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博碩士論文 etd-0622103-183740 詳細資訊
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論文名稱
Title
半導體及光電事業排放含氮有機物之生物處理特性研究
Biodegradation Characteristics of Nitrogen-Containing Compounds Used for Semiconductor and Optoelectrical Industries
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
82
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2003-06-06
繳交日期
Date of Submission
2003-06-22
關鍵字
Keywords
半導體、1-甲基-2-酮-環丁胺、1-胺基-異丙醇、單乙醇胺、光電業、雙三甲基矽胺
NMP, APA, MEA, HMDS
統計
Statistics
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中文摘要
摘要
半導體業及光電業為台灣主要高科技事業,此二事業製程利用多種有機溶劑,其中主要含氮有機溶劑為單乙醇胺(monoethanol amine,MEA)、1-甲基-2-酮-環丁胺(1-methyl-2-pyrrolidinone,NMP)、1-胺基-異丙醇(1-amino-2-propanol,APA)及雙三甲基矽胺(hexamethylene disilazane,HMDS)。本研究主要探討該四種含氮有機溶劑之生物分解特性。
研究利用10公升之批次活性污泥反應槽(SBR),反應週期為24小時,包括曝氣(21小時)、進料(0.5小時)、排水(0.5小時)、及沉降(2小時)。反應條件為污泥濃度(MLSS) 2000-3000 mg/L、pH 6.8-7.2、曝氣量2.3 L/min、食微比(food-to-microorganism ratio,F/M) 0.2-0.5 kg COD/kg MLSS.day、初始含氮有機溶劑濃度100-800 mg/L。
研究結果發現,供試四種有機溶劑皆可被生物分解,其分解率(以COD去除率表示)皆在80%以上,有機氮轉化產物為氨氮(NH3-N)、亞硝酸氮(NO2--N)、硝酸氮(NO3--N)、氮氣、生質氮(biomass-N)。
在MEA-N轉化方面,低負荷時(<0.05 kg MEA-N/m3.day),MEA-N分解所得氨氮之硝化率大於10 %,高負荷時(>0.20 kg MEA-N/m3.day),MEA-N分解所得氨氮之硝化率為0。MEA-N轉化為生質氮之比率約為3%,污泥中氮之平均含量為4.35%。
NMP-N轉換為NH3-N+NO2--N+NO3--N、N2、biomass-N之比例分別為5、73-83、14-24%。污泥中氮之平均含量為5.6%。
在APA轉化方面,APA初始濃度400、800 mg/L時,會發生污泥膨化現象。批次試驗初始濃度由200增至800 mg/L時,APA-N氨化率量明顯提升,而硝化率量明顯減少。初始APA濃度200 mg/L,即低負荷量(0.0358 kg APA-N/m3.day)時,APA-N轉換為NO2--N、N2、biomass-N之比例分別為9、74、13%;當負荷量增為0.0716 kg APA-N/m3.day時,轉換比例分別變為12、66、26%。污泥中氮之平均含量為4.9%。
HMDS須藉界面活性劑以增加其溶解度後方易為生物降解。批次實驗初始HMDS濃度由200增至800 mg/L時,HMDS-N之硝化率增加,而氨化及亞硝化並無顯著變化。HMDS-N轉換為N2之比率大於90%,少部分轉換為Biomass-N。其污泥中含氮率約為4.5%。

Abstract
Abstract
Semiconductor and optoelectrical industries are among the major high-technological enterprises in Taiwan. Many nitrogen-containing compounds such as monoethanol amine (MEA), 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 1-amino-2-propyl alcohol (APA) and hexamethylene disilazane (HMDS) are used in both manufacturing processes. These compounds may release to environments from waste gas or water sources and become environmental pollutants if not properly treated. The main purpose of this research was to investigate the biodegradation characteristics of the four compounds.
The research was performed by using a 5-L sequencing batch reactor operated at a cycling time of 24 hrs that included a filling time of 0.5 hr, an aeration and reaction time of 21 hrs, a setting time of 2 hrs, and a drawing time of 0.5 hr. The reaction conditions were as follows for the activated sludge in the reactor: MLSS (mixed liquor suspended solids) = 2000-3000 mg/L, pH = 6.8-7.2, aeration intensity = 0.46 L air/(L liquor. min), F/M (food-to-microorganism ratio) = 0.2-0.5 kg COD/(kg MLSS. Day), and C0 (initial concentration of the target compound in the mixed liquor) = 100-800 mg/L.
Results demonstrate that above around 80% of all the four compounds were degraded within the aeration time of 21 hrs, and the organic nitrogen was converted to NH3-N, NO2--N, NO3--N, N2,and biomass-N.
For MEA, above 10 % of the NH3-N hydrolyzed from the compound was nitrified for loadings of less than 0.05 kg MEA-N/m3.day, and no nitrification was observed for loadings of above 0.20 kg MEA-N/m3.day. Approximate 3% of MEA-N was converted to biomass-N and the average nitrogen content in the sludge was 4.25%.
With regards to NMP, around 5, 73-83, and 14-24% of the nitrogen was converted to NH3-N+NO2--N+NO3--N, N2, and biomass-N, respectively, and the average nitrogen content in the sludge was 5.6%.
As for the biodegradation of APA, there occurred a filamentous sludge-bulking phenomenon when C0 = 400 or 800 mg/L. With C0 increased from 200 to 800 mg/L, there was an increasing rate of ammonia formation and decreasing rate of nitrification. For the compound, around 9, 74, and 13% of the nitrogen was converted to NO2--N, N2, and biomass-N, respectively, at a loading of 0.0358 kg APA-N/m3.day. The conversions became 12, 66, and26%, respectively, for NO2--N, N2, and biomass-N with the loading increased to 0.0716 kg APA-N/m3.day. The average nitrogen content in the sludge was 4.9%.
HMDS was biologically degraded in the emulsion state with the help of surfactants Tween 80 and Span 80. With C0 increased from 200 to 800 mg/L, there was an increasing nitrification rate and nearly constant ammonia nitrite formation rates. Above 90% of HMDS-N was converted to N2 and a few of it to biomass-N. The average nitrogen content in the sludge was around 4.5%.



目次 Table of Contents
目錄
致謝 Ⅰ
摘要 ⅡAbstract Ⅳ
目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅷ
圖目錄 Ⅹ
第一章 前言
1.1 研究背景及動機 1-1
1.2 研究內容及目的 1-1
第二章 文獻回顧 2-1
2.1 活性污泥法 2-1
2.2 批式活性污泥法 2-2
2.3 生物除氮原理 2-3
2.3.1 硝化作用 2-3
2.3.2 脫硝作用 2-4
2.4 半導體及光電業有機污染物現況及整治技術 2-5
2.4.1 污染現況 2-5
2.4.2 控制技術 2-10
2.4.2.1 生物處理 2-10
2.4.2.2 沸石轉輪回收 2-13
2.4.2.3 高級氧化處理 2-13
第三章 實驗設備、材料與方法 3-1
3.1 實驗設備 3-1
3.2 實驗方法 3-2
3.2.1 污泥來源及馴養 3-2
3.2.2 實驗流程 3-2
3.3 供試有機物 3-4
3.3.1 MEA 3-4
3.3.2 NMP 3-4
3.3.3 APA 3-4
3.3.4 HMDA 3-4
3.4 添加之營養鹽及微量重金屬
3.4.1 營養鹽 3-5
3.4.1.1 MEA之營養鹽添加量計算 3-5
3.4.1.2 NMP之營養鹽添加量計算 3-6
3.4.1.3 APA之營養鹽添加量計算 3-7
3.4.1.4 HMDA之營養鹽添加量計算 3-8
3.4.1.5各供試有機物之氮含量及磷添加量 3-9
3.4.2 微量金屬 3-9
3.5 藥品 3-10
3.6 分析方法 3-10
3.6.1 生物污泥中氮含量 3-10
3.6.2 反應槽中混合懸浮固體濃度 3-11
3.6.3 反應槽中硝酸鹽含量 3-11
3.6.4 反應槽中亞硝酸鹽含量 3-12
3.6.5 反應槽中氨氮含量 3-12
3.6.6 pH值檢測 3-13
3.6.7 水樣中HMDS濃度測定 3-13
第四章 結果與討論 4-1
4.1 MEA之生物分解 4-1
4.1.1 MEA氧化之化學需氧量推估 4-1
4.1.2 MEA之生物分解氮平衡 4-2
4.1.3 MEA之生物分解特性 4-3
4.1.4 MEA污泥氮含量 4-6
4.1.5 MEA生物分解特性摘要 4-6
4.2 NMP之生物分解 4-6
4.2.1 NMP氧化之化學需氧量推估 4-7
4.2.2 NMP之生物分解氮平衡 4-7
4.2.3 NMP之生物分解特性 4-9
4.2.4 NMP污泥氮含量 4-13
4.2.5 NMP生物分解特性摘要 4-13
4.3 APA之生物分解 4-15
4.3.1 APA氧化之化學需氧量推估 4-15
4.3.2 APA之生物分解氮平衡 4-15
4.3.3 APA之生物分解特性 4-17
4.3.4 APA污泥氮含量 4-21
4.3.5 APA生物分解特性摘要 4-21
4.4 HMDS之生物分解 4-23
4.4.1 HMDS之生物分解氮平衡 4-23
4.4.2 HMDS之生物分解特性 4-24
4.4.3 HMDS污泥氮含量 4-29
4.4.4 HMDS生物分解特性摘要 4-29
第五章 結論與建議 5-1
5.1 結論 5-1
5.2 建議 5-2
參考文獻 6-1
附錄一 MEA相關數據
附錄二 NMP相關數據
附錄三 APA相關數據
附錄四 HMDS相關數據
表目錄
表2.1 半導體常用之有機溶劑 2-7
表2.2 晶圓製程與封裝廢水特性 2-7
表2.3 光電也常用有機溶劑特性 2-10
表2.4 液晶顯示廠廢水水質特性 2-10
表3.1 試驗時程表 3-1
表3.2 各供試有機物之氮含量及磷添加量 3-9
表3.3供試有機物及營養源之品名、化學式、用途、來源 3-10
表3.4 GC操作條件 3-13
表4.1 MEA污泥含氮量試驗數據 4-6
表4.2 NMP平均氮轉換分率 4-12
表4.3 APA平均氮轉換分率 4-20
表4.4 HMDS平均氮轉換分率 4-28

圖目錄
2.1 氮處理程序中氨之轉換流程 2-3
2.2 積體電路志成的一般性廢水/廢氣污染源 2-8
2.3 TFT-LCD液晶顯示器製程與污染源 2-9
2.4 以Fenton法處理含NMP廢水流程 2-14
3.1 實驗設備圖 3-2
3.2 批式活性污泥法反應槽操作程序 3-3
4.1 MEA濃度與COD值關係圖 4-1
4.2 不同初始濃度下,MEA-N之分解產物 4-3
4.3不同初始MEA濃度下,MEA-N之分解產物質量分率 4-3
4.4 MEA之COD去除率 4-4
4.5 MEA-N生物分解產物之氮分佈情況 4-5
4.6 MEA-N平均氮轉化率與生物槽體積MEA-N負荷之關係 4-6
4.7 NMP濃度與COD值關係圖 4-7
4.8不同初始NMP濃度下,NMP-N之分解產物 4-8
4.9不同初始NMP濃度下,NMP-N之分解產物質量分率 4-9
4.10 NMP之COD去除率 4-10
4.11 NMP-N生物分解產物NO2--N、NO3--N、NH3-N之變化 4-11
4.12 NMP-N生物分解產物Biomass-N及N2之變化 4-11
4.13 NMP-N平均NO2--N、NO3--N、NH3-N轉換率與生物槽NMP-N負荷之關係 4-12
4.14 NMP-N平均Biomass-N及N2轉換率與生物槽體積NMP-N負荷之關係 4-13
4.15生物槽體積NMP負荷量與污泥含氮量關係圖 4-13
4.16 APA濃度與COD值關係圖 4-15
4.17不同初始濃度下,APA-N之分解產物 4-16
4.18不同初始APA濃度下,APA-N之分解產物質量分率 4-17
4.19 APA之COD去除率 4-18
4.20 APA-N生物分解產物 NO2--N+ NO3--N+ NH3-N之變化 4-19
4.21 APA-N生物分解產物Bimass-N及N2之變化 4-19
4.22 APA-N平均NO2--N、NO3--N、NH3-N轉換率與生物槽APA-N負荷之關係 4-20
4.23 APA-N平均氮轉換率與生物體積APA-N負荷之關係 4-21
4.24生物槽體積APA負荷量與污泥含氮量關係 4-21
4.25不同初始HMDS濃度下,HMDS-N之分解產物 4-24
4.26不同初始HMDS濃度下,HMDS-N之分解產物質量分率 4-24
4.27不同 (HMDS濃度+界面活性劑)濃度之COD去除率 4-25
4.28 不同濃度劑面活性劑COD之去除率 4-25
4.29不同濃度HMDS之COD去除率 4-26
4.30不同濃度HMDS之COD去除率 4-26
4.31 HMDS-N生物分解產物NO2--N+ NO3--N+ NH3-N 之變化 4-27
4.32 HMDS-N生物分解產物Biomass-N及N2之變化 4-27
4.33 HMDS-N平均NO2--N、NO3--N、NH3-N轉換率與生物槽NMP-N負荷之關係 4-28
4.34 HMDS-N平均Biomass-N及N2及轉換率與生物槽體HMDS-N負荷之關係 4-29
4.35生物槽體積HMDS負荷量與污泥含氮量關係 4-29

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