水处理工艺设计指南

1、水處理程序設計指南 鍾政諺 2001/2/22page一、淨化處理 2二、軟水處理4三、飲用水處理8四、鍋爐用水處理 10五、醫療用水處理 11六、醫藥用水處理，生化用水處理 12七、食品飲料用水處理八、實驗室用水處理九、電著電鍍用水處理十、海水淡化處理十一、電子廠超純水處理十二、冷卻水塔十三、Condensate 回收十四、電子廠low TOC last rinse reclamation 處理十五、電子廠酸性廢水回收處理十六、封裝廠切割廢水回收處理(參考用)十七、封裝廠研磨廢水回收處理(參考用)十八、晶元廠CMP廢水回收處理(參考用)十九、水處理單元特性說明二十、水處理需求調查資料表二十一

2、、水量平衡計算二十二、水處理系統之管理二十三、水處理發展之趨勢二十四、水處理書單二十五、其他二十六、附錄一. 淨水處理:淨水處理之作用及目的:一般淨水處理指將原水做初步之淨化處理,許多地區並不提供工業用水或自來水，因此需就近引進水源；並視水源之情況實施初步之淨化；即稱之為淨水處理。淨水處理之要求為將水質處理至自來水標準，通常並不牽涉到脫鹽(desalination)程序。其主要要求為脫色、脫臭、除鐵錳、消毒、降低濁度等。淨水處理後水質要求，可參考台灣省自來水標準。淨水處理之程序:地面水之淨水處理:地面水受季節及氣候變化，其進水水質變化較大。在水質調查部份最好有全年度之水文調查資料,以便於掌握設

3、計變數。一般之處理程序如下:5.輸送4.加氯3.過濾2.沉砂1.引水1.引水：引進水源，通常為土木工程範圍；例如引水渠道；伏流井取水等。2.沉砂：原水引進通常挾帶泥沙及雜物，通常於進水口處設置欄柵阻攔雜物，原水進入一緩衝池中，將挾帶之泥沙沉澱。3.過濾：此處過濾常採用重力式過濾，凝集加藥亦有時合併使用。4.加氯：加氯之主要作用在於氧化及消毒，採用加氯法之優點在於殘餘氯仍有持續之殺菌能力。一般加氯法皆採用折點加氯法。但最大加氯量不超過10ppm.一般加氯後之餘氯量為0.5ppm。5.輸送：將淨化水輸送至下一製程。最典型之應用為自來水公司之淨水場；本公司之客戶中例如苗栗長春石化之原水即採用後龍溪之

4、伏流水，即經上述之處理程序。地下水之淨水處理:地下水一般鐵錳含量較高，濁度較低，其水質較穩定，淨化處理並須針對水質情況設計；大部份之地下水淨化流程如下：5.除鐵錳4.過濾3.沉澱2.氧化1.除砂1. 除沙：一般地下水經沉水式幫浦抽取輸送至一旋風分離機(cyclone)將水中之砂粒去除。2. 氧化：經除砂後,隨即添加漂白水(折點家氯法)加氯氧化，或使用臭氧氧化，亦有採用三至四層之氣曝塔實施氣曝氧化。其目的為將水中之二價鐵氧化為三價鐵，即可凝集沉澱。3. 沉澱：經氧化後，大部份鐵錳即氧化沉澱，此時可添加助凝劑及高分子來加大其顆粒，水中之其他小顆粒及膠羽亦可變成大顆粒沉澱。4. 過濾：沉澱池之上層澄

5、清液再經多層過濾器過濾即可得到淨水。5. 除鐵錳：如對鐵錳要求程度較高時，可在多層過濾器後設置錳紗過濾器(green sand)過濾，錳砂過濾之設計參數與活性碳相同，一般希望其過濾流速約為12M/hr。錳砂經一段時間使用後，其效果降低時，可使用過錳酸鉀(強氧化劑)再生之。地下水經淨化處理後，其處理效果鐵錳含量通常<0.05ppm以上之淨水處理常用之設計方式，常採用澄清池clarifier (或稱快速凝集沉降池)及重力式過濾器(gravity filter)視其水量及場地之大小決定程序之配置，一般因有加氯或臭氧添加，設備皆設置於室外。二. 軟水處理：軟水之定義：水中之總硬度 >40p

6、pm as CaCO3，即稱之為軟水。軟化之程度視使用者對硬度要求而定，而軟化程序之選定亦隨原水水質及軟化程度不同而異。廣泛之說法為凡可將水中之硬度去除之程序皆可稱之為軟化程序。使用藥品例如：6偏磷酸鈉或抗垢劑等，並無法降低水中硬度，不能稱之為軟化。軟化程序之種類:以下之程序皆可達到降低硬度之效果。1. 煮沸或蒸發2. 石灰軟化法(lime softener)3. 天然沸石軟化4. 陽離子交換樹脂5. 納濾(NF,nanofiltration)或逆滲透法6. 電透析法(E.D.:eletrodialysis)其適用時機及流程安排茲分述如下：1. 煮沸或蒸發法：使用煮沸法一般只能去除暫時硬度，而

7、無法去除永久硬度。蒸發法則可去除所有硬度。不論使用煮沸法或蒸發法；因為其能源消耗量大，故適用於廢熱充裕或能源充裕之地區，如產油國家。煮沸法程序：冷卻鍋爐多效蒸發法(MSF：multi-stage-flash)：中東地區使用作為海水淡化熱循環熱回收鍋爐產水冷卻減壓蒸餾法(V.C.：vapor compressor)比MSF較節省能源之蒸發法：加藥預熱,冷卻加壓蒸發罐脫氣產水基本上，採用蒸發法當然不只去除硬度，甚至可脫除大部份鹽類，達到海水淡化之程度。結冰法:市場上亦有使用冷卻至結冰之方式來達到脫鹽及軟化之效果。冷卻劑清洗水浮冰壓縮及膨脹進水濃縮水2. 石灰軟化法：石灰軟化法是大量用水去除暫時硬度

8、常用之方法。其程序如下：操作溫度如果在40以上時，稱之為Hot lime softener,效果較佳CO2Ca(OH)2 , Na2CO3 , MgO軟水酸化原水凝集沉降槽(Clarifier)污泥；CaCO3；Mg(OH)2；SiO2部份之SiO2亦可去除；其機制為沉墊Mg(OH)2時之共沉效應；平均去除7.1ppm之Mg+時，可同時去除1ppm之SiO2使用此法只可去除暫時硬度，因此要提高去除硬度效果時，則必須添加大量蘇打(Na2CO3)，使用石灰軟化法時會產生大量之污泥3. 天然沸石軟化法:天然沸石之功能與鈉型陽離子樹脂一樣；皆可實施離子交換功能；其使用方式亦同樣使用鹽水再生；由於離子交

9、換樹脂之通用；目前此法已經少人使用。軟水沸石軟化器鹽水再生4. 陽離子交換樹脂：使用陽離子交換樹脂軟化為目前最常用之軟化方式；其優點為處理後之硬度可降低至 2ppm as CaCO3以下(此為軟化樹脂系統常訂定之軟水規範)其流程如下:陽離子樹脂活性碳過濾多層過濾再生再生藥品通常使用NaCl or HCl or H2SO4 再生；視個案狀況決定。陽離子樹脂之選擇；視水中鹼度決定使用弱酸或強酸型。5. 鈉濾(NF,nanofiltration)或逆滲透法:NF(Nanofiltration)或稱之為loose RO(鬆式RO)為對二價(含)以上之離子去除率高；而單價離子去除率低之薄膜；其截距分子量

10、(MWCO)範圍為分子量200600，視其用途而異；一般說來；NF(Nanofiltration)對硬度之去除能力為98%以上；對單價離子包括HCO3-之去除率為2070%；，故在NF之濃縮側較不易產生CaCO3之沉墊。NF有時又稱之為軟化RO。逆滲透RO對離子之去除率可達90%以上；當然亦可達到軟化效果。其流程如下:排水濾心過濾產水NF or RO活性碳過濾多層過濾6.電透析(E.D.：electrodialysis)：電透析(大陸稱為電滲析)為使用直流電場驅動離子透過選擇性之離子交換膜，以達到去離子之效果。電透析之原理為法拉弟定律(Faradays law)。其去離子之效率與操作電流有關，

11、通常可達90%以上。其流程如下：進水產水ED三. 飲用水處理：飲用水之需求等級並不高，世界衛生組織之規範為總溶解固體(TDS)<800ppm，即可作為飲用水；但某些水源缺乏地區總溶解固體(TDS)>5000ppm仍有人飲用。國內對飲用水之規範主要限制在於重金屬含量、大腸桿菌、色度、臭度等。因此；飲用水之處理只要慎選水源；經過淨水處理後即可提供為飲用水。市面上飲用水之商品可大致分為三種：1. 包裝飲用水2. 礦泉水3. 加味飲用水1. 包裝飲用水：水源水質經過處理後，包裝販賣之飲用水。例如：杯水，桶裝水；或瓶裝水，蒸餾水等。市場上之包裝飲用水目前之製程皆以RO為主。國外亦有使用電透析

12、系統生產。市面上之××純水、××蒸餾水或××杯水等；都是採用逆滲透系統製造。其要求標準請參考”CNS包裝飲用水標準”。0.2mUV水桶RO前處理裝瓶臭氧2.礦泉水：CNS對礦泉水有較嚴格之定義；一般之規定為規範礦泉水之水源為不受污染之水源；水質檢驗項目計有19項；對水源地區固定範圍內亦有嚴格之規定。而礦泉水製造包裝過程亦規定只能以物理過濾方式處理，不能改變水質為原則要求。因此市場上礦泉水之價格通常較包裝飲用水為高。因為合格之水源難找。目前，台灣地區合格之水源為統一礦泉水(瑞濱麥飯石礦)，台北縣深坑之”一之汨”礦泉水(屬麥飯石礦泉水)，

13、新竹”竹寮山”礦泉水,宜蘭礁溪悅氏礦泉水等四處。在CNS規定之前；宜蘭礁溪及埔里為國內礦泉水主要產地，但從CNS規定後；只有水源通過標準之廠牌可使用”礦泉水”外，其他品牌皆不得使用礦泉水；只能稱為包裝水。其製程大致如下：0.2m0.45m1m5m10m包裝充填臭氧紫外線有些進口之礦泉水，其水源並不一定符合CNS規定；但因各地區之特性不一，而在商品上強調其特性，例如從冰山取出溶解之礦泉水等。法國知名之”沛綠雅”礦泉水，以藍色水滴造型瓶子及含天然氣泡聞名，其水源因含有少量”苯”(BENZENE)，故處理流程亦採用活性碳過濾以吸附苯。3.加味包裝飲用水：基本上為包裝飲用水再加入其他風味之香料；有些則

14、加入二氧化碳作為蘇打水。包裝飲用水處理流程設計注意事項：除一般之水處理系統外，在後段充填部份，配管應使用衛生級配管。系統必須設計有CIP裝置，及定期消毒裝置。衛生級之定義：1.材質為SUS 3系列以上2.接液部份之表面粗糙度等級須達1.6Ra(m)以上3接液部份不可有死角(dead lag)Ra：中心線平均粗糙度1.6Ra等級以上：精切面：經一次或多次精密車、銑、磨、搪光、研光、擦光、拋光或刮、絞、搪等有屑切削加工法所得之表面，幾乎無法以觸覺或視覺分辨出加工之刀痕。四. 鍋爐用水處理：鍋爐用水之純度視鍋爐之壓力等級而定。一般在20kg/cm²以下之鍋爐，使用軟水即可如作為汽電共生用水

15、，其水質要求等級相當於超純水。鍋爐用水之考量為避免爐管腐蝕或長垢，因此一般要求軟水之硬度為2 ppm as CaCO3以下。如作為汽電共生用水；其要求一般如下電導度： < 0.056 mSiO2： 5 ppbTOC： 20 ppbD.O.： 5 ppb汽電共生對水質純度要求主要之原因為避免高精密度渦輪(Turbin)腐蝕及重量不均衡，高速運轉下產生運轉異常而損壞。汽電共生用水處理請參考第十一章：電子廠超純水系統五、醫療用水處理：醫療用水主要分為醫療器材使用及醫療行為使用二大方面。醫療器材使用：主要用於醫療器具之清洗、消毒等用途。醫療行為使用：主要用於調劑、檢驗等用途使用。醫療器材使用水：

16、主要使用經紫外線殺菌後之RO水。其一般流程如下UFRO5mACFSOFMMF儲水桶UV一般用途之醫療用水、通常其水質要求不高，菌落數要求為 100 CFU/ml如有特殊要求，通常參考之水質標準如附錄之 試劑級用水/USP23標準/Biomedical grade/CAP標準等，針對各類標準，加強其殺菌、去TOC、除熱源等處理程序。血液透析用水處理：其要求水質標準通常為以AAMI之要求為標準。在洗腎室之規劃上；通常設計上必須要知道水量之計算洗腎機之用水比例一般為 A液：B液：RO水1：1.83：34 (l/hr)調配後之透析液電導度約為 14 MS/cm故一般以病床數計水量之規劃如下：(病床數

17、× 35 (l/hr)其他用途(l/hr)規劃水量血液透析用水處理處理流程：0.2m洗腎機UFReuse 清洗台RO5mACFSOFMMFUVUV儲水桶0.2m六、醫藥用水處理，生化用水處理製藥業及生化科技用水需求，請參考第二十六章附錄之水質標準表，或依照製程用途需求訂定。其主要重點在Depyrogenation (除熱源)或除菌。因此在後段製程中UF超過濾為必要之設計單元。其水處理製程通常如下：UVMF儲水桶RO前處理使用點UF如果要求水質純度高；通常如下列流程設計：EDI儲水桶MFRO前處理UVUF使用點後段管線通常必須設計CIP(Clean in place)裝置。以便定期清洗

18、及消毒管線。七、食品飲料用水處理食品飲料用水可區分為1.調理用水 2.包裝水 3.礦泉水等1. 調理用水一般作為食品製程中之添加或清洗等用途，如作為添加入食品或飲料中，因調理食品添加物通常含有養份；為達殺菌效果，有些製程則加蒸汽或熱水；所以調理用水通常處理至軟水即可。2. 包裝水及礦泉水如第三章飲用水處理說明。八、實驗室用水處理九、電著電鍍用水處理十、海水淡化處理十一、電子廠超純水處理十二、冷卻水塔十三、Condensate 回收十四、電子廠low TOC last rinse reclamation 處理十五、電子廠酸性廢水回收處理十六、封裝廠切割廢水回收處理(參考用)十七、封裝廠研磨廢水回

19、收處理(參考用)十八、晶元廠CMP廢水回收處理(參考用)十九、水處理單元特性說明二十、水處理需求調查資料表二十一、水量平衡計算二十二、水處理系統之管理二十三、水處理發展之趨勢二十四、水處理書單二十五、其他二十六、附錄：1、 水質標準：試劑級用水Reagent Grade Water (ASTM)：試劑級用水為適用於實驗室化學分析及物理測試用Type ：適用於最高精密度要求之設備如 AA(Atomic absorption)原子吸收光譜儀、FES(Flame emission spectroscopy)火焰式吸收光譜、ligand assays、微量金屬分析、酵素反應、電泳步驟、IC(ion c

20、hromatography)離子色層分析、HPLC(high performance liquid chromatography)高效率色層管柱、flurometric procedure、細胞培養、介質準備、GC(gas chromatography)氣相色層分析、MASS(mass spectroscopy)及SEM(scanning electron microscopy)電子顯微鏡。Type ：適用於大部份不受微量有機物影響之分析步驟，包括試劑調配及醫學用途染色或染料。Type ：適用於大部份之實驗室調配。Type ：適用於大量低純度需求用水，如人造試劑之補充、清洗水等。試劑級用水Re

21、agent Grade Water (ASTM)性質25Type Type Type Type 電導度S/cm0.0561.02.55.0比電阻M-cm18.01.00.40.2pHAAA5.08.0SiO2 ppb33500NANa+ ppb111050Cl- ppb111050TOC ppb50100200NA 生菌數 CFU/ml10CFU/L10CFU/100ml10CFU/10ml10CFU/10mlENDOTOXIN UNITEU/ml(致熱源)0.030.25NANAA：其pH值視所使用之儀器規定。1.2.U.S.Pharmacopeia(U.S.P)美國藥典標準：第22版(US

22、P)(USP主要規定水質比電阻與pH之關係。)USP級純水主要適用於準備作為添加載體之成份，並作為消毒添加物之型式用水，本規定需求程序中之材質可通過消毒滅菌測試或設計其純水已處理至消毒滅菌狀態並可防止微生物之污染。針劑用水：用於作為針劑或點滴之溶劑；必須經有最終消毒滅菌步驟，以將微生物污染降至最低，或預先將純水消毒殺菌，並保持其水質於殺菌狀態。USP性質25USP純水針劑用水比電阻M-cm0.10.1總溶解固體TDS ppm1010pH(註)5.07.05.07.0Cl- ppm0.50.5SO4-2 ppm0.50.5NH4OH ppm0.30.3Ca+ ppm0.50.5CO2 ppm4.

23、04.0重金屬 ppm0.50.5總鐵 ppm0.10.1Cu+ ppm0.010.01Cr+6 ppm0.010.01Co+2 ppm0.10.1Mn+2 ppm0.10.1Ni+2 ppm0.10.1顏色無無味道無無氧化物質通過測試通過測試微生物 CFU/100ml10通過殺菌標準測試大腸桿菌類CFU/100ml1無致熱源，ENDOTOXIN Units，EU/mlNA0.25註：USP另有規定檢測USP純水及針劑用水標準USP23(1/1/95生效)第五次補充修訂(11/15/96生效)第八次補充修訂(5/15/98生效)pH5.07.05.07.0取消Cl- 0.5取消(以電導度取代)

24、SO4=0.5取消(以電導度取代)NH4OH ppm0.3 ppm取消(以電導度取代)Ca+ ppm0.5取消(以電導度取代)CO2 ppm4.0取消(以電導度取代)重金屬0.5取消(以電導度取代)氧化物質粉紅色粉紅色取消TDS1 ppm取消(以電導度取代)TOCNA500 ppb500 ppb電導度S/cm101.31.3細菌(CFU/ml)純水100100100細菌(CFU/ml)針劑無1010致熱源，ENDOTOXIN Units，EU/ml針劑0.250.250.251.3.生物醫療用水(Biomedical Grade Water)：生物醫療用水適用於藥劑調配，生化醫療，化學，及醫療研究。基本上包括細胞培養，色層分析管柱、mass spectroscopy等實驗，或分子及之不純物分析。生物醫療用水(Biomedical Grade Water)性質濃度 ppbARSENIC（砷）0.1CADMIUM（镉）0.1CHROMIUM（铬）1.0COBALT(钴)1.0COPPER（铜）1.0FLUORIDE(氟化物)1.0IRON（铁）1.0LEAD（铅）1.0NICKEL（镍）0.1POTASSIUM（钾）2.0SILICA(TOTAL)（二氧化硅）5.0SODIUM（钠）0.5TITANIUM（钛）1.0ZINC（锌）0.5ACETATE（醋酸根）3