一、前言

依據民國八十四年台灣地區各種水污染源之推估，生活污水佔40%、工業廢水佔36%、畜牧廢水佔24%，可知生活污水已成為最大的污染源。目前對於生活污水主要是採用生物法處理，雖然處理效果佳且操作成本低廉，對其所佔用土地面積大、處理時間長、且生物敏感因子甚多，因此操作上多有不便。

電化學方法應用在廢水處理上已行之有年。就電化學方法應用於生活污水之處理而言，1980年Monica^〔1〕使用電解氧化法，其對氮、磷的處理效果相當好，可達90 %以上；1985年Costaz^〔2〕使用電解浮除法，添加適量助凝劑如FeCl₃、Polymer及添加電解質氯鹽可兼具間接氧化、消毒之效果，可將COD處理至40 mg/l以下；1995年Pouet^〔3〕使用電化膠凝法，COD去除率可達75 %，磷酸鹽幾乎可完全去除。當電化學方法進行時，在兩極及其間之水溶液會同時發生氧化、還原、電泳、電蝕、電解及偶極化等六種作用。而本研究使用之電聚浮除法乃應用電化學之電解、電蝕、偶極化作用使污染物凝聚浮除之。其理論基礎是結合電子學、流體力學、電化學等相關技術而成的一種創新的水處理技術，主要機制是利用電場的之誘導，使粒子產生偶極化，藉由流道的設計而自動凝集成膠羽^〔^4〕，且同時在不外加空氣情況下，利用電解所產生的氣泡與膠羽充分結合^〔^5〕，再添加助凝劑後自動浮除。影響電聚浮除法主要之因素包括操作電壓、極板間距、極板或隔板之材質、停留時間(HRT)、廢水特性、電極接法、進流方向、極板及隔板配置及電流密度或通入電量等。其優點為處理時間短、佔用空間小，且處理效果顯著，曾運用在工業區廢水處理上，效果非常良好，COD可去除至100 mg/l以下^〔^6〕。本研究將其應用在生活污水之處理上，盼能取代生物法處理，成為生活污水處理之優勢方法。

二、研究方法與實驗設備

2.1 實驗原水性質

本研究之水樣採自民生污水處理廠沈砂池之生活污水，進行實驗分析。原設計之污水處理量為15,500 CMD；入流水之水質COD 250 mg/l；BOD₅ 120 mg/l；SS 120 mg/l。

2.2 實驗設計

影響電聚浮除處理生活污水的因素甚多，本研究以極板的間距、停留時間、操作電壓、電導度值四種為操作參數，而其他影響因子則視為固定變數。

(1) 最佳操作條件之選定：

a. 極板的間距：每層反應槽體內上下兩片為不銹鋼極板，極板間內置9片鐵隔板，極距為13 cm的反應槽體，如圖1(a)所示。本研究分別以單層及四層的反應槽，其中四層的反應槽電極接法為每兩層正負交錯，極距26 cm，如圖1(b)所示。

b. 停留時間：在單層反應槽內的水力停留時間設定為103、65、50、40、30 sec；四層反應槽設定為106、90、80、65 sec比較之。

c. 操作電壓：單層反應槽設定為100、150、200、250 V；四層反應槽設定為50、100、150、200 V。

(2) 鐵離子在系統中作用及回溶性：

膠羽脫離電場後，顆粒偶極化現象減弱，內部電荷分佈恢復穩定，因此推論吸附現象將會消失，膠羽會再回溶。故為了證實此一論點，實驗設計在處理後分別取含污泥之水樣及污泥浮除後之下澄液。前者定時測定水樣之pH及ORP變化，推測鐵離子在水中存在及變化形式；另外，測定兩者水樣中溶解性鐵的含量以判斷污泥回溶與否。

(3) 調整電導度對處理能力之影響：

高電導度值對電場強度有加強的作用。故本實驗另添加NaCl以提高電導度。以單層(EPN)反應槽操作，進流水的電導度分別設定為原水(約400 μs/ cm)、540、950、1650 μs/cm；操作電壓100、150 V；水力停留時間(HRT)60、45、35 sec。

2.3 分析項目及研究方向

分析項目包括處理水之COD、BOD、正磷酸鹽、氨氮作為其處理指標；分析處理水之電導度、溫度差、進流水與出流水之ORP、pH值、處理後下澄液中殘餘的鐵離子及處理水與污泥混合取樣含鐵量等水質分析，用以探討電聚浮除法對處理都市污水的機制及影響因素。另外，根據電壓、電流、停留時間，計算其去除每單位COD所消耗的電量，及所需添加化學藥劑量之成本，合併計算去除每單位COD的總操作成本。並與其他處理都市污水之方法作處理成本之比較。

2.4 實驗設備

本研究之實驗設備乃採用「財團法人中華民國環保科技研究發展中心」所研發之電聚浮除系統(EPN-2000E)進行實驗。

三、結果與討論

3.1各項參數對處理能力之探討

1、水力停留時間與處理成效之關係

在不同的水力停留時間(HRT)下，處理後之COD值、BOD值、正磷酸鹽、氨氮如圖2、4所示。發現當HRT越長，處理後的水質越佳。圖2為以單層電化學反應槽處理，原水之COD 183 mg/l、BOD 84 mg/l，水力停留時間在20~40秒間，COD可降至50～70 mg/l之間、BOD可降至25~30 mg/l左右。而在40秒之後，處理後COD值則變化不明顯，這表示電聚浮除法對本實驗之水樣處理能力達到極限。推測是因一些溶解性之COD、BOD不易吸附氣泡無法浮除或顆粒之水合作用不易膠凝去除^〔^7〕。圖4為四層電化學反應槽處理結果，電壓為200 V、HRT 90 sec時，處理效果最好，COD可處理至32 mg/l、BOD 21 mg/l。

就正磷酸鹽的去除而言，在單層反應槽水力停留時間為60 sec時；四層反應槽水力停留時間為65 sec時，去除效果最差，但仍分別可處理至0.3 mg/l及0.8 mg/l以下，去除率分別在90～98 %及65～93 %。其去除機制為電化學反應槽產生的電場使鐵隔板溶出亞鐵離子(Fe²⁺)，與正磷酸鹽結合成溶解度低的磷酸亞鐵(Fe₃(PO₄)_2(s))^〔11〕，在系統中膠凝浮除或藉由水中的其他金屬鹽類形成固體物沈澱去除。比較活性污泥法，處理後正磷酸鹽為2.6 mg/l，本方法對磷酸鹽是很顯著的。

對氨氮的去除效果不甚理想，可能原因是本處理系統之水力停留時間太短。而要藉由電化學方法完全將氨氮去除需要的反應步驟相當長，Costaz(1983)^〔2〕指出氨氮的去除在電解系統中，在20 min後才開始有明顯的效果，且在40 min後，去除效果達到最佳。因此在本實驗中反應時間僅短短數十秒，因此本方法對氨氮的去除有所限制。

2、電場強度與處理成效之關係

不同電場強度對家庭污水COD、BOD₅、正磷酸鹽、氨氮去除能力如圖3所示。處理效果隨電場強度增加而愈佳，但電場強度為1923 V/m時，處理效果反而更差。因本法是藉由金屬鹽(Fe³⁺、Al³⁺)的混凝，過高的電壓會造成膠羽不聚合，促使膠羽再穩定於水中而無法去除^〔^7〕。而電場強度低時，處理效果較差可能原因有能量不夠，無法使水中污染物質偶極化而自凝及隔板釋出鐵離子量不夠，使膠凝效果不顯著^〔^8〕。因此在單層與四層電化學反應槽，操作電壓200 V時皆為處理效果最好之條件。

3、不同反應槽極距對處理效果影響

改變電化學反應槽的極距，則處理水通過反應槽的流速及產生的電場強度(電壓/間距)都會不同。由圖5所示，四層電化學反應槽對COD去除率幾乎都維持在80 %以上，去除效果相當穩定，受水力停留時間影響較小；而單層電化學反應槽對COD去除率則變化較大，只有在電壓為200 V時，電場強度1540 V/m，處理效果較穩定，約在70 %左右。其原因歸納如下：

(1)在相同水力停留時間下，多層反應槽內流速較單層快，增加粒子在內部碰撞凝集的機會。

(2)隔板數增加釋出鐵離子量也會增加，而加強反應之膠凝作用。

(3)隔板數增加會使氫氣氣泡產生量增多，固液分離更徹底。

4、電導度與處理成效之關係

Ramirez(1979)^〔9〕研究中曾提到，若廢水之電導度低於600 μs/cm，以電化學方法處理相當耗電，故最好添加輔助電解質，以提高電導度。而本研究之生活廢水電導度僅400 μs/cm左右，因此添加NaCl當作輔助電解質。圖6為不同電導度下之對COD處理成效。電導度增加，去除COD效果也隨之改善，但當電導度大於540 μs/cm時變化並不大，可能原因是電聚浮除法對於水中溶解性物質之去除限制。

5、釋出鐵量與處理成效之關係

電聚浮除法雖強調是以顆粒間偶極化，自凝形成膠羽去除，但仍須依賴鐵隔板釋出鐵離子與電解時陰極產生的氫氧根離子反應形成電化學混凝加強膠羽之結合力。因此鐵鹽在電聚浮除法中之機制如下：

(1)形成氫氧化鐵之膠羽幫助偶極化之膠羽形成更強之結合力。

(2)電化膠凝產生之氫氧化鐵純度較高，膠凝及吸附效果較好。

(3)混凝作用可去除部份溶解性污染物質。

(4)鐵離子可中和部份顆粒電性，降低水合作用力^〔^7〕。

(5)鐵離子與磷酸鹽結合形成磷酸鐵沈澱^〔^8〕。

圖7為釋出總鐵量與處理後COD值之相關性，信賴度為95 %，經檢定後得P-value值為3.54×10^-4< 0.05，因此得到之迴歸方程式達顯著，其R-squared為0.7986屬高度相關，故可解釋COD之去除與釋出鐵鹽之混凝有相當之關係。

6、處理水pH與處理成效

水中pH對電聚浮除法中之影響原因為氫氣泡會隨著pH增加而縮小氣泡有助於浮除；另外，低pH會使金屬沈澱物變為可溶性之錯化合物，而降低處理效果。因此處理水pH高有利於對廢水污染物之除。圖8為處理水pH與處理水COD之關係圖，多項式迴歸後得到方程式之R-squared為0.8507屬高度相關，信賴度為95 %，經檢定後，此迴歸關係式P-value為3.15×10^-5 < 0.05，故此迴歸式達顯著。由圖中之趨勢，可了解處理水pH愈高，水中殘餘COD愈低，其間之趨勢與理論上相吻合。因此在處理廢水之應用上，應考慮控制處理水pH來提高COD去除率。

7、最佳操作條件

在以消耗能源及處理效率上作綜合考量，建議電聚浮除法處理一般家庭生活污水之最佳操作條件如下表1。依據最佳操作條件操作後所得到之處理水質如表2所示。

3.2 鐵鹽在電聚浮除法中之作用

1、釋出鐵量與操作變數之關係

電壓越強，釋出鐵離子溶於廢水中之濃度也就愈高。停留時間為95 sec、電壓250V，鐵釋出最多可高達44 mg/l。

2、處理水pH與鐵量關係

鐵離子在系統中會與電解產生之氫氧根離子反應形成氫氧化鐵。鐵離子在水中形成氫氧化物及其氧化速度如反應式如3-1^〔10〕，因此pH值愈高，則氫氧化鐵形成速度愈快，反應也就愈完全。

＝1.68×10^-15[OH^-]²[Fe²⁺]........ (3-1)

3、處理水ORP與鐵鹽物種

經電聚浮除法處理後之膠羽初始呈現綠色，且處理水ORP呈還原狀態，故應為Fe(OH)₂。供給操作電壓愈高，鐵隔板溶出二價鐵離子愈多，處理水之ORP也就愈低。

4、膠羽回溶性

電聚浮除法中，除了污染物質藉由偶極化自凝形成膠羽外，部份膠羽是由氫氧化鐵Fe(OH)₃所組成，因此如果膠羽會回溶，推測存在於水中之溶解性鐵含量必定也會增加。經實驗後，其結果如圖9所示。混合污泥所取之水樣所含溶解性鐵並非如預期中較取下澄液之水樣中溶解性鐵為多，反而較少。可能是在剛處理完時，處理水中之鐵鹽以亞鐵型式存在，在出水pH為8~9條件下，溶解性鐵離子量較多。而下澄液經過一段時間後，剩餘溶解性鐵離子在水中氧化成三價鐵離子，因總鐵濃度降低，致使鐵離子無法形成氫氧化鐵膠羽而存在水中；但若將污泥留置在廢水中一段時間，待已形成氫氧化物之亞鐵離子因水中pH及ORP改變，而完全氧化形成氫氧化鐵膠羽，水中溶解性鐵離子濃度就會較少，因此得到圖9之結果。藉由水中溶解性鐵離子的含量，可推斷經電聚浮除法處理過之污泥是不具回溶性的。但會因膠羽中所包圍之氣泡跑掉，而使上浮之污泥下沈。

3.3 模式推估

1、釋出鐵量模式推估

根據法拉第(M. Faraday)於1834年提出之法拉第電解定律(Fraraday’s law of electrolysis)中提到：當電解時，電極處發生反應所生成或溶出物質之量與通入電量成正比，但因鐵板並非直接接上電極，而是受電場強度影響而溶出鐵離子，因此承受之電量就比較弱，故在引用定律時，應適當修正。將實際溶出鐵量與計算出理論溶出鐵量作線性迴歸分析，得到方程式之R-squared為0.92屬高度相關，信賴度為95 %，經檢定後，此迴歸關係式P-value為3.05×10^-6 ＜ 0.05達顯著因此可得到理論溶出鐵量與理論溶出鐵量之修正關係式如3-2式。

Fe_Dis ＝ 0.292n×I×t －1.99......................... (3-2)

Fe_Dis：實際溶出鐵量 (mg)

n ：隔板數

I ：電流 (A)

t ：停留時間 (sec)

2、處理水溫度模式推估

以能量轉換之觀點探討溫度上升之趨勢，並推估其模式。由焦耳(Joule)的研究指出，在一固定的電阻電路中，因電流而在電阻上產生的熱能係與電流的平方、電阻值、及時間三者的乘積成正比。假定在電聚浮除法中，熱量的來源以電能轉換為主，系統中之化學變化產生的化學能轉換為熱能的部份較少，故將之忽略，可得到一理論溫度關係式，將理論上升之溫度與實驗所得之上升溫度作線性迴歸分析，得到方程式之R-squared為0.83，信賴度為95 %，經檢定後 P-value為9.86×10^-6＜0.05達顯著，其修正關係式如3-3式。

T_Ac＝ 7×10^-4I×V×t ＋ 0.106....................... (3-3)

T_Ac：實際處理水溫差(℃)

I ：電流 (A)

V：電壓 (V)

t ：停留時間 (sec)

3、COD去除模式推估

將系統中影響COD去除之因子如產生之電場強度、電導度即電阻、停留時間、系統操作釋出鐵鹽量及處理水pH值五種變數進行多變數迴歸，經逐步迴歸分析後，篩選上述五種相關因子，得到電阻、釋出鐵鹽量、處理水pH等顯著因子。其迴歸式之R-squared為0.90，信賴度為95 %，經檢定後，P-value 1.97×10^-12＜ 0.05，參數達顯著，故此迴歸式可表現出COD去除量與其變因之間相關性。3-4式中經逐步迴歸結果發現，系統釋出鐵量為最大之影響因子，此式證明電聚浮除法需靠鐵混凝輔助之。另外，第二個重要影響因子為廢水之電導度(電阻)，再其次為處理水之pH。將推估釋出鐵量之推估式(3-2)代入COD推估式中，可得式(3-4)：

CODr＝0.36n×I×t－(0.06n×I×t)²＋0.10V/I－52.82pH＋468.2 (3-4)

CODr：COD去除率

n：隔板數 I：電流(A)

V：電壓(V) t：停留時間(sec)

pH：處理水pH值

3.4 都市污水處理法比較

1、電聚浮除法操作成本估算

以處理每噸廢水估算，在最佳操作條件下(單層、200 V、HRT 45 sec)，電化學反應槽處理每頓家庭污水需1.81元，以民生污水處理廠每日平均進流量15,480噸廢水，排除維護費，以電聚浮除法處理，每日需28,020元，每年10,228,000元。

2、電聚浮除法與民生污水廠處理成效比較

表2為電聚浮除法與民生污水廠處理成效及操作成本比較。在處理成效上，電聚浮除法雖不及生物處理法，但其COD值亦遠低於放流水標準，且在如此短的時間內(45 sec)，可以達到這樣的成效已相當不錯。在操作成本上，民生污水廠處理每頓家庭污水約2.14元，而本方法在電化學反應槽需1.81元，雖未包含後續浮除、污泥處理之費用，但若將土地、初設成本加入考量，則電聚浮除法仍具有相當之優勢。

由此可歸納出電聚浮除法的幾項優點如：處理設施佔用空間小、處理時間極短、操作維護簡便、設備之機動性高且處理時間極短、處理效果佳等。因此電聚浮除法相當具有前瞻性，值得更多後續之研究發展。

四、結論

1、最佳操作條件分別為單層反應槽電壓200 V、HRT 45 sec；四層反應槽電壓200 V、HRT 65 sec，皆不調整電導度。四層電化學反應槽其處理效果較單層穩定，COD去除率分別為80 %、76 %左右。氨氮因停留時間過短，去除效果不明顯，最多僅達25%。

2、調整適當電導度有助於對廢水之處理能力，但生活污水無須調整電導度。

4、鐵隔板受電壓影響會溶出亞鐵離子，兼具混凝功效，對COD之去除有幫助，其兩者之間相關性R-squared為0.90。

5、系統中釋出鐵離子可混凝強化已自凝之膠羽避免膠羽離開電場後回溶。

6、電聚浮除法在與民生污水處理廠多方面比較上可知在COD處理成效方面皆可降至50 mg/l以下；在處理成本方面，電聚浮除法整體操作費用或許略高於民生污水處理廠，但在初設費、土地設置費各方面綜合比較，仍具有相當大之優勢。

五、致謝

感謝「財團法人中華民國環保科技研究發展中心」免費提供「電聚浮除系統(E.P.I.－2000E)」，以進行各項實驗，並惠予技術之指導。

六、參考文獻

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