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1、廢水污泥脫水減量與 熱化學轉換利用,朱敬平 cpchusinotech.org.tw 財團法人中興工程顧問社 環境工程研究中心研究員 99年2月23日,一、廢水污泥脫水減量,3,廢棄污泥減量,製程改善（減少廢水就是減少污泥） 反應效率提升、原料減量、水再生 從初級或二級處理 污泥迴流、菌相控制、薄膜生物反應器 前處理 加強水解、好氧消化、厭氧消化 以調理提供濃縮脫水效率（固液分離） 調理藥劑選用 選用適當脫水設備 資源回收利用 生物性轉換：農業利用、發酵 熱化學轉換：裂解產油、熔融製磚、衍生燃料,4,各類污泥處理所需之固體含量,液體污泥進行土地澆灌 (低於6%) 厭氧消化 (3 6%) 具液體
2、特性，能以幫浦與管線運輸 (低於15%) 具固體特性，需以卡車批次運輸 (15%以上) 污泥堆肥 (至少30%) 土地掩埋 (至少30%) 各類熱處理 (至少50%),5,各類污泥處理所需之固體含量 (續),相關法規： 水污染防治法第八條 事業、污水下水道系統及建築物污水處理設施之廢(污)水處理，其產生之污泥，應妥善處理，不得任意放置或棄置 事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準 污泥之中間處理：無機性污泥脫水或乾燥至含水率百分之八十五以下；有機性污泥以脫水或熱處理法處理有效的污泥脫水與調理效果關係密切，而如何選擇適當調理劑、加藥劑量、與脫水設備，則有賴對污泥性質的充份掌握,6,水的移除與污泥調
3、理,單位重量固體所含水份 (kg/kg DS),重力濃縮,離心過濾,帶濾機,熱乾燥(40oC，7天),依各類脫水設備所能提供能量，可在本曲線上獲得對應的移除水量,單位重量水份之固液鍵結能 (kJ/kg DS),7,常用之無機金屬鹽混凝劑,單鹽 氯化鐵 FeCl3 (ferric chloride) 硫酸鐵 Fe2(SO4)3.nH2O (ferric sulfate) 硫酸亞鐵 FeSO4.7H2O (ferrous sulfate) 硫酸鋁 Al2(SO4)3.18H2O (aluminum sulfate) 鋁酸鈉 NaAlO2 (sodium aluminate) 硫酸銨鋁 Al2 .(
4、NH4)2 .(SO4)4.24H2O (aluminum ammonium sulfate) 石灰 CaO (lime) 聚合鹽 (多核錯合鹽) 聚氯化鋁 Al2(OH)nCl6-nm (poly aluminum chloride, PACl) 聚矽硫酸鋁 (polyaluminum silicate sulfate, PASS) 聚矽氯化鋁 (polyaluminum silicate chloride, PASC) 聚硫酸鐵 (polyferric sulfate, PFS),8,金屬鹽混凝劑 優點,在價格與應用方面： 價格便宜。 其調理效果較易掌握，最佳劑量範圍廣。 溶液黏度低，易於
5、進料。 形成疏鬆而具剛性的堆積結構，有利於過濾 (乾燥床或真空過濾等) 。 在去除污染物方面： 可與有機物發生錯合、吸附、絆除等作用，而能移除BOD與毒性物質。 可移除磷營養鹽。 可控制由硫化氫產生之臭味。,9,金屬鹽混凝劑 缺點,在調理操作方面： 調理效果受pH值影響甚大 。 鐵鋁鹽加藥改變水體pH值，常與石灰搭配使用。 對有機物含量較高的污泥效果較差 對污泥整體脫水性改善程度不足： 產生膠羽粒徑不夠大。 鋁與鐵的氫氧化物為親水性而不具晶形，形成顆粒帶有表面水，受剪力時易壓縮變形。 膠羽結構強度較低，在帶濾或離心脫水承受較大剪切力時膠羽易破碎，小顆粒的增加將提高比阻。,10,金屬鹽混凝劑 缺
6、點 (續),100 mm,以鋁鹽 (硫酸鋁) 直接調理生物污泥時，效果不盡理想，需甚高劑量,11,金屬鹽混凝劑 缺點 (續),殘留混凝劑所可能造成的問題： 在液相中 存於污泥中的混凝劑可能降低厭氧消化效率。 存於放流水中的混凝劑若導回廠內使用，可能對管線造成鏽蝕。 攝入過量鋁鹽是否對人體神經細胞的傷害仍有疑慮。 在固相中 金屬鹽造成污泥量增加，尤以添加石灰為甚。 在焚化時殘留於污泥中之金屬鹽屬不可燃物質 (fixed solids)，如比例偏高將導致熱值降低。 混凝劑中可能帶有重金屬雜質 (如鎘、鉻、砷等)，將殘留在污泥中。,12,絮凝劑種類,廢棄污泥固體濃度一般超過2,000 mg/L，而生
7、物污泥膠羽極為疏鬆，不易沉降與脫除水份。 為有效進行污泥濃縮脫水，除電荷中和外，尚需添加高分子量的絮凝劑進行架橋，以增加污泥膠羽粒徑 經架橋所產生之污泥膠羽一般具較高的強度，可承受在脫水時較高之剪力而不致破碎。,13,絮凝劑種類 (續),在廢水處理應用的絮凝劑主要是陽離子型高分子： 分子量106 108 電荷密度至少超過10% (即有10%之單體帶有正電) 其成份主要是曼尼希 (Mannich) 鹼與丙烯醯胺為單體的共聚合物，再進行銨基化反應使之帶正電，而對應之陰離子為氯離子,曼尼希縮合反應 (Mannich condensation reaction)：含有a-活潑氫的有機物 (如醛、酮、酚
8、) 與甲醛及胺類反應，而該a -活潑氫被胺甲基所取代；此反應又稱爲胺甲基化反應 ，所得産物稱爲曼尼希鹼。,14,絮凝劑種類 (續),除前述陽離子型高分子外，某些情況下可能使用陰離子高分子或非離子型高分子，仍可達到一定效果。 陰電性型高分子： 主要為丙烯醯胺與丙烯酸的共聚合物 通常配合氯化鐵使用 非離子型高分子： 主要為丙烯醯胺的聚合物 溶解在水中時仍帶部份正電 (1% 2%的單體),15,絮凝劑種類 (續),高分子絮凝劑多為生物難分解或不可分解，過量殘留可能影響污泥的後續利用與對環境造成某種程度的衝擊。 已開發出多種生物可分解的絮凝劑，包括 聚幾丁醣 (Chitosan) 藻酸鈉 (Sodiu
9、m alginate) 微生物製劑 植物萃取物，如豆類膠質、樹膠等 成功商品仍有限，實廠成效有待進一步驗證。,16,絮凝劑的殘留效應,若過量殘留於放流水中，可能影響包括： 回收作冷卻水時，造成有機物黏附於管線內。 迴流至生物反應器中，抑制異營菌活性或污泥消化性。 阻塞住魚類的鰓，造成窒息。 若過量殘留於污泥泥餅中，可能造成： 絮凝劑含氮，可能影響污泥作為農地利用。 絮凝劑可能會影響污泥裂解產物。 殘留高分子過多將影響污泥熔融製成磚體強度。 對於調理劑的殘留問題，未來也應列入最適劑量之考量。,17,絮凝劑的選擇,高分子絮凝劑產品特點 單體化學成份 帶電型態 分子量與分子結構 電荷密度 高分子絮凝
10、劑廠商均會提供一系列實驗室與實廠測試結果，供購買者作參考 惟各廠污泥變異性甚大，不易有通用性規則供操作者選擇最適絮凝劑；應進行一系列之杯瓶測試 以確定符合處理需求之絮凝劑種類與劑量,18,絮凝劑的選擇 (續),平均分子量 低分子量絮凝劑主要以電性中和為作用機制，形成小而緻密的膠羽； 高分子量絮凝劑同時進行電性中和與架橋兩種機制，以架橋為主要機制，形成大而疏鬆的膠羽。 絮凝劑分子量愈高，所需最適劑量隨之降低，但其溶解分散程度較差，黏度較高，增加加藥困難 。 平均分子量之外的考量因素： 平均分子量相同時，具較窄分子量分佈有較佳絮凝效果。 調理效果亦和其分子構形 (直鏈或支鏈) 有關，惟其中關係為何
11、，仍未有定論。,19,絮凝劑的選擇 (續),電荷密度 低於5%時，調理機制主要為架橋作用，形成膠羽較易變形，堆砌成之濾餅壓縮性較高，需透過高應力才能充份脫水。 高於20%時，電荷中和機制之重要性大幅提高，可形成較緻密膠羽，堆砌成剛性較高的濾餅，利於脫水。 使用高電荷密度絮凝劑所需之最適劑量較低，亦可達到較高濾餅固體濃度。,20,影響絮凝調理之操作變因,有利於脫水與調理的污泥特性 較長的活性污泥污泥齡 (類似於好氧消化，生物調理）。 有效的厭氧消化 (亦為生物調理)。 較大的初始膠羽粒徑 (比表面積較小，吸附水份較少，靜電斥力較低) 。 較高的懸浮固體濃度 絮凝劑總用量增加，但單位乾固體耗用的絮
12、凝劑 (g/kg DS) 降低。 顆粒與絮凝劑碰撞頻率增加，所需攪拌時間較短。 提高膠羽的抗剪應力。 較低的污泥油份 油脂亦會耗用絮凝劑。 高分子可能與油脂形成高黏度物質，阻塞濾材。,21,影響絮凝調理之操作變因 (續),水體環境 酸鹼值 酸性與中性環境有利陽離子型高分子鏈伸展，可提高調理效果；反之，鹼性環境下 OH-離子會吸附於高分子鏈上，導致其蜷曲成團無法伸展。 鹼性環境有利於高電荷密度陰離子型絮凝劑之作用離子強度 適當離子強度有助於陽離子型高分子鏈的伸展；但離子強度太高時 (如鹽濃度高於0.1 M)，可能遮蔽高分子鏈的帶電位置，使分子鏈無法伸展，降低絮凝效果。 鈣離子與鎂離子 (硬度)
13、可幫助陰離子型絮凝劑吸附在粒子表面。,22,影響絮凝調理之操作變因 (續),調理操作方式 攪拌強度 在操作中需以較高攪拌強度以分散絮凝劑，但過度攪拌反而破壞已絮凝成之膠羽，提高所需劑量。 實廠裡調理槽有一定設定參數，攪拌強度與混合效果不易大幅更動， 若需尋求最適攪拌強度，則可另採杯瓶實驗進行扭力計 (torque meter) 測試 ，了解攪拌強度與調理效果間之關係。,23,影響絮凝調理之操作變因 (續),調理操作方式 (續) 雙重調理 配合使用較廉價的鐵鹽或鋁鹽，中和污泥部份表面電荷，可以較少陽離子型絮凝劑達到同樣的脫水性。 陰離子型絮凝劑與三價的鐵鹽或鋁鹽一塊使用，兩者間形成不溶性鹽類 (
14、如聚丙烯酸鹽)，可加強其去穩定化效果 (destabilization)，亦有改善脫水性之效。 雙重調理在實務運作上的困難點 需裝設兩個以上的進料系統，增加運轉與維護成本。 控制參數變得更多而複雜，包括調配比例、加藥順序、攪拌時間與強度等。,24,最適調理劑量之決定,界達電位測試 濃縮效率杯瓶測試 沉降測試 浮除測試 脫水效率杯瓶測試 毛細管汲取時間 過濾比阻測試 濾葉測試 其它方法 流變性測試 水份能量分佈曲線,量測指標，對調理劑劑量作圖，所得之最低 (或最高) 點可視為最適劑量，作為實廠試驗的加藥參考值。,25,界達電位測試,界達電位 (Zeta potentials),剪力表面 (pla
15、ne of shear) 對應之電位,界達電位達0時，推斷顆粒間靜電斥力最低，應有最好固液分離特性,26,界達電位達反轉點時未必是最適脫水劑量高度絮凝污泥膠羽因粒徑過大，其界達電位量測不盡準確,27,濃縮效率 沉降測試,將調理前後的污泥放在沉降管 (容積為1升) 中，讓其在控制條件下沉降。 污泥體積指標 (sludge volume index, SVI)=,30分鐘後污泥沉降層體積 (ml) * 1000,污泥原本之懸浮固體濃度 (mg/l),馬達,支架,攪拌器,量筒,28,濃縮效率 沉降測試 (續),定速沉降期,總體沉降速度 (zone settling velocity, ZSV)：量測
16、污泥界面高度對時間作圖，初期 (定速期) 之斜率即為ZSV 。,29,脫水效率 毛細管汲取時間,毛細管吸引時間 (CST) 將調理前後的污泥 (35 ml) 倒入置於層析濾紙上的容器，水因毛細管吸引力自污泥中被吸出，水份擴散前緣移動時間愈長代表污泥愈難以脫水。,r2,r1,r1 = 15.9 mm r2 = 22.2 mm,CST = 水份擴散前緣自r1移到至r2的時間,30,脫水效率 毛細管汲取時間 (續),CST未能考慮到濾液的黏度與固體濃度等效應，為求能作為更一般性之脫水性指標，有如下修正：c : 過濾性常數 (filterability constant) f : 與設備型態有關的常數 m : 濾液黏度 (單位為cp，水的黏度為1 cp) C : 懸浮固體濃度 (mg/l)c愈高，代表脫水性愈好,31,脫水效率 過濾比阻測試,在一固定真空度下，液體自污泥中被抽出，透過濾紙而流出並收集，量測體積。 過濾比阻 (specific resistance to filtration, SRF),
