因應全球氣候變遷與經濟活動發展，台灣水資源分布不均以及供需失衡的狀況日益嚴重，因此，經濟部水利署致力於新興水源的利用，推動再生水處理的相關政策，積極鏈結研發單位、系統製造商以及用水開發端，促進再生水處理的關鍵技術發展，以穩定國內的水源供應與水資源的永續經營。本研究計畫的主要目標為貯能型再生水技術的系統證明與整合精進，以最小單元電容去離子的原型組件為主體，優化其效能表現，同時，以產業應用推廣為前提，評估此技術用於非系統再生水的可行性，完成整合的試驗性系統，建構工業級的電容去離子原型組件，最後，以生命週期評估角度，建立電容去離子技術的量化永續性設計模式(quantitative sustainable design)，提出貯能型再生水系統的發展途徑與應用範疇。 本研究計畫主要建立於過去科專計畫(「低耗能水再生利用之發展與環境友善性研析」與「貯能型水再生系統」)之成果為基礎，進行電容去離子系統的整合與精進，本計劃已完成探討操作電壓、操作流量等變因，對最小單元電容去離子原型組件之脫鹽表現的影響，從而優化其脫鹽效能與能源利用效率。研究並已研析電容去離子技術處理鹽水濃度的應用範圍，完成低濃度範圍的最小單元電容去離子原型組件的脫鹽實驗，建議其操作範圍在1 g/L鹽度以下。在最小單元原型組件的串聯/並聯操作模式上，則以電容去離子模組在串聯堆疊10對的電極，再並聯4組的10對電極堆，作為工業應用的最小單元元件(CDIIX-40)。本計劃已成功將10對串聯的電容電極堆單元模組的產水量提升至30 LPH，達成每日大於0.5噸級以上之計畫目標，並進一步設計與開發工業級電容去離子原型系統，以120對的電容電極堆而言，其每日的處理水量最大可達約8.3噸，完成整合的試驗性再生水處理系統。 同時，本研究計畫對於電容去離子技術在系統再生水的應用，完成5個月的實場長期的操作，分析其再生水的水質，驗證其可行性。針對工業部門(如高科技產業)非系統再生水的應用標的，則透過最小單元電容去離子原型組件進行實驗室規模之測試以評估其可行性。本計劃完成以自來水為進流的純水回收實驗、家戶用水軟化實驗、冷卻水塔循環水回收實驗、製程廢水回收實驗以及科技廠廠內高導電度放流水實驗，有效去除原水中的溶解性帶電物質，並通過後處理單元進行消毒，可提供安全與水質穩定的廢水回收再生水。亦根據再生水再利用之用途，研析其可搭配之相關前處理與後處理單元，提出電容去離子技術的應用方案規劃與建議報告。主要搭配之前處理單元為薄膜過濾程序:處理非溶解性物質、以及活性碳吸附程序:處理水中溶解性或難分解的有機物質。後處理單元為紫外光消毒: 去除水體中的細菌與微生物。如此結合電容去離子模組可去除水中溶解性離子之特性，完成整合的再生水處理系統。 後續，選定電容去離子技術的八大關鍵因子，建立量化永續性設計模式，以技術設置與運轉階段的能資源投入進行敏感度分析，以提出再生水系統的發展路徑。本期研究計畫能以過去基礎，而在產業應用推廣為前提下，詳細探討最小單元電容去離子原型組件於非系統再生水之水處理系統中所扮演的角色。再者，本研究亦成功量化CDI技術永續性設計的影響，配合過去測試結果，選定合適之量化指標分析實驗數據，接著選定環境指標，以生命週期評估檢核環境影響。 最後，配合本年度之水利署計畫，本團隊參加2019年台北國際水週之活動，將研究成果及台灣自行開發之模組機台展出，作為台灣的水科技亮點，成果豐碩。同時，本計畫以產業推廣為目標，成功的鏈結產業界，完成技術的移轉，建構工業級電容去離子原型組件，促進國內水利產業以及再生水處理技術的提升，以循環型水資源技術為發展核心，確保我國水資源的永續發展。

目錄 摘要 I Abstract I 第一章 前言 1 1.1 計畫緣起 1 1.2 計畫目的 1 1.3 計畫工作範圍及項目 1 第二章 水再生利用現況 8 2.1 水再生利用現況 8 2.1.1 國內水再生利用現況 8 2.1.2 系統/非系統再生水應用現況 10 2.1.3 再生水水質需求 13 2.2 電容去離子技術 16 2.2.1 電容去離子技術之原理 16 2.2.2 電容去離子技術之優勢 18 2.2.3 貯能型系統於再生水之應用 20 2.2.4 電容去離子技術之應用潛力 26 2.2.5 電容去離子技術結合再生能源之系統操作 30 2.3 電容去離子技術之環境友善性評估 31 2.3.1 前期計畫之環境友善性評估 31 2.3.2 電容去離子技術之量化永續性設計 35 第三章 電容去離子工業級原型組件之建立與優化 39 3.1 電容去離子工業級原型組件之發展規劃 39 3.2 電容去離子單元原型組件之評估 41 3.2.1 電容去離子技術之電極材料特性 41 3.2.2 電容去離子技術之效能評估指標 43 3.3 電容去離子單元原型組件之優化 51 3.3.1 電容去離子單元原型組件之最佳操作電壓測試 51 3.3.2 電容去離子單元原型組件之操作流量測試 56 3.3.3 電容去離子單元原型組件之適用濃度範圍試驗 60 第四章 電容去離子技術實廠應用原型系統之建立 68 4.1 以最小單元電容去離子原型組件建立單元的並聯操作模式 68 4.2 電容去離子技術之操作模式 70 4.2.1最小單元電容去離子原型組件之串聯與並聯 70 4.2.2 電容去離子原型組件的產水效率之優化 72 4.2.3 最小單元電容去離子原型組件之最適操作濃度範圍 73 4.2.4 最小單元電容去離子原型組件之前後處理適用程序 74 4.3 電容去離子實廠原型系統之建立 76 第五章 電容去離子技術於再生水應用之可行性 81 5.1 系統再生水應用標的 81 5.1.1 系統再生水於實場長期操作試驗 81 5.1.2 長期操作之水質監控分析 83 5.1.3 系統再生水系統之綜合分析 90 5.2 非系統再生水應用標的 92 5.3 純水系統回收 96 5.3.1 電容去離子裝置於純水回收系統之應用 98 5.3.2 純水回收系統之出流水水質採樣分析 100 5.3.3純水回收系統之連續操作效能評估 102 5.4 家戶用水軟化 105 5.4.1 電容去離子裝置於家戶用水軟化之應用 107 5.4.2 家戶用水軟化之出流水水質採樣分析 109 5.4.3家戶用水軟化之連續操作效能評估 111 5.5 冷卻水塔循環水回收 114 5.5.1 電容去離子裝置於冷卻水塔循環水回收之應用 116 5.5.2 冷卻水塔循環水回收之出流水水質採樣分析 118 5.5.3冷卻水塔循環水回收之連續操作效能評估 120 5.6 製程廢水回收 123 5.6.1 電容去離子裝置於製程廢水回收之應用 125 5.6.2 製程廢水回收之出流水水質採樣分析 127 5.6.3製程廢水回收之連續操作效能評估 128 5.7 科技廠廠內高導電度放流水回收 131 5.7.1 電容去離子裝置於廠內高導電度放流水回收之應用 133 5.7.2 高導電度放流水回收之出流水水質採樣分析 135 5.7.3高導電度放流水回收之連續操作效能評估 137 第六章 進行智慧新節能型水再生系統之之實施計畫評估 140 6.1 電容去離子技術關鍵因子與實驗室測試資料之永續性量化模式 141 6.2 以實際測試結果進行量化永續性模式測試與修正 151 6.3 以量化永續性設計模組評估技術設置與運轉期間之能資源投入，提出貯能型再生水系統之發展路徑及應用 159 第七章 水展參展 162 第八章 結論與建議 173 8.1 結論 173 8.2 建議 174 參考文獻 176 表目錄 表1? 1 整體執行工作項目與內容 3 表1? 2 執行工作項目、方法及步驟 6 表1? 3 執行進度甘特圖 7 表2? 1 再生水名詞定義 8 表2? 2 工業水再生利用技術參考Class A、B、C之水質建議值 14 表2? 3 生活汙水廠放流水經電容脫鹽裝置處理後之再生水水質 22 表2? 4 以CDIIX模組處理迪化污水廠放流水之水質分析數據 23 表2? 4 以CDIIX模組處理迪化污水廠放流水之水質分析數據(續) 24 表3? 1 不同電極對數操作下之運作指標 45 表3? 2 不同電極對數操作下之設計參數 50 表3? 3 電容去離子單元組件於不同操作條件下之效能估指標總表 64 表3? 3 (續)電容去離子單元組件於不同操作條件下之效能估指標總表 65 表4? 1國際商品化CDI模組與臺灣大學設計研發之CDI模組的比較 77 表4? 2 工業級CDI模組系統參考 78 表5? 1水質平均與標準差 90 表5? 2高科技產業常用之水回收技術處理彙整 91 表5? 3高科技產業所關切之水質項目 92 表5? 4 電容去離子裝置處理自來水之水質分析 103 表5? 5 電容去離子裝置軟化家戶用水之水質分析 112 表5? 6 電容去離子裝置軟化冷卻水塔循環水之水質分析 121 表5? 7 電容去離子裝置應用於模擬含銅製程廢水之水質分析 129 表5? 8 電容去離子裝置處理廠內高導電度放流水之水質分析 138 表6? 1 CDI發展相關文獻匯整表 142 表6? 2 各對數實驗群於八大指標之平均值與標準差 152 表6? 3 發展歷程中代表性實驗結果之環境衝擊分析 154 表6? 4 不同去鹽率目標之平均值與標準差 157 ? 圖目錄 圖1? 1 工作流程圖 5 圖2? 1 再生水水源與再利用量 9 圖2? 2 高科技廠商製程分流方式及其處理程序與再利用用途 12 圖2? 3 供水水質標準與工業用途水質分級之關係 13 圖2? 4 電容去離子技術運作原理示意圖 16 圖2? 5 電雙層示意圖 17 圖2? 6 電容去離子技術3H3L之技術特點 18 圖2? 7 低耗能模組系統 21 圖2? 8 連續式電容去離子模組處理迪化污水廠放流水之結果 21 圖2? 9 以升壓/降壓裝置輔助 CDI 裝置進行能源回收作業(Chen et al.， 2019) 27 圖2? 10 電容去離子移除砷之機制示意圖 29 圖2? 11 三種微生物燃料電池模組實體圖包含 (A)單槽式MFC模組、 30 (B)雙槽式MFC模組、(C)三槽式MFC模組 30 圖2? 12 CDI連續處理生活污水之資源投入衝擊貢獻分析 33 圖2? 13 以生命週期評估為設計工具之量化永續模型概念圖 35 圖2? 14 以混凝土混和物為例之環境產品宣告分析系統邊界 36 圖2? 15 AnMBR可能的發展途徑 38 圖2? 16 各型態AnMBRs 設計的各類別環境衝擊變化圖 38 圖3? 1 整合性再生水處理系統之建置路徑 39 圖3? 2 電容去離子技術所使用之多孔性碳電極材料評選流程 42 圖3? 3 連續式電容去離子10對電極串聯堆疊於操作電壓1.6 V以及流量30 LPH處理10 mM NaCl鹽水之結果圖 (A)出流水導電度之變化及(B)集電板所偵測之電流變化 44 圖3? 4 電容去離子原型組件之運作指標示意圖 45 圖3? 5 電容去離子原型組件之設計參數示意圖 50 圖3? 6一對電極於(a)定電流(0.15 A)充放電模式與(b)定電壓(1.2 V)充放電模式，於流量1.2 LPH下處理10 mM NaCl鹽水之出流水導電度、pH值、電壓、電流變化比較圖 (Chen et al.， 2018) 51 圖3? 7 電容去離子10對電極串聯堆疊於不同操作電壓，流量30 LPH，以連續式處理10 mM NaCl鹽水，(A)出流水導電度變化、(B)出流水pH值變化及(C)集電板所偵測之電流變化 53 圖3? 8 電容去離子10對電極串聯堆疊於不同操作電壓，流量30 LPH，以連續式處理10 mM NaCl鹽水之綜合指標分析 (A)CDI Ragone plot、(B)充電效率與單位面積平均鹽吸附速率ASAR之比較、(C)能源輸入Ev與En之比較以及(D)產水力P與平均濃度下降量<Δc>之比較 55 圖3? 9 電容去離子10對電極串聯堆疊於不同操作流量，操作電壓1.6 V，以連續式處理10 mM NaCl鹽水之測試，(A)出流水導電度變化、(B)出流水pH值變化及(C)集電板所偵測之電流變化 58 圖3? 10 電容去離子10對電極串聯堆疊於不同操作流量，操作電壓1.6 V，以連續式處理10 mM NaCl鹽水之綜合指標分析，(A)CDI Ragone plot、(B)充電效率與單位面積平均鹽吸附速率ASAR之比較之比較、(C)能源輸入Ev與En之比較及(D)產水力P與平均濃度下降量<Δc>之比較 59 圖3? 11 電容去離子10對電極串聯堆疊於操作電壓1.6 V，流量30 LPH下以連續式處理不同NaCl鹽水進流濃度之測試，(A)出流水導電度變化、(B)出流水pH值變化及(C)集電板所偵測之電流變化 61 圖3? 12 電容去離子10對電極串聯堆疊於操作電壓1.6 V，流量30 LPH下以連續式處理不同NaCl鹽水進流濃度之綜合指標分析，(A)CDI Ragone plot、(B)充電效率與ASAR之比較、(C)能源輸入Ev與En之比較及 (D)產水力P與平均濃度下降量<Δc>之比較 63 圖3? 13 (A) 各CDIIX單元組件在不同進流條件下所模擬出充電5分鐘之<Δc>與Ev之變化；(B) 由實驗結果模擬出CDIIX將不同濃度鹽水處理至0.1 g/L以及0.5 g/L (適飲飲用水濃度上限)所需要之系統能源輸入Ev，並與逆滲透(RO)產生飲用水所需要做的能耗(Zhao et al. 2013)做比較 67 圖4? 1 電容去離子技術的發展示意圖 68 圖4? 2 電容去離子單位電極堆之建構與操作方法示意圖 70 圖4? 3 最小單元電容去離子原型組件之系統操作控制示意圖 71 圖4? 4 電容去離子單元組件之產水率優化程序，(A) 操作程序，(B) 不同幫浦靜置時間下的產水率 (中華民國專利發明第I670237號) 72 圖4– 5 電容去離子單元組件串聯處理於電壓1.6 V，流量30 LPH之條件下將進流溶液從不同濃度處理至目標濃度(1、5、10 mM)所模擬出之能源輸入值，並與逆滲透(RO)產生飲用水所需要做的能耗(Zhao et al. 2013)做比較。 73 圖4? 6 整合的試驗性系統示意圖 75 圖4? 7 智慧節能型電容去離子裝置系統 (107年度) 76 圖4? 8 各國商用CDI模組之實體照片(A)美國Aqua EWP P?1模組、(B)荷蘭Voltea C?6模組、(C)義大利Plimmer Idropan Alfa DW Mini模組、(D)韓國Puree Ecomite-M模組，以及(E)國立臺灣大學研發設計之模組 79 圖4? 9 各國工業用之CDI模組系統(A)美國Aqua EWP P-1-CA模組、(B)荷蘭Voltea IS2模組、以及(C)台大工業級電容去離子原型系統 80 圖5? 1 示範場域之貨櫃屋及內部裝置圖 81 圖5? 2 CDI裝置於桃園水資源回收中心設置規劃 82 圖5? 3 CDI於示範廠區之導電度即時監測變化 82 圖5? 4 MBR、UF及MCDI系統出流水於示範廠區之水質即時監測變化 85 圖5? 5 MBR、UF及MCDI系統出流水於示範廠區之陰離子即時監測變化 87 圖5? 6 MBR、UF及MCDI系統出流水於示範廠區之陽離子即時監測變化 89 圖5? 7 高科技產業再生水應用現況示意圖 93 圖5? 8 電容去離子技術應用於純水系統示意圖 96 圖5? 9 高科技產業之純水回收系統流程圖 97 圖5? 10 電容去離子裝置與現有純水回收系統結合之實施建議示意圖 97 圖5? 11 電容去離子裝置處理自來水之結果 99 圖5? 12 電容去離子裝置處理自來水之CDI Ragone plot圖 99 圖5? 13 電容去離子裝置處理自來水之陽離子監測變化 100 圖5? 14 電容去離子裝置處理自來水之陰離子監測變化 101 圖5? 15電容去離子裝置處理自來水之連續充放電導電度變化 102 圖5? 16電容去離子裝置處理自來水之充電/放電平均導電度 102 圖5? 17 世界衛生組織於飲用水質之硬度規範 105 圖5? 18 電容去離子技術應用於家戶用水軟化示意圖 105 圖5? 19 家戶用水之軟化流程圖 106 圖5? 20 電容去離子裝置與現有家戶用水軟化流程結合之實施建議示意圖 106 圖5? 21 電容去離子裝置應用於家戶用水軟化之結果 108 圖5? 22 電容去離子裝置用於家戶用水軟化之CDI Ragone plot圖 108 圖5? 23 電容去離子裝置軟化家戶用水之陽離子監測變化 109 圖5? 24 電容去離子裝置軟化家戶用水之陰離子監測變化 110 圖5? 25 電容去離子裝置軟化家戶用水之連續充放電導電度變化圖 111 圖5? 26電容去離子裝置軟化家戶用水之充電/放電平均導電度 111 圖5? 27 電容去離子技術應用於冷卻水塔循環水回收示意圖 114 圖5? 28 高科技產業之冷卻水塔循環水回收系統流程圖 115 (A)流程結合離子交換樹脂系統、(B)流程結合逆滲透系統 115 圖5? 29 電容去離子裝置與冷卻水塔循環水回收系統結合之實施驗證示意圖 115 圖5? 30 電容去離子裝置應用於冷卻水塔循環水回收之結果 117 圖5? 31 電容去離子裝置用於冷卻水循環水回收之CDI Ragone plot圖 117 圖5? 32 電容去離子裝置軟化冷卻水塔循環水之陽離子監測變化 118 圖5? 33 電容去離子裝置軟化冷卻水塔循環水之陰離子監測變化 119 圖5? 34 電容去離子裝置軟化冷卻水塔循環水之連續充放電導電度變化 120 圖5? 35 電容去離子裝置軟化冷卻水塔循環水之充電/放電平均導電度 120 圖5? 36 電容去離子技術應用於製程廢水回收示意圖(以銅離子為例) 123 圖5? 37 高科技產業之製程廢水回收系統流程圖 124 圖5? 38 電容去離子裝置與現有製程廢水回收系統結合之實施建議示意圖 124 圖5? 39 電容去離子裝置應用於含銅製程模擬廢水回收之結果 126 圖5? 40 電容去離子裝置用於含銅製程模擬廢水之CDI Ragone plot圖 126 圖5? 41 電容去離子裝置應用於模擬含銅製程廢水之銅離子監測變化 127 圖5? 42 電容去離子裝置應用於模擬含銅製程廢水之硫酸根離子監測變化 127 圖5? 43 電容去離子裝置應用於模擬含銅製程廢水之連續充放電導電度變化 128 圖5? 44 電容去離子裝置應用於模擬含銅製程廢水之充電/放電平均導電度 128 圖5? 45 電容去離子技術應用於廠內高導電度放流水回收示意圖 131 圖5? 46 科技廠廠內高導電度放流水回收系統流程圖 132 圖5? 47 電容去離子裝置與高導電度放流水回收系統結合之實施建議示意圖 132 圖5? 48 電容去離子裝置應用於廠內高導電度放流水之結果 134 圖5? 49 電容去離子裝置用於廠內高導電度放流水之CDI Ragone plot圖 134 圖5? 50 電容去離子裝置處理廠內高導電度放流水之陽離子監測變化 135 圖5? 51 電容去離子裝置處理廠內高導電度放流水之陰離子監測變化 136 圖5? 52 電容去離子裝置處理廠內高導電度放流水之連續充放電導電度變化 137 圖5? 53 電容去離子裝置處理廠內高導電度放流水之充電/放電平均導電度 137 圖6? 1 電容去離子技術之量化永續性設計模組及技術發展應用架構 140 圖6? 2 各種CDI單元架構出現之時間軸 142 圖6? 3 實廠規模MCDI模組污水處理示意圖 144 圖6? 4 以生命週期評估工具建立之水再生系統量化永續設計模型概念圖 150 圖6? 5 CDI不同電極對數於實驗指標與環境衝擊指標之歸一化分析圖 152 圖6? 6 電容去離子技術吸附時間與吸附容量關係圖 156 圖6? 7 去鹽率目標之歸一化分析圖 158 圖6? 8 技術發展與環境量化並進之發展路徑 159 圖6? 9 發展歷程中代表性實驗之總環境衝擊分析結果 160 圖6? 10 最小單元模組試驗之量化永續性分析結果 161 圖7? 1 貯能型電容去離子裝置 162 圖7? 2 工業級電容去離子裝置之原型系統 163 圖7? 3 台灣國際水週之展出情形 164 圖7? 4 技轉合約簽訂會 164 圖7? 5 海報牆 166 (A)台大團隊成果展示、(B)普全科技團隊成果展示、(C)富鈞團隊成果展示、 (D)技術發展成熟度及環境友善性評估部分 166 圖7? 6 台大團隊研究成果之海報 167 圖7? 7 台大團隊之宣傳文宣 169 (A)電容去離子技術之原理、特點與(B)電容去離子技術之應用及台大團隊發展過程 169 圖7? 8 各機台之解說板 170 (A) 貯能型電容去離子裝置 (B) 工業級電容去離子裝置之原型系統 170 圖7? 9 計畫主持人侯嘉洪教授向行政院院長蘇貞昌報告研究成果 171 圖7? 10 行政院蘇院長與本團隊合影留念 171 圖7? 11 行政院蘇院長與台大教授群握手合影留念 172 圖7? 12 與參觀廠商交流情形 172