水处理的故事

撰写人：林俊诚博士

 

水的革命

1. 第一代水( Water 1.0 )：罗马帝国之罗马引水道建立于公元前312年

• 引进饮用水
• 疏导废水

 

2. 第二代水( Water 2.0 )：过滤饮用水，再以氯灭菌消毒，20世纪初期

• 快速过滤
• 沉淀
• 慢速过滤
• 加氯杀菌

 

3. 第三代水( Water 3.0 )：污水处理厂的建立(美国开始于1970年代)

• 曝气、好氧处理
• 过滤、去污泥

 
      4. 第四代水( Water 4.0 )：

• 水的循环使用
• 雨水的收集使用
• 海水淡化

第四代水的最大挑战
第四代水的最大挑战在于，「水的循环使用」所面临的问题：

1. 世界人口继续成长已达75亿，健康安全饮用水不足

• 24亿人口没有卫生设备 (厕所) ；
• 其中9.5亿仍旧公开排便；
• 20亿人口使用粪便污染的水源；
• 8.4亿缺乏饮水设施；
• 每年有84万人口死于不干净饮用水造成的腹泻。

2. 全球气候暖化，可用水减少

• 排放温室效应气体，如水气、二氧化碳、甲烷、二氧化氮、臭氧等。其中，工厂、交通工具为主因；
• 滥伐森林，造成地球转换二氧化碳能力的降低；
• 燃烧造成微粒；
• 暖化效应，雨水减少，可用水源不足。

3. 工业与民生用水竞争

• 工业进步及生活水平提升同时竞用同一水源；
• 工业排放废水种类及数量增加；
• 各种民生用水释放环境荷尔蒙及其他毒素；
• 传统水处理科技已逐渐无法去除有害物质；
• 不良水质的水源，耗费能源。

4. 水循环使用的驱动因素与需用的技术和材料

驱动因素	创新/改良技术/材料
工业废水处理与民生废水处理	微生物菌种之改良，增加废水处理速度，减少污泥量。 ​过滤材料/薄膜 MF、UF、NF、RO等之结构改善以降低堵塞，增加过滤效率，减少耗能。
近代民生农业用品产生之污染物质，如泼水剂 (PFOA)、界 面活性剂、汽油填加物、农药、除草剂等	微生物之研究与选择 ​天然水中植物之去毒  曝晒水池之设计改良
饮用水中，水中病菌、病毒、 孢囊菌之去除	不用电驱动、低压差、无化学药剂、高效率之处理方法与过滤材料
硬水结垢、耗能源	不用电驱动、低压差、无化学药剂、高效率之处理方法与催化材料
海水淡化、废水处理	不用电驱动、无压力、无化学药剂、高效率之薄膜处理方法与材料

 
第四代水的循环使用(Water Recyling) 污水厂处理过的污水(以色列)

• 储存于阳光曝晒之水池                                               

• 渗透到地下水层

• 以RO逆渗透、紫外线杀菌

• 注入饮用水地下水层

 

• 回收家用洗涤用水，如厨房、浴室、洗衣机用水
• 过滤后使用于冲洗马桶、灌溉花园、草坪

 
 
雨水的收集使用 

• 雨雨水自河川引流或输送至大型储水渗水池，渗透至地下水层     

 

• 大型建筑物或小型建筑物雨水回收过滤系统
• 利用大型公共空间( 公园、学校操场 )之地下，做雨水回收过滤储存系统

• 直接用于灌溉、厕所使用
• 过滤及高级处理后进入自来水系统

 
 
海水淡化

• 地球表面的水约有13.86亿立方公里。其中，97%是海洋中的碱水3%是冰雪、地下水及表面水的淡水
• 世界人口成长－75亿
• 工、商业发展干净的水需求量快速增加

 
海水淡化的技术挑战

• 加热蒸馏ー高碳足迹 (CO2 )
• RO逆渗透ー高耗电能
• 新技术的开发

1. 薄膜电析 

1. 单极性交换膜(阳离子、阴离子交换膜)
2. 两极性交换膜

2. 薄膜蒸馏

1. 废水处理
2. 不亲水膜、废水面加温

3. 石墨烯过滤

1. 单层碳原子、比钢强200倍
2. 可滤除头发10,000分之一大小的粒子
3. 持续研究以控制石墨烯之有效孔隙度，以去除海水中之盐分子 (海水淡化 )或其他污染物(废水处理)

 
   
一、細菌病毒及孢囊菌之濾材(EZ-MEM)
 
電場覆蓋全部空隙
       EZ-MEM 濾材平均 0.8 毫米的厚度具有超過400層小孔。 纖維雖小，其表面積卻大得驚人！一克的纖維，具有超過 500 平方米的表面積。每平方米濾材上，具有超過 42,000 平方米的纖維面積；相當於超過七個足球場的總面積。
       如圖所示，污染物經由濾材深層內曲折的路徑，以及纖維產生的強大正電電場來予以捕捉去除  
EZ-MEM的过滤能量
EZ-MAN可以大量滤除…

• 次微米颗粒
• 有机物(有机酸/微量油脂/环境贺尔蒙 BPA/抗生素)
• 无机物(氯碘等卤素(PAC)/铅/锡/铜/铁)
• 胶体及悬浮物
• 生质物质(细菌/囊苞/病毒/细胞碎屑/内毒素/DNA/RNA/多醣体)

 但保留矿物质与人体所需的微量元素。

EZ-MEM除菌及病毒能量和压降

EZ-MEM和其他技術的比較*

此表列出不同过滤系统各方面的一般性比较。请注意比较各种系统的面积大小、安装成本、运转成本，以及回收效益的差异。结果显示，当用来保护或提升膜系统时，EZ-MEM 都能显著减免新机安装及运转之成本。
 
*本数据仅供一般比较之用。并不在呈现实际安装成本，因为尚未包括许多重要因素。
 

二、硬水抑垢催化劑(TAC，鐵克)

硬水是什么？
水中含大量溶解的矿物质特别是钙与镁的盐类如碳酸钙、硫酸钙等。根据世界卫生组织（WHO）所公布硬水与软水的基准(较台湾的标准严格)，软硬水的分法是依碳酸钙(CaCO₃）含量为标准。台湾地区的软硬水分布情况如表1所示：

表1 台湾地区的软硬水分布

水的软硬度	ppm (CaCO3）	gpg (Grains / Gal)	台湾地区 软/硬水分布区域
软水	0-17.1	0-1
软水	17.1-60	1-3.5	台北
偏硬水	60-120	3.5-7.0	龙潭、花莲、埔里、员林、北斗、田中
硬水	120-180	7.0-10.5	新北市(泰山、五股除外)、宜兰、竹东
超硬水	＞180	＞10.5	泰山、五股、新竹、苗栗、中部地区(埔里等地除外)云林、嘉义、台南、高雄、屏东、台东

        简单来分，通常CaCO₃含量小于0〜120毫克/升就称「软水」；大于120毫克/升就称为「硬水」。表2将为您显示各级水质的特性。

软水	偏硬水	硬水	超硬水
0-60 mg/L	60-120 mg/L	120-180 mg/L	<180 mg/L
太软的水具有侵蚀性，容易氧化血管壁上的微量元素。	适合人体饮用。	人体可饮用，但硬度稍高，口感也不佳。	硬度过高，口感苦涩。

      图1显示中国大陆地区的软/硬水分布。  
       总体上讲中国大陆北方硬水较多，南方软水较多。
       图1显示，棕色勾画点饰处区系为硬水大致分布带或咸井集中出；浅蓝色勾画点饰处为软水分布区系或软水流经涌处(大致以川西横断山以东、云贵高原以外的汉中—江汉平原—江南省区一带；北方海河流域与胶州湾渠一带有分布；东北松嫩平原、长白山下游一带—大小兴安岭一线)。
       表3将为您显示全世界各地大都市的软/硬水水质数据，以方便您比较所在都市的水质水平。

都市(西方)	水质硬度(ppm)	都市(亚洲)	水质硬度(ppm)
洛杉矶	80-100	台北	<50
波士顿	60	北京	>100
纽约	50	上海	>100
柏林	>100	广州	80-100
伦敦	>100	东京	60-80
莫斯科	>100	杜拜	70
维也纳	>100	河内	100
		马尼拉	60
		曼谷	100
		首尔	60-80
		吉隆坡	50
		雅加达	100

        图2显示的是美国地区的软/硬水分布(单位：gpg)。该国的硬水区明显地也是集中在广大偏西的中南部地区。  

• 杯盘残留的水垢痕迹。
• 肥皂不起泡，皂垢形成在水龙头、洗盆及浴室墙壁。
• 石灰质结垢在水龙头、喷头与玻璃幕上。
• 石灰质结垢在水管中。
• 石灰质结垢在热水器之加热管上，浪费瓦斯或电可达24%。
• 石灰质结垢在家电、厨具上。

 
传统软水器
离子交换树脂桶及再生用浓盐水桶
       软水常用的软水剂为树脂，树脂能够通过离子交换取出水中较硬的矿物质。在进行离子交换产生一定量的软水后，离子树脂就会因吸附一定量的钙镁离子而达到饱和；这时，就需要进行树脂再生。即用饱和的再生用浓盐水浸泡树脂层，将树脂所吸附的钙镁离子再生置换出来，恢复树脂的交换能力，并将废水排出。  
污染
       离子交换树脂在使用过程中，常出现清洗水不断增加，出水水质差，周期性制水量不断下降，颜色变深，树脂交换容量不断下降等污染现象。污染原因有以下几种：

1. 有机物引起的污染。有机物主要是存在天然水中的腐殖酸、相对分子量从500～5000的高分子化合物及多元有机羧酸等，这些物质在水中往往带有负电，成为阴离子交换树脂污染的主要物质。这类污染从COD的监测中可检出。
2. 油脂引起的污染。水中往往含有油类物质，形成膜状物，堵塞或包裹了树脂的微孔，阻碍微孔中的活性集团进行离子交换。
3. 胶体物质引起的污染。水中胶体颗粒常带负离子，使阴离子树脂受到污染。胶体物质中以胶体硅对树1脂的危害最大，它吸附并聚合在树脂的表面上阻止交换。
4. 高价金属离子引起的污染。水中的高价金属离子（如混凝剂中高价金属离子的后移等），如Al+、Fe3+等扩散进入阳离子交换树脂的内部，由于这些高价金属离子的交换势能高，与树脂中的固定离子SO3-牢固结合形成Al（SO3）3、Fe（SO3）3等，从而使这些固定离子失去作用，丧失了离子交换能力。
5. 再生剂不纯引起的污染。再生剂往往混有很多杂质，如Fe3+、NaCI、Na2CO3等，对阴离子交换树脂的影响最为严重。

 
美国加州及德州带头全面禁止排放含盐废水的软水器 

• 加州全面禁令：AB1366 法令；
• ２０１０年阿诺州长签署禁令；
• ２００２年德州全面禁止软水器排放盐废水；
• 美国其他超过３０州，含密歇根、俄亥俄、新泽西、康乃迪克、佛罗里达、蒙他那、新墨西哥等州皆有部份市、郡立即的禁令。

 
水的市场—面临法令要求的压力

美国加州已立法禁止离子交换树脂软水器 加州禁令条文 SB1006, AB334 内容： 「若地方政府为配合州政府水质管控局要求用水回收再利用，并经独立机构研究视限制或禁用软水器为必需时，各地方政府可自定义法令条文限制或禁止软水器之使用。」

 

世界卫生组织之饮用水含营养份的报告： 「我们可以下如下之结论：硬水是有益的因为它含有有价的营养份，这些营养份可降低环境中有毒元素的冲击。为减少心脏病之危害，理想的饮用水应该含有充足的钙与镁，而为适度的硬度。在我们的食物的供应中微量元素，如铜、铁类也相当缺乏，也不应全面去除。」

  

世界卫生组织之饮用水含营养份的报告： 「在水源含比较高的硬度或含钙镁之人口地区与相对水硬度较低的地区，其心血管疾病之死亡率比较低。在国家与国家的对照研究发现水的硬度的保护效应是全世界人口的普遍现象。」

 
TAC抑石灰质软水方法才是「绿色」的解答

• 比较经济；
• 不使用食盐或化学品；
• 不须要用能量；
• 不排放废水；
• 几乎不须维护；
• 规模小不占空间。

  

1. 不用食盐再生；
2. 不用逆洗；
3. 不排放浓盐废水；
4. 取代离子交换树脂软水器；
5. 将硬水矿物质转换为无害，不活跃的次微米结晶。