黃聖智、黃馨儀 / 工研院材化所
本文旨在分享廢水、污水零排放(ZLD)過程中，鹵水資源化對碳排放之影響。電透析(ED)為目前唯一可同步將鹵水中有價離子分離，並同時產出再生水、酸、鹼之鹵水資源化技術。本研究團隊以ED系統結合功能性膜片，針對ZLD程序之鹵水所含有價離子分離已有許多成功案例，例如於純水系統之樹脂再生液(40~50 mS/cm)分離產出純度90%之HCl及NaOH，減碳量為5 ton-CO2e/y；於磷酸蝕刻廢液分離Cu2+及磷酸濃度分別為0.36 mg/L及13 wt%，減碳量為519 ton-CO2e/y；硫酸鈉廢液，則分離成H2SO4及NaOH，其濃度分別為11 wt%及9 wt%，且排水導電度降低80% (0.7 mS/cm)，減碳量為248 ton-CO2e/y。ED系統結合ZLD程序將鹵水有價離子資源化，可降低水處理過程之藥劑消耗、廢水排放及固體廢棄物之產生，有助於碳排放之減量。
【內文精選】
零液體排放
隨著海淡水廣泛應用，鹵水(Brine)排放所造成之影響亦成為許多專家學者關注之課題。鹵水所含總溶解固體物(Total Dissolved Solids)高於半鹹水(Brackish Water)及海水。除了高鹽度之外，鹵水亦可能含有預處理/後處理過程之化學殘留物(例如阻垢劑、絮凝劑和混凝劑)。常見之鹵水處理方法包括：海洋放流、深井注入、污水處理、地表水處理及土地利用等。相關研究指出，鹵水會對環境造成負面影響，有鑒於此而發展出零液體排放(Zero Liquid Discharge; ZLD)程序。ZLD與海水淡化技術結合，可將鹵水進一步濃縮至乾燥或完全乾燥。ZLD系統產出之淡水(再生水)可回用於場內次級用水，例如澆灌、消防用水、沖廁等；而固體物(高度濃縮鹽)則依所含成分而有不同面向之應用，例如馬路、人行道、水泥等。
海水淡化技術對於含高濃度離子水溶液具有良好脫鹽成效，故被應用於民生污水或工業廢水回收再利用程序，以提高水回收率，且與ZLD技術搭配以獲得更高效益。常用之高濃度離子水溶液處理技術包括：離子交換(Ion Exchange)、溶劑萃取(Solvent Extraction)、吸附(Sorption)、膜分離(Membrane Separation)、冷凍結晶(Freezing Crystallization)及電透析(Electrodialysis; ED)等方法。一般而言，於薄膜濃縮技術之後設置蒸發濃縮單元處理濃縮液(圖二)，兩者結合可提升水回收率達70~99%、鹽分回收達99%，但操作成本會較單獨使用薄膜濃縮單元增加；此外，固體物則依薄膜及蒸發程序前處理單元之選定(例如：離子交換樹脂、NF過濾)可獲得高純度產品，回用於廠內製程，藉此降低藥劑消耗及碳排放量。
圖二、工業用水ZLD程序
鹵水資源化程序
由質量不滅定律得知，再生水及循環水之處理程序，其產水過程同時將產生另一股含高濃度離子水溶液(鹵水)，通常以海洋放流、深井注入、污水處理、地表水處理及土地利用等方式處理。惟研究指出，鹵水排放將造成環境衝擊，使水處理程序逐漸往ZLD方向發展。傳統ZLD經常利用熱蒸發系統將鹵水固液分離，其中，液體回用於系統，固體則以混合鹽形式廢棄。熱蒸發系統通常為高能耗單元，亦即同樣能耗處理相同體積鹵水，其處理效率與所含離子濃度呈正比，故於評估能耗與經濟可行下，於前端水回收程序將鹵水濃度大幅提升(即增加水回收率)，可有助於增加熱蒸發系統之處理效率。ZLD水回收率依進流水質而有顯著差異，係因薄膜系統及蒸發系統經常受Ca2+、Mg2+、CO32-、SiO2及COD等物質干擾而發生污堵或結垢現象，導致系統處理效率降低，進而影響水回收率，故前處理程序(生物處理、高級氧化處理、化學混凝)亦為廢水處理ZLD程序之重要單元。
傳統ZLD仍具有固體廢棄物排放之缺點，本文著墨於ZLD程序之優化，藉由將鹵水中有價離子進一步分離，分離後直接回用或進入蒸發系統移除水分，產出高純度有價資源(圖三)。
圖三、傳統ZLD及資源循環再生ZLD
鹵水資源化應用
工研院材料與化工研究所團隊將電透析系統應用於水再生及鹵水資源化(Brine Resource Recovery)已有許多實例，以下針對選擇性電透析(Selective Electrodialysis; SED)系統於離子資源化之應用進行分享，包括：純水系統樹脂再生廢液、磷酸廢液及硫酸鈉廢液等。
1. 純水系統樹脂再生廢液
國內某工廠之純水系統利用3~5% HCl及NaOH進行樹脂再生，其混合排放廢水導電度約40~50 mS/cm，具生物毒性。因此，採用SED系統優化廢水處理程序，將高導電度再生廢液分離/純化產出純度>90%之HCl及NaOH，且濃度皆可達4~6%，能夠再回用於樹脂系統再生，減少廠內酸、鹼使用量，降低操作成本。此外，廢水經SED處理後，導電度<10 mS/cm，可與原廢水混合後排放，有效降低生物毒性 ---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。