邱聖壹 / 工研院材化所
台灣為全世界前20名之缺水國家，水資源的循環再利用為相當重要的課題。在水資源循環中，透過民生污水/工業廢水回收再生，以作為非人體接觸之用水是非常關鍵之途徑。台灣於民生污水/工業廢水回收再生中，大宗是以雙膜法進行水回收，本文針對雙膜法之原水前處理技術以及透過前處理技術穩定原廢水水質概略說明。同時，以再生水模型場驗證，透過BioNET進行高級生物前處理方式，可延緩超濾膜的藥洗頻率約原本之1/3，其規模100 CMD之模型場產製再生水每月可減少720 kg CO2e的碳排成效。
【內文精選】
薄膜堵塞與堵塞物質
目前薄膜在淨水的應用上， 最主要的問題之一就是薄膜堵塞(Membrane Fouling)，其在IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)的定義為：薄膜處理的流程中，由於懸浮(Suspended)或溶解(Dissolved)性物質在膜的外表面(External Surfaces)、孔口(Pore Openings)及孔洞中等處沉積，導致效能減失的現象，即為薄膜堵塞。因此有研究統計，當堵塞發生時，通常為維持其應有的效能而會投入更多之能源，操作維護成本也大幅增加。
1. 可逆與不可逆堵塞
前處理(Pretreatment)的主要目的在於改變水體的物理性、化學性及生物性等性質，進而減緩薄膜阻塞的問題與提高薄膜單元的效能。目前常見的方法有以下幾項：混凝(Coagulation)、吸附(Adsorption)、前氧化(Peroxidation)、前過濾(Prefiltration)等。其中混凝是目前最為廣泛使用的前處理方法，藉由改變水中顆粒、無機或有機膠體與溶解性有機物之粒徑大小，形成不可溶之凝聚物(Aggregate)，並在後續之固液分離程序加以去除，減少堵塞物進入薄膜程序中。此外，混凝的成本相較其他前處理低，操作方法也較為簡單，已經有許多實驗證明適當的混凝有助於薄膜堵塞之控制。
2. 高級氧化處理技術
臭氧是由三個氧原子組成的一種不穩定氣體，在鹼性環境下非常容易分解成氧氣。高級氧化法廣泛的定義在於廢水中產生氫氧自由基，然後藉由氫氧自由基去氧化有機物使之礦化。但氫氧自由基在水中對於有機物的反應相當地快速，且較無選擇性。
工業廢水水回收前處理
針對不同工業區污水處理廠進行工業區水回收技術評估，透過前處理程序於A工業區污水處理廠、B工業區污水處理廠進行前處理試驗。以BioNET預處理SS、氨氮與濁度，在進入脫鹽單元前經由UF膜程序以確認進入脫鹽單元無SS進入系統，避免顆粒性阻塞。此外，為減緩薄膜污堵，針對回收水原水進行高級氧化處理，以期提升TOC降解，增進薄膜效能。
在比較A與B廠之原水水質中，TOC兩廠相近，約10~15 mg/L。A工業區污水處理廠廠區處理水主要以電子業、金屬製品製造業與化學品製造業為大宗，部分則為食品加工廠；而B工業區污水處理廠為一綜合型工業區水處理廠，以機械、金屬、鋼鐵等產業為主，另部分有石油與煤製品產業。A工業區污水處理廠原水經由單獨臭氧處理，在高劑量礦化上，約有30%去除效率；而B工業區污水處理廠原水在相同劑量上，其TOC去除僅約10%去除效能，其結果如圖三所示。由實驗可知，B廠之放流水有機物組成較難分解TOC，即使藉由高劑量臭氧亦難以達到有效的去除率提升。
圖三、前臭氧處理TOC去除率變化圖
民生污水水回收前處理
在民生污水水回收前處理方面，則透過BioNET方式處理二沉池出水，針對二沉池與BioNET出水以長期數據統計計算分析，透過盒鬚圖方式呈現，結果如圖五。
圖五、C廠兩段式BioNET氮系數據盒鬚統計分析
由圖五進出水水質長期數據比較可明顯看出， BioNET已漸有硝化作用發生，平均二沉池出水氨氮2.97 mg/L，BioNET出水0.94 mg/L。同時，取樣分析之TKN平均二沉池出水3.29 mg/L，BioNET出水2.83 mg/L。現階段之操作系統參數，系統HRT：1.33 hr，氨氮負荷：0.053 kg-N/m3/d，去除速率0.037 kg-N/ m3/d。在氨氮負荷方面，其BioNET進流平均約7.04 mg/L，負荷為0.225 kg-N/ m3/d，BioNET出流平均為0.918 mg/L，氨氮去除率達86.9%，可穩定出流<3 mg/L。
而為針對民生污水再生效能提升，C廠水回收驗證廠增設BioNET前處理系統，透過兩階段BioNET方式，再針對其有機物的去除，以降低後端薄膜藥洗頻率，減少操作成本為目的。針對氮系做平衡計算，其氮系平衡變化仍不大，有機氮分析部分，二沉池原水與BioNET出水約略保持1.7~2.3 mg/L，現階段尚屬總氮平衡，大部分經由前處理BioNET後皆轉化為硝酸氮 ---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》445期，更多資料請見下方附檔。