以「振動」突破膜技術在廢(污)水回收之應用限制

薄膜已成為現今工業廢(污)水回收的主要應用技術，使工廠能在經濟條件下獲得高品質的回收水。但若廢(污)水中含有會造成薄膜結垢、污堵的物質，也會對其應用產生限制。如：含高硬度廢水、含高濃度油脂廢水、含高濃度懸浮微粒廢水，此類廢水或需搭配多個單元與添加藥劑，方能使其導入薄膜單元進行回收或者，根本不考慮對其進行水回收。

在業界面臨愈來愈高的水回收率挑戰下，傳統薄膜系統不適合回收的廢(污)水，也不得不被納入水回收標的水源。振動膜(Vibratory Shear Enhanced Processing, VSEP)[1]或許是一個可考慮的選擇，或可成為這類廢水的經濟性水回收技術。傳統膜系統依靠加壓讓水流經靜止的膜表面，污染物逐漸積累形成濃差極化層，導致通量下降、能耗增加。而振動膜技術則讓膜元件本身產生高頻振動(每秒50-60次)，在膜表面創造強烈的剪切力，有效防止污染物沉積，圖1為傳統UF與振動UF的過濾機理比較。

圖1、傳統UF與振動UF的過濾機理比較示意

振動膜與傳統膜系統相較有以下特色：

  1. 極高剪切力(High Shear Rate)，傳統UF系統膜表面剪切力來自泵浦推動液體流動的速度，通常剪切速率約在104 s-1左右。而振動UF膜片以約 50 Hz 的頻率進行扭轉振動(Torsional Vibration)，這會在薄膜表面極薄的液層(邊界層)中產生高達105 s-1以上的局部剪切速率，比傳統錯流大 10 倍以上，能將附著在膜孔上的固體物質「甩開」。
  2. 抑制濃差極化與邊界層增厚，如乳化廢水(切削液、含油廢水)中含有大量微小油滴和表面活性劑，在壓力作用下，此類物質會聚集在膜表面形成厚厚的「凝膠層」。振動產生的正弦波剪切力會不斷攪動膜表面的液體，使邊界層保持極薄，防止油滴聚集並融合(Coalescence)成連續油膜。
  3. 振動產生的強大升力(Lift Force)，會將廢液中的懸浮固體或乳化油滴推回主流體中。膜片的往復振動，在每一次換向的瞬間，膜表面的液體會因為慣性產生微小的旋渦(Eddies)。此些旋渦會破壞試圖沉降在膜表面的「邊界層(Boundary Layer)」，如同掃帚掃地一般，不斷把剛要落下的固體物或油滴攪動起來，使其重新回到主流體中。

這種「動態過濾」方式使系統能在極低的錯流流速下運行，大幅降低能耗，同時維持穩定的高通量。振動UF可作為預處理單元，能高效去除懸浮固體、膠體和微生物，而振動RO，則可在避免廢水水回收(濃縮)過程，因污堵物質(如碳酸鈣)析出堵塞，大幅提高RO的水回收率。

振動膜的應用案例

1. 高硬度廢水RO濃縮結垢問題

傳統RO系統處理高鈣、鎂、硫酸鹽含量的廢水時，濃水側極易形成碳酸鈣、硫酸鈣等結垢，導致膜元件不可逆損壞。振動RO系統通過表面振動有效防止結晶物沉積，使系統可在高過飽和條件下穩定運行，可提高水回收率並減少阻垢劑添加量。

火力發電廠脫硫廢水，水回收率70 %

2. 含高濃度氧化矽微粒CMP廢水過濾

半導體製程中的化學機械研磨(CMP)廢水含有奈米級氧化矽微粒，傳統過濾技術難以有效處理，常導致膜嚴重污堵。振動UF系統憑藉其獨特的表面剪切力，可高效分離這些細小微粒而不造成膜堵塞，為半導體產業水回收的理想選擇。

半導體業CMP廢水，水回收率90 %

3. 高COD廢水處理挑戰

對於含有高濃度有機物的廢水，傳統RO膜易受有機污染而通量急降。振動膜技術的持續自清潔特性大幅延長清洗週期，從傳統的數週延長至數月，顯著降低維護成本與停機時間。

研磨液製造廢水，水回收率70 %

4. 電鍍廢水處理

電鍍廢水通常含高濃度重金屬離子(銅、鋅、鎳)，使用振動RO膜可避免金屬化合物於膜表面析出造成堵塞問題，可有效提高廢液重金屬濃度，減少後續廢液委外處理費用與增進重金屬回收經濟性。

● 離子去除率：一般可達 98.5–99.8 %。淡側產水銅離子濃度低於10 mg/L。
● 濃縮倍數：振動RO膜可將廢水銅離子濃縮至 5,000-15,000 mg/L以上。

5. 磷酸根廢水回收

磷酸根與許多陽離子結合之化合物溶解度積極低，於使用傳統捲式RO進行含磷酸根廢水回收，RO膜表面極易因析出磷酸結垢物而堵塞，故須先經良好前處理始能導入捲式RO膜進行水回收。採用振動RO膜回收含磷酸根廢水，即可免除需複雜前處理與添加大量藥劑之操作不便利性。

  • 含磷酸根廢水可不需經精密軟化前處理導入振動RO膜，濃排水磷酸根濃度最高可達50,000 mg/L以上。
  • 水回收過程所產生之磷酸鹽結晶微粒，可藉由振動產生之剪切力帶離RO膜表面，避免膜堵塞風險。

振動膜技術特色與優勢

• 超高回收率：實現85-95%的水回收率，遠高於傳統RO系統

• 抗污染能力強：振動設計從根本上減少污染物沉積

• 能耗降低：比傳統系統節能30-50%

• 化學藥劑使用少：減少甚至免除阻垢劑和清洗化學品

• 操作維護簡便：自動化程度高，清洗頻率大幅降低

• 系統佔地小：緊湊設計節省安裝空間

• 適應水質範圍廣：可處理高難度廢水而不影響系統壽命

參考文獻

Hasan, K.S., Visvanathan, C., Ariyamethee, P., Chantaraaumporn, S., & Moongkhumklang, P. (2002). INTRODUCTION TO VIBRATORY SHEAR ENHANCED MEMBRANE PROCESS AND ITS APPLICATION IN STARCH WASTEWATER RECYCLE.

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