应用薄膜技术进钢厂废水回收之评估

C3-46應用薄膜技術進行鋼廠廢水回收之評估林發恩1莊靜雨2洪福亮3吳政峰41.水務技術處經理，中鋼集團中宇環保工程股份有限公司電子郵件：[e-mail]2.工程師，中鋼集團中宇環保工程股份有限公司電子郵件：[e-mail]3.助理副總，中國鋼鐵公司4.工程師，中國鋼鐵公司摘要近年來由於薄膜技術日漸成熟，在廢水回收的實廠應用上已有相當多成功的例子，但由於不同的行業別或同一行業不同的工廠其廢水的特性差異很大，不同的回收水用水標的會有不同的設計考量，而不同的處理單元也有其處理瓶頸，因此，處理流程設計需要經過詳細的水質資料收集及分析研判，配合PILOTTEST來求取相關設計參數，本公司近年來積極投入廢水回收的相關應用及研發工作，目前進行規劃中之設計回收水量為16000CMD的鋼廠廢水回收工程，計劃回用作離子交換純水系統之補水，全案從可行性評估開始，再進行小型MF+RO及UF+RO的PILOTTEST來篩選合適的處理單元及收集設計參數，最後進行放大設計之UF+RO中試模廠以驗證處理單元的各項設計及操作參數。本文除介紹薄膜用於廢水回收的相關技術外，也整理本案執行過程中的心得供各界先進參考。關鍵字：廢水回收、MF、UF、RO一、緒論大高雄地區工業用水主要取自東港溪，經抽送至鳳山水庫貯存及淨化後供應臨海及林園工業區，由於東港溪氨氮污染嚴重，淨水流程中需以折點加氯方式來除去氨氮，造成原水中氯鹽及導電度增加，另外，由於南部屬石灰岩地質，原水中硬度較高，而枯水期時間除了要臨高鹽份及高硬度的劣化水質外，更可能面臨因降雨不足所引起的限水危機，對臨海及林園工業區均為用水量大的鋼鐵及石化業而言，水源可說是工廠營運的生命線，相對於需求水量大，廢水處理後的排出水量也相對非常可觀，若能以適當方法回收部份廢水至自來水或更高等級的用途，除可提供另一穩定的供水水源外，更可降低總廢水排放量，落實對水資源的有效利用及提升企業的環保形象。本研究計劃共分三階段針對中鋼公司不同生產過程中產生的廢水進行可回收的評估，目標是回收總用水量的5~10%，由於薄膜技術已日漸成熟，在廢水回收的實廠C3-47應用上已有相當多成功的例子，因此，在第一階段本計劃開始即鎖定以薄膜處理的方向來進行規劃，基本流程的組合以薄膜過濾後接RO為處理核心，先建立各股主要廢水的水質及水量基本資料，利用RO膜廠商及抑垢劑廠商的軟體先進行模擬評估，並依初步評估的可回收率及可回收水量評選最有回收效益的廢水進行第二階段的模型實驗(PILOTTEST)，主要模型實驗共進行了超過6個月，以兩組分別採用負壓操作的浸入式UF加RO及正壓操作管殼式MF加RO的小試模廠進行同步試驗，配合所得的模試結果進行初步實廠化的技術性及經濟性的可行性評估，初步結果均屬可行，唯本計劃需建置回收水量達8000CMD至16，000CMD，為求更精確求取系統設計及操作參數與估算放大設計之初設費及操作維護費以降低實廠化的風險，故在第三階段即規劃以一組出水量可達300CMD之移動式UF/RO薄膜模組進行SCALE-UP之放大實驗，以驗證各處理單元的設計及操作參數是否合適，同時以較長的運轉時程來追蹤薄膜元件的操作特性以降低未來實廠營運風險。在經濟可行性的分析中，分別針對設備之初設費/操作維護費/回收水回用作離子交換樹脂純水系統所能節省的自來水費、良好水質所節省的再生相關藥品及用水等費用，進行直接經濟效益評估。二、第一階段評估中鋼公司在四階擴建完成後每日補充自來水量約達15萬立方公尺，廢水排放量約45,000CMD，依製程產出的廢水可區分為有機性及無機性廢水，經本階段之初步評估以#2工業廢水收集系統在水質及可回收水量上均合乎需求，因此，選定這股廢水進行第二階段的PILOTTEST，圖1為中鋼廢水系統方塊流程示意圖及選定之回收點，表1為各股廢水回收水源的水質水量資料及評選結果。煉焦廢水煉焦廢水冷卻/洗塵廢水冷卻/洗塵廢水鹽水溪排放鹽水溪排放第一冷軋廢水處理廠第一冷軋廢水處理廠碼頭60米明溝第二冷軋廢水處理廠第二冷軋廢水處理廠雨水雨水生化廢水處理廠生化廢水處理廠工業廢水收集系統工業廢水收集系統工業廢水放流場工業廢水放流場冷軋廢水冷軋廢水衛生廢水衛生廢水廢水回收利用廢水回收利用沉澱池出水#1#2#3#4#5圖1廢水處理系統方塊示意圖C3-48表1各股廢水來源水質/水量表編號項目#1#2#3#4#5水量(CMD)~7,000~32,000~2,800~4,80046,600導電度(μS/cm)~5,100~2,300~7400~6,000~3,000SiO2(mg/L)~26~24~12~11~26COD(mg/L)~200~100~190~50~65可回收性差可差可,量不足差三、第二階段評估3.1模型實驗設備規格本回收系統主要以薄膜過濾作為RO的前處理單元，為兼顧設備供應商的技術能力、市場接受度及經濟可行性，規劃第一組系統如圖2，選用浸入式UF前處理單元後續以一支RO膜管來模擬，以另一組系統如圖3，使用壓力式HollowFiberMF及3支RO膜管進行平行對照實驗。表2UF及MF薄膜規格浸入式UF材質PVDFPORESIZE0.036μm壓力式MF材質PVDFPORESIZE0.1μmtFeedPermeateAirinjectionImmersedmembranesPurge/RejectMembranetankBlowerPermeatepumpBackpulsetank圖2浸入式UF系統示意圖C3-49圖3壓力式MF系統示意圖3.2模型實驗結果由於本模廠取水點水質變動較大，經過半年多的操作顯示，RO處理水質均屬良好(見表3)，且兩者在初設費用及操作費用的評比上均相當，但在UF的操作上以浸入式UF系統在操作上表現較為穩定，因此，著手進行第三階段MINI-PLANT示範廠的規劃。表3模廠出水水質項目MF/RO系統出水水質UF/RO系統出水水質濁度(NTU)00導電度~128~100SO42-~6.0~1.0Cl-~24.0~17.5SiO2~0.1~0四、第三階段評估4.1示範廠功能及規格說明由於小型模試與放大系統在運行條件會有些差異，為了降低放大設計至實廠回收8,000CMD之風險，利用示範廠來驗證處理單元的各項設計及操作參數是否合適，使未來工程化設計能更符合實際需求。本系統UF單元設計產水量可達500CMD，RO單元設計產水量可達300CMD，自今年2月正式運轉已超過五個月，目前仍正常運轉中，圖4為示範廠系統流程示意。C3-50原水抑垢劑,亞硫酸氫鈉排水排水UF超過濾系統UF出水貯槽RO逆滲透系統圖4示範廠系統流程示意圖4.2示範廠操作結果UF系統穿膜壓力(TMP)之限制值為-55Kpa，當超過此限制值則須進行化學清洗(CIP)。測試實驗結果由95.1.25~迄今，已操作5個多月。UF進水濁度約1.3~9.7NTU，UF出水濁度約0.054NTU及SDI約1.2~1.8系統運作良好。RO示範場是以2:1排列方式設計，由於原水水質範圍變動大，進水導電度範圍約2700cms/μ~5050cms/μ，在長期運轉下平均進水導電度約3900cms/μ，出水平均導電度約105cms/μ，水質良好。表4示範場平均進出水水質項目示範場us/cmRawwater~3900Condus/cmRO-Perm.~105Rawwater~8.1pHRO-Perm.~7.1mg/LRawwater~34.0CODmg/LRO-Perm.~5，0mg/LRawwater~170Ca2+mg/LRO-Perm.~1.5mg/LRawwater~30.0Mg2+mg/LRO-Perm.~0.1mg/LRawwater~460SO4=mg/LRO-Perm.~6.0mg/LRawwater~770.0Cl-mg/LRO-Perm.~17.0mg/LRawwater~14.0SiO2mg/LRO-Perm.~0.2C3-51照片1廢水回收示範廠設備五、結論與建議1.以浸入式UF加RO進行中鋼工業廢水回收處理在技術上為可行，利用示範廠進行放大系統的設計及操作參數的確認，可大幅降低實廠化之風險。2.由於目前自來水水價偏底，回收水成本仍會較現行自來水水價高，然而，考慮未來水價調漲，回收水質較自來水好很多，回用作離子交換系統原水補充水，可節省再生用藥，降低造水成本，總體效益仍有其經濟性。3.部份廢水回用後可減少排放廢水量，亦節省對應的廢水排放費用。4.若以一般工程發包方式執行廢水回收工程，由於廢水水質是變動的，一時的操作應變不當將可能會對薄膜造成不可逆的傷害，因薄膜壽命縮短而大幅增加操作費，對業主有很高的不確定性風險，建議可考慮以工程含代操作方式或BOT方式來執行，可降低業主的風險。