MBR實務設計
一、前言
膜生物反應器Membrane Bio Reactor(簡稱MBR)，照其字面直翻很多人會誤以為它本身是一組有動力的設備，其實不然，台灣水環境再生協會在2009出版一書，譯為活性污泥膜濾法，我們認為是更符合現況的譯法。但是市面上所見中文書籍大皆以膜生物反應器來為其書名，故我們還是以大家比較詳知的中文譯名來做標題。
市面上主要MBR的產品有沉浸式的平板膜及中空纖維膜二種，平板膜池需要較大的體積及一定的池深，中空纖維膜能配合池體做較大的調整，但操作上大同小異。管式的MBR近來非常少見。MBR工法是拉高生物池MLSS濃度，以過濾方式來取代沉澱池，所以出流水可以清澈見底(見圖1及圖2)。如何讓MBR出流水量能更穩定，是本文討論的重點。
我們自2004年接觸MBR工法，至今有200多廠的實務經驗，範圍涵蓋生活污水、飯店業、染整業、食品業、印刷電路板業、製藥業、電鍍業、屠宰業、養殖業、太陽能板業、化工業、皮革業、橡膠業、醫院醫事業、羊毛工業、金屬表面處理業等。此文以30年廢水處理及20年MBR經驗來跟各位分享。
某大學生活污水廠放流池水況 2006年
某大學生活污水廠放流池水況 2018年
二、膜生物反應器MBR之設計
膜設計主要依其水量及水質，以實驗或經驗值通量來決定膜組數量。一般有經驗的膜商應將計算好的膜組數量、出水泵浦及鼓風機大小，提供給工程公司，同時詢問可能阻塞之因子，來避免爾後之阻塞可能。
2.1 通量FLUX
MBR的通量是指在單位時內，流過單位面積的水量。其單位以m³/m²·day或LMH來表示。以日本久保田株式會社的設計規範生活污水設計建議通量為0.6m³/m²·day(25LMH)為標準，工業廢水建議通量為0.4m³/m²·day(16.7LMH)為標準。但近年來隨著技術進步，每家膜商都在發展高通量之膜組，有些膜商型錄已看到1.0m³/m²·day(41.6LMH)，不過我們至今還未看到在如此高通量下操作一年以上的實廠。設計上通量拉高，雖可降低設置成本。但相對的膜阻塞機率也會隨之提高，所以如何取捨要依供應商的設計操作經驗顯得相對重要。
MBR的出水量是以24小時來計算的，所以工廠排水量如果為80CMD 8小時排出，每小時出水量是10m³/hr，通常會建議加大調整池容量，來調整降低MBR的時出水量。如果廢水廠無法24小時出水，MBR膜組的數量就會跟240CMD可24小時出水的工廠數量相同。
BOD的高低對膜通量影響不大，廢水種類比較會對通量產生影響。在相同水量下BOD的高低只是影響生物池的大小，對膜組數量幾乎不會改變，這點有多人不解，再次分享此一觀念。
2.2 洗膜風量
在MBR出水過程中污泥會一直被吸附到膜表面上去，如果沒有足夠風量來清洗膜面，膜組有可能在數個小時之內就會嚴重阻塞，所以MBR的鼓風機一定要有備用設計。至於所需的風量每家膜商都不盡相同，依多年的操作經驗，有看過使用細氣泡的膜商近來觀察也都改用粗氣泡系統，細氣泡系統是沒有足夠動能來洗膜的。以日本久保田株式會社的設計規範，每片膜設計10-15 L/min的風量，同時禁止鼓風機共用。一池MBR生物池一定是配置一台鼓風機，其原因是水位變化高低會造成洗膜風量不足而阻塞。有時亦會見到兩個MBR池連通，然後設計一台鼓風機來共用，也不是很建議的。
另一點值得提的是曝氣管的位置跟數量這是需要經過計算及運轉測試的，在相同的風量下如果曝氣孔的大小及數量未經運轉驗證，坊間有些膜系統無法長期穩定表現原因應該跟此有關。
2.3 生物池與MBR膜池
MBR膜池體積是否應計入生物池的一部份？在 THE MBR BOOK 第二版3.3章節 MBR DESIGN METHODOLOGY 中計算說明，洗膜所產生的溶氧，需計入生物池所需的總溶氧量中。但我們偶見有些設計單位把膜池的體積及產生的溶氧，排除在生物系統中，此點尤其在AO的系統操作中，往往造成了脫氮池溶氧不易下降，脫氮效果不佳情況。膜池的主要功能雖是過濾，但池內也有微生物、有溶氧，不把它當成是生物池的一部份是令人無法理解的。想對MBR有更進一步了解的人，這是我最推薦的一本書。
2.4 MBR設計需要的水質
設計生物處理系統基本需要的就是水量、COD、BOD、SS、硝酸鹽氮及氨氮等。但MBR設計跟傳統生物處理不同處是怕膜片阻塞，所以水中油脂跟硬度濃度的高低就顯得相對重要。
2.4.1 油脂濃度 FOG
如果進流水油脂濃度太高，入生物池後會乳化致使水中黏滯度升高，而可能導致膜片阻塞。以日本久保田株式會社的設計規範當動植物性油脂超過進流水BOD濃度15%以上，礦物性油脂超過進流水BOD濃度10mg/L以上，建議以加壓浮除方式去除水中油脂。工業廢水如果需要化學前處理，一般都會建議以加壓浮除池來取代化學沉澱池，主要目的是降低會阻塞膜組的油脂濃度。
2.4.2 硬度 Calcium
影響膜片結垢因素很多，主要有4個為「鈣離子濃度」、「pH」、「水溫」及「總溶解固體TDS」。下二表簡易說明在不同情況下可能造成的結垢情形，基本判斷來說鈣離子濃度 > 100mg/L 及 pH > 7.7 愈易結垢。總溶解固體TDS在1000mg/L以下愈易結垢，但此非絕對，可以相對參考。生物水中溫度會跟隨氣候變化，當水溫度愈高愈易結垢。依多年操作經驗pH如果能控制在7.0-7.5間鈣離子濃度在150mg/L以下是比較不易結垢的。但影響因子很多還是需要豐富的操作經驗來判斷及控制。一般建議鈣離子濃度在100mg/L以上，需有前處理再入流生物池。
嘉義某化工廢水廠 富利業於2016年設計並安裝日本久保田MBR膜組件
表1-1 Scaling 結垢
表1-2 Soluble 不結垢
三、膜生物反應器MBR之操作
由於MBR的出水水質遠優於傳統生物處理，依我們經驗平日操作只要注意出水瞬間流量、出水負壓、污泥濃度及放流水SS即可。當出水負壓升高時，會導致出水流量不穩定，但出水水質還是相對穩定，比較不易像傳統生物處理擔心污泥上浮，導致放流水不合格情況產生，此時需觀察的是池中MLSS的狀態及曝氣系統是否阻塞。
3.1 瞬間流量Flux
MBR是靠過濾出水，所以必需記錄每日的時出水量m³/hr及總水量，來比較判斷膜片是否阻塞。操作較低的通量是可以減少膜片阻塞的機率。但相對的設置成本會提高，我們一般都會建議以實際水量的通量來操作，如此減少阻塞的機率。
3.2 出水透膜壓差TMP?
每日觀察出水透膜壓差在MBR操作是非常重要指標，所以建議記錄每日透膜壓差的變化。依日本久保田株式會社的設計規範，當透膜壓差超過10Kpa，就需要進行藥洗。透膜壓差超過20Kpa，控制系統會強制停機，請操作單位必需藥洗。但當透膜壓差超過20Kpa時膜組還是可以出水，有可能會忽大忽小，最終會導致膜組受損。
3.3 MLSS污泥濃度
MBR的污泥濃度MLSS一般都會控制在6,000mg/L以上，中空纖維的膜商會建議操作在10,000mg/L以下，板狀的膜商會建議操作在15,000mg/L以下。在適當的洗膜風量下，板狀MBR生物系統MLSS濃度維持在15,000mg/L左右長期操作下是沒問題的，不過近來我們發現還是MLSS維持在10,000-12,000mg/L間系統的穩定度最高。
3.4 氣流洗膜
膜組除定期藥洗外，不管中空還是板狀隨時都需要利用曝氣系統，來清除附著在膜片上的污泥，所以鼓風機可以說是MBR的心臟，一般都會有備用設計。強調一點MBR鼓風機必須獨立使用，不可共用，因為它池如果水位不同時，風量就會往低水位走，往往造成膜片嚴重阻塞。偶見為減少鼓風機數量，以共用設計之，在許多膜商是不許可的。
平板膜清潔方式稱之為Relaxation，是以過濾泵浦每走9分鐘停1分鐘的方式，利用不出水那一分鐘來加強清潔膜面。而中空膜清潔方式稱之為Back Wash，有些會利用同一顆過濾泵浦然後切換二顆電動閥方式拉出流水來逆洗膜組，也有些利用可正反轉泵浦來逆洗，所以中空膜需要有較高之抗拉強度否則較易斷裂。
3.5 MBR生物池溶氧
在高負荷的污泥濃度MLSS下溶氧需維持在1.0mg/L以上，由於MBR曝氣系統是採粗氣泡，每家膜商的曝氣管也不盡相同，所以在設計階段必需採用自己的參數來核算，生物系統才會穩定。當膜組不出水時，如果持續曝氣MBR生物池會形成另類污泥消化池，除了MLSS有可能下降外，最重要的是膜系統可能會因此受損。
3.6 放流水SS及大腸桿菌
目前市面上可見的膜片孔徑範圍從0.01-0.4μm，而活性污泥的粒徑大小都在1μm以上，所以污泥是無法通過膜片的，放流水質應該都是非常清澈的。排除分析誤差，放流水SS應該小於2 mg/L，如果大於5mg/L就需要檢查膜片是否受損或管線滲漏。同理大腸桿菌群也是無法通過MBR的膜孔徑，無需加藥消毒即可達到排放標準。
3.7 黏滯度 Viscosity
由於污泥如果太黏，污泥易黏附到膜面上，造成阻塞。所以黏度的控制在MBR系統顯得相對重要，基本上MLSS在15,000mg/L左右以下，黏滯度要控制在40-60 mPa･sec，不要超過100 mPa･sec以上，才可能比較不會導致膜片阻塞。由於黏度計價格不低，簡易方式是建議可取50mL的MBR活性污泥，經過濾5分鐘後過濾液要超過10mL，才表示黏滯度是在可控制範圍以下。
3.8 SDI (Silt Density Index)
在廢污水回收 MBR＋RO 是一個非常成熟的技術，一般而言進RO的SDI要求要小於5，目前市面上可見的膜片孔徑最大的是日本久保田0.4μm平板膜，其SDI在生活污水可以小於3，工業廢水小於4，但有些膜商雖稱其膜孔徑小於0.1μm甚至到0.01μm，但其出水SDI仍大於5，其可能原因在於部分膜孔徑過大，所以MBR後面如要接續RO回收，SDI乃必需要求項目之一以免RO壽命縮短。
3.9 化學處理之Polymer
為減少生物池負荷，MBR生物系統有時需要有化混前處理。化學處理中的Polymer對膜組，可能會造成一定程度的影響，也可能會造成生物池中黏滯度升高。所以對於Polymer的種類及膜系統的選擇需要特別謹慎。同時不可避免的會有一定程度的化學污泥流入MBR系統中，為避免化學污泥對膜組產生嚴重影響，定期加強排泥是目前比較可行方式。
MBR生物池的污泥系統 MLSS = 12,000mg/L
四、膜生物反應器MBR之維護
如何降低膜片阻塞需要有良好的操作經驗，但阻塞之後如何正確清洗維護，也是非常重要。不管中空膜還是板狀膜，維護最主要的工作就是藥洗膜片或吊出清洗，介紹如下：
4.1 有機阻塞清洗Fouling
當出流水COD愈高有機阻塞的機率就會相對提高，一般而言以工業廢水如果負壓沒上升，還是會建議約3個月進行藥洗，來確保通量的穩定。有機藥洗幾乎都是使用NaClO來進行，每家膜商能使用的濃度、體積及浸泡時間不盡相同。以久保田板狀膜為例，如果MLSS在6,000mg/L以下，建議的濃度在0.6%以下，MLSS在6,000mg/L以上最高可以到2%。市售NaClO濃度約10-11%，所以都需要進行一定的稀釋程度來藥洗。浸泡時間建議至少2小時，如果操作上許可目前最長浸泡約48小時。
4.2 無機阻塞清洗Scaling
如前面所言當硬度過高就需要前處理後再進MBR生物系統，但當化學處理在MBR生物系統前面時，所加入的鋁系或鐵系混凝劑也會造成膜片無機阻塞。無機阻塞一般使用草酸或鹽酸來藥洗，建議的濃度一樣在0.6%到2%。
4.3 膜組清洗
膜組經過有機及無機清洗後，有時會發現通量在數周甚至數天就再急速下降。依經驗很有可能是膜面黏附污泥，當此情況藥洗效果是不佳的，建議需要吊出檢視。清洗膜片或膜絲一般都用清水即可，清洗後吊入池內都會建議再以0.6%NaClO進行藥洗，以確保更加洗淨。清洗膜組時往往需要數天的時間，以PVDF為主要材質的膜組，在清洗時切記需要讓膜面永遠保持濕潤，當膜面乾掉後表面親水層會龜裂，造成通量下降，有可能永遠無法恢復，這點需要特別注意。直接就是親水材質的膜組，是比較可接受膜面乾掉，只要再浸入水中通量影響不大。
4.4 膜組曝氣系統
污泥會附著膜面原因除了污泥性質外曝氣管阻塞也是原因之一，曝氣管一阻塞依經驗約數小時內膜面就佈滿污泥，所以如何讓曝氣管永遠保持通暢是膜商所需克服的，好的膜組應該是要有自動的曝氣管清洗系統。
平板膜 表面黏附污泥情況
中空纖維膜表面黏附污泥情況
五、操作實例
由於MBR的SRT遠高於傳統生物處理工法，所以一些較難分解的COD在MBR系統中，都會有不錯且穩定的處理效果。以生產耐隆纖維的某紡織廠為例，其廢水含有較難分解的聚乙醯胺及添加在產品中微量的抗菌劑，抗菌劑濃度雖然只有數PPM，但根據經驗已足抑制微生物的生長。其設計水量280CMD、COD=1500mg/L
處理流程為調整池->快混池->慢混池->加壓浮除槽->生物曝氣池->MBR生物池->放流。目前操作水量約200CMD實際原水平均COD約1,600mg/L，在經過數個月的馴養下，其放流COD已可以穩定在50mg/L以下。其生物池總體積(含MBR)約180m³，目前操作SRT控制在約180天可以得到穩定的放流水質。
某紡織工廠原水及放流水COD歷史曲線
六、結語
我們自2004年開始接觸MBR系統，在2005年去東京參觀MBR實廠為之驚艷，污水處理後可以像自來水一樣清澈見底。當2006年台灣第一套MBR生活污水在彰化建起後，累積了不少經驗。要設計一套良好的MBR系統，真的需要有豐富的廢水處理經驗，畢竟要操作的是生物系統不單單是膜組而已。
MBR的出水水質遠優於傳統工法，所以做為水回收是一個值得推薦的技術，以我們200多實廠10多年來的經驗，膜壽命是最被挑戰的議題。日本久保田第一套MBR建於1998年，在全球近6000廠的經驗中說明在良好的操作下，板狀膜的壽命8年以上應該是可以被期待的。以嘉義工業區某污水廠為例，自2012年一月交貨安裝完成以來，至今還沒更換過任何膜片，所以良好品質的膜組、正確的設計及操作，是可以降低膜組阻塞機率同時延長膜的壽命。