本期主題:水處理/再利用

發行人 :高志明

總編輯 :習良孝

編輯主任委員 :習良孝

編輯副主任委員:丁力行

本期主編   :朱敬平

編輯工作小組:王志遠、陳立儒、

廖彥雄、阮春騰、張家豪、王郁翔、

蔡倩怡、陳婉寧

105年08月

新穎生物除氮-厭氧氨氧化技術操作應用實例

張子龍 / 松喬環保科技股份有限公司 總經理
許 彤 / 松喬環保科技股份有限公司 課 長
顏嘉亨 / 工研院 材料與化工研究所 研究員
余嘉誠 / 工研院 材料與化工研究所 助理研究員
黃盟舜 / 工研院 材料與化工研究所 研究主任

摘要

  電透析主要是透過直流電場的作用,使得水中離子發生通過選擇性離子交換膜的現象,進而達到水體純化之目的,而倒極式電透析則是透過直流電正負極和內部導流的切換,進而自動清洗離子交換膜表面上的結垢,改善積垢問題,延長薄膜使用壽命,並提升系統的操作穩定性,減少化學藥劑的使用量。隨著薄膜成本降低,薄膜材質不斷的改良,薄膜透析之性能與穩定性也大幅提昇,再加上程序控制的自動化,使其應用上更為普遍。目前倒極式電透析技術已商業化運用在高鹽度地下水、河川水與半鹹水淡化脫鹽處理,未來不論在水回收、廢水回收或海水淡化處理上皆具有極大的發展潛力。

關鍵字:倒極式電透析、脫鹽處理、水回收再生

一、前言

  全球目前人口增長的速度已對淡水的供應構成巨大壓力,整體用水量已超過每年90,000億m3,根據世界資源研究所統計[7],全球超過30%的國家處於用水高度緊張的情況,而台灣在其2010年統計數據下則排名世界第30位,顯示國內確實有水資源使用上的危機。因此,在淡水生產效率跟不上人口激增的現象下,水回收再生技術的研發與精進已是刻不容緩。電透析(Electrodialysis, ED)是可在特定環境下替代薄膜分離程序的水回收技術,原理主要是透過直流電場的作用,使得水中離子發生通過選擇性離子交換膜的現象,達到水體純化目的。而倒極式電透析技術(Electrodialysis reversal, EDR)則是將電透析處理技術作進一步修正,透過直流電正負極和內部導流的切換,進而自動清洗離子交換膜表面上的結垢,大幅度地改善積垢問題,延長薄膜使用壽命,並提升電透析系統的操作穩定性,減少化學藥劑的使用量。目前,EDR技術在水處理上適用層面極廣,已運用在脫鹽處理、純水系統預處理、廢水回收、電鍍廢水回收/處理、飲用水處理等[5,6,16,19]。

二、電透析原理

  ED系統之建置通常是在正負兩電極之間交換地平行放置陽離子交換膜和陰離子交換膜,依次構成隔室,而透過電場驅動下,溶液中帶正電荷的陽離子將往陰極方向遷移,穿過帶負電荷的陽離子交換膜,但會受到帶正電荷的陰離子交換膜所阻擋,同理,溶液中帶負電荷的陰離子在電場作用下向陽極遷移,透過陰離子交換膜,而被阻於陽離子交換膜,如圖一所示。以離子交換膜而言,水處理中常用的陽離子膜為強酸性磺酸型離子交換膜,而常用的陰離子膜是強鹼性季銨型離子交換膜。整體來說,ED系統除具有淡水室和濃水室外,還包含陰陽兩極室,極室內通常為電解質溶液,主要是確保系統之導電性和移除電極所產生之氣體。

  ED的處理效能則通常與下列系統內容相關[4,8]:

  (1) 離子交換膜的材質與結構。

  (2) 待處理水體之離子濃度。

  (3) 處理系統之電流密度。

  (4) 離子交換膜間水體之掃流速度。

  (5) 模組結構設計。


圖一 電透析示意圖[13]

三、倒極式電透析技術於水回收上的特點

  常見的水回收程序包含離子交換樹脂、逆滲透(Reverse osmosis, RO)與電透析等技術,而前述三種技術的經濟性與其水體中鹽類之含量有極大的關係。簡而言之可分為四類,如圖二所示,含低濃度鹽類(< 500 mg-salt/L)者適用於離子交換樹脂;中高濃度鹽類者(500 < Csalt <3,000 mg-salt/L)則適用於ED/EDR程序;而超過3,000 mg salt/L者相對適用於RO程序,最後,若超過10,000 mg-salt/L以上者需另考慮其他更為經濟之處理程序。


圖二 處理水體鹽類濃度與商業化處理技術之成本比較[2]

  ED膜相較於RO膜通常具有較好的物化抗性,而EDR程序更使得ED膜對雜質、膠質及細菌的容忍度高於RO膜。此外,RO是因滲透壓之關係,導致其所能達到的濃縮倍數不如ED,因而水回收率偏低,但亦相對具有較優良之處理水水質(脫鹽率>95%)。目前,EDR在國內外已有相當多的廢水回收實績,且經由評估實驗證明其總效益亦優於其他方法(例如:RO、UF/RO等),其主要優點如下[9,12]:

  (1) 高濃水濃度:EDR處理的濃水濃度可達TDS 100,000 mg/L。

  (2) 可高溫操作:系統耐受溫度可達45℃,且溫度提高可增加EDR處理效率。

  (3) 耐化學性強:可操作於pH 1-10之水體環境,且能使用化學藥劑清洗膜表面結垢。

  (4) 進流水質之淤泥阻塞指數(Silt density index, SDI)要求較低:RO為SDI5<5,EDR
    為SDI5<15。

  (5) EDR膜面不易結垢(Fouling & Scaling),CaSO4飽和度可達175%,若添加抗垢劑
   於EDR濃縮迴流中,CaSO4飽和度更可達400%。

  (6) 能源消耗低:低壓(45-90psi)操作,動力消耗低。

  (7) 水回收率高:EDR的迴流設計可達95%的水回收率。

  (8) 清洗維修週期長。

  (9) 壽命長,操作管理簡單。

四、倒極式電透析技術在水回收應用上之實際案例

(一) 印刷電路板產業案例-放流水回收再生

  以PCB(Printed Circuit Board)廠綜合放流水水質(COD 80 mg/L; TOC 25 mg/L; conductivity 3,500 μS/cm)而言,若欲處理至近工業用水水質,即TOC <4 mg/L和導電度<500 μS/cm,該案所採用水回收流程為:放流水→生物膜或BioNET程序→砂濾→活性碳程序→EDR系統。

  根據實際操作結果[13],EDR系統之處理量為100 L/h,倒極頻率為每30分鐘一次,脫鹽率可超過70%。前述處理流程處理水質如表1所示,電導度降至410-520μS/cm,TOC<20 mg/L,已可以運用於冷卻水塔使用水,若再經RO處理程序則可再作為其他水源使用。EDR系統前可選擇設置或不設置過濾設備(例如:UF),若無設置,EDR倒極的頻率則相對較高(約15分鐘一次),會造成水回收率降低;若設置,則可以延長EDR薄膜的壽命,但過濾設備除須定期反洗外,亦會面臨更換問題,形成額外費用。

表1 PCB業廢水回收處理功能[13]

(二) 螺絲製造業水處理案例-高鹽度河川水回收至製程作為清洗用水

  中國大陸江蘇省嘉善地區的螺絲製造工廠,主要針對高鹽度河川水(導電度高達1,000 µs/cm,一般自來水導電度僅約300µs/cm)採用EDR系統進行處理並回收至製程清洗單元使用,每日處理水水量達2,400 CMD,實際設備如圖3所示[15]。而該水回收製程之回收率約介於70-80%間,脫鹽率超過75%,操作成本約為0.91元人民幣/m3,與自來水水費1.25元人民幣/m3比較,相當具使用上之經濟效益。


圖3 應用於高鹽度河川水回收處理之EDR設備[15]

圖4 直接冷卻排放水回收再利用實廠照片[18]

(三) 電器製造業水處理案例-冷卻循環水回收再利用

  電器加工廠使用EDR系統針對冷卻循環水進行脫鹽處理,進而再生回收作為補充水源使用,回收率可達70%。而前述再生系統之主要處理單元為砂濾與EDR,處理水質如表2所示,脫鹽率約85%,操作成本包含電力及藥品約5.5元/m3[15]。

表2 電器加工廠冷卻循環水脫鹽水質[15]

(四) 鋼鐵廢水再生案例-熱軋直接冷卻排放水與電鍍鋅產線洗滌廢水回收

  鋼鐵相關產業方面,葉[18]指出熱軋直接冷卻排放水透過EDR技術處理後,可直接作為原冷卻水系統補充水使用(實廠照片如圖四所示)。處理流程為冷卻循環水經纖維過濾及精密過濾後,再經二套2級2段電透析模組進行脫鹽,共使用1,200對膜,系統之設計產水量>550 CMD,水回收率>75%。除此之外,前述冷卻排放水之導電度1800 µS/cm亦可有效處理至350 µS/cm以下,脫鹽率超過80%。不但有效節省自來水使用費,也可減少廢水之處理費用,其枯水期能減少補水/排水量439 CMD,而豐水期亦能減少補水/排水量239 CMD。

  而電鍍鋅產線洗滌廢水回收實廠應用案例部分,EDR系統搭配離子交換樹脂處理可有效達到生產純淨水之目的,並回至電鍍鋅產線使用[17,18]。前述處理程序之前處理單元係採用氧化混凝沈澱,首先,將鐵離子氧化為氧化鐵後去除,再經5 µm之纖維過濾處理後;接著,直接進入EDR系統(總膜對數為1,050對),而EDR可將洗滌廢水之導電度由1,200 µS/cm降低至180 µS/cm以下,且處理水產量可達538 CMD,水回收率70%,脫鹽率85%;最後,再經離子交換樹脂處理,則再生純水之導電度可小於10 µS/cm。該案EDR技術應用在洗滌廢水回收,以純水使用成本與廢水處理成本估算,年效益達1,160萬元。

五、倒極式電透析與薄膜阻塞

  通常薄膜裝置在水回收之應用上,都會面臨阻塞問題,因此,如何有效減少積垢(Fouling)與結垢(Scaling)是極重要的關鍵因素,而ED系統中造成結垢的物質通常為重金屬、有機和無機膠質、溶解性有機物、生物質、鹼金屬等[3,10]。目前,利用微過濾、有機物前處理(例如:活性碳吸附、生物處理等)和進流水pH調整為一般常見的使用方式。而EDR系統面臨阻塞最需要考慮的三項因素如下[1,11]:

  (1) 膠質結垢(Fouling by colloidal materials):EDR系統透過控制適當之膜間流速,以及同時配合定期的倒極操作,可使得膠質結垢相對較不容易發生,如圖5所示,不過一般原水的SDI5最好控制在12以下。

  (2) 有機物結垢(Fouling by organics):由於小分子量的有機物通常可以透過薄膜,而大分子量的有機物可以在倒極時被洗出,因此,最容易造成膜結垢的往往是中分子量的有機物(MW=250-700)。建議進流水TOC 控制在2 mg/L以下,或者定期使用5%NaCl和微量NaOCl來進行清洗。

  (3) 生物結垢(Biofouling):一般以連續加氯(自由餘氯~0.5 mg/L)或添加H2O2之方式即可避免此問題的發生。


圖5 EDR系統透過極性轉換防止薄膜阻塞示意圖

六、電透析技術發展與未來應用結語

  ED主要係藉由電位差之趨動力以進一步達到濃縮之功能,在分離原理上遠較擴散透析複雜,除原有質傳、流力二項理論外,尚需增加電化學之原理。因此,在系統設計上增加了相當多之難度,導致迄今為止,電透析之製造設計原理仍引用相當多之經驗式;另一方面,為增加能源使用效率及單位薄膜面積之電流密度,薄膜製造商亦積極製造電阻更低及離子輸送係數(Transfer number)更高之離子交換膜。而若欲使所設計之ED系統其性能水準符合客戶需求,則薄膜功能測試、分離效率測試及能源使用效率測試等方面皆是關鍵性技術,目前,仍為國內外分離技術發展的重要課題之一。

  由於水資源的匱乏,及海水淡化廠的興建、水污費和水費的變動、水量匱乏地區要求使用回收水、工廠水回收率的要求提升等現況發生,加上對大廠規定限水的要求,凸顯水回收的重要性,因此,如何規劃與選擇經濟有效之水回收方法,為急迫需求之研究課題。目前,水源除了使用地面水、地下水及井水外,另有海水淡化廠以因應未來需求,但仍非永續生產之解決方法。而隨著薄膜成本降低,薄膜材質不斷的改良,薄膜透析之性能與穩定性也大幅提昇,再加上程序控制的自動化,使得EDR在水處理應用上更為普遍。目前,EDR已成功商業化運用在高鹽度地下水、河川水與半鹹水淡化脫鹽處理上,未來不論在水回收、廢水回收或在海水淡化處理上皆具有極大的發展潛力,值得進一步推廣應用。

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