專 論 : 水 處 理 工 程 技 術 設 計 與 實 務 應 用 水 處 理 工 程 技 術 設 計 與 實 務 應 用 一 前 言 林 發 恩 中 宇 環 保 工 程 股 份 有 限 公 司 水 務 技 術 處 經 理 水 是 生 命 之 母, 人 類 的 文 明 及 環 境 生 態 系 統 發 展 皆 離 不 開 水, 地 球 表 面 雖 有 70% 的 面 積 被 水 覆 蓋, 但 其 中 淡 水 只 佔 總 水 量 的 3%, 而 人 類 能 直 接 使 用 之 水 資 源 又 更 少 了, 隨 著 全 球 氣 候 變 遷 日 益 嚴 重, 水 資 源 匱 乏 及 污 染 是 21 世 紀 人 類 共 同 面 臨 的 大 問 題 台 灣 年 雨 量 相 當 豐 富, 平 均 年 降 雨 量 達 2,510 公 釐, 為 世 界 平 均 值 的 2.6 倍, 但 因 降 雨 分 配 極 不 平 均, 加 上 地 形 陡 峭, 河 川 短 小, 無 法 有 效 留 住 雨 水, 使 每 人 平 均 可 分 配 到 的 淡 水 水 量 卻 不 到 世 界 平 均 值 的 1/6, 因 此, 台 灣 仍 被 列 入 世 界 缺 水 地 區 之 一 過 去, 台 灣 是 好 山 好 水 的 美 麗 寶 島, 如 詩 人 所 描 述 的 水 景 我 住 長 江 頭, 君 住 長 江 尾 共 飲 長 江 水 近 年 來 經 歷 多 次 的 天 然 災 變, 已 變 成 我 住 在 溪 頭, 下 雨 土 石 流, 君 住 在 下 游, 水 淹 兩 層 樓, 對 過 洪 福 亮 中 宇 環 保 工 程 股 份 有 限 公 司 總 經 理 去 強 調 人 定 勝 天 用 工 程 手 段 的 思 維 來 開 發 自 然 資 源 提 出 更 多 的 反 思 然 而, 面 對 水 資 源 的 不 足, 不 可 否 定 的 是, 我 們 除 了 要 更 多 一 份 對 環 境 的 珍 惜 及 關 懷 的 熱 情 外, 如 何 更 有 智 慧 地 運 用 合 宜 的 工 程 技 術 來 使 用 珍 貴 的 水 資 源 將 更 是 二 十 一 世 紀 工 程 師 們 更 需 面 對 之 課 題 本 文 淺 述 了 水 處 理 工 程 最 基 本 的 核 心 就 是 反 應 與 分 離 的 處 理 程 序 組 合, 因 應 多 元 化 的 水 資 源 開 發 及 應 用, 除 了 參 考 國 外 實 例 外, 也 介 紹 中 宇 公 司 近 年 完 成 相 關 的 工 程 案 例, 包 括 自 來 水 處 理 高 級 淨 水 處 理 民 生 污 水 產 業 製 程 用 水 及 冷 卻 用 水 及 廢 水 回 用 等 案 例, 供 各 界 先 進 參 考, 共 同 為 環 境 的 永 續 盡 一 份 心 力 二 水 處 理 單 元 技 術 核 心 自 然 界 中, 不 會 存 在 完 全 純 化 的 水 源, 簡 單 的 水 份 子, 自 然 會 混 入 不 同 物 種 成 份 而 中 華 民 國 98 年 12 月 53
存 在 於 大 氣 / 江 河 / 高 山 / 地 下 / 極 地 冰 川 等 地, 人 類 活 動 過 程 中 經 由 取 水 / 處 理 到 使 用 後 的 排 出, 水 便 有 了 不 同 的 變 化 面 相, 為 了 使 用 它, 依 不 同 的 使 用 目 標 需 要 透 過 不 同 的 水 處 理 流 程 來 達 到 我 們 的 需 求, 從 地 表 水 淨 化 成 自 來 水 從 海 水 製 取 淡 化 水 從 被 污 染 後 的 廢 水 經 處 理 後 排 入 承 受 水 體 以 降 低 環 境 衝 擊 或 從 淨 水 中 純 化 到 工 業 製 程 需 用 的 超 純 水 到 從 排 放 的 廢 水 處 理 至 可 回 收 再 利 用 等, 雖 有 不 同 的 處 理 流 程 與 單 元 設 計 ( 圖 1), 唯 其 中 心 的 技 術 要 素 就 是 利 用 反 應 與 分 離 的 機 制 來 達 到 我 們 的 設 計 目 標 基 本 水 處 理 單 元 流 程 : 反 應 分 離 : SS/ 水 / 溶 解 性 鹽 混 凝 --- 膠 凝 --- 沉 澱 / 浮 除 -- 過 濾 --- 除 鹽 -- 精 製 -- 超 純 水 或 生 化 處 理 或 高 級 氧 化 污 泥 反 洗 廢 水 濃 水 ( 再 生 廢 水 ) 脫 離 液 + 清 洗 廢 水 污 泥 脫 水 污 泥 餅 圖 1 水 處 理 基 本 單 元 及 機 制 示 意 圖, 經 取 水 井 抽 水 泵 揚 升 水 位, 利 用 18 組 100M 直 徑 的 沉 澱 池 加 藥 初 沉 後, 上 澄 液 利 用 抽 水 泵 泵 送 至 第 二 水 廠, 初 沉 污 泥 排 回 黃 河, 設 計 抽 取 黃 河 河 水 可 達 150 萬 CMD, 目 前 操 作 量 約 100 萬 CMD, 進 水 設 計 含 砂 量 為 100Kg/m 3,( 暴 雨 期 最 高 記 錄 為 進 水 含 砂 量 270Kg/m 3 ), 目 標 控 制 初 沉 出 水 濁 度 在 100NTU 內 ( 最 高 約 400NTU), 高 濁 期 間 加 入 HPAM 聚 合 物, 若 含 砂 量 太 高, 因 排 泥 量 要 增 大 ( 最 高 至 50%), 使 出 水 量 下 降, 最 低 至 降 水 量 50% 低 濁 期 間 則 不 加 藥, 參 訪 期 間 原 水 濁 度 約 300~ 400NTU, 上 澄 液 約 50NTU 左 右 因 河 水 含 砂 量 大, 用 大 面 積 的 重 力 沉 降 分 離 是 最 簡 單 的 方 法, 工 程 重 點 是 用 地 的 需 求 及 沉 砂 的 處 理, 以 高 雄 地 區 主 要 水 源 高 屏 溪 大 樹 攔 河 堰, 每 年 都 得 面 對 高 濁 度 的 挑 戰, 以 蘭 州 水 廠 的 工 法 不 見 得 能 套 用 在 台 灣, 因 為 用 地 問 題 可 能 是 最 大 的 瓶 頸, 但 取 水 的 方 式 應 有 參 考 價 值 ( 照 片 1) 三 國 外 水 資 源 工 程 案 例 參 考 以 下 為 本 人 整 理 過 去 參 訪 過 的 工 程 案 例, 針 對 台 灣 最 急 迫 的 水 資 源 三 項 挑 戰 : 1. 原 水 高 濁 度 2. 新 水 源 開 發 - 海 水 淡 化 3. 多 元 化 用 水 - 廢 水 回 用 以 黃 河 上 的 蘭 州 自 來 水 廠 以 色 列 Ashkelon 海 淡 廠 及 Shafdan 廢 水 處 理 及 回 收 場 三 個 工 程 實 例 供 大 家 參 考 1. 原 水 高 濁 度 的 挑 戰 蘭 州 第 一 水 廠 水 源 為 黃 河 表 面 水, 設 計 斗 式 取 水 流 道, 可 利 用 閘 門 控 制 以 原 水 沖 洗 取 水 內 流 道 淤 砂 ( 約 6 小 時 一 次 ), 進 水 外 流 道 經 隔 間 堰 自 下 游 約 200 公 尺 轉 向 逆 流 至 抽 水 井, 可 在 流 道 內 抽 水 井 前 大 量 預 去 除 大 顆 砂 粒 照 片 1 蘭 州 自 來 水 廠 取 水 工 程 2. 新 水 源 開 發 - 海 水 淡 化 以 色 列 位 處 沙 漠 地 區, 為 了 確 保 生 命 之 泉 - 加 利 利 湖, 不 惜 發 動 戰 爭 從 約 旦 手 中 搶 得 整 個 加 利 利 湖 的 掌 控 權, 為 因 應 地 理 環 境 差 異 而 發 展 其 全 國 水 資 源 應 用 的 架 構 ( 圖 2) 54 中 工 高 雄 會 刊 第 17 卷 第 2 期
專論 水處理工程技術設計與實務應用 以國家力量建立專業的企業公司型式進行 各項水務工程的規劃/設計/施工/營運等一體 化的水資源系統 分別以加利利湖北水南送 西海岸廣建海淡場 東南部開發地下水 以都市廢水回用作農業用水等 水回用率已 達70%以上 以色列的水資源開發方式應用 足可供台灣參考 ASHKELON海淡廠(圖3) 設計出水量33萬CMD 由地中海取水經抽水 井抽水至重力式砂濾系統過濾 除去微細雜 質 經進水泵抽至精密保安濾芯過濾後經高 壓泵加壓進入SWRO海淡膜分離鹽分 海淡 照片2 ASHKELON SWRO設備圖 水經除氣塔後部份經二段RO除硼系統後經 CaCO3濾床作後處理調整水質 提升LSI值來 降低海淡水的腐蝕性 本案例主要利用薄膜 進行除鹽的分離程序 後處理主要是溶解反 應的水質調整 (照片2 3) 照片3 SWRO系統設備詳細圖 3.新多元化用水 廢水回用 雖然以色列位處沙漠地區 但其農業發 圖2 以色列國土及水資源應用示意圖 展十分先進 一片片的沙漠綠洲見證了工程 改變了地區傳統的生活面貌 使用滴灌技術 可大幅降低灌溉耗水量 而利用都市廢水回 用至農業灌溉用水 可作為台灣的借鏡 SHAFDAN 廢 水 處 理 廠 每 日 廢 水 量 ~40 萬 CMD 經傳統生物二級處理後之排放水泵送 至地下水補注井 以重力過濾方式入滲至地 層 週邊共設置了150口地下抽水井將地下水 抽送至農業灌溉供水系統 保持抽出水量略 大於補注水量 配合滴灌技術之運用 使回 圖3 ASHKELON 海水淡化廠 中華民國98年12月 收水系統達到最大的使用效益 (照片4) 55
照片4 SHAFDAN廢水處理及回收場 圖5 臭氧產生系統 四 高品質用水的水處理技術及 工程案例 臭氧用在自來水的消毒與高級氧化雖已 有數十年的歷史 近年來隨著水資源污染日 漸嚴重 高級淨水的應用才日漸增廣 大高 雄地區因為主要水源高屏溪水質惡化 政府 除了投入大量資源在河川整治上 更建立全 國首座以臭氧活性碳及結晶軟化製程的澄清 湖高級淨水場(圖4) 利用臭氧的溶解及反應 機制(圖5) 加上活性碳的吸附作用有效去除 水中微量污染物(圖6) 在高級淨水流程中水 流量遠大於臭氧的進氣量 而溶解反應是影 圖6 BAC生物活性碳系統 響臭氧系統效能的重要指標 因此 本場使 用陶瓷細氣泡散氣盤為曝臭氧設備 採水流 因應廢水處理排放水標準日趨嚴格 臭 向下流方式與臭氧氣泡逆向接觸 提高溶解 氧用於廢水的高級氧化工法也日漸普及 一 效率 般高級氧化需要注入的臭氣量與水流量比會 較大 因此 不同於高級淨水流程 在下圖 例煉焦廢水高級氧化處理之案例中(照片5) 設計使用EJECTOR設備來進行高效率溶解 臭氧的系統來提昇臭氧溶解及混合反應 在用水安全上要求最高的是注射用水 (WFI WATER FOR INJECTION) 因為這種 水是要直接注入人體內 因此對影響人體免 疫系統反應的內毒素及熱源物質特別有嚴格 圖4 56 澄清湖高級淨水場處理流程圖 的規範 主要水質要求如下 中工高雄會刊 第17卷 第2期
專論 水處理工程技術設計與實務應用 Conductivity 1.3 µs/cm @ 25 Total Organic Carbon (TOC) 500 ppb Microbial 10 cfu / 100 ml Endotoxin requirement < 0.25 EU/ml 圖8 VC設備外型及運行示意圖 五 民生污水處理工程案例 都市污水處理系統是城市現代化的指標 前文提及以色列已將都市污水處理後回用 到農業灌溉用水 目前台灣尚在建立都市污 照片5 煉焦廢水高級氧化處理案例 水處理系統的起步階段 加上氣候環境不同 尚無類似回用到農業灌溉用水的大型化規 在WFI系統的規劃上 包括WFI的製造/ 劃 但民生污水回用在工業用水則已進入紙 貯存/供應三大部份 並且要符合GMP的確效 上初步規劃階段 在永續水資源的理念下 程序(IQ/OQ/PQ)之要求 (圖7)為中宇公司最 未來回用都市污水將是重要的一環 高雄中 近完成的流感疫笛生技廠的WFI系統工程 區污水處理廠每日收集大高雄地區的生活污 經前處理製成純水後再利用熱力法的 水 經初級處理及消毒後以海洋放流方式排 VAPOR COMPRESSION (VC)設備(圖8)去 入台灣海峽 初級處理主要是沉砂及初沉的 除離子及內毒素 產製的WFI以循環供應到 固液分離程序 但因設計水量達95萬CMD 製程使用 因此 有較複雜施工程序及大型的泵浦設備 及管線工程 (照片6) 圖7 WFI系統流程示意圖 照片6 中華民國98年12月 中區污水廠第四期工程施工照片 57
六 製 程 用 水 處 理 技 術 及 工 程 案 例 鋼 鐵 及 石 化 等 傳 統 產 業 的 冷 卻 用 水 佔 製 程 耗 水 量 的 比 例 很 高, 以 中 鋼 為 例, 平 均 日 用 水 量 達 16.5 萬 CMD, 而 日 排 放 廢 水 約 4.5 萬 CMD, 約 12 萬 CMD 的 水 是 以 水 蒸 汽 方 式 帶 走 廢 熱 排 入 大 氣 中, 冷 卻 水 的 耗 用 量 除 了 與 熱 負 荷 有 關 外, 更 與 補 充 水 水 質 關 係 密 切, 以 圖 9 為 例, 以 一 循 環 水 量 為 10,000CMH 溫 差 10 之 冷 卻 水 塔 系 統 估 算, 若 原 水 總 硬 度 300mg/L, 操 作 循 環 水 總 硬 度 1,000 mg/l, 其 濃 縮 倍 數 僅 為 3.35, 補 水 量 約 253CMH, 若 原 水 硬 度 150mg/L, 其 濃 縮 倍 數 可 達 6.7, 補 水 量 約 208CMH, 即 可 節 水 約 20%, 排 放 廢 水 量 也 可 大 幅 減 少 60% 因 此, 若 原 水 水 質 硬 度 高, 使 用 軟 化 處 理 可 有 效 節 省 冷 卻 水 塔 補 充 水 用 量, 軟 化 反 應 依 水 中 鹼 度 含 量 比 例 可 使 用 不 同 的 軟 化 反 應 藥 劑, 主 要 反 應 如 下 : 加 苛 性 鈉 法 Ca 2+ + HCO - 3 + NaOH Na + + CaCO 3 + H 2 O 加 石 灰 法 CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Ca(HCO3) 2 + Ca(OH) 2 2 CaCO 3 + 2H 2 O Mg(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + MgCO 3 + 2H 2 O MgCO 3 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaCO 3 加 石 灰 蘇 打 灰 法 CaSO 4 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + Na 2 SO 4 CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + 2NaCl MgCl 2 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaCl 2 MgSO 4 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaSO 4 一 般 之 軟 化 處 理 單 元 以 傳 統 混 凝 反 應 沉 澱 法 為 主, 本 文 介 紹 兩 個 案 例 : 1. 以 石 灰 快 速 反 應 及 斜 板 沉 澱 方 式 之 石 灰 軟 化 系 統 設 計 處 理 水 量 :5,000CMH 設 計 處 理 水 質 : 原 水 鈣 硬 度 250 mg/l as CaCO 3 處 理 水 <150mg/L as CaCO 3 系 統 特 色 : (1) 利 用 迴 流 石 灰 污 泥 提 高 石 灰 利 用 率, 有 效 降 低 石 灰 用 量 (2) 斜 板 沉 澱 池 操 作 溢 流 率 高, 大 幅 降 低 用 地 需 求 ( 照 片 7) 圖 9 原 水 硬 度 300mg/L 與 150mg/L 之 冷 卻 水 系 統 水 平 衡 圖 58 中 工 高 雄 會 刊 第 17 卷 第 2 期
專 論 : 水 處 理 工 程 技 術 設 計 與 實 務 應 用 照 片 8 總 處 理 量 400,000CMD 流 體 化 床 實 場 系 統 設 計 處 理 水 量 :50,000CMD/ 組 8 組, 總 處 理 量 :400,000CMD 系 統 設 計 處 理 水 質 : 原 水 總 硬 度 300 mg/l 處 照 片 7 石 灰 快 速 反 應 槽 及 斜 板 沉 澱 槽 整 場 及 斜 板 組 2. 以 液 鹼 反 應 之 流 體 化 床 結 晶 軟 化 系 統 本 法 利 用 流 體 化 床 的 反 應 槽 設 計, 以 石 英 砂 為 介 質, 經 加 入 液 鹼 調 整 ph 值 使 過 飽 和 之 碳 酸 鈣 形 成 結 晶 態 而 附 著 在 石 英 砂 表 面, 形 成 碳 酸 鈣 結 晶 顆 粒, 本 工 程 案 例 為 高 雄 澄 清 湖 高 級 澄 水 場 之 軟 化 單 元, 系 統 反 應 示 意 圖 及 實 場 照 片 如 圖 10 照 片 8 理 水 總 硬 度 <150mg/L as CaCO 3 系 統 特 色 : (1) 利 用 流 動 床 反 應 槽 方 式 反 應, 上 流 速 度 可 達 80~100M/Hr, 可 大 副 降 低 用 地 需 求 (2) 利 用 液 鹼 調 整 ph, 出 水 水 質 控 制 容 易, 操 作 穩 定 性 佳 (3) 生 成 物 為 碳 酸 鈣 結 晶 顆 粒, 不 必 污 泥 脫 水 處 理, 碳 酸 鈣 結 晶 顆 粒 可 直 接 回 用 於 煉 鋼 廠 之 燒 結 場, 大 幅 降 低 污 泥 處 理 費 用 除 了 原 水 水 質 影 響 冷 卻 水 塔 的 耗 水 量 外, 因 在 循 環 冷 卻 過 程 中 會 有 鹽 分 濃 縮 累 積 及 微 生 物 生 長 問 題, 因 此, 水 質 管 理 是 冷 卻 水 塔 重 要 的 操 作 因 子, 中 宇 公 司 推 動 以 全 方 位 水 資 源 應 用 來 從 事 水 務 工 程, 開 發 利 用 更 有 效 率 的 化 學 水 處 理 藥 劑 也 成 為 我 們 努 力 的 目 標, 照 片 9 為 水 系 統 操 控 不 良 時 易 發 生 的 結 垢 沉 積 及 腐 蝕 問 題 示 意, 經 過 配 方 的 開 發 藥 品 及 水 質 的 品 管 效 能 測 試 量 產 應 用 等 按 部 就 班 的 應 用 於 實 場, 可 有 效 達 成 工 廠 節 水 節 能 的 目 標 圖 10 流 體 化 床 結 晶 軟 反 應 示 意 圖 中 華 民 國 98 年 12 月 59
七 廢水回用案例 中鋼公司因應水資源的日漸珍貴 多年 前即著手針對各廠排放廢水進行可回收的評 估 由於薄膜技術已日漸成熟 在廢水回收 的實廠應用上已有相當多成功的例子 因此 一開始在第一階段即鎖定以薄膜處理的方 向來進行規劃 基本流程的組合以薄膜過濾 照片9 水處理藥劑系統應用及開發設施 3.以高效率離子交換系統產純水 工業上常用離子交換移除水中離子製造 純水供製程或鍋爐使用流體化床的反應槽設 計 若從環保的觀點來看 離子交換要耗用 更多的酸鹼來再生樹脂所交換出來的離子 再產出濃鹽度的再生廢水 但若從水資源應 用的觀點來看 離子交換樹的耗水率較低 廢 水 量 約 5% 若 用 RO 則 廢 水 量 可 能 達 15~20%以上 因此 用樹脂法產製純水是比 較省水的方法 以下案例為大型化的上流式 流動床2B3T純水系統 由於樹脂槽直徑達 3.8M 有效的再生藥劑分配及進水水流分配 平均是技術關鍵所在 (照片10) 後接RO為處理核心 先建立各股主要廢水的 水質及水量基本資料 利用RO膜廠商及抑垢 劑廠商的軟件先進行電腦模擬評估 並依初 步評估的可回收率及可回收水量評選最有回 收效益的廢水進行第二階段UF + RO的小試 模型實驗 經初步評估實廠化的技術性及經 濟性均可行 為求更精確求取系統設計及操 作參數 並估算放大設計之初設費及操作維 護費以降低實廠化的風險 故在第三階段即 規劃以一組出水量可達300CMD之移動式 UF/RO薄膜模組進行SCALE-UP之中試放大 實驗 以驗證各處理單元的設計及操作是否 合適 同時以較長的運轉時程來追蹤薄膜元 件的操作特性以降低未來實廠營運風險 經 過兩年多的運轉 最後評估以設置回收 4,500CMD RO水及9,000CMD去離子純水系 統最合適現場需求 於是進行規劃系統容量 13,500CMD之廢水回收廠 已於2009年9月 完工投產 主要流程如圖11 原經過濾後排 放的廢水接至浸入式的UF系統 過濾水經 RO去除大部份鹽類後4,500CMD供原動力場 離子交換系統之原水 9,000CMD經陽塔/陰 塔/混床產製鍋爐用純水泵送回動力場 (照 片11 12) 照片10 60 直徑3.8M流動床式樹脂槽 中工高雄會刊 第17卷 第2期
專論 水處理工程技術設計與實務應用 圖11 中鋼廢水純化場流程示意圖 照片12 八 結 實廠設備及外觀照片 論 水處理技術的長進隨著科技的進步日新 月異 但萬變不離其基本處理機制 經由不 同的水處理工程應用實例的介紹 依不同原 水及處理目標可設計出以反應及分離程序組 合的各種水處理工藝設計 從傳統的靜置方 式進行固液分流到高科技的薄膜方式進行水 中離子與水份子的物質分離技術 掌握其中 的理機配合設計實務經驗的累積 必可完成 優質的工程化的設計 照片11 中華民國98年12月 現場施工照片 61