一、前言

台灣擁有全球領先的晶圓製造工業，這些大型晶圓代工廠每年生產數百萬片計的晶圓。這類規模越大的工廠，異丙醇(isopropyl alcohol, IPA)的需求量越高。最近十年來隨著製程技術與複雜度的提升，越先進的製程節點要求更高的製程控制和清潔度，使用IPA的消耗量也會相應增加。因為在更細微的製程中，任何污染或微小的缺陷都可能對晶圓的良率產生重大影響。以下是晶圓製程中產生異丙醇廢水的來源：

1. 晶圓清洗：IPA用於清潔晶圓表面去除微粒等污染物過程中產生的廢水。
2. 晶圓光刻：在進行光刻製程之前，晶圓表面需保持清潔且無水分，IPA有助於去除表面上的水分和微粒，確保光阻劑塗佈的均勻性。
3. 清除光阻劑：應用於去除殘留晶圓上的光阻劑和其他化學物質。

以下是異丙醇(IPA)廢水對於生物及環境的危害：

1. 生物毒性：異丙醇對水中生物具有生物毒性，可能影響其生長和繁殖。
2. 生物分解性：可能在環境中長時間存在，導致生物毒性的累積效應。
3. 生態系統影響：長期暴露可能導致生態系統失衡，影響環境生物多樣性。

雖然國際癌症研究機構(IARC)的評估異丙醇(IPA)並不被歸類為人類一級致癌物質，但長期接觸異丙醇仍可能對健康造成其他影響，如神經系統問題。目前，台灣科學園區管理局的污水排放標準並未將IPA明確定義為有毒物質管制。然而，在半導體製程中，IPA廢水與其他氧化性物質（如雙氧水）混合，會產生二次污染物丙酮，丙酮被列為科學園區工廠廢水納管的列管物質^{（科學園區工廠廢水納管標準，111）}。因此，對於IPA廢水，我們需要採取適當措施，以降低對環境和生物的潛在危害。

由於台灣許多建廠超過十年以上的半導體工廠受限於設備或土地利用，現有的廢水處理設施難以升級，無法有效應對生產製程中IPA的處理需求。因此，本文研究一種高負荷，且佔地面積小的生物處理技術，旨在解決半導體工業中IPA排放問題。

二、關鍵技術介紹與研究方法

移動床生物膜反應器MBBR (moving bed biofilm reactor)技術，依靠曝氣池內的曝氣和水流的氣液交互作用使載體處於流化狀態，這使得MBBR發揮附著生長膜和懸浮污泥的的雙重優勢，因為槽內流動化的懸浮載體與廢水頻繁多次接觸因而被稱為「移動的生物膜」。MBBR的特點包括：與傳統活性污泥處理法相比，無需佔用大量空間且具備高負荷的處理效能；應對負荷波動的能力強；不需要污泥回流；生物污泥脫水容易，且人工管理簡單。MBBR的關鍵技術，主要利用懸浮載體表面孔穴馴養微生物族群，再形成強韌的生物膜以對抗環境的變化。

本文採用市售聚氨基甲酸(polyurethane)（俗稱PU泡棉）作為生物載體，填充於MBBR槽內，進行實廠IPA廢水的連續通水實驗。所選用載體的規格如下：空隙率大於97%；乾比重約為0.95；密度處於25 ~35 kg/m³範圍；表面積 ≒ 3,000m⁻¹，每個MBBR槽中載體填充率設定為 30%。

圖2-1為實驗流程，實驗設計為兩個串聯的MBBR槽，其中前一級生物A槽的原水停留時間較短且食微比(F/M)較高，使微生物細菌處於對數生長期(log phase)。這樣可以創造出A槽中細菌族群佔優勢的條件，以達成快速分解有機物的目的。後級生物B槽則分配較低的有機負荷及較長的原水停留時間，促使細菌進入穩定期(stable phase)，此時生長速度較慢的原生動物和後生動物將佔優勢，以實現捕食和減少細菌污泥的目的。

圖2-1、實驗流程圖

通過表2-1所示的工廠廢水分析表可知，廢水的 COD 濃度為 3360 mg/L，IPA 濃度為 950 mg/L。IPA 的分子量為 60.1，其氧化方程式為 C₃H₈O + O₃ (氧化) → 3CO₂ + 4H₂O。由此可計算出 IPA 含有的 COD 濃度為 IPA×(16×9)/60.1 = 2640 mg/L。進而可推算出 IPA 占總體 COD的80%，由於剩餘 20% 的 COD 濃度成分不明，後續需要進行廢水的可生化降解性能的確認。

表2-2為五日的生化需氧量試驗前後，生物降解後的水質分析值。通過生化降解試驗的水質資料可知，最終 COD 濃度為210 mg/L，COD 去除率達到 93.75%。由此確認了工廠廢水具有良好的可生化分解性能，確保了後續試驗的可行性。

表2-1、工廠的廢水水質

表2-2、五日生化需氧量試驗前後的水質

三、結果與討論

3.1 MBBR串聯A & B槽負荷比 85% : 15%的通水試驗結果

通過手動設定 A 槽與 B 槽的負荷比為 85% : 15%，並在不同負荷條件下進行通水試驗。得出的表3-1 試驗結果顯示MBBR的總體COD去除率平均為95%，然而氨氮濃度幾乎沒有變化。依據廢水質分析，在 COD / BOD = 3,360 / 2,000 = 1.68 倍的情況下，換算實際流入的氨氮濃度，推算出B槽內碳氮比 BOD / TN > 5，導致硝化反應出現障礙。

表3-1、串聯 A & B 槽負荷比 85% : 15%的試驗結果

3.2最佳化負荷之定性評估法

定性評估法中，採集MBBR後段B槽之載體，採集方法為每次負荷提升後，設定20天為微生物馴化期，其目的是讓微生物重新適應並穩定代謝。對於載體採集的判定標準，為目視泡沫減少及COD去除率連續7天達到95%以上。採集的載體使用相位差顯微鏡觀察不同負荷條件下的微生物相。纖毛蟲族群主要以捕食分散細菌為食，依據 Curds的相關研究^(Curds;1969)，纖毛蟲族群豐富度高的情況有助於提升生物污泥脫水率及出流水的澄清度。

透過表3-2顯微鏡觀測結果顯示，當MBBR總體負荷超過 4.5 kg-COD/m³/d時，指標性纖毛蟲及原（後）生動物族群的數量開始下降，這意味著捕食分散污泥的纖毛蟲數量減少。由此推測，剩餘污泥的脫水會變得較為困難，合理的負荷 應維持在 4.5 kg-COD/m³/d 以下為最佳。

表3-2、MBBR 雙槽串聯在不等負荷下微生物相的觀測結果

3.3最佳化負荷之定量評估法

定量評估法，採集MBBR後段B槽之污泥水，加入無機化學調理劑中含Al聚氯化鋁(PAC)及有機性陽離子高分子聚合物(polymer)進行污泥凝聚試驗(jar test) ^{（黃志彬教授，2010）}，藉由吸附與電性中和兩種作用，使得懸浮的污泥顆粒相互聚集並形成大的膠羽而沉澱。觀測凝聚試驗後上澄液的透明度，並收集所有不同調理情形下產生的污泥餅樣本，並使用標準方法測試其固含量。試驗標準以污泥含水率低於85%判定最佳負荷的條件值。

通過表3-3凝聚試驗的結果顯示，當MBBR總體負荷高於4.5 kg-COD/m³/d時，上澄液逐漸呈現混濁狀，污泥亦難以控制在含水率於85%的範圍內。因此，可判斷總體容積負荷在4.5 kg-COD/m³/d以下為系統之最佳負荷條件。當負荷大於 4.5 kg-COD/m³/d時，推測微生物細胞的胞外聚合物(EPS)或分散細菌濃度變高，此時凝聚試驗所需的污泥無機凝集劑注入量也必須隨之增加。根據 Pauli 和 Viktoria ^{(Paul,2014 )}的研究，化學物質濃度對廢水中原生動物族群的影響顯示，水中含有某濃度化學成分時，會對水中微生物族群產生生物毒性，抑制微生物的生長。因此，半導體工廠廢水中的化學濃度過高，可能抑制了試驗機生物槽內微生物的生長代謝。

表3-3、MBBR 雙槽串聯在不等負荷下剩餘污泥脫水率之測試

3.4 MBBR雙槽串聯與傳統生物處理法設計參數的比較

MBBR雙槽串聯實驗的最佳化負荷條件與傳統活性污泥法的負荷設計參數進行比較，如表3-4， 表中參考文獻的BOD負荷 x 1.68轉換為COD負荷後計入，由於MBBR載體表面積上生物膜蓄積了相對較多的污泥質量濃度(MLSS)，因此在相同負荷條件下，流動床生物槽的體積比傳統活性污泥法小。MBBR載體上MLSS的蓄積與載體的比表面積成正比。原則上，選用高比表面積的載體可以減少生物槽的體積，但也必須考慮載體的採購成本，以達到合理的建設成本。

表3-4、MBBR雙槽串聯與傳統生物處理法的設計參數的差異

四、結論與建議

4.1 結論

1. 雙槽串聯MBBR佈局的COD去除率可達95%以上。在滿足污泥含水率≦85%的條件下，其最佳負荷為4.5 kg COD/m³·d，約為生物膜反應器處理能力的2.2倍，並達到傳統活性污泥法的3.4倍。
2. 通過試驗結果，雙槽串聯的 MBBR佈局與傳統生物膜反應器比較，減少廢水處理廠的50%左右建設用地，使其具有極高的應用價值。

4.2 建議

本試驗期間未能有充足時間針對MBBR在不同負荷條件下污泥的產率展開測量與研究，這無疑是本次試驗的一大遺憾。期待未來能對這一缺憾部分予以補充完善，從而使該領域的研究更加全面、深入。

五、參考文獻

1. Curds, C. R., G. J. Fey. (1969) "The effect of ciliated protozoa on the fate of Escherichia coliin the activated-sludge process" AMER. ZOOL., 13:161-169.
2. Pauli., Viktoria., Pauli, Wilfried. (2014) "Effects of chemicals on wastewater treatment: final validation study of the protozoan activated sludge test to establish an OECD test guideline" Free University of Berlin, 3711-65431.
3. 中華民國 111年11月3日國家科學及技術委員會新竹科學園區管理局竹環字第1110035494B號公告。
4. 台灣水環境再生協會，活性污泥膜濾法(MBR)技術手冊，2009年。
5. 黃志彬、粘愷峻、廖昌郁、王祖珩，污泥調理藥劑選擇與測試方法概述，環境資源與生態保育學刊 83~93頁，2010年。
6. 楊萬發理事長，污水處理技術與操作參數設計運算，台灣環保技術交流協會，2010年。