什麼是MBR?
MBR是Membrane BioReactor的縮寫，中文為「膜生物反應器」或「生物膜反應器」，是一種用於廢水處理的技術。MBR利用了膜分離的高效過濾性和生物處理，通過一個微孔膜來過濾水中的固體和細菌，達到淨化廢水的目的。MBR技術相對於傳統的活性污泥法和沉澱法等處理方式，具有處理效果好、佔地面積小、運維成本低等優點，因此在廢水處理領域得到廣泛應用。MBR透過膜分離技術可以實現高效的固液分離，同時可以將有機污染物和氨氮等進一步處理，有效地分解水中的BOD和截留SS，使得處理出水達到可重複回收使用或直接排放的水質標準。在工業和市政污水處理中都有廣泛的應用。
MBR法 vs 傳統活性污泥法
傳統生物處理是利用沉澱方式來分離SS（Suspended Solids：懸浮固體），而MBR系統利用薄膜過濾方式來截留SS，不須設置最終沉澱池。與傳統方式相比，MBR不僅可以完全阻擋SS，且能有效地延長SRT（Sludge Retention Time：污泥停留時間），即使是含氮的原水，經由MBR處理後也可以變成高品質、穩定的處理水。而初沉池設置與否，視進流廢(污)水是否含有碎石之類硬物，因為其會導致膜片受損，如果無此考量，則無需設置初沉池。
與傳統方式相比，使用MBR系統的佔地面積能大幅縮小，MBR法不僅不需要沉澱池，曝氣池也可進一步小型化。
KUBOTA (久保田)、Suez/Veolia (蘇伊士/威立雅)、Mitsubishi (三菱)為MBR薄膜廢(污)水處理產業三大品牌。
平板膜人工清洗影片
中空纖維膜人工清洗影片
MBR人工清洗の時機點
膜阻塞時會使用藥液清洗使MBR膜組的通量恢復，有機阻塞使用漂洗、無機阻塞使用酸洗，但當漂洗與酸洗都無法使MBR的通量恢復時，就是MBR人工清洗的時機點。會造成藥洗無法使通量恢復的可能性有很多，「油脂過高沒預先處理拿掉」、「鈣、鎂離子濃度過高沒預先處理拿掉」、「有澱粉類沒預先處理拿掉」、「有頭髮纏住膜絲」、「細篩機沒把雜質篩掉」、「沒有定期藥洗」、「等到流量降低才藥洗」、「等到負壓上升才藥洗」、「MLSS過高沒排泥」、「MLSS過低沒有好好馴養微生物或沒植種」、「清泥電動閥沒有每天開」、「進流水質不穩定」、「鼓風機風量被調低」、「過濾泵浦被調大流量」、「黏滯度過高」、「藥洗時間不夠長從來沒洗乾淨」、「MBR壽命到了」等等，問題百百種，不同的廢水性質會有不同的原因，但很多問題與平時維護操作和微生物馴養有關，台灣富利業也開始在台灣各地提供無償的「KUBOTA MBR平時維護操作教育訓練」，利用過去20-30年的MBR經驗，來幫助更多MBR代操作或現場操作人員有效地減少MBR阻塞的機率。
平板膜 vs 中空纖維膜
平板膜（Flat Sheet Membrane）和中空纖維膜（Hollow Fiber Membrane）都是MBR中使用的膜，它們的主要區別在於結構、膜孔徑大小、（藥液）清洗方式、設計通量、使用壽命/更換年限的不同。
結構方面，平板膜是由平板狀的膜片組成，膜片並聯固定於具有導軌的框架內，膜片與膜片之間的縫隙槽可以讓水流在膜片之間產生迅速的流動，進而提高膜片的自淨能力，同時也能減少膜面的阻塞，保持膜面的過濾效率，進而提高整個系統的穩定性和運行效率；中空纖維膜則是由成千上萬條的膜絲所組成的，這些膜絲在一個膜模組中排列成管狀結構。單一膜絲的結構是由一個中空的、細長的膜管組成，膜管外層是膜材料，內部是中空的空間。
膜孔徑在MBR中主要分為MF膜（Microfiltration membrane）和UF膜（Ultrafiltration membrane），各家廠牌的平板膜或中空纖維膜會根據不同的材質與設計理念去決定自家的膜孔徑大小，不同的膜孔徑有不同的優缺點，底下「膜孔徑大小の差別」有更詳細的說明。
結構的不同造就了清洗方式的不同，但平板膜與中空纖維膜都擁有放鬆清洗（Relaxation）與藥液清洗（Chemical Cleaning）兩種。放鬆清洗是指在短時間內停止過濾（過濾泵浦暫停運作），同時間繼續進行曝氣，在停止過濾的過程中，以平板膜為例，緊緊附著在膜片上的污泥會因停止過濾而放鬆，不再緊貼於膜片表面，此時曝氣所產生的氣泡，就能容易地將附著的污泥沖刷走，造就清洗功能。以KUBOTA平板膜為例，正常抽水模式下，過濾泵浦走9分鐘停1分鐘，鼓風機持續曝氣，在過濾泵浦停止的1分鐘，就是放鬆清洗作用的時刻，同理可證於中空纖維膜。而中空纖維膜因為結構的不同而多了反洗（Backwash/Backpulse），因此很多人誤會平板膜也有反洗這一個步驟，事實上是沒有的。反洗的原理，是利用過濾後所產出的清水，透過泵浦inside-out的方式打回膜絲，沖開因為無法透過放鬆清洗而積聚在膜絲表面的污泥。
平板膜的藥液清洗是將稀釋好的藥液透過重力流inside-out的方式將膜片灌滿浸泡；中空纖維膜的藥液清洗有分MC維護藥洗（Maintenance Cleaning）及RC恢復藥洗（Recovery Cleaning）。MC維護藥洗與反洗的原理一樣，透過反洗的管線將稀釋好的藥液打進膜絲。RC恢復藥洗則需將膜組吊起至另外建置的恢復藥洗池，將整組中空纖維膜組浸泡到池中達到outside-in的藥洗，為了省下土建成本，也有人直接用原本的膜池當作恢復藥洗池，只不過每次作RC恢復清洗時，需將膜池排空再將藥液倒入池內，因此膜池會需要防蝕工程以防藥液腐蝕管線及槽體。
設計通量方面，根據專業工程顧問公司的數據，平板膜因不需要使用過濾水反洗，設計通量相較之下比中空纖維膜多約6-10%。平板膜的生活污水設計通量平均為25LMH（=0.6m³/m²·d），最大為29LMH（=0.7m³/m²·d）；平板膜的工業廢水根據不同廢水性質設計通量平均為16.6LMH（=0.4m³/m²·d），最大為20LMH（=0.5m³/m²·d）。
大家最在乎的使用壽命/更換年限方面，根據使用KUBOTA MBR膜組的台灣200廠與世界7500廠數據庫，平板膜的平均使用壽命介於5-11年，最長壽命零更換實績為16年。影響使用壽命最大的原因莫過於「平時的維護操作」與「微生物的馴養」。平時的維護操作最重要的部分包含細篩機的選擇、進流水質不穩定、前處理動物/礦物油脂的去除、前處理鈣鎂離子的去除、曝氣系統的清洗、不隨意調整產水流量、負壓上升時（阻塞）的處理方式、定時藥液清洗、藥液稀釋濃度等等；微生物的馴養最重要的部分包含污泥植種的有無、碳源的足夠程度、MLSS的濃度（8,000-15,000mg/L）、定時排泥（廢棄污泥）等等。
UF膜 vs MF膜，膜孔徑大小の差別
UF膜（Ultrafiltration membrane）和MF膜（Microfiltration membrane）的孔徑大小有所不同。UF膜的孔徑大小通常在0.01-0.1微米之間，可以過濾掉水中的懸浮固體、大分子有機物和細菌等物質，但對於小分子有機物、病毒和重金屬等物質的去除效果不佳。而MF膜的孔徑大小則通常在0.1-10微米之間，相對於UF膜來說孔徑更大，可以過濾掉水中的懸浮固體、微生物和較大分子有機物等物質，但無法過濾掉病毒和小分子有機物等物質。
台灣MBR業界中使用UF膜最知名的品牌為GE及Mitsubishi，兩家都是中空纖維膜。GE/Suez曾於2018年與山林水簽訂MOU合攻台灣再生水市場，台中水湳水資源回收中心18,000CMD及桃園北區水資源回收中心TWRRC一期6,000CMD就是使用GE的中空纖維膜。很多人不知道，Suez的中空纖維膜是Zenon所開發的，GE在2006年5月時以6.56億美金收購Zenon，而GE的水部門（Zenon）在2017年9月的時候被Suez收購，收購價格為34億美金，故事還沒結束，2020年另一家公司Veolia（威立雅）開始購買Suez的股份，經過一段複雜的法律程序後，Veolia成功地在2021年11月30日了併購Suez，因此當你在台灣聽到「Zenon」或是「GE奇異」或是「Suez蘇伊士」或是「Veolia威立雅」，這四個名字都是在講同一家中空纖維膜品牌，只是老闆在過去20年換了4次而已。Mitsubishi的中文是三菱，桃園機場捷運A7站水資源回收中心一期4000CMD就是使用Mitsubishi的中空纖維膜。另一方面，KUBOTA日本久保田是台灣MBR業界中使用MF膜的代表。
有人說，膜孔徑（pore size）越小就越容易阻塞；也有人說，膜孔徑越大就越容易阻塞。UF膜與MF膜的膜孔徑不相同，那到底是UF膜比較容易阻塞，還是MF膜比較容易阻塞？
美國環境工程顧問公司 Carollo Engineers, Inc. 曾對此論點去做了「膜孔徑與去除率」的實驗，實驗結果證明「阻塞機率跟孔徑大小無絕對關係，而與微生物馴養的好壞有直接關係。」。其中一個實驗，如果用最短的一句話來總結的話：「操作過程中，活性污泥會在膜表面形成一層生物膜(Biofilm)，這層生物膜可幫助膜片提升ＳＳ的去除率，意指生物膜可過濾小於膜片材質實際孔徑的懸浮固體。（此實驗中所提到的水中物質為病毒）」
MBR權威Simon Judd在他的文章中提到「其實MBR膜孔徑不管大小，都沒有太大的差別。重要的是，不管是微濾膜(MF膜) 或超濾膜(UF膜)，99.99%的SS都能輕鬆擋掉。在實際操作條件下，病毒往往會與固體結合，這意味著平常如果操作良好，不用MBR，即使是砂濾也可以去除 99% 的病毒。 因此，我們對病毒的穿透不太在意。」
總結以上兩個論點：不管是MF膜或UF膜、平板膜或中空纖維膜，平時的維護操作和微生物的馴養是阻塞率高低的關鍵。
MBR+RO 再生水廠實例介紹
MBR+RO 是指將 MBR 技術與 RO（逆滲透）技術結合起來，用於污水處理和再利用。這種組合技術可以實現更高效、更全面的水質處理和回收利用，其主要過程如下：
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MBR 生物處理：將污水經過 MBR 技術處理，去除大部分的懸浮物、生物污染物、有機物等。
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RO 逆滲透處理：將 MBR 處理後的水經過 RO 技術進一步處理，去除殘留的鹽、微量污染物和微生物等，獲得更高質量的水。
這種組合技術的優點主要體現在：
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處理效果更佳：MBR 技術可以有效去除污水中的懸浮物和生物污染物，而 RO 技術可以進一步去除殘留的鹽和微量污染物，獲得更高質量的水質。
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回收利用效果更好：通過 MBR+RO 技術處理的水質更高，可以滿足更高水平的再利用需求，例如台積電、友達工業廢水全回收再利用等。
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環境效益更好：通過 MBR+RO 技術可以實現更高效、更全面的污水處理和回收利用，減少了對自然環境的衝擊，也符合可永續發展的要求。
為因應近年缺水危機，高雄市政府持續開發多元水資源，除與中央合作開鑿地下水井每日13萬噸及新設1處伏流水每日10萬噸，並推動鳳山、臨海、橋頭及楠梓再生水計畫供應產業用水，「高雄市橋頭再生水廠興建移轉營運案」於2022年3月經內政部營建署審議通過，採促參法BTO方式辦理，核定總經費近50億元，於2026年開始供應每日3萬噸再生水給台積電使用，2028年再由楠梓再生水廠新增供應5萬噸再生水。台積電在101年度的氣候相關財務揭露報告中，提到假設臺灣每10年會發生一次乾旱，對其營收影響約1%。這個假設考慮了水資源的可持續性和氣候變化對公司的影響。在半導體製造過程中，水是一個非常重要的資源。因此，水資源的供應和可持續性對台積電等半導體公司的運營和經濟效益有著關鍵的影響。氣候變化和水資源短缺可能會影響台積電的水供應和成本，進而影響其經濟效益。因此台積電非常重視再生水的使用。除了台積電外，許多台灣企業也已經開始重視再生水的使用。在永續發展和環境保護的趨勢下，越來越多的企業開始將水資源管理納入其業務策略之中，並開始採取措施來減少用水量、提高用水效率、回收利用水資源等，以實現水的可持續管理。由此可見，MBR+RO對於台灣未來的發展有相當大的影響。政府也於2017年新增了納管「再生水經營業」並在2019年開始施行，下圖為再生水經營業的放流水標準，流量大於250CMD者，COD ≤ 100mg/L，BOD≤ 30mg/L，SS ≤ 30mg/L，大腸桿菌群 ≤ 200,000CFU/100mL，T-N ≤ 15mg/L，T-P ≤ 2mg/L：
日本KUBOTA設備在1996年有了第一套MBR+RO的實績，於日本的一座800CMD晶片廠為了達到回收水再利用而開始使用KUBOTA MBR+RO逆滲透的技術，接著在中國的1,000CMD染整廠、阿拉伯聯合大公國的朱美拉棕櫚島18,000CMD生活污水廠、印度的Zydus Life 1,000CMD藥廠、日本的守山市5,000CMD市政污水廠、墨西哥的Honda本田1,320CMD汽車烤漆塗料廠、泰國的Toyota豐田1,000CMD汽車烤漆塗料廠、中國的Volkswagen福斯2,300CMD汽車烤漆塗料廠等皆使用了KUBOTA ES/EK/RM/RW/SP系列的MBR膜組與RO逆滲透技術結合，回收再利用於其製成用水或冷卻水。其中守山市5,000CMD市政污水廠在2010-2011年的SDI曲線圖（左圖）及水質檢測數據（右圖）如下：
守山市5,000CMD市政污水廠2010-2011年的平均SDI值為1.2，所測SDI最大值為2.4，大腸桿菌N/D，濁度0.2NTU，pH值為7，BOD為0.86mg/L，總氮為6.3mg/L，總磷為0.85mg/L。
RO的拒絕率（Rejection Rate）指的是RO膜對水中特定物質（例如鹽分、重金屬、微生物等）的去除率，通常以百分比表示。如果RO的拒絕率降低了，意味著RO膜的效能下降，可能會導致水中的有害物質無法徹底去除，影響水質的純淨度。此時需要進行膜的清洗、更換等操作來恢復RO膜的效能。
以下是守山市5,000CMD市政污水廠2010-2011年的RO拒絕率數據，從記錄中可以明顯地看到RO拒絕率保持95%以上的穩定度，意指透過KUBOTA MBR膜的RO進流水穩定度相當不錯，在這段時間內是沒有進行任何RO膜清洗或更換：
RO（反滲透）系統可以有效地去除水中的離子和其他溶質，其中包括導電度。導電度是衡量水中離子含量的一種指標，通常以微西（μS/cm）為單位。RO對導電度的去除率通常平均在94%左右，具體的去除率取決於RO系統中所使用的膜的性能、水中離子的種類和濃度、操作壓力等因素。RO膜的選擇和運營條件可以調整RO系統的去除率，以適應不同水質的處理需求。
下圖是守山市5,000CMD市政污水廠2010-2011年的KUBOTA MBR放流水導電度（藍線）及其經過RO膜後的產水導電度（紅線），可以看到MBR放流水導電度介於235-440μS/cm之間，而經過RO膜後的產水導電度皆低於40μS/cm：
RO膜能有效地去除水中的大部分離子，其中包括鈉、氯、鈣、鎂、硫酸根離子、碳酸根離子、氯化物離子等。一般來說，RO膜可以去除超過95％的這些離子。但是，RO膜的去除率也受到水質參數的影響，例如水中的溶解物濃度、pH值、水溫、透析壓力等因素都會對去除率產生影響。此外，RO膜對於某些較小的離子，如氨、鋰、硼等，可能去除效果不如其他離子，因此在處理這些水質時需要特別注意。以下是RO膜對於不同離子的去除率，從表中可以發現，RO膜對於大部分的離子平均都有超過90%的去除率，唯獨「硼（B）離子」的平均去除率只有66%，因此市面上有專為含硼廢水所使用的RO膜或稱高脫硼RO膜。
下圖是守山市5,000CMD市政污水廠2010-2011年的KUBOTA MBR放流水硼離子濃度（藍線）及其經過RO膜後的產水硼離子濃度（紅線），點落於0.00表示N/D，守山市所使用RO膜並非含硼廢水專用RO膜，因為MBR放流水硼離子濃度已經低於放流水標準排放在保護區內者限值的1.0mg/L、保護區外的5.0mg/L：
日本KUBOTA MBR+RO已在世界各國行之有年，台灣富利業於2023年開始推廣KUBOTA MBR+RO，幫助台灣的中小企業應對台灣近年來的缺水危機，並為保障台灣水資源的可持續性與再利用盡一份助力，歡迎加入我們的行列！