利用電動力技術進行污泥脫水之初步研究
翁誌煌
1、袁菁
1、莊蕙萍
2、吳美蓮
2、李楷農
2摘 要
本研究利用電動力法移除經機械脫水後污泥(含水率 68.9%)中的水份，並探討 其處理過程所發生之電動力現象。 電動力試驗係採用石墨電極碳棒於長 10 cm， 內徑 4.0 cm 之壓克力管柱試模進行，實驗結果顯示，電滲透流向均為陽極往陰極， 以 1.25V/cm ~ 5.0V/cm 電壓坡降經 2~40 小時之電動力處理，近陽極端污泥之 pH 值為 6.5 ~ 7.5，而近陰極端污泥之 pH 為 9.5~10.8，Ke值為 0.5210-5 ~ 2.6510-5 cm2/V-s。 增加電位坡降及電動力操作時間均可提高脫水率，以 2.5 V/cm 之電壓坡 降經 2 小時及 40 小時電動力處理後，污泥含水率可分別降至 57%及 45%，以 5V/cm 之 電 壓 坡 降 ， 經 4 小 時 處 理 含 水 率 可 降 至 49% ， 所 耗 損 之 電 力 為 17.7 ~ 169.2kwh/m3。初步結論為電動力法進行污泥脫水處理為一有效且經濟之技術。關鍵字:
電滲透法、重金屬、污泥、脫水1.義守大學土木系副教授 2.義守大學土木系學生
一、前言
常用之污泥脫水技術包括日曬、離心、機 械 式 和 低 溫 處 理 等 方 法 。 低 溫 之 凍 融 (Freeze-thaw)技術可不受限於污泥種類，處理 時不產生異味，可降低污泥之結合水，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，凍融後其污泥餅含水量更 可降至 43%(3)。 若要在台灣使用低溫脫水技 術，則低溫能量之供給及化學調理劑消耗為 兩項重要成本考量。 離心及機械式並不能有 效的去除污泥之結合水，太陽日曬法在台灣 南部為一可行之方式，但卻必須有足夠之空 間及時間(至少 7 天) 。 目前國內污水處理廠之脫水方式以機械 脫水及日曬法為主，機械脫水及曬乾污泥之 含水率各約為 65% ～ 85%及 60% ～70%。 若能進一步減低污泥含水量，不僅有利於後 續之焚化處理，亦可降低污泥委外處置之營 運成本。 電動力技術早期被應用於大地工程中的 邊坡穩定、土壤排水等工程，效果良好。 近 二十年來該技術進一步的應用於土壤污染整 治復育領域內，該技術主要優點在於該法可 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(4-11)。 電動力法係在欲處理孔隙介質 (如污泥或土壤)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。 本研究主要目的為探討電動力法對污泥 中水份移除效率及處理過程所發生之電動力 現象。二、材料與方法
污泥樣品係採自某工業區污水處理廠機 械式帶壓脫水機出口之污泥餅。 污泥之基本 理化性質分析包括污泥pH值、含水量、粒徑、 有機物含量、介達電位和重金屬總量。 污泥 pH值係依據NIEA-S410.60TT之方法測定(12)， 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(12)，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 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430oC 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。 量測過程為在兩份 500 mL之1x10-2 M NaClO4溶液中，各加入0.05 g/L污泥，控制在不同溶液pH值(2 ~ 10)下量測 介達電位值。 重金屬總含量之測定係依據 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。 電動力試驗為利用內徑 4.0 cm 及長 10 cm 的壓克力試模進行(圖 1)。 試模由污泥樣品體(6 cm)及陰極槽(4 cm)所組成，耐酸鹼尼 龍濾布及 Whatman #1 濾紙置於陰極槽與污泥 體 之 間 。 污 泥 體 兩 端 各 安 置 石 墨 電 極 棒 (0.64cmψ,Union Carbon Co., USA)，所施加之 直流恆定電壓為 7.5 ~ 30V。 各試驗條件列於 表 1。 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。 + - e-power supply anode reservoir 6 cm-L x 4 cm- 4 cm-L filters sludge EO flow cathode 圖1 電動力污泥脫水實驗試模 表1 電動力污泥脫水試驗條件 TestN o. 電極接觸 面積 (cm2) 恒定 電壓 (V) 電壓 坡降 (V/cm) 操作 時間 (hour) 1 22 7.5 1.25 4 2 22 15 2.5 2 3 22 15 2.5 4 4 22 15 2.5 24 5 22 15 2.5 40 6 22 30 5.0 4
三、結果與討論
3.1 污泥基本性質 污泥的基本理化性質之分析結果列示於 表2。經機械帶壓式脫水機脫水之污泥仍有 68.9%之含水量，此種脫水污泥中之殘餘水份 應可被視為結合水(bound water)。 由污泥的 介達電位與pH值之關係可知(圖2)，污泥在水 合狀態下之pHzpc (零電位點)值為4.6，因此當 pH < 4.6時，污泥顆粒表面為帶正電，而pH > 4.6時帶負電。 污泥中重金屬之總量(表3)，除 了Fe含量(2227.6 mg/kg)較高之外，其他重金 屬含量均不高。 表2 污泥的基本理化性質 重金屬 數值 含水量 68.9% 污泥pH 8.69 pHzpc 4.6 有機物 50.1% 平均粒徑 9.29 m Pb 6.2 Zn 15.3 -30 -20 -10 0 10 20 1 3 5 7 9 11 pH Z et a p o te n ti al ( m V ) 0.01 M NaClO4 pHzpc = 4.6 圖2 污泥的介達電位與pH值之關係圖 表 3 污泥之重金屬總量 重金屬 總量 (mg/kg) Cd ND Cr ND Cu 68.4 Fe 2227.6 Ni 187.2 Pb 6.2 Zn 15.3 3.2 電動力現象 本試驗系統之主要電動力現象包括: 電 解反應、電滲透流向、電滲透流率、陰極槽 液之pH變化、電流密度和離子遷移等。 試驗結果發現，因污泥表面帶負電之故， 電滲透流向均為由陽極流往陰極。陰極槽所 收集之總電滲透流量列於表4。電滲透係數 Ke(cm2/V-s)可利用式(1)求得: Ke= Qe /( ie A) (1) 上式Qe = 電滲透流率(mL/hr)；ie = 電壓坡降 (V/cm)；A = 截面積(cm)。由式(1)所求得之 Ke值列於表4。Ke值介於0.5210-5 ~ 2.7910-5 cm2/V-s，與文獻中一般土壤之Ke 值為110-6至110-4 cm2/V-s近似。本研究之Ke值略低於翁 等(13,14)利用電動力法移除污泥中重金屬之研 究所得之Ke值5.210-5 ~ 8.210-5 cm2/V-s。主要 係因翁等(13,14)之研究於電極槽處理液添加螯 合劑所致，又本研究之電動力系統並未設有 陽極槽，在有限的污泥結合水中，水份無法 持續供給，故較低的Ke 值應是可預期的。由 表4可看出，在2.5 V/cm之恆定電壓坡降操作2 或 4小 時 (Test 2及 3)， 其 Ke值 各 為 2.5610-5 cm2/V-s及2.7910-5 cm2/V-s，然而當操作時間 延長至24或40小時(Test 4及5)，Ke值卻遽降至 0.5210-5 cm2/V-s，顯示受限於污泥的水份含 量，而無法維持一定的電滲透流率。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，當操作時間為4 小時，電壓坡降強度由1.25V/cm增至5.0V/cm 時 ， Ke值 反 而 由 2.6510-5cm2/V-s 降 低 至 2.1910-5 cm2/V-s。由式(1)可知，在固定的Qe 值情況下，顯然係因為Ke值與ie值成反比關 係。 表4 電動力污泥脫水試驗結果 Test No. Ke 10-5 cm2/V-s 水量收 集率a (%) 處理後 含水率 (%) 總脫 水率b (%) 電力 耗損 kwh/m3 1 2.65 105.3 63.6 7.8 17.7 2 2.56 100.5 63.5 7.9 21.4 3 2.79 103.3 57.4 16.7 29.9 4 0.52 98.7 55.3 19.7 77.9 5 0.52 94.5 45.6 33.9 162.9 6 2.19 95.1 48.8 28.5 86.5 a: 水量收集率=(陰極槽收集水量污泥中水份總 脫水量)100% b: 總脫水率=[(污泥中初始含水量處理後污泥中 水份殘餘量) 污泥中初始含水量〕100% 電動力試驗進行時電極端之電解反應 為： 2H2O→O2(g) +4H+ +4e- (陽極) (2) 2H2O +2e-→H2(g) +2OH- (陰極) (3) 由上式可知，因H+離子持續釋出使得(式2) 處於氧化狀態之陽極端溶液為酸性，而還原 狀態之陰極端溶液為鹼性。 試驗操作期間， 陰 極 槽 出 流 液 之 pH 值 均 維 持 在 約 9.0~12.5，乃因電解反應時，水被電解而持續 產生氫離子所導致(式3)。 由於試模內系統之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。由圖3 及4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8.69降低至6.5~7.5， 而 鄰 近 陰 極 端 之 污 泥 pH 值 則 上 升 為 9.5~10.8。 延長處理時間，陽極端污泥有逐 漸被酸化之趨勢(參考圖3)。 固定連續處理4 小時，當電壓坡降增至5.0 V/cm時，陰極污 泥有明顯的被鹼化，而陽極端污泥則有緩和 被酸化之現象，可能在較強之電場效應狀況 使得OH-離子往陽極端遷移所致。 出流液中所收集到之重金屬量列於表 5，顯示出重金屬的滲出量相當低。 由表5 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6.5~10.5之 間，在此pH範圍，污泥之重金屬不易溶出。 然而污泥本身具有的鹼度及陰極端的電 解效應，使得金屬氫氧化物或其它因鹼性而產 生的沉澱物，會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5可知，操作6小時後，當電流密度由5.9 mA/cm2 劇降至1.5 mA/cm2，可知試驗進行過 程中，電場阻力隨著操作時間增加而增加。此 種遞減現象並未因提高電壓而消失(參考圖 6)，但增加電壓坡降至5.0 V/cm時，操作4小時 後，電流密度仍然可維持於約6.0 mA/cm2，顯 示提高電壓有助益於克服阻力。 表5 陰極槽出流液中重金屬含量及其總量百 分比 Test No. Cu Fe Ni Pb Zn 1 0.08 mg (1.03%) 0.04 mg (0.02%) ND --- ND --- ND --- 2 0.04 mg (0.58%) 0.03 mg (0.01%) ND --- ND --- ND --- 3 0.03 mg (2.61%) 0.18 mg (0.08%) 0.08 mg (0.42%) 0.02 mg (2.85%) 甲、 m g (0.11%) 4 0.16 mg (2.16%) 0.13 mg (0.05%) 0.30 mg (1.53%) ND --- ND --- 5 0.09 mg (1.23%) 0.35 mg (0.15%) 0.08 mg (0.42%) ND --- 0.05 mg (0.40%) 6 0.05mg (0.63%) 0.10 mg (0.04%) 0.06 mg (0.29%) 0.02 mg (2.85%) 0.01 mg (0.11%) 註1.括號內數值為出流液中重金屬佔污泥中重 金屬總量之百分比 2.總量百分比=各重金屬含量÷污泥中各重金 屬總量(見表 3)
5 6 7 8 9 10 11 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 hours 4 hours 24 hours 40 hours
Normalized distance from anode to cathode
S lud ge pH 2.5 V/cm Initial pH 8.69 P rocessing time 圖3 在2.5 V/cm之恆定電壓坡降，不同操作時 間，試模內部由陽極至陰極之污泥pH值分佈圖 5 6 7 8 9 10 11 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.25 V/cm 2.5 V/cm 5.0 V/cm
Normalized distance from anode to cathode
S lud ge pH 4 hours Initial pH 8.69 P otential gradient 圖4 連續操作4小時，試模內部由陽極至陰極 之污泥pH值分佈圖 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 2 hours 4 hours 24 hours 40 hours
Processing time (hour)
C ur re nt de n si ty (mA /c m 2 ) 2.5 V/cm P rocessing time 圖5 控制在2.5 V/cm之恆定電壓坡降，電流密 度隨著操作時間變化情形 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 1 2 3 4 5 1.25 V/cm 2.5 V/cm 5.0 V/cm
Processing time (hour)
C ur re nt de n si ty (mA /c m 2 ) P otential gradient 圖6 連續操作4小時，電流密度隨著電壓坡降 操作時間變化情形 3.3 脫水率 經電動力處理後，總脫水率列於表4。依據陰 極槽出水量及污泥總脫水量所計算而得之水量收 集率誤差約在5%以內，符合容許之質量平衡誤差 範圍。以2.5 V/cm之恆定電壓坡降，對於處理2、4、 24及40小時後之總脫水率分別達7.9%、16.7%、 19.7%及33.9%。當電壓坡降由1.25 V/cm提高至5.0 V/cm時，其脫水率由7.8%增加至28.5%。 因此增 長處理時間及提高電壓，均可增加脫水率。 管柱內污泥中水份殘餘量(以百分比表示)分析 結果繪示於圖7及8。本研究實驗結果顯示，陽極污 泥之含水量均已明顯下降，但水份則隨電滲透流往 陰極方向累積。 由圖7可知，近陽極端之污泥含水 量隨操作時間增加而降低，操作2、4、24及40小時 後之殘餘含水量可分別降至60%、53%、45%及 38%。 當電壓坡降由1.25 V/cm提高至5.0 V/cm時 ( 參 見 圖 8) ， 近 陽 極 端 之 污 泥 含 水 量 由 64%降 至 40%。 雖然本研究所得之最高總脫水率僅33.9%， 然而在陽極污泥可達45%之脫水率(Test 5)。 若改 變電動力操作技巧，如以串聯的電極連接方式，預 期應可再提高脫水率。 綜合上述，雖然高電壓坡 降或長處理時間之Ke值較低，但其相對的總脫水率 卻不受Ke值之影響。 3.4 電力耗損量 電力耗損量可利用下式求得
E
P
M
M
VIdt
u
1
(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)； M=污泥 體積(m3)；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 範圍約為17.7 kwh/ton ~ 169.2 kwh/ton(表4)。 電力耗損量及總脫水率隨著操作時間變化情 繪示於圖9，隨著電壓坡降變化情形繪示於圖 10。 由圖9及10可知總脫水率與電力耗損量維 持正比例關係。30 40 50 60 70 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 hours 4 hours 24 hours 40 hours
Normalized distance from anode to cathode
R e si d ua l w a te r c onte nt (% ) 2.5 V/cm Original water content 68.9%
P rocessing time 圖7 在2.5 V/cm之恆定電壓坡降，不同操作時 間，試模內部陽極至陰極之污泥殘餘水份分 佈 30 40 50 60 70 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.25 V/cm 2.5 V/cm 5.0 V/cm
Normalized distance from anode to cathode
R e si d ua l w a te r c onte nt (% ) 4 hours Original water content 68.9%
P otential gradient 圖8 連續操作4小時，不同電壓坡降，試模內 部陽極至陰極之污泥殘餘水份分佈圖 0 5 10 15 20 25 30 35 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 W at er r em o v al ef fi ci en cy ( % ) P o w er c o n su m p ti o n ( k w h /m 3 )
P rocessing time (hour) Potential gradient: 2.5 V/cm 圖9 電力耗損量及總脫水率隨著操作時間變 化情形 0 5 10 15 20 25 30 35 0 24 48 72 96 120 1 2 3 4 5 6 W at er r em o v al e ff ic ie n cy ( % ) P o w er c o n su m p ti o n ( k w h /m 3 ) P otential gradient (V/cm) Processing tim e: 4 hours
圖10 電力耗損量及總脫水率隨著電壓坡降 變化情形
四、結論
本研究之重要結論如下： 1. 本研究因受限於污泥水份含量，致電滲透 率值(Ke)隨著操作時間之增加而減低，故不 影響脫水效率之提昇。 2. 受到電解反應之影響，陽極端污泥出現酸 化之現象，而陰極端污泥則被鹼化。 3. 經 過 電 動 力 法 處 理 之 污 泥 pH 值 介 於 6.5~10.5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. 本系統在2.5V/vm電壓坡降操作40小時後 總，脫水率最高可達33.9%，研究發現可藉 由增加電壓坡降及延長處理時間提昇脫水 效率。 研究初步證實，電動力法用於移除污泥餅 中之結合水且具有效性與經濟性，本研究之結 果可供未來進一步探討小規模電動力污泥脫 水研究之參考。
五、致謝
本研究計劃部份經費承蒙國科會NSC 88-2211-E-214-007所提供，除此之外，作者也 感謝義守大學土木系陳威錦同學協助分析污 泥之介達電位。六、參考文獻
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