国内外水回收再利用研究发展现况

水回收再利用系统中，处理技术之选择及各单元组合方式，依所处理的对象、目的不同而有所不同，除在技术面须考量各程序之处理效能，所回收之处理水是否能达到水再利用之要求外，亦必须将经济诱因及健康风险纳入加以评估，以建立一高处理效率、低操作成本之水回收再利用系统。本研究汇整分析自2000年迄今，水回收再利用之相关文献，认为近几年来水回收再利用之研究发展趋势可分为三大方向，分别为高级处理程序之应用、新技术之研发以及模式评估，说明如下。 1.高级处理程序之应用 可作为回收再利用之原水水源，包括工业废水、都市污水及其它水源，其中以染整工业废水及食品工业废水应用最广且相关研究亦最多。受限于废水处理技术之效能，以传统废水处理单元，处理各类别废水，并无法达到水质及降低人体健康风险之需求，故以初级、二级处理技术为基础，导入高级处理程序，以提升处理效能，可增进回收再利用系统之处理效益，为水回收再利用之研究重点之一。常见之处理技术包括： (1)过滤/吸附/砂滤：在Voigtetal.,（2001）的研究中，利用前处理-过滤-UV消毒之配套流程，针对食品工业废水进行脱盐及有机物去除，处理水可回收做为锅炉及清洁用水。Hamodaetal.,（2004）以砂滤作为三级处理单元，处理活性污泥放流水，操作一年后，系统可稳定的去除95％SS以及99％之BOD及COD，回收水可应用于灌溉。RamirezCamperosetal.,（2004）建立过滤-吸附-RO/离子交换处理流程，去除饮料工业清洗用水中所含的污染物，COD去除率可达80％，TDS为75％，回收率提升为50％。以砂滤配合加氯消毒单元，处理社区污水处理场之二级放流水，在BOD、臭味、色度及外观上无法达到水回收再利用之参考标准，若改以臭氧消毒，则除可达到再利用标准外，同时对大肠杆菌及浊度的去除有相当之助益（倪振鸿等人，2001）。 (2)离子交换/电透析：JacekandGrazyna（2001）以电透析及离子交换作为基本处理单元，藉由单元程序组合的改变，如二阶段电透析；电透析-阳离子交换；阳离子交换-二阶段电透析，探讨最适操作流程以处理废酸或含金属盐类溶液。研究指出，以阳离子交换-二阶段电透析，可得最佳水质，然因树脂再生液使用量大，操作成本反较其它二者为高。 (3)好氧-缺氧-厌氧程序：Ahnetal.,（2003）利用好氧-缺氧-厌氧MBR去除家庭生活污水中所含之营养盐，磷的去除可达93％，而氮则为60％。Chengetal.,（2004）以厌氧消化方式处理含高浓度COD18,000mg/L、TKN1,600mg/L、TP360mg/L之畜牧废水，处理过程中可回收沼气作为能源，且处理水可做农业用途生产蕃茄。郑幸雄等人（2003）利用三段式流体化床生物程序，包含高温厌氧反应槽、脱硝槽及硝化槽，处理压克力纤维制程废水，实验证实COD去除率在90％以上，硝酸氮去除率高于97％，有机氮去除率介于60％～80％间，显示有一定程度的处理效率。陈重男等人（2002）则利用无氧/好氧MBR程序处理都市污水，COD去除率可达97％，总氮及SS则为88及100％。 (4)薄膜程序：Ismailetal.,（2004）以NF单元，处理含有高NaCl及染料、色度浓度之染整废水，处理水经回收后可再进入制程中被使用，估计两年内可回收单元设置及操作成本；Franketal.,（2002）以二阶段NF去除染整工业废水中98％之色度，使水回收率达90％；而TangandChen（2002）同样以NF处理染整废水中电解质及色度，水回收率可达99％。由于制革工业之制程中使用大量化学药品，故制程废水即使经过二级处理，出流水仍含有大量之TDS及有机物，无法以传统之处理程序处理。Suthanthararajanetal.,（2004）使用RO单元，去除98％TDS，回收率提升为78％，若将NF结合RO单元，除可提升回收率外，亦可延长薄膜寿命以及增加渗流量。Lowetal.,（2003）指出，以传统混凝及沈淀处理电视映像管制程废水，有高成本及大量污泥产生之缺点，若改以薄膜程序处理，则浓缩液中的碳微粒可在回收应用于制程中，处理水亦可再被使用。Noronhaetal.,（2002）结合MBR可去除有机物，及NF可移除无机物之优点，辅以UV消毒，可使果汁工业制程废水回收作为冷却或锅炉用水。而乳制品产业废水，因其含有部分牛乳，故水中COD增加，使用RO或NF需再结合其它单元，才能使处理水符合再利用标准（Béatrice,2002）。在MiyagiandNakajima（2002）的研究中，利用UF处理含矿油及非离子性界面活性剂（APE）之乳化废水，结果显示，UF薄膜系统可去除97％矿油及90％APE。Mutluetal.,（2002）使用0.8μmMF结合400Da之NF，处理含有大量BOD、4000mg/LCOD及11000Pt-Co色度之面包发酵工业废水，实验结果可使废水色度去除率达到89％，而COD去除率则为72％。Karabelasetal.,（2001）考虑技术及经济条件，选用RO作为处理肥料工业废水之主要单元，浓缩液中所含之化学物可回收再利用于制程中，而处理水可作为冷却水水源。Alanetal.,（2000）利用UF-RO程序处理中水及雨水，处理水经消毒单元后可做为厕所冲洗水，其中中水由于含较多有机物质，故进入薄膜组合程序前，需先经生物滤床进行前处理。Otakietal.,（1998）以河川水为处理对象，认为UF系统对E.Coli的去除率可达100％；而Bianetal.,（1999）发现，单独利用UF处理河川水，并无法有效去除水中腐植质，若配合预混凝程序，则去除率可达80％，或利用MF配合活性碳吸附，可增进腐植质之去除效率。黄信仁等人（2001）发现，经适当前处理后，以不同操作压力进行UF操作，能使半导体业之化学机械研磨废水浊度，降至0.5NTU以下，所得之澄清液，可回收利用于非制程系统，甚至进入纯水系统进一步纯化再利用。江万豪等人（2001）以UF薄膜结合混凝前处理，回收CMP废水。结果显示，混凝的确可增进浊度、TOC的去除率，采用薄膜分离技术回收CMP废水，适当的混凝前处理不但增加废水回收效率、延长薄膜操作滤程，且省下沉淀池的用地。在ChenandChen（2004）研究中，以MBR结合RO程序处理液晶显示器工业废水，COD去除率可达97％、TOC为98％，BOD则为99％，处理之回收水可作为冷却水或其它功能用水。黄益助等人（2001）利用混凝沉淀作为实验前处理，再配合逆渗透分离的技术来净化经二级处理之放流水，评估薄膜技术应用在水回收再利用具有可行性。 (5)其它：Rubioetal.,（2002）利用浮除法去除矿场、冶金工业废水中所含之污染物、粉末颗粒、金属离子油脂、有机物及少量有价金属，发现具有低污泥量且高分离效果。Al-Jamaletal.,（2002）以人工湿地去除废水中所含之污染物，并将处理水应用于灌溉，可回收营养盐、有机物做为植物生长之用，并维持水源涵养量，以此系统模式可处理都市污水。人工湿地可应用于去除水产养殖废水中所含之营养盐，可使总氮去除达95-98％，总磷为32-71％，使养殖用水循环再利用（Linetal.,2002）。单以人工湿地处理工业废水，则因水质特性，处理效果有限，可于添加生活污水提供湿地生态系统发展之所需，促进处理效率（林欣怡及杨磊，2000）。而人工湿地亦可取代传统处理方式处理垃圾渗出水 事实上，各废水处理技术，在操作上皆有其瓶颈，且在水回收再利用之应用上，受限于原水水质及回收水质需求，表3整理各再生水源应用于不同回收用途之适用处理技术。都市污水中污染物多为有机物、致病菌，以及氮磷等营养盐，多以生物处理配合消毒单元，使回收水可做农业灌溉及厕所冲洗水等用途；厌氧消化法，可处理高浓度有机物废水，适用于处理畜牧废水。工业废水水质特性依业别及制程而有相当大的差异，其中染整废水、食品废水及化学机械研磨废水，由于废水量大，水之回收再利用亦格外引人关注。染整废水中含有大量之有机物极高色度，利用薄膜程序如NF或RO可有效去除水中色度及有机物，回收水可再导入染色制程中使用；食品废水中多为生物可降解有机物，藉由MBR结合薄膜程序，并辅以消毒单元，所处理水质可做为锅炉或清洁用水；而化学机械研磨废水中，污染物主要成分为无机物，以电化学混凝，处理水可用作冷却用水，若以混凝前处理结合RO，处理水甚至可进入纯水系统，作为纯水水源。 2.新技术之研发 随着人类生活模式的转变，工业产品及制程发展的多样化，经由人类活动所排放至环境中的污染物质，其种类及性质亦有相当程度的改变。传统的废水处理流程，为一系列物理、化学、生物以及污泥最终处理等程序单元的组合，然其处理过程冗长繁琐，成本居高不下，在操作上常会有许多限制。近年来，建立可靠处理技术，以产生高品质及稳定水源，相关研究有逐年增加之趋势。本文提出四项新兴废水回收再利用处理技术，以做说明。 (1)高级氧化程序（AdvancedOxidationProcesses,AOPs）之定义为，当溶液中有机物发生氧化反应时，可产生氢氧自由基等活性中间产物，并以此破坏目标污染物，或中间产物之程序，可有效的去除难分解有机物，达到将污染物破坏分解之目的。而这些程序时常结合强氧化剂如臭氧、过氧化氢；催化剂如过渡金属离子；或光催化剂及射线（UV、超音波或电子束），因而可形成各种组合。常被使用之AOP处理程序，在这些氧化程序中最主要的起始攻击均为氢氧自由基Duránetal.,（2004）以Electro-Fenton处理都市污水及实验室废水之混合水，去除率COD可达65-75％、浊度77-92％、色度80-100％，且无细菌残留。此外，Raffaeleetal.,（2002）研发反应器设计，将光催化程序结合薄膜单元，用于水纯化系统，可改善处理效率。陈孝行等人（2001）利用Fenton程序可降低染整废水中有机污染物及色度之优点，结合RO薄膜程序，可使处理水质符合染整工业再利用标准，并建议将放流水与地下水混合，再以RO处理后进入制程中，可降低处理成本。 (2)电聚浮除法（EnvironmentalProtectionNavigator,EPN），是利用电化学、流体力学及电子学等，相关技术结合而成的处理技术。电聚浮除法可强化电荷凝聚之特性，使杂质在水中产生自凝作用，同时杂质粒径又能成长形成胶羽，再予以去除。以电聚浮除法结合加氯消毒或是离子交换，处理啤酒工业之二级出流水，依处理程序之不同，<