水及廢水91年度第2學期第一次平時測驗

水及廢水處理91年度第2學期第二次平時測驗_參考解答

一、名詞解釋（每題10分，合計20分）

1. Hindered Settling：

Ans：可以稱為受阻沉降或區段沉降(Zone settling)，由於沉降池中的顆粒濃度太高，顆粒的沉降情形會受到周圍粒子的阻擾，而被固定於一特定的相對空間上；整體而言，全部的粒子以相同的速度沉降，沉澱區和清水區有一明顯的界面；這種沉降現象發生在活性污泥法最終沉澱池中污泥沉降。

化學混凝污泥或生物污泥，於沉降中則會發生層沉降或壓密沉降，此乃因污泥濃度較高，彼此非常接近而黏著在一起，形成一個塑性結構體，此時顆粒間相互作用的黏滯力，足以維持每個顆粒在相同的相對位置上，是以在沉降的過程中，整體的形成緩慢沉澱，使污泥顆粒與上澄液間形成一明顯的介面而稱之。污泥顆粒整團的沉降速度較單顆粒或膠凝顆粒的沉降速度為慢，其主要的原因是由於污泥沉降時所取代出污水上升的速度降低了污泥有效的下降速度。

含高濃度懸浮固體之廢水在以量筒為沉降場所時，固體濃度如圖(a)所示。沉降剛發生時，顆粒以單顆粒方式沉降，隨著時間增加，上層水漸澄清，而下層則隨顆粒濃度增加使沉降轉為層沉降及壓密沉降，界面高度與底流濃度亦愈來愈高，如圖(b)。簡言之，圖(a)說明顆粒沉降的過程，圖(b)則為說明初濃度(C1~C4)與介面高度之關係。另圖則代表批次分析決定沉澱面積圖解法。

2. Chemical Conditioning：

Ans：污泥在脫水操作時，為了得到良好的脫水效果，必須將污泥先行調理（conditioning），以改變污泥特性，而有利於脫水操作。污泥調理的目的，主要是將污泥藉著化學或物裡方法，改變其結構（structure），使具有足夠剛性（rigidity）允許污泥中的水分已過濾或其他脫水方法而快速的被去除。因此污泥調理是為改善其脫水性質、降低其比阻抗，同時增加固體物的回收量（solid recovery）。

一般污水處理所使用的調理方式為添加調理劑，利用四種反應機制包括：電雙層壓縮（electric double layer compression）、吸附及電價中和（adsorption and charge neutralization）、沈澱物掃曳絆除作用（floc sweeping enmeshment）與架橋作用(interparticle bridging)，使膠羽顆粒能去穩定（destablization）而造成凝聚以利於沈降，改善脫水效率，增加泥餅固含量。

化學調理一般是以改變酸鹼值或離子強度，添加無機金屬鹽類凝聚劑，或添加有機高分子絮凝劑等方式進行。透過化學藥劑的添加，能改變懸浮溶液中膠羽表面帶電性質或立體結構，以達到「去穩定化」（destablization）的效果，使污泥膠羽間發生凝聚與沈澱，同時使其表面與內部的水份分佈發生改變，脫水性也因此獲得改善。調理過後，膠羽之間所發生的變化包括：

（1）膠羽體積增加使表面積大幅降低，而減少水份的吸附，增加可脫除水份的比例。

（2）顆粒堆砌成剛性結構，降低脫水時所產生的阻抗。

（3）顆粒間斥力降低而引力增加，有利於彼此間的凝聚以形成較大顆粒，助於脫水。

二、問答題（每題25分，合計50分）

1. 繪圖說明兩段式厭氧消化槽之設計與操作條件。

Ans：消化槽之設計條件

1.槽內之溫度及消化日數：污泥消化與溫度之關係是從低溫至高溫度之廣泛範圍內進行。一般以所產生的瓦斯為燃料，加溫至中溫消化帶之適合溫度35℃左右，並以30日左右之消化期間為最普遍。無加溫消化日數，應考慮冬天污泥溫度及槽數等，以60~90日為標準。

2.加溫：維持槽內一定溫度之方法有下列三種:(1)於槽內設置加溫管，並通以溫水加溫。(2)於槽外設置熱交換器，將槽內的污泥及分離液循環加熱的方法。(3)噴吹蒸氣的方法。(1)之方法操作雖簡單，但當維修管線時，必須放空消化槽。流入加溫管溫水之溫度超過60C以上時，管之周圍將黏結污泥致熱傳導率下降等缺點。(2)之方法為2重管式，內管通以污泥或分離液，外管通以溫水管，管內之流向相反，污泥或分離液之流速為1.5~2.0 m/sec，溫水為l~1.5 m/sec。(3)之方法為將高溫的蒸氣直接噴吹入污泥中，為最簡單的操作方法，但必須補給與蒸氣量同量的水。槽內加溫所須熱量為投入污泥之加溫所需熱量、槽內向外散熱及熱源至槽間加溫管之散熱等損失量之總和。

3.攪拌混合：於槽內充分攪拌，除可使投入污泥完全分散於槽內，以促使槽內污泥濃度均勻外，同時使槽內溫度分布均勻，提高消化作用的效率。攪拌的方式有泵循環式、機械攪拌式、灌注消化瓦斯之攪拌式等。泵循環式為以泵自消化槽抽出後再投入之方法，適用小消化槽。機械攪拌式為於槽內設置攪拌機攪拌，以攪拌機將槽底部之污泥吹向液面，達到充分混合及循環的方法，本法雖設備簡單，但攪拌效果僅達攪拌機附近，投入之污泥有發生短路的現象，應考慮攪拌機的配置、台數及污泥投入位置後決定之。灌注瓦斯的方式，為利用污泥消化槽所發生的瓦斯，以瓦斯管自瓦斯貯存槽導引瓦斯，藉瓦斯加壓機加壓，經由導管於消化槽底部附近吹入瓦斯，槽內污泥由於瓦斯之上升達到完全混合的效果。本方式有(1)槽內之液位即使有變化;仍能維持一定的攪拌力，(2)故障少，(3)攪拌力大等優點，漸趨普及。

4.污泥之投入及抽出：污泥投入口應配置於消化最活潑的一層，或生污泥能於槽內完全擴散之處為宜。一般於槽之中心部附近之水面上投入，藉攪拌設備強力攪混使投入之污泥得以充分分散。消化污泥在停止攪拌時會沉澱於槽底並濃縮之，污泥抽出管口配置於槽底部之中心附近，管徑為150mm以上。並需配置可引用分離液由泵浦壓送污泥管以反沖洗之設施。

5.分離液之抽出及分離液之處理：二段式消化之第2槽及一段式消化槽，在底部濃厚消化污泥層和水面附近含有多量懸浮固體層間，有一層固體物較少之分離液層，由於消化程度之不同，其產生良好分離液之水深也異，可於不同深處設3~4個抽出管，選擇最良好水質抽出之。抽出後的分離液，回送至最初的沉澱池與流入水併同處理之。同時應注意分離液抽出時可能造成瞬時的超負荷。分離液容易散發惡臭，懸浮物(2,000~5,000 mg/l)及BOD(300~600mg/l)濃度都高，對活性污泥法之氧化處理影響大，因此有於回送至處理廠流入口前先以沉澱，污泥回流至消化槽，或加凝聚劑促其沉澱、加氯處理或經再曝氣槽及沉澱處理等方法。

6.槽之形狀及尺寸：污泥消化之形狀，一般為考慮污泥之攪拌加溫、槽內溫度之均勻化、保溫及構造上的安全性和經濟性、內經以25 m以下之圓形，底部為百分之二十五以上之坡度，深為內徑約二分之一左右為宜。槽數應考慮內部修理、檢查等停止操作等問題，以2座以上為宜。污泥消化槽由於厭氧消化所產生的瓦斯，倘外洩有發生爆炸的危險，且為防止其散發臭氣，其構造應具氣密性，又硫化氫對構造物有害，應加適當防護。消化槽蓋有固定蓋及浮動蓋兩種，固定蓋對消化槽內瓦斯量多少，無法自動調節，若消化槽內污泥液面下降時，應於瓦斯槽設置瓦斯可回流入消化槽之必要設備。另浮動蓋則隨消化槽內液位的升降而上下移動，對於抑制浮渣、分離液的抽出及消化污泥的排出等，較為單純。

7.瓦斯產生量及收集：從污泥消化槽收集瓦斯時，於污泥消化槽之中央部設置瓦斯室，以瓦斯收集計量之。收集管口最少應高出污泥消化槽之最高水位l m左右，以避免泡沫浮渣流入。瓦斯室內之瓦斯壓力因隨時變化，為防止發生異常高壓，導致破壤污泥消化槽，一般備有瓦斯安全閥保護之。消化槽加溫所須瓦斯量，在一日間幾乎為定量，但瓦斯發生量常因投入污泥、抽出污泥之操作而增減，為維持其乎衡，應設置瓦斯貯存槽調節之。消化槽數多，瓦斯總發生量較均勻，瓦斯貯存量約為使用量之半日份即可，污泥消化槽數不多時，應有半日以上使用量的貯存量。

8.脫硫：為去除污泥消化所產生的硫化氫，應設有脫硫設備。脫硫設備可分為乾式法及濕式法。

乾式脫硫設備，為氧化鐵和鋸木屑以1:5~1:10之容積比(重量比約2:1)混合，裝置於具有耐蝕性之脫硫器內，約厚40~60公分左右，而將瓦斯以0.4 m/分的速度，通過該脫硫設備以脫硫，為一般所使用者。氧化鐵的再生，為將呈多量氧化鐵之脫硫劑取出，散水使其發散之。為脫硫劑取換之需要，脫硫設備最低需有2座以上。

濕式脫硫設備，一般由吸收塔及再生塔組合而成。自吸收塔滴下2~3%之碳酸鈉與瓦斯流向相接觸，以去除硫化氫，藉觸媒作用游離硫，並以再生塔使碳酸鈉液再生之反覆使用方式。一般硫化氫濃度高、瓦斯產生量多時，使用濕式脫硫設備較為有利。

9.浮渣之防止：發生浮渣導致液面成層，會阻害瓦斯的產生，抑制消化的進行。一旦發生浮渣，很快結厚成硬層，減少消化槽之有效容量呈過負荷，而降低處理能力。防止浮渣及破碎方法，普通於液面設置可回轉之破碎設備回轉破碎，或用分離液噴射液面，為使浮渣不致上浮，可經常以攪拌設備或以瓦斯攪混解決之。回轉式浮渣破碎設備，為於槽蓋上設置驅動設備，於液面下30~50 cm以下設回轉臂，回轉以達到破碎所發生之浮渣。分離液噴射液面之設備，為利用設置於槽外之泵浦，將脫離液抽出加壓，而自設置於槽液之噴嘴以霧狀噴出，其有效範圍約自噴嘴起2 m左右，l個噴嘴之噴射量約300~1,000 l/分左右。

10.槽之有機物負荷量：槽之有機物負荷量，通常以槽1 m³每日供給揮發性懸浮固體量或BOD量表示之。容量超越容許界限時，會發生異常醱酵，脂肪被蓄積，二氧化碳氣體增加，pH降低，致甲烷瓦斯產生量減少，甚至停止產生瓦斯。最適負荷量並非一定值，依下水污泥的種類而異，在實際上應依據實驗決定最適負荷量。美國之設計負荷量，標準法為0.5~1.7 kg．VS/m³．日，高率法為1.7~6.7 kg-VS/ m³．日。

11.槽容量：消化槽容量，依投入污泥量、消化日數及消化污泥量計算之。一般污泥中之有機物分解之消化溫度30~35℃，消化日數採第一段20日左右，第二段以分離為目的採10日左右，但其容積亦可以有機負荷量推算之。為考慮上部有浮渣及底部沉積砂土，除應以漏斗狀外，並考慮其有效容積。消化槽內徑一般以小於25 m，側深為內徑的一半，槽底坡度25/100為宜。

12.消化污泥量及消化率：消化污泥量依投入污泥之有機成分、消化率及污泥含水率而定。消化率是指投入污泥中之有機物氣化而減少之比率，依消化日數、消化濃度、投入污泥之有機成分而異。一般若消化溫度30~35℃，消化日數20日，而投入污泥之有機成分在70%左右，則約可獲消化率50%左右。消化污泥含水率約96.0~97.5%，與投入之污泥濃度相近。

13.熱量計算：投入消化之污泥，欲提高至消化溫度所需熱量Q₁(kcal/hr)為

Q₁= CQ₁(T_D-T_S) × l000

由槽向外界所散出之熱量Q₂(kcal/h)，若消化為l段消化，則Q₂=ΣKA(T_D-T_A) × l.2

若為雙層消化槽，則內側槽為外界接觸部份(蓋、底板)及外側槽相接觸部份(側壁)之散熱之和Q₂=｛ΣK₁^'A₁^'(T_D-T_A)+K₁A₁(T_D-T₂)｝× l.2

外側槽之污泥溫度T₂，可由外側槽之熱平衡求之。在外側槽，由內側槽移行之污泥的熱量(CQ₁T_DP × l000)及由內側槽之側壁之輻射熱[1.2 K₁A₁(T_D-T₂)]之和，與由外側槽抽出污泥和脫離液所排出熱量(CQ_iT₂× l000)及由外側槽向外界放熱量[1.2 ΣK₂^'A₂^' × (T₂-T_A)]之和各相等。1.2 K₁A₁(T_D-T₂)+CQ_iT_DP × l000 = 1.2 ΣK₂^’A₂(T₂-T_A)+CQ₁T₂× l000

加溫管、熱交換器之放散熱量Q₃(kcal/h)，Q₃=K₂A₃(T_M-T_A) × l.2

Q₁，Q₂之計算式中T_S日平均最低下水溫度TS_min(℃)。T_A亦以日平均最低氣溫T_Amin(℃)代入時，可得Q_1max，Q_2max。消化槽加溫所需熱量以Q=Q₁+Q₂表示之，加溫管之總長、熱交換器雙重管之總長、以及蒸氣灌注量之決定，所需熱量Q_max(kcal/h)可以用Q_max=Q_1max+Q_2max表之。

厭氧處理系統之操作條件指標_厭氧消化最主要的目的是穩定有機質，欲使消化槽穩定的操作，必須注意主要影響消化效率之因子:(1)良好的攪拌:供微生物與基質適當的接觸。(2)最佳的環境條件:使微生物反應速率增加。(3)維持足夠長的SRT:增加系統之安全係數。目前消化槽之設計逐漸傾向於維持系統於較長的SRT，如此可以減少因有機物負荷增加、溫度變化或毒性物質流入，所引起的不良反應，欲維持消化槽正常運轉，須經常量測(1)揮發酸、鹼度、pH值。(2)氣體產量及甲烷成分。(3)有機物減少率。由於系統產生不正常的現象多肇因於:有機物負荷或流量負荷之突變、投入有機物性質的改變、溫度之改變及毒性物質流入消化槽等因素，放在不正常操作期間，揮發酸濃度會逐漸累積，而重碳酸鹽鹼度、pH、氣體產量、甲烷比例及有機物減少率都會降低，若能小心監視這些參數，採取適當的應變措施，便可以防止系統失敗，否則僅量測其中的任何一項，很難正確的描述系統狀況。

l.揮發酸－鹼度－pH值：揮發酸、鹼度及pH值三項指標因彼此關係甚為密切，故常被合併加以討論。當pH為6.5~7.6時，重碳酸鹽在消化槽中，是最主要緩衝能力的來源，由於消化過程中，含氮物質(一般為蛋白質)被分解成NH₃，而NH₃和CO₂作用產生NH₄⁺及HCO₃^－。一般最常被用以控制pH值的化學藥品有CaCO₃、Na₂CO₃、NaOH及NH₃等。過去使用石灰來因應有機物超負荷之問題，以便消化槽較快恢復正常，石灰雖然是最便宜的化學藥品，但並不是最經濟有效(cost-effective)的方式，因為由化學計量之觀點，欲使消化槽之重碳酸鹽超過1,000mg/L(以CaCO₃計)且pH值升至6.5~7.6，單獨加入石灰無法達到此目的，況且加太多的石灰，會在消化槽內形成CaCO₃沉澱物，使消化槽增添了不必要之固體物，減少消化槽之有效體積，因而減少了系統的SRT。另一方面，當加入過量的石灰，則消化槽上部空間之CO₂氣體被往下吸，可能形成真空問題以及造成總產氣的減少。消化槽中各因子變化相關圖示如右。

2.氣體產量及甲烷成分：厭氧消化主要目的是將有機物分解，污泥消化時，氣體產量和分解之有機物量息息相關，一般去除每KgCOD可以產生0.35Nm³甲烷氣體，若欲有效利用甲烷，須同時量測甲烷產量及消化氣體中之CO₂及H₂S濃度，因H₂S會造成腐蝕問題而降低消化氣體的利用價值，都市污水廠污泥經厭氧消化後，其甲烷含有率約60~70%，在厭氧系統操作結果指標中，甲烷產量是最敏感的，因其直接受有機物去除的影響。當系統不平衡時，甲烷之產量將減少(總氣體量亦然)，但CO₂比例將增加，由於甲烷產量對水力負荷及有機物負荷甚為敏感，故不適合當作系統開始不正常的指標，欲瞭解系統操作情形，除每日量測甲烷產量及CO₂比例外，尚須同時監測揮發酸、pH值及總鹼度之變化。目前美國許多地區積極偵測消化氣體中H₂含量，以便找出H₂與系統操作結果之關係，因為H₂監測設備便宜且使用方便，故H₂含量之測定可能成為未來厭氧系統操作指標之一。

3.有機物減少率：都市污水處理所產生之污泥，其有機成分通常以TS、TVS或COD來代表。就各種不同型式之污泥而言，厭氣消化時TS減少率約40~50%，初沉污泥之TVS減少率為40~70%，廢棄之活性污泥則為20~50%，若將初沉污泥與終沉污泥混合，其TVS 減少率40~60%,COD減少率方面，初沉污泥為40~60%，廢棄之活性污泥為25 ~50%，即COD減少範圍和TVS差不多。就污泥性質而言，廢棄的活性污泥比初沉污泥較難被微生物分解，即使增加SRT，亦無法達到相同約有機物減少率，當消化槽之投入基質為初沉污泥時，速率限制步驟包括脂質(脂肪酸)、丙酸之分解及醋酸轉化成甲烷，當以廢棄之活性污泥為投入基質時，微生物細胞的水解是很重要的速率限制步驟，放在操作及設計消化槽時，須了解速率限制步驟，即投入之有機物質特性，然後控制適當條件，以達到所要求之有機物減少率。

2. 詳述污泥含水之型態與分離之方法。

Ans：污泥中的水分分佈如下圖所示，依其與污泥膠羽間的連結程度，而直接影響污泥脫水的難易程度對污泥中的水分形式分類如下：

(1) 自由水：圍繞在膠羽四周不以任何形態與污泥附著或結合之水，可藉重力分離。

(2) 膠羽水：積存在膠羽內的，需要利用機械脫水法去除者。

(3) 毛細管水：污泥固體物間因毛細管現象所保有之水，須賴離心、真空壓等機械力壓密，使顆粒變形、壓縮後使可以分離。

(4) 表面水：為藉氫鍵緊密附著在膠羽表面上的水分子層，無法以機械方式來排除，一般活性污泥比其他污泥有較多的表面水。

(5) 顆粒水：以化學方式鍵結的水，無法以機械方式來排除，必須提供足夠的熱能才能破壞化學鍵結而排除。

參考答案：

(1)自由水(free water)：圍繞在膠羽四周不以任何形態與污泥附著或結合之水，可藉重力分離。

(2)間隙水（interstitial water）：污泥固體物間因毛細管現象所保有之水，須賴離心、真空壓等機械力，使顆粒變形、壓縮後使可以分離。

(3)表面水(surface water)：為藉氫鍵緊密附著在膠羽表面上的水分子層，無法以機械方式來排除，一般活性污泥比其他污泥有較多的表面水。

(4)結合水（bound water）：以化學方式鍵結的水，無法以機械方式來排除，必須提供足夠的熱能才能破壞化學鍵結而排除。

這四種水分在污泥中的體積分佈以自由水的比例最大，約70%，其次是間隙水，而結合水一般都少於4%。要移除這四種水分的能量也由於結合形式而各異，一般所需要的能量順序為：結合水>表面水>間隙水>自由水。對於含水量甚高的污泥而言，其固體組成顆粒通常擁有極大的表面積，或富含高親水性的鹽類與有機物質，因此有相當比例的水份會與之發生反應而形成結合水。在評估污泥脫水效率時，由於結合水屬於較難脫除的部分，因此其多寡可以作為污泥脫水性的一種指標；結合水量越多，代表此一污泥越難脫水。結合水的含量一般即可視為機械脫水的上限。

三、計算題（合計30分）

1. 設計一座標準活性污泥系統，處理水量為1,000CMD，原水SS 220 mg/L，BOD₅ 200 mg/L，初沉池SS去除率70％，BOD₅去除率20％，二沉池上澄液BOD₅ 20％，SS 25 mg/L。污泥齡設為12天，MLSS 2,000 mg/L，迴流污泥濃度10,000 mg/L。計算曝氣池理論空氣需要量(m³/day)。「參考歐陽嶠暉，下水道工程學，例題12.8，P.374」