新興海淡水處理技術:現況及未來發展

 

刊登日期:2021/8/5
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莊雅茹、林冠佑/工研院材化所
 
開發新興水資源為達到SDG6之關鍵,海水屬可穩定供水之新興水源,各國政府因應未來用水缺口,皆積極規劃及推動海淡廠建置。現有海淡廠多採用膜法(如逆滲透)及熱法(如多效蒸餾),其產水成本高、高碳排且濃水/廢棄物易造成海洋生態破壞,故為因應龐大的海淡水需求,未來海淡技術更應朝向低成本、節能減碳、低環境衝擊之目標開發。電透析為一成熟脫鹽技術,且已廣泛應用於工業廢水及民生用水,現今國內已建立國產化脫鹽膜材與模組,若可透過膜材優化及模組改良衍伸應用至海水淡化,將可提供市場另一新興海淡水處理技術。
 
【內文精選】
前 言
隨著人口成長、都市化、經濟成長等,缺水現象越趨加劇,根據世界銀行報告指出,2030年全球將面臨降雨短缺達40%,並直接衝擊供水系統,因此水資源有效管理迫在眉睫。現今,世界各國雖已開始嘗試透過水管理改善,如精緻農業、工業水回收及都市用水再生等方式,甚至透過技術整合進行可行性驗證及成本分析以因應未來缺水問題,但其改善速度仍有限,僅可補足至2030年用水缺口之20%~50%。新興水資源的開發可以協助提供穩定供水,海水資源無限,故海水淡化(Seawater Desalination)已成為一風險管理工具,而為抗旱及應對氣候變遷解決方案之一。如新加坡持續興建海淡廠以因應鄰國日漸漲價之進口水成本,海淡便成了一穩定且有效的工業及民生供水方案,並有助於政府控管經濟、民生及政策管理。近年來,許多國家及地區面臨系統性缺水,海水為穩定替代水源,目前已有超過150個國家使用海水淡化技術,提供至少3億人使用。此外,現今脫鹽技術(Desalination Technology)亦日趨成熟,在缺水加劇的同時,技術層次不斷提升,其成本也同時不斷下降,因此整合脫鹽處理技術及妥善使用將可解決未來用水缺口。
 
現有海淡技術及特性
脫鹽技術主要可分為逆滲透(RO)、多級閃蒸法(MSF)、多效蒸餾法(MED)、奈濾(NF)、電透析(ED)/倒極式電透析(EDR)、電去離子(EDI)與其他(如正滲透、薄膜蒸餾、真空壓縮等)。雖技術種類多元,但現今主流海淡技術仍以熱法(Thermal Methods)與薄膜法(Membrane Methods)為主,其技術占比及處理原水種類如圖二所示。
 
圖二、全球運轉中之脫鹽水廠依技術及處理原水種類占比
圖二、全球運轉中之脫鹽水廠依技術及處理原水種類占比
 
影響海淡產水成本關鍵因子
現已有多種海淡技術並成功應用於實廠,其仍以SWRO及熱法為主。SWRO市占率約為三分之二,其自90年代已漸超越熱法,熱法則主要應用於中東等地區。除分布地點之氣候因素外,海淡系統操作參數與維運過程則涉及水回收率、產水能耗、用藥量、耗材等層面,概述如下:
回收率:
熱法需使用大量原水,因其回收率(Recovery Rate)僅有10~20%;SWRO回收率為30~50%。
能耗:
以操作成本而言,熱法以能源消耗為主,占約66%;SWRO能源消耗占比約為41%。若以單位產水能耗比較,熱法與SWRO分別為2~10 kWh/m3及4~6 kWh/m3
耗材:
膜材更換費用取決於進流水(原水)水質而定,依鹽度不同其成本約為總操作成本之5~20%,進流水質越複雜,將導致膜更換費用越高。一般而言,中等規模半鹹水(BW)淡化廠其膜更換費用約為每噸產水0.013 USD,海水淡化廠(Seawater Desalination Plants)則為0.031~0.053 USD/m3,而維護費用為總建置成本之1~3%不等。
 
降低海淡成本的新選擇:電透析法
根據文獻彙整指出,電化學相關脫鹽技術(ED、EDI、EDR)相較膜法(RO、NF)與熱法(MSF、MED),於各種TDS範圍之原水水質皆可達到高水回收率,如表一所示。近年來,許多國家開始研發ED/EDR系統於海淡之應用,如新加坡於2007年與SIEMENS合作建置電透析/電流去離子(ED/CEDI)模廠進行海水實測,經測試可降低能耗50%,達1.8 kWh/m3之單位產水能耗。
 
於ED系統優化方面,Doornbusch等學者採用多段式電透析系統(Multistage ED)處理海水,其離子濃度自27 g/L降至1.9 g/L,過程中能耗約為2.2 kWh/m3,水回收率約41%,並提出透過低電阻膜材開發可成功減少至少…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
表一、以不同脫鹽技術處理各種原水水質之水回收率比較
表一、以不同脫鹽技術處理各種原水水質之水回收率比較
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》416期,更多資料請見下方附檔。

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