焚化灰渣處理技術與資源化研究

一般而言，剛出爐的焚化灰渣大致上呈現不穩定狀態，例如底渣處於潮濕且 具有臭味，飛灰則含有一些對環境及人體有害之物質且極易塵揚，如果直接資源 化勢必會受到上述性質的影響，因此，國內外學者對灰渣穩定上亦花費大量心力 研究。穩定焚化灰渣的方式有很多種，主要將灰渣成份轉換為低溶出成份或去除 大部分溶解性物質，能減少鹽類與重金屬的溶出，以確保灰渣能達到安全的最終 處置。穩定灰渣方式有以下幾種風化（weathering）、固化（solidification）、熱處 理（thermal treatment）、運用合適液體作萃取等方法。焚化底渣相較於飛灰，沒 有嚴重之戴奧辛與重金屬問題，在程度上不需採用嚴苛的前處理來減少對環境的 危害，但適當的前處理可以有效提升資源化上的潛力。

ES&T Environmental News（2002）中指出，雖然都市垃圾焚化灰渣可作為建 築材料，但是灰渣仍含有重金屬、鹽類（salty）與有機化合物（例如戴奧辛），

如果下起雨來，會將上述物質溶出而進入環境中。文中指出灰渣中高量的鹽類被 沖刷進入土壤中，會影響除氮（denitrifying）與固氮（nitrogen-fixing）菌的活性 與菌落結構；藉由基因分析發現，經過 30 天的淋洗可以明顯發現除氮與固氮菌 活性的降低，會導致土壤環境的破壞（Poly 2002）。在許多研究中，水泥固化法 雖然可以穩定重金屬，但卻固定不了鹽類（NaOH、KOH、chlorine salts）（Baur 2001）。由此可看出鹽類的去除對於灰渣處置與資源化成效具有關鍵性的影響。

在底渣方面，依國情不同而有差異，以下則整理不同學者對底渣前處理之研 究，如表 2-6。張氏（2000）利用篩選及磁選的方式去除底渣中的硫氯及鐵，研 究指出粒徑小於200 mesh 的底渣因含硫氯鹽較高，故予以篩除；而底渣中的鐵經

王氏（2003）以熱前處理焚化底渣，可以有效降低資源化過程中所產生之顆 粒尺寸變化且可有效提升酸中和能力。前處理後選擇以製磚來評估底渣性質的提 升與否，發現可以降低磚體的抗壓強度變化量且減少吸水率與膨脹率。熱處理可 從灰渣中有效去除揮發性重金屬，但相對地需使用能源且此法花費較昂貴。

Wiles（1996）焚化底渣於再利用前最好先儲存一至三個月，使水分與灰分經 水解、膨脹、碳酸化以及氧化作用充分反應過後，再加以利用。如此可以提高底 渣的結構耐久性及化學穩定性。此外，更要妥善處理存放時的滲出水。底渣在使 用於公共工程前，最好儲存幾個月，如此可有效改善底渣的品質（Dugenest 1999）。風化適合運用在含低溶解性鹽類與重金屬之灰渣如底渣（Chimenos 2000）。

在焚化飛灰方面，由於含有有害重金屬與鹽類，考慮重金屬溶出會對身體健 康及生活環境造成危害，目前飛灰主要採中間處理方式為主，主要以水泥固化、

石灰固化、高溫燒結、熔融處理等方法，如圖2-3 為灰渣之處理與處置技術體系，

其主要目的為使重金屬固封於中間處理物質中，以達到安定化、無害化及資源化 之目標。但上述之處理方式仍有其缺點，以固化來說，一般使用卜特蘭水泥，其 缺點為增加掩埋體積且固化不適合運用在飛灰上，因為飛灰含有大量氯離子，會 造成水泥的腐蝕與崩解而使飛灰再曝露於環境中（Mangialardi et. al 1999、Alba et.

al 2001）；熔融處理能使灰渣達到無害化，但需花費高成本設備且在熔融過程中

會造成部分低熔點重金屬蒸散與生成HCl（行政院環保署 2004）。

表2-6 國內外對於垃圾焚化底渣前處理的要求( Carlton 1996 )

2. 總鹼度>1.5 gequiv/kg(乾基)。

3. Pb<3000 mg/kg(乾基)，Cd<10 mg/kg(乾基)與 Hg<0.5 mg/kg(乾 基)。

灰

前處理則為另一種思維方式，主要針對探討如何將有害物質去除以利於資源 化的利用，其方式有化學穩定、水洗、酸洗與超音波等不同處理方式。

張氏（2000）利用淋洗、超音波及電動力法去除焚化飛灰中的重金屬。管柱 淋洗法以pH=2 的 HCl 淋洗飛灰可去除 40~80%的重金屬；超音波震盪法可去除 飛灰達11~31％；電動力整治法搭配超音波震盪，其效果極佳但電力消耗成本大，

故不具實務上的可行性。

Nzihou 與 Sharrock（2002）研究利用化學穩定使焚化灰渣轉變成可使用之礦 物種類，為達該目的，必須將溶解性鹼氯類（alkali chlorides）分離且將毒性重金 屬穩定於不溶解相中，實驗中用磷酸鈣（calcium phosphate）加水與飛灰攪拌處 理，氯鹽類可被水相或磷酸鈣膠羽所萃取，而重金屬則被固定於磷酸鈣中；經過 適當燒結後可形成cristalline hydroxylapatite，hydroxylapatite 可抓住重金屬且也可 預防在高溫處理時發生重金屬揮發現象，可安全地作為建築或工程的替代礦物。

但該方式不適於本研究使用，灰渣經處理後勢必會含大量磷酸鈣，若資源化於水 泥會影響凝結時間與水泥礦物的生成。

Youcai et. al（2002）運用化學溶液萃取飛灰中之重金屬，研究顯示氫氧化鈉 溶液在萃取重金屬上並不適合，使用EDTA 溶液可有效降低重金屬之溶出，但效 果並不如硫化鈉與硫脲（thiourea）好；該研究強烈建議使用硫化鈉溶液。單就體 積擴張與環境安全考量下，化學穩定法比傳統固化法更易達到體積減量且更具安 全性。

謝氏（2003）以水洗酸溶方式處理焚化飛灰，發現處理前飛灰結構呈現較不 規則的塊狀與平板狀，所含鹽類組成以氯、鈉、鉀為主。水洗後呈現圓球狀且大

可與水洗之鹼液混合，具有中和與去除少量重金屬之作用。

張氏(2003)分別以水洗、酸溶與鹼洗等方式，探討前處理萃取對飛灰主要成 分鈣、鋁、矽組成之影響。水洗及氨洗過程對飛灰主成分影響不大，酸洗程序造 成鈣溶岀量增高，當硝酸劑量達4.4 mmol/g FA，飛灰主成分已近似於卜作嵐摻料。

水洗方面整理如表2-7 所示，水洗是一種相當有用之穩定方法，只有溶解性 鹽類被去除且還可保持灰渣顆粒與結晶。水洗飛灰可去除大量溶解性鹽類與少量 重金屬，但這些化合物並不會就此消失，而是被萃取在水中，可知水洗後之廢水 可能會不符合放流水標準。林氏(2003)研究利用電聚浮除法處理該廢水，電聚浮 除法適於含重金屬之廢水處理，又不受高濃度氯鹽之影響當操作電壓50 V 以上，

停留時間大於45 sec 以上時，出流水中重金屬鉛、銅及鉻濃度皆可低於放流水標 準，其中鉛及銅去除率高達90%。

Mangialardi ( 2002 )指出只要將廢水之 pH 調到 6.5~7.5 間就可成功處理水洗 廢水中的鋁、鎘、鉛、鋅，其主要機制為氧化鋁(Al2O3)的沉澱與鎘、鉛、鋅離子 吸附在氧化鋁膠羽上而沉澱去除。

須藤 勘三郎等人(1999)水洗飛灰過濾液以 20％二氧化碳調整 pH 至 7.2~10.1 間，將其過濾後發現鉛、鋅等金屬均可處理到放流水標準，唯獨汞效果較差，因 此若要將汞含量在降低，則需另行處理才可。

表2-7 相關焚化飛灰水洗文獻整理 項目

文獻 前處理後飛灰之改變成分與用途 Mangialardi

(2002)

探討以水洗方式去除飛灰氯鹽，增加飛灰固化 後的穩定性。

Mulder (1996)

以水洗方式可去除氯鹽與鎘 90%以上，鋅與硫 酸鹽亦可去除 50%以上，飛灰水洗後可作為資 源化材料。

Abbas (2002)

飛灰經水萃取後，溶液中含 Na、K、Ca、Cl^-、 Br^-、F^-及硫酸鹽類。

張氏 (2000)

可去除90%的 Cl、40%的 Na 與 K 及 20%的 Ca 與S，可穩定飛灰增加工程運用性。

陳氏 (2002)

將可溶性鹽類萃除，以減少鹽類對灰渣熱處理 的干擾。

2.4.2 焚化灰渣資源化

現今大部分國家的都市垃圾多採焚化處理，若是能將焚燒後之灰渣再利用，

將可減輕環境之負擔。焚化灰渣再利用技術主要針對灰渣的無機化學成份方面，

根據該特性將灰渣再利用於相關產品內。近年來對於灰渣資源化各國均不遺餘力 的進行中，目前以歐洲底渣再利用率最高且具有較多成功的再利用經驗可供參 考。由於底渣不似飛灰有過量戴奧辛與重金屬之問題，在政府認定中屬於一般廢 棄物，可直接資源化再利用，相關細部規定詳閱92 年 6 月 12 日公佈之垃圾焚化 廠焚化底渣再利用管理方式，主要將底渣應用於道路路基底層、土木工程、土壤 改良劑、隔音牆填充材、建材、停車場鋪面及掩埋富土層等。

飛灰收集至空氣污染防治設備，濃縮富集了戴奧辛、重金屬與氯鹽類，若暴 露於環境中會造成危害，因此被歸類為有害廢棄物且亦增加再利用技術上的困難 性。Ferreira et. al (2003) 指出在尋找合適飛灰資源化方向時，必須考量 3 個因素：

1. 合適的程序 ( Suitability for Processing )－主要根據飛灰的物理化學特性，例 如粒徑與化學特性，上述組成因子往往會限制處理程序。

2. 技術可行性 ( Technical Performance )－即使飛灰可被簡單加工處理，但仍需 考慮到飛灰的再次暴露性，否則該產品是不可被使用的。

3. 環境的衝擊 ( Environmental Impact )－強調飛灰再利用後之穩定度，不可使資 源化產品具有毒性而危害環境；飛灰再利用必須減少對環境之衝擊且不能在資 源化過程中產生新的污染。

根據上述三個考量因子將可避免飛灰資源化可能產生之污染，作者也整理出飛灰 可再利用之方式，分為建築材料、大地構造物、農業與其它等四大部份，細分為 九大項，如表2-8 所示。

表2-8 飛灰不同運用方式之比較(Ferreira 2002)

2.5 卜特蘭水泥的製造與特性

生料磨LOESCHE MILL ELECTRO-STATIC

LIMESTONE RECL 石灰石L.S 黏土CLAY 矽砂SAND 鐵渣PYRITE PRECIPITATOR

COAL RECLAIMER REINFORCED

B.F PREHEATER