臺灣博碩士論文加值系統

隨著科技水準的提升，都市生活污水的處理快速增加，都市公共下水道普及率增加，目前大部分的生活污水污泥主要以衛生掩埋處理，亦或是與垃圾焚化廠混燒等方式處理。
污泥中存在大量重金屬，再利用於土壤的安全性為本次探討的主題。本研究使用台中市污水處理廠之脫水污泥，將其進行乾燥處理，並分析其重金屬含量。以不同溫度及時間進行污泥之碳化，分析污泥生物炭的重金屬含量、重金屬鍵結型態及生物有效性，並以不同比例添加污泥生物炭於土壤中，透過盆栽試驗了解污泥對植物生長及植體重金屬含量之影響。
毒性特性溶出程序結果顯示污泥生物炭之Cd、Cr、Cu及Pb濃度皆未超過有害事業廢棄物認定標準，而污泥生物炭中Cd、Cr、Cu、Pb、Ni及Zn之含量皆超過國內食用作物農地管制標準；Cd、Cr、Cu、Pb及Ni在污泥生物炭中主要以殘留態含量最多，Zn則多以鐵錳氧化態、有機態及殘留態形式存在；生物有效性結果顯示污泥生物炭中Cd、Cr、Cu、Pb、Ni及Zn濃度會隨溫度升高而增加。
盆栽試驗結果顯示，添加5%及10%的污泥生物炭，植體的鎘及鉛皆超出食用限量標準。

With the advancement of science and technology, the treatment of urban sewage has rapidly increased, and the ubiquity of public sewers in urban areas has increased. Most of the sewage sludge are mainly disposed in sanitary landfills or treated in waste incineration plants.
However, the sludge contains a large amount of heavy metals, and the safety of its reuse in soil is the subject of this study. This study used dewatered sludge from a sewage treatment plant in Taichung City to dry and analyze its heavy metal content. By using different temperatures and durations to carbonize the sludge, its heavy metal content and bonding types, as well as the bioavailability of sludge biochar were analyzed. After adding different proportions of the sludge biochar into soil, this study explored the impacts of sludge biochar on plant growth and plant heavy metal content through plant cultivation tests.
The results of the Toxicity Characteristic Leaching Procedure showed that the concentrations of Cd, Cr, Cu, and Pb in sludge biochar have not exceeded the Taiwan hazardous waste certification standards. The contents of Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, and Zn in the sludge biochar exceeded the Taiwan agricultural land control standards；Cd, Cr, Cu, Pb and Ni mainly existed as the residual fraction in the sludge biochar, while Zn existed in the Fe-Mn oxides fraction, the organic matter fraction and the residual fraction. The results of the bioavailability tests showed that the concentrations of Cd, Cr, Cu, Pb, Ni and Zn in sludge biochar increased with increasing temperature.
The results of the plant cultivation tests showed that after addition of 5% and 10% sludge biochar, the plant's cadmium and lead levels exceeded the Taiwan consumption limit standards.

總目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 IV
總目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 X
第一章 前言 1
1-1研究緣起 1
1-2研究目的 2
第二章 文獻回顧 3
2-1污泥來源及特性 3
2-1-1污泥來源 3
2-1-2污泥特性 5
2-2各國污泥規範及危害 7
2-2-1污泥之危害 7
2-2-2台灣污泥規範 8
2-2-3國外污泥規範 11
2-2-4蔬果植物類重金屬限量標準 15
2-3福田水資源回收中心之現況與污泥處理技術 16
2-3-1福田水資源回收中心之現況 16
2-3-2福田水資源回收中心之污泥處理技術 17
2-4生物炭 20
2-5污泥生物炭特性及應用 21
2-5-1污泥碳化機制 21
2-5-2污泥生物炭特性 21
2-6重金屬鍵結型態及分布 23
2-7植物與重金屬的關係 25
2-7-1植物中重金屬移動途徑 25
2-7-2重金屬對植物的影響 25
2-8盆栽試驗植物介紹 27
2-8-1小白菜 27
2-8-2油菜 27
2-8-3菠菜 28
第三章 材料與方法 30
3-1研究內容與架構 30
3-2研究設備與材料 32
3-2-1實驗設備 32
3-2-2實驗材料藥品 33
3-3生物炭製備方法 35
3-4盆栽試驗 38
3-5分析方法 39
3-5-1盆栽試驗土壤及污泥採集與前處理 39
3-5-2 pH值 39
3-5-3土壤含水率 40
3-5-4土壤有機質-燃燒法 41
3-5-5土壤有機質-重鉻酸鉀氧化法 42
3-5-6電導度 43
3-5-7土壤質地 44
3-5-8有效磷含量 47
3-5-9可交換性鈣、鎂、鉀、鈉 48
3-5-10重金屬全量 49
3-5-11土壤鍵結型態分析 51
3-5-12 生物有效性-0.1 N鹽酸萃取法 53
3-5-13毒性特性溶出程序 53
3-5-14元素分析儀法 57
3-5-15植體重金屬全量分析 58
第四章 結果與討論 59
4-1污泥成分分析 59
4-1-1污泥基本性質分析 59
4-1-2污泥組成成分 62
4-2污泥重金屬分析 63
4-3污泥重金屬鍵結型態 71
4-4污泥生物炭生物有效性 82
4-5污泥及污泥生物炭營養元素 85
4-6盆栽試驗植物 90
4-6-1盆栽植物生長情形 90
4-6-2植物之生產量及含水率 95
4-7土壤添加污泥生物炭對植物重金屬含量之影響 99
第五章 結論 104
參考文獻 105

表目錄
表2-1台灣地區廢水產生之有機污泥量 4
表2-2活性污泥中水分分布 6
表2-3有害事業廢棄物認定標準 9
表2-4污泥符合之肥料種類品目及規格 10
表2-5土壤污染監測及管制標準 11
表2-6美國及歐盟污泥施用於土地之重金屬限值 13
表2-7英國污泥及土壤重金屬標準 14
表2-8日本污泥肥料重金屬標準 14
表2-9福田水資源回收中心基本設計資料 16
表2-10污水處理廠污泥處理方式 19
表3-1實驗設備名稱 32
表3-2實驗藥品名稱與廠牌 33
表3-2實驗藥品名稱與廠牌(續) 34
表4-1污泥基本性質分析 59
表4-2污泥生物炭基本性質分析 61
表4-3污泥及污泥生物炭組成成分 62
表4-4福田污泥與污泥生物炭TCLP分析 64
表4-4碳化時間1小時0.1N 鹽酸萃取重金屬之生物有效性濃度 82
表4-5碳化時間2小時0.1N 鹽酸萃取重金屬之生物有效性濃度 83
表4-6碳化時間3小時0.1N 鹽酸萃取重金屬之生物有效性濃度 83
表4-7第一批油菜生產量與含水率 95
表4-8第一批小白菜生產量與含水率 96
表4-9第二批小白菜生產量與含水率 97
表4-10第一批菠菜生產量與含水率 97
表4-11第二批菠菜生產量與含水率 98

圖目錄
圖2-1污泥中水之存在狀態 6
圖2-2福田水資源回收中心污水處理流程圖 17
圖2-3帶濾式脫水機處理流程圖 18
圖2-4小白菜種子 29
圖2-5油菜種子 29
圖2-6菠菜種子 29
圖3-1研究架構 31
圖3-2 將污泥放入鋁箔紙中 36
圖3-3 鋁箔紙包裝步驟示意圖 36
圖3-4 將污泥包裹放入高溫爐中 37
圖3-5 污泥生物炭成品 37
圖3-6土壤質地三角圖 47
圖4-1不同碳化溫度污泥生物炭產率 60
圖4-2不同碳化時間污泥生物炭產率 60
圖4-3污泥及污泥生物炭重金屬鎘全量 65
圖4-4污泥及污泥生物炭重金屬鉻全量 66
圖4-5污泥及污泥生物炭重金屬銅全量 67
圖4-6污泥及污泥生物炭重金屬鉛全量 68
圖4-7污泥及污泥生物炭重金屬鎳全量 69
圖4-8污泥及污泥生物炭重金屬鋅全量 70
圖4-9污泥及污泥生物炭中鎘之鍵結型態 72
圖4-10污泥及污泥生物炭中鉻之鍵結型態 73
圖4-11污泥及污泥生物炭中銅之鍵結型態 75
圖4-12污泥及污泥生物炭中鉛之鍵結型態 76
圖4-13污泥及污泥生物炭中鎳之鍵結型態 78
圖4-14污泥及污泥生物炭中鋅之鍵結型態 80
圖4-15污泥及污泥生物炭中有效磷含量 85
圖4-16污泥及污泥生物炭中可交換性鈣含量 86
圖4-17污泥及污泥生物炭中可交換性鎂含量 87
圖4-18污泥及污泥生物炭中可交換性鉀含量 88
圖4-19污泥及污泥生物炭中可交換性鈉含量 89
圖4-20第一批小白菜生長情形 90
圖4-21第一批油菜生長情形 91
圖4-22第一批菠菜生長情形 92
圖4-23第二批小白菜生長情形 93
圖4-24第二批菠菜生長情形 94
圖4-25第一批油菜於不同條件污泥生物炭之重金屬含量 99
圖4-26第一批小白菜於不同條件污泥生物炭之重金屬含量 100
圖4-27第一批菠菜於不同條件污泥生物炭之重金屬含量 101
圖4-28第二批小白菜於不同條件污泥生物炭之重金屬含量 102
圖4-29第二批菠菜於不同條件污泥生物炭之重金屬含量 103

中華土壤肥料學會，「土壤分析手冊」，(1993)
內政部營建署，「下水污泥處理再利用示範驗證總顧問計畫期末報告」，(2014)
日本農林水產省，「汚泥肥料中の重金属管理手引書」，(2010)
王君、陳嫺、桂丕、汪立梅、鍾秀娟、毛小雲，「污泥炭化溫度和時間對重金屬形態及作物累積的影響」，華南農業大學學報，第5期，第54-60頁(2015)
王社平、程曉波、劉新安、李立軍、王怡、王同悅，「污水處理廠污泥處理過程中的潛在危害分析」，市政技術，第2期，第164-168頁(2015)
王敏昭，「土壤學」，國立中興大學，台中(1993)
司友斌、王慎強、陳懷滿，「農田氮、磷的流失與水體富營養化」，土壤，第4期，第188-193頁(2000)
行政院農糧署，「肥料種類品目及規格」，(2013)
行政院環境保護署，「土壤及地下水污染整治法」，(2011)
行政院環境保護署，「有害事業廢棄物認定標準」，(2009)
行政院環境保護署，「有害事業廢棄物認定標準」，(2017)
行政院環境保護署，「污泥處理現況檢討及因應策略」，(2014)
行政院環境保護署環境保護人員訓練所，「廢水處理單源操作維護」，(2017)
吳翊豪，「六種植物吸收重金屬之植生復育法研究」，碩士論文，朝陽科技大學環境工程與管理研究所，台中(2009)
李明恕，「厭氧好氧活性污泥系統廢棄生物污泥調理脫水行為之研究」，碩士論文，國立雲林科技大學環境與安全衛生工程研究所，雲林(2004)
李芳胤、陳世賢，「土壤分析實驗手冊」，新文京開發出版股份有限公司，台北(2007)
阮辰旼，「農用市政污泥重金屬危害的分析及應對措施」，淨水技術，第5期，第53-57頁(2013)
卓鍵丞，「生物炭包裹肥料的養分釋放特性及其對青花菜生長之影響」，碩士論文，國立屏東科技大學農園生產研究所，屏東(2017)
宜蘭縣政府，「下水污泥處理再利用計畫先期規劃委託專業服務建議書」，晶淨科技股份有限公司(2012)
林浩潭，「重金屬及微量元素對作物之影響」，行政院農委會農業藥物毒物試驗所，台灣農家要覽(三)農作篇，第557-560頁(2006)
陳政良、鐘興、陳耿安、徐揚鈞，「台中市福田水資源回收中心污泥厭氧消化系統操作實例探討」，台灣下水道工程實務研討會論文集，第123-130頁，台北(2007)
陳高孝，「下水道普及率提升衍生污泥處理與管理之研究」，碩士論文，國立台北科技大學環境規劃與管理研究所，台北 (2005)
經濟部工業局，「廢水處理場有機污泥減量技術」，洪仁陽 (2009)
葉顓銘、陳少燕、黃定鼎、黃浩仁，「清理重金屬污染的植物」，科學發展，第380期，第45-49頁(2004)
歐陽嶠輝，「下水道工程學」，長松文化興業股份有限公司，台北，第482-487頁(2008)
潘時正，「下水污泥灰渣特性及應用於水泥砂漿之研究」，博士論文，國立中央大學環境工程研究所，桃園(2002)
Agrafiotia E., Bourasa G., Kalderisb D., Diamadopoulos E.,“Biochar production by sewage sludge pyrolysis.”Analytical and Applied Pyrolysis Vol.101, pp.72-78(2013)
Alcock R.E., Jones K.C.,“Dioxins in the environment：a review of trend data.”Environmental Science & Technology Vol.30, pp.3233-3243
Alloway, B.J., Heavy metals in Soils, John Wiley & Sons, New York(1990)
Amonette, J.E., Joseph, S.,“Characteristics of biochar：micro chemical properties.”Biochar for Environmental Management: Science and Technology. Earthscan, London, pp.33–52(2009)
Cai, L., Krafft, T., Chen, T.B., Gao, D., Wang, L.,“Structure modification and extracellular polymeric substances conversion during sewage sludge biodrying process.”Bioresource Technology Vol.216, pp.414–421(2016)
Clark, M.D.,Gilmour, J.T.,“The effect of temperature on decomposition at optimum and saturated soil water contents.”Soil Science Society Vol.47, pp.927-929(1983)
Cogger S.G., Forge T.A., Neilsen G.H.,“Biosolid recycling: Nitrogen management and soil ecology.”Canadian Journal of Soil Science Vol.86, pp.613-620
European Commission,“Council Directive of 12 June 1986 on the protection of the environment, and in particular of the soil, when sewage sludge is used in agriculture.”86/278/EEC, Luxebourg(1986)
Fendorf S. E.,“Surface reactions of chromium in soils and waters.”Geoderma Vol.67, pp.55-71(1995)
Gaskin J.W., Steiner C., Harris K., Das K.C., Bibens B.,“Effect of low-temperature pyrolysis conditions on biochar for agricultural use.”Transactions of the ASABE Vol.51, pp.2061-2069(2008)
Guomin Shan, Whitney R. Leeman, Shirley J. Gee, James R. Sanborn, A. Daniel Jones, Bruce D. Hammock“Highly sensitive dioxin immunoassay and its application to soil and biota samples.”Analytica Chimica Acta Vol.444, pp.169-178
Hao, Z., Yang, B., Jahng, D.,“Combustion characteristics of biodried sewage sludge.”Waste Management Vol.72, pp.296-305(2018)
Joao, C., Margarida, A., Olga, R., "Effect of composted sewage sludge amendment on soil nitrogen and phosphorus availability.” Communications in Soil Science and Plant Analysis Vol.28, pp.1845-1857(1997)
Kathrin Weber, Peter Quicker,“Properties of biochar”Fuel Vol.217, pp. 240-261(2018)
Li Y., Li Y., Li L., Shi X., Wang Z.,“Original Research Paper Preparation and analysis of activated carbon from sewage sludge and corn stalk.”Advanced Powder Technology Vol.27, pp.684-691(2016)
Lone, A.H., Najar, G.R., Ganie, M.A., Sofi, J.A., Tahir Ali, T.,“Biochar for Sustainable Soil Health：A Review of Prospects and Concerns.”Pedosphere Vol.25, pp.639-653(2015).
Lu H., Zhang W., Wang S., Zhuang L., Yang Y., Qiu R.,“Characterization of sewage sludge-derived biochars from different feedstocks and pyrolysis temperatures.”Analytical and Applied Pyrolysis Vol.102, pp.137-143(2013)
Milieu Ltd. & WRc. & RPA.,“Environmental, economic and social impacts of the use of sewage sludge on land, Part III: Project Interim Reports.” Belgium (2010)
Quicker P., Weber K.,“Herstellung, Eigenschaften und Verwendung von Biomassekarbonisaten.”Biokohle, Springer Vieweg, Wiesbaden pp.165-212(2016)
Ton, S., Delfino, J.J., and Odum, H.T.,“Wetland retention of lead from a hazardous site.”Bulletin of Environmental contamination and Toxicology. Vol.51, pp.430-437(1993)
U.S.EPA.,“A Citizen's Guide to Phytoremediation.”EPA, /542/F-01/002, Washington DC(2001)
U.S.EPA.,“A plain English guide to EPA part 503 biosolids rule.”Office of Wastewater Management, EPA., /832/R-93/003, Washington DC(1994)
U.S.EPA.,“The risk assessment process for the part 503 biosolids rule part 2.”(2002)
United Kingdom,“The Sludge (Use in Agriculture)”(2013)
Wan Azlina, Wan Abdul, Karim Ghani, Ayaz Mohd, Gabriel da Silva, Robert T. Bachmann, Yun H. Taufiq-Yap, Umer R., Ala’a H. Al-Muhtaseb, “Biochar production from waste rubber-wood-sawdust and its potential use in C sequestration: Chemical and physical characterization.”Industrial Crops and Products Vol.44, pp.18-24(2013)
Yang, H., Yan, R., Chen, H., Lee, D.H., Zheng, C.,“Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis.”Fuel Vol.86, pp. 1781-1788(2007)
Zhen, G., Zhao Y.,“Pollution Control and Resource Recovery for Sewage Sludge.”pp.1-11(2017)
Zornoza, R., Moreno-Barriga, F., Acosta, J.A., Munoz, M.A., Faz, A.,“Stability, nutrient availability and hydrophobicity of biochars derived from manure, crop residues, and municipal solid waste for their use as soil amendments.”Chemosphere Vol.144, pp.122–130(2016)