廢污水處理綠色轉型 新興廢水處理技術應用平台

適用行業及污染物(濃度)

1. 適用時機

適合處理多種有機污染物，特別是那些難以生物降解或在傳統處理方法中不易去除的污染物，例如藥物、農藥、染料、工業廢水中的有機化合物、環境持久性有機污染物（POPs）。

2. 適用範圍

水質pH小於6；溶液溫度小於30 ^oC；水質COD值小於5000 mg/L。

技術原理

異相芬頓薄膜技術(Heterogeneous Fenton Membrane Reactor, HFMR)是異相Fenton氧化反應結合薄膜分離的技術，在這些過程中，薄膜的作用可用於分離和濃縮污染物，或確保在連續水處理期間保留和再利用異相催化劑的高效水處理技術，通過生成強氧化劑來降解水中的有機污染物(如圖1)，在環保領域中具有重要的應用潛力。

芬頓薄膜反應的過程涉及一系列的物理/化學反應，包括：

• 粒狀物(如藻類、膠體)被分離/攔截以及有機污染物被吸附/濃縮。
• Fe²⁺和H₂O₂的反應生成⋅OH。
• ⋅OH與水中或吸附在膜上的有機污染物的反應，形成有機自由基（R⋅）。
• 這些有機自由基進一步與氧氣反應，生成過氧化物（ROO⋅）和其他中間產物。

技術概述

高級氧化程序和薄膜過濾的結合可有效去除和消減難降解污染物，更可確保異相催化劑在反應器中的重複使用，膜氧化反應器(如HFMR)已受到水處理領域的關注。尤其是中空纖維膜每單位體積的表面積比平板膜更大，還可以靈活地適用於各種規模的應用，因此，開發中空纖維膜的薄膜芬頓反應器將可讓此一技術更具競爭力。

當薄膜用於芬頓系統中分離異相催化劑時，涉及濾餅層形成或膜結構以及內部孔隙堵塞的各種結垢現象，薄膜阻塞可以分為可逆的和不可逆的，從而導致清水產率和膜壽命下降。中空纖維膜運作在低於不可逆性的臨界通量(critical flux for irreversible fouling, J_c)，可以防止不可逆的污垢，此外，水力反沖洗可以是去除污垢層的有效程序，60秒的反沖洗操作發現可將積垢造成的0.3 bar壓差降至初始狀態的壓差0.1 bar。在這種情況下，污垢將被視為液壓可逆的。然而，透過反沖洗有效去除污垢取決於污垢物質和污垢類型。圖2是HFMR模組示意圖，廢水與H₂O₂/異相催化劑混合後以切向流過濾(Tangential Flow Filtration, TFF)方式經過中空纖維膜，此時強氧化劑⋅OH與水中或吸附在膜上的有機污染物的反應，生成過氧化物（ROO⋅）和其他中間產物，過濾過程能維持異相催化劑迴流在反應室，並讓處理過的水通過中空濾膜。當濾壓升高或通量降低時，透過反沖洗去除污垢物質。

HFMR技術的優勢與限制

優勢

• 傳統芬頓法的pH須控制在2-3範圍， HFMR技術可在pH=4-6範圍運行。
• 反應時間短，易整合至既設的水和污水處理系統中。
• 異相催化劑可重複使用，大幅減少污泥的產生。

限制

• 薄膜與芬頓氧化劑接觸，薄膜材料會發生氧化和聚合物斷鏈。尤其是氧化性氯溶液膜老化速度較顯著。
• 放流水仍須調整pH值。
• 為抑制積垢，需控制流量低於臨界通量(J_c)。

重要操作參數

• 過氧化氫（H₂O₂）濃度：H₂O₂是反應的主要氧化劑，其濃度需根據污染物的特性和濃度進行優化。過低的H₂O₂濃度會導致反應效率降低，而過高的濃度則可能引起副反應。
• H₂O₂/Fe比率：理想的H₂O₂與Fe的比率需根據具體情況調整，以避免不必要的自由基反應和提高氧化效率。
• 異相催化劑種類：含鐵的非均相微米沸石催化劑、奈米零價鐵
• 強化方式：超音波除垢、光催化或電催化

符合 4L+C 資源循環、節能減碳

循環經濟、低碳排放/低耗能、低使用空間

與傳統芬頓法相較，HFMR可在弱酸性下運行，因此減少酸劑/鹼劑，減少相對應的碳排與能源消耗較低。HFMR具有高去除效率、高產水率和可調控性等競爭優勢可相對降低設施空間。此外，異相催化劑的循環使用，大幅減少污泥產生無二次污染的問題。

技術限制與負面影響

技術限制

• 進流水高濁度時，易增加反沖洗頻率。
• 進流水含次氯酸鈉與膜材料發生反應，導致膜結構發生化學變化。

負面影響

• 需要調整放流水pH值。

技術流程