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物化處理

2024/10/2948 分鐘閱讀

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另為維護教科書版權，習題題目與圖形解釋之圖片概不列出，若有錯誤歡迎提供修正建議。
課程使用之教科書為：

Metcalf and Eddy. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5th Edition. https://www.accessengineeringlibrary.com/content/book/9781260440591

C4

C4-3

  • Reliability (可靠性)：系統在特定時間內，達到足夠性能的機率。
  • 影響污水處理設計、性能、可靠性的因素：
    1. 廢水進流水量、水質的變異性。
      • Fig 4.4:
        • (a) 說明廢水進流水量的變異性。其中，夏季水量呈對數常態分佈，然而全部日流量則否（受冬季高峰流量影響）。
        • (b) 說明廢水進流水質的變異性。其中，BOD、TSS(總懸浮固體) 可以觀察到呈對數常態分佈。
        • 註：
    2. 廢水處理程序本身的變異性。
    3. 由於機械故障、設計缺陷、操作故障引發的變異性。
      • 機械可靠性評估方式：
        • 關鍵元件分析 (Critical Component Analysis, CCA)：美國環境部開發，用於評估污水處理廠處理元件的可靠性、可維護性、操作有效性。評估哪些元件故障對出流水質的影響。
          • 參數：
            • 故障前平均時間 (Mean Time Before Failure, MTBF)：設備機械可靠性的指標，依故障次數決定。通常以故障次數除以運行小時數呈現。
            • 故障前預期時間 (Expected Time Before Failure, ETBF)：類似於故障前平均時間，同為設備機械可靠性的指標，依故障次數決定。通常以故障次數除以實際經歷的運行小時數呈現。
            • 固有可用度 (Inherent Availability, AVI)：該元件或單元工作過的時間。
            • 操作可用度 (Operating Availability, AVO)：該元件或單元除去預防性維護時間的運行時間。
          • Table 4-8:
            • 由表可知，預處理 (Preliminary) 的 MTBF 最低。
            • 由表可知，二級處理 (Secondary)、曝氣塔 (Aeration tower)、產品水 (Product water) 的 AVO 低於 0.99。
            • 由表可知，AVI 皆大於 0.99。
            • (用於訂定維護計畫、儲備元件需求)
        • 故障形式及影響分析 (Failure Modes and Effect Analysis)
        • 事件樹分析 (Event Tree Analysis)
        • 故障樹分析 (Fault Tree Analysis)
  • 為滿足排放許可，有二種方法評估設計參數：
    • 基於平均值設計的統計方法：
      • 可靠度係數法 (Coefficient of Reliability, COR)：透過目標許可標準與基於機率取得的 COR 值乘積，取得平均元件設計值。

        平均元件設計值目標標準

    • 圖解法選擇平均設計數值：
      • 前提假設：可靠性可透過幾何標準偏差量測，且在不同設計值下大致相同。
      • 圖形解釋 - Fig 4-6:
        1. (a) 為污水處理廠出流水總銅濃度值在對數常態分佈的迴歸線。
        2. (b) 點表可靠性 99.9% 時，銅的許可上限濃度值為 。
        3. 繪製通過 (b) 點且水平於 (a) 的線段（相同幾何標準偏差下），可於機率 50% 時取得平均設計值 。
        4. 於此例中，現有處理程序尚無法滿足所需平均設計值，需進行改善（處理程序改善、串聯等）。

C6

C6-2

  • 布朗運動 (Brownian Motion)：相對小的水分子對膠體顆粒的碰撞，使得膠體顆粒隨機運動。
  • 化學混凝 (Chemical Coagulation)：透過化學去穩定以及透過運動絮凝形成較大顆粒的過程。
  • 混凝劑 (Coagulant)：使廢水中膠體顆粒去穩定，進而形成絮凝物（）。
    • 天然或合成有機物、金屬鹽（）、預水解金屬鹽（聚氯化鋁 ()、聚氯化鐵 ()）
  • 絮凝劑 (Flocculant)：用於增強絮凝過程，通常是有機物。有機聚合物還可用於提高粒狀濾料過濾效率以及消化後生物固體脫水，可做為助濾劑。
  • 絮凝 (Flocculation)：顆粒物撞擊使顆粒成長的過程。
    • 分類：
      • 微絮凝 (Microflocculation)：由布朗運動或運動的流體分子的隨機熱運動引起的，其尺寸範圍為 。
      • 宏觀絮凝 (Macroflocculation)：通過誘導速度梯度和差異沉降，其尺寸範圍為 。

影響化學混凝效果之原因

  • 顆粒物尺寸與數量：顆粒數量對去除使用的方法有關。
    • 尺寸：
    • 數量：未經處理的廢水和初級沉澱後的膠體顆粒數量通常介於 。
  • 顆粒物形狀：顆粒的形狀對帶電特性、顆粒間相互作用、顆粒與溶劑相互作用有影響。
  • 顆粒物與溶劑的相互作用：
    • Hydrophobic or Water-hating (疏水性)：對水的吸引力相對較小，但在某種程度上相互作用。
    • Hydrophilic or Water-loving (親水性)
    • Association colloids (介面活性劑)
  • 膠體表面電荷特性
    • 表面電荷(Surface Charge)形成原因：
      • 同構置換 (Isomorphous Replacement)：黏土或土壤顆粒，晶格結構中離子被溶液中的其他離子取代。（ 被 取代）
      • 結構上的缺陷 (Structural Imperfections)：黏土或類似顆粒因晶體邊緣鍵結斷裂或晶體形成過程產生電荷。
      • 選擇性吸附 (Preferential Adsorption)：油滴、氣泡或惰性物質分散於溶劑中時，優先吸附陰離子產生電荷。
      • 離子化 (Ionization)：蛋白質或微生物，透過羧基、胺基基團離子化產生電荷。
    • 電雙層 (Electric Double Layer)
      • 圖形解釋 - Fig 6-2:
        • 當膠體或顆粒物表面帶電荷時(固定層, Stern Layer)，帶相反電荷的離子會吸附在表面(擴散層, Diffuse Layer)，形成電雙層。
        • 其中：
          • 能斯特電位 (Nernst Potential, )
          • 固定電位 (Stern Potential, )
          • 介達電位 (Zeta Potential, )(測定表面電荷所測得的值)
  • 顆粒與顆粒的相互作用 (DLVO 理論)
    • 圖形解釋 - Fig 6-3:
      1. 本圖列舉當凡德瓦 (Van der Waals) 吸引曲線與兩個排斥力曲 (Repulsion) 線的交互作用。
      2. 儘管由於凡德瓦力的存在，顆粒物之間會有吸引力，但由於電雙層的存在，使得顆粒物之間的排斥力增加。在一定距離下凡德瓦力的吸引力才會抵消電雙層的排斥力。
      3. 在情境 1 中，淨能曲線在排斥力曲線上方，若要使顆粒物間吸引則須克服一定的勢能。
      4. 在情境 2 中，淨能曲線則很少勢能需克服即可使顆粒物間吸引。（添加電解質有助於絮凝物的形成）
      5. 因此情境 1 儘管可以形成絮凝物，但其維持吸附能力較差，蓄凝顆粒容易被破壞。
    • 透過電位決定離子 (Potential Determining Ion) 與電解質使顆粒物去穩定：為使顆粒透過微絮凝形成絮凝物，需降低或克服電荷的影響
      • 使用電位決定離子：加入強酸或強鹼，使金屬氧化物或氫氧化物的電荷降低到接近 0。（污水處理中不適用，要添加大量的離子才有效）
        • 圖形解釋 - Fig 6-5:
          • 當添加反離子時，電位決定離子的電位會降低，使得顆粒物間的排斥力減少，有利於絮凝物的形成。
          • 當反離子添加不足或過量，使得表面電荷大於熱動能，則無法形成絮凝物。
      • 使用電解質：添加電解質可使 電位降低，使得顆粒物間的排斥力減少，有利於絮凝物的形成。（如 Fig 6-3 情境 2）（污水處理中不適用，顆粒電荷改變）
        • 臨界混凝濃度 (Critical Coagulation Concentration, CCC)：使膠體顆粒去穩定的最低電解質濃度。
    • 聚電解質：
      • 作用機制：
        • 電荷中和 (Charge Neutralization)：聚電解質作為混凝劑，中和或減少顆粒物表面電荷，使得顆粒物間的排斥力減少。
          • 廢水通常帶有負電荷，因此添加正電荷的聚電解質有助於混凝。
        • 聚合物架橋 (Polymer Bridge Formation)：陰離子、非離子聚合物附著在顆粒物吸附位點，沿著聚合物鏈形成橋樑。
        • Charge neutralization and polymer bridge formation
  • 水解金屬離子可以使膠體去穩定(利於混凝移除)：
    • 作用機制：
      • 吸附作用使電荷中和 (Adsorption and Charge Neutralization)
      • 吸附並在顆粒間架橋 (Adsorption and Interparticle Bridging)
      • 絮凝顆粒之掃除沉降 (Enmeshment in Sweep Floc)
    • 圖形解釋 - Fig 6-7:
      • Zone 1：尚無足夠混凝劑投入，膠體尚未去穩定。
      • Zone 2：混凝劑投入後，膠體吸附水解產物，使得膠體去穩定。
      • Zone 3：混凝劑過量，膠體持續吸附水解產物，正負電荷反轉，反而使得膠體再次穩定。
      • Zone 4：混凝劑過量，產生大量氫氧化物絮凝物沉降，使得膠體顆粒被絮凝物掃除沉降。
    • 圖形解釋 - Fig 6-8:
      • 鋁鹽於 pH 5~7 之間，形成 沉澱物之溶解度最低。其中，pH 6 最低。
      • 鐵鹽於 pH 7~9 之間，形成 沉澱物之溶解度最低。其中，pH 8 最低。
    • 圖形解釋 - Fig 6-9:
      • 鋁鹽於 , 加藥量 時，透過掃除沉降效果最佳。

C6-3

混凝劑

  • 備註：以下反應式中，綠色為混凝劑，紅色為絮凝物（污泥）。
  • Alum (硫酸鋁)
  • Lime (石灰)
    • 依碳酸計量：
    • 依鹼度計量：
  • Ferrous Sulfate and Lime (硫酸亞鐵與石灰)
    • 一般情況，硫酸亞鐵不能單獨使用，需與石灰一同使用。
    • 反應程序：
      1. 硫酸亞鐵單獨使用時：
      2. 硫酸亞鐵搭配過量石灰時：
      3. 硫酸亞鐵被氧化：
  • Ferric Chloride (氯化鐵) (最常用)
  • Ferric Chloride and Lime (氯化鐵與石灰)
  • Ferric Sulfate and Lime (硫酸鐵與石灰)

C6-4 化學沉澱除磷

  • How to use to remove phosphorus in wastewater?
    • 使用化學藥劑除磷
    • 使用金屬鹽
    • 種類：
      • 鋁鹽、鐵鹽：
        • 鋁鹽 (Aluminum, )
        • 鐵鹽 (Ferric Iron, )
        • 方法：
          1. 形成水合鐵或鋁氧化物作為磷酸鹽吸附的基質。
          2. 將磷酸鹽融入水合氧化物結構中。
          3. 形成混合陽離子磷酸鹽（例如，鐵或鋁磷酸鹽）。
          4. 形成三價鐵或鋁磷酸鹽。
        • 實際：
          • 其中： 為鋁鹽 ()， 為鐵鹽 ()
      • 亞鐵鹽 (Ferrous Iron, )
      • 鈣鹽 (Calcium, )
        • 一般不使用此方法，因為 pH 值需調節較高，再打二氧化碳碳酸化中和。(加藥量多 + pH 調節 → 成本高)
    • 使用鈣鹽 (石灰)
    • 使用化學除磷策略
  • 圖形解釋 - Fig 6-11:
    • 由圖可知，當 pH 在 6 以下時， 沉澱物的溶解度最低 (越容易沉澱)。
    • 由圖可知，當 pH 在 5 以下時， 沉澱物的溶解度最低 (越容易沉澱)。
  • 圖形解釋 - Fig 6-12: 由圖可知，由於石灰會與鹼度產生反應，因此石灰需求量會隨廢水鹼度增加而增加。
  • 圖形解釋 - Fig 6-15: 加藥位置
    • (a~e) 金屬鹽可加在初級沉澱池前。金屬鹽會與正磷酸鹽反應，形成沉澱物。有機磷酸鹽、聚合物磷酸鹽則部分吸附在絮凝物上去除。
    • (a) 在生物處理前後。
    • (b) 在三級處理前。
    • (c~e) 多點添加。

C6-5 化學形成磷銨鎂礦物去除氨氮和磷

  • 處理化學沉澱的初沉、厭氧消化廢活性污泥時，形成以下沉澱物，容易堵塞管道：

    • 磷酸銨鎂 (Struvite, )
      • 影響因子：
        • 離子強度
        • 廢水溫度
        • 鹼度
        • pH 值
      • 原理：
        • 因此，當廢水中 、、 呈 1:1:1 比例時，可形成磷銨鎂礦物。其溶解度積 () 表達如下：
            • 其中：
              • 、、：各離子活性濃度 (ion activity concentration)
              • 、、：各離子總濃度 (total ion concentration)
              • 、、：離子分率 (ionization fraction)
                • Ex:
              • 、、：活度係數 (activity coefficient)
      • 治理方式：
        • 沉澱法：透過沉澱法去除形成磷銨鎂礦物的一種或多種組成成分 (、、) 到溶解度積以下。從而限制磷銨鎂礦物的形成。
          • 沉澱劑：明礬、氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵、石灰
        • 降低 pH 值：透過加酸或二氧化碳降低 pH 值，從而限制磷銨鎂礦物的形成。
        • 減少二氧化碳釋放(氣提)：二氧化碳可能再管道湍流區域釋放，使得 pH 值升高，從而產生磷銨鎂礦物。
        • 添加抗結垢劑
        • 日常維護
    • 磷酸鈣
    • 磷酸亞鐵
    • 磷酸鋁

  • 圖形解釋 - Fig 6-19:

    • 左側 y 軸表溶解度；右側 y 軸表離子分率；x 軸表 pH。
    • ※注意：圖中磷銨鎂礦物的溶解度曲線以靠近 x 軸這側為曲線內，表示不會形成磷銨鎂礦物；反之，則表示可能形成磷銨鎂礦物。
    • 由圖可知，當 pH 值在 10.3 時，存在磷銨鎂礦物的最低溶解度。
    • 由圖可知，當 pH 小於 5 時，不會形成磷銨鎂礦物。
    • 由圖可知，當 pH 大於 8 時， 會形成。

  • 圖形解釋 - Fig 6-20: 回收 (上流式流體化床)：

    • 添加過量 與提高 pH 可促進磷銨鎂礦物的形成。
    • 最佳條件：
      • pH：9~10.5
      • ：1.1~1.6
      • Temperature：25°C

C6-6 化學沉澱去除重金屬、無機鹽

  • 主要關注的重金屬：
    • 重金屬：砷 ()、鋇 ()、鎘 ()、銅 ()、汞 ()、鎳 ()、硒 ()、鋅 ()
    • 處理技術：化學沉澱、碳吸附、離子交換、逆滲透
    • 可以氫氧化物 ()、硫化物 ()、碳酸鹽 () 作為沉澱劑沉澱。
  • 與磷共沉澱：加混凝劑可除磷，同時會夾帶無機離子 (特別是重金屬) 一同沉澱去除。
    • 缺點：
      • 沉澱後的污泥中含有重金屬，因毒性高無法使用生物處理法 (厭氧消化) 處理。
      • 沉降不完全，會導致 TDS 上升。

C6-7 化學氧化法

  • 名詞解釋：

    • Reaction Potentials (反應電位)：衡量反應向右進行的趨勢 (通常以氫作為標準電位)，越正表示越容易進行。
      • Equilibrium Constants for Redox Equations (氧化還原方程式的平衡常數, )：
          • 其中：
            • ：電子數
            • ：法拉第常數 ()
    • Half Reaction Potentials (半反應電位)：包括一個氧化或還原作用的半反應，以標準氫電極為基準的標準電位。
    • Breakpoint Chlorination (折點加氯)：透過氯將廢水中的氨氮氧化為氮氣。

  • 氧化劑種類與強度：

  • 化學氧化法應用：

    • 異味控制
    • 硫化氫控制
    • 除色
    • 除鐵和錳
    • 消毒
    • 控制處理過程和分配系統組件中的生物膜生長和生物污垢
    • 選擇性氧化痕量有機成分
    • 主要應用：
      • 改善不可/難生物降解的有機物
      • 消除特定有機/無機物對微生物的抑制作用
      • 降低或消除特定有機/無機物對微生物、水中植物的毒性

  • 化學氧化法缺點：

    • 高成本
    • 不完全氧化形成有毒副產物
    • 可能增加一些成分生物降解性，可能要增加生物處理。
    • 對設備有腐蝕性

C6-8 高級氧化程序

  • 名詞解釋：
    • Mineralization (礦化)：羥基與有機物完全反應，產生 、、鹽類。
  • 特色：
    • 高級氧化程序可直接降解有機物，而非濃縮或相轉移，不會產生二次污染物。
    • 羥基自由基 ()，幾乎能與所有還原物質反應 (無選擇性)。
    • 可於常溫常壓下進行。
  • 降解程度：
    • 初級降解：有機物被氧化成小分子有機物。
    • 可接受的降解/無害化：使原始化合物結構改變，以減毒。
    • 完全降解/礦化：有機物轉化為無機物 ()。
    • 不可接受的降解/有害化：有機物轉化為有毒物質。
  • 難降解有機化合物氧化機制：
    • 基團加成：羥基基團與不飽和脂族或芳香族化合物加成反應。產生穩定的氧化終產物。
    • 脫氫：羥基基團從有機化合物中提取一個氫原子。其產物可與氧引發鍊式反應，產生過氧自由基。
    • 電子轉移：形成高價離子。
    • 自由基團結合：二個游離基團結合形成穩定產物。
  • 高級氧化程序：
    • O3/UV 程序
        • 課外補充:
      • 儘管 UV 也可以將 分解為 ，但是在 下， 對 UV 的吸收係數比較高。因此，使用 產生 進而產生 不是一個好方法。
    • O3/H2O2 程序
      • 會比 更快被有機物消耗，過量 不僅浪費，也可能產生氧化副產物 (如溴酸鹽)，甚至消耗 ：
        • 過量 也會消耗 ，甚至因其較穩定，會殘留在水中。
        • 改善方式：分段處理。先加入 ，再分批加入 ，最後用==次氯酸鈉 ()== 消除過量的 。
      • 典型 用量：； 用量：
    • H2O2/UV 程序
      • 吸光係數較低，因此需要高濃度與高 UV 光強度。
      • 不適合用於飲用水處理，因為 若殘留，會消耗餘氯影響消毒。
  • 反應速率：
    • 對於 副產物 反應，反應速率定義為 (二階反應)：
        • ：速率常數 (Rate Constant)
  • 限制條件：
    • 氧化程序：有機化合物 → 醛 → 羧酸 → 二氧化碳和無機酸
      • 其中，羧酸為速率決定步驟，反應速率通常最慢。
    • 碳酸氫鹽 ()、碳酸鹽 () 的干擾：
      • 高濃度 、 會消耗 ，降低氧化效率。
      • 需透過軟化或 RO 程序去除鹼度。
    • pH
    • 金屬離子：還原態金屬離子會消耗 ，降低氧化效率。
    • 一般而言，高級氧化處理程序之 濃度約為 。

C6-9 光解反應

  • 名詞解釋：
    • Electrical Efficiency：應用在實務上時，破壞單位體積廢水所需的電力。
    • Electrical Efficiency Per Log Order (EE/O)：每 1000 gal 水中，降低某污染物一數量級所需的電力 (kWh)。
    • Extinction Coefficient (消光係數)：為波長的函數，波長越小更多光被吸收。
    • Quantum yield (量子產率)：描述光子吸收導致光解反應頻率的量。光解反應的數量分子吸收光子數。通常，當波長越小，量子產率越高。
  • 使用光解反應需考量：
    • 目標化學品需能吸收 UV
      • 吸光能力-朗伯比爾定律 (Lambert-Beer Law)：
        • 其中：
          • ：吸光度 (Absorbance)
          • ：波長 ()
          • ：透射光強度 ()
          • ：入射光強度 ()
          • ：消光係數/摩爾吸光係數 ()
          • ：濃度 ()
          • ：光徑長度 ()
          • ：吸收率 (Absorptivity) 以十為基底 ()
      • 反應器光能量輸入：
          • 其中：
            • ：反應器單位體積內的光能量輸入 ()
            • ：燈管功率 ()
            • ：目標波長的輸出效率
            • ：莫爾光子數 ()
            • ：反應器體積 ()
            • ：普朗克常數 ()
            • ：光子頻率 ()
              • ：光速 ()
              • ：波長 ()
    • 光解速率 (取決於光子吸收率和頻率)
      • 體積光子吸收率：
        • 其中：
          • ：單位體積溶液吸收光速率 ()
          • ：基於 消光係數或 的莫爾吸收率 ()
      • 量子產率 (Quantum Yield)：
        • 光解速率吸收速率
        • 其中：
          • ：量子產率 ()
          • ：光解速率 ()
    • 電力效率 (Electrical Efficiency, )：
        • 其中：
          • ：電力效率對於每單位對數反應物 ()
          • ：燈管功率 ()
          • ：反應時間 ()
          • ：反應槽體積 ()
          • ：初始濃度 ()
          • ：最終濃度 ()
          • ：流量 ()

C11

C11-9 吸附 (Adsorption)

  • 名詞解釋：
    • Adsorption：吸附，指物質附著在固體表面的過程。
    • Absorption：吸收，指物質穿透固體表面的過程。
    • Adsorbate：吸附質。
      • 影響吸附特性因素：溶解度、分子結構、分子量、極性、羥飽和度。
    • Adsorbent：吸附劑。
    • Activated Carbon：活性碳，一種常見的吸附劑。但對低分子量極性有機物效果較差。
    • Mass Transfer Zone (MTZ)：質量傳遞區，顆粒活性碳床內發生吸附的區域。
    • Carousel Technique：旋轉式技術，旋轉多個吸附塔，使最多僅有一個塔破出，且不影響出流水質。
  • Adsorbent 吸附劑
    • 種類：
      • 活性碳 (Activated Carbon)
        • 孔徑分類：
          • 微孔 (Micropores)：小於 。
          • 中孔 (Mesopores)：。
          • 大孔 (Macropores)：大於 。
        • 尺寸分類：
          • 顆粒狀活性碳 (Granular Activated Carbon, GAC)：大於 0.1 mm。用於壓力或重力過濾。
          • 粉末狀活性碳 (Powdered Activated Carbon, PAC)：小於 0.07 mm。用於活性污泥處理、固體接觸法。
      • 顆粒狀氫氧化鐵 (Granular Ferric Hydroxide, GFH)
        • 由氯化鐵 (FeCl3) 與氫氧化鈉 (NaOH) 反應製成。
      • 活性氧化鋁 (Activated Alumina)
        • 用於除去氟、砷離子。
  • 吸附過程
    • 圖形解釋 - Fig 11-50:
      • 吸附過程分為：
        1. Bulk solution transport (溶液內傳輸)：被吸附有機物通過平流與分散作用向吸附劑周圍液體膜傳輸。
        2. Film diffusion transport (膜擴散傳輸)：由於擴散，有機物通過液體膜進入吸附劑。
        3. Pore and surface transport (孔隙與表面傳輸)：被吸附有機物通過孔隙內液體分子擴散和/或通過吸附劑表面擴散作用進入吸附劑。
        4. Adsorption (吸附)：被吸附有機物附著於吸附劑活性吸附位點的過程。
    • 吸附平衡：
      • (Eq 11-50)
        • 其中：
          • ：吸附劑相平衡濃度 (吸附質吸附劑)
          • ：進流濃度 ()
          • ：出流濃度 ()
          • ：反應器體積 ()
          • ：吸附劑質量 ()
  • 吸附等溫線
    • Freundlich Isotherm：
      • 其中：
        • ：吸附劑相平衡濃度 (吸附質吸附劑)
        • ：Freundlich 吸附容量常數 (吸附質吸附劑溶液吸附質)
        • ：出流濃度 ()
        • ：Freundlich 吸附強度常數。
      • 特徵：
        • ==。==
    • Langmuir Isotherm：
      • 其中：
        • ：吸附劑相平衡濃度 (吸附質吸附劑)
        • ：Langmuir 吸附常數
        • ：出流濃度 ()
      • 特徵：
        • ==。==
      • 假設：
        1. 吸附劑表面吸附點數量固定且能量相同。
        2. 可逆吸附。
  • 破出曲線 (Breakthrough Curve)
    • 圖形解釋 - Fig 11-53
      • 當可吸附物質通過吸附劑時，在 MTZ 內發生吸附，MTZ 以下則不會發生吸附。
      • 隨著頂層達飽和，MTZ 逐漸下降。
      • 當 MTZ 下降至底層時，開始出現破出(出流濃度達到進流濃度 5%)。該點訂為 。
      • 當出流濃度達到進流濃度 95% 時，表吸附床已達飽和。該點訂為 。
      • 在極端情況下，負載過大時，可能出現 MTZ 深度大於床高的情況。
    • 圖形解釋 - Fig 11-54
      • 當存在不可吸附物質時，在一開始就會出現破出濃度。
      • 存在可生物降解物質時，則破出不可能達到進流濃度。

C5

C5-3 混合和絮凝 (Mixing and Flocculation)

  • 混合-連續-快速混合 (Continuous Rapid)：混合時間短，通常小於 30 秒
    • 用途：
      • 混合藥劑與廢水。
      • 攪拌混合液體。
      • 向污泥或生物質添加藥劑，以改善脫水性能。
    • 攪拌器：
      • 渦輪 (Turbine)
        • radical-flow：由中心向外。
        • axial-flow：由上向下。
      • 螺旋槳 (Propeller)
      • 設計須考量：
        • 速度梯度 ()
        • 轉速
        • 葉輪直徑與池徑比
  • 混合-連續混合 (Continuous)：持續混合。
    • 用途：
      • 廢水顆粒物絮凝。
      • 維持物質於懸浮狀態。
    • 攪拌器：
      • 靜態混合器 (Static Mixer)
      • 槳板混合器 (Paddle Mixer)
      • 渦輪、螺旋槳
      • 雙面混合器 (hyperboloid mixer)
  • 能量消耗：
    • ==混合器能量消耗：==
      • 其中：
        • ：平均速率梯度 ()
        • ：混合功率 ()
        • ：液體動黏度 ()
        • ：混合器體積 ()
      • 此方法不適用於微絮凝。
    • Turbine 攪拌器：
      • 功率：
      • 泵送能力：
        • 其中：
          • ：功率 ()
          • ：葉輪功率數
          • ：液體密度 ()
          • ：轉速 ()
          • ：葉輪直徑 ()
          • ：泵送流量 ()
          • ：葉輪流數(flow number)
    • Paddle 槳板混合器：
      • 功率：
      • 阻力：
        • 其中：
          • ：阻力 ()
          • ：槳板相對速度 ()
          • ：阻力係數
          • ：液體密度 ()
          • ：槳板速度 ()
          • ：槳板面積 ()
    • 圖形解釋 - Fig 5-12 (a)、(b)：
      • (a)、(b) 分別為 Inline Static Mixer with Internal Vanes 和 Inline Static Mixer with Orifice Used to Create Internal Turbulence for Mixing Dilute Chemicals。
      • 其中，(a) 把二流體同時注入帶一系列檔板的管道，增加其亂流實現混合。
      • (b) 則是透過檔板將一流體產生亂流時注入另一流體，實現混合。

C5-4 沉降

  • 名詞解釋：
    • Hindered settling：由於顆粒間的相互作用而減慢沉降速度。使鄰近顆粒保有一定距離，導致一層顆粒在另一層顆粒上沉降。
  • Newton’s Law @
  • Stokes’ Law @
  • 圖形解釋 - Fig 5-28
    • 用於求 的圖表。
    • 步驟：
      1. 確定 、。
      2. 透過 、 確定 ，並畫出 。
      3. 分別沿 、 繪製切線得焦點 。
      4. 由 畫角平分線得曲線焦點 。
      5. 沿 畫切線，則該切線與 的交點即為 。

C5-6 初沉澱

  • 名詞解釋：
    • Surface Overflow Rate (SOR)：表面溢流率，即水流過沉澱池表面的速率。
  • 種類-矩形沉澱池 (Rectangular Tanks)
    • 設計關鍵：
      • 污泥去除
      • 流量分布
        • 改善方法：
          • 全寬度進水
          • 帶淹沒口/孔之進水
          • 帶寬閘和開槽黨版的進水渠
      • 浮渣去除
  • 種類-圓形沉澱池 (Circular Tanks)
    • 設計關鍵：
      • 流動模式
      • 能量分散方法
      • 污泥去除
  • 影響沉澱池性能的因素：
    • 進水慣性形成渦流
    • 未加蓋使風帶動循環
    • 熱對流
    • 冷熱水形成密度流
    • 乾熱氣候的熱層流
  • 設計關鍵：
    • 停留時間 (Detention Time)
    • 表面負荷率 (Surface Loading Rate/Oveflow Rate)
    • 堰負荷率 (Weir Loading Rate)
    • 沖刷速度 (Scour Velocity)
        • 其中：
          • ：水平沖刷速度 ()
          • ：被沖刷物質係數。 為沙； 為黏性較大物質。
          • ：Darcy-Weisbach 摩擦係數。通常介於 。

C5-10 吸收

  • 名詞解釋：
    • Fick’s first law:
    • Fick’s second law:
      • 其中：
        • ：分子擴散係數 ()
        • ：距離 ()
  • Figure 5-62：
    • 雙膜理論：
        • 其中：
          • = 每單位面積每單位時間轉移的質量速率
          • = 氣膜質量傳遞係數
          • = 氣相散體中成分 A 的分壓
          • = 與液相中成分 A 的濃度 達到平衡時界面處的分壓
          • = 液膜質量傳遞係數
          • = 與氣體中成分 A 的分壓 達到平衡時界面處的成分A濃度
          • = 液相散體中成分A的濃度
      • 氣液交界面處會產生氣膜和液膜，兩者的質量傳遞速率相等。而氣相與液相達平衡時，氣相的濃度分壓為 ，液相的濃度為 。
      • 圖 (a) 指氣相濃度大於液相濃度時，，。氣相中的物質會向液相轉移。稱為吸收。
      • 圖 (b) 指氣相濃度小於液相濃度時，，。液相中的物質會向氣相轉移。稱為氣提。
      • 而兩質傳膜的厚度反映了質傳的速率。當質傳膜厚度減小時，質傳速率增加。

EXAMPLE 5-12

  1. 由題可知，要求 DO 由 上升至 所需時間。
    • 氧氣的質傳係數 ：
    • 氧氣的飽和值：
    • 水體面積：
    • 水體深度：
    • 溫度：
  2. 求質傳時間，必使用式 (5-63)：
    • 其中，單位體積的質量傳遞界面面積 () 可表達為 。
  3. 代入數值，可得： 　

EXAMPLE 5-13

  1. 由題可知，要求苯的濃度下降 50% 所需時間。
    • 苯的質傳係數：。
  2. 求質傳時間，必使用式 (5-63)：
    1. 其中，濃度下降 50% 表：。
    2. 未知，由於苯為揮發性物質且在大氣中不常見，故令 。
  3. 代入數值，可得： 　

C5-11

  • 本書標準狀態：
    • 溫度：
    • 壓力：
  • 名詞解釋：
    • -factor：
      • ==用於校正因曝氣裝置影響的 值==，表廢水氧氣質傳速率與清水氧氣質傳速率的比值，一般落於 [0.3, 1.2]。隨曝氣裝置類型、MLVSS 濃度、池形狀、混和程度、廢水特性等因素而異。(MLSS 越高，增加黏度使 越低)
    • -factor：
      • 用於校正因液體組成影響的氧氣質傳速率，一般落於 [0.8, 1.0]。隨液體成分而異。
    • Fouling Factor (F)污垢係數：用於估算曝氣裝置的污垢程度，一般落於 [0.65, 0.90]。
    • SOTR： 標準條件下（, , ）的氧氣傳遞速率。單位：。
    • AOTR：實際條件下的氧氣傳遞速率。
  • 氣體擴散器 OTR 下降的原因：由於內部堵塞或外部污染。內部堵塞可能是由於壓縮空氣中的雜質未被空氣過濾器去除。外部污染可能是由於生物黏液或無機沉澱物的形成。

EXAMPLE 5-14

  1. 由題可知，要求 值。
    • 水溫：
    • 飽和溶氧濃度： (見附錄 E)
  2. 不同溫度下的 值換算需透過式 (5-74)：
    • 其中，。故僅需計算 。
  3. 透過對數迴歸計算 ：已知時間與 DO 濃度，可使用式 (5-63)：，但需轉換為線性關係。
  4. 計算得下表：
Time, minDO conc., mg/L
40.82.2279
71.82.1138
103.31.9140
134.51.7192
165.51.5217
196.21.3558
227.31.0224
  1. 以 y=； 進行對數迴歸，可得斜率 。
  2. 透過式 (5-74) 計算 ： 　

C8-9

  • 名詞解釋：
    • Aeration System 曝氣系統：
      • 滿足廢水中 bCOD 的生物氧化的氧氣需求
      • 滿足由於生物量內源呼吸引起的氧氣需求
      • 滿足生物硝化的氧氣需求
      • 在反應器內提供足夠的混合
      • 在整個曝氣池中保持最低的溶解氧濃度

C8-10

  • 名詞解釋：
    • Surface Overflow Rate (SOR) 表面溢流率：。
    • Surface Loading Rate (SLR) 表面負荷率：。
    • Sludge Volume Index (SVI) 污泥體積指數：。

C11-4

  • 名詞解釋：
    • Effective Size 有效粒徑 ：深濾系統中，有效粒徑定義為 10% 重量的顆粒。通常此尺寸對應計數中 50% 以上的顆粒。
    • Uniformity Coefficient 均勻係數 ：深濾系統中，均勻係數定義為 60% 重量的顆粒與 10% 重量的顆粒之比。
  • Depth filtration 深濾
    • 應用：
      • 實現強化去除殘留懸浮固體（包括顆粒BOD和磷）
      • 減少固體質量排放
      • 作為調節步驟，確保出水有效的被消毒
  • 圖形解釋 - Fig 11-3
  • 圖形解釋 - Fig 11-4
    1. 當空床時，有一定的水頭損失。
    2. 隨著開始使用，濁度在介質中累積，水頭損失穩定上升。而出流濁度僅些微上升。
    3. 當濁度上升到不可接受的水平時，必須清潔過濾器。如果不清潔會出現累積的濁度被沖洗出，新的濁度又會累積的動態平衡。
    4. 而一般透過水頭損失判斷清洗週期，該週期確保在破出前清洗過濾器。
    5. 而反沖洗過程中，水中濁度會下降，此操作區域稱 Ripening Phase。
  • 圖形解釋 - Fig 11-5 必考
  • 圖形解釋 - Fig 11-7 必考

EXAMPLE 11-1

  1. 已知，題目要求 Effective Size、Uniformity Coefficient、Headloss。
    • 流速
    • 形狀因子 。
    • 。
    • 動黏度 (附錄 C)
  2. 已知，以 Geometric mean size 為 ，Cumulative percent passing 為 時，符合對數常態累積分佈。
    1. 因此，可透過 作為 ， 作為 ，進行線性迴歸。
    2. 得線性迴歸方程式：
      • ；。
  3. 根據迴歸結果，求 之粒徑則為 effective size：
  4. 進一步求 ，則可透過 求得 uniformity coefficient。
    1. 得 。
    2. 故
  5. 計算 headloss，根據題目已知使用式 (11-6) 估算。
  6. 其中，缺少 ，需先透過計算 ，在由下式求得。
  7. 故依次計算可得：
Sieve sizep (mm) ()
6-80.000.000.0000--
8-100.012.184.92666.17880.0283
10-120.031.834.13567.22130.1184
12-180.161.302.93799.82621.2094
18-200.150.922.079113.47232.1966
20-300.300.711.604517.10917.2292
30-400.220.501.129923.714410.4343
40-500.120.350.791033.163811.3705
  1. 故
  2. 最後計算 ：
    • 　

EXAMPLE 11-2

  1. 已知，要求 Degree of expansion(膨脹程度)、Whether the proposed backwash rate will expand all of the bed（建議的反洗率是否會擴大所有床層?）。
  2. 為求膨脹率，必使用式 (11-19)：
    • (參考 Example 11-1, 可參考 Table 11-17)
  3. 其中， 未知，需透過式 (11-16) 求得，而其中，終端速度 可透過計算 (5-18, 19, 22) 求得，或查圖 (5-20)
  4. 故得：
Sieve size or numberPercent of sand retainedGeometric mean size*, mm (m/s)
8-100.012.180.3040.49560.0198
10-120.031.830.2700.50870.0611
12-180.161.300.2100.53760.3460
18-200.160.920.1570.57310.3748
20-300.300.710.1230.60470.7589
30-400.220.500.0850.65590.6394
40-500.120.350.0550.72180.4314
  1. 故：
  2. 得：
    • 因此，床將由 0.9 m 膨脹至 1.42 m。
  3. 最後，評估膨脹後的孔隙率（）是否大於原始孔隙率（）。可知，，故反沖洗速率足以膨脹整個過濾床。

C11-5

  • 濁度 (Turbidity) 與總固體物 (TSS) 的關係：
    • 二次沉澱池 (Settled secondary effluent)：
    • 過濾 (Filter effluent)：

EXAMPLE 11-3

  1. 已知，要求 1 年 1 次、3 年 1 次的最大濁度值。以及估算超過標準濁度值的頻率。
    • 顆粒物去除程序：Activated Sludge Process with Mono-medium Filtration
      • 由表 (11-12) 可知，濁度 (Turbidity) 之幾何標準差
    • 平均濁度值
    • 出水標準濁度值
  2. 為求 1 年 1 次、3 年 1 次的最大濁度值，表示需要進行以下計算：
    • ，其中 在 1 年 1 次時為 。
    • 1 年 1 次的最大濁度值：，
    • 3 年 1 次的最大濁度值：，
    • 而超過標準濁度值的頻率可透過 ，故約 16.3040% 的時間超過標準濁度值。
  3. 或透過查對數圖：
    1. 已知 ，，可得 。
    2. 藉由 、 可得對數圖，進而求得 1 年 1 次()、3 年 1 次()的最大濁度值。
    3. 最後，查濃度為 2.49 NTU 的機率，即可得超過標準濁度值的頻率。

C11-10

  • 氣提法可用於除 、、、、。
  • 氣提法需考量：
    • 待氣提化合物的特性
    • 所使用的接觸器類型及所需的階段數
    • 氣提塔的物質質量平衡分析
    • 所需氣提塔的物理特徵和尺寸
  • 流通方式：
    • Countercurrent Flow 逆流
    • Cocurrent Flow 同流
    • Crossflow 交流
  • 圖形解釋 - Fig 11-68
    • 廢水中氨氣提可能遭遇的問題：
      • 保持有效汽提所需的 pH 值
      • 塔和進料管線內碳酸鈣結垢
      • 寒冷天氣運轉時性能較差

C16-4

  • VOC：沸點低於 100°C 的有機化合物。或 時的蒸氣壓大於 的有機化合物。
  • VOC 控制的主要機制：揮發、氣提
  • 廢氣處理的主要方法：吸附(活性碳、樹脂)、焚化、催化氧化、火焰混燒、生物濾床

EXAMPLE 16-3

  1. 由題可知，要求可去除的 TCE 量。以知為 Complete-mix diffused-air aeration system。
  2. 故可透過式 (16-33) 求得去除率：
    1. 其中， 為氣體流量， 為廢水流量， 為 Henry’s law constant， 為氣提效率。 2.而氣體流量 由於受壓力影響，需先經校正：
    2. 而 、 需先計算：
      1. 由式 (2-51) 可得：
      2. 由式 (16-30) 可得：
      3. 其中 需先計算 。可透過式 (16-22) 求得：
  3. 因此，透過計算可得：
  4. 故得：

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