黃聖智、蔡翼澤 / 工研院材化所
隨著國內節水節能意識的提高，再生水持續朝向工業廢水回收率達80%及民國120年再生水每日供應量達132萬噸等目標推進。典型工業廢水回收之核心程序所採用的UF/RO雙膜法因技術原理限制，回收率往往僅限於40~60%不等，大量的濃排水仍需經多道程序才有機會進一步汲取符合用水需求之再生水。基於技術原理之差異性，透過電透析技術的整合可於水回收核心程序一次性地增加水回收率>20%，並降低再生水能耗，且維持原有之產水品質。
【內文精選】
水回收率再提升技術整合
國內目前無論系統或非系統再生水，主要之回收核心程序大多以UF/RO雙膜法為主，配合不同再生水源之水質條件及產水用水需求，再輔以相對之前處理或後處理單元。如遇含COD較高之水源，可以MBR取代UF，或於UF前增設生物處理單元；又如使用端有尿素最高限值，則可於RO產水後端增設化學氧化單元等。RO系統之技術原理係以壓力為驅動力，於進流端給予一股大於滲透壓之驅動力，將水擠壓通過半透膜，並藉由半透膜將水中之溶解性鹽類予以阻隔，故當原水所含溶解性鹽類濃度越高時(即導電度越高)，需施加更大的壓力來克服滲透壓。其壓力推進方向(即產水方向)與膜材表面呈垂直施加，意即當水中有任何可能造成積垢之物質，均會被推向膜面，並隨操作時間累積抑或造成膜材穿孔破損。因此RO系統對於進流水源水質有相對嚴苛之要求，如濁度小於0.1 NTU、SDI小於3、COD小於15 mg/L以及其他具積垢潛勢之物質，包含鈣鎂離子或金屬離子等，當水中含有相對複雜或較高濃度之溶解性鹽類組成時，其產水回收率亦難以提升。一般而言，如以水源導電度高低區分為純水、廢水回收及海水淡化，其RO之產水回收率約分別介於80~90%、50~70%及35~45%。
電透析技術原理
電透析(Electrodialysis; ED)主要係以電場為驅動力，給予系統一定的操作電壓以驅使水中之帶電離子往相反電性之電極移動，再輔以陰/陽離子交換膜來篩選離子的遷移種類。如圖四(a)所示，以陽離子交換膜而言，在離子受電場影響而進行遷移的過程中，陽離子(Na+)會穿越膜面帶有負電荷的陽離子交換膜，往陰極的方向移動，而陰離子(Cl-)在往陽極方向移動的過程中，將會被膜面帶有同性電荷(負電)的陽離子交換膜阻隔；在陰離子交換膜的部分則與前述相反(圖四(b))。
圖四、離子交換膜工作原理
離子交換膜之內部微觀結構主要由高分子聚合物(Gel Phase)及其空隙(Interstitial Phase)所構成，而其中的空隙即為離子穿越膜材的離子通道。離子在穿越離子通道的過程主要有4種型態的機制，包含有離子前後濃度差所造成的擴散(Diffusion)、電場驅動下的遷移(Migration)、離子流所帶動的對流(Convection)及在前三者機制作用的同時，透過高分子聚合物所帶有的反電荷而提升離子移動效率的躍遷(Hopping)。
國產化電透析驗證實例
以國內某鋼鐵廠之綜合放流水回收評估為例，該股水源視枯豐水期而定，其原水導電度約介於1,500~4,000 μS/cm不等，其餘水質測項均符合放流水標準，無特定具積垢潛勢之污染物質。為評估該股水源回收再生之可行性，導入國產化均相膜材之電透析系統以實證膜材效能及再生成效(如圖九)，經長期驗證成果可得產水導電度穩定小於300 μS/cm，即脫鹽率≧80%，優於國內南部自來水水質，而濃水在循環操作下可達15,000 μS/cm，約相當於70~80%之水回收率，顯見膜材成效良好。
圖九、國產化均相膜材實廠驗證程序及效能
依前述技術整合相關內容，類似水源如以UF/RO系統進行回收處理，則推估水回收率僅約不到60~70%，然產水水質可達≦100 μS/cm之等級。在產水水質需求較高之情況下，可採RO濃排水以電透析進行回收率再提升之程序規劃；反之如再生水僅需作為環境衛生用之次級用水，則可單獨以電透析系統進行操作，並可以較低之建置及操作成本將產水水質維持在<800 μS/cm即可---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》433期，更多資料請見下方附檔。