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由於膜分離程序具有節省能源、操作簡便及維護方便等優點，應用越來越廣泛，市場規模也越來越大，目前全球每年已有近百億美元的市場[1]。早期由於膜的價格較昂貴，大多用於製造高附加價值產品的產業上，但近年來，由於製膜技術的發展，膜的價格大幅降低，再加上廢水回收再利用也成為解決水資源缺乏的主要策略，民生用水的製備及廢水處理，已成為分離膜最主要的應用領域[2]。本文將先對膜分離程序進行簡介，再列舉一些實例來說明膜分離技術在廢水處理上應用的現況，最後將簡單討論膜分離程序在廢水處理應用上的瓶頸及解決之道。
一、常用於廢水處理的膜分離程序
膜分離技術是利用不同成分透膜速率上的差異來達到分離的效果，因此所用的膜必須有選擇性，亦即膜必須讓某成分優先透過，例如利用具有適當孔徑的膜，將水中的懸浮粒子擋住，只讓水透過，而達到水質淨化的目的。物質透過膜的驅動力可以是濃度差，電位差，溫度差，或是壓力差[3]。常被用於廢水處理的膜分離程序主要是以膜兩側的壓力差為驅動力讓水透過膜，而水中粒徑大過膜孔的粒子則會被膜阻擋，微過濾(microfiltration)、超過濾(ultrafiltration)、奈米過濾(nanofiltration)、及逆滲透(reverse
osmosis)，均是屬於此種類型的程序；此外，以電位差為驅動力的電透析(electrodialysis)亦是常用來處理電鍍廢水的膜分離程序。本文將以介紹微過濾、超過濾、奈米過濾、逆滲透等程序為主，讀者若想對電透析有進一步的了解，可參考Ho及Sirkar所編寫的薄膜手冊[4]。
微過濾、超過濾、奈米過濾、逆滲透等程序是以膜孔大小(或所能阻擋粒子之大小)來區分，其分野如圖一所示。當所用膜的膜孔大小在0.05~10μm之間稱為微過濾；膜孔在1~100
nm之間(所能阻擋粒子的分子量約為1,000~500,000 Daltons)，稱為超過濾；逆滲透膜的孔徑小於1nm，可以阻擋一價離子(如Na+，Cl-)的透過；奈米過濾膜孔徑大小介於逆滲透膜及超過濾膜之間，可阻擋分子量在200~1000
Daltons間之粒子，對一價離子的阻擋率不高，但可阻擋二價離子。廢水中有許多大小不同的污染物，可以選擇不同的膜分離程序來加以去除。一般而言，要去除水中的細菌或懸浮粒子時，可以採用微過濾；若要去除病毒、蛋白質等膠體粒子，或是染料、高分子等有機物，則常採用超過濾；要去除所有的離子時，需用逆滲透；但若只需去除二價以上的離子或分子量數百的分子，則可採用奈米過濾。以下將對膜分離技術在各種產業廢水處理上的主要應用現況進行簡介[5,
6]。
圖一 膜分離程序之分類
二、膜分離技術在廢水處理上應用現況簡介
膜分離技術在廢水處理上應用最成功的例子當屬電塗漆廢水的處理。電塗漆法是在金屬表面塗布一層漆來進行防銹處理，當金屬製品從漆槽取出時需以大量水來清洗，會產生大量的電塗漆廢水。超過濾是處理電塗漆廢水最有效益的方法，當廢水透過超過濾膜時，塗料會被截留，而將漆與水分離，既可解決廢水排放的問題，亦可回收電塗漆來降低成本。此外，尚可進一步用超過濾與逆滲透組合系統來同時回收電塗漆與水。當廢水透過超過濾膜時，如前所述，塗料會被截留而與水分離；透過液中所含有的鹽類及溶劑，可進一步利用逆滲透膜來截留，只讓水通過，這些回收水可以再利用，通常是作為清洗水使用，可大幅降低清洗水的使用量。
膜分離技術亦常被用來處理紡織工業中的退漿水、染整廢水、及洗毛廢水。在織布過程中，為了增加紗線強度，要先將紗線上漿，織完後需以水將漿料洗去，清洗所產生的廢水稱為退漿水，可用超過濾膜截留漿料，除回收漿料外，並可解決廢水排放問題。類似的方式可用來回收染整廠廢水中的染料、織布過程中防止纖維帶電的油劑、及毛紡廠中洗毛廢水所含的油脂，既可回收廢水中有用的物質，又可避免污染環境。
超過濾及逆滲透(或奈米過濾)的組合可用來處理含油廢水及造紙工業的廢水。許多工業均會產生含油廢水，如金屬工業常會產生含有切削油及潤滑油的廢水，石油煉製廠及油田的廢水也會含有油。可以利用超過濾來進行油水分離，回收廢水中所含的油，透過超過濾膜的液體，可採用逆滲透或奈米過濾的方式來回收其中所含的水分，進一步再利用。類似的膜分離程序亦可用來回收造紙工業廢水中所含的可再利用物質，其中主要有木質素磺酸鹽及一些醣類，可採用超過濾膜來截留木質素磺酸鹽，加以回收，而能透過超過濾膜的醣類及水分則可進一步以逆滲透程序處理，透過逆滲透膜的水份可回收作為清洗水，而被逆滲透膜所阻擋的醣類則可進一步再利用。通常木質素磺酸鹽可用來生產去垢劑或黏合劑，而醣類則可作為發酵原料來生產酒精。
電鍍廠及晶圓廠所產生的廢水亦可利用膜分離技術加以處理。電鍍廢水中含有重金屬，是毒性甚大的污染源，可利用逆滲透程序加以處理。透過逆滲透膜的水可以回收再利用，而被濃縮的廢水，只要濃度夠高，可送回電鍍槽再利用。晶圓廠中晶片研磨或洗滌的程序，會產生含silica粒子的廢水，其中較大的silica粒子可利用微過濾或超過濾來去除，但較小的粒子或溶於水中的物質則要靠奈米過濾或逆滲透方能清除。
膜分離技術另一重要的應用是與活性污泥池結合來處理民生廢水，即是所謂的膜生物反應器(membrane
bioreactor)。初始的構想是將經污泥池處理後的廢水，以微過濾或超過濾系統進行過濾，透過濾膜的水可以排放或再利用，而濃縮液則送回污泥池。但因進入膜分離系統的液體含有高濃度污泥，常會阻塞系統及膜孔，導致濾速及處理量能的大幅下降，因此目前的設計乃朝向採用浸入式膜生物反應器(submerged
membrane
bioreactor)。此種設計是將過濾膜組直接浸入污泥池中，膜的一側與廢水接觸，另一側則抽真空產生負壓來讓水透過膜，將水淨化。此方法由於濾速較小及可利用污泥池內曝氣裝置所產生的流動來去除膜面沈積物，膜孔阻塞的問題較不嚴重，再加上可大幅減少裝置所需要的空間，十分適用於處理都市生活廢水。
三、膜分離程序應用在廢水處理上的瓶頸
以膜分離系統來進行廢水處理，已被證明有許多優點，但因成本仍然過高，應用上還是受到許多限制。早期由於膜的價格昂貴，以膜分離系統來處理廢水成本很高，近年來，由於製膜技術的發展，膜的價格大幅降低，理論上只要膜壽命(操作年限)夠長，不需經常更換，成本應不至於過高。然而在實際應用上，常因膜壽命較短，需要更換，而造成操作上不方便且不合經濟效益，這是目前亟需突破的瓶頸。
導致膜壽命縮短的原因有二，一是由於廢水中常含有一些會造成膜材劣化的有機溶劑，或是PH值過高或過低，超過膜材適用範圍，這部份的問題可透過慎選膜材及開發抗化性更佳的膜材來解決；另一個原因是由於廢水中的成分十分複雜，常會吸附於膜面上或膜孔中，造成膜孔的阻塞或稱之為結垢(fouling)
，使得膜材需要清洗或更換，這個部份的問題則需透過適當的前處理、適當的系統設計(尤其是流態)、以及材料改質(改變吸附性)來解決。開發具有更佳抗化性及抗垢性的薄膜，來提升膜的壽命，是製膜廠商研發的方向，而設計出適當的膜組及系統則是薄膜系統供應商努力的方向。但膜的使用者也必需要了解如何選擇適當的膜材及合用的膜組，以及如何使用適當的前處理來延長膜的壽命。
在選擇薄膜時，需先對廢水成分進行了解，尤其是與材料選擇相關的資料，如pH值，親疏水性，是否含有機溶劑或特殊成分（與膜材的化學穩定性有關），是否有特殊官能基（可能與膜材有特殊的吸附現象），以及與膜孔大小選擇有關的資料，如粒子（溶質）的粒徑（或分子量），粒子的濃度及帶電性等。同時也要確認進行廢水處理時，所使用的壓力及溫度範圍。依據操作時的溫度、壓力，配合廢水的pH值、化學成分等條件，來選擇合用的材料，再由廢水中粒子的粒徑及特性來選擇適當的薄膜孔徑。
在選擇膜組時，則必需將所處理的廢水是否容易阻塞流道列入考量[7]，當有懸浮粒子會阻塞流道時，中空纖維式的膜組並不合宜，可能要採用螺捲式(spiral
wound)或板框式的膜組。若廢水中粒子濃度很高時，可能要採用一些特殊設計的膜組，如轉盤式膜組(參見圖二)，這種膜組可直接浸入廢水中，透過液被抽吸入中空轉軸內，可利用轉盤旋轉所產生的流場，來減少膜面上粒子的堆積與阻塞，對處理高濃度、高黏度的廢水有很好的效果。技術面：運用民間安全衛生專業技術資源投入協助規劃完整區域聯防之體系和技術。
使用適當的前處理來延長膜的壽命，可能是最簡單有效的方法。一般常用的前處理法有離心，吸附，調整pH值，加入螯合劑，加入絮凝劑，過濾（如砂濾），膜過濾（如MF作為NF或RO之前處理）等等。而以適當的頻率對膜加以物理清洗或化學清洗，也常是延長膜壽命的必要步驟。
圖二 轉盤式膜組[2]
四、結語
膜分離技術在廢水處理上有許多的應用，並已被證明有許多優點，但目前因膜壽命(操作年限)較短，常需要更換，造成操作不方便且不合經濟效益，應用上還是受到許多限制，這是目前亟需突破的瓶頸。但以發展的趨勢看來，利用膜分離系統來進行廢水處理，已是目前及未來的主流，相信會被更廣泛地應用於各種產業和民生廢水的處理及回收再利用。不過要能真正突破應用上的瓶頸，除了製膜廠商及系統供應商能研發出分離效果更佳、價錢更便宜的膜及膜組之外，膜的使用者也必需更了解如何選擇適當的膜及合用的膜組，以及如何利用適當的前處理及清洗程序來延長膜的壽命。
五、參考文獻
1.Sutherland, K., Profile
of the international membrane industry, 2nd edition,
Elsevier, Amsterdam (2000).
2.Caetano, A., M. De Pinho,
E. Drioli, and H. Muntau, Membrane technology: applications to
industrial wastewater treatment, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht
(1995).
3.Mulder, M., Basic
principles of membrane technology, 2nd edition, Kluwer
Academic Publishers, Dordrecht (1996).
4.Ho, W.S., and K.K. Sirkar,
Membrane Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York (1992)
5.劉茉娥,
膜分離技術應用手冊, 化學工業出版社, 北京 (2000).
6.鄭領英,
王學松, 膜的高科技應用, 五南圖書出版公司, 台北 (2003).
7.Franken, T., “Membrane
selection – more than material properties alone,” Membrane Technology,
97, 7 (1997).
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