薄膜生物反應器曝氣抗垢與節能最佳化操作之研究（1/2）

本計畫旨在由MBR反應槽的曝氣研究，尋求一優化操作程序俾達到MBR廠系統節能之目的。計畫全程2年，本報告為第一年之期末報告，本年度之工作內容包括: 1.) 資料收集與分析；2.) 清水模型試驗；3.) 污水模型試驗；4.) CFD模式模擬與 5) 參加國際水週展出。
首先，在資料收集與分析的部分，本計畫收集國內、外MBR污水處理廠在曝氣、能耗以及MBR框內流道方面之相關文獻，由此了解目前國內外運轉中MBR實廠之能耗，並歸納分析能耗與建廠年代，膜型式以及處理廠規模之關聯。其中有3筆數據詳細記錄MBR污水處理廠之各設備能耗佔比，顯示MBR反應槽中之曝氣於整廠能耗佔比最大。另者，亦收集到提升MBR污水處理廠效能之各種方法。除此之外，本計畫也蒐集並彙整試驗與CFD模擬方法相關之文獻，作為計畫試驗與CFD模擬條件與參數設定之重要參考。
第二，本計畫在進行清水試驗的過程，建立一套精緻之氣、液兩相流模擬水槽，模擬氣泡產生並進入一道6 mm，模擬兩平板膜間之狹窄通道。氣體流量與出口大小是清水試驗之主要參數，目的在找出可於通道壁面上產生較大剪應力的條件。在出口孔徑ø= 3 mm條件下， 3種不同曝氣流量各形成獨立上浮之圓形氣泡，以及上浮過程不斷融合又分離的帽型氣泡與條狀氣泡，此等氣泡在狹窄通道浮昇過程之演化與其所帶動之流場再經質點影像測速儀量測，在氣泡通過平板邊界過程分別產生0.2 PA(圓形氣泡)，2 PA(帽型氣泡)與3 PA(條狀氣泡)之最大剪力。
第三，在污水試驗的部分，本計畫今年度建立一個小型(75.0 cm * 12.0 cm * 18.4 cm)水槽，置入3片平板膜(30 cm * 15 cm * 0.6 cm)，實際執行模擬污水過濾試驗。29組試驗中有13組污泥是取自安平污水廠，其餘16組則是以二氧化鈦(TiO2)粉模擬污水。16組條件中先進行3種曝氣條件與3種MLSS濃度(7,000 mg/L、13,000 mg/L、20,000 mg/L)之9組試驗，由此先得到一組較佳曝氣參數條件(Qa=4.5 L/min，9 孔氣孔)，再以此條件為基底條件，於相同MLSS 濃度(13,000 mg/L)下改變曝氣參數與抽水參數，進行優化。其中一組較優者為將過濾抽水改為間歇性抽水10/1(抽10分鐘停1分鐘)，其較12/2(抽12分鐘停2分鐘)者為優，而12/2是所使用產品之建議操作模式。惟在以活性污泥進行試驗之類似條件卻顯示12/2的結果仍然較10/1之結果為優。此外，也由比較中間板與外側板之比通量變化，驗證CFD模式中計算出最外側膜面剪力較小的特性。同時也由不同板底與曝氣管距離驗證前人有關曝氣管與板底距離存在一最小需求，俾氣泡足夠發展之論點。
第四，本計畫完成與清水及污水模型試驗相同之CFD模型建置與情境(條件)模擬。在清水環境之模擬驗證方面，成功以歐拉模型和VOF模型分別模擬圓型氣泡和條狀氣泡流場。其中圓型氣泡模擬計算之氣泡分布呈現擺盪之現象與前人相關研究相符，平均速度場亦與試驗結果十分一致；在條狀氣泡模擬方面，模擬之Taylor氣泡其形狀，上升過程之氣泡聚合與分離特性等與試驗十分相近。此外，亦完成模擬計算之速度及剪應力與試驗的驗證比對。在污水環境之模擬驗證方面，成功以VOF模型模擬條狀氣泡流場，並進行不同膜面剪應力之分析比較，發現曝氣參數Qa=4.5 L/min，9 孔氣孔之抗垢效果較其他情境佳，此現象與實驗觀測結果一致；另者，比較三片平板膜之六個面上之平均剪力大小，發現最外側之兩個面上的平均剪力比位於內側的其他4個面明顯較小，而此一特性也經模型試驗驗證。
最後，本計畫於9/26～28日參與 2019台灣國際水週，展出兩個攤位，配合參展主題整體規劃，現場以一張全開海報展示研究成果，同時以32吋螢幕動態展示本計畫物理模型試驗以高速攝影機記錄之平板膜間的氣泡流動樣態 ，以及計算流體力學(CFD)數值模型所計算之相同情境的動畫；畫面上顯示用高速攝影機以每秒1,000張的速度拍攝後，再慢放的影像，清楚呈現氣泡在上升過程不斷的融合變大又不斷分離的過程。配合基士德公司之平板模組於現場展示，參訪者可實際了解模組之操作模式，順利完成本項工作。