給水工程設計 (XI)淨水單元 - 消毒與其他處理程序

Shu-Chi Chang, Ph.D., P.E., P.A.Assistant Professor1 and Division Chief2

1Department of Environmental Engineering2Division of Safety and Health, Center for Environmental Protection and

Occupational Safety and HealthNational Chung Hsing University

December 11, 2006

11-0 Outline

New contaminant Disinfection Other methods

10-1 New Contaminants -1

Endocrine disruptors A group of chemicals May interfere with the hormone

systems at very low levels by mimicking, enhancing, or inhibiting the effects of hormones

Includes 1,4-dioxane, n-nitrosodimethylamine, 1,2,3-trichloropropane, 1,2-dichloroethane, etc.

消毒 Difference between

disinfection and sterilization History

Firs applied to drinking water in Maidston, England ( 漂白粉 ), only when the typhoid was spreading.

Became regular in 1905 at Lincoln, England.

Now, usually use chlorine gas or HOCl. In Europe, some may still use ozone.

http://www.utsc.utoronto.ca/~lifesci/facilities/research-facilities.html

飲水消毒劑

應具備條件 能在短時間及一般水溫下作用 對人類及家畜沒毒性 需成本低、易運輸、貯存、操作等 水中濃度應易於檢測 應保持適當餘量

消毒劑濃度 消毒劑效率

一般之水之消毒法 加熱 光線

紫外線 放射線

化學藥品 氧化劑 金屬離子 酸或鹼 表面活性劑

消毒原理 理論

穿入細胞膜 作用於細胞之酵素

影響因素 水中細菌性質、濃度及其他條件 使用之消毒劑在水中之生成物之性質與濃度

pH 鹼度與酸度 被氧化物 氯、胺

消毒速率 -(1) 接觸時間 假設

所有單一細胞對消毒劑之抵抗力完全相同 所有微生物細胞軍均勻分布於水中 消毒劑在消毒過程中濃度不改變 水中無干擾物質

Chick’s Law ( 理想狀況 )

y= 被破壞之微生物數 N=N0-y= 殘存之微生物數 N0= 起初之微生物數 K= 速率常數

N

Nln

K

1t or e

N

N y)-K(N

dt

dy 0Kt-

00

消毒速率 - 實際消毒時 以氯氣為例

N

Nln

K

2or )

N

Nln

K

2(t -KNt

dt

dN 00.50

由氯濃度 (C), 常數 K” 及接觸時間 t 之關係得

K” 隨微生物種類而異 n>1,=>? n<1 n=1

消毒速率 -(2) 消毒劑濃度

K"tC n

消毒速率 -(3) and (4)

微生物數目 消毒之溫度

Q10 rule: 化學作用之一般經驗式

氯消毒

氯氣或次氯酸加入水中時，產生 次氯酸，次氯酸離子，氯離子 ㄧ氯胺，二氯胺，三氯胺 水中還原性物質

自由有效餘氯 氯加入水中時

加水分解

電離

使用此法，應先測定水質 氨及其他氮化物 若有，應再多加入氯

-22 ClHHOClOHCl

1

-

-

KHOCl

OClH

OClHHOCl

自由有效餘氯

適用於 原水水質較 差 需氧化鐵錳 無充分接觸時間 原水有臭味 減少過濾池中生物繁殖 消滅抗氯性大之細菌並預防在配水系統中再繁殖

折點加氯及超量加氯均屬此類

結合有效餘氯 氯與水中氨氮化合物反應如下

一般以一氯胺和二氯胺為結合有效餘氯，仍具有相當高之消毒效力

ㄧ般而言， Cl2/NH3 比率高，溫度低，pH 值低，對形成二氯胺較為有利

OHNClHOClNHCl

OHNHClHOClClNH

OHClNHHOClNH

232

222

223

結合有效餘氯

使用結合有效餘氯，應先測定水質並應考慮 水中含有充份氨時，加氯即可產生足夠結合有效

餘氯 如水中含安量甚低或完全沒有，需要加氯及氨 如水中有足夠之自由有效餘氯，則加氨即可

氯之折點反應 加氯於水中

A: 若不含有機物或環原性無機物 B: 含有機物或環原性無機物 C: 前述水中含有氨、有機氮化合物

加氯量超過折點，而到某一餘氯量時，稱為折點加氯法

水中消耗氯之物質 硫化氫 鐵錳 亞硝酸鹽

如何決定加氯量

水質測定 接觸時間 考慮 pH 值及配水狀況

各種加氯法

單純加氯法 清水加氯法 渾水加氯法 雙重加氯法 超量加氯法

除氯法

目的 :於送達用戶前，去除過量餘氯，減少氯氣臭味

可使用 硫代硫酸鈉 亞硫酸鈉 亞硫酸氫鈉 二氧化硫

加氯之藥劑

氯氣 次氯酸鹽 二氧化氯

加氯設備之設計

設計步驟1. 估計需氯量2. 採用何種藥劑3. 供給容量4. 適當之加氯機5. 選定位置及注氯系統6. 加氯機室、貯藏室及

其他安全措施

3-v

-3w

10d

1

c

100QRV

10QRV

加氯機

型式 乾式加氯機 溼式加氯機

加氯率之控制 例題

例 : 真空式注入氯氣

Trihalomethanes formation

若水中自然色度高 (humic and fulvic acids) 或是含有藻類代謝物，則加氯容易產生 THMs

最主要者為 chloroform, bromodichloromethane, dibromochloromethane, and bromoform

助長形成之原因 :前驅物、餘氯量、 pH 、溫度、接觸時間 避免或減少前加氯法是一有效減低方法，若需前消毒，可考慮加

入臭氧或是 chlorine dioxide ，亦應考慮在去除有機物後再加氯

50%THM 在第一小時即形成，但需數小時或數日達完全反應，故有可能在用戶端處發現高含量。此情況應考慮在配水系統中加氨。

即使如此， WHO guideline 仍建議消毒機制仍不可因此打折扣。Inadequate disinfection in order not to elevate THM level is not acceptable.

臭氧處理

自 1906年，法國 Niece市水廠首先採用

臭氧性質

臭氧特性 特性

無殘留 有空氣及氧氣即可製造 處裡後水質無異味且多加無毒性 殺菌及殺芽胞迅速 所需接觸時間短 適用之 pH 值範圍大

缺點 成本較高 再污染時，無抑制作用 需要複雜之臭氧產生機 控制加入量較困難

臭氧之製造與接觸裝置

UV 處理 適用於無色度、濁度及懸浮物質者 對細菌比對病毒或孢子有效，可能是破壞 DNA導致微生物無法運作 UV 係指波長介於 15-400nm 之光，最有效者在 265nm(UV-C) 消毒效率決定於波長、入射強度及接觸時間 最近實驗證明 UV 對 Cryptosporidium oocyts極為有效

煮沸

可殺細菌、病毒、 ova 細胞及隱孢子 應持續煮沸至少 5 分鐘 高地應考慮更高要求

配水系統中之消毒

吸附

活性碳 製造 大小 比表面積 型式

PAC GAC

再活性化

曝氣法 目的

去除水中鐵錳 去除水中二氧化碳 去除硫化氫 去除有機分解臭味 去除甲烷、氨等

型式 多孔盤式 噴水式 瀑布式 注氣式 水躍式

離子交換

系將原水中可溶性離子與交換體中之Na+,H+, OH-,Cl-交換

離子交換樹脂

陽離子交換樹脂

陰離子交換樹脂

強酸性 R-SO3H

弱酸性 R-COOH

強鹼性 R=NOH

弱鹼性 R=N

湖泊、水庫中生物之控制

改變生態條件 溶氧浮除法

臭味去除 來源

溶解氣體 藻類 工業 游離或結合餘氯與其

他物質反應之生成物 氯氣與油脂結合 合成清潔劑 鐵 氯鹽、硫酸鹽等

處理 曝氣法 化學法

氯化 臭氧 高錳酸鉀 活性碳

鐵錳之去除 氧化法

曝氣法 氯化法 接觸過濾法 高錳酸鉀 含水層中直接去除 鐵細菌法

電解法 離子交換 混凝沉澱

色度去除 性質

原水中色度主要來自腐植質 MW=800~50,000 Sizes are around 3.5~10μm 構造複雜

去除 混凝沉澱 氯化 軟化 吸附 臭氧

氟化

1945 年 Newburgh研究 : 3mg/l Fluoride

通常在進入清水池前加入 氟鹽含量若超過 0.8mg/l ，應設法降低

pH 值控制 目的

提高鹼度 去除游離碳酸 提高 pH 值

常用藥劑 消石灰 蘇打灰 苛性鈉

K

0.88loglogC-logApH

合成清潔劑去除

ABS 與 LAS 去除法之比較

活性碳 混凝沉澱 快濾 慢濾 臭氧

硬水軟化 目的

減少肥皂及洗滌劑用量 減少洗濯損耗 防止水垢 改善水質 滿足可口要求

方法 化學沉降 離子交換