I

第九冊 廢水處理物理單元

目錄

壹、前言 1

貳、攔污柵及篩渣處理 2

2.1 攔污柵分類與功能 2

2.2 篩渣處置 5

叁、沉砂池 5

3.1 沉砂池目的 5

3.2 沉砂池設計原理 5

肆、調勻池 8

4.1 調勻池設置目的 8

4.2 調勻池設計有效容積估算 9

4.3 調勻池設計考慮因子 9

伍、攪拌 12

5.1 攪拌目的 12

5.2 攪拌機攪拌 12

5.3 曝氣攪拌 13

陸、沉澱池 15

6.1 沉澱目的 15

6.2 沉澱池效率估算 16

6.3 沉澱池之表面負荷 18

6.4 沉澱池種類 19

6.5 傾斜板沉澱池原理 21

柒、浮除 23

7.1 重力浮除 23

7.2 加壓浮除 25

II

捌、過濾 30

8.1 過濾原理 30

8.2 過濾方式 30

8.3 快濾池設計準則 32

玖、薄膜過濾 36

9.1 薄膜過濾原理 36

9.2 薄膜種類 37

9.3 薄膜過濾應用 41

拾、物理吸附及應用 42

10.1 物理吸附原理 42

10.2 活性碳吸附技術 42

10.3 物理吸附應用例 44

參考資料 48

1

第九冊 廢水處理物理單元

壹、前言

廢水處理依其原理可分為物理、化學及生物處理3類，其中物理處理單元包括：

(1)攔污、(2)沉砂、(3)調勻、(4)攪拌、(5)沉澱、(6)浮除、(7)過濾、(8)物理吸附、

(9)薄膜過濾等。圖1.1顯示各單元組合。上述9單元之功能如表1.1所示。

上述9種物理處理單元之相關理論、常用型式及其設計方法分述如下。

進流水

攔污粗柵 攔污細柵 沉砂池 抽水井

調整池/抽水幫浦 計量設施 浮除或初沉池

破布/樹枝/塑膠袋等

菜渣/皮屑/纖維/糞便等

砂礫

油脂/浮渣/泥砂

A B

B

高濃度廢水貯槽

C

前處理

pH調整/氧化還原/混凝/膠凝池

化學沉澱池 中間貯池C D

廢棄化學污泥

化學處理

生物處理池 二級沉澱池 中間貯池 D

廢棄生物污泥

迴流污泥 生物處理

C 消毒

過濾槽 中間貯池

計量/放流池

逆洗排水(排至調整池) 回用水

高級處理/回用/放流mschou(2006/12)

D 吸附槽薄膜過濾槽

D

濃縮/再生水

逆洗用水

放流水離子交換槽

圖1.1 廢水處理廠各單元 (實線框為物理單元)

再生水

調勻池/抽水幫浦

逆洗排水(排至調勻池)

2

表1.1 廢水處理廠物理處理單元功能

單元操作 功能

攔 污 攔除水中大塊固體物

沉 砂 去除廢水中砂礫

調 勻 調節廢水流量及調整水質 (如：生化需氧量、pH等) 負荷

攪 拌 混勻水中添加之化學藥劑、懸浮活性污泥、增加氧氣傳輸速率等

沉 澱 去除水中易沉降之懸浮固體物，以澄清廢水或濃縮污泥

浮 除 分離與水比重相近之固體物或油脂，以澄清廢水或濃縮污泥

過 濾 去除水中懸浮微粒

薄膜過濾 薄膜過濾可分離水溶性鹽類

物理吸附 利用固體介質吸附去除水中重金屬、有機物等污染物質，固體介質

與污染物間不產生化學反應

貳、攔污柵及篩渣處理

2.1 攔污柵分類與功能

攔污柵分類、設置位置、孔隙、功能等如表2.1所示。

粗、細攔污柵 (圖2.1) 一般由多根垂直或斜置鋼棒，以等間距設於水流渠道上，

藉以攔截各種漂浮物體。廢污水通常先經設於進流渠道之攔污柵，再流入抽水井、

原污水抽水機、計量、浮除或初沉池等設施，以發揮保護作用，即阻止廢水中大

型固體物流入處理廠，以免影響抽水設備或其他機具之操作，或造成各單元間連

通管路阻塞。

粗柵可攔截尺寸大於50 mm之大型物體，如破布、樹枝、塑膠袋等；細柵可攔

截尺寸大約20-50 mm之中小型物體，如菜渣、皮屑、纖維、糞便等，其水頭損失

較大，容易阻塞；孔隙大於2.3 mm之固定式細篩 (圖2.1) 可做預處理或初級處理。

此外，另有轉動式鼓形篩 (revolving drum screen) (圖2.1、2.2)，用以去除二級處理

後廢污水中未沉澱去除之懸浮固體，多孔板與密集攔柵之開孔通常大於0.02 mm，

而織網篩 (woven wire screen) 則用於需要篩除更小懸浮物之場合。

3

表2.1 攔污柵孔隙及功能

設備名稱 設置位置 孔徑或間隙

功能 mm inch

粗柵 進流渠 (細柵、抽水

井與沉砂池上游) 50-150 2-6

攔截大型物體 (如：破

布、樹枝、塑膠袋等)

細柵

進流渠 (粗柵下

游、抽水井與沉砂池

上游)

20-50 0.75-2

通常採用25 mm (1 in)

之開孔，攔截中小型物

體 (如：菜渣、皮屑、

纖維、糞便等)

固定式細篩 (同上) 2.3-6.4 0.09-0.25

孔隙大於2.3 mm之固定

式細篩可做預處理或初

級處理

轉動式細篩 二級沉澱池排水口 0.02-2.3 0.001-0.09 去除二級處理後廢污水

中未沉除之懸浮固體

攔污柵及細篩設計參數 (斜度、進水流速、水頭損失等) 如表2.2所示。

表2.2 攔污柵及細篩設計參數

人工清除式攔污柵 機械清除式攔污柵 轉動式鼓形細篩

柵棒尺寸 (bar size)

厚 (cm) 0.5-1.5 0.5-1.5

寬 (cm) 2.5-3.8 2.5-3.8

柵間隙 (cm) 2.5-5.0 1.5-7.6

斜度 (水平夾角) 45-60 60-90

進水流速 (m/s) 0.3-0.6 0.6-1.0

水頭損失 (cm水柱) 15

(容許最大值)

15

(容許最大值) 80-140

4

A.人工清除式攔污柵粗柵 (新竹科學

園區污水處理廠)

B.機械清除式攔污細柵 (新竹科學園區

污水處理廠)

C.固定式細篩 (通稱之固液分離機或

斜篩) (http://2005gd.tgpf.org.tw)

D.轉動式鼓形細篩

(http://2005gd.tgpf.org.tw)

圖 2.1 各型攔污柵

圖 2.2 轉動式鼓形細柵構造及除渣原理

5

2.2 篩渣處置

依篩除物之清除方式，攔污柵可分為人工清除 (圖 2.1A) 與機械清除 (圖

2.1B-D) 兩種。人工清除式會因篩除物累積太多，減少水流斷面而增大流速，致降

低篩除效果；機械清除式則可減少此現象。

篩渣之處置原則如下：

1. 根據入流廢污水夾帶固體物實際情況預估篩除量，暴雨後大型固體物將會明顯

增加。

2. 篩渣應儘可能早日處置，縮短固體物停留時間。儲存期限以夏天1-2日，冬天2-3

日為原則。

3. 篩除物搬出之前，應充分去除水分，或先加壓脫水。

4. 視需要施以防臭劑、防腐劑及殺蟲劑。

5. 搬運時應予覆蓋或密閉，以防發散臭氣。

6. 篩渣直接埋棄時，應於搬至埋置地後即覆土掩埋，或做其他處理，須考慮分類、

回收問題。

7. 少量篩渣交由清潔車搬運時，應以塑膠袋密閉包妥，慎防破漏。

8. 篩渣搬離設施及搬運器材，於每次作業終了後應立即洗淨。

叁、沉砂池目的及原理

3.1 沉砂池目的

通常砂礫係指比重約1.3-2.7 (一般設定為2.65)、粒徑大於0.2 mm的固體物。沉

砂池目的為去除廢水中砂礫，設置於抽水井及調勻池前 (圖1.1)，使砂礫沉降分離，

以防止砂礫磨損抽水機及管線或阻塞管渠。

3.2 沉砂池設計原理

從構造上，沉砂池 (grit chamber) 可分為重力式及曝氣式2種。

重力式沉砂池為利用砂礫本身重力以達沉降分離目的。廢污水在重力式沉砂

6

池之平均水平流速為15-30 cm/s，若流速低於此範圍，則較細微的有機物易因沉澱

而腐敗，流速過快，則易使底部沉澱物再揚起。通常廢污水在重力式沉砂池之水

力停留時間為45-90秒，小規模的沉砂池則有120-180秒。ㄧ般應有二個平行之沉砂

池以便交替清理。重力式沉砂池之效率與其表面積成正比，沉澱之砂礫常夾雜有

機物質且易於腐敗，通常應經洗淨後填地或填於污泥乾燥砂床。

為使水流在沉砂池斷面流速均一，設矩形溢流堰之重力式沉砂池斷面理論上

應為拋物線型，實際上為梯形 (圖3.1)。

圖 3.1 拋物線斷面式重力沉砂池

典型之曝氣沉砂池如圖3.2所示，曝氣式沉砂池係藉由導入空氣使有機物與砂

礫分離，有機物可隨水流進入沉澱池，砂礫則可在池中沉澱，沉澱之砂礫使用機

械連續清除。曝氣沉砂之優點為：(1)對於速度之控制要求較寬，(2)流量之變異影

響沉砂效果不大，(3)砂礫可不須清洗即可處理，(4)使廢水有預曝氣之作用。每槽

必須包括一約90 cm深之集砂槽。

7

圖3.2 典型曝氣式沉砂池剖面

重力及曝氣沉砂池設計準則摘要如表3.1所示。

表3.1 重力及曝氣沉砂池設計準則

重力式 曝氣式

池數 2個

通常交替使用

2個

通常同時使用 (非尖峰流量時亦

可1個使用，另1個清理)

水力停留時間 45-90秒 (通常為60秒)

小規模者為120-180秒

120-300秒 (通常為180秒)

有效池深 0.6-1.5 m 2-5 m

長度 3-25 m 7.5-20 m

寬度 2.5-7.0 m

寬/深 1/1-5/1，一般為1.5/1

長/寬 3/1-5/1，一般為4/1

空氣擴散管 設於距池底45-60 cm處

單位長度曝氣量 每公尺池長0.18-0.45 m3/min

流速 0.15-0.30 m/s

設計例3.1：重力沉砂池設計

圖3.1所示之重力沉砂池在水位高度y＝0.6 m、水流在沉砂池斷面流速U＝0.30

m/s時，廢水之平均流量 (Q) 為何？該沉砂池之適當長度 (L) 為何？

以梯形估算水流斷面積 (A) ＝ (下底寬＋上底液面寬)×水位高度÷2

＝ (0.36＋1.12)×0.6÷2＝0.44 m2

平均流量 (Q) ＝ 斷面流速×水流斷面積

集砂槽

8

＝ V×A＝0.3 m/s×0.44m2

＝ 0.132 m3/s＝11,400 m3/day

水力停留時間 (HRT) ＝ 60 s (參閱表3.1：水力停留時間)

有效容積 (V) ＝ 平均流量(Q)×水力停留時間 (HRT)

＝ 0.132 m3/s×60 s＝7.92 m3

沉砂池長度 (L) ＝ 有效容積 (V)÷水流斷面積 (A)

＝ 7.92 m3÷0.44 m2＝18 m

設計例3.2：曝氣沉砂池設計

欲處理廢 (污) 水之平均流量為0.5 m3/s (43,200 m3/d)，尖峰流量為平均流量之

2.75倍 (2.75為水量尖峰係數，參考Metcalf & Eddy, 1991)，以尖峰流量設計該廢污

水之曝氣沉砂池如下：

尖峰流量 ＝ 平均流量×水量尖峰係數

＝ 0.5 m3/s×2.75＝1.38 m3/s

池數 ＝ 2

每ㄧ曝氣沉砂池有效容積 ＝ 尖峰流量×水力停留時間÷池數

＝ 1.38 m3/s×3 min×60 s/min÷2＝124 m3

每池寬度 ＝ 4.50 m (表3.1)

寬/深 ＝ 1.5/1 (表3.1)

每池深度 ＝ 4.50 m÷(寬/深)＝4.50 m÷1.5＝3.00 m

每池長度 ＝ 有效容積÷(寬×深)

＝ 124 m3÷(3.00×4.50) m2＝9.2 m

單位長度曝氣量 ＝ 0.45 m3/min.m (表3.1)

每池曝氣量 ＝ 單位長度曝氣量×每池長度

＝ 0.45 m3/min.m×9.2 m＝4.14 m3/min

肆、調勻池

4.1 調勻池設置目的

調勻池設置目的為控制廢水水量及減少水質之變異，提供適當操作條件以利

後續處理單元之正常操作。調勻池主要功能如下：

1. 提供足夠之緩衝空間平衡有機負荷，減少生物處理單元之突增負荷。

9

2. 提供適宜之pH控制。

3. 降低流量變異對後續理化及生物處理單元之衝擊。

4. 當製程廢水量減少時 (如：歲修)，使廢水得以穩定進入生物處理等後續單元。

5. 防止或平衡高濃度之毒性物質進入生物等後續單元。

4.2 調勻池設計有效容積估算

調勻池一般以水量調整為設計基準，但如廢水每日有固定時間之水質大幅變

化，則宜考量水量調勻池是否足以調整水質。高濃度廢水則應以貯槽先行貯存，

再以泵浦或重力定量注入水量調勻池為原則。

設計例4.1：調勻池有效容積估算 (以流量為基準)

經調查廢水廠之流量後繪成流量累積曲線 (圖4.1、4.2)，以設計流量做斜線

(A) 與流量累積曲線 (B) 間之最大間距 (H) 即為理論需求之調勻池有效容積。

以圖4.1之第I型為例，在取樣時間8時前，曲線B之斜率均小於直線A之斜率，

表示調勻池廢水入流流量 (B之斜率) 小於平均出流流量 (A之斜率)，累計至時間8

時，二者相差450 m3，此值即為調勻池於時間0時需貯存之水量，即調勻池之最小

有效容積需求；8時後，調勻池入流量大於平均出流量，調勻池開始累積入流廢水，

至24時之積存水量為H＝450 m3。

圖4.2之第II型與第I型不同，在6時前及16時後，廢水入流流量均小於平均出流

流量，調勻池水量減少；在6-16時間，廢水入流量大於平均出流量，調勻池水量增

加。調勻池有效容積為H = H1 + H2 = 750 m3。

4.3 調勻池設計考慮因子

4.3.1 攪拌及需氣量

為減少固體物沉降在池底並調勻水質，調勻池通常裝置有攪拌設備。常用之

攪拌機有：(1)表面曝氣機 (surface aerator)，曝氣強度為4.0-5.5 HP/(1,000 m3調勻池

水)；(2)散氣式曝氣機 (diffused air aerator)，每分鐘曝氣量為10-15 m3/(1,000 m3調

勻池水)，該曝氣強度可維持調勻池內廢污水呈好氧狀態。

10

0 4 8 12 16 20 240

1,000

2,000

2,400

2,200

1,800

1,600

1,400

1,200

800

600

400

200

H = 800-350 = 450 m3

= 調整池有效容積

量測時間(小時)

入或出流水累計流量

(m3)

A線之斜率為平均流量100 m3/h

B線為實際累積流量曲線

C線與A線斜率相同並與B線相切

第I型

C

BA

0 4 8 12 16 20 240

最低水位容積VD

時間(小時)

調整池累積有效水量

(m3)

100

200

300

400

500

600

700

800

900

H = 450 m3

= 調整池有效容積

mschou(2006/09)

圖4.1 以流量累積曲線估算調勻池有效容積 (第I型)

調勻池累積有效水量

(m3)

= 調勻池有效容積

= 調勻池有效容積

11

0 4 8 12 16 20 240

1,000

2,000

2,400

2,200

1,800

1,600

1,400

1,200

800

600

400

200

H1= 600-250 = 350 m3

量測時間(小時)

入或出流水累計

流量

(m3)

A線之斜率為平均流量100 m3/h

B線為實際累積流量曲線

C線與A線斜率相同並與B線相切

第II型

A

B

C

C H2= 2000-1600= 400 m3

H = H1 + H2 = 750 m3

= 調整池有效容積

0 4 8 12 16 20 240

最低水位容積VD

時間(小時)

調整池有效水量變化

(m3)

100

200

300

400

500

600

700

800

900

H1 = 350 m3

H2 = 400 m3

H = 750 m3

= 調整池有 效容積

mschou(2006/09)

圖4.2 以流量累積曲線估算調勻池有效容積 (第II型)

2,000-1,600

調勻池有效水量變化

(m3)

= 調勻池有

效容積

12

4.3.2 附屬設施

1. 沖刷池壁累積之固體物及油脂所需之設施。

2. 緊急溢流管或堰 (當出水泵浦故障時)。

3. 噴水設施 (消除泡沫)。

4. 去除懸浮物及沉積物裝置。

伍、攪拌

5.1 攪拌目的

攪拌目的為混合、懸浮、增加氣液接觸、增加固液接觸等，在廢水處理是一

重要單元操作，可應用在沉降、浮除、過濾、膠凝、混凝、吸附、曝氣、氧化、

還原、中和等。例如：(1)藉攪拌混合化學藥品和污泥，以改善污泥脫水性；(2)藉

攪拌消化槽中污泥和微生物接觸，以促進污泥消化；(3)藉攪拌使活性污泥懸浮，

並與廢水中有機物充分接觸，以促進有機物分解；(4)藉攪拌使通入廢水中之空氣

形成小氣泡，以供給微生物所需之氧氣。

常用的攪拌設施為機械式攪拌機及曝氣式攪拌2種，分述如下。

5.2 攪拌機攪拌

攪拌機攪拌之目的有：(1)避免懸浮固體物沉澱，(2)使廢水完全混合，(3)使氣

體以氣泡分散於廢水中；(4)無法混合之廢水，使成乳狀廢水，(5)增加傳熱能力。

葉輪攪拌機分為2類：

第一類為軸流式葉輪 (axial-flow impellers)，產生的水流和容器旋轉軸方向平

行；第二類為輻流式葉輪 (radical-flow impellers)，產生的水流，成切線方向或輻

射方向。葉輪的主要形式有3，即推進器 (propellers)，槳式 (paddles)，及輪機式

(turbines)。

5.2.1 推進器式攪拌機

適用於低黏度液體之攪拌，因轉速極高，小型者為 1,150或 1,750 rpm

(revolutions per minute)，大型者以400至800 rpm速度旋轉。推進器常由3片式槳葉

13

組成，如圖5.1所示。

圖5.1 幾種攪拌推進器

5.2.2 輪機式攪拌機

輪機式葉輪如圖5.2所示，裝於容器之旋轉軸上，以高速度轉動。葉輪直徑通

常為容器直徑的30-50%。輪機式攪拌翼對於黏度大小的適用範圍極廣，遇到低黏

度液體，往往產生強大的液流 (liquid current)，歷久不散。

圖5.2 輪機式葉輪 (上圖為俯視，下圖為側視)：(a)直線翼片、(b)十字圓盤、(c)

十字圓盤、(d)曲線翼片、(e)含有定子之覆蓋型翼片

5.3 曝氣攪拌

曝氣攪拌常用於廢 (污) 水處理廠之快混池、調勻池、生物池 (曝氣池) 等廢

(污) 水攪拌及通氣，其優點為：(1)設施簡便，(2)攪拌強度易以空氣流量控制，(3)

增加溶氧量。

ㄧ般而言，使用散氣盤之曝氣攪拌通氣量為每立方公尺水體體積每分鐘

0.010-0.015 m3 (體積曝氣強度0.010-0.015 Am3/m3.min) [13]。參考圖5.3，曝氣攪拌

之攪拌能量P及曝氣機之動力需求BHP可以下2式估算：

P ＝ 1.70×Qa×ln[(h＋10.33)/10.33] (5.1)

BHP ＝ P/E (5.2)

14

式中：

P ＝ 輸入於水中之攪拌能量 (kW)

Qa ＝ 曝氣量 (Am3/min，以曝氣機吸風口之溫度及壓力為準)

h ＝ 散氣盤或多孔管之沒水深度 (m)

10.33 ＝ 相當於ㄧ大氣壓之水柱高 (m)

BHP ＝ 曝氣機之動力需求 (kW)

E ＝ 曝氣機能量效率，通常設為0.50

圖5.3 曝氣攪拌動力計算

計算例5.1：曝氣攪拌動力計算

參考圖5.3及公式5.1、5.2，若散氣盤之沒水深度h＝4.5 m、調勻池中水量為V

＝1,000 m3。估算曝氣量Qa及曝氣機馬力需求 (BHP) 如下：

曝氣量Qa ＝ 體積曝氣強度×調勻池中水量

＝ 0.015 m3/m3.min×V＝0.015 m3/m3.min×1,000 m3

＝ 15 m3/min

曝氣動力需求BHP ＝ 攪拌能量P÷曝氣機能量效率E

＝ P/E＝1.70×Qa×ln[(h＋10.33)/10.33]÷E

＝ 1.70×15×ln[(4.5＋10.33)/10.33] ÷ 0.5＝18.44 kW

馬力需求 ＝ 18.44 kW÷0.746 kW/HP＝24.7 HP

(選用30 HP魯氏鼓風機)

15

陸、沉澱池

6.1 沉澱目的

沉澱池設置的目的為藉沉降以去除懸浮物質。

當水流進入一大斷面之池中，水流速度降低，池水趨近於靜止狀態，在重力

影響下，質量密度較高 (相對於周圍液體) 之顆粒會向下移動 (沉降)；反之，較低

質量密度之顆粒則會向上移動 (上浮) (圖6.1(a))。因此，廢水中之懸浮顆粒乃形成

池底之沉澱污泥或水面之浮渣而與水分離，水乃趨於澄清 (圖6.1(b))。

圖6.1 沉澱與上浮

顆粒粒徑愈大或質量密度與周圍液體相差愈大，懸浮顆粒移動速度愈快。在

沉澱過程中，顆粒粒徑可能不變 (圖6.2(a))，亦可能有膠凝現象 (圖6.2(b))。膠凝

乃顆粒相互接觸，增大粒徑，因而加大沉澱速度 (圖6.2(b))。一般微細粒子表面帶

有電荷，可使用混凝劑與其電性中和，進一步發生膠凝作用，使細小懸浮粒子聚

集成膠羽；亦可添加助凝劑，以增進沉澱效果。

16

圖6.2 單顆粒沉澱與膠凝沉澱

6.2 沉澱池效率估算

沉澱池可百分之百去除的顆粒愈小，其整體顆粒去除率愈高。在實務上，吾

人多以沉澱池之溢流速率 (overflow rate) 或表面負荷 (surface loading) 來估算一

沉澱池之負荷或處理量。

參考圖6.3，就水平流動理想沉澱池 (圖6.3a) 言，一固體顆粒流入沉澱區，該

顆粒由點1沉澱至點3之時間 (tS) 及廢水在沉澱區之水力停留時間 (tHR) 分別為：

tS ＝ H/VS＝沉澱區水深/粒子之沉降速度 (6.1)

tHR ＝ 水力停留時間

＝ (LWH)/Q＝(沉澱區之長L×寬W×水深H)/進水流量 (6.2)

在粒子沉降所需時間 (tS) 小於水力停留時間 (tHR) 之狀況下，該粒子可100%沉

除：

tS < tHR (6.3)

H/VS < (LWH)/Q (6.4)

17

VS > HQ/(LWH)＝Q/(LW) (6.5)

＝ Q/A (進水流量/沉澱區表面積)＝VO

(6.5) 式之含義為「粒子之沉降速度VS >沉澱池之溢流速率Q/A或VO」，則該粒

子可100%沉澱去除。就向上流動理想沉澱池 (圖6.3b) 言，如「粒子之沉降速度

VS >沉澱池之水之上流速度Q/A或VO」，則該粒子不會被沖至沉澱池表面，即該粒

子可100%沉除。由上述分析知，理想沉澱池之去除效率，只與池表面積有關，和

池子形狀、深度無關。

圖6.3 理想沉澱池：(a)水平流；(b)向上流

18

設若tS > tHR或VS < Q/A，則粒子去除率為：

粒子去除率 ＝ VS/(Q/A)＝粒子沉降速度/表面溢流速率 (6.6)

但就向上流沉澱池而言，若tS > tHR (或Vs < Q/A)，則粒子去除率為0%。

計算例6.1：粒子沉澱去除率估算

ㄧ廢水中懸浮固體之沉降速度分布如表6.1第1、2列所示，試估算其經一表面

負荷Q/A＝30 m3/m2.day之初沉池之平均粒子沉澱去除率。依 (6.6) 估算如表6.1第3、

4列所示：

表6.1 懸浮固體之沉降速度分布及去除計算例

1. VS (m/day) 10 15 20 25 30

2. 重量% 10 20 20 30 20 合計100

3. 去除分率VS/(Q/A) 0.333 0.500 0.667 0.833 1.000

4. (重量%)×(去除分率) 3.33 10.00 13.34 24.99 20.00 合計71.7

表6.1第4列顯示平均粒子沉澱去除率為71.7%。

6.3 沉澱池之表面負荷

在設計及操作管理實務上，沉澱池之表面負荷如表6.2所示。

表6.2 沉澱池之表面負荷

沉澱池 表面負荷Q/A (m3/m2.day)

正常

(average flow)

尖峰

(peak hourly flow)

1. 初沉池 (出流水接生物處理系統) 30-50 80-120

2. 初沉池 (含沉除廢棄活性污泥) 25-30 50-70

3. 活性污泥沉澱池 (傳統法) 15-30 40-50

4. 活性污泥沉澱池 (延時曝氣法) 10-20 24-32

5. 化學沉澱池 (經多元氯化鋁或氯化鐵混凝) 25-50 50

6. 化學沉澱池 (經石灰混凝) 30-60 60

計算例6.2：沉澱池表面積需求估算

ㄧ廢水廠以傳統活性污泥法處理食品廢水，24小時平均正常處理水量為2,400

19

m3/day (CMD)，表面負荷選用24 CMD/m2時，其活性污泥沉澱池有效表面積需求

估算如下：

需求有效表面積A ＝ Q/(Q/A)＝正常日處理水量/表面負荷

＝ 2,400 (m3/day)/24 (m3/m2.day)＝100 m2

6.4 沉澱池種類

沉澱池外型可為長方形 (圖6.4)、圓形 (圖6.5)、錐形 (圖6.6)，流水可為靜態

或連續流，流向可為水平或垂直。

使用平流沉澱池 (圖6.4) 分離顆粒會有良好效果，相同大小容積之沉澱池，以

長方形 (形狀較長、窄、淺者) 最能發揮沉澱作用。受限於土地面積，沉澱池亦可

能設計成方形或圓形。

圖6.4 矩形沉澱池 (主要為平流式，側剖面)

圖6.5 圓形沉澱池 (主要為上流式) 剖面

20

圖6.6 錐形沉澱池 (主要為上流式) 剖面

使用垂直流向沉澱池 (圖6.5、6.6) 可有較好之膠羽顆粒沉降效果，因有較大

深度，另可設多個進水口使流水均勻分配於整個水流斷面 (圖6.6)。圖6.6之錐形池

特點為向上流速漸減，在近錐之上端部分，上升澄水之流替 (displacement) 速度

會與懸浮膠羽層之沉降速度相等，因而產生穩定度高之懸浮污泥層。懸浮層膠羽

濃度甚高，較細小之懸浮物可被接觸黏附 (adhesion) 或隔濾 (trap) 去除。但由於

深度增加，設置費較高。

以上沉澱池之集泥方式及其操作注意事項如表6.3所示。

表6.3 沉澱池集泥方式及注意事項

方式 沉澱池形狀 及其集泥方式

注意事項 特徵

平流式 沉澱池

長方形沉澱池，一般附機械式刮泥機

(1)池過寬易發生偏流，長寬以

3:1-5:1為宜。 (2)底部坡度以1/100-2/100為宜

大小規模皆適用

圓形、正方形沉澱池，一般以中央驅動式附刮泥機

(1)流入裝置與溢流堰之距離若太近，處理效率降低，直徑與深度以6:1-12:1為宜。

(2)底部坡度以5/100-10/100為宜

中規模以上處理廠使用

上流式 沉澱池

長方形沉澱池一般附有長方形刮泥機

(1)短流造成污泥揚起。

應用於水中顆粒凝聚力強的情形，如活性污泥處理

圓形、正方形錐底型沉澱池，附刮泥機

(1)同上 (2)錐底壁之傾斜角60o以上，並以刮

泥機刮泥。

同上

21

6.5 傾斜板沉澱池原理

在相同容量及等效率下，增加沉澱面積，可提高其處理容量 (如圖6.7使用傾

斜板或管)，因此小容積之沉澱池經由特殊設計也可因沉澱容量之提高而發揮作用，

但設置費用較高。

圖6.7 傾斜板沉澱池剖面

傾斜板沉澱理論解析如圖6.8所示。在粒子沉降H’距離所需時間 (tS) 小於水力

停留時間 (tHR) 之狀況下，該粒子可100%沉除：

tS < tHR (6.7)

H’/VS’ < (L’WH’)/q (6.8)

VS’ ＝ VS cos

> H’q/(L’WH’)＝q/(L’W) 是否調整成同一行 (6.9)

＝ q/A’ (單一通道進水流量/傾斜板表面積)

q ＝ A’×VS cos (6.10)

Q’ ＝ A’×n×VS cos (6.11)

式中：

＝ 傾斜板與水平夾角

L’ ＝ 傾斜板長度 (m)

W ＝ 傾斜板寬度 (m)

H’ ＝ 傾斜板間距 (m)

A’ ＝ 傾斜板表面積 (m2)

Q’ ＝ 總處理量 (m3/day)

n ＝ 通道數

22

進流 污泥

澄水x

y

VS

VS’

U’L’

WH’

q

H’

L’

mschou(2006/09)

圖6.8 傾斜板沉澱理論解析

計算例6.3：傾斜板沉澱池處理量

圖6.9所示ㄧ無傾斜板沉澱池之廢水沉澱處理量為Q＝30 m3/day，其經加裝圖

示8通道傾斜板後之沉澱處理量Q’估算如下：

VS ＝ 30 m3/m

2.day＝30 m/day

VS’ ＝ VS cos＝30 m/day×cos 56.3o＝16.65 m/day

q ＝ A’×VS’＝0.36 m×1.00 m×16.65 m/day＝6.0 m3/day

Q’ ＝ q×8＝48 m3/day

由 (6.11) 式及本例計算知，處理量Q’與傾斜板長度L’、通道數成正比，與cos

數值成正比。通常介於45-60o間，大角度 (cos小) 有利於污泥由通道壁滑沉，然

VS’降低而使處理量降低；小角度 (cos大) 有利VS’之提升而增加處理量，然污泥

易累積於通道間而致阻塞。

0.10 m

1.00 m

L’=0.36 m

3

2傾斜板

角度56.3o

W=1.00 m無傾斜板 8通道傾斜板

1.00 m

Q’Q q

mschou(2006/09)

圖6.9 傾斜板沉澱池計算例

23

柒、浮除

浮除 (flotation) 是一種將顆粒或油脂浮至水面刮除，用以澄清廢水或濃縮污

泥的方法。對微小及低比重粒子 (如油脂、紙漿纖維、棉毛絮) 之去除而言，浮除

法優於沉澱法，可在短時間內除去得更完全。浮除一般可分重力浮除及加壓浮除，

分別介紹如下。

7.1 重力浮除

重力浮除主要是由水中分離非乳化性油脂，主要設施有API及CPI油水分離池。

7.1.1 API油水分離池

API油水分離池係由美國石油協會 (American Petroleum Institute) 所研發，其

構造類似於圖6.4所示之平流式矩形沉澱池，微細油滴上浮速度可依下式估算：

Vs ＝ [(w－o) g d2]/(18) (雷諾數

24

＝ (997-930)×9.8×(6×10-5)2/(18×0.894×10-3)

＝ 1.47×10-4 m/s＝12.7 m/day

該廢水24小時平均正常流量為2,400 m3/day (CMD)，其重力式油水分離池有效表面

積需求估算如下：

需求有效表面積A ＝ Q/Vs＝正常日處理水量/油滴上浮速度

＝ 2,400 (m3/day)/12.7 (m/day)＝189 m2

7.1.2 CPI油水分離池

CPI (corrugated-plate interceptor) 油水分離池類似傾斜板沉澱池 (圖6.7、6.8、

6.9)，其構造如圖7.1所示，板為FRP製瓦楞型，板厚1.27 mm (0.05英吋)，間距1.9-3.8

cm (0.75-1.5英吋)，標準模組 (module) 100 cm×100 cm×180 cm高、傾斜45o-60o。油

滴集結於瓦楞頂上浮，水及污泥則往下流。CPI對粒徑60 m以上之油滴可完全去

除，20-60 m者去除率為90%，

25

處理一特定廢水之CPI油水分離池模組需求計算方法與6.5節「傾斜板沉澱池原

理」所述者相同，舉例如下：

計算例7.2：估算CPI模組數需求

ㄧ廢水含潤滑油滴，平均粒徑d = 60 m，密度O = 930 kg/m3，該廢水24小時

平均正常流量為2,400 m3/day (CMD)，其CPI油水分離池模組數需求估算如下：

計算每ㄧ標準模組 (100 cm×100 cm×180 cm高) 之處理能力Q’：

板間距 ＝ 2.54 cm (1英吋)

板間距數(n) ＝ 100 cm÷2.54 cm＝39

油滴上浮速度 (VS) ＝ 12.7 m/day

處理能力 (Q’) ＝ A’×n×VS cos

＝ (1.0 m×1.8 m)×39×12.7 m/day×0.50

＝ 446 m3/day

模組數需求：

模組數 ＝ 2,400 m3/day÷446 m3/day＝5.38組 (採用6組)

由本例知，若每組CPI占地6平方公尺 (寬1.5×長4.0)，則總面積需求為36 m2，

僅為計算例7.1所求重力浮除池表面積需求 (189 m2) 之1/5。

7.2 加壓浮除

比重小於1的固體物，在水中均會上浮。物體的比重愈小，就愈容易漂浮於水

面。當水中氣泡上升時，一些比重略小於1的顆粒就被氣泡推動，而加快了上浮的

速度。即使是比重大於1的顆粒，也有可能因為氣泡和顆粒相互的黏著，而使得此

一結合體的比重小於1而上浮至水面。此種氣泡與固體物相互連接的機制，包括黏

著、捕捉、吸收等。空氣固體比 (air-to-solids ratio, A/S) 為可供浮除用空氣的量與

進流固體物量之比值，為影響浮除濃縮最重要的因素。

A/S以「釋出空氣質量/固體質量 (kg of air released/kg of feed solids)」表示。當

A/S比值升高時，被氣泡捕捉而浮除的固體量亦隨之增多，直至某一限值時浮除之

固體物量不再明顯地增加，一般達到此一限值時的A/S比約為0.02-0.04。如空氣量

較理想值偏低，則加壓浮除的效果便會降低；而在濃縮時，則以濃縮後之污泥固

26

體物濃度來評估。影響浮除系統A/S比值選擇的因子如下：

1. 欲處理廢污水中油脂及懸浮固體量。

2. 浮除物質的上升速度，此速度控制溢流率和廢水於浮除池的水力停留時間。

3. 浮除物中固體物濃度。

加壓浮除系統減壓時所釋出之理論空氣量可由下式計算：

A ＝ QRCs[f(P＋1)－1] (7.2)

式中：

A ＝ 大氣壓下釋出氣體量 (g/day)

QR ＝ 迴流加壓水流量 (m3/day)

Cs ＝ 大氣壓下水中氣體溶解度 (mg/L或g/m3)

f ＝ 加壓水中氣體溶解度/水中氣體溶解度，即溶解效率

P ＝ 加壓水容器 (pressurization vessel) 高於大氣壓力之表壓值

(kg/cm2-G)

澄清水排出

浮上分離池

氣液射流器

空氣溶解槽

氣液射流器

污泥進流

濃縮污泥貯槽

空壓機空壓機

氣液射流器

空氣溶解槽

廢水或污泥進流

氣液射流器

空氣

浮除槽

浮渣及底泥

澄清水

迴流水QR

QQ+QR

P

mschou(2006/09)

圖7.2 廢水或污泥加壓浮除處理系統 (原圖空氣溶解槽改成加壓槽)

參考圖7.2，隨廢水中固體物而變的A/S比，與系統操作有密切相關。在無迴流

(全部進流水經壓力桶加壓) 及部分迴流 (部分澄清水經壓力桶加壓，再與全部進

流水混合) 中的關係分別如下。

無迴流時：

27

A ＝ QCs[f(P＋1)－1] (7.2)

S ＝ QXo (7.3)

A/S ＝ (Cs/Xo)×[f(P＋1)－1] (7.4)

有迴流時：

A ＝ QRCs[f(P＋1)－1] (7.2’)

S ＝ QXo (7.3)

A/S ＝ (QR/Q)×(Cs/Xo)×[f(P＋1)－1] (7.4’)

式中：

S ＝ 進流水之SS總量 (g/day)

QR ＝ 迴流加壓水流量 (m3/day)

Xo ＝ 進流水之SS濃度 (mg/L或g/m3)

QR/Q ＝ 迴流比

計算例7.3：廢水之加壓浮除澄清﹝僅供參考，不列入考題﹞

ㄧ工廠廢水流量Q＝960 CMD、SS＝1,000 mg/L，水溫為25℃，試規劃一加壓

浮除系統以去除SS。

規劃基準如下：

A/S ＝ 0.03

CS ＝ 1大氣壓下，空氣在25℃水中之溶解度＝22 mg/L或g/m3

f ＝ 0.50

Xo ＝ 進流水之SS濃度＝1,000 mg/L或g/m3

P ＝ 加壓水表壓＝3.5 kg/(cm2-G)

Vo ＝ 浮除池表面負荷＝50 m3/m

2.day

tP ＝ 加壓槽水力停留時間＝3 min

XS ＝ 浮渣之SS濃度＝20,000 mg/L或g/m3

E ＝ 幫泵效率＝0.4

計算如下：

A/S ＝ {QR×Cs×[f(P＋1)－1]}/(Q×Xo) (7.5)

28

QR/Q ＝ (A/S)÷{(Cs/Xo)×[f(P＋1)－1]}

＝ 0.03÷{(22/1,000)×[0.50×(3.5＋1)－1]}＝1.09

QR ＝ Q×1.09＝1,046 CMD＝43.6 m3/h＝0.727 m3/min＝0.0121 m3/s

VP ＝ 加壓槽有效液體容積＝tP×QR＝3 min×0.727 m3/min＝2.18 m3

(建議使用容積為3.0 m3之加壓槽)

ADAFT ＝ 浮除池表面積＝(Q＋QR)/Vo

＝ (960＋1,046) m3/day÷50 m3/m2.day＝40.2 m2

(建議選用直徑為8.0 m之浮除池)

HPPump ＝ 迴流加壓槽泵浦動力需求 (W)

＝ 迴流量QR (m3/s)×水密度W (kg/m

3)×重力常數g (m/s2)×加壓

水表壓P (kg/cm2-G)×10.33 m水柱高/(kg/cm2-G)÷幫泵效率E

＝ QR×W×g×P×10.33/E (W)

＝ 0.0121 (m3/s)×1,000 (kg/m3)×9.8 (m/s2)×3.5×10.33 m÷0.4

＝ 10,718 W＝14.37 HP

(建議選用20 HP、揚程50 m、揚水量1,000 LPM之高壓泵)

QAIR ＝ 加壓空氣用量＝A/空氣密度＝A/a＝QRCs[f(P＋1)－1]/a

＝ 0.727 m3/min×22 g/m3×[0.50×(3.5＋1)－1]÷1.293 g/NL

＝ 15.46 NL/min (@1 atm/0℃)

(建議選用60 LPM、壓力7.0 kg/cm2-G之空氣壓縮機)

QS ＝ 浮渣流量＝Q×(Xo/XS)＝960×(1,000/20,000)＝48 CMD

圖7.3顯示系統規劃結果。

圖7.3 Q = 960 CMD、SS＝1,000 mg/L廢水加壓浮除系統規劃例

29

計算例7.4：污泥之加壓浮除濃縮﹝僅供參考，不列入考題﹞

欲將濃度10 kg/m3之剩餘污泥，以加壓浮除法濃縮至40 kg/m3以上，若處理量

為30 m3/h，試規劃浮除系統。該污泥批式浮除濃縮試驗結果如下表所示：

加壓水量倍數 空氣-固體比 (L/kg solid) 浮除物濃度 (kg/m3)

1 4 37

2 8 46

3 12 47

規劃基準及計算如下：

A/S ＝ 8 L/kg solid (加壓水量2倍)，可達40 kg/m3以上濃縮要求

A ＝ (A/S)×S＝8 L/kg×10 kg/m3×30 m3/h＝2,400 L/h＝40 LPM

QR’ ＝ 理論加壓水量＝Q×加壓水量倍數＝30 m3/h×2＝60 m3/h

QR ＝ 實際加壓水量＝Q’R/f＝60 m3/h÷0.60＝100 m3/h＝1.67

m3/min

(設連續加壓槽之空氣溶解效率為分批式的60%，即f = 0.6)

P ＝ 加壓水表壓＝3.0 kg/(cm2-G)

Vo ＝ 浮除池表面負荷＝48 m3/m

2.day＝2.0 m3/m2.h

tP ＝ 加壓槽水力停留時間＝3 min

VP ＝ 加壓槽有效液體容積＝tP×QR＝3 min×1.67 m3/min＝5.00 m3

(建議使用容積為7.0 m3之加壓槽)

ADAFT ＝ 浮除池表面積＝(Q＋QR)/Vo＝(30＋100)/2＝65 m2

(建議選用直徑為10 m之浮除池)

HPPump ＝ 迴流加壓槽泵動力需求 (W)

＝ 迴流量QR (m3/s)×水密度W (kg/m

3)×重力常數g (m/s2)×加壓

水表壓P (kg/cm2-G)×10.33 m水柱高/(kg/cm2-G)÷泵效率E

＝ QR×W×g×P×10.33/E (W)

＝ 0.0278 (m3/s)×1,000 (kg/m3)×9.8 (m/s2)×3.0×10.33 m÷0.4

＝ 21,107 W＝28.3 HP

(建議選用40 HP、揚程40 m、揚水量1,800 LPM之高壓泵)

QAIR ＝ 加壓空氣用量＝40 L/min (@1 atm/25℃)

(建議選用80 LPM、壓力7.0 kg/cm2-G之空氣壓縮機)

QS ＝ 浮渣流量＝Q×(Xo/XS)＝30×(10,000/40,000)＝7.5 m3/h

30

捌、過濾

8.1 過濾原理

過濾的目的為分離水體懸浮固體，以澄清廢水。一般澄清過濾時，濾材對於

粒子的去除機制，包括下列作用：

1. 粒子與濾料之衝擊 (impaction) 作用。

2. 粒子與濾料間的黏附 (adhesion) 作用。

3. 粒子於濾料間隙間的阻留 (screening) 作用。

4. 粒子為附著於濾材表面之微生物或原生動物分解。

衝擊、凝聚、阻留為過濾主要機制，生物分解則為次要 (圖8.1)。衝擊作用係

指粒子與濾料撞擊而為濾料捕捉；凝聚作用則指粒子附著於濾材表面上，而被捕

捉者；阻留作用乃指較濾材之濾粒間隙為大的粒子，被濾料所捕捉者。過濾水水

質受與濾料之接觸機會所影響，濾層愈厚、粒徑愈小，過濾效果也愈高。通常快

濾以黏附及阻留作用為主。如圖8.1所示。

阻留衝擊凝聚 濾料

懸浮固體

水流方向

mschou(2006/09)

圖8.1 澄清過濾機制

8.2 過濾方式

目前廢水所用之過濾方式，依其過濾速度、濾料的性質與種類等可分成2類，

如表8.1所示。依過濾水之水流方向可分為：向下流式、向上流式、雙向流式及水

平流式等4類。若依過濾時施加於水之壓力區分，向下流式又可分為重力式與壓力

31

式。目前通用之「向下流式壓濾槽」及「平流式自動反洗過濾槽」如圖8.2及圖8.3

所示。

表8.1 過濾方式比較

過濾方式 概要

快濾

(1)過濾速度每日可達數百米。

(2)已有廢水處理應用實績。

(3)依水之過濾方向、過濾壓力，分數種方法。

(4)過濾及反沖洗多採自動化。

(5)壓濾方式多採套裝設計。

直接過濾

(1)藉纖維或織物直接過濾原水或廢水。

(2)濾料有濾紙、濾網、多孔質過濾筒者，也有於濾筒內填充活性

碳、離子交換樹脂等濾材者。

(3)與矽藻土過濾法比較，操作管理較容易。

圖8.2 多層壓濾槽 (水由濾層上部流入，在濾層內向下流。為提升粒子的捕捉能

力，多採用多層濾層設計。)

集水裝置

32

圖8.3 平流式自動反洗過濾槽 ( (1)過濾進水自過濾槽圓筒的的中央部流向圓周，

通過濾砂；(2)逆洗用揚水及揚砂用空氣自套管間通入，自中心管流出；(3)

反沖洗水、受汚濾砂、空氣在中心管往上共流，濾砂被洗淨；(4)反沖洗水

由槽頂溢流出槽；(5)濾砂在槽內往下移動；(6)本法與向下流式比較，濾層

整體均具濾除顆粒效能，SS去除率高、過濾量大。)

8.3 快濾池設計準則

8.3.1 過濾水質

快濾池所可去除的污染項目為懸浮固體，溶解性物質則無法藉本法濾除。設

計快濾設施前，應對欲過濾之原水或二級處理放流水水質或水量的時間變化，及

快濾可達到之去除率進行調查及試驗，以符合目標水質。

8.3.2 過濾速度

過濾速度 (V) 與水量 (Q) 及濾料填充層截面積 (A) 的關係示如下式：

V ＝ Q/A (8.1)

過濾速度受原水水質、濾層填充物 (濾料) 尺寸、濾料厚度、濾料表面之粒子

33

捕捉量等因素影響。若過濾速度過大，則濾後水質變差，有效過濾時間將縮短。

一般廢水過濾速度，在平均水量時宜為150-200 m/day，最大水量則為300-400

m/day。

8.3.3 濾層

選擇濾層應注意事項包括：濾層構造、濾料性質及其厚度等。

重力式快濾設施，過濾槽之下部為集流設施、其上置支持濾層的礫石層，再

上為砂濾層。

為防止濾層在過濾持續之短時間內阻塞，濾料之種類多採2層或3層，儘可能

使各層可發揮捕捉粒子，並增長過濾持續時間。通常向下流式之濾料組合為：

1. 2層過濾：無煙煤＋砂

2. 3層過濾：無煙煤＋砂＋柘榴石

ㄧ般濾料之粒徑、比重、強度等性質如表8.2所示。濾砂粒徑及其分布則以有

效粒徑、調和平均粒徑、均ㄧ係數等表示，與粒子的捕捉量有密切關係。參考圖

8.4，「有效粒徑」係指一粒徑不等之濾料樣品，經篩分試驗後，10%重量濾料樣品

可通過之篩網尺寸，一般稱為d10；同一濾料樣，60%重量濾料樣品可通過之篩網

尺寸，則稱為d60；「均ㄧ係數」定義為「d60/d10」，為濾料粒徑分布程度之衡量，均

ㄧ係數大者，粒徑分布亦大。

表8.2 濾料性質

無煙煤 砂 柘榴石

品質 良好 堅硬均質 不純物少

比重 1.4以上 2.55-2.65 3.8以上

鹽酸可溶率 1.5%以下 3.5%以下 5%以下

有效粒徑 0.8-3.0 mm 0.4-1.5 mm 0.2-0.4 mm

均ㄧ係數 接近1 (一般使用1.4以下者)

34

0.1 0.2 1

篩網尺寸(mm)

累計通過率

(%)

mschou(2006/09)

0.4 0.6 2 3

1

2

4

6

10

20

40

60

100

有效粒徑d10 = 0.8 mm

d60 =1.3 mm

不均ㄧ係數=d60/d10=1.63

圖8.4 濾料之有效粒徑及均ㄧ係數

另外，粒徑亦可以「調和平均粒徑」表示，其定義為：

D ＝ 1/(xi/di) (8.2)

式中：

D ＝ 調和平均粒徑 (mm)

xi ＝ 介於二篩目間濾料之重量分率

di ＝ 二篩目間隙之幾何平均值

向下流式濾層自上往下層之粒徑愈小，可使全體濾層充分捕捉粒子 (圖8.2)。

又比重則與粒徑相反，自上往下層愈大，此乃避免反沖洗時造成濾料混合。為使

反沖洗時濾層可均勻膨脹以提升反沖洗效果，對於濾層的比重應特別加以注意。

向下流式濾層總厚度以600-1,000 mm為宜。表8.3列出一些濾層濾料粒徑及厚度，

設定原則為使「濾層厚度Lj/調和平均粒徑Dj」之和約為800，即：

(Lj/Dj) 800 (8.3)

35

表8.3 一些濾層之濾料粒徑及厚度

層數 層別 調和平均粒徑

Dj (mm)

濾層厚度

Lj (mm)

濾層總厚度

(mm)

Lj/Dj (Lj/Dj)

2 無煙煤 (上) 1.3 200 650 154 797

砂 (下) 0.7 450 643

2 無煙煤 (上) 1.2 300 630 250 800

砂 (下) 0.6 330 550

3 無煙煤 (上) 1.3 300 640 231 797

砂 (中) 0.7 200 286

柘榴石 (下) 0.5 140 280

3 無煙煤 (上) 1.3 200 610 154 803

砂 (中) 0.7 300 429

柘榴石 (下) 0.5 110 220

8.3.4 濾層支持層

濾層支持層用以防止濾料流出，以礫石 (粒徑2-50 mm) 分4層 (厚度20-50 cm)

鋪設之。本支持層以能使反沖洗時，水及空氣能均勻分散為宜。

8.3.5 集水設備

集水設備為使過濾及反沖洗能適當進行之設施，有下列幾種型式：

1. 韋氏型：於濾床上設置支柱，而於其上置混凝土成形品塊。

2. 多孔板型：於濾床上置空氣室及分散室之成形品塊。

3. 濾器型：濾床上的管或支持板上設置過濾器。

4. 多孔管型：濾床上設置多孔的支幹管。

8.3.6 反沖洗

過濾操作達一定損失水頭時或經一定過濾時間後，須以水及空氣沖洗濾層，

以再提升過濾能力。反沖洗使濾層膨脹20-30%時，其洗滌效果較佳，故宜以目測

該值以決定反沖洗流速。

一般反沖洗以流速0.6-1.0公尺/分沖洗5-10分鐘，若以空氣沖洗則以0.5-1.0公尺

/分流速進行數分鐘。圖8.5顯示最適反沖洗流速與濾料粒徑之關係。

36

0 0.4 0.8 1.2 1.60

濾料粒徑(mm)

反沖洗流速

(m/m

in)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

mschou(2006/09)

0.2 0.6 1.0 1.4

柘榴石/比重4.05

砂/比重2.63

無煙煤/比重1.55

圖8.5 最適反沖洗流速與濾料粒徑之關係

玖、薄膜過濾

薄膜過濾程序有別於傳統過濾，過濾物質包括溶解性成分，粒徑範圍一般在

0.0001至1.0 m間。

9.1 薄膜過濾原理

系統如圖9.1所示，為一選擇性屏蔽，可以讓特定物質通過並截流溶液中其他

物質。過濾機制依據薄膜孔徑不同而有差異。MF (微過濾，micro-filtration) 及UF (超

過濾，ultra-filtration) 薄膜主要以篩分為去除機制，NF (奈米過濾，nano-filtration)

薄膜則為篩分、溶解擴散及電性排除。

通過半滲透性薄膜之液體稱為滲出液 (permeate)，未通過膜而包含截流物質之

液體則稱為濃縮液 (concentrate)，而單位時間、單位面積通過薄膜的滲出量則稱為

通量 (flux)，常用單位為L/m2.d。

37

圖9.1 薄膜過濾系統示意

9.2 薄膜種類

9.2.1 依孔徑區分

薄膜孔徑可依大小區分為4類，分別為微過濾 (MF)、超過濾 (UF)、奈米過濾

(NF) 及逆滲透 (reverse osmosis, RO)，並以分子截留量 (molecular weight cut-off,

MWCO) 作為孔徑界定區分。

MF/UF利用篩除分子大小方式過濾，濾膜孔徑一般大於0.01 μm，UF之MWCO

為1,000-300,000 Da (1 Da約為1.674×10-24 g，或為1個C12原子質量之1/12)；NF主要

機制為電價排除，另亦具篩除功能，可去除水中二價陽離子 (Ca2+、Mg2+)，MWCO

約小於500 Da；RO一般視為無孔洞薄膜，可截留水分子以外之物質，其MWCO約

50 Da；各種薄膜可過濾分離之範圍及物質如圖9.2所示。

圖9.2 各種薄膜對特定物質分離範圍

進流 薄膜 滲出液

濃縮液廢液

循環液

進流 薄膜 滲出液

濃縮液廢液

循環液

38

9.2.2 依薄膜型態區分

薄膜型態主要區分為4大類：平板式 (flat plate)、管式 (tubular)、螺旋捲式

(spiral wound) 及中空纖維式 (hollow fiber)。

1. 平板式 (flat plate, FP)

如圖9.3，其優點在於低能量消耗且易於拆除清洗，但因每一片薄膜均需個別

的支撐體，故使其填充密度較低，一般多用於電透析 (electrodialysis, ED)、MF及

RO。

2. 管式 (tubular)

如圖9.4，薄膜披覆在多孔細管表面，進流水流向與薄膜表面平行，濾液

(permeate) 係經壓力使其垂直通過膜再由管壁流出，未通過膜的濃縮液

(concentrate) 則由另一端流出。由於採掃流式 (cross-flow) 操作，薄膜較不易為懸

浮固體物所阻塞，因此可在高壓下操作。但由於其單位面積薄膜所占空間甚大，

且透膜壓損高，其能量消耗較其他3種形式之膜高，使操作成本相對提高。

3. 中空纖維式 (hollow fiber, HF)

如圖9.5，將薄膜製成如髮絲般的中空纖維狀，集束於壓力元件內。由於其不

需薄膜的支撐體，因此填充密度高，且又因具大的比表面積，設備費用低。操作

方式分為水由膜內向膜外滲出或由膜外向膜內滲入，易於反沖洗 (backwash)。

4. 螺旋捲式 (spiral wound)

如圖9.6，兩層薄膜以一網狀物作支撐，薄膜的三邊均密合，僅開口端接於模

組中間的收集管，再纏繞於收集管而成捲式膜。其具有高的填充密度，且透膜壓

損較小，但不易清洗，若無良好的前處理，不適合處理高濁度的進流水，一般多

用於RO及NF。

39

圖 9.3 平板式薄膜模組

P高壓幫浦 進流水

滲出液

濃縮液

薄膜

膜管排列斷面

圖 9.4 管式薄膜

出流水

進流水

進流水

出流水

中空纖維膜

圖 9.5 中空纖維式薄膜

40

圖 9.6 螺旋捲式薄膜

9.2.3 依進流水方向區分

薄膜程序可依進流水方向的不同將之區分為截流式 (dead-end) 與掃流式

(cross-flow) 兩種，如圖9.7。截流式過濾進流水與出流水方向相同，隨著過濾的進

行，被阻擋的粒子會累積在薄膜表面，形成額外阻力，導致過濾無法持續進行。

掃流式之進流水與出流水方向垂直，主要概念為利用高速流平行通過薄膜表面，

在其上形成水流剪力，以減少濃度極化層厚度及顆粒的沉積。截流過濾之積垢潛

勢較掃流者為大，一般可輔以曝氣或其他方式避免積垢之生成。

進流

滲出液

濃縮液

濾餅阻力

薄膜

泥餅

時間 時間

濾餅阻力

濾餅阻力通量

通量

截流式過濾 掃流式過濾

滲出液

進流濃縮液

圖 9.7 薄膜過濾方式及通量變化趨勢

41

9.3 薄膜過濾應用

MF/UF多用於RO之前處理，去除水中懸浮固體物，避免大顆粒物質直接阻塞

RO。於半導體業中，UF可置於RO之前去除水中溶解性及懸浮態的二氧化矽(SiO2)，

可有效延長RO的使用期限。

NF具去除二價離子功能，多用於去除水中硬度離子，如鈣及鎂離子。利用MF

前處理後進入NF膜，再加以消毒，出流水可再利用。

薄膜積垢 (fouling) 為影響薄膜過濾效能及薄膜發展的主要因素，薄膜積垢型

式有以下3種：(1)積垢 (泥餅形成)，進流中之物質累積在薄膜表面；(2)結垢，進

流物質因為化學特性之故，在薄膜表面形成化學沉積；(3)薄膜損害，進流物質會

與薄膜反應而破壞薄膜。積垢現象一旦產生，會造成薄膜通量下降，薄膜壽命減

短及滲出液減少等問題；因此需要依賴前處理、清洗設備、操作設計及保養來預

防。

薄膜阻塞方式如圖9.8所示。由顆粒造成的薄膜阻塞可以區分為：(1)膠層/泥餅

之形成 (gel/cake layer)， (2)孔洞阻塞 (pore plugging)， (3)膜孔壁結垢 (pore

narrowing)。膠層 /泥餅的形成係因薄膜表面發生濃度極化作用 (concentration

polarization, CP)，造成積垢物不斷累積壓縮；孔洞阻塞為與孔洞大小相近之積垢物

直接堵塞膜孔；膜孔壁結垢乃由於小分子顆粒吸附在薄膜孔內壁，或是鹽類在表

面析出，兩者皆會使薄膜孔洞縮小，影響過濾效果。

圖 9.8 薄膜阻塞機制

依薄膜清洗方式可區分為可逆及不可逆積垢兩種。可逆積垢所造成的通量衰

減可利用物理性清洗回復。無法經物理性清洗去除的積垢為不可逆積垢，需以化

學藥劑清洗，常用藥劑包括酸鹼、界面活性劑、金屬螯合劑及觸媒，其效果受溫

度、pH、藥劑濃度、接觸時間及操作環境 (掃流速度及壓力) 之影響。無機性積垢

如鐵、錳氧化物可利用濃度0.3%之檸檬酸清洗，二氧化矽垢物可使用鹼洗。清洗

42

方式多為浸泡或直接過濾，清洗時間則依積垢狀況調整。

拾、物理吸附及應用

10.1 物理吸附原理

吸附是利用吸附劑吸附廢水中的污染物質。依被吸附物與吸附劑的表面鍵結

作用力不同，可分為物理吸附與化學吸附。物理性吸附主要鍵結作用力是凡得瓦

爾力 (van der Waal’s force)。一般而言，物理吸附之反應熱小於10 kcal/mole，化學

吸附則大於10 kcal/mole，其中活性碳為最常用吸附劑，主要用於廢水中色度、染

料、揮發性及半揮發性有機物、農藥及清潔劑等之去除。

10.2 活性碳吸附技術

活性碳是一種多孔性具有極大表面積的材料，當空氣或水中的微量有機污染

物接觸活性碳時，會被活性碳所吸引，進而停留在碳表面，達到去除污染的目的。

系統中活性碳稱作吸附劑 (adsorbent)，被吸附的污染物則稱作吸附質

(adsorbate)。

10.2.1 污染物傳輸

活性碳表面的孔隙可分成微孔 (micropore, 100 nm)，可供吸附的表面位於活性碳孔隙內，而污染物在到

達孔隙內壁表面時，通常必須經過4個階段 (圖10.1) 所示：

1. 由水中移動到活性碳外圍液膜，即水體擴散 (bulk diffusion)。

2. 由液膜移動到活性碳表面，即液膜擴散 (film diffusion)。

3. 由活性碳表面擴散到內部孔隙表面，即孔洞擴散 (pore diffusion)。

4. 被孔隙內壁之碳表面吸附。

文獻顯示，污染物在液膜中之移動及由活性碳表面傳送至孔隙內部為吸附速

率的限制因子。粉狀活性碳因粒徑小，內部擴散限制則較小。

43

液膜擴散

孔洞擴散

水體

水體擴散

圖10.1 溶質在活性碳表面擴散吸附路徑

10.2.2 活性碳種類及操作型態

依使用目的及形狀，活性碳可分粉狀、粒狀、及纖維狀等3種。粉狀活性碳粒

徑小於約200 mesh (0.075 mm)，主要用於廢水處理中加強化學或生物處理的功能。

可添加於快混池或活性污泥曝氣池中，可吸附水中生物難分解或對微生物有害的

物質，增加生物處理的效率及污泥沉澱速率。粒狀活性碳粒徑大於0.1 mm，目前

使用最廣，常用於廢水處理中的管柱吸附，或厭氧生物流體化床中作微生物生長

及支撐微生物的介質。活性碳纖維則以人造纖維作原料，成本較高，但品質也較

均勻 (以人造纖維為載體、以活性碳為吸附材)。成品並作成布料的形式，吸附效

果良好及流體流過之壓降低，通常用於空氣污染控制設備或溶劑回收。

10.2.3 操作影響參數

活性碳吸附性通常可用幾個特性參數描述，例如酚值 (phenol number) 可以代

表吸附臭味物質的能力，碘值 (iodine number) 代表吸附低分子量物質的能力，糖

蜜值 (molasses number) 則代表吸附較大分子的能力。一般而言，較高碘值的活性

碳對廢水中大多數有機物的吸附力較強。

10.2.4 有機物吸附量及空塔流速

活性碳吸附有機物時，碳床可設定為90-150 cm，廢水通過碳床之空塔接觸時

間2-4 min，空塔流速0.23-0.45 m/min。

44

10.2.5 活性碳吸附操作注意事項

1. 定期進行反沖洗，以降低水頭損失。

2. 定期採樣分析，以判定去除效果。

3. 如果濁度為排放水標準，應連續監測之。

4. 經常檢查床內活性碳高度。

5. 程序監測及檢討。

6. 紀錄保存。

10.2.6 活性碳再生

當活性碳吸附飽和後，必須進行合法處置或再生。活性碳再生即清除活性碳

孔隙及表面上吸附質之程序，使其再恢復吸附能力。經再生的活性碳吸附能力一

般較新鮮活性碳略小。再生包括物理、化學及生物等法。

10.3 物理吸附應用例

物理吸附通常被應用在去除水中帶電重金屬離子、有機極性分子等。ㄧ般須

考量廢水的pH、離子價電數、粒子表面電位、水溫等影響因子，調整上述因子以

獲致最佳條件，可達良好去除率。以下提供一些廢水處理相關應用實例。

10.3.1 矽藻土處理含砷廢水

目前已有多家廠商產製砷化鎵半導體，使半導體產業成為含砷廢水污染源之

ㄧ。含砷廢水通常利用混凝沉澱、薄膜、吸附等方法處理。以混凝沉澱法處理，

會產生大量含砷污泥；使用逆滲透及離子交換樹脂去除砷，成本頗高且會產生大

量的砷廢液；以吸附法處理砷則具有污泥產生量少、操作成本低、占地面積小及

去除率高等優點。

矽藻土 (diatomaceous earth或diatomite) 為矽藻死亡沉積後所形成的軟質沉積

岩，為多孔性及高比表面積的天然吸附劑。矽藻土可用於紡織染料的去除，並適

用於鉛、鉻等重金屬的吸附。為增進矽藻土對砷的吸附性，可利用氯化鐵溶液作

為鐵鹽來源處理矽藻土，待矽藻土吸足鐵溶液後，調整鐵溶液之pH至鹼性範圍，

完成氫氧化鐵表面改質。該改質矽藻土表面孔洞並未被氫氧化鐵膠羽所阻塞，仍

45

保有其多孔洞結構特性，將其浸泡於不同pH值之水中，亦未發現鐵有大量溶出之

現象。以未經改質之矽藻土對砷進行吸附試驗，在吸附液pH =2.5，砷之初始濃度

為10 mg/L時，其吸附量為1.98 mg/g；經改質之矽藻土在相同條件下，其吸附量增

加為15 mg/g，增加6.6倍 (王原璋等，2004)。

10.3.2 活性碳對COD及餘氯之吸附

活性碳可使用於生物無法分解COD之吸附去除，使排放廢水達法定水質標準。

ㄧ般而言，每公斤活性碳可吸附5-50 g COD，影響因素為有機物成分、在廢水中

之平衡濃度、活性碳種類、廢水與活性碳接觸形式及時間。

活性碳亦可吸附水中餘氯或氯胺 (chloramine)，每公斤活性碳可吸附1 kg餘氯。

吸附餘氯時，碳床可設定為60-90 cm，空塔接觸時間1.5-4 min，空塔流速0.23-0.70

m/min；吸附氯胺時，碳床可設定為180 cm，空塔接觸時間8 min，空塔流速0.23

m/min。

10.3.3 活性碳對Cr(VI)之吸附

在廢水中，六價鉻隨 pH 的不同分別以不同的形式存在。活性碳表面存在大量

含氧基團如羥基 (-OH)、羧基 (-COOH) 等，彼等均具靜電吸附功能，對 Cr(VI)

具物理吸附、化學吸附、化學還原等綜合功能。

試驗顯示，水溶液中 Cr(VI)濃度 50 mg/ L、pH = 3，吸附時間 1.5 h 時，活性

碳對 Cr(VI)的吸附性能和的去除率均達最佳效果。

10.3.4 煉油廢水處理

某國內煉油廢水廠生物系統出流水 COD 為 80-150 mg/L，經加入粉狀活性碳

20-400 mg/L，在水溫 35℃下攪拌吸附 2 小時後，加入 2 mg/L 之陽離子性高分子凝

集劑混凝活性碳，上澄水 COD 為 50-55 mg/L，所得等溫吸附曲線如圖 10.2 所示。

由該曲線知，欲將 COD 150 mg/L 之廢水之 COD 去除至 54 mg/L，約需添加 100

mg/L 粉狀活性碳，即每噸廢水需用活性碳 0.10 kg，費用約為 4-5 元/m3廢水。(周

明顯等，民國 85 年)

46

50 5551 52 53 54

平衡COD (mg/L)

0.5

1.0

1.5

吸附量

X/M

(mg

CO

D/m

g活性碳

)

0.0

(周明顯等，民國八十五年)

未處理水COD = 80-150 mg/L

吸附試驗溫度35oC

圖 10.2 某煉油廢水廠生物處理系統出流水粉狀活性碳等溫吸附曲線

10.3.5 染料吸附

水溶性鹽基性染料紅色 22 號 (basic red 22) 及藍色 3 號 (basic blue 3) 在水溫

25℃之等溫吸附曲線如圖 10.3 所示。由該曲線知，每克活性碳可吸附 300-450 mg

之紅色 22 號或 0-350 mg 之藍色 3 號染料。(McKay, (ed.), 1996)

0 2001000

100

200

300

400 鹽基性紅-22

300

吸附試驗溫度25oC

鹽基性藍-3

平衡染料濃度 (mg/L)

吸附量

X/M

(mg

染料

/g活性碳

)

500

(McKay (ed.)，1996)

圖 10.3 水溶性染料等溫吸附曲線

10.3.6 活性碳促進 COD 吸附後為生物分解

生物活性碳處理法 (biological activated carbon process, BAC) 乃是結合微生物

分解和活性碳吸附作用的一種處理程序，可增加有機物的去除效果。通常以粒狀

活性碳為介質，微生物附著於活性碳上生長，當水中之有機物被活性碳吸附後，

微生物再將其加以分解為安定物質，同時亦可達到微生物再生活性碳的目的。運

周明顯等，民國 85 年

47

用活性碳之吸附濃縮功能，使污染物停留時間延長之特性，再結合難分解成分之

特殊分解菌在低負荷環境下發揮功能，可處理廢水中較難分解之污染成分。

生物活性碳處理法包含 3 種反應機制，即活性碳吸附、生物膜之生物處理程

序及活性碳生物再生作用。某印染廠之出流水 COD 為 150 mg/L，經生物活性碳處

理法 COD 降低至 70 mg/L，廢水處理的操作成本約為 4 元/m3廢水。(財團法人生

物技術開發中心)

48

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