TWI398309B - Treatment of incineration fly ash by microwave sintering - Google Patents
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Description
本發明係一種對於焚化飛灰的處理方法，尤其係一種以微波燒結技術對於焚化飛灰的處理，以節省燒結時間以及製造成本的方法。
台灣地區目前有27座一般廢棄物(垃圾)焚化廠，每年產生約16萬公噸的都市固體廢棄物焚化爐(Municipal Solid Waste Incinerator，簡稱MSWI)飛灰。因MSWI飛灰含有有害物質，如重金屬及戴奧辛等，所以被判定為有害廢棄物。其組成相當複雜及不固定[1]
，主要的成分有溶解性鹽類(soluble salts)[2]
、氧化鈣(CaO)、二氧化矽(SiO2
)、氧化鋁(Al2
O3
)、氧化鐵(Fe2
O3
)、氧化鎂(MgO)、氧化鈉(Na2
O)、氧化鉀(K2
O)、五氧化二磷(P2
O5
)、二氧化鈦(TiO2
)、氧化錳(MnO)、氧化銅(CuO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鉛(PbO)、氧化鉻(Cr2
O3
)、三氧化硫(SO3
)等；次要的成分有鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、銅(Cu)、錫(Sn)、鋇(Ba)、銻(Sb)、鋯(Zr)、砷(As)、鈷(Co)、鉬(Mo)、銣(Rb)、鉍(Bi)、釩(V)、鈰(Ce)、鎵(Ga)、鑭(La)、釹(Nd)、鈮(Nb)、汞(Hg)等[2,3]
。MSWI飛灰中重金屬以毒性特性溶出試驗(TCLP)所測得的溶出濃度仍會高於法規標準。依環保署事業廢棄物管制中心統計每年申報之有害事業廢棄物重金屬污泥高達3萬公噸以上，且以含銅污泥產量為主，若未加處理而棄置將會危害自然環境。
使用傳統熱處理技術(高溫熔融或燒結)，則須耗費大量的能源既不經濟亦不環保。最普遍的MSWI飛灰處理方法是水泥固化法，但是，此法於長時間仍有重金屬溶出及固化體塴解之虞，且在處理後會增加體積，而減少掩埋場的使用壽命。因此，在掩埋處置前，必須將MSWI飛灰更進一步處理，此為目前相關技術人員以及產業正積極研究的目標。
雖然微波加熱技術被應用已超過50年，但其被運用在MSWI飛灰的處理則是新穎的技術。微波是一種兼具有電場及磁場的電磁能量形態，微波能量是一種頻率在300MHz~300GHz的非游離電磁輻射[4~7]
。與其他傳統的熱處理技術比較，微波技術具有偶極振動特性及介電損失效應提供選擇性、均一及快速加熱等優點。在微波場中固態的介電物質與電磁輻射間交互作用，介電物質產生極化現象，導致被吸收的能量轉化為熱[4~11,17]
。
微波的應用在許多領域相當廣泛，包括陶瓷的燒結及黏接[5-7]
、化合物的合成[7]
、受污染土壤的復育[8]
、廢棄物處理[9]
、礦物的處理[11]
、輔助樣品消化程序[12,16]
、物質的乾燥或脫水、高分子聚合物的加工及活性碳的再生[10]
等。含重金屬污泥經微波輻射安定化的研究也受到關注，研究結果顯示含銅污泥添加鐵粉或鋁粉經微波照射後，可有效抑制金屬離子從污泥中溶出，並使污泥通過TCLP溶出標準[13-15]
。先前之研究顯示實廠飛灰經微波燒結處理程序後有良好之安定效果，尤其是對鉛及鋅有明顯之安定趨勢[17]
。
本發明人有鑑於既有MSWI飛灰的處理方法會造成重金屬溶出及固化體塴解的問題，並且使體積增加，減少掩埋場的壽命，另一方面還必須避免從銅污泥中有重金屬溶出，因此經過不斷的研究以及試驗之後，終於發明出此以微波燒結技術對於焚化飛灰的處理方法。
本發明之目的係在於提供一種以微波燒結技術對於焚化飛灰的處理方法，以節省燒結時間以及製造成本的方法。
為達上述目的，本發明以微波燒結技術對於焚化飛灰的處理方法，其係包括：將焚化飛灰壓錠以形成壓錠試體；將該壓錠試體進行微波燒結，直到燒結完成以獲得一燒結體。
其中，該焚化飛灰係單獨壓錠以形成該壓錠試體。
其中，該焚化飛灰係包含銅污泥，而焚化飛灰與銅污泥係以99：1~1：1之比例混合後壓錠以形成該壓錠試體。
較佳的是，該焚化飛灰與銅污泥係以99：1~2：1之比例混合。
較佳的是，形成壓錠試體之後且在進行微波燒結之前，尚包括取十顆壓錠試體，將其係以一特定之擺設方式放置於一石墨片上，該特定之擺放方式係以接觸於該石墨片的第一層以及放置於該第一層上方之第二層所組成，其中該第一層係以七顆壓錠試體所組成，其係由六顆壓錠試體對稱圍繞且緊靠於一壓錠試體(即中間一顆，周圍六顆)，該第二層係由三顆壓錠試體所組成，該三顆壓錠試體係設置於第一層的中央位置，且彼此緊靠。
其中，進行微波燒結之較佳的功率為600~800瓦(W)，而燒結時間為8分鐘以內；最佳的功率為700W，而燒結時間為3分鐘以內。
較佳的是，該燒結體之鉛溶出量係低於5mg/L；銅溶出量係低於15mg/L。
由於微波燒結之時間較壓錠樣品所需時間長，所以先將飛灰和污泥進行壓錠，就能減少顆粒間的空隙，增加顆粒間的接觸面積，並加快反應速率進而縮短反應時間，以節省燒結的時間以及其耗費的能源，進而減少製程的成本。
本發明以微波燒結技術對於焚化飛灰的處理方法，其係包括：將焚化飛灰單獨壓錠或將焚化飛灰與污泥以99：1~1：1之比例混合後壓錠以形成一壓錠試體；取十顆壓錠試體，將其係以一特定之擺設方式放置於一石墨片上，該特定之擺放方式係以接觸於該石墨片的第一層以及放置於該第一層上方之第二層所組成，其中該第一層係以七顆壓錠試體所組成，其係由六顆壓錠試體對稱圍繞且緊靠於一壓錠試體(即中間一顆，周圍六顆)，該第二層係由三顆壓錠試體所組成，該三顆壓錠試體係設置於第一層的中央位置，且彼此緊靠；將上述以擺放完成之壓錠試體以功率為600~800W的條件進行微波燒結，直到熔融燒結完成的燒結時間為8分鐘內，以獲得一燒結體，該燒結體之鉛溶出量係低於5mg/L；銅溶出量係低於15mg/L。
實施例
本發明藉由以下實施例以示範本發明MSWI飛灰以微波燒結處理的步驟，且試驗各種條件對於微波燒結處理的影響。而以下實施例僅為示範本發明，以讓於所屬領域中具有通常知識者能夠更加了解本發明並可據以實施，因此並非有意限制本發明之範疇。
以下所使用的感應耦合氬氣電漿原子發射光譜法(ICP-AES)係法國Jobin Yvon公司所生產之JY24型感應耦合氬氣電漿原子發射光譜儀(連續式)，頻率40.68MHz，使用氬氣(Ar)形成電漿(電漿氬氣流量(P1)為12L/min，氬氣氣鞘流量(G1)為0.25L/min，霧化室氬氣流量(NEBU)為0.3L/min)。
本實施例所使用之飛灰係由台灣北部焚化廠取得，將飛灰充分混合1天後以105℃烘箱烘乾3天保存備用。而實施例所使用之污泥為甲級處理廠酸洗後不同批次之含銅污泥(TD10與TD11)，污泥處理前先風乾並以球磨機研磨至100-400mesh(約0.15-0.063mm)大小，儲存於120升的大塑膠桶，實驗前再置於105℃烘箱烘乾。
1.壓錠堆疊形狀的影響
方法：
先前進行之飛灰微波燒結實驗結果顯示(如第一圖)，飛灰加水混合調勻(未壓錠)進行微波程序處理，在30分鐘時只有一半飛灰呈現燒結狀態，40及50分鐘時才完全繞結，並且重金屬TCLP分析結低於法規標準。
焚化飛灰壓錠的微波燒結實驗中，將實廠飛灰或不同比例混合飛灰與銅污泥，並壓錠為直徑約11mm、高10mm之圓柱體，壓錠的製作流程及參數，壓錠是用鋼模(一圓柱體中空直徑11mm、高約3公分)以人工方式(以橡皮槌手敲)將飛灰壓成直徑11mm高10mm左右之圓柱體。以1、2、3、4、6、7、8、10或11的圓柱體壓錠試體(pellets)反覆實驗驗證(如附件一)。
結果：
當10 pellets堆疊於石墨片後再置於坩堝上為最佳條件(如附件二)。
2.不同微波時間與功率對微波燒結結果之影響
方法：
以實廠飛灰進行本實施例最佳微波程序之確定，調整不同微波功率(500、600、700及800W)與不同微波時間(1、3、4、5、8、10、20、30、40與50分鐘)以進行比較，而獲得最佳之微波條件。
經微波照射之飛灰或不同比例混合之飛灰與銅污泥壓錠樣品以毒性特性溶出程序(toxicity characteristic leaching procedure，TCLP,R.1311,US EPA)來評估燒結後之安定效果，所得之濾液以ICP分析其重金屬濃度。進行毒性特性溶出程序時，直接使用萃取溶液B(pH為2.88±0.05之0.1M醋酸溶液)。由於經微波燒結後之燒結體以瑪瑙研缽研磨並混和均勻，取1.00±0.01g之研磨顆粒置於50mL之PE瓶內，加入20mL之萃取溶液B。之後將PE瓶置入萃取容器內，再將萃取容器架在旋轉萃取裝置上，以轉速30±2rpm連續翻轉18±2小時。完成毒性特性溶出程序後之萃取溶液先量測其pH值並記錄之，並以0.45μm之玻璃纖維濾紙過濾，濾液再以濃硝酸酸化至pH值小於2.0，並於一星期內以ICP-AES分析其重金屬濃度。
結果：
由附件三的實驗結果顯示實廠焚化飛灰之壓錠微波燒結體隨功率增加而縮短燒結時間，當功率為500W時8分鐘有燒結現象，但當功率為600W時4分鐘即有燒結現象，且至8分鐘即已完全燒結，而功率為700W時提前至3分鐘即可燒結，700W及800W至4分鐘即完全燒結，且所有壓錠之圓柱體燒結熔融在一起。由附件三亦可看出，此一堆置方式可使樣品吸收微波轉化為熱之後較不易因熱輻射至爐壁散失，而使樣品較易形成許多熱點(hot spots)，使樣品整體溫度可持續上升，當溫度升至臨界溫度(Tc)以上時即產生熱變形(thermal runaway)現象，樣品因溫度提高愈來愈會吸收微波，並在中間之圓柱體產生熱池(hot pool)現象而使所有之圓柱體逐漸熔融燒結在一起。
由第二圖的實驗結果顯示，飛灰之燒結體經TCLP試驗分析結果顯示鉛之溶出量低於法規標準。先前進行之飛灰微波燒結實驗結果顯示(如第一圖)，飛灰加水混合調勻進行微波程序處理，在40及50分鐘時可達到相同的效果，惟微波燒結之時間較壓錠樣品所需時間長，故由實驗結果顯示壓錠可減少顆粒間的空隙，增加顆粒間的接觸面積，並加快反應速率進而縮短反應時間。
3.微波燒結技術共同處理焚化飛灰與銅污泥
方法
由實廠飛灰微波燒結所得最佳微波程序結果，再進一步探討飛灰與銅污泥(FATD10或FATD11)，銅污泥FATD10及FATD11為實廠不同批次之污泥，飛灰及銅污泥之成分詳見表1，銅污泥除高濃度之銅外(FATD10為11,231mg/kg及FATD11為6,084mg/kg)，還有高濃度之鉛(FATD10為91,228mg/kg及FATD11為35,186mg/kg)，FATD10或FATD11之銅污泥在不同比例混合(99:1~0:1)之重金屬溶出情形，此實施例中以功率600W及微波時間50分鐘之微波條件(雖然實廠飛灰在600W時8分鐘即可完全燒結，為求微波燒結反應完全仍採微波時間50分鐘)，進行飛灰與銅污泥之微波燒結程序。
結果：
由附件四顯示，飛灰與銅污泥混合比例在99:1~2:1皆可形成有強度之燒結體，而在混合比例在1:1所形成燒結體強度較差，混合比例0:1(即銅污泥TD10)僅有灼燒之現象；混合比例在99:1~24:1所形成之燒結體幾乎熔融在一起，無法辨識原本之圓柱體外觀；隨著銅污泥添加比例的增加，混合比例在19:1~1:1所形成之燒結體雖有熔融在一起之現象，但仍可辨識其圓柱體外觀。由實驗結果顯示飛灰與銅污泥共同處理是可行的，混合比例在99:1~2:1皆可形成有強度之燒結體，並有資材化之可行性。
由第三圖的實驗結果顯示，FATD10樣品微波前，鉛之毒性特性溶出濃度隨著銅污泥添加比例的增加(99:1~6:1)而增加，且遠高於法規標準(5mg/L)。樣品微波後，只要形成燒結體，不論4或10pellets的樣品，其鉛毒性特性溶出濃度均低於法規標準。而4pellets樣品添加比例98:2、97:3、24:1、14:1因未形成燒結體，故鉛毒性特性溶出濃度仍遠高於法規標準。10pellets的樣品所形成之燒結體有較佳的安定效果。
由第四圖的實驗結果顯示，FATD11樣品微波前，鉛之毒性特性溶出濃度隨著銅污泥添加比例的增加(99:1~5:1)而增加，且遠高於法規標準。樣品微波後，4pellets樣品混合比例97:1、44:1、6:1形成燒結體，其鉛毒性特性溶出濃度均低於法規標準。其餘添加比例因未形成燒結體，故鉛毒性特性溶出濃度仍遠高於法規標準。
由第五圖的實驗結果顯示，FATD10樣品不論微波前後，銅之毒性特性溶出濃度均低於法規標準(15mg/L)；僅銅污泥FATD10微波前之毒性特性溶出濃度高於80mg/L，且遠高於法規標準，惟經微波程序後即低於法規標準。由第五圖實驗結果顯示，FATD11或FATD11樣品不論微波前後，銅之毒性特性溶出濃度均低於法規標準(15mg/L)，且微波後銅之毒性特性溶出濃度均低於微波前的濃度。
經由上述實施例的試驗後，可知本發明主要有下列優點：
1.將飛灰經壓錠成形後可大幅縮短微波燒結時間，將飛灰和銅污泥混合經壓錠後，亦有相同結果；當微波功率適當地增加亦可縮短燒結時間，並可節省能源之使用。
2.飛灰與污泥壓錠試體之燒結體經TCLP試驗分析後顯示鉛之溶出低於法規標準(5mg/L)。
3.本發明之微波程序、壓錠圓柱體及恰當之堆置方式，能讓壓錠試體易於燒結。
4.飛灰與銅污泥共同處理為一可行之方式，其混合比例在99:1~1:1可形成燒結體後，其鉛與銅之溶出均低於法規標準(5與15mg/L)；飛灰與銅污泥比例在99:1~2:1所形成之燒結體有較高之強度。
5.研究結果顯示，無論係以壓錠的方式可縮短微波時間，若再提高功率則能進一步縮短微波時間，故可大幅縮短燒結的時間、能源與成本。
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第一圖係先前(飛灰加水混合調勻)進行之飛灰微波燒結後，鉛等重金屬的毒性特性溶出濃度比較圖。
第二圖係本發明實施例中的樣品在不同微波時間與微波功率燒結後鉛的毒性特性溶出濃度圖。
第三圖係本發明焚化飛灰與銅污泥(FATD10)共同處理，於微波前後鉛的毒性特性溶出濃度比較圖。
第四圖係本發明焚化飛灰與銅污泥(FATD11)共同處理，於微波前後鉛的毒性特性溶出濃度比較圖。
第五圖係本發明焚化飛灰與銅污泥(FATD10)共同處理，於微波前後銅的毒性特性溶出濃度比較圖。
第六圖係本發明焚化飛灰與銅污泥(FATD11)共同處理，於微波前後銅的毒性特性溶出濃度比較圖。
附件一係顯示本發明之壓錠試體最佳的擺放方式之試驗過程。
附件二係顯示本發明之壓錠試體最佳的擺放方式。
附件三係本發明實施例中以不同微波功率燒結的情形。
附件四係本發明實施例中飛灰與銅污泥以不同比例混合之壓錠試體經微波燒結的情形。
Claims (9)
- 一種以微波燒結技術對於焚化飛灰的處理方法，其係包括：將焚化飛灰與污泥係以99：1~1：1之比例混合後壓錠以形成壓錠試體，其中該壓錠試體為圓柱體，該圓柱體直徑為11毫米(mm)、高為10 mm；將該壓錠試體進行微波燒結，直到燒結完成以獲得一燒結體，其中進行微波燒結之功率為600~800瓦(W)，而燒結時間為8分鐘以內。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該焚化飛灰係單獨壓錠以形成該壓錠試體。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該焚化飛灰與銅污泥以99：1~2：1之比例混合。
- 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之方法，其中形成壓錠試體之後且在進行微波燒結之前，尚包括取十顆壓錠試體，將其係以一特定之擺設方式放置於一石墨片上，該特定之擺放方式係以接觸於該石墨片的第一層以及放置於該第一層上方之第二層所組成，其中該第一層係以七顆壓錠試體所組成，其係由六顆壓錠試體對稱圍繞且緊靠於一壓錠試體，該第二層係由三顆壓錠試體所組成，該三顆壓錠試體係設置於第一層的中央位置，且彼此緊靠。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中進行微波燒結之功率為700 W，而燒結時間為3分鐘以內。
- 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中進行微波 燒結之功率為700 W，而燒結時間為3分鐘以內。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該燒結體之鉛溶出量係低於5 mg/L。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中該燒結體之鉛溶出量係低於5 mg/L；銅溶出量係低於15 mg/L。
- 一種以微波燒結技術對於焚化飛灰的處理方法，其係包括：將焚化飛灰壓錠以形成壓錠試體；取十顆壓錠試體，將其係以一特定之擺設方式放置於一石墨片上，該特定之擺放方式係以接觸於該石墨片的第一層以及放置於該第一層上方之第二層所組成，其中該第一層係以七顆壓錠試體所組成，其係由六顆壓錠試體對稱圍繞且緊靠於一壓錠試體，該第二層係由三顆壓錠試體所組成，該三顆壓錠試體係設置於第一層的中央位置，且彼此緊靠；以及將該壓錠試體進行微波燒結，直到燒結完成以獲得一燒結體。
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