水處理廠開發再生能源構想與應用介紹

游勝傑教授

NeWater to NEWNutrient, Energy, Water

132萬噸/日

水利署再生水推動策略

5

民國120年132萬CMD

區域能源資源整合

本土技術人才培訓

關鍵技術產業扶植

友善環境公眾宣導

水利署再生水推動策略

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區域能源資源整合

本土技術人才培訓

關鍵技術產業扶植

友善環境公眾宣導

水資源與能源整合型系統研發

水再生利用友善環境營造

本土性再生水風險評估與管控技術開發

再生水經濟與環境效益研究

水利署再生水技術藍圖

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緊急應變處理與規範建立

極端氣候變遷與水再生計畫因應策略

環境友善型水處理科技發展計畫

(106-110年)

遠端監測技術應用評估

整合系統驗證平台建立

水資源與能源整合型系統研發

水再生利用友善環境營造

水行政相關業務整合及水再生環境友善多元效益推動

水再生利用國際標準研訂之觀察與參與

再生水測試平台建立

水再生利用ISO管理系統之建立及引進

本土性再生水風險評估與管控技術開發

建置台灣再生水風險數據資料庫暨風險評估模型

建構再生水產業鏈之關鍵策略研究

電能管理控制技術應用

水再生利用系統整合管理

水再生現況盤查與媒合促動

再生能源應用技術評估儲能系統應用可行性

水再生動力設備優化

儲水與配水系統消毒劑之濃度時變遷與即時監控系統

再生水應用安全暨經濟效益評估

應用再生水之環境與健康風險評估

再生水推動輔導計畫

運用再生能源小規模水再生處理模組

熱回收與再生整合應用

低耗能薄膜技術開發

再生水經濟與環境效益研究

再生水相關法規橫向整合

再生水專責操作管理人員認證

再生水利用管理平台整合

再生水異業結合

再生水產業經濟效益評估

東南亞水需求市場及臺灣可提供之水再生技術和設備商機分析

社會因素變遷與水再生利用需求之評析

ICT於再生水系統之應用

建立應用再生水之健康風險評估指引與資訊溝通平台

非系統再生水可行性與推廣策略

水利署再生水技術藍圖(研擬中)

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再生能源於再生水廠之應用研究研發綠能系統

水處理系統動力設備能耗最佳化控制技術之研究─以鳳山溪污水廠為例

(營建署代辦)

整合厭氧生物處理之低耗能廢水再生系統

微水力發電應用於再生水廠評估建置計畫

低耗能水再生利用技術之發展與環境友善性研析

101年 102年 103年 104年 105年

營造友善環境

水再生利用策略研究整合管理計畫

水再生利用推動盤查與促動服務計畫

南部科學工業園區再生水廠先期規劃(南科管理局代辦)

水再生利用策略推動與執行管理計畫

水再生利用促動與技術服務計畫

污(廢)水與廢熱之能資源整合盤查及研析

再生水資源發展條例立法推動及授權子法之研究

風險管控與評估

既設廢污水處理廠除氮技術研發與驗證 再生水管線風險評估與管控

本土套裝技術

國產水處理與再生產業第一階段扶植計畫 (工業局代辦) 固定污泥法除氮處理技術之應用驗證

整合微水力發電技術於輸配水系統之可行性研究

水利署101-105科專計畫

101-105年水再生利用風險管理技術研發計劃

污(廢)水與廢熱之能資源整合盤查及研析

96-100年水再生利用產業發展科技計畫

標的 都市污水廠放流水水量大且穩定

問題 開發再生水能耗大

提出本計畫對國內未來發展再生水廠可應用能源提出整體規劃

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計畫目標及預期效益

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調查再生水廠可應用能源發電量潛勢

調查國內外各類程序再生水單位產水需電量

依區位特性提出再生水廠可應用能源整體規劃

發掘可應用能源，評估各廠能源自給率

供未來各廠最適化產水設計評估

作為未來各廠設計規劃及推動之參考

計畫目標 預期效益

評析工業廢熱應用於再生水製造之可行性

減少能耗，降低再生水產水成本

再生水廠可應用能源

污水處理廠內潛力再生能源

工業區熱源回收

風力發電

太陽能

熱回收

共消化(有機物)

沼氣

水力發電

生質能/生物燃料

再生水

11By Water Environment Research Foundation

污(廢)水處理廠耗能分析案例

www.conedisonsolutions.com12

曝氣50%

迴流污泥泵1%重力濃縮1%

好氧消化25%

帶濾脫水3%

加氯消毒1%

燈光及建築用電4.75%

污水泵10% 攔污1% 沉砂1%

沉澱3%

最適節能單元

污(廢)水處理廠耗能分析案例

單元 年耗電量（千兆瓦小時）

污水處理廠總用電量(a) 12.80

(a1)泵 2.01

(a2)曝氣 4.19

(a3)其他 6.59

產能 (b) 7.56

(b1)太陽能 3.94

(b2)厭氧消化＋汽電共生 3.62

淨需電量(c) = (a) – (b) 5.24

外部能源: 廚餘共消化＋汽電共生(d) 5.24 每天需處理151噸的廚餘

平衡 (c) – (d) 0.00 能源平衡

Energy Balance Sheet for a hypothetical secondary wastewater treatment works with treatment capacity of

100,000m3/day.(http://www.dsd.gov.hk/EN/Files/Technical_Manual/technical_papers/EMP1402.pdf) 13

污(廢)水處理單元節能潛勢估算

14

生質能技術節能

潛勢其他技術

節能

潛勢

鍋爐型厭氧消化沼氣 13-57% 加強化污泥處理 10-71%

熱電引擎型厭氧消化沼氣 11-61% 厭氧初級處理 25-139%

微型渦輪機型厭氧消化沼氣 5-38% 熱回收 13-49%

渦輪機型厭氧消化沼氣 7-46% 水力 0%

燃料電池型厭氧消化沼氣 6-42% 利用氨作為燃料 -6-12%

廢棄污泥經預處理之厭氧消化沼氣 -2-60% 消化濃縮液熱源 13-49%

共消化厭氧消化沼氣 2-128% 微型燃料電池 8-110%

污(廢)水處理廠耗能分析案例

15

生物處理單元中，好氧程序約有50%的BEP以熱及功之形式散失，厭氧程序則有8%的BEP以熱及功的形式散失。

在都市污水處理廠能耗方面，以活性曝氣槽消耗量最大約佔廠內用電的47%，其次為抽水站佔21%，污泥脫水及搬運佔14%，其他單元共佔19%。

若不考慮消化瓦斯發電能，則動力消耗為0.31kWh/m3污水，若以消化瓦斯發電回收電能補充廠內之消耗電力，則動力消耗為0.11kWh/m3污水。

典型都市污水處理廠質量及能量平衡之研究，工業污染防治 第26期

高級水再生程序

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處理單元 特性說明

超濾（UF）、微濾（MF）

• 只允許水、無機鹽及小分子物質透過膜，而阻止水中的懸浮物、膠體、蛋白質和微生物等大分子物質通過，以達到溶液的淨化、分離與濃縮的目的

過濾、活性碳

• 過濾：污水通過濾料，以去除懸浮固體物為主

• 活性碳：利用高孔隙之物理吸附與化學吸附作用，去除中分子量、低極性物質

逆滲透（RO）• 可將水中污染物質去除 90~99% ，包括其它純化方法無法去除的有機物質、次微米粒子、微生物與無機鹽類

倒極式電透析（EDR）

• 去除水中導電度/離子及水中氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽及磷酸鹽等

水再生程序單位需電量

目前使用之再生水產水單元計有SF、UF、MF、RO及MBR等

砂濾單位產水耗電量約在0.5-2度/m3

多孔膜(UF及MBR)單位產水耗電量約在1-4度/m3

RO膜單位產水耗電量約在3-6度/m3

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日本再生水廠案例

以日本東京都葛西再生水廠為例(40萬CMD)，廠內設置單軸追日型及固定式太陽能板(發電總容量為290瓩+200瓩)，年總發電量約60萬度，約合160個家庭之用電量

利用放流口有5公尺水頭之條件安裝一組小水力發電機組，可輸出27瓩，約可提供20戶家庭一般用電

一般再生能源約可取代21.8%整體用電

單軸追日型太陽能板 小水力發電示意圖 小水力發電渦輪機

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關鍵課題

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關鍵課題一

可應用能源種類

及應用單元

關鍵課題二

能源轉換效率及能

源潛勢指標

關鍵課題三

廠區節能可行性及

整體經濟效益

關鍵課題四

依區位特性提出能

耗最小化設計

可應用能源種類及應用單元

盤查能源種類

風能

小水力

生質能

太陽能

廢熱

計算轉換

電

直接

利用

分析供應對象

產水

程序

廠區

用電

規劃應用單元

RO

UF

MF

MD

大電

弱電

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關鍵議題二：能源轉換效率及能源潛勢指標

成本(NTD/kWh)*

效率(%) 特徵 潛能計算因子

廢熱回收

2.8淨回收

10%

•有機朗金循環(ORC)

•溫差要求 25ºC以上ΔT, Q

風能 2.4 35～50•風速>5m/s

•水平軸或是垂直軸Area, V3

水力能 2.4 80～90•卡普蘭式渦輪機•height>3m

height, Q

太陽能 3.9 5～28•矽晶式與非矽晶•需大量空間

面積,氣象因子

生質能 3.0 70～75% •沼氣發電熱電聯產 體積,熱值 21

潛勢指標=再生能源發電功率、效率與操作時間的乘積總和

關鍵議題三：廠區節能可行性及整體經濟效益

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延續關鍵議題一、二，配合能源潛勢指標，選擇可行之能源應用種類，估算各單元之節能成本。

搭配模廠數據與模擬分析結果，估算最佳節能效益。

進行成本有效性分析，估算在特定節能目標下，效率最佳之能源種類與應用單元組合。

進行成本效益分析，估算效率最佳化狀態下，廠區節能是否具經濟可行性。

關鍵議題四：依區位特性提出能耗最小化設計

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污水廠

再生水廠

工業用戶

再生水廠

距離近,管線成本低再生能源潛能高

距離遠,管線成本大使用端有潛在廢熱

V.S

盤查水資中心再生能源發電量潛勢

蒐集對象：高缺水區之桃園、新竹、臺中、臺南、高雄等地區水資源回收中心及六大示範廠營運及推動情形

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龜山、中壢、桃園北區、石門、大溪、楊梅竹北、客雅、竹東

石岡壩、台中港特定區、水湳

楠梓、中區、大樹、旗美

虎尾寮、官田、柳營鄉、仁德、鹽水

盤查水資中心再生能源發電量潛勢

再生能源所需資料蒐集

風力發電：風能及風速

太陽能發電：日照強度及廠址面積

水力發電：水量及地形高度落差

生質能：水質及水量

以地區智慧電網概念搭配緩衝儲能系統的建立，藉以達到整體電能優化

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盤查水資中心再生能源發電量潛勢

參考「千架海陸風力機風力資訊整合平台」V(風速)進行各廠風力潛能初步評估

位於桃園、新竹及臺中三地之水資中心較有設置風力發電之潛能，其中以鄰近出海岸線的客雅、臺中港特定區潛能最大約0.038 kＷ/m2 ，位於臺南及高雄兩地之水資回收中心則風力潛能較低

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風速(m/s) 風力(kW/m2) 水資源回收中心

< 5.0 0.00729鳳山溪、大樹、旗美、福田、仁德、楠梓、安平、虎尾寮、官田、柳營鄉、永康、臨海

5.0-6.5 0.009843石岡壩、水湳、豐原、鹽水、中區、石門、大溪、竹東、龜山、中壢

6.5-8.5 0.02092 桃園北區、楊梅、竹北、客雅、台中港特定區

盤查水資中心再生能源發電量潛勢

參考經濟部能源局與交通部中央氣象局合作資訊，由中央氣象局提供全天空日輻射量之原始監測數據

初步估算太陽能發電潛能較佳者為楠梓、福田、客雅等3處年發電量皆大於100萬度。

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太陽光電發電量(萬度)

水資源回收中心

< 50

大樹、旗美、虎尾寮、官田、柳營鄉、臨海、石岡壩、水湳、鹽水、石門、大溪、竹東、龜山、中壢、楊梅、竹北、台中港特定區

50-100 桃園北區、豐原、安平、永康、仁德、中區、鳳山溪

>100 楠梓、福田、客雅

盤查水資中心再生能源發電量潛勢

小水力潛勢評估：發電效率以0.6計算，水頭部份假設為2m，流量則以放流水的50%計算

後續進行現地盤查水頭則以小水力發電機組可能設置位置之最大水頭進行評估

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發電量(KW) 水資源回收中心

<1桃園北區、石門、大溪、竹東、石岡壩、台中港特定區、官田、柳營鄉、大樹、旗美

10-1虎尾寮、臨海、水湳、鹽水、龜山、中壢、楊梅、竹北、豐原、永康、仁德、客雅、楠梓

>10 安平、福田、中區、鳳山溪

盤查水資中心再生能源發電量潛勢

生質能潛勢：以各廠進流水及放流水質、水量進行初步評估，單位沼氣產生之熱值以5500kcal計算

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熱值(kcal) 水資源回收中心

<1011桃園北區、石門、大溪、楊梅、豐原、石岡壩、官田、大樹、中區

1011～1012龜山、竹北、客雅、竹東、水湳、虎尾寮、柳營鄉、楠梓、旗美

>1012中壢、福田、台中港特定區、安平、永康、仁德、鹽水、鳳山溪、臨海

調查水處理程序單位需電量

地區 實廠 產水單元用電量

(kWh/m3)

美國 Orange County, CAUF

(TDS 800 – 1200 mg/L之廢水)0.2 – 0.3

美國 Orange County, CARO

(TDS 800 – 1200 mg/L之廢水)0.5 – 0.61

美國 Orange County, CA RO (TDS 35,000 mg/L之海水)2.5 – 7(節能裝置不同之差異)

美國 Orange County, CA MF + RO 0.84 – 0.92

澳洲 實廠 MF + NF 0.41

澳洲 實廠 MF + RO 0.82

德國 Markranstadt MBR(HF/Zenon) 0.8 – 1.5

德國 Seelscheid MBR(FS/Kubota) 0.9 – 1.7

義大利 Brescia-Verziano MBR(HF/Zenon) 0.85

荷蘭 Varsseveld MBR(HF/Zenon) 0.75 – 1.0

英國 Westbury MBR(FS/Kubota) 1.98

30

評估再生水廠能源自給率

31

建立再生能源生產量分析指標(Energy Footprint, Rosso

et al. 2012)如下：

再生水廠能源自給率計算

並針對每日產水量、處理程序的不同以及時間推移等敏感性參數進行分析比較以深入了解重要影響因子

調查工業廢熱應用於再生水之製造

廢氣

廢蒸汽

冷凝熱水廢熱液

固態廢熱

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工業

部門

耗能

其他

臺灣總耗能

30~50%又為可利用中低溫廢熱

可設計取熱排管直接擷取並蒸發工作流體。

調查工業廢熱應用於再生水之製造

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項目台中福田廠 台中豐原廠 台南安平廠 台南永康廠 高雄鳳山溪廠 高雄臨海廠

原規劃 現況 原規劃 原規劃 原規劃 現況 原規劃 現況 原規劃

產水量（CMD） 131,000 130,000 25,000 66,000 30,000 15,000 45,000 45,000 35,000

供水對象臺中港工業

專區

未來若有餘裕，

另增彰濱工業

區

中科園區安平工業區/

南科園區樹谷園區

樹谷園區+

南科園區臨海工業區 臨海工業區 臨海工業區

潛在再生水使

用端中龍鋼鐵 精密機械加工

光電、精密機

械、半導體傳統製造業 台積電

晶圓代工業

及面板業中鋼與中鋼鋁 石化鋼鐵業 鋼鐵機械

可利用

廢熱與產電

煉鋼廢熱與汽電共生電力

淬火爐產線之低溫廢熱

製程廢熱 需現地調查需現地調查FAB廢熱

熱風多層爐廢熱

煉鋼廢熱與汽電共

生電力

蒸汽、廢噴砂、廢木材、燃料氣、電弧爐煉鋼爐

產水處理流程砂濾+加氯

消毒

砂濾+加氯消

毒

70%UF+

30%ROUF+RO

30%UF+

70%ROUF+RO UF+RO UF+RO UF+RO

項目 台中福田 台中豐原 台南安平 台南永康 高雄鳳山溪 高雄臨海

產水量（CMD）

130,000 25,000 66,000 15,000 45,000 35,000

供水對象

台中港工業專區＋

彰濱工業區

中科園區安平工業區/南科園

區

樹谷園區+

南科園區臨海工業區

潛在再生水使用端

精密機械加工

光電、精密機械、半導體

傳統製造業

晶圓代工業及面板

業石化鋼鐵業 鋼鐵機械

可利用廢熱與產電

淬火爐產線之低溫廢熱

製程廢熱需現地調

查熱風多層爐廢熱

蒸汽、廢噴砂、廢木材、燃料氣、電弧爐煉鋼爐

產水處理流程

砂濾+加氯消毒

70%UF+30%RO

UF+RO UF+RO UF+RO UF+RO

再生水廠能源整體規劃

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能源平衡

固體

濃縮 脫水

低耗能設備

需求

供給

水頭

泵 重力流

能效泵泵控制器

水力規劃

廠區設計

熱

熱能

鍋爐/廢熱轉換效率

曝氣 混合

水處理

能效設備

流程設計

優化控制

熱能

氮焚燒乾燥固體

轉換成油、氣

汽電共生

直接利用/甲烷氣體

渦輪轉換電能

熱泵熱能

微生物燃料電池

汽電共生

熱解氣化產生CO

消化產生沼氣(甲烷)

營養鹽

藻類生長

固體 熱 水處理水頭

厭氧處理

碳

生物脫氮N2O

案例分析-南部某再生水廠用電量計算

22,930 kWh/day 用電比率 預估用電量(kWh)

曝氣 50% 11465

好氧消化 25% 5732

廢水泵浦 10% 2293

建築物照明等基本需求 5% 1146

攔污柵 3% 688

帶濾壓縮 3% 688

污泥搬運 1% 229

重力濃縮 1% 229

氯消毒 1% 229

監測 1% 229

砂濾 1% 229

35

案例分析-南部某再生水廠能資源整合

南部某再生廠設計產水量為66,000CMD

36

次世代再生水廠??

簡報完畢敬請指教

2016年6月4日