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再生水處理永續發展規劃

發佈日期 : 2023-12-12
陳緻紘 ,  jerrychen@thl.ncku.edu.tw ,  (06)2371938 #539
有鑑於台灣持續面對穩定供水之挑戰、推動再生水為我國多元化水源策略之一環，再生水工程主要是利用廢(污水)或處理後的放流水視為水資源，經處理後提供合適水質之回收水(路灑澆灌用)與再生水，其前端的廢(污)水處理廠之處理水質便直接影響後續再生水之效能與成本。因應淨零碳排之目標、污水處理廠之節能減碳及永續發展已成趨勢，而其中的關鍵便是好氧生物處理單元(曝氣池)鼓風機與散氣設備的能耗與處理效能之間的優化，散氣設備提供曝氣池活性污泥溶氧進行好氧生化反應以及提供足夠混合擾動，出流水質主要受廢(污)水特性、溶氧和活性污泥內微生物族群組成影響。本所結合水利、環工、機械、資訊等團隊針對上述議題發展相關研究與技術介紹如下：
 
 

 水下流場量測技術開發

曝氣場域是紊亂的氣液二相流、其速度場域在實務上有相當的技術限制，常使用的流速儀像是都卜勒測速儀(ADV)與電磁式流速儀(EMC)皆會顯著受到氣泡影響而產生巨幅雜訊干擾，團隊採用質點影像測速技術(PIV)追蹤氣泡位移情形，計算畫面中粒子(氣泡)的移動方向與速度，為了深入試驗水槽中捕捉散氣盤的氣泡團流場特徵，團隊開發水下PIV取像裝置一式，該水下流場光學式量測系統以1,000 fps幀率高速攝影，再透過WiFi以手機於水面上控制。高速攝影之畫面除了計算速度外，亦可經處理後捕捉氣泡特徵(形狀、粒徑)，水下PIV取像裝置和氣泡團流場分析結果如下圖。

 曝氣場域流場數值模擬

實務上，曝氣槽的水理流場量測會深受氣泡團影響、受囿於量測點位也僅能得到局部的資訊，因此策略上仍需仰賴計算流體力學(CFD)了解整體曝氣場域的特徵，藉由數值模擬可幫助釐清是否有局部遲滯區(stagnant zone)，進而協助判定流場擾動情形以及氧傳速率上的空間差異。

如下圖，流場數值模擬成果定性上成功地模擬出氣泡團的分布以及受到布設密度影響下氣泡團偏移的情形，在定量上也與水理量測的氣泡速度表現相當。

 曝氣效能試驗

我國目前尚無曝氣設備效能之測試標準，亦無符合國際標準之測試場域，且相關測試在管理控制面上，除需掌握現場數據之回饋仍需仰賴資料監錄點位是否適切，亦需考量曝氣池場域的水流特性。本所協助國內相關測試原則之推動與測試，並具備薄膜式散氣設備(散氣盤、散氣管)之氧傳效能測試之經驗，並引入物聯網IoT技術收錄溶氧以及系統操作上等參數測值，希冀配合數值模擬幫助實務操作上能兼顧節能與微生物處理水質之策略。 下圖為量測數據即時收錄與傳輸平台架構以及所收錄試驗過程溶氧儀測值變化。
在足夠均勻擾動的情境下，數值模擬含氣泡網格所佔比例會和實際測試水槽量測之標準氧傳速率(SOTR, kg/hr)有正相關，該研究成果有助於未來模式上水動力學以及化學質傳之間的耦合。
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