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水處理的故事

 水處理的故事 

撰寫人：林俊誠博士

 

水的革命

  1. 第一代水( Water 1.0 )：羅馬帝國之羅馬引水道建立於西元前312年
  • 引進飲用水
  • 疏導廢水
 
  1. 第二代水( Water 2.0 )：過濾飲用水，再以氯滅菌消毒，20世紀初期
  • 快速過濾
  • 沉澱
  • 慢速過濾
  • 加氯殺菌
 
 
 
  1. 第三代水( Water 3.0 )：污水處理廠的建立(美國開始於1970年代)
  • 曝氣、好氧處理
  • 過濾、去污泥
 
 
      4. 第四代水( Water 4.0 )：
  • 水的循環使用
  • 雨水的收集使用
  • 海水淡化
第四代水的最大挑戰
第四代水的最大挑戰在於，「水的循環使用」所面臨的問題：
  1. 世界人口繼續成長已達75億，健康安全飲用水不足
  • 24億人口沒有衛生設備 (廁所) ；
  • 其中9.5億仍舊公開排便；
  • 20億人口使用糞便污染的水源；
  • 8.4億缺乏飲水設施；
  • 每年有84萬人口死於不乾淨飲用水造成的腹瀉。
  1. 全球氣候暖化，可用水減少
  • 排放溫室效應氣體，如水氣、二氧化碳、甲烷、二氧化氮、臭氧等。其中，工廠、交通工具為主因；
  • 濫伐森林，造成地球轉換二氧化碳能力的降低；
  • 燃燒造成微粒；
  • 暖化效應，雨水減少，可用水源不足。
  1. 工業與民生用水競爭
  • 工業進步及生活水準提昇同時競用同一水源；
  • 工業排放廢水種類及數量增加；
  • 各種民生用水釋放環境荷爾蒙及其他毒素；
  • 傳統水處理科技已逐漸無法去除有害物質；
  • 不良水質的水源，耗費能源。
  1. 水循環使用的驅動因素與需用的技術和材料
驅動因素 創新/改良技術/材料
工業廢水處理與民生廢水處理
  • 微生物菌種之改良，增加廢水處理速度，減少污泥量。
  • 過濾材料/薄膜 MF、UF、NF、RO等之結構改善以降低堵塞，增加過濾效率，減少耗能。
近代民生農業用品產生之污染物質，如潑水劑 (PFOA)、界 面活性劑、汽油填加物、農藥、除草劑等
  • 微生物之研究與選擇
  • 天然水中植物之去毒 
  • 曝曬水池之設計改良
飲用水中，水中病菌、病毒、 孢囊菌之去除
  • 不用電驅動、低壓差、無化學藥劑、高效率之處理方法與過濾材料
硬水結垢、耗能源
  • 不用電驅動、低壓差、無化學藥劑、高效率之處理方法與催化材料
海水淡化、廢水處理
  • 不用電驅動、無壓力、無化學藥劑、高效率之薄膜處理方法與材料
 
第四代水的循環使用(Water Recyling)
污水廠處理過的污水(以色列)
  • 儲存於陽光曝曬之水池                                               
                  
  • 滲透到地下水層 
  • 以RO逆滲透、紫外線殺菌
  • 注入飲用水地下水層
 
  • 回收家用洗滌用水，如廚房、浴室、洗衣機用水
  • 過濾後使用於沖洗馬桶、灌溉花園、草坪
 
 
雨水的收集使用
  • 暴雨雨水自河川引流或輸送至大型儲水滲水池，滲透至地下水層      
 
 
  • 大型建築物或小型建築物雨水回收過濾系統
  • 利用大型公共空間( 公園、學校操場 )之地下，做雨水回收過濾儲存系統
  • 直接用於灌溉、廁所使用
  • 過濾及高級處理後進入自來水系統
 
 
海水淡化
  • 地球表面的水約有13.86億立方公里。其中，97%是海洋中的鹼水3%是冰雪、地下水及表面水的淡水
  • 世界人口成長－75億
  • 工、商業發展乾淨的水需求量快速增加   
 
海水淡化的技術挑戰
  • 加熱蒸餾ー高碳足跡 (CO2 )
  • RO逆滲透ー高耗電能
  • 新技術的開發
  1. 薄膜電析
  1. 單極性交換膜(陽離子、陰離子交換膜)
  2. 兩極性交換膜
  1. 薄膜蒸餾
  1. 廢水處理
  2. 不親水膜、廢水面加溫
  1. 石墨烯過濾
  1. 單層碳原子、比鋼強200倍
  2. 可濾除頭髮10,000分之一大小的粒子
  3. 持續研究以控制石墨烯之有效孔隙度，以去除海水中之鹽分子 (海水淡化 )或其他污染物(廢水處理)
 
 
 水處理濾材的創新 
 
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的過濾能量
EZ-MAN可以大量濾除…
  • 次微米顆粒
  • 有機物(有機酸/微量油脂/環境賀爾蒙 BPA/抗生素)
  • 無機物(氯碘等鹵素(PAC)/鉛/錫/銅/鐵)
  • 膠體及懸浮物
  • 生質物質(細菌/囊苞/病毒/細胞碎屑/內毒素/DNA/RNA/多醣體)

 但保留礦物質與人體所需的微量元素。

EZ-MEM除菌及病毒能量和壓降

EZ-MEM和其他技術的比較*

此表列出不同過濾系統各方面的一般性比較。請注意比較各種系統的面積大小、安裝成本、運轉成本，以及回收效益的差異。結果顯示，當用來保護或提升膜系統時，EZ-MEM 都能顯著減免新機安裝及運轉之成本。
 
*本資料僅供一般比較之用。並不在呈現實際安裝成本，因為尚未包括許多重要因素。
 

二、硬水抑垢催化劑(TAC，鐵克)

硬水是什麼？
水中含大量溶解的礦物質特別是鈣與鎂的鹽類如碳酸鈣、硫酸鈣等。根據世界衛生組織（WHO）所公佈硬水與軟水的基準(較台灣的標準嚴格)，軟硬水的分法是依碳酸鈣(CaCO3）含量為標準。台灣地區的軟硬水分布情況如表1所示：

表1 台灣地區的軟硬水分布

水的軟硬度 ppm
(CaCO3）		 gpg
(Grains / Gal)		 台灣地區
軟/硬水分佈區域
軟水 0-17.1 0-1  
軟水 17.1-60 1-3.5 台北
偏硬水 60-120 3.5-7.0 龍潭、花蓮、埔里、員林、北斗、田中
硬水 120-180 7.0-10.5 新北市(泰山、五股除外)、宜蘭、竹東
超硬水 ＞180 ＞10.5 泰山、五股、新竹、苗栗、中部地區(埔里等地除外)雲林、嘉義、台南、高雄、屏東、台東
 
       簡單來分，通常CaCO3含量小於0〜120毫克/升就稱「軟水」；大於120毫克/升就稱為「硬水」。表2將為您顯示各級水質的特性。
 表2各級軟硬水的特性
軟水 偏硬水 硬水 超硬水
0-60 mg/L 60-120 mg/L 120-180 mg/L <180 mg/L
太軟的水具有侵蝕性，容易氧化血管壁上的微量元素。 適合人體飲用。 人體可飲用，但硬度稍高，口感也不佳。 硬度過高，口感苦澀。
      圖1顯示台灣地區的軟/硬水分布，以及北/中/南/東各地區的水質特性。
圖1台灣地區的軟/硬水分布與各地區的水質特性
 
      按此圖來看，北部的水碳酸鈣含量較低，屬於偏硬水，中南部的水碳酸鈣含量高屬於超硬水。表3將為您顯示全世界各地大都市的軟/硬水水質數據，以方便您比較所在都市的水質水準。
 
表3全世界各地大都市的軟/硬水水質數據
都市(西方) 水質硬度(ppm) 都市(亞洲) 水質硬度(ppm)
洛杉磯 80-100 台北 <50
波士頓 60 北京 >100
紐約 50 上海  >100
柏林 >100 廣州 80-100
倫敦 >100 東京  60-80
莫斯科 >100 杜拜 70
維也納 >100 河內 100
    馬尼拉 60
     曼谷 100
    首爾 60-80
                      吉隆坡 50
    雅加達 100
 
       圖2顯示的是美國地區的軟/硬水分布(單位：gpg)。該國的硬水區明顯地也是集中在廣大偏西的中南部地區。
圖2美國地區的軟/硬水分布
 
硬水所產生的問題對家庭的影響
  • 杯盤殘留的水垢痕跡。
  • 肥皂不起泡，皂垢形成在水龍頭、洗盆及浴室牆壁。
  • 石灰質結垢在水龍頭、噴頭與玻璃幕上。
  • 石灰質結垢在水管中。
  • 石灰質結垢在熱水器之加熱管上，浪費瓦斯或電可達24%。
  • 石灰質結垢在家電、廚具上。
 
傳統軟水器
離子交換樹脂桶及再生用濃鹽水桶
軟水常用的軟水劑為樹脂，樹脂能夠通過離子交換取出水中較硬的礦物質。在進行離子交換產生一定量的軟水後，離子樹脂就會因吸附一定量的鈣鎂離子而達到飽和；這時，就需要進行樹脂再生。即用飽和的再生用濃鹽水浸泡樹脂層，將樹脂所吸附的鈣鎂離子再生置換出來，恢復樹脂的交換能力，並將廢水排出。
 
污染
       離子交換樹脂在使用過程中，常出現清洗水不斷增加，出水水質差，周期性制水量不斷下降，顏色變深，樹脂交換容量不斷下降等污染現象。污染原因有以下幾種：
 
  1. 有機物引起的污染。有機物主要是存在天然水中的腐殖酸、相對分子量從500～5000的高分子化合物及多元有機羧酸等，這些物質在水中往往帶有負電，成為陰離子交換樹脂污染的主要物質。這類污染從COD的監測中可檢出。
  2. 油脂引起的污染。水中往往含有油類物質，形成膜狀物，堵塞或包裹了樹脂的微孔，阻礙微孔中的活性集團進行離子交換。
  3. 膠體物質引起的污染。水中膠體顆粒常帶負離子，使陰離子樹脂受到污染。膠體物質中以膠體矽對樹1脂的危害最大，它吸附並聚合在樹脂的表面上阻止交換。
  4. 高價金屬離子引起的污染。水中的高價金屬離子（如混凝劑中高價金屬離子的後移等），如Al+、Fe3+等擴散進入陽離子交換樹脂的內部，由於這些高價金屬離子的交換勢能高，與樹脂中的固定離子SO3-牢固結合形成Al（SO3）3、Fe（SO3）3等，從而使這些固定離子失去作用，喪失了離子交換能力。
  5. 再生劑不純引起的污染。再生劑往往混有很多雜質，如Fe3+、NaCI、Na2CO3等，對陰離子交換樹脂的影響最為嚴重。

離子交換樹脂與再生濃鹽以及受排放濃鹽廢水而污染的河川
 
美國加州及德州帶頭全面禁止排放含鹽廢水的軟水器 
  • 加州全面禁令：AB1366 法令；
  • ２０１０年阿諾州長簽署禁令；
  • ２００２年德州全面禁止軟水器排放鹽廢水；
  • 美國其他超過３０州，含密西根、俄亥俄、新澤西、康乃迪克、佛羅里達、蒙他那、新墨西哥等州皆有部份市、郡立即的禁令。
 
水的市場—面臨法令要求的壓力
美國加州已立法禁止離子交換樹脂軟水器
加州禁令條文 SB1006, AB334 內容：
「若地方政府為配合州政府水質管控局要求用水回收再利用，並經獨立機構研究視限制或禁用軟水器為必需時，各地方政府可自訂法令條文限制或禁止軟水器之使用。」
 
 
 
 
 
世界衛生組織之飲用水含營養份的報告：
「我們可以下如下之結論：硬水是有益的因為它含有有價的營養份，這些營養份可降低環境中有毒元素的沖擊。為減少心臟病之危害，理想的飲用水應該含有充足的鈣與鎂，而為適度的硬度。在我們的食物的供應中微量元素，如銅、鐵類也相當缺乏，也不應全面去除。」
 
 
 
  
世界衛生組織之飲用水含營養份的報告：
「在水源含比較高的硬度或含鈣鎂之人口地區與相對水硬度較低的地區，其心血管疾病之死亡率比較低。在國家與國家的對照研究發現水的硬度的保護效應是全世界人口的普遍現象。」
 
 
 
 
 
 
TAC抑石灰質軟水方法才是「綠色」的解答
  • 比較經濟；
  • 不使用食鹽或化學品；
  • 不須要用能量；
  • 不排放廢水；
  • 幾乎不須維護；
  • 規模小不佔空間。
 
催化抑石灰軟化技術
革命性的技術突破；領先、有效、持續的不消秏再生用化學品的技術。
  • 不用食鹽再生；
  • 不用逆洗；
  • 不排放濃鹽廢水；
  • 取代離子交換樹脂軟水器；
  • 將硬水礦物質轉換為無害，不活躍的次微米結晶。
 
各種防止結垢技術之效率比較
(美國亞歷桑那州立大學研究報告　April.2011)
美國亞歷桑那州天培市自來水：TDS：479ppm，硬度：180 ppm
 
處理技術 防止結垢效率 電熱管經21天加熱後的結垢影像記錄
保持80℃水溫 保持60℃水溫
無處理
(原水)		 0% 0%
TAC催化法 99% 97%
電子抑垢法
(EIP)		 54% 46%
電磁處理法 53% 47%
 
TAC石灰質軟水器與傳統離子交換樹脂軟水器使用空間的比較
(流量：1,130公升/分鐘)

 傳統離子交換樹脂所佔用的空間約需TAC抑石灰質軟水器的6至7倍空間之譜！
 
TAC抑石灰質軟水器與傳統離子交換樹脂軟水器的比較
 (流量：1,130公升/分鐘)
 
系統 總面積 食鹽使用量
(公斤/年)		 食鹽成本
(NT$/年)		 廢水量
TAC抑石灰軟水系統 4.06m2 無 零 無
傳統軟水器 26.8m2 29,220 美國鹽價NT$224,000
台灣鹽價NT$327,000		 不環保
大量廢鹽水
用量與成本皆為每年使用或費用。
水的硬度以250ppm計算，每個月用水量以3,785,000公升(100萬加侖)計算, 每公斤的鹽去除400克的硬度(Ca計算)。
食鹽成本：(1)以美國送到價US$0.12/1b (NT$7.66/公斤)。
                  (2)台灣台鹽經銷商自取價 NT$11.2/公斤。

 

三、超低壓差奈米薄膜(EZ-PER)
(待續)
 



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