前言

高肇藩(1987),淨水的主要目的係淨化原水、改變水質,使適合於各種用途。公共給水除家庭用外,尚包括商業、消防及雜用等。雖然各種用途之水質要求不同,但一般以家庭用,尤其以飲用水水質為標準。除了有些地下水及極小部份之地面水合乎上述水質標準外,其他大部分原水都含有不同量之可厭部分,必須去除至可允許之限度使得當作給水。圖7.1 所顯示即為自來水處理之簡易程序圖。

 

 
 

 

 

 


7.1 自來水廠處理之簡易程序圖

 

7.1 常見之傳統處理程序

7.1.1 混凝與膠凝

混凝與膠凝(coagulation and flocculation)作用係於原水中加入化學藥劑,促使難以沈澱的膠體固體(colloidal solid)和慢速沈降的懸浮固體(suspended solid)產生較大且快速的膠羽(floc),隨後於沈澱池中除去。

 

 

7.1.2 沈澱

   沈澱(clarification / sedimentation)為水處理中一種固體、液體分離的程序,主要藉著自然重力作用將水中的懸浮固體或膠羽團顆粒予以分離。

 

7.1.3 過濾

(1)過濾(filtration)與沈澱一樣,在水處理上為一種固體––液體分離的程序,原水經過多孔濾料介質後,可將含在液體中的微細懸浮固體物去除。

(2)過濾在水處理工程應用上為創造高品質飲用水質所必須的程序,通常為接於混凝沈澱池之後續處理單元。

(3)反沖洗

反沖洗(back washing)為一種清洗濾料之方法,當濾池阻塞或過濾水質惡化時,則導引反沖洗水塔的清水逆流,攪動濾料,使附著於濾層中的雜質污染物剝離。

 

7.1.4 消毒

消毒(disinfection)通常以氯或次氯酸鹽(如次氯酸鈣或次氯酸鈉)型式加入水中以殺死病菌、病毒及阿米巴囊蟲等,其中以氯氣較常用,為目前最廣泛使用的消毒劑,具有用量少、便宜且在充足加量下能產生餘氯量等優點。

 

7.1.5 硬水軟化

(1)硬度(hardness)可使肥皂於形成泡沫前消耗水中肥皂的能力,同時會於加熱器、鍋爐或其他加熱器中產生水垢。

(2)硬度一般係由多價金屬離子存在於水中引起,尤其是Ca2Mg2離子。

(3)使水產生硬度之離子可藉由石灰【Ca(OH)2】或蘇打灰(Na2CO3)加以軟化去除之。

 

7.2 高級淨水處理程序

7.2.1 臭氧

臭氧在淨水處理可分為消毒和氧化處理,而依目的不同,加藥點的位置亦有所不同,若為原生動物及病毒之去活性化,則宜在處理程序末端加入。臭氧若以化學氧化為目的,則大都於處理程序前端加入,其形成之氧化物可由後續的處理單元予以去除。

若淨水場第一道處理程序為前臭氧氧化,臭氧係以氧氣通過產生機製造產生而得,臭氧氣體再以管線注入臭氧接觸槽中。因臭氧為一強力而有效的氧化劑,可破壞水中致臭味與色度分子的化學鍵結,而有效去除臭味與色度。前臭氧的另一功能為抑制水中藻類的活動,破壞藻類的新陳代謝程序,使藻類容易去除。臭氧同時可改變水中懸浮顆粒的表面特性,提高混凝效率,使水中顆粒易於凝集去除。

7.2.2 結晶軟化

結晶軟化在國外已有30年的發展與應用經驗,由於佔地小,且無傳統軟化方式產生大量污泥問題,而廣為普遍採用。結晶軟化的原理係利用碳酸鈣具有低溶解性的特性,在原水中加入鹼液,使形成不溶解的碳酸鈣,而附著在軟化器中的天然石英砂晶種上,達到去除水中硬度的目的。軟化過程中的廢棄結晶可作為動物飼粒添加劑、建材調和劑、煉鋼業高爐程序熱吸收等用途,達到廢棄物資源化的功用。

結晶軟化反應器可以取代傳統沉澱處理四個程序:快混、膠凝、沉澱與污泥脫水,簡化成一個程序,其具有反應速率快、去除效率高、投資成本少、能源消耗低、可自動化控制減少人力、佔地面積小、操作簡單等優點。

 

7.2.3 生物活性碳

後臭氧一般會再與活性碳床串聯,此活性碳床不僅有污染物吸附作用,而且具有生物分解能力,因此稱為生物活性碳濾床(BAC)。而此種合併方式主要因為經臭氧氧化作用後,水中的大分子有機物會被裂解成較小分子的有機物,產生生物可分解性有機物,在其後的BAC正可藉由微生物之分解有效去除水中生物可分解性有機物。所以BAC可解決臭氧程序後三鹵甲烷生成潛能(THMFP)及解決配水管網之後生長(Regrowth)等問題,而臭氧程序也可延長BAC的使用年限,降低活性碳再生的次數。

 

7.3混凝及膠凝之作用機制

1. 混凝:打破膠質穩定包括顆粒之傳送與破壞穩定二作用。又稱快混,係添加混凝劑及助凝劑於原水中,利用快混方式使混凝劑均勻分佈,增加其與膠體間之碰撞機會,以破壞膠體粒子之穩定性。

2. 膠凝:使碰撞而凝聚,僅包含顆粒之傳送作用。又稱慢混,係使此不穩定之膠體粒子,藉於慢混之方式逐漸形成微細膠羽,並利用速度坡降,此彼此間相互碰撞產生較大之膠羽,以達到足夠之沉降理論。(林健三,1999

 

7.3.1 膠體特性

1.     膠體固體表面常帶電荷,在水溶液中,因彼此的靜電排斥作用而保持懸浮狀,則稱膠體處於穩定狀態(stable condition)。

2.     膠體固體在水中依其對水的親和性,而分為親水性膠體(hydrophilic colloid)及疏水性膠體(hydrophobic colloid)。

3.     親水性膠體表面存在著水溶性基如胺基(-NH2)、羧基(-COOH)、磺基(-SO3H)及羥基(-OH),對於水較具有親和力,可使表面保有一層薄水。通常有機性膠體如蛋白質或其分解的產物屬於親水性。

4.     疏水性膠體與水的作用較小,其表面通常不含有水層。一般無機性膠體如黏土屬於疏水性。

5.     於淨水工程或污水處理均希望破壞膠體的穩定性,促成微細膠體凝聚,而加速沈澱去除。

 

7.3.2 破壞膠體穩定

要使混凝作用達成,必須打破膠體之穩定,其方法有:

1.     藉由加藥攪拌作用使膠體顆粒相互合併。

藉加藥攪拌作用:

Ø         膠體固體表面常帶有相同電荷,且大部分為負電荷,由於同電性相斥,為使各個膠體固體處於穩定狀態,其表面具有電雙層。

Ø         溶液中帶負電粒子吸引正電荷,形成離子固定層(stern層),而外圍則再形成帶有正、負電荷之反離子擴散層(gouy層),此二層構成電雙層。

Ø         一般而言,擴散層與分散時境界間之電位差稱為Zeta電位,用以維護粒子之穩定存在。

Ø         膠體間的排斥力係Zeta電位所引起,而吸引力則是顆粒間之凡得瓦力所引起。

Ø         混凝劑加入水中會因水解產生正價金屬離子和羥基--金屬離子錯合物。

l         正價錯合物會被吸附於負價膠體上。

l         降低Zeta電位會破壞膠體穩定。

Ø         Schulze-Hardy rule:任何一膠體加入相反之電荷,其造成之膠體沈澱效果隨相反電荷之數目成正比。

Ø         若配合攪拌,可增加顆粒間之凡得瓦力,使膠體顆粒之合併更為順利。

l         因膠體常帶負電荷,故較高正電荷之鐵鹽或鋁鹽可用來增加膠體沈澱效果。如鋁鹽Al2(SO4)3加入水中會形成Al6(OH)153Al7(OH)174……等正價錯離子。

l         膠體之擴散層因正價錯離子存在而受壓縮,離子價愈強、壓縮愈大,擴散層厚度漸小,膠體之穩定性即被破壞而相互結合。

2. 藉由高分子聚合物之架橋作用,使顆粒群互相凝集。

高分子聚合物架橋作用:

Ø           高分子聚合物含有可離子化基,如-COOH-NH2-SO3H,可和膠體所帶有之化學基作用產生混凝。

Ø           數個膠體亦可和單一高分子聚合物結合形成架橋結構,使顆粒群互相凝集,促進混凝效果。

3.     膠羽沈降過程中的泮除作用,將其它顆粒一齊帶下沈澱

膠羽在沈降過程中之絆除作用:

將混凝劑加入含有膠體固體之原水中,形成膠羽沈降,且在沈降過程中膠羽會掃曳(enmeshment)、吸附其它粒子,將其一齊帶下,增加沈澱效果。

 

7.3.3常用之混凝劑(coagulant

1. 硫酸鋁(亦稱明礬,Alum

Ø         在水中必須有充足的鹼度,才能與硫酸鋁反應,產生氫氧化物膠羽。

Ø         使用明礬混凝最有利之pH值範圍約為4.5 ~ 8.0,在此範圍內,Al(OH)3難以溶解。

Ø         水中若無充分鹼度,可加入石灰Ca(OH)2或蘇打灰Na2CO3,產生OHCO32鹼度。

2.硫酸亞鐵

Ø         在水中必須含有OH—型式之鹼度,才能和硫酸亞鐵產生快速的反應。

Ø         通常在水中加入石灰Ca(OH)2以提升pH值,以產生氫氧化鐵沈澱。

Ø         上式反應pH值需大於9.5,同時水中需要有溶氧。

3.硫酸鐵和氯化鐵

Ø         此二者可和自然水中之HCO3鹼度生成氫氧化鐵沈澱。

Ø         通常在水中加入石灰Ca(OH)2以提升pH值,以產生氫氧化鐵沈澱。

Ø         上式反應pH值需大於9.5,同時水中需要有溶氧。

4.多元氯化鋁(polyaluminum chloride, PAC

Ø         PAC為一鹽基性多核錯化合物,藉其具有高價陽離子及架橋能力強,混凝效果良好。

Ø         適用的pH範圍為6 ~ 9之間。

Ø         使用PAC不會產生永久硬度CaSO4,已逐漸廣為應用。

Ø         最有利的混凝範圍為pH = 4 ~ 12

 

7.3.4 混凝與膠凝方法

1. 混凝與膠凝作用分別於快混池及慢混池中進行。

2. 於快混池中,為使混凝劑於池中均勻分佈並能使混凝劑充份和膠體顆粒接觸,應有較激烈的混合或攪拌。當水離開快混池時,即已形成微細的膠羽。

3. 進入慢混池後,微細膠羽在慢速攪拌下,則會凝集成較大、緻密且能快速沈澱的膠羽團粒。

4. 一般快混與慢混池使用的攪拌方法有:

(1)  機械攪拌;(2)壓氣攪拌;(3)隔板攪拌。其示意圖如下:

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 


3-11  機械攪拌             3-12  壓氣攪拌

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 


3-13  隔板攪拌

 

 

 

 

 

7.4 沈澱

沈澱為水處理中一種固體––液體分離的程序,主要藉自然重力作用將水中之懸浮固體或膠羽顆粒予以分離。

 

7.4.1 在水處理上主要應用在下列情況:

1. 於過濾處理前之表面水單純沈澱。

2. 於過濾處理前之混凝膠凝沈澱。

4.     於石灰、蘇打灰軟化廠之沈澱。

5.     於地下水去除鐵、錳之沈澱。

 

7.4.2 一般優良沈澱池須具備以下條件:

1. 最大流量時,仍應保持層流現象。

2. 應有充分的水力停留時間(hydraulic retention time),使顆粒沈降至底部。

3. 流速不得破壞已沈澱污泥之穩定性。

4. 應有充分的污泥坑以容納污泥,並能連續排出。

一般而言,長方形沈澱池較接近理想沈澱池,其沈澱效果較佳。

 

7.5 過濾

7.5.1 過濾和沈澱一樣,在水處理上為一種固體––液體分離的程序

1. 原水經過多孔濾料介質後,可將含在液體中的微細懸浮固體物去除。

2.     過濾在水處理工程應用上為創造高品質飲用水質所必須的程序。

3.     通常為連接於混凝、沈澱之後續處理程序。

 

7.5.2 過濾種類

1. 依方法而分,有慢濾池(slow sand filter)和快濾池(rapid sand filter)。

2. 依水力而分,有重力式(gravity filter)及壓力式(pressure filter)。

3. 依水流方向而分,有向下流(down-flow)、向上流(up-flow)及雙向流(bi-flow)。

4. 依濾料而分:

(1)單層過濾池(single-medium filter)。

(2)雙層過濾池(dual-medium filter)。

(3)多層過濾池(multi-medium filter)。

(4)混合濾料過濾池(mixed-media filter)。

 

7.5.3去除機構

1. 慢濾池:

Ø         係以砂層及砂層表面微生物群阻留水中雜質,並進行氧化分解作用之淨水方法。

Ø         不但可去除懸浮固體物及細菌,亦可去除少量的氨氮、臭味、鐵、錳、合成清潔劑及酚。

Ø         淨化機構:

l         砂層表面機械阻留及吸附作用。

l         砂層表面及砂層之生物膜作用。

Ø           濾程約1個月左右,濾速0.1~0.4 公尺/時間,可不須濾前處理。

2. 快濾池:

Ø         係於濾池中舖設濾料,使水流快速通過,因濾層表面之機械阻攔及濾料表面或孔隙間之吸附、沈澱、化學反應等作用,而除去水中SS、細菌、微生物或改變水中之化學成份而化水質之方法。

Ø         濾程約1天左右,濾速4~5公尺/時間。

Ø         過濾前須加藥混凝沈澱或採用高速膠凝沈澱池。

 

7.6消毒

氯為目前最廣泛使用的消毒劑,具有用量少、便宜、能殺害水中病菌、病毒及阿米巴原蟲。通常以氯氣,次氯酸鈉或次氯酸鈣加入水中進行消毒。

 

7.6.1氯化反應

1. 氯氣加入水中,很快形成次氯酸HOCl及氫氯酸HCl,隨後HOCl分解成次氯酸離子

2. HOClOCl- 稱為自由有效餘氯(free available chlorine),但以HOCl分子較易滲透細胞壁(一般表面帶負電),而OCl- 易受細胞壁表面負電排斥,故HOCl之消毒效果比OCl- 為佳。

3. HOClOCl- 之分佈百分比依水中pH值而定,pH值愈低,HOCl佔有百分率愈大,消毒效果愈佳。

4. 在原水中常含有氨氮,次氯酸能很快與氨氮反應。

5. 氯亦會與水中還原性無機物質如Fe2Mn2H2SNO2 等反應,而消耗氯量。

6.     氯亦會與水中有機化合物反應,尤其是未飽和化合物,因而產生致癌物質,故國外有許多自來水廠已改用臭氧(O3)消毒。

 

7.6.2 加氯量

1. 加氯量 = 需氯量 + 餘氯量

2. 為達消毒目的,從淨水廠到用戶水管需維持一定的餘氯量。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

流程圖: 預設處理作業: 參考文獻
 

 

 


1.給水工程教材http://www.ccit.edu.tw/~wslee/environment-film/chapter_03.files/frame.htm.

2.高肇藩, 1987, 給水工程。

3.林健三 , 1999 ,環境工程概論 , 鼎茂圖書出版有限公司。

4.     McGhee, T. J. 1991, Water Supply and Sewerage, McGraw-Hill Internation

Ed.

5.台水網站:www.water.gov.tw