TWI648227B - 下水污泥轉製土壤改良材料之方法 - Google Patents

Abstract

本發明依序包括準備步驟、混合步驟、高溫發酵步驟、翻堆腐熟步驟及完成步驟。藉此將下水污泥除去雜質後，以電動力反應槽移除重金屬，再與一有機添加物混合，形成一第一混合物。將第一混合物高溫發酵成一第二混合物；再將第二混合物進行翻堆腐熟，最後轉製成一土壤改良材料。故，本案達到兼具充分轉用含重金屬之下水污泥可減少污染，與混合數種廢棄物回收再利用相當環保等優點。

Description

下水污泥轉製土壤改良材料之方法

本發明係有關一種下水污泥轉製土壤改良材料之方法，尤指一種兼具充分轉用含重金屬之下水污泥可減少污染，與混合數種廢棄物回收再利用相當環保之下水污泥轉製土壤改良材料之方法。

一般情況下，下水污泥被視為污水處理場常見的污染來源，除了產生不良氣味，還含有重金屬及致病性微生物等物質，除此之外，下水污泥中含有大量植物生長所需的有機物質及豐富的營養素(如氮、磷、鉀等）。 另外，在不影響工程品質的要求之下，經處理後的下水污泥，也可作替代原料使用，如水泥摻料、瀝青混合料，及透水磁磚等建材之應用。 下水污泥就是下水道系統中之沉積物，其中當然包含許多經化糞池處理後之排出物。由於下水污泥中含有高營養物質(對農作物而言)和有機物，可作為農業之土壤改良劑、建築材料等，具有相當的經濟效益。 但是，污水處理場所產生之下水污泥，除了含有上述經濟價值成分外，尚含有重金屬與其他有毒性物質。若無法將下水污泥中這些危害物質移除，不僅無法用於農業堆肥，且需以有害廢棄物方式處理，後續處理成本亦大幅提升。若不慎排放至環境中，即導致土壤或地下水污染，影響層面極廣，後果不堪設想。 重金屬在今日工業中使用很普遍，一旦造成污染可能經年累月也無法予以改善。重金屬不像有機物會經微生物分解而消滅，使本來之毒害作用完全消失。重金屬污染環境可利用物理、化學及生物方式去除，而選擇處理方法的考慮因素有：處理成本、污染物特性、技術可行性及下水污泥特性等。處理的程度也因後續使用需求不同而有所差異。近年來已有許多研究探討去除含重金屬下水污泥之技術應用，而且也證實其可行性。 電動力技術應用於處理環境污染上，主要為修復受污染之土壤、污泥、固體廢棄物等，亦可應用於處理飽和、非飽和之污染土壤、污泥及地下水，且對於低滲透性之待處理樣品有更好之整治成效(如文獻Guedes et al., 2014)。此技術係在受污染的區域兩端插入正負電極施加直流電後，在施加電場作用下，多數帶正電荷的重金屬陽離子會朝陰極移動，而下水污泥中之陰離子則朝陽極方向移動，藉由正負電極之間電場產生電化學原理之電滲透流及離子遷移等作用機制，引導下水污泥中之電解質溶液流動，將污染物去除或濃縮至有限的範圍，以方便後續之處理，而達到去除污染物的目的(如文献Choi and Luib, 1995)。 又，有關電動力技術之原理與反應機制，由於下水污泥表面帶負電荷，且為一多孔性介質，當加入電場時，電解液流體與下水污泥間之相對運動隨之產生，此皆屬電動力學的範圍，利用電動力法處理下水污泥過程中會發生各種電化學反應，其電動力技術之原理及反應機制包括：電雙層、電解作用、電滲透流、離子遷移，由於此電動力技術與反應機制均為習知技術，恕不贅述。 此外，現有許多家禽糞材(例如雞糞、鴨糞、鵝糞)、種植香菇後之廢棄太空包、廢棄木屑…等有機廢棄物很難處理，若直接丟棄也十分浪費。 因此，有必要開發新技術，以解決前述下水污泥與有機廢棄物之處理問題。

本發明之目的，在於提供一種下水污泥轉製土壤改良材料之方法，其兼具充分轉用含重金屬之下水污泥可減少污染，與混合數種廢棄物回收再利用相當環保等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於傳統下水污泥及有機廢棄物無法被有效再利用等問題。 解決上述問題之技術手段係提供一種下水污泥轉製土壤改良材料之方法，其包括下列步驟： 一．準備步驟； 二．混合步驟； 三．高溫發酵步驟； 四．翻堆腐熟步驟；與 五．完成步驟。 本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。 茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

參閱第1及第2圖，本發明係為一下水污泥轉製土壤改良材料之方法，於開始後包括下列步驟： 一．準備步驟S1：將來自下水系統之污水處理場91之下水污泥取出，此被定義為一第一下水污泥81，將該第一下水污泥81除去雜質後，成為一第二下水污泥82；接著將該第二下水污泥82中之重金屬去除，而形成一第三下水污泥83。 二．混合步驟S2：將去除重金屬後之該第三下水污泥83與一有機添加物71混合，而形成一第一混合物61。 三．高溫發酵步驟S3：將該第一混合物61置入一高溫發酵裝置92中，進行高溫發酵後形成一第二混合物62，該高溫發酵裝置92之發酵溫度係介於攝氏100至160度之間，且發酵時間係介於1至24小時之間。 四．翻堆腐熟步驟S4：將該第二混合物63進行翻堆腐熟之程序至少3天。 五．完成步驟S5：最後轉製成一土壤改良材料63。 實務上，關於該準備步驟S1，進一步可再細分為： [a]下水污泥前處理步驟S11：於室溫下，將該第一下水污泥81鋪平風乾至少24小時，並除去雜質後，研磨破碎再過篩網，而成為該第二下水污泥82。 [b] 去除重金屬步驟S12：參閱第3圖，設一電動力反應槽93(例如中華民國發明專利第I249441號之『電動力整治重金屬污染土壤之系統與方法』所述)，將該第二下水污泥82置於其內；該電動力反應槽93內係設一對電極板93A，並供入一電解液93B(如第4圖所示)，則該第二下水污泥82與該電解液93B混合。另於分佈重金屬區域A(參閱第4圖，不規則團狀僅為示意)之兩端，分別接設一直流正極端部931與一直流負極端部932，其間具有一介於0至100V之預定電壓(或0至200mA之預定電流)。當進行電動力反應時，多數帶正電荷的重金屬陽離子會朝該直流負極端部932移動，而污泥中之陰離子則朝該直流正極端部931移動，藉由正負電極之間電場產生電化學原理之電滲透流及離子遷移等作用機制，引導該第二下水污泥82中之電解質溶液流動，最後可於該直流負極端部932得到較集中之重金屬B(如第4圖所示，團狀僅為示意，並可能包括其他污染物)，而達到去除污染物(將該第二下水污泥82所包含之重金屬移除)的目的。 該重金屬係包含鎘、鎳、銅、鉛、鉻、鋅其中至少一者。 該有機添加物71係選自種植香菇後之廢棄太空包、廢棄家禽糞材、廢棄木屑其中至少一項。 本技術以含重金屬之下水污泥為整治試驗之主要標的污染物，利用電動力技術將下水污泥之重金屬移除，並探討不同操作條件之影響，冀使對污泥中之重金屬達到移除之成效，並使用移除重金屬後之下水污泥，保留其高營養物及有機物，結合高溫發酵技術，將其轉製成土壤改良材。 茲舉例說明如下： 本試驗使用之樣品採自某水資源回收中心所產生之污泥(亦即該第一下水污泥81)。採集回來之污泥樣品先進行前處理，將樣品鋪平並於室溫下風乾至少24小時，除去污泥中紙屑、礫石、雜草及毛髮等雜質後，以陶瓷材質之研磨器具進行破碎並通過ASTM 10號(2 mm)之標準篩網，以作為後續試驗使用。並依標準方法對污泥進行基本性質分析，分析項目包括：污泥pH值、污泥導電度、含水率、有機質含量及重金屬之全量分析。各項污泥基本性質分析方法依據及結果列於下表一。本研究污泥樣品之pH值為6.11，含水量為78%，污泥有機質含量為47%，重金屬鎘濃度為5.60mg/kg、鉻濃度為317mg/kg、鎳濃度為830mg/kg、銅濃度為533mg/kg、鉛濃度為147mg/kg、鋅濃度為2501mg/kg。 　　　　　　　　　　　　(表一) 關於試驗所使用之相關儀器設備如下表二所示： (表二) 其中，酸鹼度計與導電度計分別用來測量污泥樣品、電解液之pH值及導電度。火焰式原子吸收光譜儀為重金屬濃度的分析量測；多段變速振盪器為污泥振盪萃取之使用。離心機為污泥振盪萃取後，以離心方式將污泥固液體分離，以便後續分析使用。抽氣幫浦則用於污泥重金屬之萃取，將污泥顆粒完全過濾乾淨，以便後續樣品上機分析使用。直流電源供應器提供本試驗之電動力處理系統操作所需之直流電源；電子天平則提供試驗藥品及污泥樣品之秤量所使用；去離子水製造機則作為配製試驗藥品、樣品分析及實驗儀器設備清洗使用。電磁攪拌器主要用於配製系統中之電解液，使試驗藥品與試劑水均勻混合；超音波洗淨器用來洗滌實驗玻璃器皿及不易清洗之實驗器具；烘箱則為污泥樣品中含水率分析使用。 　　本研究所使用之試驗藥品如下表三所示： 　　　　　　 　　(表三) 碳酸鈉配製成0.01 M濃度，做為電動力系統中之電解液所用，製造商為Sigma-Alorich，純度為99.8%；硝酸及鹽酸製造商皆為Merck公司出品，純度分別為65%、37%，主要用於重金屬檢測方法－王水消化法(NIEA S321.63B, 2003)之王水配製。 關於電動力技術去除下水污泥中重金屬試驗，本研究電動力處理系統皆以0.01 M碳酸鈉電解液條件下進行試驗，以石墨電極板(Graphite)、二氧化銥極板(Dimensionally Stable Anode，簡稱DSA)、不鏽鋼極板(Stainless Steel)作為電極，以不同電壓梯度之操作因子：1.0V/cm、1.5V/cm及2V/cm、2.5V/cm。 關於電動力技術設備與材料，本試驗設計之電動力處理系統(如第3圖所示)係設置電動力處理系統槽體(即該電動力反應槽93)以聚氯乙烯(PVC)製作，規格為長26cm×寬11cm×高11cm(內徑)，槽體中以PVC隔板將樣品儲槽分隔，規格為長15cm×寬11cm×高6cm(內徑)。處理系統由直流電源供應器供應直流電，在極板與污泥樣品之間以紗布包覆多孔PVC板做為間隔，填入待處理之污泥樣品及操作之電解液後，最後通以定電壓之直流電進行操作。 關於電動力技術試驗流程(如第2圖所示)，先進行污泥的前處理及基本物理化學特性分析，包括污泥的pH值、含水率、有機質含量及重金屬濃度之全量分析，將污泥樣品放置於模場之樣品儲槽中(約450 g污泥)，並將0.01 M 碳酸鈉電解液注入電解液儲存槽周圍，配合不同操作電極板(石墨電極板、二氧化銥極板與不鏽鋼極板)進行試驗，目的是為了找出較理想的極板種類作為系統之操作參數。選定其操作效果較佳之極板後，再以不同電壓梯度之操作參數進行試驗。 試驗期間每日記錄系統電壓、電流之變化並測量電解液的pH值、導電度，每日亦需注入適量的電解液。此外，每日採取污泥樣品一次(約3 g)，採集點分別為靠近陽極端(即該直流正極端部931)、儲槽中央及靠近陰極端(即該直流負極端部932)三處，採取污泥樣品經烘乾後，得以進行污泥之重金屬含量分析。經由找出電動力技術處理系統之適當參數的程序，對系統中所發生的電化學反應傳輸機制進行更深入之探討。 移除污泥重金屬並做為後需高溫發酵的原料，再搭配種植香茹用之廢棄太空包(或是廢棄家禽糞材、廢棄木屑)，經過高溫發酵130^o C的加熱，並加入耐高溫菌於2小時內即完成轉製，發展無毒、無害的土壤改良資材。 重點在於，本試驗為藉由不同種類之電極板與施加不同之電壓梯度等參數，探討電動力技術去除下水污泥中重金屬之試驗，依據各試驗結果與相關理論，尋求出適當之操作條件以達到有效之去除下水污泥中重金屬。得到較佳之結果如下： [a] 經由電動力技術處理之污泥中重金屬濃度，隨著距離陽極板越遠濃度越高，由此可知藉由正負電極之間電場產生電化學原理之電滲透流及離子遷移等作用機制，可有效地將重金屬污染物去除或濃縮至有限的範圍。 [b] 本研究以不同電極板為電動力技術之操作參數時，使用二氧化銥極板為電極板時有較佳之去除效率，其中重金屬鎳、鎘和鉻去除效率最為顯著，分別為72.22%、56.76%及38.59%。 [c] 本研究在不同電壓梯度下，進行5天之電動力試驗，鎘、鎳、銅和鉛於電壓梯度2.0V/cm時有較好之去除率，分別為100%、96.67%、17.89%及52.88%；鉻及鋅則於2.5V/cm時去除效果較顯著，去除率為80.07%和44.09%。 [d] 本試驗以0.01 M碳酸鈉為電解操作液，二氧化銥極板為陽極板，不鏽鋼為陰極板，進行電動力技術去除下水污泥中重金屬之試驗，鎘與鎳有較高之去除率，其中鎘於電壓梯度2.0V/cm操作下之去除率可達100%。 [e] 利用電動力技術處理下水污泥中重金屬，以不同操作電壓梯度(2.0V/cm及2.5V/cm)進行1天之試驗，若移除100mg/kg重金屬所需用電量之費用約為0.93-99.6元。 [f] 本產品協助霧峰國小進行校地綠化，成果獲得該校肯定。 本發明之優點及功效係如下所述： [1] 充分轉用含重金屬之下水污泥可減少污染。本發明利用電動力技術將下水污泥之重金屬移除，再經混合、高溫發酵、翻堆腐熟等步驟，轉變成土壤改良材料，可減少污染。故，充分轉用含重金屬之下水污泥可減少污染。 [2] 混合數種廢棄物回收再利用相當環保。本發明係將下水污泥之重金屬移除後，混入種植香菇後之廢棄太空包、廢棄家禽糞材、廢棄木屑其中至少一種的廢棄物(有機添加物)。再經高溫發酵及翻堆腐熟等步驟，即可予以回收再利用。故，混合數種廢棄物回收再利用相當環保。 以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

S1‧‧‧準備步驟

S11‧‧‧下水污泥前處理步驟

S12‧‧‧去除重金屬步驟

S2‧‧‧混合步驟

S3‧‧‧高溫發酵步驟

S4‧‧‧翻堆腐熟步驟

S5‧‧‧完成步驟

61‧‧‧第一混合物

62‧‧‧第二混合物

63‧‧‧土壤改良材料

71‧‧‧有機添加物

81‧‧‧第一下水污泥

82‧‧‧第二下水污泥

83‧‧‧第三下水污泥

91‧‧‧污水處理場

92‧‧‧高溫發酵裝置

93‧‧‧電動力反應槽

93A‧‧‧電極板

93B‧‧‧電解液

931‧‧‧直流正極端部

932‧‧‧直流負極端部

A‧‧‧分佈重金屬區域

B‧‧‧較集中之重金屬

第1圖係本發明之流程圖 第2圖係本發明之下水污泥處理成土壤改良材料過程之方塊圖 第3圖係電動力反應槽之示意圖 第4圖係第3圖之下水污泥包含之重金屬處理前與處理後之示意圖

Claims (3)

1. 一種下水污泥轉製土壤改良材料之方法，係包括：一．準備步驟：將來自下水系統之污水處理場之下水污泥取出，此被定義為一第一下水污泥，將該第一下水污泥除去雜質後，成為一第二下水污泥；接著將該第二下水污泥中之重金屬去除，而形成一第三下水污泥；其中，該準備步驟係包括：[a]下水污泥前處理步驟：於室溫下，將該第一下水污泥鋪平風乾至少24小時，並除去雜質後，研磨破碎再過篩網，而成為該第二下水污泥；[b]去除重金屬步驟：設一電動力反應槽，將該第二下水污泥置於其內；該電動力反應槽內係設一對電極板，並供入一電解液，則該第二下水污泥與該電解液混合。另於分佈重金屬區域之兩端，分別接設一直流正極端部與一直流負極端部，其間具有一介於0至100V之預定電壓；當進行電動力反應時，多數帶正電荷的重金屬陽離子會朝該直流負極端部移動，而污泥中之陰離子則朝該直流正極端部移動，藉由正負電極之間電場產生電化學原理之電滲透流及離子遷移等作用機制，引導該第二下水污泥中之電解質溶液流動，最後可於該直流負極端部得到較集中之重金屬，而達到去除污染物的目的；二．混合步驟：將去除重金屬後之該第三下水污泥與一有機添加物混合，而形成一第一混合物；三．高溫發酵步驟：將該第一混合物置入一高溫發酵裝置中，進行高溫發酵後形成一第二混合物，該高溫發酵裝置之發酵溫度係介於攝氏100至160度之間，且發酵時間係介於1至24小時之間；四．翻堆腐熟步驟：將該第二混合物進行翻堆腐熟之程序至少3天；五．完成步驟：最後轉製成一土壤改良材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之下水污泥轉製土壤改良材料之方法，其中，該重金屬係包含鎘、鎳、銅、鉛、鉻、鋅其中至少一者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之下水污泥轉製土壤改良材料之方法，其中，該有機添加物係選自種植香菇後之廢棄太空包、廢棄家禽糞材、廢棄木屑其中至少一項。