工研院和自來水公司合作， 將BioNET運用在東港溪原水的前處理上，是全世界第一個將生物擔體用在河水處理上的大型案例。
撰文／陳怡如
要解決水資源短缺問題，不僅要「節流」，更要「開源」，秘密就藏在每天排放的廢水裡。工研院投入水處理科技研發30多年，擁有半導體、面板、紡織等工業廢水處理實績，海內外成功案例超過100個。近期又協助規劃建造南科再生水廠，將回收廢水用於半導體製程，締造水處理重要里程碑。
不管是工廠製程，還是生活用水，每天都有大量使用過的水排出。工研院材料與化工研究所副組長張王冠指出，這些排掉的水，在工業稱為「廢水」，民生則稱為「汙水」，若直接排放會造成環境汙染，因而催生了水處理技術，去除水中汙染物，再排放到大自然中避免汙染，這也是水處理的初衷。
水處理技術大致分為三大類別：生物處理、物理處理和化學處理。生物處理主要利用微生物分解水中有機物；化學處理則添加化學藥劑形成中和、氧化或離子交換等反應；物理處理有不同方式，常見的有重力分離法或薄膜過濾法等。
這三大項都是目前業界採用的主流技術，但廢水所包含的汙染物非常複雜，同時具有有機汙染和無機汙染，「也因此廢水處理不會只用單一技術，而是多種技術串聯，各有各的任務。」
隨著氣候變遷愈演愈烈，全球正面臨新的缺水危機，這些排放掉的廢水，若能拿來回收再利用，將有助減緩缺水問題，讓廢水變黃金。因此當前的水處理技術不再只是解決排放問題，「廢水回收成了一個很重要的發展方向。」
張王冠表示，在評估導入水處理技術時，主要有四大考量。第一看水質，也就是原水的汙染狀況程度；第二看目的，是要排放還是要回收，以及回收使用的目的；第三看現場的限制，工廠空間會影響水處理設備的規劃設計；第四看成本，評估投資與效益之間的平衡。
創新技術 累積破百成功案例
早在30多年前，工研院便投入水處理技術的研究與開發，目標瞄準最複雜的工業廢水處理，多年來已建立了不少領先全球且已商業化的廢水處理與水回收技術，在國內外已有超過100個以上成功實廠案例，涵蓋電子業、面板業、石化業、化工業、食品業、紡織業、鋼鐵業等產業，這些輝煌實績中也用了不少創新技術。
像是在生物膜技術上，工研院獨家開發的BioNET專利技術，宛如風扇葉片的扇形擔體，加上類泡綿的多孔性材質，提供更廣大的表面積供微生物附著生長，有助累積大量及特定族群的微生物，同時降低質傳限制，在分解汙染物上更有效率，適合處理低負荷、高流量的操作，以及難分解的有機物質。
2017年，工研院和自來水公司合作，將BioNET運用在東港溪原水的前處理上。原先溪水因氨氮含量高，僅作為工業用水，但當時高雄水情不佳，因而考慮支援民生使用，此時便需要透過前處理淨化水質。
只是溪水要處理的量體大，流速又快，處理技術的效率得夠高才能應付，這正是BioNET的強項，目前在高雄鳳山淨水廠一天最高可以處理30萬噸原水，亮眼成果不僅拿下經濟部公共工程優質獎，「也是全世界第一個將生物擔體用在河水處理上的大型案例！」
另一個流體化床結晶廢水處理技術（FBC），主要透過添加適當藥劑，讓廢水中原先溶解於水的無機離子，於擔體表面形成不溶於水的結晶體，就能排出槽外，達到淨化水質的目的，結晶物也能回收再利用。
張王冠指出，以往國外都將FBC用在處理較乾淨的水源上，如自來水的軟化處理，工研院則將FBC擴充應用在難度更高的工業廢水上，包含結晶擔體的選擇、反應槽型式、添加藥劑、條件控制等，都要重新設計。
工研院將FBC用在不少半導體公司，由於半導體的蝕刻製程，需要使用氫氟酸，因而產生含氟廢水，透過FBC，就能結晶成氟化鈣。2014年，工研院與全球最大的水處理公司荷蘭DHV，共同競標美光新加坡廠的廢水處理，便是以這項技術成功贏得標案，為臺灣水處理技術揚名海外。
全球首創 廢水回收用於半導體製程
工研院最新的水處理指標案例，則是2022年9月正式通水的「南科再生水廠」，全球首創將工業再生水用於半導體製程生產，預計今年將達到日產2萬噸再生水的目標，為全球水資源循環寫下重大里程碑。
張王冠指出，過去工業廢水的再生應用，大多用於冷卻水塔的補充水，對水質的要求不會太高；但若要拿到製程使用，尤其又是對水質極為要求的半導體業，兩者的技術難度完全是不同等級。
工研院首先運用BioNET和FBC兩大技術，去除廢水中極大部分的有機物和無機物，就連半導體製造嚴格要求的「尿素」，透過BioNET也能降到每公升只剩下5微克(μg/L)，「這是難以想像的低。」接著再靠RO逆滲透技術去除水中的鹽類，就能得到非常純淨的再生水。
在RO逆滲透過程中產生的廢水，含有各種雜質和汙染物，稱為濃縮水，雖然無法再利用，但也要符合排放標準，此時再透過缺氧流體化床技術（AFB），以缺氧脫氮微生物去除濃縮水中的硝酸鹽就能排放，「在放流之前做最後的收尾」。
值得一提的是，這一連串過程中，除了RO逆滲透薄膜在國外已發展成熟，因而採用既有的薄膜材料外，其他技術與主要材料都是由工研院自主研發，或將既有技術應用於複雜度更高的工業廢水上。
張王冠表示，水處理技術和其他技術不一樣的地方在於，比起原料性質不會變動的工廠製程，工業廢水成份複雜，汙染物會在一定範圍內變動，每天都不完全一樣，也因此在設計方案時，必須容忍原水的變動，又要兼顧效果與成本；加上這個案子史無前例，需要嚴謹的數據統計，和大量測試、實驗，以及設想所有的處理情境，才能定案。雙方在2015年就開始洽談合作，整整花了7年時間，終於成功通水啟用。
全臺最大 打造EDR工業廢水系統
如果對工業廢水回收的水質要求，不需要這麼高的話，也可以採用成本較低的倒極式電透析脫鹽再生技術（EDR），透過陰陽離子交換膜的適當排列，讓水中的離子分離，透過工研院的專利技術，有效提升EDR的脫鹽率和回收率。
全球最大ABS樹脂供應商便與工研院合作，在仁德廠區建置再生水系統「EDR水資源中心」，並於2020年正式啟用，不僅是臺灣石化業第一套，也是全臺最大規模的EDR工業廢水系統，每日可產出3,000噸再生水，用於冷卻水塔補充水。工研院也開始研發國產化的離子交換膜，並與臺灣相關廠商合作，透過技轉方式發展臺灣的EDR產業。
不只在國內有許多亮眼實績，工研院也積極在海外推廣水處理技術。過去在東南亞，尤其馬來西亞累積不少案例，BioNET甚至還應用於印尼的製鞋廠的廠區用水處理。近年配合政府政策，工研院積極往印度發展，主要集中在皮革和染整等汙染較為嚴重的行業所產生之廢水，目前已和當地廠商展開一些前期的合作測試。
三大方向 水處理技術飛快成長
未來水處理技術的創新發展，張王冠認為有三大方向，第一是上述提及的廢水再生利用；第二是節能，盡量降低水處理過程中的能源耗用，甚至達到創能的目的；第三是透過資源循環利用，減少廢棄物產生。針對這三大面向，工研院皆持續投入研發能量。
比如工研院目前正著手研發前瞻的正滲透技術（FO），基本原理是藉由高濃度的提取液和半透膜，水由低滲透壓液區流向高滲透壓液區，再從提取液進行水分離，比起需要額外施加壓力RO逆滲透技術，是能耗更低的脫鹽技術。
此外，針對高濃度的有機廢水或汙泥，若與微生物的厭氧消化結合後，就會產生沼氣（甲烷為主要成分），能用來發電或產熱，進一步達到創能。對於氨氮去除，則研發厭氧氨氧化技術（Anammox），可大幅減少能耗及化學品使用。
在廢棄物減量上，針對有機的汙泥，工研院透過超音波破裂汙泥細胞，再結合其他的生物處理程序，達到汙泥減量。針對無機廢液，則研發酸鹼回收技術（R2A），藉由離子交換膜的排列，能將廢液含有的高濃度氯離子、鈉離子，轉為高純度可再利用的鹽酸和氫氧化鈉。
張王冠看好，未來水處理市場在三大趨勢影響下，也將飛快成長。首先是環保法規越趨嚴格，提升排放標準的門檻。第二是極端氣候造成的缺水危機，許多企業為了降低營運風險，都會加大投資力道，盡早投入廢水再生應用。
第三則是呼應近來的ESG風潮，對環境永續和公司治理更加看重，尤其臺灣很多產業以代工為主，為了符合國際大廠對供應商減碳、節水、節能的生產要求，代工廠也需及早準備。
「未來的水處理典範也會改變，不只是符合排放要求，還要兼顧更多目標，企業對水處理會有更多不一樣的考量。」不管是對環境永續提出解法，或是提升產業競爭力，水處理技術都將成為21世紀人類生存最重要的課題之一。
