以小型模場電動力技術提昇生物污泥脫水之研究
袁菁1、翁誌煌2、吳美蓮3、陳威錦3、江姿幸3 摘 要 本研究探討利用電動力技術提昇經帶濾式機械設備脫水後生物污泥(含水率 87.8%)之水份 移除效率，並進而暸解其處理過程所發生之電動力現象，俾便日後實際應用於實場脫水。電 動力試驗以小型模場(長、寬、高分別為 24、12、6 公分之小型壓克力長方體模場)進行，採用 石墨電極碳棒於施加 3~7 V/cm 電壓坡降進行 2hr 脫水處理。 實驗結果顯示，電滲透流如同預期，均由陽極流向陰極，近陽極端污泥之 pH 值為 4.3 ~ 6.1， 而近陰極端污泥之 pH 為 10.0 ~ 11.0，電流密度隨著處理時間增加呈現下降之趨勢，以 3、5、 7 V/cm 之電壓坡降經 2 小時電動力處理後，Ke值介於 1.9910-5 ~ 3.4710-5 cm2/V-s，污泥含 水率分別由 87.8%降至 61.3%、50.6%及 35%，分別相當於 30.2%、42.3%及 60.1%之脫水效率， 陰極出流液中僅含少量重金屬，未增加出流液之處理難度，所耗損之電力為 12.3 ~ 66.5 kWh/ton，考慮污泥運送費用、處理費用及電力耗損費用估算而論，本研究採用之小型模場電 動力脫水技術約可節省 25.5 ~ 49.3%之總費用。本研究證實電動力法為一有效且經濟之污泥脫 水技術。 一、前言 每年污水處理廠產生大量之污泥，由於含 水量之多寡直接影響到污泥委外處置之營運 成本與後續焚化處理之效率，因此提昇污泥 脫水效率成為目前重要之研究課題。國內外 常用之污泥脫水技術包括日曬、離心、機械 脫水和低溫處理等方法。其中太陽日曬法之 成本最為低廉，然須氣候之配合及具備足夠 之空間及時間(至少 7 天)，處理後污泥之含水 率約為 65% ～ 85%；離心及機械脫水處理 後污泥之含水率約為 60% ～70%，並不能有 效的去除污泥中之結合水；低溫之凍融 (Freeze-thaw)技術具降低污泥之結合水，處理 時不產生異味，並使之脫水率降低至 50%~60%等優點(1,2)，經加入高分子聚電解 質，其污泥餅含水量更可降至 43%(3)左右， 然低溫能量之供給及化學調理劑消耗為此技 術兩項重要成本考量。而目前國內污水處理 廠係以機械脫水及日曬法為主。 電動力技術已被證實可應用於整治污染 土壤，該技術主要優點為該法可以低直流電 壓移除低滲透性土壤(如黏土)中之污染物。由 於可進行現地復育及經濟有效之處理方式， 國外已有多項現地實場整治成功案例(4-10)。 電動力法係在欲處理孔隙介質(如污泥或土 1 :國立高雄大學土木與環境工程學系副教授 2 :義守大學土木工程學系副教授 3 :義守大學土木工程學系學生壤)施加直流電壓，經由電場的作用所產生之 電滲透流及離子遷移效應而將水帶出，進而 達到移除污染物或污泥脫水的目的。翁等(11) 及 Yuan 與 Weng(12)以一維電動力試模進行污 泥脫水，脫水效率為 4.5 ~ 33.9%，結果顯示 電壓坡降及處理時間為影響脫水效率之重要 操作參數。 本研究主要目的為探討利用小型模場之 電動力技術提昇生物污泥水份移除效率及處 理過程所發生之電動力現象，並針對此模場 處理情形進行經濟效益分析。 二、材料與方法 污泥樣品來自南部某工業區污水處理廠 之生物污泥，作為本研究之污泥試樣，該樣 品為經帶濾式脫水設備製成之污泥餅。該污 泥樣品之基本理化性質包括污泥pH值、含水 量、粒徑、有機物含量及介達電位如表1所 示。此生物污泥之含水量為87.8%，此種脫水 污泥中 之 殘 餘水 份可 被視 為結 合水(bound water)。經分析污泥試樣在水合狀態下之pHzpc (零電位點)值為3.0，因此當pH < 3.0時，污泥 顆粒表面為帶正電，而pH > 3.0時帶負電。 污 泥pH值係依據NIEA-S410.60TT之方法測定 (13)，以1：1之污泥與水體積比測定而得。 含 水量則依據NIEA-S410.60T之方法測定(13)，將 污泥置於105±1℃烘箱烘乾1天後，計算其水 份損失量。污泥之平均粒徑係以雷射粒徑分 析儀(Micromeritics, ASAP2100,USA)。 有機 物含量之測定則將污泥置於高溫430o C 加熱 4小時之損失量(12)。 介達電位分析係利用雷
射介達電位儀(Laser Zee Meter 3.0, Pen Kem Inc., Bedford Hills, N.Y.)量測。污泥重金屬總
含量乃依據NIEA R302.20T(12)之方法測定，烘 乾污泥經強酸消化處理後使之固液分離，澄 清液經孔徑0.45 m之Gelman濾紙過濾後，以 原子吸收光譜儀(Varian 200, USA) 測定之， 分析結果顯示(表2)，Fe含量(5265 mg/kg)較 高，Cr、Ni、Zn其次，其他重金屬為微量或 未檢測出。 動力試驗係於長、寬、高分別為24、12、 6公分之小型壓克力長方體模場進行(圖1)。先 將耐酸鹼尼龍濾布舖設於模場內，用以防止 污泥體坍塌，模場底部架設一層石墨電極碳 棒網，此石墨電極碳棒網係由八支12公分長 之石墨電極碳棒(0.64cmψ,Union Carbon Co., USA)以等距離平鋪於模場底部，再置兩支約 表 2 污泥之重金屬總量 Metals Value(mg/kg-dry wt) Cd ND Cr 537 Cu 29 Fe 5265 Ni 167 Pb ND Zn 264 表1 污泥的基本理化性質 Properties Value Water Content 87.8% Sludge pH 7.2 pHzpc 3.0 Organic Content 57% Average Particle Diameter 13.3 m
30公分之電極棒於兩端與之連接而組成，置 入適量污泥體(約2250克)後，於模場頂端置放 與底部對稱之石墨電極碳棒網，於模場頂端 及底部之石墨電極碳棒網分別連接電源供應 器之陽極及陰極，施加18 ~ 42V直流恆定電 壓，相當於3 ~ 7V/cm之電壓坡降，進行2小時 電動力脫水試驗，模場底部(陰極端)設有孔口 以收集電滲透流液，此時電滲透流為垂直流 向，將有助於水份移除，各試驗條件列於表 3。試驗期間，固定間隔時間於電極槽採取水 樣，檢測金屬之含量，記錄電流、電滲透流 量、出流液pH值和導電度等電動力參數。完 成試驗後，將試模內污泥切割分段，每段檢 測殘餘含水量及pH值，以計算水份去除效率。 結果與討論 本研究之實驗結果彙整於表4，茲就電動 力處理後之污泥pH值、電滲透係數、脫水率、 陰極出流液重金屬含量及經濟效益分析分別 討論如下： 3.1 污泥pH值 電動力試驗進行時電極端之電解反應分 別為： 2H2O→O2(g) +4H+ +4e- (陽極) (1) 2H2O +2e-→H2(g) +2OH- (陰極) (2)
由上式可知，因H+離子持續釋出(式1)使得處
圖 1. 小型模場電動力脫水裝置示意圖 表3. 小型模場電動力脫水實驗操作條件 Test No. Initial water
content (%)
Distance between cathode and anode
(cm) Contact area of graphite electrodes (cm2) Processing time （hours） Electric gradient (V/cm) 1 87.8 6 590 2 3.0 2 87.8 6 590 2 5.0 3 87.8 6 590 2 7.0 .. Power Supply + Anode Cathode 6 cm Graphite Electrodes 24 cm 10 cm 12 cm Electroosmosis Effluent Sludge
於氧化狀態之陽極端溶液呈現酸性，而還原 狀態之陰極端(式2)溶液呈現鹼性。試驗操作 期間，陰極槽出流液之 pH值均維持在約9.0 ~ 13.5，乃因電解反應時，水被電解而持續 產生氫離子所導致。由圖2可知，經電動力 處理後，近陽極端之污泥即有明顯的由原始 pH值7.2降低至4.3 ~ 6.1，而鄰近陰極端之污 泥pH值則上升至10.0 ~ 11.0此乃因試模內電 滲透流向為陽極往陰極，因此陽極端所產生 之H+隨著電滲透流往陰極方向移動，使得鄰 近陽極端之污泥逐漸降低緩衝能力，因而降 低其pH值，而陰極端則受到氫氧離子鋒遷移 之影響，導致土壤被鹼化。 然而污泥本身具有的鹼度及陰極端的電 解效應，使得易於鹼性環境生成之金屬氫氧 化物沉澱物逐漸累積於鄰近陰極端周圍，堵 塞污泥孔隙，此種狀況若持續發生，會導致 電場阻力增加，逐漸的使得電滲透流率降 低。由圖3可知，施加3V/cm電壓坡降時，電 流密度變化不大，約介於2 ~ 4 mA/cm2，但隨 時間增加呈現遞減之趨勢，此種遞減現象並 未因提高電壓而消失，可知試驗進行過程 中，電場阻力隨著操作時間增加而增加。然 當電壓坡降增加至5及7V/cm時，實驗過程中 之電流密度均較低電壓坡降時為高，顯示提 高電壓坡降有助益於克服阻力。 圖 2 不同電壓坡降下污泥酸鹼度於電動力模場 分佈圖 圖 3 不同電壓坡降下電流密度隨時間之變化 pH 0 2 4 6 8 10 12 14 No rm ali ze d Di st anc e from C ath od e to Ano de 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 3 V/cm 5 V/cm 7 V/cm Original pH 7.2 Anode Cathode 0 2 4 6 8 10 0 20 40 60 80 100 120 3 V/cm 5 V/cm 7 V/cm C u rr e n t D e n s it y ( m A /c m 2) Time (min)
3.2電滲透係數 電滲透係數Ke(cm2 /V-s)可利用式(3)求得: Ke= Qe /( ieA) (3) 上式Qe = 電滲透流率(mL/hr)；ie = 電壓坡 降(V/cm)；A = 截面積(cm)。由式(3)所求得 之Ke值列於表4，以3、5、7 V/cm之恆定電壓 坡 降 操 作 2 小 時 ， 其 Ke值 分 別 為 1.9910-5 cm2/V-s 、 3.4710-5 cm2/V-s 及 2.6510-5 cm2/V-s，較Yuan及Weng(12)進行一維電動力試 模脫水之Ke值(0.2410-5 ~ 1.3810-5 cm2/V-s) 為高，可能因試模模場化之污泥試體增加使 數據更具代表性，以及石墨電極棒接觸面積 增 加 之 故 ， 而 與 文 獻 中 一 般 土 壤 之 Ke 值 (110-6 至110-4 cm2/V-s)近似。一般而言， 在陰陽電極槽有充份補充操作流質之電動力 系統，Ke值會隨著電壓坡降之提高而增加 (10)。本系統試驗結果發現，當電壓坡降由 5V/cm提昇至7V/cm時，Ke值反而由3.4710-5 cm2/V-s降低至2.6510-5 cm2/V-s。乃因本電動 力實驗系統並未設陽極補充槽，由式(1)可知 在固定的Qe值情況下，Ke值顯係與ie值成反比 關係。 3.3 脫水率 經電動力處理後，脫水率結果列於表4。 以3、5、7 V/cm之恆定電壓坡降操作2小時 後 ， 污 泥 試 樣 之 含 水 率 由 87.8% 分 別 降 至 61.3%、50.3%及35.0%，相當於30.2%、42.3% 表4.小型模場電動力脫水實驗結果一覽表 Test No. Initial water content (%) Electric gradient (V/cm) Water content after treatment (%) Water removal efficiency (%) EO permeability ke 10-5 (cm2/V-s) Energy consumption (kWh/ton) 1 87.8 3.0 61.3 30.2 1.99 12.3 2 87.8 5.0 50.7 42.3 3.47 49.9 3 87.8 7.0 35.0 60.1 2.65 66.5
Ps: The treatment time for all EK process is 2 hours.
圖 4 不同電壓坡降下污泥殘餘含水率於電動 力模場分佈圖 Original pH = 7.2 Anode Cathode
Residual Water Content (%)
0 20 40 60 80 100 Norm al iz ed Dist an ce from Ca th ode to Anod e 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 3 V/cm 5 V/cm 7 V/cm Original water content 87.8%
及60.1%之脫水率。實驗結果顯示提高電壓坡 降對於污泥脫水率之提昇有明顯之助益。 電動力模場污泥水份殘餘量(以百分比表 示)分析結果繪示於圖4。實驗結果顯示，陽 極端污泥含水量明顯下降，而往陰極端方向 則因電滲透流向之故呈現水份累積情形，由 圖4可知，近陽極端之污泥含水量隨電壓坡降 增加而降低，施加3、5、7 V/cm之恆定電壓 坡降之殘餘含水量可分別降低至54%、40%及 15%，可有效減少污泥容積。如再增長處理 時間，預期應可再提高脫水率。 綜合上述， 雖然高電壓坡降之Ke值較低，但其相對的總 脫水率卻不受Ke值之影響。 3.4陰極出流液重金屬含量 出流液中所收集到之重金屬量列於表 5，Cr、Cu、Fe及Zn有微量滲出，由表4可 知重金屬滲出量佔總量比例甚低，經過電 動力法處理後之污泥pH介於4.3 ~ 11.0之 間，在此pH範圍，污泥之重金屬不易溶出。 3.5 經濟效益分析 電動力技術係利用直流電壓產生電場 造成電滲透流移動而去除水份，因此電力耗 損為此技術營運成本之主要考量，電力耗損 量可利用式(4)求得 Eu = P/W = (1/W) VIdt (4) 上式Eu =處理單位污泥體積之電力耗損量 (watt-hr/ton)； P=耗損電力(watt-hr)；W=濕污 泥重(ton)；V=電壓(V)； I = 電流(A)。由式 (4)可知，在固定電壓時，電力耗損量隨著電 流及時間之增加而增加。各組試驗電力總耗 損 量 依 式 (4) 計 算 結 果 約 為 12.3 ~ 66.5 kWh/ton(表4)，隨電壓坡降增加而增加。電力 耗損量及電滲透率變化情型繪示於圖5，結果 顯示，電力耗損量與電滲透率存在正相關性。 圖 5 電力耗損與電滲透係數之關係 1 10-5 1.5 10-5 2 10-5 2.5 10-5 3 10-5 3.5 10-5 4 10-5 0 2 4 6 8 10 E O P e rm e a b il it y ( c m 2/V -s ) Power Consumption (kWh/m3) Processing T ime: 2hr
本研究之經濟效益分析整理如表 6，根 據各組試驗電力耗損量，以每度工業用電 1.8 元新台幣計算，處理每噸濕重污泥所需電力 費用約 25 ~ 120 元，而經由電動力技術脫水 處理後，由於容積減少，因此每噸濕污泥處 理費(含運費)由原來之 2800 元減少至 1420 ~ 2085 元不等。綜合言之，以 3~7 V/cm 恆定 電壓操作 2hr 小型模場電動力脫水試驗，考 慮污泥運送費用、處費用及電力耗損費用估 算而論，本研究約可節省 25.5 ~ 49.3%之總費 用，因此電動力技術實為一經濟有效之污泥 脫水技術。 四、結論 本研究之重要結論如下： 1. 受到電解反應之影響，陽極端污泥出現微 酸化之現象，而陰極端污泥則被鹼化。 2. 本系統在施加3~7 V/cm電壓坡降操作2小 時後，污泥脫水率可達30.2 ~ 60.1%，增加 電壓坡降可有效提昇污泥脫水效率。 3. 經 過 電 動 力 技 術 處 理 之 污 泥 pH 值 介 於 4.3~11.0之間，致脫水過程中污泥重金屬不 易被釋出，因此出流液處理難度不高。 4. 考慮污泥運送費用、處理費用及電力耗損 費用估算而論，本研究採用之小型模場電 動力脫水技術約可節省 25.5 ~ 49.3%之總 費用，因此電動力技術用於移除污泥餅中 之結合水實為一經濟有效之污泥脫水技 術。 五、致謝 本研究計劃部份經費承蒙義守大學 表 5. 陰極出流液中重金屬含量與比例 Test No Cr (mg/Kg) Cu (mg/Kg) Fe (mg/Kg) Zn (mg/kg) 1 0.016 (0.003%) 0.491 (1.723%) 1.643 (0.031%) 2.378 (0.901%) 2 0.200 (0.037%) 0.050 (0.175%) 1.205 (0.023%) 0 (0%) 3 0.250 (0.047%) 0.121 (0.424%) 1.469 (0.028%) 0 (0%)
Ps: The value in the parenthesis = (Metals in the effluent Total amount of metal)100 表 6 小型模場電動力污泥脫水技術經濟效益分析 Test No. Sludge Water Content (%) Disposal Costa (NT/ton) Energy Cost (NT/ton) Total Costb (NT/ton) Cost Saving With EKc (%) No EK With EK No EK With EK No EK With EK No EK With EK
1 87.8 61.3 2800 2060 0 25 2800 2085 25.5
2 87.8 50.7 2800 1760 0 90 2800 1850 33.9
3 87.8 35.0 2800 1300 0 120 2800 1420 49.3
Ps: a. The shipping fee is included in the disposal fee. b. Total Cost = (Disposal Cost + Energy Cost)
The total cost excludes the capital cost of EK apparatus.
ISU89-01-09所提供，此外，作者也感謝義守 大學土木系莊蕙萍同學協助分析重金屬含 量。
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