國內外水回收再利用研究發(fā)展現況
| 水回收再利用系統(tǒng)中，處理技術之選擇及各單元組合方式，依所處理的對象、目的不同而有所不同，除在技術面須考量各程序之處理效能，所回收之處理水是否能達到水再利用之要求外，亦必須將經濟誘因及健康風險納入加以評估，以建立一高處理效率、低操作成本之水回收再利用系統(tǒng)。本研究匯整分析自2000年迄今，水回收再利用之相關文獻，認為近幾年來水回收再利用之研究發(fā)展趨勢可分為三大方向，分別為高級處理程序之應用、新技術之研發(fā)以及模式評估，說明如下。 1.高級處理程序之應用 可作為回收再利用之原水水源，包括工業(yè)廢水、都市污水及其它水源，其中以染整工業(yè)廢水及食品工業(yè)廢水應用最廣且相關研究亦最多。受限于廢水處理技術之效能，以傳統(tǒng)廢水處理單元，處理各類別廢水，并無法達到水質及降低人體健康風險之需求，故以初級、二級處理技術為基礎，導入高級處理程序，以提升處理效能，可增進回收再利用系統(tǒng)之處理效益，為水回收再利用之研究重點之一。常見之處理技術包括： (1)過濾/吸附/砂濾：在Voigtetal.,（2001）的研究中，利用前處理-過濾-UV消毒之配套流程，針對食品工業(yè)廢水進行脫鹽及有機物去除，處理水可回收做為鍋爐及清潔用水。Hamodaetal.,（2004）以砂濾作為三級處理單元，處理活性污泥放流水，操作一年后，系統(tǒng)可穩(wěn)定的去除95％SS以及99％之BOD及COD，回收水可應用于灌溉。RamirezCamperosetal.,（2004）建立過濾-吸附-RO/離子交換處理流程，去除飲料工業(yè)清洗用水中所含的污染物，COD去除率可達80％，TDS為75％，回收率提升為50％。以砂濾配合加氯消毒單元，處理社區(qū)污水處理場之二級放流水，在BOD、臭味、色度及外觀上無法達到水回收再利用之參考標準，若改以臭氧消毒，則除可達到再利用標準外，同時對大腸桿菌及濁度的去除有相當之助益（倪振鴻等人，2001）。 (2)離子交換/電透析：JacekandGrazyna（2001）以電透析及離子交換作為基本處理單元，藉由單元程序組合的改變，如二階段電透析；電透析-陽離子交換；陽離子交換-二階段電透析，探討最適操作流程以處理廢酸或含金屬鹽類溶液。研究指出，以陽離子交換-二階段電透析，可得******水質，然因樹脂再生液使用量大，操作成本反較其它二者為高。 (3)好氧-缺氧-厭氧程序：Ahnetal.,（2003）利用好氧-缺氧-厭氧MBR去除家庭生活污水中所含之營養(yǎng)鹽，磷的去除可達93％，而氮則為60％。Chengetal.,（2004）以厭氧消化方式處理含高濃度COD18,000mg/L、TKN1,600mg/L、TP360mg/L之畜牧廢水，處理過程中可回收沼氣作為能源，且處理水可做農業(yè)用途生產蕃茄。鄭幸雄等人（2003）利用三段式流體化床生物程序，包含高溫厭氧反應槽、脫硝槽及硝化槽，處理壓克力纖維制程廢水，實驗證實COD去除率在90％以上，硝酸氮去除率高于97％，有機氮去除率介于60％～80％間，顯示有一定程度的處理效率。陳重男等人（2002）則利用無氧/好氧MBR程序處理都市污水，COD去除率可達97％，總氮及SS則為88及100％。 (4)薄膜程序：Ismailetal.,（2004）以NF單元，處理含有高NaCl及染料、色度濃度之染整廢水，處理水經回收后可再進入制程中被使用，估計兩年內可回收單元設置及操作成本；Franketal.,（2002）以二階段NF去除染整工業(yè)廢水中98％之色度，使水回收率達90％；而TangandChen（2002）同樣以NF處理染整廢水中電解質及色度，水回收率可達99％。由于制革工業(yè)之制程中使用大量化學藥品，故制程廢水即使經過二級處理，出流水仍含有大量之TDS及有機物，無法以傳統(tǒng)之處理程序處理。Suthanthararajanetal.,（2004）使用RO單元，去除98％TDS，回收率提升為78％，若將NF結合RO單元，除可提升回收率外，亦可延長薄膜壽命以及增加滲流量。Lowetal.,（2003）指出，以傳統(tǒng)混凝及沈淀處理電視映像管制程廢水，有高成本及大量污泥產生之缺點，若改以薄膜程序處理，則濃縮液中的碳微粒可在回收應用于制程中，處理水亦可再被使用。Noronhaetal.,（2002）結合MBR可去除有機物，及NF可移除無機物之優(yōu)點，輔以UV消毒，可使果汁工業(yè)制程廢水回收作為冷卻或鍋爐用水。而乳制品產業(yè)廢水，因其含有部分牛乳，故水中COD增加，使用RO或NF需再結合其它單元，才能使處理水符合再利用標準（Béatrice,2002）。在MiyagiandNakajima（2002）的研究中，利用UF處理含礦油及非離子性界面活性劑（APE）之乳化廢水，結果顯示，UF薄膜系統(tǒng)可去除97％礦油及90％APE。Mutluetal.,（2002）使用0.8μmMF結合400Da之NF，處理含有大量BOD、4000mg/LCOD及11000Pt-Co色度之面包發(fā)酵工業(yè)廢水，實驗結果可使廢水色度去除率達到89％，而COD去除率則為72％。Karabelasetal.,（2001）考慮技術及經濟條件，選用RO作為處理肥料工業(yè)廢水之主要單元，濃縮液中所含之化學物可回收再利用于制程中，而處理水可作為冷卻水水源。Alanetal.,（2000）利用UF-RO程序處理中水及雨水，處理水經消毒單元后可做為廁所沖洗水，其中中水由于含較多有機物質，故進入薄膜組合程序前，需先經生物濾床進行前處理。Otakietal.,（1998）以河川水為處理對象，認為UF系統(tǒng)對E.Coli的去除率可達100％；而Bianetal.,（1999）發(fā)現，單獨利用UF處理河川水，并無法有效去除水中腐植質，若配合預混凝程序，則去除率可達80％，或利用MF配合活性碳吸附，可增進腐植質之去除效率。黃信仁等人（2001）發(fā)現，經適當前處理后，以不同操作壓力進行UF操作，能使半導體業(yè)之化學機械研磨廢水濁度，降至0.5NTU以下，所得之澄清液，可回收利用于非制程系統(tǒng)，甚至進入純水系統(tǒng)進一步純化再利用。江萬豪等人（2001）以UF薄膜結合混凝前處理，回收CMP廢水。結果顯示，混凝的確可增進濁度、TOC的去除率，采用薄膜分離技術回收CMP廢水，適當的混凝前處理不但增加廢水回收效率、延長薄膜操作濾程，且省下沉淀池的用地。在ChenandChen（2004）研究中，以MBR結合RO程序處理液晶顯示器工業(yè)廢水，COD去除率可達97％、TOC為98％，BOD則為99％，處理之回收水可作為冷卻水或其它功能用水。黃益助等人（2001）利用混凝沉淀作為實驗前處理，再配合逆滲透分離的技術來凈化經二級處理之放流水，評估薄膜技術應用在水回收再利用具有可行性。 (5)其它：Rubioetal.,（2002）利用浮除法去除礦場、冶金工業(yè)廢水中所含之污染物、粉末顆粒、金屬離子油脂、有機物及少量有價金屬，發(fā)現具有低污泥量且高分離效果。Al-Jamaletal.,（2002）以人工濕地去除廢水中所含之污染物，并將處理水應用于灌溉，可回收營養(yǎng)鹽、有機物做為植物生長之用，并維持水源涵養(yǎng)量，以此系統(tǒng)模式可處理都市污水。人工濕地可應用于去除水產養(yǎng)殖廢水中所含之營養(yǎng)鹽，可使總氮去除達95-98％，總磷為32-71％，使養(yǎng)殖用水循環(huán)再利用（Linetal.,2002）。單以人工濕地處理工業(yè)廢水，則因水質特性，處理效果有限，可于添加生活污水提供濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展之所需，促進處理效率（林欣怡及楊磊，2000）。而人工濕地亦可取代傳統(tǒng)處理方式處理垃圾滲出水 事實上，各廢水處理技術，在操作上皆有其瓶頸，且在水回收再利用之應用上，受限于原水水質及回收水質需求，表3整理各再生水源應用于不同回收用途之適用處理技術。都市污水中污染物多為有機物、致病菌，以及氮磷等營養(yǎng)鹽，多以生物處理配合消毒單元，使回收水可做農業(yè)灌溉及廁所沖洗水等用途；厭氧消化法，可處理高濃度有機物廢水，適用于處理畜牧廢水。工業(yè)廢水水質特性依業(yè)別及制程而有相當大的差異，其中染整廢水、食品廢水及化學機械研磨廢水，由于廢水量大，水之回收再利用亦格外引人關注。染整廢水中含有大量之有機物極高色度，利用薄膜程序如NF或RO可有效去除水中色度及有機物，回收水可再導入染色制程中使用；食品廢水中多為生物可降解有機物，藉由MBR結合薄膜程序，并輔以消毒單元，所處理水質可做為鍋爐或清潔用水；而化學機械研磨廢水中，污染物主要成分為無機物，以電化學混凝，處理水可用作冷卻用水，若以混凝前處理結合RO，處理水甚至可進入純水系統(tǒng)，作為純水水源。 2.新技術之研發(fā) 隨著人類生活模式的轉變，工業(yè)產品及制程發(fā)展的多樣化，經由人類活動所排放至環(huán)境中的污染物質，其種類及性質亦有相當程度的改變。傳統(tǒng)的廢水處理流程，為一系列物理、化學、生物以及污泥最終處理等程序單元的組合，然其處理過程冗長繁瑣，成本居高不下，在操作上常會有許多限制。近年來，建立可靠處理技術，以產生高品質及穩(wěn)定水源，相關研究有逐年增加之趨勢。本文提出四項新興廢水回收再利用處理技術，以做說明。 (1)高級氧化程序（AdvancedOxidationProcesses,AOPs）之定義為，當溶液中有機物發(fā)生氧化反應時，可產生氫氧自由基等活性中間產物，并以此破壞目標污染物，或中間產物之程序，可有效的去除難分解有機物，達到將污染物破壞分解之目的。而這些程序時常結合強氧化劑如臭氧、過氧化氫；催化劑如過渡金屬離子；或光催化劑及射線（UV、超音波或電子束），因而可形成各種組合。常被使用之AOP處理程序，在這些氧化程序中最主要的起始攻擊均為氫氧自由基Duránetal.,（2004）以Electro-Fenton處理都市污水及實驗室廢水之混合水，去除率COD可達65-75％、濁度77-92％、色度80-100％，且無細菌殘留。此外，Raffaeleetal.,（2002）研發(fā)反應器設計，將光催化程序結合薄膜單元，用于水純化系統(tǒng)，可改善處理效率。陳孝行等人（2001）利用Fenton程序可降低染整廢水中有機污染物及色度之優(yōu)點，結合RO薄膜程序，可使處理水質符合染整工業(yè)再利用標準，并建議將放流水與地下水混合，再以RO處理后進入制程中，可降低處理成本。 (2)電聚浮除法（EnvironmentalProtectionNavigator,EPN），是利用電化學、流體力學及電子學等，相關技術結合而成的處理技術。電聚浮除法可強化電荷凝聚之特性，使雜質在水中產生自凝作用，同時雜質粒徑又能成長形成膠羽，再予以去除。以電聚浮除法結合加氯消毒或是離子交換，處理啤酒工業(yè)之二級出流水，依處理程序之不同，回收水可做為河川補注、廁所沖洗水或是景觀用水之用（李俊德等人，2000）。 (3)電化學混凝系利用直流電的供應，由犧牲性陽極（通常為鐵或鋁電極）釋出鐵離子或鋁離子，取代傳統(tǒng)之鐵鹽或鋁鹽混凝劑，產生混凝效果，可有效去除水中不穩(wěn)定之膠體顆粒（Chenetal.,2002;Larueetal.,2003），且所需之機械攪拌動力，可被電解過程中解離及分散效果所取代。此外，在電解過程中，靜電磁場所產生之消毒效果，為此一程序另一項優(yōu)點。李俊德等人（2003）則認為半導體化學研磨廢水經電化學混凝程序處理，可作為循環(huán)冷卻用水，若再經加氯、臭氧或UV消毒可回收做為景觀用水或廁所沖洗水，甚至回收進入超純水制程。此處理方法可節(jié)省大量混凝劑、運送及貯存之成本，且操作與維護簡單，適用于小型社區(qū)，與傳統(tǒng)膠凝程序比較，可減少潛在操作成本超過40-45％，并能降低鹵化有機物先驅物，減少中重金屬濃度及消毒用氯量，以達到加強環(huán)境保護目的。 (4)凍結分離法，利用溶液凍結時，純水比雜質先凝固析出之原理，將廢水冷凍成較純凈的冰與最終含水率低的污泥餅，達到分離雜質之目的（JensenandMullin,2003）。分離后的回收水（冰）可供低溫制程或空調系統(tǒng)之冷卻能再利用，亦可視回收量與處理水質，供制程用水使用（謝文德，2003）。傳統(tǒng)的廢水處理程序所產生之大量污泥，若以傳統(tǒng)的污泥處理方式，僅能將其自由水移出，無法移出污泥膠羽中的間隙水、表面水及結合水，因而保有85％的含水率，且體積過大，處置不易。將凍結分離技術應用在污泥處理，可破壞污泥膠羽結構，讓其內部的自由水、間隙水、表面水及結合水被移出，使最后的污泥量降至最低（減量），獲得較佳之結果。 3.模式評估 模式之建立，除了作為系統(tǒng)可行性之評估外，亦可用以分析所選擇之處理單元適用性。Rosarioetal.,（2003）依用水需求建立數學模式，藉由輸入用水水價、處理成本以及處理水放流之負擔成本，評估以人工濕地處理都市及食品工業(yè)廢水之合理性，研究結果顯示以人工濕地作為處理手段，在水回收再利用之應用上，具有相當之潛力。CornelandWeber（2004）利用模式仿真都市污水處理場活性污泥單元，評估出流水作為灌溉用水之可能性。研究指出，作為灌溉用水之出流水質可容許少量之營養(yǎng)鹽存在。都市污水之二級處理出流水，經加氯消毒單元后可做為河川補注之用，Funamizuetal.,（2004）針對補注水所殘存的余氯，以數學模式探討放流水中余氯與河川中有機物之反應行為，對水體中生態(tài)的影響。JuanicóandMilstein（2004）以好氧/厭氧生物程序處理都市污水，BOD去除率約為75-80％，且產生污泥量少，處理水可應用于灌溉。以此程序結合之概念，可以活性污泥法或滴濾床取代好氧池；以厭氧污泥床取代厭氧槽，同時結合濕地設施去除水中所含藻類。此組合程序可同時分解BOD及難分解物質，較一般活性污泥法省能源，土地利用面積亦少于需長期操作之氧化渠。 傳統(tǒng)廢水處理程序，僅能使廢水水質達到放流水標準，而無法被再利用于制程或其它用用途。為達水回收再利用之目的，依所處理的對象、目的不同，以現有技術為基礎，利用模式評估各單元程序之最適組合，使處理水質達到需求，為水回收再利用之研究重點。此外，為突破現有技術之應用瓶頸，各新興技術亦被研發(fā)引用，以作為水回收再利用之處理。 |
