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生活處處皆過濾:水淨化的魔術師

在水處理的程序中,過濾扮演了一定分量的角色。家用自來水少不了它,淨水廠少不了它,海水淡化少不了它,生物廢水處理也少不了它,半導體產業廢水處理更少不了它。
 
 
 
氣候變遷,全球暖化,極端氣候已是大家關心且憂心的話題。伴隨著這些事實的影響,導致水庫無法有效蓄水,綠地因沙漠化而缺水,再加上環境汙染,工業用水增加,更使得水資源缺乏的議題廣受全世界關注。

臺灣地區年平均降雨量約為950億立方公尺,其中,蒸發量約200億立方公尺,滲入地下水量約50億立方公尺,而河道逕流量是700億立方公尺。在河道逕流量中,水庫蓄水約40億立方公尺,河川引用約110億立方公尺,逕流入海則有550億立方公尺之多。

換句話說,臺灣人民可分配到的用水量是水庫用水、河川引水及地下水,每年共約200億立方公尺。其中,生活用水占20 %,約40億立方公尺,工業用水10 %,約20億立方公尺,農業用水70 %,約140億立方公尺。因此,臺灣雖然四面環海,卻是個缺水的國家。

在取得水資源的努力上,海水淡化一直是個可行的方法,除太陽能海水淡化外,逆滲透海水淡化、薄膜蒸餾海水淡化等也是可選擇的方式。在技術持續進步的同時,水資源的回收再利用也需同時進行,而過濾正是水處理應用的主要選項。

淨水處理程序

在淨水處理中,一般的處理程序是先在原水中加入聚氯化鋁等混凝劑,藉由重力水躍式或電動攪拌機的攪拌達成快速混合作用而產生膠羽,它是混凝劑吸附及凝聚原水中懸浮固體而產生的顆粒。快混後的原水藉由慢速度的膠凝機攪拌,以膠凝作用使小膠羽逐漸結合成較大且重的膠羽,再藉由重力沉澱而分離出來。至於較小的懸浮物質、微生物等,則藉由濾材的過濾去除,並藉反沖洗機制維持濾材的清潔。

此外,也有把膠羽池與沉澱池合併的膠凝澄清池,用來加速膠凝澄清的速度。膠凝澄清池的作用是在底部培養形成汙泥毯,當水進入膠凝澄清池時,在第一反應室混凝成為膠羽,藉由葉輪的旋轉抽送把膠羽輸入第二反應室。當操控得宜時,可以在第二反應室底部形成由膠羽構成的汙泥毯。汙泥毯的作用就是過濾以及抓取小顆粒粒子,使得往上流動的水澄清而流到後續的快濾池中,經過進一步的過濾,再加以消毒後,加壓輸送就成為家用的自來水。

超純水製造程序

在半導體元件的製作過程中,往往需使用大量的超純水清洗。但若超純水中含有金屬或有機物時,會形成半導體元件的缺陷,因此超純水的有機物濃度必須小於1微克∕公升(10–6 g∕L),金屬濃度更必須小於1 奈克∕公升(10–9 g∕L),因而在製造超純水時,會極力要求金屬或有機物的去除。

超純水的製程是把氯系氧化劑及凝集劑添加在凝聚槽中並調整pH值,通過壓力過濾後可去除凝聚的顆粒。接著使過濾水通過活性碳塔,目的是把原水中的氧化劑及有機物去除,作用原理是使有機物吸附在具有很高表面積的活性碳中,但也因為有機物被吸附濃縮,活性碳會成為微生物的營養源而變成其生長繁殖的溫床。因此在活性碳塔後段必須設置一個安全過濾器過濾掉微生物,另再加上逆滲透過濾掉更小分子的物質後就可製得超純水。在超純水的製造過程中,過濾扮演著不可或缺的角色。

含氟廢水處理程序

在工業生產程序中,例如電鍍製程、玻璃製作過程、鋼鐵的冶煉、半導體元件的製作等,都會用到大量的氟化物,因而產出大量的含氟廢水。為使含氟廢水中的氟離子符合法定排放標準15 ppm,一般的處理程序是先讓含氟廢水在廢水儲存槽中靜置一段時間,較重的懸浮固體物會因沉澱而直接排除,剩下含較輕懸浮固體物的含氟廢水。接著把pH值調整至6~10,廢水中所含的陽離子如Cu2+、Cr3+、Cr6+、Fe2+、Fe3 +、Ni+、Ni2+、Ni3+、Ca2+、Mg2+等會與OH反應生成金屬氫氧化物沉澱,再過濾去除這些金屬氫氧化物。

然後把含鋁、鈉以及含氯的化合物所組成的處理劑添加入已去除陽離子的含氟廢水中,以反應生成冰晶石(Na3AlF6)沉澱。再把沉澱的冰晶石過濾回收,可做為煉鋼的助熔劑,含氟廢水中的氟離子就可完成移除。

有機廢水處理程序

在有機廢水的處理方法中,可應用例如膜生物反應器來處理。有機廢水流入膜生物反應器中,在預過濾設備中除去顆粒較大的雜質後,進入流量調節槽中再以固定的流量供給至膜生物反應器中。

在生物反應器內,利用曝氣供給氧氣使得微生物分解去除廢水中的有機物,再利用浸漬在槽內的浸漬型分離膜裝置進行固液分離,過濾液則在滅菌槽中消毒後成為處理水。在膜生物反應器中,因廢水中的微生物代謝或廢水中所含的雜質等附著在膜表面上,會導致過濾效率降低,這時可用過濾水以反方向流動的方式除去膜表面上的附著物,這稱為反洗或逆洗。

化學機械研磨廢水處理程序

在矽晶圓製造的過程中,有一項重要步驟,即研磨晶圓以得到平坦化的表面。半導體製程對平坦化的要求很高,因為可確保後續的製程順利進行。

平坦化的步驟稱為化學機械研磨製程,是使用旋轉的研磨臺以及氣動的研磨頭,加上液態研磨漿料來完成晶圓表面的研磨。液態研漿主要包括二氧化矽懸浮在去離子水或氫氧化鉀溶液中。在晶圓製造過程中經常會做多次的平坦化,由於半導體業製程的用水量很大,其中化學機械研磨製程用水量更占全部製程的30%以上,因此化學機械研磨廢水的回收極具重要性。

在上述介紹的水處理程序中,通常會先添加化學混凝劑與廢水中的懸浮固體反應,形成膠羽並沉澱,然後過濾得到澄清水。近幾年,逐步發展出同步電混凝—電過濾程序,並應用在化學機械研磨廢水回收中。

顧名思義,電混凝步驟是利用外加電場的作用,在陽極產生金屬離子(例如鐵離子或鋁離子),而這些金屬離子可與廢水中的懸浮固體產生混凝作用而形成膠羽。電過濾步驟則是透過同一個外加電場的作用,使產生的膠羽以及其他微粒以過濾的方式排除,進而產生可回收再利用的濾液。

本文簡略地介紹了一些水處理程序,從日常生活用的淨水處理,到影響臺灣經濟甚鉅的半導體產業廢水,包括含氟廢水、有機性廢水、化學機械研磨廢水、超純水製造等,都需要過濾程序。說它是水淨化的魔術師,一點也不為過!
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