施奈妮、施武陽、李子緹、許詠丹 / 中興大學生物產業機電系；江益賢 / 浩瀚數位股份有限公司；黃盟舜、張婷婷 / 工研院材化所
水資源和能源是永續社會發展的關鍵，開發水資源和降低水處理能源消耗同樣成為聯合國SDG目標之一。目前海水淡化和再生水都廣泛使用逆滲透(RO)程序，然而，膜結垢會導致跨膜壓力升高並降低膜的使用壽命，因此，訂定節能控制策略並估測RO系統中使用的膜壽命，對於確保這些系統的充分維護和長期運行至關重要。藉助搭配不同水質水量之膜最佳操作壓力建膜預測技術，可大大降低結垢風險、延長膜壽命並減少處理水所需之電能。具體來說，導入適應性控制演算法(ACA)，根據RO流量數據及生命周期敏感的膜滲透通量為基礎，即時估測關鍵膜參數，並通過監控與數據採集系統(SCADA)即時更新膜參數，同時回饋計算即時水質水量條件下最佳化之操作壓力與純水回收率。下階段規劃將本技術與綠色能源結合，並開發整合於水處理系統之節能模組。
【內文精選】
背 景
根據台灣某再生水廠的實際數據，其於2017年的年度用電量為8,191,600千瓦·時；年度再生能源的售電量為61,538千瓦·時，能源自給率約為1%；年平均COD去除量為115.30毫克/升，主要的能耗單位仍然是RO處理程序，占總能耗的54%。因此，以再生水為例，如何減少RO系統的能源消耗是再生水廠節能管理的關鍵。
在使用淡水逆滲透(BWRO)和海水逆滲透(SWRO)進行海水淡化的過程中，AJ, Karabelas等人量化了系統中能源消耗(SEC)在總程序中的比例。最高比例是滲透壓與鹽度相關，其次是與膜的滲透性成正比的膜阻力(SECf)，然後是系統的能源消耗，接著是由於濃縮極化而引起的能源消耗(SECCP)；其他損失(2.4%)則包括膜過濾阻力、高壓泵(HPP)和能源回收裝置(ERD)效率損失(SECinef)。與SWRO相比，BWRO由於鹽度較低，需要克服滲透壓所需的SEC較低，因此使膜過濾阻力(SECf)成為最大的消耗源(51.2%)。
圖一、優化的單位能耗(SEC)和膜循環壽命估測的流程圖
適應性控制演算法之建立
本研究的目標是建立一個適應性控制演算法，動態估測膜的循環壽命敏感參數。眾所周知，在完成整體水生產配置的設計後，動態管理是不可或缺的。在過去的研究中，已知可以透過數種RO系統的改進來減少RO的能耗，包括使用多級RO系統與能源回收裝置(ERD)等。透過導入ERD回收高壓能量，以SWRO為例，系統的最低單位能耗可降至1.96 kWh/m3；此外，從RO + PRO等混合式RO中回收能源，被視為接近碳中和的方法。另外，通過估測最佳化操作壓力可以達到最佳的單位能耗(SEC)，搭配動態估測膜的壽命敏感參數，提供結垢影響膜壽命相關資訊，可應用於決定反洗時間。
針對兩階段RO的最佳化操作壓力能耗估算模型
在RO中，通過回收率和進料壓力控制可以減少多餘的能耗，這一點在Larry, Gao等人的研究中有所討論。該研究通過監測淡水回收率和進料壓力，在膜結垢的特定循環壽命建模中優化可能的能源使用，並透過類似數值建模，能夠在不同循環壽命的各個層面上控制大規模RO膜系統的主要能耗；此外，膜壽命與節能雙重建模可以應用於討論保持膜的長壽命之可能情境與策略。從節能的角度來看，在相同條件下應用能量回收裝置(ERD)，與單級和兩階段無ERD的情境相比，節能效益分別達到約45%和50%。此外，通過增加總回收率和第一級回收率，兩階段RO比單級RO更為節能。
實際案例研究
1. 模組與參數
團隊使用一兩階段RO海水淡化模組的實際案例進行驗證。模擬的基本參數如下：初始設定於25˚C，鹽度為3.5%，海水進料率為14,000 m3/天(589,889 kg/小時)，ERD回收率設定為90%，前處理模組採用UF膜。該廠的詳細配置如圖三所示。在進行本案例研究之初，使用穩態數值模擬計算，粗估每噸水的基線能耗率為2.1 kWh/m3，以便與後續結果進行比較。
2. 結果與討論
圖十則說明RO的兩階段SEC計算，黃線表示膜的建議最大回收比例，本案例膜製造商建議每個元件的最大操作回收率為15%，六個膜組串聯元件的最大回收率為77.2%；同時，紅線表示目標淡水滲透流量、綠線表示熱力學極限，灰色區域顯示了RO系統的設計操作範圍。根據圖十，估計最小淡水回收率(Ymin)可能為2%和最大回收率(Ymax)為74% ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、兩階段RO海淡產水之單位產水能耗與淡水回收率的關係圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》443期，更多資料請見下方附檔。