摘要
南科再生水廠規劃設計及營運策略
台灣四面環海氣候溫暖潮濕年平均降雨量雖然可達2,400mm是全球平均2倍，但是降雨時間分布不均且河川坡陡流急，依統計資料可知降雨後60%流入大海22%迅速蒸發，可以留下使用剩下僅18%(177億噸)而大型水庫容量有限且水庫持續淤積，因此多元用水策略進行導入再生水是十分重要的，2021年啟動系統試車，經過長期投入和努力，於2022年9月正式啟用，為全球首座回收工業廢水，且應用於半導體製程的工業再生水廠，2023年1月達成台灣首次將再生水回用至半導體晶圓製程，截至2023年12月，台積電南科廠區已使用再生水總量1300萬噸以上，因此再生水在2023的旱季時，維持穩定晶圓生產擔任相當關鍵的角色，並讓台積電南科廠區節省自來水達30%，相當於減少18.4萬車次水車運補，因此成功發展再生水的技術與應用，達成淨水永續的績效。
Taiwan is surrounded by the sea and the climate is warm and humid. Although the average annual rainfall can reach 2,400mm, which is twice the global average, the rainfall time is unevenly distributed in a year and the rivers are steep and rushing. According to statistics, 60% of the rainfall flows into the sea and 22% evaporates rapidly. Only 18% of the rainfall is remaining (17.7 billion tons). Therefore, the introduction of a diversified water-use strategy to incorporate recycled water is extremely important. The system was tested in 2021 and, after long-term investment and effort, was officially launched in September 2022. It is the world's first industrial wastewater recycling plant applied in the semiconductor manufacturing process. In January 2023, Taiwan achieved its first use of recycled water in the semiconductor wafer production process. As of December 2023, the TSMC Nanjing plant has used more than 13 million tons of recycled water. Therefore, recycled water played a critical role in maintaining stable wafer production during the 2023 drought season, and the TSMC Nanjing plant saved 30% of tap water, equivalent to reducing 184,000 water truck transportations. Thus, the successful development and application of recycled water technology achieved sustainable water purification.
1. 前言
再生水，是將廢水回收再利用，過去大家把廢水放流視為理所當然沒有利用價值，但在水資源愈來愈短缺的現在，廢水的命運也全然改觀，成為珍貴的水資源。再生水成為拓展多元水資源重要一環，並引導台灣往下一個階段經濟發展邁進。
2015年12月立法院通過《再生水資源發展條例》[1]，成為推動再生水發展的法源依據，2020台積電與南部科學園區管理局簽約，促建「台積電南科再生水廠」[2][3]，預計2021年啟動園區工業廢水再生工程，導入工業再生水做為台積電晶圓製程用水做準備，經過長期投入和努力，於2022年9月正式啟用，為全球首座回收工業廢水，且應用於半導體製程的工業再生水廠，2023年1月達成台灣首次將再生水回用至半導體晶圓製程。
台積電此次建廠承諾使用一部分再生水，包括取自都市污水放流的永康再生水每日0.95萬噸安平再生水每日3.75萬噸以及取用南部科學工業園區工業放流水產製每日2.0萬噸之園區再生水，創下國內第一個將再生水用於製程的高科技廠商，以實際行動支持工業使用再生水的國家政策有助於台灣推動再生水發展。
2. 文獻探討
2.1 國外經驗
許多先進國家面臨水資源危機起源都是都市人口過度集中，經濟快速發展造成水資源迅速枯竭如日本/美國加州，或是本身就處於水資源匱乏的沙漠地區如以色列，或是集水不易的國家如新加坡。這些國家都在1970起積極推動都市污水廠放流水再生利用來解決缺水問題[4][5]。
這些國外經驗將放流水再生用在農業灌溉、景觀澆灌、地下水的補充以及工業用水，新加坡更是積極將再生水回注到集水區做為間接飲用水來源。能執行每一項措施都是在嚴格法令規範下透過組織、教育和推廣、讓先進技術和永續觀念獲得民眾的認同。
綜合這些先進國家推動再生水成功經驗值得我們學習:
2.1.1 水價合理化
水價依其實際狀況調整供應價格，政府為了永續經營將再生水價格低於自來水，提高使用再生水的誘因。高自來水價是促成先進國家再生水快速發展的重要因素，舉例日本每度平均水價接近新台幣46元，尤其在大都會包括東京、福岡地區水價可能超過新台幣100元[6]，隨用水量增加尚有累進計價，大用水戶用水成本高，反觀在一般建築物沖廁、澆灌等用途之再生水價格只有自來水的三分之一到二分之一，自然促成再生水需求持續上升。
2.1.2 水資源管理機關事權統一
自來水、放流水、再生水進行統一調配有效推動特定建設。新加坡成立公共設施局(Public Utilities Bureau, PUB)，統合上、中、下水設施的建設，維護管理以及供應販售，每項措施均透過組織、制度、教育及推廣，逐步讓先進技術及永續觀念得到民眾認同，再生水部分作為間接引用之水庫回注的先進做法就是有效的溝通及推動的成果[8][9]。
2.1.3 地下土壤水再生技術
再生技術除了透過薄膜處理外，經過二級處理之放流水透過土壤處理後再經過地下水層中抽回水質合格的再生水，成為以色列重要的再生處理手段，除了操作成本優勢外並兼具調節地下水水位功能[7]。
2.2 國內先期規劃
南科學園區再生水計畫在2012係經濟部水利署委由南部科學園區管理局代辦推動，特於再生水需求顯著之台南科學園區進行再生水廠先期規劃，辦理模廠水質效能評估、廠商需求及意願調查、經費建置等可行性研究工作、藉由推動本計畫達成三個要點，分別是：
❶建構中央與產業合力推行再生水試辦計畫之機制。
❷建立政府部門帶頭進行高科技產業園區污水再生利用之示範。
❸提高台南科學園區供水穩定度，達水資源永續利用之目標。
綜上述的目標事項，我們本計畫工作項目規劃如下:
- 調查台南科學園區用水現況及用水特性
- 污水處理廠放流水水質、水量特性分析
- 再生水模廠處理效能與評估
- 協助推動廠商參與再生水使用計畫
- 完成再生水廠營運模式與興建費用分析
此計畫已將污水處理廠放流水水質、水量特性分析有詳細說明對往後南科再生水廠操作有重要參考價值，另外針對模廠採用UF+RO傳統方式處理後得到13種水質分析項目都有90%去除率，但有兩種微污染物質對製程需求特別慎重。
❶氨氮(NH3-N)部分由於台南園區污水處理廠放流水之氨氮平均濃度仍高達90mg/L，經過UF/RO處理後濃度只能降低到1.8mg/L無法達到半導體廠規格<1.0mg/L，必須經過第二道RO之脫鹽處理後才能符合廠商用水標準，操作成本相對提高。
❷尿素(CN2H4O)是動物蛋白質代謝後生活污水經過UF/RO處理後濃度只能降低到0.14mg/L離半導體廠規格0.005mg/L還有一段距離，且缺乏即時性量測儀器無法有效展現處理情況。( 圖1 )
這兩種物質是未來南科再生水廠操作最大挑戰即使我們已經考慮到並設計生物水池及尿素反應池高等氧化法因應。
圖1：南科園區尿素濃度分布
3. 研究方法
3.1 獎勵投資興建
依據獎勵投資興建台南科學園區特定區計畫都市計畫供水用地設施公告，台積電提出申請歷經資格審查、評選會議、投資計劃書修正、最後與科管局雙方簽屬行政契約(2019.10)，核准台積電在公共設施用地申請興建南科再生水廠。成為國內第一家民營企業興建再生水廠也是全世界第一家將工業放流水處理給最先進半導體製程使用。希望藉此推動台灣再生水發展。
中鼎工程是國內業界資優生，有多年的豐富經驗水資源中心興建及營運，並已培養出具備高度操作及高效能的營運能力。此次台積電邀請中鼎工程以DBOO(Design/Building/Operation/Owner)的合作營運模式為台灣再生水發展建立新的里程碑。( 圖2 )
圖2：南科再生水廠動土典禮
3.2 規劃設計
再生水廠處理設計的基本理念為：➀提供具備穩定可靠的功能；➁先進且具備實蹟及試驗證實有效；➂產生較少二次污染及污泥，呼應環保需求；➃較低能源使用，達到綠色製造之目的。
配合中鼎公司累積眾多指標專案之經驗，針對進流水之具低有機污染物、硬度、硼、氨氮及尿素等水質特性，研擬具綠能單元及產出污泥量較少之流程，以符合再生水水質需求，相互檢討後之處理流程提供穩定可靠且較一般傳統技術減少近50%會造成二次污染的無機污泥之水再生技術，具備操作穩定性、系統彈性及整體經濟性等各面向效益。各重要處理單元包含：BioNET、FBC及化混、砂濾、UF、RO等再搭配濃水之化學混凝單元以及AFB生物脫硝單元等。最終處理單元之水質將符合再生水用水標準，且廢水排放需符合南科納管標準。本廠之特點如說明如圖3。
圖3：再生水處理流程
3.2.1 BioNET生物處理池
此生物處理系統採用環境變異忍受性強、操作費低的二段式BioNET生物處理法。本流程利用分屬異營菌及自營菌二個不同族群的微生物有效去除廢水中之有機物及NH3-N/尿素，具備高負荷、高效率、高穩定的特點，亦反映出低操作費優勢。
BioNET技術為工研院研發之高效率生物處理技術，透過比表面積> 6,000m2/m3之擔體，可以累積大量之功能性微生物，來達到降解有機物與氨氮、尿素等微量物質之功能，其中第一座BioNET以去除有機物、IPA及Acetone為主；第二座BioNET主要以去除氨氮以及尿素為主。此設計考量主要以去除有機物以及去除氨氮之功能性不同族群微生物，分別為異營菌及氨/亞硝酸氧化菌群。將兩類微生物透過兩座BioNET反應槽區隔後，可以避免異營性微生物於單一槽體內大量茲長進而壓縮氨與亞硝酸氧化菌群生長空間之問題。
3.2.2 FBC(Fluidized-Bed Crystallization)流體化床結晶軟化單元
這次再生水廠軟化系統採用工研院開發多年成熟FBC系統，目的就是要減少廢棄的污泥量降低操作成本，同時增加一套全量運轉傳統的化學混凝單元，來保證操作的安全性。FBC操作原理是利用矽砂擔體在結晶槽中作為結晶核種，欲處理之進流水及添加藥劑係由該反應槽之底部進入並向上流動，而該反應槽外接有一迴流水迴路，用以調整進流水過飽和度及達到擔體上流速度，使欲處理的無機離子於矽砂擔體表面形成穩態結晶體，當晶體粒徑達1~2mm後，排出槽外進行回收再利用或達廢棄物減量之目的。(圖4、表1)
圖4：FBC流體化床結晶
| 項目 | 化學結晶 (流體化床結晶, FBC） | 傳統化學混凝 |
|---|---|---|
| 處理原理 | 化學結晶處理方式，以工研院研發之流體化床結晶為主要技術。主要透過較精密之加藥與pH值調整，使之產生結晶而非污泥，達到去除之目的。 | 透過加藥方式將欲去除之物質轉換為污泥，再透過沈澱方式進行固液分離而達到去除之目的。 |
| 優點 |
|
易操作 |
| 缺點 | 需具備操作經驗 |
|
依據設計流程，原水進入FBC前已經過8小時的調勻時間(調勻池+BioNET生物處理池)，已可提供穩定的FBC反應環境；但為更進一步提高應付多變水質之容忍度，達到長晶及去除率之預期效果，團隊提供增設FBC控制系統及加設一組全量的傳統化學混凝軟化系統。
❶FBC獨立操作:
FBC單元設有4座同時運轉(可因應水質極限最大值)，其備用機制可採3+1的操作模式(可因應水質平均值)。於FBC系統裝設包含加藥控制、進流水質變化及流速控制等操作參數之自動控制系統，提高系統穩定度(圖5)。
圖5：FBC控制
- 加藥控制、進流水質變化控制:增設一組自動化設計，於調勻池加設鈣離子及磷酸塩離子監測儀，將偵測的離子濃度與FBC的pH值串級控制，以產生酸鹼加藥的最佳策略。搭配日常FBC的操作觀察，必能做進一步確保結晶功能。
- 上升流速控制: FBC循環泵出口設有壓力傳送器，當FBC晶體粒徑變大時，循環泵出口背壓將增加，此壓力值傳送至控制器做循環泵變頻調節控制，以確保其上昇流速能控制在固定範圍內，穩定FBC操作。
❷FBC+化學混凝操作:
除FBC外，將加設全量化學混凝單元，可與FBC並聯或串聯操作，提供更多硬度去除之操作彈性達到強化及預防效果。
3.2.3 尿素降解系統
尿素(Urea)於半導體製程是關鍵微量污染物，基本上尿素濃度經過二段生物處理單元BioNET後已降解到50ppb，另需透過化學加藥處理方式並進行多段反應池串接，務必達到濃度低於5ppb目標符合台積電要求。
但為求謹慎特別設置24小時停留時間的尿素反應池條件下，確保尿素濃度可以達到5ppb以下，本團隊與中鼎採取以下措施:
❶於尿素反應池入口處設置on-line尿素偵測儀，將即時水質資料傳至控制系統來調整NaBr及NaOCl的加藥量。
❷同時增加尿素反應池內隔板延長流道，此經過尿素降解數值模擬可確認尿素濃度可以達到5ppb以下。
❸本計劃之尿素降解模擬試驗( 圖6 )，主要是透過CFD(Computational Fluid Dynamics)與Ansys Fluent軟體確認未來尿素反應池基本構型，並以尿素<5ppb為目標，因此模擬結果在本案進流尿素濃度為50ppb與溫度15℃下，尿素約190,000秒(52.8小時)後達到初始動態平衡，進流流速2m/s情況下，換算尿素反應池所需停留時間約19小時，可達小於5ppb產水水質。
圖6：尿素降解模擬圖
3.2.4 水質監測
南科再生水廠總配水池全載時每天輸出總量除了自己產水外還包含永康及安平兩家由台南市政府管理操作的再生水廠，如何監測三家水廠水質全部達到台積電嚴格要求。監測水池在水質監測上扮演把關的角色，每一家水廠進到監測池以及總配水池送到各廠之前都分別有8種on-line分析儀器以及17種off-line實驗室分析資料，確保送到各廠之前水質是穩定。
另外永康及安平所管轄的配水池要送到南科再生水廠之前，也有相等分析資料即時透過網路送到控制室做即時監控及應變。( 圖7、圖8 )
圖7：水質監測布點
圖8：控制室各水廠水質看板
監測池設計採Merry-Go-Round模式( 圖9 )，分別進行收水、水質檢測及傳輸程序，依序輪流交替進行，整體運轉為連續進水、批次檢驗、水質合格再生水批次傳輸至總配水池。
監測池槽體數量設計N+1設計，隔離單槽，其餘槽體仍可正常依Merry-Go-Round模式正常運轉。
圖9：監測池設計採Merry-Go-Round模式
3.3 營運規劃
本案已DBOO方式委託中鼎操作管理，中鼎集團自20餘年前開始投入都市焚化爐及最近鳳山水資源中心營運工作，已培養出具備高度操作能力及高效能的營運能力。本次亦秉持同樣經營理念，維持在南科地區相同的作業水準，提供台積電無虞、穩定的供水服務。營運管理的架構，基本上人力區分成操作與維護、檢驗與行政配置，在管理上有操作、保養及維修計畫、環境保護及品質管理、人員訓練計畫、緊急事故應變計畫等。
3.3.1 營運組織及人力規劃
目前人員配置以圖10說明，廠長/副廠長為營運最高管理者，執行全廠委託操作管理服務工作。全部初步配置約25人左右以操作組人數最多主要是夜間值班，負責再生水處理系統設備操作管理、營運日報表分析、程序控制調整、操作單元功能評估及緊急應變計畫等。
台積電配置一名連絡窗口，以台積利益為優先負責再生水廠產水品質及工安環保督導及台積電台南各廠區溝通角色。
圖10：營運組織架構圖
3.3.2 營運目標
依供水時程表( 圖11 )2024供水總量將達每日6.7萬噸為南科台積電總用水量37%再生水廠重要性可想而知。
圖11：供水時程
❶ 初期營運目標：產水品質、監測系統到位、人員訓練
需要半年得建制，期間有賴台積電資深工程師就儀器分析手法、系統操作及應變能力參與協助建立，使得操作介面能夠與台積電各廠一致。
❷ 中期營運目標：產能拉高、技術提升、降低營運成本
人機到位後操作穩定，鼓勵員工改善製程瓶頸及參考國外最新技術讓自已技術提升，降低營運成本增加競爭力。
❸ 終期營運目標：技術輸出、環境教育
將第一套工業放流水最佳處理方式輸出推動再生水產業的發展，環境教育場所建立讓一般民眾及學生都能來參觀，感受到廢水放流轉化成可再利用的水的環保意識提升。
3.3.3 再生水導入廠區計畫( 圖12 )
圖12：再生水導入廠區計畫
2024年6月 總供應量達每日6.7萬噸，約台積電南科實際總用水之37%。(含AP2C、F18P4~8、F14P8等新建廠預估量)。南科RCW預估最終需求量每日24,125噸，依再生水供應期程，2021年10月起製程端需使用再生水。導入測試將以RCW優先使用，配合各階段供水，依世代導入製程測試必須讓UPW 保持在baseline。
3.3.4 再生水UPW pilot系統建置
為能在再生水正式使用前確認UPW系統水質TOC變異狀況，在再生水廠內部建置一套獨立小型UPW pilot系統(2CMH)系統蒐集各段TOC數據和去除率變化並作為系統應變策略依據，來確保先進製程水質品質一致性。流程架構建立在其TOC(<0.5ppb)和Resistivity(18.2M)水質需與廠內UPW系統相同。
線上量測儀器on-line有Resistivity、TOC(各段去除率)，Off-line檢測水質有 LC-OCD、Urea、IPA、Acetone，量測數據以IOT蒐集。( 圖13、圖14 )
圖13：UPW pilot系統
圖14：UPW Pilot Milestone
3.4 環境教育設施場所
環境教育設施場所( 圖15 ) : 整個硬體包含展示中心、視聽館、環教室及現場的參觀動線。展示中心融合平面看板、模型、短片，視聽館將台積電節水政策及目標、再生水發展技術及發展歷程等做生動及簡明的介紹，環教室是一個互動場所讓學生能親自做實驗使學生能體會到污水再生成可以再使用的喜悅，整體教學步驟由認識、探索、體驗到感受達到環境教育的目標。並設定未來進廠區參觀的訪客提供相關的參訪目標，讓參訪民眾及單位感受到放流水變成可再利用水神奇過程，彰顯台積公司拓展多元水源的典範。廠區開始營運後，依據環境教育法，取得環境教育設施場所認證。
圖15：環境教育場所3D設計圖
在週邊環境規劃上重視節能及環保除了屋頂太陽能板外，另外設計雨水回收池作為生活用水使用，將所有水資源妥善運用。廠區緊鄰F14設計上也將建築物及週邊綠地延續整體規畫概念密植台灣原生物種喬木，並利用透水性鋪面綠化廠區，將綠地妥善規畫成生物棲息地。廠區動線與整體景觀空間配置做結合，除了車行動線外綠帶規劃人行參觀步道及環狀休閒小徑。
廠區管理中心取名為「水綠能中心｣，代表著本計畫重視水資源及關照環保的信念，讓水、綠、能合一並對環境保育及予續經營盡一份心力。
4. 結論及未來精進
2021年啟動系統試車，經過長期投入和努力，於2022年9月正式啟用，為全球首座回收工業廢水，且應用於半導體製程的工業再生水廠，2023年1月達成台灣首次將再生水回用至半導體晶圓製程，截至2023年12月，台積電南科廠區已使用再生水總量1300萬噸以上，因此再生水在2023的旱季時，維持穩定晶圓生產擔任相當關鍵的角色，並讓台積電南科廠區節省自來水達30%，相當於減少18.4萬車次水車運補，因此成功發展再生水的技術與應用，達成淨水永續的績效，如圖16說明。此外，我們亦致力推廣環境教育與綠色製造理念，如圖17環境部頒發認證書於2023年12月台積電再生水廠取得環境部頒發的環境教育設施廠所認證書[(112)環部研證字第EC112001號]，展開環境教育工作、推廣教育服務，以實踐水資源永續行動為目標，成就環境友善與工業技術經濟發展的共好共榮之願景。
圖16：再生水實際使用量
圖17：環境教育場址認證書
參考文獻
- 經濟部水利署，「再生水資源發展條例」。
- 南部科學園區管理局，「南部科學工業園區再生水廠先期規劃案期末報告」，2013。
- 南部科學園區管理局，「科學園區水資源管理的挑戰與作為 專題報導」，2019。
- UC(University of California). 2009. Safe Application of Reclaimed Water Reuse in the Southwestern United States.
- L. S. Gaulke. 2006. On-site wastewater treatment and reuses in Japan.
- Yutaka Suzuki. Masashi Ogoshi. Hiroki Yamagata. Large area and On-site Water Reuse in Japan.
- MDPI. Motasem N.Saidam. Mohammad Al-Addous. 2020. Wastewater Reclamation in Major Jordanian Industries.
- U.S. EPA Chapter 1. 2012 Guidelines for Water Reuse.
- WHO Guidelines for the Safe Use of Wastewater, Excreta and Greywater.
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