由國外推動經驗看台灣水再生產業發展

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佩干
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1 經濟部工業局 INDUSTRIAL DEVELOPMENT BUREAU MINISTRY OF ECONOMIC AFFAIRS 經濟部工業局 INDUSTRIAL DEVELOPMENT BUREAU MINISTRY OF ECONOMIC AFFAIRS 用水效能提升輔導說明會主辦單位 : 經濟部工業局執行單位 : 財團法人環境與發展基金會協辦單位 : 經濟部工業局觀音工業區服務中心台灣區棉布印染整理工業同業公會桃園縣觀音工業區廠商協進會中華民國 103 年 6 月 18 日

2 經濟部工業局 INDUSTRIAL DEVELOPMENT BUREAU MINISTRY OF ECONOMIC AFFAIRS 議程表時間活動內容演講人 / 貴賓 9:00 ~ 9:20 報到 09:20 ~ 09:30 主席致詞 09:30 ~ 10:10 水回收再利用技術 - 薄膜技術及積垢指標 - 10:10 ~ 10:50 薄膜技術於水處理的應用 10:50 ~ 11:00 休息 11:00 ~ 11:40 廢水回收再利用案例分享 - 以紡織業為例 - 11:40~12:00 意見交流及綜合討論 12:00 散會朝陽科技大學環境工程與管理研究所莊順興教授中原大學生物環境工程系游勝傑教授工業技術研究院材料與化工研究所洪仁陽經理 1

3 103 年度用水效率提升輔導說明會莊順興朝陽科技大學環境工程與管理研究所 ( 桃園 ) 1

4 一廢水回收再利用技術評估二薄膜技術介紹三薄膜積垢指標應用 2

5 River: Short with high slope Runoff into sea:24~48 hours Central Mountain Area > 3000 m 背景 - 水文與水量分配台灣水文 : 降水量 930 億噸 / 年, 用水量 180 億噸 / 年 ; 豐水暴雨期與枯水期常現缺水危機, 尋求豐水暴雨期與枯水期之穩定水資源管理對策為當前要務 <150 km 3

6 廢污水回收再利用技術評估系統架構包括 : 管理層面成立水回收再利用決策組織, 宣示水回收再利用之決心, 並主導水回收再利用之推動策略技術層面包括廢污水來源回收再利用用途特殊水質要求技術特性與需求操作及維護成本效益分析等 4

7 廢污水回收再利用技術評估系統 - 廢污水來源廢污水來源 : 生活污水事業廢水水質特性不同, 社會接受度不同, 影響其再利用用途典型生活污水處理廠放流水質 : Cond.<800 μs/cm, TDS<600 mg/l, TN<32 mg/l, TP<8 mg/l, Cl - <250 mg/l, SO 2-4 <140 mg/l. 工業廢水處理廠放流水質 : Cond.<5000 μs/cm, TDS<3000 mg/l, TN<33 mg/l, TP<55 mg/l, Cl - <1260 mg/l, SO 2-4 <880 mg/l. 工業廢水因產業別之不同, 雖均符合放流水標準, 但水質之差異大 5

8 典型工業廢水處理廠放流水水質水質項目廢水廠工業 ( 三級 / 綜合 ) 新竹工業區廢水廠放流水工業 ( 三級 / 科技園區 ) 華亞科技園區廢水廠放流水工業 ( 三級 / 綜合 ) 臨海工業區廢水廠放流水工業 ( 三級 / 綜合 ) 龜山工業區廢水廠放流水工業 ( 三級 / 科學園區 ) 中科台中基地廢水廠放流水導電度 2700 ~ ~ 895 3,500 ~ 5,420 1,538 ~ 2, ~ 3020 TDS 2000 ~ ~ 444 1,610 ~ 3, ~ ~ 1660 F - * 1.96 ~ ~ ~ ~ 4.6 Cl ~ ~ ~ ~ ~ 654 SO ~ ~ ~ ~ ~ 207 總硬度 220 ~ ~ ~ ~ ~ 266 濁度 3.7 ~ ~ ~ ~ ~ 3.2 總氮 16 ~ ~ ~ ~ ~ 33 NO 3 -N 15 ~ ~ ~ ~ ~ 15.4 NH 3 -N 0.08 ~ ~ ~ ~ ~ 18.8 TP 3.4 ~ ~ ~ ~ ~ 54.7 Cd 0.01 ND ~ ND ~ ND ~ ND ~ Cr 0.04 ND ~ ~ ~ ~ Cu ~ ~ ~ ~ 陰離子型界面活性劑 0.2 ~ ~ ~ ~ 0.53 ND ~

9 廢污水回收再利用技術評估系統 - 回收再利用用途再生水用途分類, 依使用標的分為四大類 : 工業利用農業利用環境利用生活次級利用回收水使用之標的與目標主導了水再生技術之走向 7

10 廢污水回收再利用技術評估系統 - 回收再利用用途再生水來源灌溉利用生活次級利用工業冷卻及製程生活污水水質控制關鍵 TN < 3 mg/l Cl < 175 mg/l SAR < 6 法規基準關鍵訂定生活污水回收再利用水質之建議值區位配合關鍵都市污水周遭有適合之工業區及工廠工業廢水水質疑慮關鍵殘留有機物鹽類及重金屬不應使用於灌溉上水質疑慮關鍵殘留有機物鹽類及重金屬不應過度使用於澆灌及土壤上水質控制關鍵 ( 冷卻 ) TDS < 500 mg/l SO 4 < 200 mg/l Cl < 500 mg/l SiO 2, Al, Fe, Mn, Ca. 8

11 廢污水回收再利用技術評估系統 - 水再生技術水再生技術單元混凝沈澱過濾薄膜過濾 (MF, UF) 逆滲透 (RO) 電透析 (ED, EDR) 吸附離子交換高級氧化蒸餾消毒 (HOCl, O 3, UV) 水再生處理四大類對象物質膠體及懸浮固體物 (Colloid&SS):colloidal, suspended solids, organic matters (particulate) 溶解性有機物質 (DOM):TOC refractory organics, VOC 溶解性無機物質 (DIOM):ammonia, nitrate, phosphorus, TDS 生物性物質 (BIO):bacteria, protozoon cysts, virus 9

12 水再生處理四大類對象物質 10

13 廢污水回收再利用技術評估系統 - 水再生技術水再生技術單元過濾 : 過濾用以去除無機性及有機性懸浮固體與膠體薄膜過濾 (MF, UF): 去除無機性及有機性懸浮固體與膠體, 屬壓力驅動型薄膜分離技術,MF 孔徑大於 0.1 μm,uf 孔徑範圍在 0.01~0.1 μm 吸附 : 去除無機性及有機性懸浮固體與膠體及溶解性有機物質, 當吸附劑達到飽和時須進行再生高級氧化 : 用以去除溶解性有機物質, 污染物在加入氧化劑後, 由污染物與藥劑氧化反應 11

14 廢污水回收再利用技術評估系統 - 水再生技術水再生技術單元逆滲透 (RO): 將二級放流水中的水和離子分離, 達到純化和濃縮之目的逆滲透是在壓力 1~10 MPa 下, 截流住 0.1~1 nm 小分子溶質電透析 (ED, EDR): 利用電流來誘導離子與溶劑部份分離的一種薄膜處理法, 其係將陽離子和陰離子膜交互排列, 並通以電流使離子向二極運動消毒 (HOCl, O 3, UV): 去除放流水中生物性物質之活性, 確保水質符合公共衛生安全 12

15 放流水殘留成份水再生技術單元過濾 MF/UF 吸附氧化逆滲透 (RO) 電透析 (ED) 離子交換 (IE) 1. 無機性及有機性懸浮固體與膠體懸浮固體膠體 2. 溶解性有機物質總有機碳難分解有機物揮發性有機物 3. 溶解性無機物質氨硝酸鹽磷總溶解固體物 4. 生物性成分細菌原生生物及胞子病毒 (From Metcalf and Eddy, 2003) 消毒 13

16 廢污水回收再利用技術評估系統 - 技術建議 14 (From Metcalf and Eddy, 2003)

17 Title 22 Benchmark 技術 ( 美國加州廢水再生準則 ): 二級放流水經再生以符合不受限制使用之要求處理流程為混凝 / 過濾接續加氯消毒 / 脫氯, 以符合 0 FC/100 ml 之要求過濾單元可以任何相當功能之過濾技術替代 15

18 廢污水回收再利用 Benchmark 技術 -Title 22 16

19 Double membrane system Benchmark 技術 : 二級放流水先進流至 MF/UF 系統, 接著才進入 RO 薄膜與 UV 消毒系統 RO 薄膜, 微細之膠體與溶解性物質被去除, 如二價離子與部分一價離子消毒單元則設置於配水再利用前回收再利用之等級相當高, 可應用於地下水補注直接與間接飲用微電子產業程序用水及鍋爐用水等用途上 17

20 廢污水回收再利用 Benchmark 技術 -Double membrane system NEWater, Singapore. GWRS, Orange County 18 18

21 二薄膜技術介紹薄膜孔徑與物質尺寸 19

22 薄膜技術介紹薄膜程序包括逆滲透 (Reverse Osmosis, RO) 超過濾 (Ultrafiltration, UF) 及微過濾 (Microfiltration, MF) 薄膜程序皆以壓力為驅動力 (driving force), 並利用薄膜孔徑大小或薄膜表面之特性進行溶劑與溶質之分離, 以達處理或純化水質之目標微過濾 (MF) 主要是以孔徑大小來分離水中之懸浮固體物質, 微過濾之薄膜孔徑大小通常在 0.05 μm~5μm 之間, 因此對於水中較大之懸浮粒子及微生物有去除之效果, 通常 MF 薄膜程序之操作壓力介於 30~300 kpa 之間, 屬低壓之薄膜程序研究顯示, 經 MF 處理後之濾液, 對於 2 µm 以上之粒子有 99% 以上之去除效果, 其濁度小於 0.1 NTU; 以 0.2 µm 之 MF 進行水處理, 可去除約 15% 的有機物 (TOC) 20

23 薄膜技術介紹超過濾 (UF) 之過濾機制與 MF 相同, 主要為篩除機制 (sieving), 其薄膜孔徑較 MF 略小, 操作壓力在 50~700kPa 之間超過濾主要應用於移除水體中之粒子 (particulates) 大分子 (macro-molecular),uf 膜規格常以 Molecular Weight Cut- Off (MWCO) 表之 ; 然而, 超過濾程序之應用範圍亦包含化學製程食品製程 ( 如 cheese 提煉或果汁濃縮 ) 及生化科技 ( 如酵素濃縮 ) 等另外 UF 程序也應用在污泥減量上, 可減少污泥最終處置之問題 UF 程序在工業製程方面, 由於近幾年半導體業及電子業蓬勃發展, 所需之製程水水量及水質之需求相對提高,UF 薄膜程序經常作為超純水系統之最後一道防線, 移除超純水中之微量微生物或微粒子, 以確保超純水純度, 其重要性不可言喻 21

24 薄膜技術介紹近幾年來,NF (Nanofiltration) 薄膜程序亦逐漸應用於水處理上 NF 程序也屬以壓力驅動式之薄膜程序, 操作壓力略低於 RO, 介於 350~1000 kpa 之間, 有省能源之優點 NF 對於高價離子 ( 二價或以二價以上之離子 ) 有 95% 以上之去除率, 對於單價離子約有 80% 以上之去除效果, 從另一個觀點上來看,NF 薄膜程序對單價及高價離子具有分離能力, 未來應可利用在分離技術上 NF 程序在飲用水應用上主要是除鈣鎂離子, 具有軟化水質之功效 22

25 薄膜技術介紹逆滲透 (RO) 為薄膜程序中薄膜孔徑最小者, 其薄膜孔徑在 0.1 nm 以下, 因 RO 孔徑甚小, 通常 RO 之 MWCO 小於 200 D( 道爾敦 ) RO 其操作壓力在 800~8,000 kpa, 於溶液中溶質濃度較高者, 其操作壓力可能更高, 以便克服在物種分離時, 因半透膜 (RO) 兩側之濃度差所造成滲透壓 (osmosis) 之阻力由於 RO 之薄膜孔徑甚小, 因此 RO 對於溶離子有分離之效果對於二價以上之高價離子, 如 :Ca 2+ Mg 2+ Al 3+ SO 4 2- 等, 有 99% 以上之去除率, 而單價離子方面, 如 :Na + K + Cl - 亦有 95% 以上之去除效果於廢水回收 / 回用上, 薄膜程序常因薄膜阻塞造成產水率降低或增加操作成本, 以及濃縮液 (concentrate) 處理或處置等問題, 是 RO 程序在發展上必須克服之關鍵 23

26 滲透與逆滲透水位上升薄膜技術介紹逆滲透法 (0.4nm~6nm) 壓力 (> 滲透壓 ) 滲透壓滲透流 (osmosis flow) 逆滲透流 (RO flow) 淡水 ( 純水 ) 海水 ( 污水 ) 淡水 ( 純水 ) 海水 ( 污水 ) 淡水 ( 純水 ) 海水 ( 污水 ) 半透膜 (semi-permeable membrane) 滲透現象半透膜 (semi-permeable membrane) 滲透平衡半透膜 (semi-permeable membrane) 逆滲透 24

27 Pressure Driven Membrane Processes - Pressures Membrane Process Typical Operating Pressure Range (PSI) Reverse Osmosis seawater brackish water Nanofiltration Ultrafiltration Microfiltration

28 Required for reverse osmosis A. Sweeps away membrane foulants. B. Minimizes concentration polarization (maintains P - difference). C. Generates a concentrate stream and a permeate stream. 26

29 Membrane Technologies 薄膜類型可去除物質相當之傳統水處理方法 MF UF NF RO bacteria, larger colloids, separation of precipitates and coagulates all the above, virus, high MW proteins, organics all the above, divalent ions, larger monovalent ions, color, odor all the above, monovalent ions ED/EDR dissolved ionic salt UV/O3, chlorination, sand filters, bioreactors, coagulation-settling tanks sand filter, bioreactors, activated carbon lime-soda softening, and ion exchange distillation, evaporation, ion exchange ion exchange 27

30 廢污水回收再利用技術評估系統 - 水再生技術以薄膜技術為核心單元之再生技術分類預先處理單元前處理單元核心處理單元後處理單元混凝微濾逆滲透 ph 調整過濾超濾電透析消毒氧化離子交換吸附 28

31 29

32 薄膜技術薄膜在操作過程中易受水中懸浮物膠體微生物及有機物等引起薄膜阻塞, 造成薄膜性能下降 1. 薄膜本身的化學變化, 包括薄膜的水解游離氯等的氧化以及強酸強鹼的作用 2. 薄膜本身的物理變化, 包括壓密與反作用而使薄膜被破壞 3. 薄膜受污染, 主要包括結垢物微生物膠體懸浮物有機物等在膜表面及內部發生堵塞 30/29

33 薄膜技術操作參數進流水 TDS 濃度 (C f ) 進流水壓力 (P) 進流水溫度 (T) 操作特性操作參數操作條件除鹽率 (SR) 流通量 (F w ) 進流水 TDS 濃度 (C f ) 增加微量下降明顯下降進流水壓力 (P) 增加微量上升線性上升進流水溫度 (T) 上升線性上升 (T 上升 5 微量下降,F w 上升 10%) 31

34 操作特性 SR F w C f 進流水濃度對薄膜處理效果之影響 SR F w P 進流水壓力對薄膜處理效果之影響 32

35 三薄膜積垢指標 1. 淤泥密度指數 (Silt density index,sdi) 阻塞指數 (plugging index, PI) 和污泥密度指數 (silt density index, SDI; 又稱 fouling index, FI) 實驗方法 : 以 0.45 m 孔徑濾膜, 在 2.1atm (30psig) 壓力下, 測定 500ml 溶液通過的時間 t i,15 分鐘後, 再測定 500ml 通過的時間 t f 則 : SDI T t ( 1 i ) 100 t T f SDI 指標與膠體顆粒濃度並沒有成線性之關係, 與通量下降變化也沒有很明確的定義 SDI 指標無法在試驗期間區別出積垢機制 ( 孔徑過濾塊狀過濾以及壓縮塊狀過濾 ) 33

36 薄膜積垢指標薄膜積垢模式 (a) 完全阻塞 (b) 標準阻塞 (c) 膠羽層 / 濾餅層阻塞 34

37 淤泥密度指數 (SDI) 試驗裝置 Note: 若 1-t i /t f >0.75 則 T 選用 10 或 5 分鐘如選用五分鐘 1-ti/tf 仍 >0.75, 則不適用 SDI 測定,SDI 參考上限值為

38 SDI SDI SDI5 SDI15 SDI Concentration (mg/l) 腐植酸各濃度之 SDI SDI5 SDI15 SDI Concentration (mg/l) 葡聚糖 (MW 5~40million) 之 SDI 36

39 薄膜積垢指標 2. 修正阻塞指數 (Modified Fouling Index,MFI) MFI 指標與進流水之顆粒濃度具有良好的線性關係, 可更進一步的探討積垢指標在薄膜積垢影響的意義 1 Q a MFI V 37

40 修正阻塞指數 (MFI) 基礎理論 1 Q a MFI V 38

41 t/v (s/l) Modified Fouling Index (s/l2) 250 Filtration curve of Humic acid 16 MFI Distribution and Variation of Humic acid balnk 0.01ppm 0.02ppm 0.03ppm 0.04ppm 0.05ppm MFI y = 207.4x R 2 = Accumulated volume (L) Concentation (mg/l) 腐植酸各濃度 t/v 與累積體積曲線腐植酸各濃度 MFI 相關性 39

42 3. 微阻塞指數 (Mini Plugging Factor Index,MPFI) 試驗期間內, 每 30 秒記錄一次體積,MPFI 為流量與時間關係圖中之斜率值 Q = a + MPFI t 薄膜積垢指標 Q :30 秒內之流量 (L/s) a : 常數 t : 操作時間 (s) 40

43 薄膜積垢指標 4. 飽和模式指數 (Saturation Curve Fouling Index,SCFI) 透過飽和曲線模式之應用, 以分析 V max 及 K f 值, 做為積垢潛勢評估之參考 V max : 最大累積流量 K f : 產生 1/2 最大累積流量所需之時間 41

44 Accumulated volume (L) Accumulated volume(l) 40 Saturation curve of Glucose 9 Saturation curve of Humic acid in High concentration ppm 100ppm 150ppm 200ppm 250ppm Running time (s) ppm 0.2ppm 0.3ppm 0.4ppm 0.5ppm Running time (s) 葡萄糖各濃度之飽和曲線腐植酸各濃度之飽和曲線 42

45 5. LSI (Langelier Saturation Index) 和 SDSI (Stiff and Davis Scaling Index) a. LSI = ph pca palk C > 0, 表具結垢潛力, 會產生結垢 ( 半鹹水工業水自來水結垢潛力指數 ) b. SDSI = ph pca palk K > 0, 表具結垢潛力, 會產生結垢 ( 海水結垢潛力指數 ) 式中 :ph 為濃鹽水的 ph pca:[ca 2+ ] 的單位為 M (mole/l) palk:alk 的單位為 equivalent/l C, K 為與溫度離子鍵結力 (ionic strength) TDS 有關的常數 43

46 前處理水質要求阻塞參數範圍適用薄膜程序 MFI 0~2 sec/l 2 RO 0~10 sec/l 2 NF MPFI 0~ sec/l 2 RO sec/l 2 NF SDI 0~2 RO 0~3 NF LSI <0 RO <0 NF 44

47 SO 4 2- (mg/l) 廢污水回收再利用技術評估系統 - 技術特性與限制 RO scaling 包括碳酸鈣 (CaCO 3 ) 碳酸鎂 (MgCO 3 ) 硫酸鈣 (CaSO 4 ) 二氧化矽 (SiO 2 ) 磷酸銨鎂 (MgNH 4 PO 4 ) 等進水濃度 Cf 濃縮水 Cr = Cf*1-r(1-R)/1-r PF = exp (k*r), k= Cw = pf * Cr 出流濾液回收率 ( r ) 去除率 ( R ) r = 0.8 TDS=2000 mg/l TDS=3000 mg/l TDS=5000 mg/l Ca (mg/l) 45

48 RO fouling 明顯受水中殘留之 DOM 種類與濃度影響, humic acid and high molecular weigh dextran 最為顯著 Soluble organic matters 薄膜積垢指標應用 Concentration (mg/l) SDI 15 V max (L) k f (min) glucose nucleic acid protein humic acid dextran (5-40 M)

49 SDI increased ratio [SDI(C)/SDI(0)] RO fouling 明顯受水中殘留之 polymer 濃度與分子量影響, 高分子量之影響顯著 Dosage (μg/l) AN-910 polymer COD (mg/l) 薄膜積垢指標應用 SDI MFI (sec/l 2 ) 0 _ AN-910 AN-910 SH polymer concentration(μg/l)

50 影響 RO 處理效果之原因 (1). 薄膜產生質變薄膜積垢改善 a. ph 值造成醋酸纖維 (CA) 膜水解 b. 餘氯和氧化劑造成聚醯銨 (ARAMID 或稱 PA) 膜分解 c. 高溫造成膜壽命減損 ( 應 <35 25,pH=4.7 時, 相對水解速率最小 ) d. 揮發性有機物與薄膜反應造成薄膜破壞 48

51 薄膜積垢改善 (2). 薄膜結垢 (scaling) 及積垢 (fouling) a. 高 ph 值 (>8) 造成聚醯銨 (PA) 膜濾程產生 CaCO 3 CaSO 4 或 BaSO 4 等結垢 (membrane scaling) b. 濃度極化現象使鹽類沈澱 (membrane scaling) c. 金屬離子 (Fe 2+ Mn 2+ 等 ) 被氧化而形成金屬氧化物沈澱 (metal oxide scaling) d. 非定型固體 ( 如硫 SiO 2 等 ) 沈澱 (amorphous deposit scaling) e. 前處理混凝過濾效果不佳, 造成泥與其他懸浮固體沈積 (colloidal fouling) f. 微生物滋長造成生物積污 (biological fouling) 49

52 薄膜積垢改善 (1). 除 SDI( 或 colloidal fouling) 之前處理方式方法意見 UF 較貴, 需反洗及定期清理, 可去除大分子量有機物和顆粒, 需高壓 MF 與混凝去除同價, 需反洗及定期清理, 無法去除有機物, 低壓操作即可多介質加壓過濾需與混凝系統結合, 效果相當顯著快砂濾和匣式過濾器需與線上混凝系統結合, 用於小濁度之情況 50

53 薄膜積垢改善 (2). 除結垢 (scaling) 之前處理方式 a. 加酸 : 可去除 CO 3 2- 和 HCO 3- ( 些許增加 SiO 2 溶解度, 但會造成 CA 膜傷害 ) b. 加抗垢劑 : 加入 <10mg/L, 與離子反應使不生沈澱抗垢劑之用量可由進流水和濃鹽水水質狀況算出一般使用聚磷酸鹽 (polyphosphates) 或聚丙烯 (polyacrylates) c. 水先軟化 : 可去除陽離子 ( 若陽離子濃度太高, 離子交換不合用 ; 鹼性軟化法則有污泥產生 ) d. 降低造水率 : 可避免濃度極化造成的沈澱產生抗垢劑無法解決 SiO 2 超飽和之問題, 只有靠降低造水率或調整 ph 和溫度或電混凝法 51

54 薄膜積垢改善 (3). 控制微生物 (biological fouling) 的前處理方式一般方法加氯 ( 自由餘氯 ) 加 CuSO 4 加氯銨 ( 結合餘氯 ) 快速方法加 NaHSO 3 加碘加 H 2 O 2 意見 polyamide 膜需除氯對藻類有效, 限於海水除藻對 polyamide 膜較無害, 但效果較差, 接觸時間需長意見劑量 >500mg/L,30 分鐘, 對膜無害劑量 <15mg/L, 對 polyamide 膜較不好劑量 <15mg/L, 對 polyamide 膜較不好, 若水中有金屬時, 需限制使用 52

55 由法令面或社會面思考, 工業節水與水回收再利用為我國各產業持續發展所須面對之重要問題, 必須未雨綢繆, 積極因應管理階層對水回收再利用之決心, 為水回收再利用之成功關鍵薄膜水回收技術之應用, 需因應各類水質特性與用水目的之要求, 研擬並檢討操作因子以得到最適之操作條件適當薄膜積垢指標之評估與應用, 將能達到長期穩定之操作目標 53

56 簡報完畢敬請指教 54

拷潭及翁公園淨水場增設高級處理設備工程

拷潭及翁公園淨水場增設高級處理設備工程 TDS LPRO 92 AOC UF SDI 1 96 % 1 ---------------------------------------------------------- 03 ------------------------------------------------------ 03 1. -----------------------------------------------------------