中水处理方法

作者:台湾李东峰
一、前言
台湾地区水资源贫乏，虽然每年台风及东北季风会带来丰沛雨量，但因降雨时间分布不均、河流短急，再加上水库增设不易，故台湾地区地面水使用量提升困难。

而需水量又因人口增加及工业发展而年年爬升，每当旱季来临供水更是捉襟见肘，造成民生不便及产业界的重大损失。

为提高水资源的利用效率，协助厂商提高用水回收率，可有效降低因产业发展而形成的用水需求。

在民生方面，可以由省水器材的使用及中水系统的设立来着手。

在现阶段，一般民众已有使用省水器材的观念，许多学校机关也多有采用；但是对中水系统却认知较浅且常有使用错误的状况发生，因而常对中水造成误解。

有鉴于此，本文主要针对一般民生用水回收再利用系统的设计与规划要点进行说明，帮助厘清中水使用观念，并在规划设计上提出建议，以供参考。

二、中水系统处理技术介绍
水的再生利用，从处理的机能加以分类则可分成前处理、主要处理及后续处理。

依据文献，所采用之处理流程汇整如表2-1，处理流程上各单元之功能说明如下。

前处理中包括栏筛、混凝沉淀、过滤等单元，主要是将原水中的不溶性固体物加以分离；而流量调整槽的作用是将进流的水量及水质加以调匀，一般称为初级处理。

污水中溶解性有机物主要由生物处理去除，而混凝沉淀则以去除悬浮固体物(SS)及分子量较大的有机物为主，以上可说是二级处理。

接下来的是三级处理，采用砂滤处理或膜处理，用以去除生物处理后水中的SS；活性碳则以去除色度、臭气、有机物等。

臭氧处理则为去除色度、臭气、有机物、细菌。

氯消毒则为抑制产生软泥等目的。

前述各处理目的之代表流程组合如表2-1，但在流程选择上，必须同时考虑下列4项条件：
1. 可承受水质、水量之负荷变动。

2. 操作管理容易。

3. 设备容量适当。

4. 符合经济效益。

台湾由于厨房排水与厕所排水混流，若能预先规划将污水予以分流排放，则再生水之原水水质应可获得改善，因而降低处理成本，建议之处理流程与用途如下：
二级处理→砂滤or膜处理→氯消毒→冲厕用水、洒水用水。

二级处理→砂滤or膜处理→UV消毒（氯消毒）→浇灌用水。

由于一般二级处理技术已相当成熟且熟为人知，故在此针对三级处理的单元进行讨论，说明其功能并探讨出水是否可达回用标准。

2-1 快砂滤系统介绍
2-1-1原理
快砂滤法的去除机构主要分为传送(Transport Mechanism)及吸着(Attachment Mechanism)，将悬浮物质加以补捉，使自水中分离之。

传送机构包括截留作用、重力沉降及布朗扩散运动等物理性的去除机制为主；而吸着机构则指因电双层、化学架桥等物理-化学作用造成的吸附而去除。

快滤中，当杂质粒径大于1μm，其截留或重力沉降之作用强，当杂质粒径小于1μm时，布朗扩散运动作用提高；所以粒径在1μm左右的悬浮性物质去除率最差。

而一般二级污水处理流程处理后放流水中所含之悬浮性物质(SS)，其大多为微生物胶羽，大小约在数㎜至数百μm之间。

故经快滤后，残留于放流水中之悬浮性物质大多可去除。

2-1-2形式
一般而言，快滤池主要有重力式与压力式两大类；重力式采自然流下过滤，大多无盖;而压力式多采密闭桶槽的设计。

如以过滤方向区分有向上、向下、水平及上下流等形式；而滤层的设计上又有固定床及移动床的区别。

如原水浊度过高，可以在快滤槽前搭配化学混凝沉淀处理之；否则会造成滤层堵塞、降低过滤效率等问题。

2-1-3效果
快滤除了可去除二级处理后放流中残留之SS，并可同时去除其中所含之有机物、氮、磷等。

除了水质上的实质效果外，SS去除后可以提高水的清澈度，减少消毒药剂量并提升消毒效果，除了增加使用接受度外，亦可提升中水安全性。

在薄膜分离技术的持续发展下，薄膜系统的造水率、分离效率、初设成本、操作成本、保养与维护费用等使用门槛一直在下降。

针对不同的水质条件与不同的处理目的，也发展出适用于各种用途的膜管，包括了MF(Microfiltration)、UF(Ultrafiltration)、NF(Nanofiltration)、RO(Reverse Osmosis)、ED(Electrodialysis)等等。

而膜式处理的去除机制，主要是以压力让水强行通过膜，利用膜的微小孔径去处污染物而达到净化的目的。

如下图2-2-1，随着不同孔径的差异，膜的去除效果也不同。

MF膜的孔径约在10~0.1μm之间，可以去除细菌、悬浮物等。

而UF约在1~10nm左右，除细菌、悬浮物外亦可分离高分子酵素蛋白。

RO则在0.1~1nm，除细菌、悬浮物及高分子酵素蛋白外，对于低分子离子同样具去除效果。

ED膜则是以阴、阳电极通电后，驱动离子透过膜而造成去盐作用，但是有机物会被截留于膜管间。

▲▲图2-2-1 膜式处理去除机制
2-2-2效果
由上可知，以孔径0.4μm以下的MF膜来处理二级处理系统的出流水，对其中大多为微生物胶羽，大小约在数㎜至数百μm之间的SS可以达到相当好的去除效果，故残留于二级出流水中之悬浮性物质大多可被去除。

如果以RO膜来处理，可以得到非常高品质的中水，但是相对的成本也会提高许多。

现阶段的应用实例以MF膜及UF膜为主。

2-3 消毒系统介绍
再生水的使用，安全为一最大考量，一般采用氯、紫外线(UV)或臭氧消毒，后者由于成本较高，在此不予讨论。

2-3-1氯消毒
再生水于台湾气温下贮存，其余氯量在最终使用前尚能保有0.4mg/l as Cl以上，才能确保没有大肠菌类及其它病原菌产生。

在贮存日数(0、1、3、5、7、10天)对水质之影响，显示当贮存水中余氯量降低至0.1mg/l以下时，大肠菌数即开始快速增加。

起始第0天余氯量1.0mg/l约可保存3天；而初始余氯量2.0mg/l约为保存5天以上，之后余氯浓度降低，大肠菌便开始繁殖生长。

2-3-2UV消毒
氯消毒与UV消毒程序之比较，在第0天时两者的消毒效果大致相当，唯UV消毒由于没有持续性,再生水于贮存隔日起大肠菌即明显开始大量繁殖；而氯消毒则因能保有余氯，故较能延缓大肠菌的繁殖。

3-1. 设计水量
中水之用水量，为再生处理设施、输、配水设施及用控水设备等设计的基本依据，故必须适当的设定，各种设施之设计水量如下表3-1。

▲表3-1 中水系统水量设计说明
3-2. 要求水质
虽然就技术而言，再生水可以处理至非常干净；但为求经济性与安全性，再生水仍以不与人体接触为原则，至于水质之要求请参考表3-2。

▲表3-2 再生水水质要求
3-3. 中水管线配置要点
中水管线系指输送再生水至用水点之管路而言，中水水管与自来水管应分开设置，并应以颜色（中水管为绿色）作为区隔，以防止错接。

而贮槽则为贮存待处理之排水与处理后之再生水的槽体，材质上可有混凝土、FRP及不锈钢槽之区分。

业主最应关注的是管路与贮槽的标示问题，以免误接或误用，防止对策如表3-3所示。

▲表3-3 再生用水系统误接，误使用防止对策
▲照片4-1
因中水系统的出水是使用于日常生活，故水质安全性是系统设计成败的关键之一，藉由管理面的加强可以确保中水水质稳定。

在此提出之建议如下：
1. 当中水系统产水的水质水量无法达到设计要求时，应立即检查系统是否发生故障并加以排除。

2. 若中水系统进水水质高于设计条件，而使再生处理能力降低时，可由提升二级处理设施之效率来解决。

3. 遇有停电或维修，而需停止供应再生水时，需可自动或手动切换至自来水，避免造成民众使用上的不便。

4. 需避免再生水在管内停留时间过长，如遇长时间不使用，应排空储槽置换储水，以防止水质的恶化。

5. 为防止发生误接、误饮，中水管线、储槽及用水点应确实做好标示之工作。

又如装置于室外之散水栓，为防止误接或错误使用，除使用时以外应切断水源，以策安全。

6. 一定规模以上之中水系统，建议装设远程监控系统，以实时监测水质变化，可提高中水使用上的安全性且降低操作维护成本。

四、中水系统规划实例
1. 砂滤、活性碳之中水系统
此系统为本单位设置于澎湖县马公市公所的雨中水合并回用系统(如照片4-1)，主要设备及流程如图4-1，设计处理量为5m3/day，系统中各单元及功能如表4-1。

▲图4-1 雨中水整合系统示意图
此套系统的出水水质如表4-2所示，除色度、浊度及BOD之外，其余的水质项目皆可完全符合中水使用标准；尤其大肠杆菌及余氯皆于标准范围内，可确保使用安全。

本套设备最大的特色有二：
2. 二级处理加MF过滤
除了以砂滤及活性碳为处理系统之外，本单位另外针对日本在90年代初期所发展出来之改良式MF薄膜分离系统（称之为沉浸式膜处理系统）进行测试，作为再生水的主要处理程序，将民生污水净化达自来水水质。

传统之生活污水处理方法是将废水打入好氧槽中，槽内之好氧菌将废水中的BOD氧化分解掉。

之后废水再打入沉淀槽中，借着重力分离作用将产水与生物污泥分开。

这种方式在控制操作上容易发生：真菌繁殖所产生的污泥膨松，使污泥漂浮在水中而无法借着重力沉淀分离，进而造成处理水水质下降；而且其处理效率不够高，虽然在正常操作下可以达到放流水水质要求，但是并无法直接作为民生用水的补水水源。

▲图4-2 沉浸式膜再生水处理系统流程图
▲表4-2 中水水质变化范围及去除率
而沉浸式膜处理系统（图4-2）属于MF的一种，可分离水中粒径在0.4μm以上的固体微粒，整个系统在设计上之主要目的是为了处理含高浓度生化需氧量（BOD）及悬浮固体微粒（SS）之原水，适合应用于工业或是民生污水之处理与回收。

此系统将MF模块浸入好氧活性污泥槽中，污水先在槽内与活性污泥进行生物反应，再以吸引帮浦(Suction Pump)将废水吸入中空式纤维膜内过滤。

此系统不但可以解决传统方法所可能产生的污泥膨化问题，同时也提高了对废水水质变化度的容忍性。

此外，所占用的体积也是传统方式的50%。

沉浸式膜与传统标准活性污泥处理设备之比较如表4-3所示。

▲表4-3 沉浸式膜与传统标准活性污泥处理设备之比较
此模厂设计处理量为2CMD，系统槽体外型是pvc材质、长宽皆为1米、高约2米(照片4-2)。

沉浸式膜模块置于槽体之中，如照片4-3所示，膜组是中空纤维式，原水由外向内的方式进入膜管而得到产水。

为了防止膜表面的污染阻塞，因此在槽体底部以大量曝气使的膜组能保持震动状态，如照片4-4所示。

此套测试用之沉浸式膜系统设备规格所表4-4所示。

▲表4-4 沉浸式膜系统设备规格
▲照片4-3 沉浸式膜外观
▲照片4-2 沉浸式膜再生水处理系统外观
沉浸式膜中水系统在有机物的去除上，发挥了相当明确的效果。

虽然进流水的COD变化相当大，但是出流的COD浓度则大多稳定维持在100mg/L以下。

由此发现，沉浸式膜系统可以有效的去除废水中的有机物质，维持稳定的出水水质。

另外一个重要水质指针为水中的悬浮固体物(SS)，沉浸式膜最重要的功能就是有效的将生物污泥截留于反应槽中，避免因生物污泥膨化流失造成的效率降低，甚至当机的情况发生。

由图4-4发现，不管进流水中的悬浮固体物浓度如何改变，出流水中的悬浮固体物几乎都低于监测极限。

由此可以证明沉浸式膜对于水中的悬浮固体物有将近100%的去除效率，也就是说可以完全将微生物污泥截留在反应槽中。

在此同时因为水中包含生物不可分解的无机污泥也完全截留在反应槽中，隔一段时间需将其与过多的生物污泥排出槽外。

还有两个相当重要的水质指针，分别为水中的浊度及色度。

这两个水质项目在再生水回用中显得相当重要，因为其直接影响到居民对于再生水回用的意愿。

虽然再生水的利用并不鼓励与人体直接接触，但是外观就显的污浊，且带有颜色会让人感觉不适。

这也是传统处理方式很难达到回用水标准的主要原因。

操作结果显示虽然进流水中的浊度约介于100~400NTU之间，但是出流水中的浊度稳定维持在10以下。

在色度这方面，出流水中的色度也都稳定维持在50UNIT以下。

在照片4-5中可以明显比较出进出流水在外观上有极大差异，出流水的外观已经与自来水相去不远，相信已可以让民众放心使用。

五、结论与建议
1. 中水系统的设置须先考量用水点、用水量及需求水质，依此规划处理流程并评估设备及操作维护费用。

2. 目前的中水回收处理技术以二级处理搭配砂滤、活性碳或膜处理设备并加以消毒为主要流程。

3. 中水管线与自来水管应分开设置，并应以颜色（中水道为绿色）作为区隔，以防止错接。

4. 为防止发生误接、误饮，中水管线、储槽及用水点应确实做好标示之工作。

又如装置于室外之散水栓，为防止误接或错误使用，除使用时以外应切断水源，以策安全。

5. 为提高中水使用上的安全性，装设远程监控系统可以实时监测水质变化，并且降低操作维护成本。