徐樹剛、吳旻珊／工研院材化所；簡文宏／宏津科技有限公司、呂理維／宇沛永續(股)公司
近年來因放流水標準增修加嚴，部分企業考慮採用熱蒸發技術濃縮廠內污染物含量高之廢水(液)，降低其量體後再委外清運處理。然熱蒸發技術於國內環保領域應用案例仍偏少，其原理與應用性對多數環保從業人員仍屬陌生，不易依所產出之事業廢水(液)特性，選擇合適之節能熱蒸發技術。本文針對六種業界常見推廣之節能熱技術，分別介紹其節能機制、技術原理與應用特性，及從與熱蒸發有關之廢水(液)理化特性評析適用性，提供有需求之從業人員參考。
一、前言
近年因環保署新增或加嚴多項放流水管制標準(如氨氮、鈷、硼、N-甲基吡咯烷酮等)，部分企業為因應此一要求，評估將廠內含有前述物質之中高強度廢水(液)，採熱蒸發濃縮方式先減少量體後，再委託代處理業者清運處理。然廢水(液)特性與量體多有差異，不同場域所能提供之能源種類亦有差異，需綜合考量方能選擇適合之節能熱蒸發技術。
筆者與團隊嘗試以過往經驗，從環保從業人員角度解析目前常用與新興之節能熱蒸發技術運轉原理，分析不同特性廢水之適用性，供有需要利用熱蒸發技術進行廢水濃縮減量之從業人員參考。本文為便於一致性解說熱蒸發技術，文中常出現之名詞茲先整理說明如表一。
二、節能熱蒸發技術原理與應用特色介紹
熱蒸發技術使用之熱源主要考量溫度與熱量兩參數，前者與蒸發器操作條件及熱源和廢水(液)熱交換所需面積有關，後者則為水蒸發過程用於廢水(液)升溫(顯熱)與水液氣相變(潛熱)所需供熱量有關。
然不論蒸發器操作於常壓或負壓條件，潛熱量需求佔總蒸發水過程耗熱量至少85 %以上，表二為水於不同壓力下之顯熱與潛熱值。是故，將水之相變潛熱有效回收，為熱蒸發技術重要節能手法。另外，若場域有低成本之低品位熱源，將其導入適合熱蒸發技術，取代高成本初級能源驅動水分蒸發，某種意義上也達到節能之目的。
本文所介紹之節能熱蒸發技術，主要與使用初級能源且未進行潛熱回收之熱蒸發技術(如單效蒸發)進行比較。此些節能技術或因具潛熱回收能力、或因可使用低品位熱源驅動水份蒸發，均可達到降低初級能源使用之節能目的。相關技術茲簡要介紹如下。
2.1 多效蒸發技術 (Multi Effect Distillation; MED)
技術原理：將多具蒸發器串聯，藉由各具(各效)蒸發器操作溫度差異，達到前一具(效)蒸發器所產生之二次蒸汽，可作為下一具(效)蒸發器之一次蒸汽熱源，如第2效蒸發器所產生之二次蒸汽為第3效蒸發器之一次蒸汽熱源，圖一為多效蒸發技術應用示意。實務運用於廢水(液)蒸發減量，考量設備投資成本與第一效及末效之可利用溫差，多採5效以內規劃，換算每噸產品水能耗約需0.3 ~ 0.5噸一次蒸汽。
應用特色：MED技術處理水量大、技術成熟、操作彈性高，近年於海水淡化領域有廣泛應用。場域如有成本低、裕度足之一次蒸汽源(如汽電共生廠)，可考慮以此技術進行廢水(液)濃縮。
圖一、多效蒸發技術應用示意圖
2.6 空氣源蒸發技術 (Humidification-Dehumidification; HDH)
技術原理：當空氣中水蒸氣壓未達該溫度下飽和水蒸氣壓時(相對濕度未飽和)，環境中液態水即會持續蒸發至空氣中。本技術即利用此一原理，以大量空氣為載體，持續於相對高溫區使水份蒸發至空氣中，再於相對低溫區讓水蒸氣被冷凝回收，圖六為空氣源蒸發技術應用示意[6]。HDH技術一般需將廢水(液)加熱至50 ~ 70 ℃，若不計低品位熱源供應成本，換算每噸產品水耗電量約25 ~ 35 kWh…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
三、廢水(液)特性與適用之節能熱蒸發技術
除一般水質分析外，於評估廢水(液)運用熱蒸發濃縮減量前，一般需分析確認其理化特性，今簡要說明與熱蒸發技術操作相關之重要廢水(液)特性。
3.1 沸點溫升
含鹽類、高沸點有機物等物質之廢水(液)，其沸點將隨水分蒸除而逐漸升高，而於最終濃縮條件下之沸點溫度，除決定熱源用於加熱廢水(液)所需熱交換器規格，亦影響二次蒸汽回收效益。對回收二次蒸汽再利用之節能熱蒸發技術而言，沸點溫升愈高代表愈高之運轉成本，如TVR裝置需更多動力蒸汽進行二次蒸汽回收、MVR技術需更多機械功(電能)以達設定壓縮比。圖七為一些常見鹽類溶液於不同濃度下之沸點溫升狀況，若廢水(液)組成複雜或非於常態條件下蒸發，為準確制定熱蒸發系統之各項參數與規格，建議…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、NaCl、Na2SO4與MgCl2等鹽類之水溶液濃度與沸點溫升變化趨勢