6.活性污泥法

6.2 反應器種類

• 物理組成分類

  1. Plug-flow (conventional) activated sludge:
     長型的曝氣槽，廢水由一端入；另一端出。會明顯造成反應槽前後端基質濃度差異。
  2. Step-aeration activated sludge:
     也稱為 Step feeding, 發展用以改善 Plug-flow activated sludge 的缺點。
  3. Complete-mix activated sludge:
     即常聽見的 CSTR, 是 1950 年代發展的方法，也是學者最常用以探討活性物泥法的設計。
  4. Contact-stabilization activated sludge:
     Contact tank 停留時間僅 15~60 min 使能快速氧化的基質氧化, 隨後進一步於持續曝氣的 Stabilization tank 中氧化, 良好的膠羽再回到 Contact tank 繼續反應。主要優點是降低總反應體積，缺點是需要更多的注意與管理。
  5. Activated sludge system with anoxic selector:
     作為微生物篩選用, 使微生物於選種槽中儲存便當 (沒有曝氣)，使後續高品膠羽更易形成。

• 氣體供給方法分類

  1. Conventional aeration:
     平均曝氣，每曝氣單位曝氣量皆相同。
  2. Tapered aeration:
     平均曝氣，但以進流處曝氣量最大；出流處曝氣量最小，遞減趨勢。
  3. Pure oxygen:
     直接以純氧曝氣。

6.3 操作參數

• 食微比(F/M ratio)

  • 定義：曝氣槽中每天單位重量懸浮固體物能利用的單位重量
    
  • 其中：
    • ：廢水每天進流率 ()
    • ：進流的 BOD/COD 濃度 ()
    • ：曝氣槽體積 ()
    • ：曝氣槽內總 VSS 濃度 ()

• SVI (Sludge volume index)

  • 將曝氣槽污泥置入量筒中靜置 30 分鐘得到沉降後之體積，將其計算後可得之指數。
    
    • 其中：
      • ：污泥沉降 30 分鐘後的體積。
      • ：污泥完全懸浮的濃度。
      • ：量筒總體積。
  • 參數區間：
    • 好的沉降污泥：SVI < 50 ()
    • 一般實場：80 ~ 110
    • 膨化污泥：SVI > 200 ()

• 曝氣系統：

  • 功能：
    • 提供活性污泥氧化有機物時之氧氣。
    • 保持污泥懸浮與均勻分佈。
  • Standard oxygen transfer efficiencies (SOTE，標準氧氣傳輸效率)
  • Field oxygen transfer efficiencies (FOTE，實務氧氣傳輸效率)

6.4 污泥異常情型

• Bulking sludge 污泥膨化

  • 判斷：
    • 顯微鏡觀察，了解絲狀菌的生長。
    • 量測 SVI 數值，通常大於 200 mg/L 表示膨化嚴重。
    • 發現沉澱槽有污泥上浮或底部固體物濃度低。
  • 原因：絲狀菌生長過剩
    • 低溶氧污泥膨化 (低溶氧)：
      • 原因：由絲狀菌 Sphaerotilus natans, Type 021N, Type1701 造成，它們與氧具有高親和性，容易使它們成為主要族群進而生長茂盛乃至生長超出膠羽。
      • 解決：提高溶氧濃度或降低 BOD 進流負荷。
    • 低 F/M 污泥膨化 (長 SRT)：
      • 原因：由絲狀菌 Microthrix parvicella, Type 0041, Type 0092, Type 0581, Haliscomenbacter hydrosis 造成，它們養分需求低，且對有機物具高親和性，內呼吸 decay rate 低。
      • 解決：加置選種槽、降低 SRT。
    • 進流高還原態硫的污泥膨化 (進流高還原態硫)：
      • 原因：造成硫氧化菌 (能造成 之菌) 如： Thiothrix 與 Type 021N 該些會形成絲狀結構族群變成優勢菌種。
      • 解決：降低還原態硫 () 的進流濃度，或加入氧化劑如 。

• Foaming 泡沫與 Scum 浮渣

  • 原因：
    • 進流水含有非生物可分解之介面活性劑。
    • 由於起泡之絲狀菌 (常見如 Nocardia, Microthrix) 造成的生物性泡沫。
    • 長 SRT、高廢水溫度。
  • 解決：縮短 SRT、人工刮除、灑水。

• Rising sludge (Blanket rising)污泥上浮

  • 原因：微生物在沉澱槽進行硝化及脫硝反應，釋放 使污泥上浮。
    • 避免污泥行脫硝反應。
    • 降低 SRT，使硝化菌無法停留。
    • 藉由沉澱槽設計，使沉降污泥不會停留在同一個地方過久以致脫硝反應進行。

• Dispersed growth 分散生長與 Pinpoint floc 微小膠羽

  • Dispersed growth 分散生長：
    • 原因：
      • 細菌無法於短時間內形成膠羽。
      • 系統操作 SRT 過短。
  • Pinpoint floc 微小膠羽：
    • 原因：污泥齡過長 (污泥過老造成結構崩壞)。

• Viscous bulking 黏滯性膨化

  • 原因：非絲狀菌引起之膨化 (微生物分泌過多胞外多醣體)。
    • 廢水含有高脂肪及油酸化合物。
    • 高污泥負荷或氮、磷不足。
    • 使用選種槽控制絲狀菌引起的膨化。
    • 生物除磷系統造成 Acinetobacter 過量生長進而分泌過量多醣體。

沉澱槽設計

• 目的：使污泥有效沉降 (Hindered settling 層沉降 + Compression 壓密沉降)。
• 沉降：
  • 單一顆粒沉降速率 (Stoke’s law)：
    • 其中：
      • ：重力常數 ()
      • ：密度差 ()
      • ：膠羽直徑 ()
      • ：動力黏滯係數 ()
  • 除了個別顆粒之沉降速率有關外，污泥沉降速率亦與顆粒物濃度有關。
    • Hindered settling 層沉降 (干擾沉降)：在沉降的過程中，顆粒與顆粒間相當靠近，因此顆粒間的作用力會阻止鄰近顆粒之沉降，顆粒在沉降過程中彼此相對保有固定之位置，所以顆粒以一定之速度沉降，而成層狀。
    • Compression 壓密沉降：較高濃度之顆粒沉降，顆粒間彼此互相接觸，藉著壓密顆粒之整體質量進行沉降。

Flux theory 通量理論、State-point 狀態點

• 計算沉降通量 ()
  

  • 其中：
    • ：污泥顆粒於槽中因重力沈降作用通過一水平面的通量 ()。
    • ：污泥沈降速率。
    • ：在同一水平面的污泥濃度。

• 由於有迴流 (增加一股下抽的力量)，當迴流條件為 時，迴流的下抽力量可表示為：
  

  • 其中：：因為迴流造成的向下水流流速 ()。

• 故通量 為自然沉降通量與迴流之總和：
  

• 假設系統為穩態，且 100% 污泥沉降，可得：
  

  • 其中：：出流通量 ()。

• State-point 狀態點很重要

  • 本文略

• Clarification overload

  • 發生情形：廢水量突增(如暴雨)造成 Overflow rate 增加(污泥來不及沈降)。
  • 問題：無法僅以改變 作改善，有時狀態點仍落於曲線外。
  • 解決方法：
    • 降低 Overflow rate (實際較不可行，因為該數值是設計好的)。
    • 降低 (藉由廢棄污泥)。

• Sludge bulking

  • 發生情形：污泥膨化，沈降速率變小，導致沈降通量曲線改變。
  • 問題：原始正常操作的 State point 1 因曲線改變落於曲線外。
  • 解決方法：
    • 讓絲狀菌不要再生長
    • 降低進流
    • 增加向下水流抽取流速

8. 好氧生物膜程序

8.2 滴濾和生物塔

• Hydraulic loading 水力負荷（）：流量與濾池截面積之比值。

  • • 其中：
      • ：濾池截面積。
      • ：流量。
      • ：進流流量。
  • 意義：
    • 增加水力負荷可讓水膜厚度增加，增加液體保持及停留時間。
    • 增加水力負荷能增加生物膜在反應床中的分布深度，以增加滴濾池中具生物降解活性之表面積。
    • 較大的水力剪切力，可加速過量生物膜脫落，減少堵塞可能性。
    • 較大水力負荷可提高氧氣質傳係數。

• Surface loading 表面負荷（）：

  • • 其中：
      • ：過濾濾料深度。
      • 進流水 BOD 濃度。
      • ：介質之比表面積。
    • 一般操作情形下表面負荷設計為 。

• Volumetric loading 體積負荷（）：

  • • 意義：
      • 生物滴濾池之體積負荷通常為 。
      • 粗濾池之容積負荷較高，可達 。

• Overflow rate 溢流率（O/F）：沉澱池之設計參數之一。

  • • 其中：
      • ：廢棄污泥流量。
      • ：回流流量。
      • ：沉澱池截面積。

• Air draft pressure：

  • 目的：自然通風滴濾池之對流依賴空氣之溫度差，定義如下：
  • • 其中：
      • ：大氣溫度。
      • ：孔隙空氣溫度。
      • ：深度。
  • 故：當 時 ，空氣向下流動。反之，當 時 ，空氣向上流動。而當 接近 時 ，造成氣流停滯。
  • 春季時，由於大氣溫度 () 與廢水溫度 () 溫度接近，導致氣流停滯，將導致處理效率降低、生物膜剝落損失、產生異味。而當低濾池嚴重超負荷時也須採用強制通風克服空氣停滯，至少需要 之氣流。

• Spulkraft：

  • 目的：滴濾池之生物膜，在厭氧條件下存在突發性之剝落（Sloughing）問題，故須有足夠的通風防止脫落。故利用空氣進行反沖洗（較佳參數為 0.2~0.5 m/r）。
  • • 其中：
      • ：散水臂數量。
      • ：轉速。
      • ：滴濾池截面積。

• NRC-National Research Council :

  • • 其中：
      • ：第一階段 BOD 去除效率。
      • ：第二階段 BOD 去除效率。
      • ：第一階段 BOD 負荷。
      • ：第二階段 BOD 負荷。
      • ：低濾池體積。
      • ：

• Galler-Gotaas：

  • • 其中：
      • ：進流負荷量。
      • ：迴流負荷量。
      • ：進流之 BOD 濃度。
      • ：出流之 BOD 濃度。
      • ：滴濾池深度。
      • ：滴濾池半徑。
      • ：溫度。
    • 衍伸（BOD 與深度之關係）：

• Eckenfelder：

  • 其中：
    • ：進流 BOD 濃度。
    • ：
    • ：深度。

8.3 旋轉生物圓盤法 (RBC)

• 早期 RBC 面臨的問題：
  • 軸及軸承故障：生物膜累積導致重量上升使軸破裂及軸承磨損。
  • 偏心生長：當 RBC 停止旋轉，沉水部份將繼續生長微生物，而空氣暴露部分微生物將停止生長、流失、乾燥，重新旋轉需較大之扭距。
  • 干擾生物生長：引起異味、大量沉澱物、絲狀菌生長。

8.4 顆粒介質濾床 (Granular-Media Filters)

• 特徵：
  • 床體約 3 m，粒徑約 4 mm，生物膜能較有效之生長，無須終沉池或三級過濾即可獲得三級處理品質之出流水。
  • 需要反沖洗以避免過大之水頭損失。
• 種類：
  • Biocarbone
    • 特徵：
      • 水與空氣逆向流動。
      • 濾床完全浸水。
    • 特性：由於比表面積非常大，表面負荷僅比滴濾池稍高，但體積負荷約高 10 倍。
  • Biofor
    • 特徵：
      • 水與空氣順向流動。
      • 濾床完全浸水。
    • 特性：表面負荷、體依負荷類似 Biocarbone，唯水與氣體並流。
  • Biodrof
    • 特徵：
      • 使用真空泵讓水與空氣順向流動。
      • 濾床不完全浸水。
    • 特性：稍有堵塞問題

流體化床 (Fluidized bed) 及循環床 (Circulating-bed) 生物膜反應器

• 操作：
  • 透過減少介質尺寸可提高比表面積及體積負荷，以提升反應器之尺寸效益。但當介質之尺寸太小（小於 1 mm）將造成過快堵塞，因此，藉由介質膨脹（Medium expansion，藉由孔隙增加減少比表面積），以增加液體流通知孔隙尺寸，同時具有濾料比表面積大及避免堵塞之優點。
    • 介質膨脹 (Medium expansion) 之原理：
      • 比表面積
        • 其中： 指形狀係數
      • porosity（孔隙率）
      • 故：流體化床透過減少 使 上升，但相對會造成 上升使 下降。但 上升造成的 下降幅度將小於 使 上升之幅度，故整體 上升。
• 流體化床 Fluidized bed：
  • Incipient fluidization：載體顆粒密度大於水，當承受向上水流之摩擦等於載體顆粒之負浮力時，床開始膨脹。稱此時為初始流體化。
  • 對於流體化顆粒之剪切力 。
  • 流體化床雖提供較少的體積，並簡短滯留時間，但容易受到氧氣質傳速率到水及生物膜的限制。
  • 表面負荷低於其他生物膜系統。
  • Bed stratification (層化作用)：當介質尺寸不均勻時，較小的顆粒積蓄在頂層，生物膜分離速率較低，隨著時間推移，較小顆粒之介質比較大顆粒介質累積更多生物膜，使密度降低，造成流體化程度上升。故使用均勻之介質能防止流體畫床產生層化作用。
• [8.22] 推導過程：
  • 已知：
  1. 整理式 [8.21]：
  2. 整理式 [8.20]：
  3. 整理後式 [8.21] 帶入 [8.20]，得式 [8.22]：

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