TWI419848B - 去除水中有機物之裝置及其方法 - Google Patents

Description

去除水中有機物之裝置及其方法

本發明係關於一種去除水中有機碳的裝置及其方法，特別是一種用於高級淨水處理程序，以降低水中微量有機物之裝置，及以該裝置提供一種分解水中微量有機物之方法。

一般淨水廠對原水的處理程序，係由集水區如水庫或湖泊取得原水，先將該原水進行「前加氯」或「前臭氧」處理後，再進行膠凝、沉澱、軟化及快濾等步驟，得到一清水，為了抑制該清水中微生物的繁殖，通常會在對該清水進行「後加氯」的步驟，再配送該清水至各配水槽及配水管路。

該清水中通常存在許多微量有機物，例如腐質酸等天然有機物質(Natural organic matter，簡稱NOM)或其他人工合成有機物(Synthetic organic chemicals，簡稱SOCs)，該清水中分子量大於1000之有機物通常藉由膠凝步驟即可移除，而小分子量的NOM卻不易被一般淨水廠的處理程序去除，當清水中存在有NOM，則該清水容易產生臭味且色度不佳。根據Van der Kooij於1995年之研究顯示，原水經過處理後，通常還會殘留3~500微克/公升(μg/L)的微量有機物無法被消除。

此外，該等微量有機物(特別係指NOM)與氯氣反應後，會形成對人體有害的消毒副產物(Disinfection by-products，簡稱DBPs)，如三鹵甲烷(Trihalomethane，簡稱THMs)、鹵化乙酸(Haloacetic acids，簡稱HAAs)、 鹵化酮類(Haloketones，簡稱HKs)、鹵化乙腈(Haloacetonitriles，簡稱HANs)、氯酚類(Chlorophenols)、氯氰類(Cyanogen chloride)、氯化醛類(Chloral hydrate)、有機氯化胺(n-organochoroamines)及三氯亞硝基甲烷(Chloropicrin)等九大類。

有研究證實，存在於清水中的微量有機物與餘氯反應所形成的THMs及HAAs皆具有致癌性。因此，自1979年起，美國將THMs列為清水的管制項目之一。目前美國對THMs的限值為0.08毫克/公升(mg/L)，加拿大為0.35mg/L，而我國行政院環保署則於2008年公告THMs之限值為0.08mg/L。

一般淨水廠可以選擇併用一般污水處理廠所使用的生物濾池，例如曝氣生物濾池(好氧型)、滴濾池(厭氧型)、生物轉盤或生物流化床等來處理水中的有機物。然而，由於淨水廠所處理過的清水已除去大部分的碳源，再加上該等生物濾池之體積大、佔地面積廣，若以習用生物濾池分解清水內的微量有機物，該清水中的微量有機物並不足以支持習用生物濾池中的微生物生長，造成該習用生物濾池中的微生物量不足，使得該習用生物濾池去除該清水中NOM的效能低落。

此外，根據Kobayashi等人於1982年之研究發現，當水中有機物含量超過50μg/L，則配水系統中容易發生微生物再生長的問題而降低水的品質，除了容易生成DBPs之外，該水中的微生物亦對人體有害。

由上述可知，將習用生物濾池併入習知淨水廠的原水 處理程序中，並不適合用來處理該原水中微量有機物，且無法確實去除該清水中的微量有機物，該微量有機物接觸到氯氣之後十分容易形成DBPs。因此，有必要提供一種能夠取代習用生物濾池的裝置，以降低原水中的微量有機物，同時能改善習知淨水廠的原水處理程序無法分解原水中微量有機物的問題。

本發明之主要目的係提供一種去除水中有機物之裝置，能夠取代習用生物濾池以分解水中的微量有機物，該裝置相較於習用生物濾池具有較小的佔地面積，以提高單位面積內去除水中有機物之效能。

本發明之次一目的係提供一種去除水中有機物之方法，係能夠有效分解水中微量有機物，以降低消毒副產物之形成。

為達到前述之目的，本發明之去除水中有機物之裝置係包含：一管柱，內部形成一容置空間，該管柱之兩端分別形成一入水管及一出水管與該容置空間連通，該容置空間以三濾網由下而上依序區隔成一第一容室、一第二容室、一第三容室及一第四容室，該第一容室與該入水管連通，該第四容室與該出水管連通；一進水濾石，係容置於該第二容室，該進水濾石於該第二容室所形成之孔隙率為30~50%；以及一生物膜擔體，係容置於該第三容室，該生物膜擔體於該第三容室所形成之孔隙率為10~30%，並於該生物膜擔體之表面形成一生物膜。

本發明之去除水中有機物之裝置中，該管柱設有至少一開口及至少一封閉件，該開口與該容置空間連通，該封閉件封閉該開口。

本發明之去除水中有機物之裝置中，該入水管及出水管較佳係設有一閥門。

本發明之去除水中有機物之裝置中，該生物膜擔體之表面形成厚度較佳為500微米(μm)至2毫米(mm)之生物膜。

本發明之去除水中有機物之裝置中，該生物膜擔體之型態較佳為顆粒狀活性碳。

本發明之去除水中有機物之裝置中，該生物膜擔體之顆粒直徑較佳為0.5~1.0毫米。

本發明之去除水中有機物之裝置中，該生物膜擔體可以選擇為煙煤活性碳、木質活性碳、果殼活性碳、杏殼活性碳、椰殼活性碳或竹碳之其中一種所組成。

一種去除水中有機物之方法，係包含：一生物膜形成步驟，係將一原水通入如上所述之裝置中，該原水停留於該容置空間，至該生物膜擔體之表面形成一生物膜；以及一進水步驟，係將該原水由下而上依序流經該第一容室、該第二容室、該第三容室及該第四容室，並與該生物膜擔體表面之生物膜接觸一段水力停留時間，至該原水之有機物被生物膜分解。

本發明之去除水中有機物之方法中，較佳係於該進水步驟後，另包含一過濾步驟，將與該生物膜充分接觸之原水經由一過濾裝置濾除該原水中的雜質。

本發明之去除水中有機物之方法中，該過濾裝置係以濾膜、不織布或中空纖維薄膜進行過濾。

本發明之去除水中有機物之方法中，該水力停留時間可以為10~60分鐘。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1圖所示，本發明去除水中有機物之裝置，包括一管柱1、一進水濾石2及一生物膜擔體3，該管柱1內部容納該進水濾石2及該生物膜擔體3，該進水濾石2係設於該管柱1底部，該生物膜擔體3係填充於該管柱1之中央部位，並於該生物膜擔體3之表面形成一生物膜。

該管柱1內部形成一容置空間11，該管柱1之兩端分別形成一入水管12及一出水管13並與該容置空間11連通，其中，該入水管12設於該管柱1之底部，該出水管13設於該管柱1之頂部，該入水管12與該出水管13較佳係結合於該管柱1之外周壁；本實施例之入水管12及出水管13較佳係分別設有一閥門14可供控制該入水管12及該出水管13與外部環境之連通與否。

該容置空間11係以三濾網15a、15b及15c依序區隔成一第一容室111、一第二容室112、一第三容室113及一第四容室114，該第一容室111與該入水管12連通，該第四容室114與該出水管13連通；該管柱1較佳係設有三固定 件16分別供該三濾網15結合，以區隔出該第一容室111、該第二容室112、該第三容室113及該第四容室114。

該管柱1設有至少一開口17與該容置空間11連通，且該開口17可以被至少一封閉件18封閉以防止水滲漏或蒸發，該開口17較佳係設於相對於該管柱1之頂部(以圖面而言)，以便裝設該進水濾石2及該生物膜擔體3於該管柱1中。在本實施例中，該管柱1之底部及頂部均設有該開口17，並以該封閉件18封閉該開口17，以便裝設該進水濾石2及該生物膜擔體3，且便於進行該管柱1之清洗作業。

該進水濾石2可選擇為礫石或鵝卵石等石塊組成，該進水濾石2係承置於該濾網15a上，並容置於該第二容室112，使該進水濾石2與該第一容室111區隔，該進水濾石2於該第二容室112所形成之孔隙率為30~50%；本實施例之進水濾石2係選擇平均直徑為2公分(cm)之礫石，該濾網15a之網目係小於該礫石之直徑。藉此，能夠提供進流水進入該第一容室111之通暢，使水能經由該進水濾石2順暢地由下而上依序進入該管柱1之第二容室112、第三容室113及第四容室114，提升本發明去除水中有機物之裝置的進水效能。

該生物膜擔體3係承置於該濾網15b上，並容置於該第三容室113，使該生物膜擔體3與該第二容室112區隔，再以該濾網15c覆蓋使該生物膜擔體3不會進入該第四容室114，該生物膜擔體3亦不會隨著水位上升或水流方向而流出該管柱1外。該生物膜擔體3之表面係用以形成可分解水中有機物之生物膜，該生物膜厚度較佳為500微米(μm) ~2毫米(mm)。該生物膜擔體3係可選擇為煙煤活性碳(Bituminous coal)、木質活性碳、果殼活性碳、杏殼活性碳、椰殼活性碳或竹碳等材料之一種所組成，且該活性碳材料之型態為顆粒狀活性碳，該生物膜擔體3較佳係於該第三容室113所形成之孔隙率為10~30%，以提供微生物足夠的生長面積，又不會因該活性碳之顆粒過小導致該濾網15或出水管13的阻塞；本實施例係填充有20~25公升(L)之顆粒狀活性碳，且該顆粒狀活性碳係選擇為煙煤活性碳，其顆粒直徑約為0.5~1.0毫米(mm)，該濾網15b及15c之網目係小於該顆粒狀活性碳之直徑以防止該生物膜擔體3沖散至該第二容室112及該第四容室114。藉此，除了顆粒狀活性碳本身具有吸附功能，能夠吸附水中的微量有機物或臭味成分等，該顆粒狀活性碳又能夠作為水中微生物的附著表面，提供微生物生長的空間；且，該生物膜擔體3之表面形成一分解該微量有機物有效量之生物膜，則能夠藉由該生物膜有效分解水中的微量有機物，確實能夠降低水中可能形成消毒副產物之前驅物(如腐植酸)的含量。

請參照第2圖所示，係以如前述之去除水中有機物之裝置，進行一種去除水中有機物之方法，該去除水中有機物之方法包含一生物膜形成步驟S1及一進水步驟S2以去除原水中的有機物。

請參照第1、2圖所示，本發明去除水中有機物之裝置係直立地架設於地面使用，該入水管12係位於該管柱1接近地面之一端，該出水管13係位於該管柱1遠離地面之一端，使原水由該入水管12進入該管柱1之容置空間11後， 可依序流經該第一容室111、該第二容室112、該第三容室113及該第四容室114，最後經由該出水管13流出該裝置。

該生物膜形成步驟S1係將一原水通入如第1圖所示之去除水中有機物之裝置中，該原水停留於該管柱1之容置空間11，至該生物膜擔體3之表面形成一生物膜。更詳言之，該生物膜形成步驟S1係使原水填充於該生物膜擔體3之孔隙，使原水中的微生物藉由該原水中的有機物，或者可選擇性加入0.5~1.0%之碳源(如葡萄糖、檸檬酸或蛋白腖等微生物可利用之碳源)供該微生物利用而加速其生長及繁殖速度，而形成具有分解水中有機物之生物膜。

本實施例之生物膜形成步驟S1係於該管柱1內通入25L之原水，並藉由該原水中存在之生物可利用有機物與無機鹽作為營養源，該原水係連續進流於該管柱1內，以連續供應營養源予該生物膜擔體3上形成之生物膜，使該生物膜擔體3之表面形成厚度為500微米(μm)至2毫米(mm)之生物膜。藉此，能確保本發明去除水中有機物之裝置具有足以處理水中有機物之生物膜有效量。

該進水步驟S2，係將該原水由下而上依序流經該第一容室111、該第二容室112、該第三容室113及該第四容室114，並與該生物膜擔體3表面之生物膜接觸一段水力停留時間，至該原水之有機物被生物膜分解，得到一清水，該清水經由該第四容室114之出水管13流出該裝置，其中，該原水之水力停留時間為10~60分鐘。更詳言之，該原水係藉由一幫浦(圖面未繪示)灌入該第一容室111，使該原水能夠經由該入水管12依序進入該第一容室111及該進水濾石 2的孔隙(該第二容室112)，再填充於該生物膜擔體3之孔隙(該第三容室113)中，最後由該第四容室114之出水管13流出，使該原水與該生物膜擔體3之生物膜完全接觸，以進行該原水中微量有機物的分解。

藉由該幫浦由下而上地將原水灌入該管柱1中，可以減少全揚程而有助於降低能量消耗。更詳言之，全揚程(Total Head)可分為實揚程(Actual Head)、速度水頭(Velocity Head)、壓力水頭(Pressure Head)及管路損耗水頭(Loss Head in Pipe Line)，本實施例中，因供水井(即盛裝待處理原水之容槽)的液面與該管柱1之出水管13具有一高度差(即該供水井之液面高於該出水管13)，所以本實施例幾乎沒有壓力水頭損失；由於管路損耗水頭之損失，會導致該出水管12之流速降低，使得該管柱1之入水管12之速度水頭比該出水管13之速度水頭高，因此，藉由該幫浦調整該出水管13之清水流速，以補足該管路耗損水頭之損失；實揚程是指該供水井液面高度至幫浦垂直高度，再加上該幫浦至該出水管13的垂直高度，本實施例係藉由該供水井之液面至該幫浦的垂直高度幾乎與該幫浦至該出水管13之垂直高度相等，藉此達到減少幫浦之作功。由上述可知，本實施例所減少之揚程是指藉由該管柱1之入水管設於低於該出水管，並藉由幫浦調整該出水管13之清水流速，而降低全揚程之能量損失；此外，該原水由下而上填充的過程，更可以有效地將原水填充到該生物膜擔體3之孔隙中，使該原水能夠完全跟生物膜接觸，提高該生物膜分解水中微量有機物的效率。

請參照第1、3圖所示，本發明去除水中有機物之方法更可於該進水步驟S2後，另包含一過濾步驟S3，以去除原水中的固體物質等雜質。

該過濾步驟S3，係將與該生物膜充分接觸之原水經由一過濾裝置濾除該原水中的雜質，而得到一清水。更詳言之，該過濾裝置可以選擇為濾膜、不織布或中空纖維薄膜，以濾除該原水中可能含有剝落的生物膜或活性碳等雜質，以得到該清水。本實施例係配合一浸泡式中空纖維薄膜(有效容積為235公升，孔徑約為0.1μm)進行該過濾步驟S3，該過濾步驟S3不僅能夠去除該原水中的固體物質，也能過濾掉脫落下來的生物膜碎屑。

為證實本發明去除水中有機物之裝置及其方法確實能夠有效去除生成消毒副產物之前驅物，下列係以本發明去除水中有機物之裝置處理前之原水，以及處理後之清水進行如第1表所示水質參數的項目比較。

本實施例取得南化水庫、高屏溪攔河堰及竹寮分水井等三處之水樣，將該三處水樣混合後以快濾池處理，而得到本實施例之原水，以本發明去除水中有機物之方法分解該原水之有機物，並得到一清水，其中，本實施例係提供二個去除水中有機物之裝置(容積為25L)，且該二裝置共含有45公升之顆粒狀煙煤活性碳，設定水力停留時間為10~60分鐘(min)，原水之進流量為每小時1.35~8.1公升之間，使原水通過該二裝置後得到清水。本實施例取上述條件處理所得之原水，以及進行分解後得到的清水，分別測量如第1表所示之(A)AOC、(B)DOC、(C)THMs及(D)HAAs等 水質項目參數平均值。

各項目之組別編號請參照第2表所示，第3至6表分別為AOC、DOC、THMs及HAAs之參數平均值及其去除效率(%)，第4至7圖分別為各水質項目之長條圖。

(A)生物可利用有機碳

生物可利用有機碳(Assimilable organic carbon，簡稱AOC)，係指水中生物可分解有機碳而轉換成生物細胞質量 的參數值。本實施例係取Pseudomonas fluoressencer 及Spirillum sp.(皆購自財團法人食品科學工業發展研究所，其菌種編號分別為BCRC16016及BCRC16035)二菌種於一組已知濃度碳源(醋酸鈉)溶液中的生長最大值製作迴歸線，並將該二菌種分別於待測樣品中的生長最大值以該迴歸線進行換算，可得到該待測樣品之AOC值(該AOC值為二菌種AOC值之和)。

請參照第3表及第4圖所示，係本實施例之不同水力時間處理原水之AOC去除效率及其AOC平均值的長條圖，其中，第A1組即可達到56%以上之處理效率，而第A3組更能去除DOC達59%，且第A0組與第A1至A6組之間具有顯著差異(p <0.05)，證實本發明去除水中有機物之方法確實能夠達到去除AOC之效果。

(B)溶解性有機碳

溶解性有機碳(Dissolved organic carbon，簡稱DOC)係指待測樣品中可通過孔徑為0.45微米(μm)過濾膜之有機碳，稱作溶解性有機碳。測量待測樣品之DOC值時，先 以0.45μm過濾膜去除待測樣品中的大分子量有機碳，再將該經過濾的待測樣品中的無機碳與濃磷酸或濃硫酸反應，使該無機碳轉換成二氧化碳後，再於殘留樣品中加入過氧焦硫酸鹽溶液，使有機碳氧化成二氧化碳，並且以非分散式紅外線分析儀(OI Analytical，型號Aurora Model 1030W)檢測由有機碳轉變成二氧化碳之濃度，即可得到待測樣品之DOC值。

請參照第4表及第5圖所示，係本實施例之不同水力時間處理原水之DOC去除效率及其DOC平均值的長條圖，其中，第B1組即可達到15%之處理效率，而第B6組更能去除DOC達41%，且第B0組與第B1至B6組之間具有顯著差異(p <0.05)，證實本發明去除水中有機物之方法確實能夠達到去除DOC之效果。

(C)三鹵甲烷

本實施例係測量三鹵甲烷作為消毒副產物之一種生成指標，該三鹵甲烷之檢測種類包含三氯甲烷、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷及三溴甲烷；台灣飲用水水源水質標準訂 定THMs限值為0.08mg/L。本實施例之THMs係以正戊烷萃取待測樣品之THMs後，以氣相層析儀電子捕捉偵測器(Gas Chromatography/Electron Capture Detector，簡稱GC/ECD)分析有機層之THMs之含量。

請參照第5表及第6圖所示，係本實施例之不同水力時間處理原水之THMs去除效率及其THMs平均值的長條圖，其中，第C1組即可達到37%之處理效率，而第C5組更能去除THMs達67%，且第C0組與第C1至C6組之間具有顯著差異(p <0.05)，證實本發明去除水中有機物之方法確實能夠達到去除THMs之效果。

(D)鹵化乙酸

本實施例係測量鹵化乙酸作為消毒副產物之一種生成指標，該鹵化乙酸之檢測種類包含一氯乙酸(簡稱MCAA)、二氯乙酸(簡稱DCAA)、三氯乙酸(簡稱TCAA)、一溴乙酸(簡稱MBAA)、二溴乙酸(簡稱DBAA)、一溴一氯乙酸(簡稱BCAA)、一溴二氯乙酸(簡稱BDCAA)、一氯二溴乙酸(簡稱CDBAA)、三溴乙酸(簡稱TBAA) 等。本實施例之HAAs係以甲基第三丁基醚或第三戊甲基醚萃取待測樣品之HAAs後，以GC/ECD分析有機層之HAAs之含量。

請參照第6表及第7圖所示，係本實施例之不同水力時間處理原水之HAAs去除效率及其HAAs平均值的長條圖，其中，第B1組即可達到54%之處理效率，而第D6組更能去除HAAs達86%，且第D0組與第D1至D6組之間具有顯著差異(p <0.05)，證實本發明去除水中有機物之方法確實能夠達到去除HAAs之效果。

藉此，本發明之去除水中有機物之裝置，與習用生物濾池相較具有較小的佔地面積，具有提高單位面積內處理原水中有機物效能之功效。

本發明之去除水中有機物之方法，係能夠有效分解水中微量有機物，以降低消毒副產物之形成，具有提升水質之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和 範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧管柱

11‧‧‧容置空間

111‧‧‧第一容室

112‧‧‧第二容室

113‧‧‧第三容室

114‧‧‧第四容室

12‧‧‧入水管

13‧‧‧出水管

14‧‧‧閥門

15‧‧‧濾網(15a,15b,15c)

16‧‧‧固定件

17‧‧‧開口

18‧‧‧封閉件

2‧‧‧進水濾石

3‧‧‧生物膜擔體

S1‧‧‧生物膜形成步驟

S2‧‧‧進水步驟

S3‧‧‧過濾步驟

第1圖：本發明去除水中有機物之裝置之側視剖面圖。

第2圖：本發明去除水中有機物之方法步驟方塊圖(一)。

第3圖：本發明去除水中有機物之方法步驟方塊圖(二)。

第4圖：本實施例之不同水力時間處理原水之AOC值長條圖。

第5圖：本實施例之不同水力時間處理原水之DOC值長條圖。

第6圖：本實施例之不同水力時間處理原水之THMs值長條圖。

第7圖：本實施例之不同水力時間處理原水之HAAs值長條圖。

1‧‧‧管柱

11‧‧‧容置空間

111‧‧‧第一容室

112‧‧‧第二容室

113‧‧‧第三容室

114‧‧‧第四容室

12‧‧‧入水管

13‧‧‧出水管

14‧‧‧閥門

15‧‧‧濾網(15a,15b,15c)

16‧‧‧固定件

17‧‧‧開口

18‧‧‧封閉件

2‧‧‧進水濾石

3‧‧‧生物膜擔體

Claims (11)

1. 一種去除水中有機物之裝置，係包含：一管柱，內部形成一容置空間，該管柱之兩端分別形成一入水管及一出水管與該容置空間連通，該容置空間以三濾網由下而上依序區隔成一第一容室、一第二容室、一第三容室及一第四容室，該第一容室與該入水管連通，該第四容室與該出水管連通；一進水濾石，係容置於該第二容室，該進水濾石於該第二容室所形成之孔隙率為30~50%；以及一生物膜擔體，係容置於該第三容室，該生物膜擔體於該第三容室所形成之孔隙率為10~30%，並於該生物膜擔體之表面形成一生物膜。
2. 依申請專利範圍第1項所述之去除水中有機物之裝置，其中，該管柱設有至少一開口及至少一封閉件，該開口與該容置空間連通，該封閉件封閉該開口。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之去除水中有機物之裝置，其中，該入水管及出水管設有一閥門。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之去除水中有機物之裝置，其中，該生物膜擔體之表面形成厚度為500微米(μm)至2毫米(mm)之生物膜。
5. 依申請專利範圍第1或2項所述之去除水中有機物之裝置，其中，該生物膜擔體之型態為顆粒狀活性碳。
6. 依申請專利範圍第5項所述之去除水中有機物之裝置，其中，該生物膜擔體之顆粒直徑為0.5~1.0毫米(mm)。
7. 依申請專利範圍第1或2項所述之去除水中有機物之裝置，其中，該生物膜擔體為煙煤活性碳、木質活性碳、果殼活性碳、杏殼活性碳、椰殼活性碳或竹碳之其中一種所組成。
8. 一種去除水中有機物之方法，係包含：一生物膜形成步驟，係將一原水通入如申請專利範圍第1項所述之裝置中，該原水停留於該容置空間，至該生物膜擔體之表面形成一生物膜；以及一進水步驟，係將該原水由下而上依序流經該第一容室、該第二容室、該第三容室及該第四容室，並與該生物膜擔體表面之生物膜接觸一段水力停留時間，至該原水之有機物被生物膜分解。
9. 依申請專利範圍第8項所述之去除水中有機物之方法，係於該進水步驟後，另包含一過濾步驟，係將與該生物膜充分接觸之原水經由一過濾裝置濾除該原水中的雜質。
10. 依申請專利範圍第9項所述之去除水中有機物之方法，該過濾裝置係以濾膜、不織布或中空纖維薄膜進行過濾。
11. 依申請專利範圍第8或9項所述之去除水中有機物之方法，其中，該水力停留時間為10~60分鐘。