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環境友善之水處理科技

薛孝亭、楊侑馨、賴允政、洪立萍/ 發布日期:2022/08/19/ 瀏覽次數:120

一、前言

未妥善處理的污水會對公眾健康與環境造成嚴重的危害,也會加劇水資源短缺的壓力。然而,傳統的污水處理流程(如化學處理、薄膜過濾、離子交換等)在減少水中污染物的同時,會消耗大量的能源,且殘留的化學藥劑或處理後的廢棄物(如固體廢棄物),亦有對環境造成二次污染之風險。環境友善之污水處理技術,如利用自然系統處理污水、減少水處理之能源消耗等技術,能夠在改善水質的過程中,降低對自然環境之衝擊。此外,廢棄物(如污泥)的再利用還可使水處理單位獲得額外的收入,並促進循環經濟發展。本文介紹主要國家發展之環境友善水處理科技,並列舉數項近期之創新成果,以描繪全球整體發展概況。

 

二、主要國家發展動態

以下聚焦於美國、以色列以及新加坡等主要國家,簡述其發展動態與代表性成果(主要國家發展摘要請參閱圖一): 

 

(一) 美國 – 人工濕地污水處理系統
人工濕地可以透過濕地的植被、土壤及微生物等組成,以自然淨化方式達到改善水質之目的,如利用植物吸收含磷之有機物、以沙礫過濾懸浮物等。此外,人工溼地還具有成為生物棲息地、增加公園面積、做為滯洪池等環境與經濟上的優勢。美國應用人工濕地做為污水處理已有三十年以上的經驗,美國環境保護局(Environmental Protection Agency, EPA)也制定了人工溼地污水處理的設計方法、原則及案例等資訊,供各州政府與相關單位參考。舉例來說,EPA建議人工溼地的選址需考量防洪、周邊土地利用對水質的影響、景觀以及環境正義等因素,且在設計時須避免對水域生態造成不利影響、控制蚊蟲等病媒的滋生以及建立緩衝區(buffer zone)等。

以下列舉美國加州阿克塔市(Arcata)的人工溼地為例: 阿克塔市將傳統的污水處理設施與人工濕地相結合,作為該市污水處理系統。在經過傳統水處理設施(包含澄清池、沉澱池)的初步處理後,污水會流經不同類型的濕地,讓殘留的污染物能緩慢地被植物、細菌、土壤等分解與過濾。其中一類型的濕地稱為處理沼澤(treatment marshes),長有茂密的植被(如蘆葦、水草等)與豐富的微生物,可用以去除藻類與細菌;另一類型濕地稱為增強濕地(enhancement wetlands),能控制水流速度,以沉澱水中的懸浮性固體,並作為野生動物的棲息地。

前述水處理方式能減少對化學藥劑的依賴,且已證實為可行且有效的城市廢水處理系統(一天能處理約8,700立方公尺的城市廢水)。同時,該濕地污水處理系統也產生許多環境及社會效益,包括成為野生動物的棲息地以及人們遊憩的場所,且溼地的植物也提供了碳封存的途徑。此外,為了因應氣候變遷以及滿足嚴苛的水質要求,阿克塔市於2020年開始更新與改善相關設施,包括更換老舊設備、安裝監控與自動化系統、設置紫外線殺菌系統等,以進一步提高水處理效率。

(二) 以色列 – 土壤含水層處理 (Soil Aquifer Treatment, SAT)
水資源短缺為以色列持續面臨的挑戰,因此該國不斷重複利用污水並且發展相關處理技術,以滿足日益增加的用水需求。以色列採用集中式的污水處理,由國家水務局營運全國的大型污水處理設施。處理後的污水有約90%用於農業灌溉,其餘則用於增加河流流量、消防或排放入海等環境用途,且嚴格禁止作為飲用水或日常用水。

以色列污水處理經過多項步驟,包括初級、二級與三級處理,然後通過管道輸送,用於灌溉內蓋夫沙漠的農業。初級處理主要用以過濾懸浮固體,如碎屑、油脂等;二級處理則以微生物分解水中的污染物。然而,二級處理後殘留的病原體和有機污染物,例如藥物或化學品的殘留物,尚無法作為灌溉使用,且排放會造成嚴重的污染。因此,在經過多年的研究與試驗後,以色列開發出土壤含水層處理(Soil Aquifer Treatment, SAT)作為三級污水處理方式。此技術利用沙漠作為過濾器,以6個月到1年的時間,經過沙子一層一層過濾,去除水中殘留的污染物與病原體。SAT為永續且具成本效益的水處理技術,亦不需要設置昂貴的三級污水處理裝置。此外,淨化後的水資源,除了可用以灌溉之外,亦可以儲存於地下蓄水層中,需要時再抽取使用,省去建設與維持蓄水庫之費用。

然而,由於SAT需要消耗相對較多的土地用於污水處理,因此以色列亦積極開發多項水處理技術,以減少需要的土地。2020 年,以色列國家水務公司Mekorot、以色列最大的污水處理場Shafdan等單位合作展開試驗,嘗試利用膜生物反應器(MBR)、臭氧化、生物活性炭過濾和紫外線等技術做污水處理。目前Shafdan主要研發與試驗項目有: 與AgRobics合作開發創新厭氧污水處理解決方案,以及先進的沼氣發電技術;與美國西北大學、以色列理工學院等學研單位合作改善SAT水處理效率並且回收養分(如NO2、磷)。

(三) 新加坡 – NEWater與零碳排污水處理系統開發
公用事業委員會(PUB)為新加坡負責水資源處理、供給與安全的政府機構,過去積極投入水處理相關技術開發,如污水回收、海水淡化等。其中,新生水(NEWater)為PUB開發的高純度再生水技術。NEWater採用三個階段的處理流程,首先利用膜過濾掉微小顆粒和細菌,其次使用逆滲透進一步過濾掉水中殘餘的污染物以及病毒,第三機階段則利用紫外線(UV)殺死水中的病原體。NEWater的水質符合WHO的飲用水標準,且比自來水處理廠生生的自來水純淨,殘餘的有機物質甚至低於自來水的十分之一。

NEWater的用途為工業與空調用水,其中晶圓製造產業(如SSMC公司),更是NEWater的主要使用者。由於NEWater的有機物和礦物質含量低,適合於晶圓製造中使用,以去除碎屑並防止晶圓受到污染,降低晶圓廠在水處理設備上的投資與耗材的花費。另外,間接飲用水也是NEWater的重要用途。在乾旱期間,NEWater會被添加到水庫中,與水庫中的水混合,接著會透過自來水供水網供應給民眾。

目前NEWater已可以滿足新加坡 40% 以上的用水需求,目標到2060年前能滿足總用水需求55%。此外,除了持續提高再生水的品質與產量外,PUB亦不斷發展更環保的污水處理技術,並且著重於降低污泥的產生、生產更多的沼氣以及減少能源消耗等項目,如開發可以提高過濾效率的濾膜。同時,為了實現低碳/零碳排放,PUB亦積極發展太陽能,以降低石化燃料的使用,例如PUB近兩年廣泛在國內的水庫上部署漂浮式太陽能發電系統。

 

三、創新研究案例

(一) 慢沙過濾器去除奈米塑膠顆粒
塑膠微粒(Microplastic)為目前嚴重的海洋與水資源的污染物,且為水處理技術帶來新的挑戰。瑞士聯邦水科學技術研究所(Eawag)的科學家們開發了稱為慢砂過濾器(slow sand filters)的過濾系統。該系統由礫石層、沙子以及微生物(包括蠕蟲和細菌)組成,其中微生物會在沙子表面生成生物膜(bioflim),形成天然的過濾膜。該套系統可以有效去除水中奈米大小的塑膠微粒,且效率可高達99%。同時,研究小組也發現生物膜會隨著時間持續生長,可吸附更多的塑膠微粒,並且防止過濾器達到飽和,能長時間維持良好的過濾效率。

(二) 低成本的太陽能海水淡化系統
海水淡化目前有著高耗能、高成本以及容易結垢與阻塞等問題。麻省理工學院科學家開發出一種可以解決前述問題的太陽能海水淡化系統。該系統採用太陽能蒸餾技術收集淡水,即是利用太陽能加熱海水,將海水蒸發並且鹽分分離後,再使水蒸氣冷凝收集成為淡水。另外,該系統具有特殊結構設計,能將蒸散後殘留的鹽分藉由擴散作用導向其他的空間或環境中,以防止鹽分累積產生沉澱與阻塞。此淡化系統亦適用於污水處理,並且與傳統的太陽能海水淡化方法相比,有更高的淡化效率,以及更低廉的成本(估計一平方米僅需4美元),可望能應用於偏遠地區或災難後重建使用。

 

四、結語

妥善處理污水為全球重視之議題,也是人類永續發展之關鍵。人工濕地、土壤含水層處理等環境友善之污水處理技術,能在純淨水質的同時降低對環境的衝擊。儘管各國投入有所差異,然而其創新經驗,值得作為國內相關科技發展之重要參考。

 

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