自來水處理的目的

水為人類賴以為生之重要物質，水在自然環境中藉由降雨（雪）、逕流、入滲、凝結、蒸發等水循環過程持續流動於環境中，人類則可從水庫、湖泊、河川或地下水層中擷取水源，用於農業、民生及工業中。但隨著人類用水需求提升與氣候變遷的影響，取得乾淨可用的水資源，逐漸成為國家穩定發展與人民福祉的重要指標之一。

在水源地未經處理的水稱為原水，原水經取水、輸水進到淨水場，經過適當的處理，再由配水系統輸送到用戶供民眾使用。自來水的供給為滿足飲水安全、供給人口和供給區域，需要符合水質、水量和水壓的要求。自來水處理的目的是要去除水中的顆粒、天然有機物和致病菌:

• 原水中的顆粒主要來自黏土礦物，這些顆粒會使原水濁度上升，且非常穩定不易聚集，雖然黏土礦物本身大多對人體健康無害，但其表面存在孔洞會使致病菌隱藏其中，若不去除則會增加民眾致病風險。
• 天然有機物為水中植物和微生物死亡後長期降解之殘留有機物，其分子量大且化學組成複雜，和黏土礦物一樣，天然有機物本身對人體健康大多無害，但會和用於消毒的氯消毒劑反應產生多種消毒副產物如三鹵甲烷和含鹵乙酸，這些消毒副產物有些在動物實驗中已被證實會有致癌風險。
• 致病菌則包含多種原生動物、細菌和病毒，若不去除則會使人生病。

淨水場即是利用不同的物理化學處理程序去除水中的顆粒、天然有機物和致病菌。

自來水的傳統處理程序

自來水處理著重於環境物理化學領域的運用，傳統淨水場之處理流程如圖2所示。通常在淨水場的前端會先設置沉砂池單元，沉澱排除水中較大顆粒，之後再經由導水渠道送至分水井。分水井的功能為分配水量，將經過沉砂處理的原水分送至後續各淨水處理單元。傳統自來水處理單元包含混凝、膠凝、沉澱、過濾和消毒等，最終可獲得清水再經由管線配送至用戶，處理過程產生之污水與淤泥，則進一步送至淤泥處理廠處理。以下針對淨水處理之各個單元進行更深入描述。

• 混凝、膠凝

原水進入混凝池後，藉由添加混凝劑及快速攪拌，使混凝劑在短時間內均勻混合入原水中，因黏土礦物表面帶負電，添加的混凝劑通常帶正電，黏土礦物和混凝劑接觸後，會因電中和達到黏土礦物去穩定化的作用，此添加混凝劑使黏土礦物快速去穩定化的的程序稱為混凝，亦可稱為快混。

去穩定化後之黏土礦物則有機會互相碰撞，產生體積較大且易於沉澱的「膠羽」，添加的混凝劑如果劑量適當，本身也會產生沉澱物增加膠羽形成的機會。此顆粒互相碰撞形成膠羽的過程即稱為膠凝，因膠凝必須在較低的攪拌速率下進行以避免產生的膠羽破裂，因此，膠凝亦稱為慢混。

常使用的混凝劑包含多元氯化鋁 (polyaluminium chloride，PAC)、硫酸鋁和氯化鐵。因原水的特性隨時間地點會有不同，混凝劑添加劑量和最佳的操作pH值也因此會有差異，混凝劑最佳的添加劑量和操作pH值可利用杯瓶實驗 (Jar Test) 加以確定。水中的天然有機物也會在混凝、膠凝的過程中吸附在膠羽上，變成膠羽的一部分。

• 沉澱

經混凝、膠凝後的水會流到沉澱池，在沉澱池中，因產生的膠羽比重大於水，會在沉澱池內沉降下來。水在沉澱池的水平流速緩慢，沉澱池設計的考量在於使大多數的膠羽，在水流經沉澱池的停留時間內，盡可能地沉降到沉澱池的底部，上層較清澈的水即可流往下一階段的過濾池。為了增加膠羽沉降的效率，沉澱池底部可設置傾斜的隔板，沉降的膠羽則累積形成淤泥。

• 過濾

經過沉澱後的水，可能仍含有較為細小的顆粒，可藉由過濾進一步去除。過濾池的濾床主要由無煙煤、濾砂、礫石等堆疊而成，水中的細微顆粒會在水由上往下流經濾床的過程中，進行固液分離，得到較乾淨的水。濾床在使用一段時間後，須進行「反沖洗」作業，利用乾淨的水從濾池底部加壓向上沖洗濾床，將累積於濾層中的雜質沖刷掉，以確保良好過濾效果。沖洗後的洗砂廢水收集後會導入污水處理廠進行處理，處理完的水則會匯入淨水場前端的沉砂池，和原水一起處理。

• 消毒

過濾完的水會流到清水池，此時會添加消毒劑，進行最後的消毒殺菌處理。常用的消毒劑為氯，目前多使用次氯酸溶液。需注意的是氯會和水中殘留的天然有機物反應產生消毒副產物，有些國家為降低其生成，改用反應性較低的氯氨為消毒劑，也有些國家使用紫外線消毒。經過消毒處理得到符合飲用水標準之清水後，則可藉由配水系統，加壓供給用戶使用。

自來水的高級處理程序

若上述的自來水傳統處理程序無法獲得符合飲用水水質標準的自來水，則可導入高級處理程序。常用的高級處理程序包含活性碳吸附、高級氧化處理和薄膜程序。活性碳吸附主要用於有較高天然有機物的原水或已遭受有機物污染的原水，高級氧化處理可用於降解有機污染物，同時也有消毒的效果，薄膜程序則根據使用的薄膜孔徑大小，可用於去除有機物和離子，其中孔徑最小的逆滲透膜，也可用於海水淡化。

國內的自來水高級處理已有多件成功案例，例如高雄澄清湖高級淨水場每日供水量約35萬噸，以結晶軟化設施降低水質硬度、減少水垢及改善口感，處理後的水質硬度遠低於飲用水水質標準，營運迄今已近20年，持續穩定供給高品質自來水；金門太湖淨水場因應當地湖庫原水水質高藻類、總有機碳等問題，提昇既有設備效能，除傳統淨水單元之快混池、膠凝池、浮除池、快濾池、慢濾池，亦設置後端超濾UF、奈濾NF之高級處理單元，確保供應優質自來水。

自來水處理的挑戰

水質良好的原水多已被規劃使用於自來水，但因人類用水需求提升，加上氣候變遷，旱澇加劇，水資源的保護和開發已是一重要的挑戰。水中新興污染物的出現和去除是一需要關注的議題。此外，發展低能耗的處理技術以降低二氧化碳排放，則是因應氣候變遷需要努力的方向。另一項重要的議題為配水過程中可能遭受的污染，因配水管線老舊可能產生腐蝕，管線中若含有有害物質，如重金屬，則會釋放到自來水中，老舊管線的汰換，加上完整的配水系統水質檢測，可確保自來水的水質安全。