TWI555708B - 同時去除有機及無機性污染物之廢水處理系統以及廢水處理方法 - Google Patents

Description

同時去除有機及無機性污染物之廢水處理系統以及廢水處理方法

本發明有關於廢水處理系統以及廢水處理方法，且特別是有關於可同時去除廢水中的有機污染物與無機污染物的廢水處理系統以及廢水處理方法。

歷史及預測資料顯示，從1990年至2020年間全世界人口成長六倍左右，但人類賴以維生的水資源僅僅成長四倍，水資源缺乏與不足是人類將共同面臨的困境，故亟需解決與克服。除不斷開源增加水資源外，在節流方面除了節約用水外，水回收再利用被視為其中重要一環。廢水經過適當處理後，可依使用標的物的不同而進行回收再利用。早期由於受到處理技術及成本限制，主要是以去除水中顆粒及無機離子的方式達到回收再利用之目的，而將高濃度有機廢水處理後回收再利用的情況並不常見。近年來，結合微生物及薄膜之薄膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)使有機廢水之回收再利用之機會大幅提昇。然而，有機廢水本身亦含有無機離子，因此，這一類的有機廢水即便經過MBR處理後，仍有鹽類殘留在水中，故直接進行水回收再利用的價值不高，即便回收再利用，其用途亦受到限制，除非再把水中鹽類去除。

對此，美國專利申請第20100072130號提出一種薄膜蒸餾生物反應器，其係使廢水流入一存在有喜氧菌的生物反應槽中，以藉由喜氧菌分解廢水中的有機污染物，之後，再蒸餾該廢水以使其通過一蒸餾薄膜。雖然該篇美國專利提及該生物反應槽中亦可存在厭氧菌，然而，其揭露的薄膜蒸餾生物反應器只適合喜氧菌生存(例如在圖1、4、5、6、10、12的實施例中皆有對生物反應槽進行曝氣的裝置)，而不適合厭氧菌生存。因此，本領域具有通常知識者在參考美國專利申請第20100072130號所揭露的內容後至多僅能以存在有喜氧菌的生物反應槽淨化廢水，而無法以存在有厭氧菌的生物反應槽淨化廢水。此外，由於生物反應槽中的廢水需被加熱至一定的溫度以具有足夠的蒸汽壓從而通過蒸餾薄膜，因此，生物反應槽中的廢水溫度偏高以致於廢水中的溶氧量降低，而不利於喜氧菌生存。再者，未能通過蒸餾薄膜的廢水將回流至生物反應槽中以致於生物反應槽中的廢水產生鹽類濃度累積效應，而易導致喜氧菌滲透壓過高產生脫水現象，故喜氧菌之處理廢水的能力會隨操作時間的增加而降低。

本發明提供一種廢水處理系統，適於同時淨化一含有有機污染物與無機污染物的廢水，廢水處理系統包括一中高溫厭氧槽，容置有厭氧菌並適於在30℃～90℃之溫度下以厭氧菌分解廢水中的有機污染物，其中位於中高溫厭氧槽中的廢水之氧化還原電位為0 mV～-600 mV；以及一薄膜蒸餾裝置，用以分離來自中高溫厭氧槽的廢水，使至少一部分的廢水以蒸汽的形式通過薄膜蒸餾裝置的一薄膜，以除去廢水中的無機污染物。

本發明又提供一種廢水處理方法，適於同時淨化一含有有機污染物與無機污染物的廢水，包括使廢水流入一容置有厭氧菌的中高溫厭氧槽中，在30℃～90℃之溫度下以厭氧菌分解廢水中的有機污染物，其中位於中高溫厭氧槽中的廢水的氧化還原電位為0 mV～-600 mV；以及使位於中高溫厭氧槽中的廢水流入一薄膜蒸餾裝置中，並使至少一部分的廢水以蒸汽的形式通過薄膜蒸餾裝置的一薄膜，以除去廢水中的無機污染物。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

以下將詳細說明本發明實施例之製作與使用方式。然應注意的是，本發明提供許多可供應用的發明概念，其可以多種特定型式實施。文中所舉例討論之特定實施例僅為製造與使用本發明之特定方式，非用以限制本發明之範圍。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一元件位於一第二元件“上”、“之上”、“下”或“之下”時，包括第一元件與第二元件直接接觸或間隔有一或更多其他元件之情形。在圖式中，可能誇大實施例的形狀與厚度以便清楚表現出本發明之特徵。再者，在下文中，將特別描述構成本發明裝置之元件或與之直接相關之元件，而圖中未繪示或描述之元件則可以該技術人士所熟知之各種形式存在。

本發明提出一種可同時去除廢水中有機污染物與無機污染物的廢水處理系統，其係以中高溫厭氧菌分解廢水中的有機污染物，因此，本發明無需額外加裝曝氣系統，故可降低廢水處理系統的製作成本。

第1圖繪示本發明一實施例之廢水處理系統的示意圖。在第1圖中，係以箭頭符號代表廢水在廢水處理系統中的流動方向，此外，為簡化說明，第1圖省略繪示幫浦。

請參照第1圖，本實施例之廢水處理系統100適於同時淨化一含有有機污染物與無機污染物的廢水。廢水處理系統100包括一中高溫厭氧槽110以及一薄膜蒸餾裝置120。

中高溫厭氧槽110適於容置廢水並以30℃～90℃之溫度厭氧菌分解廢水中的有機污染物，位於中高溫厭氧槽中的廢水的氧化還原電位為0 mV～-600 mV，較佳為-300 mV～-500 mV。

此外，由於厭氧菌是屬於可耐高鹽類濃度的微生物，因此，厭氧菌較不受中高溫厭氧槽110中鹽類濃度累積的影響而可長時間地保持良好的廢水處理能力。在本實施例中，位於中高溫厭氧槽110中的廢水的導電度等於或大於500 μs/cm以上，甚至槽中導電度可累積達到3000 μs/cm以上，換言之，本發明之中高溫厭氧槽110可於極高的鹽類濃度下進行廢水處理。

另外，中高溫厭氧槽110中可存在厭氧菌分解廢水中的有機污染物所產生的甲烷或是氫氣，其中甲烷與氫氣皆可作為燃料。因此，中高溫厭氧槽110可將廢水中的有機污染物藉由厭氧菌分解而轉換成具有經濟價值的燃料，作為系統加熱輔助能量之來源。

薄膜蒸餾裝置120係用以薄膜分離來自中高溫厭氧槽110的廢水，其係使部分或是全部的廢水以蒸汽的形式通過薄膜蒸餾裝置120的一薄膜122，以除去廢水中的無機污染物。在一實施例中，薄膜122為一疏水性材料，且薄膜122的水接觸角小於40度，薄膜122具有孔洞(未繪示)，其中孔洞的平均孔徑例如為0.01微米至10微米且孔隙率達30%以上。

詳細而言，薄膜蒸餾裝置120具有由薄膜122所分隔開的一高溫薄膜區側124與一低溫薄膜區側126，且高溫薄膜區側124中的液體與低溫薄膜區側126中的液體之間存在一溫度差(蒸汽壓差)。當高溫的廢水流入高溫薄膜區側124之後，由於高溫的廢水與低溫薄膜區側126中的低溫廢水存在一溫度差(蒸汽壓差)，故高溫廢水的蒸汽會穿過薄膜122而到達低溫薄膜區側126中，並在高溫薄膜區側124中留下高無機污染物濃度的廢水，其可回流至中高溫厭氧槽110中。

在本實施例中，廢水處理系統100可包括一加熱裝置130，其係用以加熱位於中高溫厭氧槽110中的廢水，且加熱裝置130可選擇以中高溫厭氧槽110中的厭氧菌分解所產生的甲烷或是氫氣為輔助燃料。如此一來，可減少加熱裝置130對於額外能源的需求，進而大幅降低廢水處理系統於運作時所需耗費的能源成本。在另一實施例中，加熱裝置130可包括一加熱耦132，加熱耦132配置於中高溫厭氧槽110中以加熱並維持中高溫厭氧槽110中的水溫。

在本實施例中，廢水處理系統100可包括一冷凝裝置140與一回流水儲槽150，其中冷凝裝置140連接薄膜蒸餾裝置120與回流水儲槽150，以蒸汽形式通過薄膜122使其冷凝成水並將其導入回流水儲槽150中。詳細而言，冷凝裝置140包括一冷凝管142與一熱交換器144，其中冷凝管142連接薄膜蒸餾裝置120與回流水儲槽150，熱交換器144連接冷凝管142，以將冷凝管142中冷卻用的液體抽出並對其進行熱交換以使其降溫，然後再將降溫後的液體注入冷凝管142中，以使冷凝管142維持在低溫。

以下將詳細介紹利用廢水處理系統100來處理廢水的方法。

首先，將廢水置於一與中高溫厭氧槽110連接的進流水槽160中，接著，以幫浦將廢水抽送至中高溫厭氧槽110中。利用加熱耦132使中高溫厭氧槽110中的廢水維持在30℃～90℃(例如55±1℃)，且中高溫厭氧槽110中的厭氧菌可分解廢水中的有機污染物而產生甲烷或是氫氣。此時，可將厭氧菌分解所產生的甲烷或是氫氣以幫浦抽離中高溫厭氧槽110而傳送至加熱裝置130以作為加熱裝置130的輔助燃料，進而減少加熱裝置130對於額外能源的需求。

然後，將經過中高溫厭氧槽110處理後之廢水以幫浦抽送至薄膜蒸餾裝置120進行分離，此時，一部分的廢水以蒸汽的形式通過薄膜122，而其他部分的廢水則再回流到中高溫厭氧槽110中。

之後，以冷水冷凝的方式將通過薄膜122之水蒸氣帶離薄膜122的表面，並使其經過冷凝管142而冷凝後產水，並流入回流水儲槽150中，並且可將回流水儲槽150中部分的水以幫浦抽送至低溫薄膜區側126中以冷凝通過薄膜122的水蒸氣。回流水儲槽150具有溢流口的設計可使冷凝後的水流入與回流水儲槽150相連的濾液收集槽170中。

此外，在本實施例中，可對薄膜122進行一化學清洗步驟，以清除薄膜122的表面經長時間過濾而產生的無機積垢(scaling)及生物積垢(biofouling)，進而維持薄膜蒸餾通量的穩定性，其中化學清洗步驟包括酸洗(例如以硫酸)與藥洗(例如以次氯酸鈉)。舉例來說，可使用1M的硫酸進行酸洗以及1%的次氯酸鈉進行藥洗，其中以1M的硫酸進行酸洗時，其流速為0.05 m/sec，頻率為0.5小時/天，以1%的次氯酸鈉進行藥洗時，其流速亦為0.05 m/sec，頻率為0.5小時/週。

第2圖繪示本發明一實作例之薄膜蒸餾裝置的薄膜通量對操作時間的變化圖。

請參照第2圖，本實作例係採用薄膜孔洞大小為0.22 μm之疏水性薄膜作為薄膜蒸餾裝置的薄膜，並使其掃流流速維持在0.05 m/sec。本實作例分為第一階段與第二階段，其中第一階段為並未對薄膜進行定期的化學清洗步驟時的薄膜通量對操作時間的變化，第二階段為在第一階段結束後對薄膜進行定期的化學清洗步驟時的薄膜通量對操作時間的變化。

在第一階段時，薄膜的啟始通量為9 LMH(L/m²/h)，且隨著操作時間增加薄膜的通量慢慢衰減至2 LMH，之後，可以維持相當穩定之操作通量。當結束第一階段實驗後，對薄膜進行化學清洗步驟，可使薄膜的通量恢復到6 LMH，並以此操作通量作為第二階段之啟始操作通量。由於第二階段的實驗有對薄膜進行定期的化學清洗步驟，因此，可以使薄膜維持相當穩定的通量。

第3圖繪示本發明一實作例之進流廢水、在中高溫厭氧槽中的廢水以及通過薄膜的廢水的總有機碳(TOC)濃度對操作時間的變化圖。

請參照第3圖，進流水的TOC濃度介於500與1000 mg/L之間，而中高溫厭氧槽內的TOC濃度較進流水的TOC濃度為低，顯示TOC在中高溫厭氧槽中並無濃度累積效應，換言之，中高溫厭氧槽中的厭氧菌可以有效地分解有機污染物。通過薄膜的蒸餾濾液之TOC濃度介於1與10 mg/L之間，且第一階段(第0-40天)與第二階段(第40天之後)之間通過薄膜的蒸餾濾液之TOC濃度差異不大，多數TOC濃度均維持在1 mg/L左右，這顯示經過薄膜蒸餾裝置可以獲得相當良好的處理水質。

第4圖繪示本發明一實作例之進流廢水、在中高溫厭氧槽中的廢水以及通過薄膜的廢水的導電度對操作時間的變化圖。

請參照第4圖，進流廢水的導電度約為700 μs/cm，而中高溫厭氧槽內的廢水的導電度(亦代表廢水中的無機污染物的濃度)高於進流廢水的導電度，這代表導電度在中高溫厭氧槽中產生累積效應，其中，中高溫厭氧槽中的廢水的導電度大致上維持在約3000 μs/cm。通過薄膜的蒸餾濾液的導電度介於20 μs/cm與200 μs/cm之間，且導電度大致上是維持在100 μs/cm，這代表薄膜蒸餾裝置可以有效分離鹽類而獲得相當良好的處理水質。

綜上所述，由於本發明之廢水處理系統是採用中高溫厭氧槽來分解廢水中的有機污染物，因此，本發明無需額外加裝曝氣系統，故可降低廢水處理系統的製作成成本。再者，由於無需考慮水中含氧量過低的問題，故中高溫厭氧槽可長時間維持在高溫，而不會影響中高溫厭氧槽中的厭氧菌分解廢水中的有機污染物的能力。此外，由於厭氧菌是屬於可耐高鹽類濃度的生物，因此，厭氧菌可不受中高溫厭氧槽中鹽類濃度累積的影響而長時間地保持一定的廢水處理能力。再者，中高溫厭氧槽可藉由厭氧菌分解廢水中的有機污染物而產生具有經濟價值的燃料(甲烷、氫氣)，其可用來加熱中高溫厭氧槽中的廢水，進而減少對於額外能源的需求。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．廢水處理系統

110．．．中高溫厭氧槽

120．．．薄膜蒸餾裝置

122．．．薄膜

124．．．高溫薄膜區側

126．．．低溫薄膜區側

130．．．加熱裝置

132．．．加熱耦

140．．．冷凝裝置

142．．．冷凝管

144．．．熱交換器

150．．．回流水儲槽

160．．．進流水槽

170．．．濾液收集槽

第1圖繪示本發明一實施例之廢水處理系統的示意圖。

第2圖繪示本發明一實作例之薄膜蒸餾裝置的薄膜通量對操作時間的變化圖。

第3圖繪示本發明一實作例之進流廢水、在中高溫厭氧槽中的廢水以及通過薄膜的廢水的總有機碳(TOC)濃度對操作時間的變化圖。

第4圖繪示本發明一實作例之進流廢水、在中高溫厭氧槽中的廢水以及通過薄膜的廢水的導電度對操作時間的變化圖。

100．．．廢水處理系統

110．．．中高溫厭氧槽

120．．．薄膜蒸餾裝置

122．．．薄膜

124．．．高溫薄膜區側

126．．．低溫薄膜區側

130．．．加熱裝置

132．．．加熱耦

140．．．冷凝裝置

142．．．冷凝管

144．．．熱交換器

150．．．回流水儲槽

160．．．進流水槽

170．．．濾液收集槽

Claims (19)

1. 一種廢水處理系統，適於同時淨化一含有有機污染物與無機污染物的廢水，該廢水處理系統包括：一中高溫厭氧槽，容置有厭氧菌並在30℃~90℃的溫度下，以厭氧菌分解該廢水中的有機污染物，其中位於該中高溫厭氧槽中的該廢水的氧化還原電位為0mV~-600mV；以及一薄膜蒸餾裝置，用以分離來自該中高溫厭氧槽的廢水，使至少一部分的該廢水以蒸汽的形式通過該薄膜蒸餾裝置的一薄膜，以除去該廢水中的無機污染物，其中位於該中高溫厭氧槽中的該廢水的導電度大於或等於200μs/cm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理系統，其中該薄膜為一疏水性材料，且該薄膜的水接觸角小於40度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理系統，其中該薄膜具有孔洞，且各該孔洞的孔徑為0.01微米至10微米。
4. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理系統，其中該薄膜的孔隙率達30%以上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理系統，更包括：一加熱裝置，用以加熱位於該中高溫厭氧槽中的該廢水。
6. 如申請專利範圍第5項所述之廢水處理系統，其中該加熱裝置包括：一加熱耦，配置於該中高溫厭氧槽中。
7. 如申請專利範圍第5項所述之廢水處理系統，其中該中高溫厭氧槽中存在厭氧菌分解該廢水中的有機污染物所產生的甲烷或是氫氣，其適於做為該加熱裝置之輔助燃料。
8. 如申請專利範圍第1項所述之廢水處理系統，更包括：一冷凝裝置，連接該薄膜蒸餾裝置，使水蒸汽通過該薄膜後冷凝。
9. 一種廢水處理方法，適於同時淨化一含有有機污染物與無機污染物的廢水，包括：使該廢水流入一容置有厭氧菌的中高溫厭氧槽中，在30℃~90℃之溫度下，以厭氧菌分解該廢水中的有機污染物，其中位於該中高溫厭氧槽中的該廢水的氧化還原電位為0mV~-600mV，且其中位於該中高溫厭氧槽中的該廢水的導電度大於或等於200μs/cm；以及使位於該中高溫厭氧槽中的該廢水流入一薄膜蒸餾裝置中，並使至少一部分的該廢水以蒸汽的形式通過該薄膜蒸餾裝置的一薄膜，以除去該廢水中的無機污染物。
10. 如申請專利範圍第9項所述之廢水處理方法，更包括：對該薄膜進行一化學清洗步驟，該化學清洗步驟包括酸洗與藥洗。
11. 如申請專利範圍第10項所述之廢水處理方法，其中該化學清洗步驟係以硫酸與次氯酸鈉清洗該薄膜。
12. 如申請專利範圍第9項所述之廢水處理方法，其中 位於該中高溫厭氧槽中的該廢水的導電度大於或等於200μs/cm。
13. 如申請專利範圍第9項所述之廢水處理方法，其中該薄膜的材質為疏水性材料，且該薄膜的水接觸角小於40度。
14. 如申請專利範圍第9項所述之廢水處理方法，其中該薄膜具有孔洞，且各該孔洞的孔徑為0.01微米至10微米。
15. 如申請專利範圍第9項所述之廢水處理方法，其中該薄膜的孔隙率達30%以上。
16. 如申請專利範圍第9項所述之廢水處理方法，更包括：以一加熱裝置加熱位於該中高溫厭氧槽中的該廢水。
17. 如申請專利範圍第16項所述之廢水處理方法，其中該加熱裝置包括：一加熱耦，配置於該中高溫厭氧槽中。
18. 如申請專利範圍第16項所述之廢水處理方法，其中該中高溫厭氧槽中存在厭氧菌分解該廢水中的有機污染物所產生的甲烷或是氫氣，且該加熱裝置係以厭氧菌分解所產生的甲烷或是氫氣為輔助燃料。
19. 如申請專利範圍第9項所述之廢水處理方法，更包括：使以蒸汽的形式通過該薄膜的水蒸氣流向一連接該薄膜蒸餾裝置的冷凝裝置，以藉由該冷凝裝置冷凝水蒸汽形成冷凝水。