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。
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科技造水創永續

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行事曆icon 2023/04/19
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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。

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。

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