：
1. 生物膜与废水之接触率佳，基质与氧可较有效的与生物膜接触。
2. 老化生物膜因曝气而剥离排出，因此生物膜较具活性，因而处理机能较安定。
3. 设计较具弹性，反应槽的形式不受限制。
4. 曝气量控制容易，对流量或水质的变动容易对应。
5. 不需装设反冲洗设备，操作管理容易。
三、反应器数目的决定，基于下列因素考虑，应以多段设计为宜：
1. 槽体定期检查、清理的需要。
2. 防止发生短流。
3. 提升处理效率。
同时，反应器系统前应有均匀分流或整流设备，以达处理效果。在一般之研究均指出，固定式生物膜法以绳状接触材料进行单槽及2 段处理结果，在同一负荷下，2 段处理者其 BOD 去除率远高于单段处理（Welch，1969）。故设计都以多段为宜。若负荷过大，则会造成第1 段淤泥蓄积阻塞，供氧不足之问题。
四、有机负荷
有机负荷同时包括进流水BOD 浓度及水力停留时间二因子，对于处理效果之影响很大。一般操作控制以水力停留时间为主，最佳的停留时间因废水性质而异，需由实验中求得。
五、温度
固定式生物膜反应器与其它生物处理法一样，温度每增加10 ℃其反应速率
增加2 ~ 3 倍（Antonie，1974），但温度亦不可太高，如超过40 ℃，反应速率反而降低。低温时反应速率也会降低，但水温只要保持在13 ℃以上，则水温对去除率之影响不大。欧阳峤晖，1980）
六、溶氧
固定式生物膜反应器藉由曝气方式使微生物与空气接触来获得氧气，因此与曝气量有密切关系。在一般情况下，反应槽溶氧应至少维持在2 mg/L 以上（Huang，1980）。
七、pH 值
固定式生物膜反应器之pH 应控制在适当范围内，pH 值变化幅度太大对微生物有不利之影响。根据Eckenfelder（1989）之研究，大多数微生物在pH 高于10 或低于4 时，即无法生存，太低之pH 值会引起微生物酵素蛋白之变性，而高pH 值，氢氧离子对微生物具有毒性，一般生物处理时，其pH 值多维持在6.5 ~ 8 之间。

三、常见之生物滤材
生物接触滤材系将滤材浸渍于废水当中，用曝气方法使废水均匀循环于滤材间之空隙，后藉生物接触滤材附着生成生物性黏膜，以氧化分解成有机物质，而达到水质净化为目的，其种类很多如：网状绳状、圆筒状、球状、及蜂巢式等接触氧化选择滤材材质及特性很重要，可左右其处理效果，重点在于本体强度，因生物污泥容易附着生长，因而附着之生物污泥量之堆积，将加重生物滤材本身之荷重，故生物滤材须要有具备机械机构力之强度。如图2 所示。『绳状滤材』为核心之新型生物处理系统，因对固体物具有良好之截留能力，并可提供良好生长环境，以增殖特殊及多样性之微生物族群，对水中多种污染物均能有效分解，改善以往其它滤材无法有效附着及截留微生物之缺点。
一、接触滤材具有下列之特点：
1.采用绳状滤材为反应槽之介质，提高悬浮固体物拦截机会，由于滤材属于开大孔隙率，有助于水流流况之稳定。
2.绳状滤材提供广大表面积作为微生物附着、增殖之介质，可累积大量生物膜微生物，有助于各种污染物之去除。
3.绳状滤材上成长大量微生物，反应槽具有高负荷、高效率、高稳定性的优点。
4.成长于绳状滤材之生物膜型态，有助于特定族群微生物之驯养。
5.采用固定床方式操作，操作简易。
6.对于有机污染物之处理，绳状滤材之成本与蜂巢状滤材材质略贵，但处理功能为綘巢状滤材之二倍。
二、接触滤材之种类及形状现在使用之接触材料很多，而以具强度高、比重小、孔隙率及表面积大等特性之聚乙烯(polyethylene)、氯乙烯(vinyl chloride)等合成树脂材料最佳，且制造有各种形状。目前所使用之种类及形状如下 :
1. 不均匀之粒状体：砾石、碎石、坑火石、焦媒蟹壳、石灰壳、塑料片等。
2. 均匀之成型粒状体：管片、变形管片、杆环。
3. 棒状、绳状：木棒、多环等。
4. 板、多浪板体：石绵板、木板、塑料网、波板等。
5. 有孔管体：蜂巢管、多孔性圆筒等。
三、优缺点
1、优点：
(1)由于系利用附着接触材料表面之生物膜，因此接触槽单位容积表面积(比表面积)较大，可保持更多的生物膜。
(2)由于附着之微生物污泥龄长，生物相多而呈安定状态，同时亦可促进微生物自行氧化，故污泥量少。
2、缺点：
(1)附着之微生物膜量不易调节。
(2)在高BOD 负荷或高SS 负荷下操作，由于生物增殖，会造成滤池阻塞。
(3)剥落之生物膜在终沉池中不易沉淀，亦即容易自溢流堰流失而增加放流水SS 浓度。
由于废水生物处理正面临转型的关键时刻，传统活性污泥法已无法满足日益严格的环保要求，该技术具有提升处理槽效率、降低二次污染、简化操作、提升稳定性等优点，尤其适合处理低负荷、高流量之操作，切合未来之需求，并具有下列之产业效益：
(1)建立整合性废水处理，减少二次污染物。
(2)降低废水处理场的投资和操作成本，减少工业生产成本，增进国际竞争力。
(3)吸引相关市场投资。
四、应用领域
串接于既有的二级生物处理系统之后，去除废水中难分解或毒性物质，提升COD 去除率，降低三级处理成本。应用于自来水受污染水源之前处理，去除有机物、氨氮及硝酸氮。应用于地下水整治，去除水中有机物、氨氮，或硝酸氮等。作为工厂既有生物处理系统的前处理，预先去除部份COD，减轻现有系统的负担，增加整体去除率，也增加系统的稳定性。应用于新设置的废水处理系统，减少用地，简化操作。
图2 常见的生物滤材

特性
生物滤材名称
泡棉
拉西环
好浮流动式生物接触滤球
蜂巢式接触滤材
球状接触滤材
网状接触滤材
图片

化学组
成分
聚亚氨酯
聚丙烯
PE
（HPE/PP/PVC）
ABS
耐酸碱PVC材质
聚丙烯
聚丙烯
形状
网状方块形
圆柱形
球形
波浪开放接触型
球型
放射圆弧状缠绕
空隙率
93%
95%
93%
98.7%
95%
99%
密度
58kg/m3
41 kg/m3
--
--
1400个/m3

共同特性
1、 不需要回流污泥，维护操作管理容易，单位体积的生物性污泥保持量较多，设备处理能力大。
2、 可以有效的去除生物分解性或分解速度较低的基质，对水温变化的适应能力高。
3、 对水质水量的剧烈变化适应能力强，可收到好氧性及厌氧性作用同时产生的效果。
4、 可将低浓度废水作有效的处理，可获得头适度较高的处理水质，并能有效处理COD。
5、 污泥的产量体积较少为生物膜所共有的特性、无活性污泥膨胀困扰。
6、 由于表面积大，故具有优异的处理性能、孔隙率极大，透水抵抗力极小，不会造成接触滤材堵塞现象。
7、 价格低廉、安装容易、经济实惠。

结论
高效率的生物滤材有助于高质量生物膜的附着，对于高有机负荷及高冲击特性性质的废水，有其一定的处理效果及耐冲击的能力，可简化操作，对于生物处理系统技术的增长有非常好的效果。

参考文献
[1] 邱于特、周志儒「利用固定膜式反应器系统处理炼油厂废水之研究」，高雄第一科技大学，2002，台湾高雄
[2] 欧阳峤晖「接触曝气法之设计、操作管理」，工业污染防，1982，pp.146~154
[3] 郑幸雄、陈贤焜「固定生物膜法处理高氨氮垃圾渗出水硝化脱硝程序」，第十九届废水处理技术研讨会，1994，pp103~107
[4] 蔡高荣、洪崇轩，「并用式曝气系统传氧效率之探讨」，高雄第一科技大学，2003，台湾高雄
[5] 欧阳峤晖编着，「下水道工程学」增订版，长松出版社，pp.411~435
[6] Design of Municipal Wastewater Treatment Plants , WEF Manual of Practice No8 pp675~820
[7] Characklis,W.G., 1981, Fouling Biofilm Development; A Process Analysis Vol.XXⅢ，pp.1923~1960
- 8 -