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研究生:張今濃
論文名稱:添加劑與下水污泥共同堆肥過程重金屬穩定化之評估
論文名稱(外文):Effects of additives on stabilization of heavy metals in sewage sludge composting
指導教授:江康鈺江康鈺引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:環境工程與科學學系
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
中文關鍵詞:下水污泥堆肥燃煤飛灰高嶺土重金屬化學序列萃取植物有效性
外文關鍵詞:sewage sludgecompostcoal fly ashkaolineheavy metalsequential chemical extractionplant availability
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本研究目的在於分別添加不同配比之燃煤飛灰及高嶺土,與下水污泥進行共同堆肥處理,探討上述添加劑對污泥共同堆肥過程之重金屬穩定化之影響。根據共同堆肥反應之物化特性(溫度、二氧化碳濃度、pH值及C/N)之結果顯示,添加燃煤飛灰並未抑制堆肥反應過程微生物之活性,共同堆肥成品符合相關品質規範;然高嶺土雖具有離子交換特性,惟其高黏滯性,致使通氣性降低,同時高嶺土無法提供堆肥反應過程pH之緩衝作用,因此污泥共同堆肥之腐熟有延緩之現象。研究同時發現除添加20%燃煤飛灰及高嶺土之試驗結果,共同堆肥成品之碳含量較低外,其餘試驗條件及項目皆可達到土壤改良劑或肥料應用之相關規範。
共同堆肥之重金屬特性分析結果,隨堆肥反應之進行,因堆肥樣品中有機物質量分解降低,致使重金屬總量濃度呈濃縮效應,若依共同堆肥成品中重金屬之總量濃度,則均符合下水污泥堆肥之建議限值;同時重金屬毒性溶出特性(TCLP)濃度亦符合現行環保法規之要求。重金屬物種相態及穩定化評估結果顯示,燃煤飛灰因具有高鹼度及波索蘭效應,可以有效降低移動性重金屬可交換相態及碳酸鹽相態之分佈比例,且轉變為穩定之有機相態及殘餘相態存在,其中尤以添加20%燃煤飛灰之試驗,對於重金屬銅及鋅之穩定效果最佳,分別可降低80%及50%之移動性部份;而添加高嶺土之試驗結果顯示,重金屬鉛及銅之穩定效果最佳,其中添加10%高嶺土試驗,銅可降低82.6%之可交換相及碳酸鹽相態,但研究結果亦發現高嶺土對於重金屬鋅及鎳之穩定效果不佳,且有增加溶出之虞。
植物有效性重金屬之試驗結果,添加燃煤飛灰及高嶺土均對重金屬鉛之穩定效果最佳,分別可減少19%及33.3%之溶出率,至於其他試驗重金屬亦可減少7 ~ 12%之溶出率;整體而言,本試驗選用之高嶺土雖具有離子交換之能力,但對於重金屬鋅及鎳之穩定效果不佳,反有增加釋出之潛勢,而燃煤飛灰對重金屬之穩定化較有顯著之成效,有助於未來共同堆肥成品再利用之發展。
誌謝…………………………………………………………………………Ⅰ
中文摘要……………………………………………………………..……Ⅱ
英文摘要………………………………………………………………..…Ⅳ
目錄………………………………………………………………………..Ⅵ
圖目錄…………………………………………………………….……….Ⅸ
表目錄………………………………………………………….………….XII
第一章 研究緣起與目的……………………………………….………...1
1-1 研究緣起………………………………………………………1
1-2 研究目的…….………………………………….……………..2
第二章 文獻回顧…………………………..……………………………..4
2-1 國內下水污泥概況…………...……………………………….4
2-1-1 下水污泥基本性質……………………………………….4
2-1-2 國內外污泥處理之方向………………………………….12
2-2 下水污泥堆肥技術之探討……………………………………15
2-2-1 下水污泥堆肥之限制與控制…………………………….15
2-2-2 添加劑對下水污泥堆肥之作用………………………….21
2-3 重金屬在下水污泥堆肥之探討………………………………25
2-3-1 影響有機質與重金屬作用因子………………………….25
2-3-2 重金屬在污泥堆肥中之型態變化……………………….28
2-3-3 重金屬之植物有效性…………………………………….35
2-4 堆肥品質判定…...………………………………...………….36
2-4-1 堆肥腐熟度判定………………………………………….36
2-4-2 堆肥肥效規格…………………………………………….37
……第三章 研究材料與方法…………………………………………39
3-1 研究材料……………………...…………………………….39
3-1-1 物化特性分析結果…..……………………………….39
3-1-2 重金屬相關特性分析結果…….…………………..…41
3-2 研究設備及方法…………………..………….……………45
3-3 分析方法...…………………………………….……..…….48
第四章 結果與討論………………..……………….……………..57
4-1 下水污泥共同堆肥之物化特性分析……….………..……..57
4-1-1 堆肥過程含水率之變化…………………………………57
4-1-2 堆肥過程反應溫度之變化………………………………59
4-1-3 堆肥過程CO2之變化……………………………………61
4-1-4 堆肥過程pH之變化…………………………………….63
4-1-5 堆肥過程電導度之變化…………………………………65
4-1-6 堆肥過程營養鹽之變化…………………………………67
4-1-7 堆肥過程分子量之變化…………………………………70
4-2 污泥共同堆肥重金屬特性變化分析…………………………75
4-2-1 堆肥過程重金屬總量濃度之變化……………………….75
4-2-2 共同堆肥過程重金屬溶出率之分析…………………….85
4-3 堆肥過程對重金屬型態分佈之影響…………………………91
4-3-1 重金屬鉛之相態分佈…………………………………….91
4-3-2 重金屬銅之相態分佈…………………………………….96
4-3-3 重金屬鋅之相態分佈…………………………………….101
4-3-4 重金屬鎳之相態分佈…………………………………….107
4-3-5 重金屬鉻之相態分佈…………………………………….111
4-4 堆肥過程植物有效性重金屬(DTPA-metal)分析…………….119
4-4-1 堆肥過程DTPA-鉛之變化……………………………….119
4-4-2 堆肥過程DTPA-銅之變化………………………………121
4-4-3 堆肥過程DTPA-鋅之變化……………………………….123
4-4-4 堆肥過程DTPA-鎳之變化……………………………….125
第五章 結論與建議..………………………………………………..130
5-1 結論……………………..……………….….…….……….130
5-2 建議…………………………………………..…….….…….132
第六章 參考文獻……………………………………...….………..133
附錄
附錄1 共同堆肥過程含水率變化結果…………………………..…141
附錄2 共同堆肥過程pH值變化結果……………………………...142
附錄3 共同堆肥過程電導度變化結果……………………………..143
附錄4 共同堆肥過程重金屬鉛TCLP溶出特性…………………..144
附錄5 共同堆肥過程重金屬銅TCLP溶出特性…………………..145
附錄6 共同堆肥過程重金屬鋅TCLP溶出特性…………………..146
附錄7 共同堆肥過程重金屬鉻TCLP溶出特性…………………..147
附錄8 共同堆肥過程重金屬鎳TCLP溶出特性…………………..148
附錄9 共同堆肥過程重金屬鎘TCLP溶出特性…………………...149
附錄10 污泥共同堆肥重金屬形成物種之鑑定…………………….150
附錄11 共同堆肥過程重金屬鉛DTPA溶出特性…………………153
附錄12 共同堆肥過程重金屬銅DTPA溶出特性…………………154
附錄13 共同堆肥過程重金屬鋅DTPA溶出特性…………………155
附錄14 共同堆肥過程重金屬鎳DTPA溶出特性…………………156
附錄15 共同堆肥過程重金屬鎘DTPA溶出特性…………………157
附錄16 燃煤飛灰與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第0天)..158
附錄17 燃煤飛灰與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第42天).159
附錄18 燃煤飛灰與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第70天).160
附錄19 燃煤飛灰與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第98天).161
附錄20 燃煤飛灰與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第126天)162
附錄21 高嶺土與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第0天)…..163
附錄22 高嶺土與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第42天)…164
附錄23 高嶺土與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第70天)…165
附錄24 高嶺土與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第98天)…166
附錄25 高嶺土與污泥共同堆肥重金屬相態溶出特性(第126天)..167
圖 目 錄
圖1-1研究流程圖…………………………………………………….3
圖2-1下水污泥資源化……………………………………………….13
圖2-2台電69-79年飛灰產量及民國90年的預測量………………23
圖2-3黃酸與銅離子之反應機制…………………………………….26
圖3-1下水污泥重金屬序列萃取分佈……………………………….43
圖3-2燃煤飛灰重金屬序列萃取分佈……………………………….44
圖3-3高嶺土重金屬序列萃取分佈………………………………….44
圖3-4實驗規劃流程………………………………………………….46
圖3-5堆肥設備圖…………………………………………………….47
圖3-6化學序列萃取實驗流程圖…………………………………….56
圖4-1燃煤飛灰與下水污泥共同堆肥之含水率…………………….58
圖4-2高嶺土與下水污泥共同堆肥對之含水率…………………….58
圖4-3燃煤飛灰與下水污泥共同堆肥之溫度變化………………….60
圖4-4高嶺土與下水污泥共同堆肥之溫度變化…………………….60
圖4-5燃煤飛灰與下水污泥共同堆肥之CO2變化………………….62
圖4-6高嶺土與下水污泥共同堆肥之CO2變化…………………….62
圖4-7燃煤飛灰與下水污泥共同堆肥之pH值變化………………..64
圖4-8高嶺土與下水污泥共同堆肥之pH值變化…………………..65
圖4-9燃煤飛灰與下水污泥共同堆肥之電導度變化………………66
圖4-10高嶺土與下水污泥共同堆肥之電導度變化…………………66
圖4-11添加劑與污泥共同堆肥過程營養鹽-碳之變化………………67
圖4-12添加劑與污泥共同堆肥過程營養鹽-氮之變化………………68
圖4-13堆肥前後控制組分子量之分佈變化………………………….70
圖4-14添加10%燃煤飛灰與污泥堆肥反應分子量之分佈變化…….72
圖4-15添加20%燃煤飛灰與污泥堆肥反應分子量之分佈變化….…72
圖4-16添加10%高嶺土與污泥堆肥反應分子量之分佈變化………73
圖4-17添加20%高嶺土與污泥堆肥反應分子量之分佈變化……….74
圖4-18燃煤飛灰與污泥共同堆肥對鉛總量濃度之影響……………76
圖4-19高嶺土與污泥共同堆肥對鉛總量濃度之影響………………76
圖4-20燃煤飛灰與污泥共同堆肥對銅總量濃度之影響……………78
圖4-21高嶺土與污泥共同堆肥對銅總量濃度之影響…………….…79
圖4-22燃煤飛灰與污泥共同堆肥對鋅總量濃度之影響………….…80
圖4-23高嶺土與污泥共同堆肥對鋅總量濃度之影響……………….80
圖4-24燃煤飛灰與污泥共同堆肥對鉻總量濃度之影響……………81
圖4-25高嶺土與污泥共同堆肥對鉻總量濃度之影響……………….82
圖4-26燃煤飛灰與污泥共同堆肥對鎳總量濃度之影響……………83
圖4-27高嶺土與污泥共同堆肥對鎳總量濃度之影響……………….83
圖4-28堆肥過程重金屬鉛溶出率變化……………………………….86
圖4-29堆肥過程重金屬銅溶出率變化……………………………….87
圖4-30堆肥過程中重金屬鋅溶出率變化…………………………….88
圖4-31堆肥過程中重金屬鎳溶出率變化…………………………….89
圖4-32堆肥過程中重金屬鎘溶出率變化…………………………….90
圖4-33燃煤飛灰對堆肥中重金屬鉛相態分佈之影響……………….93
圖4-34高嶺土對堆肥中重金屬鉛相態分佈之影響………………….95
圖4-35燃煤飛灰對堆肥中重金屬銅相態分佈之影響……………….98
圖4-36高嶺土對堆肥中重金屬銅相態分佈之影響………………….100
圖4-37燃煤飛灰對堆肥中重金屬鋅相態分佈之影響……………….103
圖4-38高嶺土對堆肥中重金屬鋅相態分佈之影響………………….106
圖4-39燃煤飛灰對堆肥中重金屬鎳相態分佈之影響……………….109
圖4-40高嶺土對堆肥中重金屬鎳相態分佈之影響………………….112
圖4-41燃煤飛灰對堆肥中重金屬鉻相態分佈之影響……………….114
圖4-42高嶺土對堆肥中重金屬鉻相態分佈之影響………………….116
圖4-43燃煤飛灰對堆肥過程中DTPA-鉛之影響…………………….120
圖4-44高嶺土對堆肥過程中DTPA-鉛之影響……………………….120
圖4-45燃煤飛灰對堆肥過程中DTPA銅之影響…………………….122
圖4-46高嶺土對堆肥過程中DTPA銅之影響……………………….122
圖4-47燃煤飛灰對堆肥過程中DTPA鋅之影響…………………….124
圖4-48高嶺土對堆肥過程中DTPA鋅之影響……………………….124
圖4-49燃煤飛灰對堆肥過程中DTPA鎳之影響…………………….126
圖4-50高嶺土對堆肥過程中DTPA鎳之影響……………………….127
表 目 錄
表2-1污泥基本性質………………………………………………….5
表2-2污泥之重金屬含量…………………………………………….6
表2-3下水污泥之重金屬化學型態分佈…………………………….9
表2-4國內都市污水處理廠污泥處置現象………………………….12
表2-5國外污泥處理近況…………………………………………….14
表2-6病原菌及寄生蟲致死溫度…………………………………….17
表2-7不同國家之污泥重金屬濃度限值…………………………….19
表2-8各國堆肥肥料重金屬含量之規格…………………………….20
表2-9各國下水污應用於土壤重金屬含量之規範………………….20
表2-10不同有機添加劑材料成份分析……………………………….21
表2-11不同污泥堆肥及土壤中重金屬之化學形態………………….34
表2-12堆肥腐熟度判定方法及指標………………………………….37
表2-13下水污泥堆肥肥料品質基準………………………………….38
表3-1研究材料之物化特性分析結果……………………………….40
表3-2研究材料重金屬特性分析結果……………………………….42
表3-3污泥共同堆肥之各組試驗材料量…………………………….48
表4-1添加劑與下水污泥共同堆肥之品質判定…………………….69
表4-2堆肥前後化合物之分子量變化表…………………………….71
表4-3污泥堆肥成品中重金屬危害性判定………………………….77
表4-4共同堆肥成品TCLP試驗結果之比較……………………….86
表4-5添加燃煤飛灰共同堆肥過程重金屬鉛序列萃取之回收率…91
表4-6添加高嶺土共同堆肥過程重金屬鉛序列萃取之回收率……92
表4-7添加燃煤飛灰共同堆肥過程重金屬銅序列萃取之回收率…96
表4-8添加高嶺土共同堆肥過程重金屬銅序列萃取之回收率……97
表4-9添加燃煤飛灰共同堆肥過程重金屬鋅序列萃取之回收率…101
表4-10添加高嶺土共同堆肥過程重金屬鋅序列萃取之回收率…….101
表4-11添加燃煤飛灰共同堆肥過程重金屬鎳序列萃取之回收率…107
表4-12添加高嶺土共同堆肥過程重金屬鎳序列萃取之回收率……108
表4-13添加燃煤飛灰共同堆肥過程重金屬鉻序列萃取之回收率…111
表4-14添加高嶺土共同堆肥過程重金屬鉻序列萃取之回收率……113
表4-15堆肥成品重金屬穩定化之評估……………………………….118
表4-16DTPA-Metals與序列萃取之相關性………………………….. 129
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