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自來水原水來源分類成地面水和地下水，地面水的硬度與水源有關，而地下水的硬度則與地質種類相關。根據2022年台灣自來水事業統計年報¹，13個管理區全年總出水量約為30億立方公尺，其中原水硬度較高區域，主要分布在濁水溪流域和高屏溪流流域（5區、6區、7區、11區和屏東區），總出水量約有13億立方公尺，約占43 %。台灣飲用水總硬度管制標準為 300 mg/L，自來水公司一直致力於提供高品質的飲用水，然而，硬水問題一直是影響用戶滿意度的一個重要因素，硬度去除將有效提升適飲性口感。除此之外，硬水含有大量的礦物質，尤其是鈣和鎂離子，容易導致水垢的生成，進而降低水管效能，增加維護成本，因此，國內硬度較高區域需透過降低硬度之處理以產出高品質之飲用水。
以荷蘭自來水原水為例²，地下水暫時硬度與總硬度莫爾比值是1.25-2.5，平均值 2，而地面水暫時硬度與總硬度莫爾比值是0.8-1.5，平均值1；化學法處理硬水軟化所使用藥劑分類成碳酸鈉、液鹼和熟石灰，當比值低時，一般是小於1，適合選用碳酸鈉；而比值高時，一般是大於1.5，則建議採用熟石灰，比值介於中值時，介於1到1.5間，則適合液鹼。荷蘭地下水水溫約 0℃到 23℃，地面水水溫約 0℃到 5℃，熟石灰不適用於地面水。台灣實廠應用主要會量測鹼度與總硬度比值，地面水比值約0.7-0.8，地下水比值則為0.8-0.9，使用藥劑是液鹼；不使用熟石灰和碳酸鈉可能原因之一是熟石灰溶解度不佳，配製操作上較繁瑣，且產生的污泥量是使用液鹼的兩倍；那為何不採用碳酸鈉呢？推論除了藥品費最高之外，處理水比導電度也最高。
原水軟化處理技術包含添加軟化藥劑法、離子交換樹脂法、倒極式電透析法、薄膜法和流體化床結晶法。上述相關技術主要差異點包含：以離子交換樹脂進行軟化處理，須以食鹽進行樹脂再生，產生之再生廢液屬於高導電度廢水，需要考慮排放水體是否可承受。薄膜法通常為超過濾 (UF)搭配逆滲透 (RO)等之單元組合，初設成本較高，且為達水質需調高迴流比，回收率則可能偏低使得產水率較低，且薄膜需定期更換，導致維護費用偏高。倒極式電透析(EDR)法，優點是利用薄膜與電極能有效分離陽陰離子，降低總溶解性固體，但是缺點是耗電量高與初設成本高；流體化床結晶法屬於化學法，需要添加液鹼形成碳酸鈣結晶，相較於其他處理法具有操作簡單、產水率高且低成本之優勢，但由於目前實廠碳酸鈣晶體純度大多偏低，再利用受限，若可提高結晶純度，將可同時滿足水處理及資源利用之雙重目的。
工研院在原水流體化床結晶應用技術最早的案例是莿桐淨水場，後來因林內管線配置至莿桐後停用；為了活化設備將槽體與系統移至卓蘭淨水場使用。卓蘭淨水場之流體化床結晶系統如圖1所示，操作現況為50%-60%水量以結晶處理後與未處理水在後段混合消毒再排至清水池，結晶床pH值控制於9.5±0.5，與文獻³最佳值相似。卓蘭淨水場流體化床實際照片如圖2所示，原水總硬度經結晶處理後，由約220-260 mg/L降低至94-111 mg/L，去除率介於55% 至 60%，顯示具有良好處理成效。目前控制上升流速40 m/h-50 m/h，碳酸鈣結晶體純度約80%-85%，結晶體再利用管道是作為培養土肥料。為提高結晶物之純度以增加後續再利用管道以及價值，研究團隊經實驗室驗證，透過提高流體化床上升流速由50m/h至100 m/h時，碳酸鈣晶體平均粒徑會由初始植種矽砂擔體（粒徑介於0.2 mm-0.4 mm）成長至 2 mm，相較於較低上升流速操作下之晶體 (約1 mm)粒徑可增加約一倍，而碳酸鈣晶體粒徑提升後，平均純度則從80%上升至98%，主要不純物是鎂，已初步達到再利用之規格。高純度碳酸鈣晶體可資源化利用如表1，可應用到紙漿、建材、塗料、油漆、塑膠和橡膠工業等。在操作部分，pH值控制為硬度與水質之關鍵，未來建議可由累積流量計與pH計之相依性，加入智慧控制的預警系統設計，在控制出流水pH值的操作上將更有保障。
 

圖1 卓蘭淨水場之流體化床結晶處理流程

圖2 卓蘭淨水場結晶處理實場與排放碳酸鈣結晶體
 

表 1　高純度碳酸鈣結晶體在各產業之應用

參考文獻
1.台灣自來水事業統計年報，自來水全球資訊網，2023
2.Van der Veen, C. et al., Amsterdam Water Supply.,1992, (26), 1591-1620
3.Y. Chen, R. Fen, D. An, Y. Cheng, H. Tan, Enviro. Sci., 2016, (50), 109-116

撰寫人：李茂松
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編輯/校稿：張冠甫