焚化底渣重金屬溶出試驗
黃煒傑
1吳明淏
2林秋良
31國立高雄大學土木與環境工程學系學士班大專生 2國立高雄大學土木與環境工程學系助理教授 3國立高雄大學土木與環境工程學系副教授
摘 要
焚化處理為台灣目前處理廢棄物之主要方法之一，由環保署統計全台有 24 座大型焚化爐，每 年約產生數百萬噸之焚化底渣。而過去垃圾焚化廠產出的灰渣都是以衛生掩埋的方式處理，但是 近年來由於用地難尋，民眾抗爭因素以及可能危害到環境之可能考量下，衛生掩埋場之尋找及闢 建變得極為困難，但由於國內外已有許多再利用之實例，同時為配合環保署「零廢棄」之概念， 因此底渣材料化技術無疑是解決底渣問題的最佳方式，焚化底渣廣泛地應用在道路基材、骨材等 方面。然而焚化底渣仍有些許重金屬且長時間暴露於環境當中具有溶出的潛勢，其污染程度與環 境因子之關係，目前甚少有研究探討。本研究使用焚化底渣，於一自製高抗壓透明試驗管中進行 實驗，此試驗管可在密封狀態之下注入酸性溶液，並經由控制其管中之壓力，以高速公路施工技 術規範中之級配作為參考，以模擬當焚化底渣用於道路建材時所受壓力及酸雨影響其重金屬溶出 之總量。進而探討焚化底渣在台灣的酸雨環境之下，所溶出之重金屬濃度是否會因為不同的環境 因素而造成影響。 關鍵詞：焚化爐、廢棄物、焚化底渣、壓力、酸雨、重金屬ABSTRACT
Huang Wei-Chieh
1Wu Min-Hao
2Lin Chiu-Liang
3123
Civil & Environmental Engineering Department, National University of Kaohsiung
Incineration is one of the major waste disposing methods in the world, and there are 24 large incinerators in Taiwan now, which produce about millions of tons of MSWI residues each year. The produced bottom ash was buried in the landfills in the past. In recent years, however, due to the unavailability of qualified lands, public disputes, and potential environmental hazards, it is extremely difficult to build new landfill sites. Examples of MSWI residue reuse are abundant in the world. In order to comply with the “ Zero Waste” policy of EPA in Taiwan, undoubtedly, materialization of MSWI residues is one of the best methods at present. MSWI residues are widely reproduced to use as road base and building materials. However, MSWI residues contain more or less heavy metals which may be extracted in the leachates. Nevertheless, few studies have been conducted to investigate the relationship between leaching concentrations of various kinds of heavy metals and environmental factors. In this study, a self- built transparent cylinder was used to conduct a series of bottom ash tests. Under the air-tight environment, acid solutions with different pH values was injected into the cylinder containing
bottom ash with different applying pressures. After a specified period, the leachate was collected from the cylinder to measure the concentrations of various heavy metals dissolved into the leachates. The technical code for construction of highway subgrades was used for reference to design the size distribution of bottom ash samples. This research investigates the total amount of leaching heavy metals under different applying pressures and pH conditions so as to study the environmental effects on the concentrations of leaching heavy metals.
Keywords: incinerator, solid waste, bottom ash, pressure, acid rain, heavy metal
一、緣 起
由於垃圾經由焚化處理方式的比率逐年提昇，國內 焚化爐所產生之垃圾焚化灰渣產量亦逐年增加，根據行 政院環保署統計，96年台灣地區垃圾焚化廠之垃圾焚化 總量約達594萬噸，而衍生的焚化灰渣量就高達約113萬 噸，其中包含底渣87萬公噸及飛灰(含反應生成物) 26萬公 噸，而其中焚化底渣之利用情形高達80%以上(行政院環 保署，2006)。加上近年來環保意識漸漸抬頭，環境保育 與廢棄物資源化的關係程度日趨緊密，所以焚化灰渣之 回收再利用已然成為重要趨勢，如德國每年80-90%的底 渣被再利用(Vehlow,2002)，荷蘭甚至有近95%的焚化底渣 被回收再利用(Pandeline et al.,1997;王世賢，2005)，而日 本近年來全力發展熱分解氣化熔融處理技術之研究，並 對溶融後產品的再利用方式進行評估，期望能把熔融後 的 材 料 在 應 用 各 種 建 設 之 中 (Katsunori Nishida et al.,2001)。而焚化底渣其主要元素組成包括氧、矽、鐵、 鈣、鋁、鈉、鉀、碳等鹼金屬及鹼土金屬，並含微量之 鉛、鋁、銅、鋅等重金屬，化學物質成分以二氧化矽、 氧化鈣、三氧化二鐵及三氧化二鋁等為主。而其所溶出 之重金屬其中包括：銀、鎘、鉻、銅、鐵、錳、鎳、鉛、 硒、鋅等重金屬(吳南明等，2009)，但卻有許多研究皆指 出焚化灰渣的重金屬及汙染物之溶出總量及速率與環境 因子如壓力及酸鹼度有密切的關係(Wiles,1996)。而溶出 的重金屬物質對環境保育與人體健康造成負面之影響。 為此，了解焚化底渣在酸性環境之下所發生之溶出現象 將成為未來研究之重要課題。 現今關於焚化底渣材料化後之再利用已然勢在必 行，許多研究結果指出垃圾焚化爐產生之底渣，經過適 當前處理後，採適當的比例可再利用於道路基層、瀝青 混凝土骨材替代材料及管溝的回填材料(行政院環保署， 例如：道路鋪面，混凝土等，其使用過程中不免受到許 多外來之壓力，而這些資源化材料在環境中是否會因其 所受到之外界壓力之影響，因而改變其溶出行為，而造 成重金屬溶出汙染環境是一個值得研究的問題，因為這 些資源化材料與我們的日常生活息息相關，因此本研究 中將在封閉的環境中，調整不同壓力，並改變不同 pH 值 以模擬資源化材料應用於實際環境中，觀察其重金屬溶 出現象是否有所影響，研究結果可作為資源化材料再利 用的參考。二、研究方法
粒徑分析試驗 將從材料供應商購買之焚化底渣放入搖篩機中，經 過充分過篩之後，分出不同粒徑之底渣，以利於之後實 驗需求所需之不同粒徑試體，如表1所示。 pH值對焚化底渣重金屬溶出試驗 本研究利用自製高抗壓透明試驗管(圖1)進行焚化底 渣之重金屬溶出試驗，以多種不同粒徑之試體做為建立 模型之用，並以固定篩號之兩種不同粒徑分佈焚化底渣 做為實驗試體，採用固定落距之方式加入試驗管中以控 制其相對密度。試體模型準備完成後，開始進行溶出試 驗，利用不同pH值之注入溶液，以探討底渣溶出試驗之 特性。首先，將整個試驗管以鋁合金蓋板由上方密封， 一方面有利於壓力之控制，另一方面可降低外部因素對 實驗準確度之影響。在固定壓力之下，以兩種不同pH值 之酸性溶液從試驗管之上方加入，而在試驗管之下方之 排水管線加裝濾紙，以便於收集濾液，採集後使用抽氣 式過濾器或離心機分離溶液中之固體及液體，以便於之 後分析濾液所含之重金屬溶出種類以及總量。壓力對焚化底渣重金屬溶出試驗 實驗利用上述相同方法建立實驗模型，以鋁合金板 密封於試驗管之上方，利用空壓設備再接以壓力控制裝 置以控制管中壓力，以兩種不同壓力，針對相同pH值之 溶液，在試驗管之出水口以前述相同之方式採樣及分離 出濾液，便於分析濾液所含之重金屬溶出種類及總量。 粒徑對焚化底渣重金屬溶出試驗 試驗採上述相同方法建立實驗模型，以兩種不同之 粒徑進行重金屬溶出試驗，固定其壓力，針對相同pH值 之溶液，在試驗管之出水口以前述之方式採樣且分離出 濾液，便於分析濾液所含之重金屬溶出種類及總量。 本研究進行之相關試驗共計8組，其控制因子之組合如表 2所示。 表 1、研究試體之粒徑分布 粒徑 篩號 通過重量百分比(%) 細粒徑 粗粒徑 37.5 mm(1½ 吋) 87~100 90~100 19.0 mm(3/4 吋) 45~90 50~85 4.75 mm(No.4) 20~50 30~45 0.60 mm(No.30) 6~29 10~25 0.075 mm(No.200) 0~12 2~9 表 2、實驗設計 組別 溶液 pH 值 粒徑粗細 壓力 第一組 2.88 細粒徑 1 第二組 2.88 粗粒徑 1 第三組 2.88 細粒徑 0.5 第四組 2.88 粗粒徑 0.5 第五組 1.1 細粒徑 1 第六組 1.1 粗粒徑 1 第七組 1.1 細粒徑 0.5 第八組 1.1 粗粒徑 0.5
三、研究結果
pH 值對焚化底渣重金屬溶出試驗結果 觀察以下兩組試驗，其不同處在於溶液之 pH 值，第 五組較第一組更低，而觀察其溶出情形可發現到，第五 組(圖 3、4)所有重金屬之溶出量皆大於第一組(圖 2)所溶 出的，其中銅、鉛兩種重金屬此種情形更為顯著，在第 一組中低於 ICP 之檢測下限，但在第五組中發生大量的 溶出。 綜觀兩組試驗之重金屬溶出趨勢可以發現大致上隨 著時間而漸漸下降，此情形推論應為溶液之 pH 值上升(圖 5、6)，進而導致在實驗過程中部分重金屬產生沉澱，而 在過濾時，被截留於濾紙之上所導致。壓力對焚化底渣重金屬溶出試驗結果 觀察以下兩組試驗，為相同粒徑，相同 pH 值，但為 不同壓力之下，所做之比較，第二組較第四組更高，而 觀察其溶出情形可發現到，第二組(圖 7)所有重金屬之溶 出量鋇、銅大於第一組(圖 8)所溶出的，但是 As 之溶出 情形呈現相反的趨勢，為第四組所溶出大於第二組，銅、 鉛在兩組中皆低於 ICP 之檢測下限。 綜觀兩組試驗之重金屬溶出趨勢可以發現大致上隨 著時間而漸漸下降，此情形推論應為溶液之 pH 值上升(圖 9、10)，進而導致在實驗過程中部分重金屬產生沉澱，而 在過濾時，被截留於濾紙之上所導致。 粒徑對焚化底渣重金屬溶出試驗結果 觀察上述兩組試驗，第七組與第八組不同之處在於 粒徑大小，而於 pH 值與壓力皆相同，進一步觀察其溶出 結果可發現道粒徑較細的第七組(圖 11、12)鉻、矽、銅、 鋇四種重金屬支溶出總量皆大於粒徑較粗的第八組(圖 13、14) (黃浩梁，2003)，而其中鉛、銅兩種金屬之溶出 量更是遠遠多於其他四種重金屬。 縱觀兩組試驗之重金屬溶出趨勢可以發現大致上隨 著時間而漸漸下降，此情形推論應為溶液之 pH 值上升(圖 15、16)，進而導致在實驗過程中部分重金屬產生沉澱， 而在過濾時，被截留於濾紙之上，所以導致此種趨勢的 發生。
四、結論與建議
綜觀所有試驗之結果，並相互交叉比較三種控制因 子之下可以做出以下結論： 1. 在低 pH 值(1.1)之環境下，如同預期，所有重金屬 之溶出情形與高 pH 值(2.88)之環境相較之下皆大幅 上升。 2. 在相同粒徑，且 pH 值不變之情況下，在壓力較大 的狀態之下，鋇、銅溶出較多、砷則反而較少。 3. 在相同 pH 值且相同壓力的狀況下細粒徑的鉻、矽、 銅、鋇溶出濃度皆大於粗粒徑之溶出值。 4. 在高 pH 值(2.88)之環境下，鉛、銅所溶出的濃度低 於 ICP 的檢測下限，即 ND，而在在低 pH 值(1.11) 之環境下 Pb、Cd 所溶出的濃度皆有顯著的上升。 5. 觀察所有試驗之結果，其重金屬溶出總量之趨勢大 致上為隨著時間之經過而漸漸下降，且個別單個試 驗大致上呈現相同的趨勢。 探討上述重金屬總量趨勢經時間之經過而下降之現 象，推測應為焚化底渣所處環境已比原先設定之 pH 值上升，因此可能造成重金屬產生沉澱，容易在取 出濾液時或離心過濾時，將其分離開，導致最後進 行重金屬分析時，容易低估其溶出總量。首先觀察 pH 值為 1.11 環境之下最終溶液之酸鹼值上升至 2.8~3.1 左右，且呈現下降趨勢，接著觀察 pH 值為 2.88 之環境下，最終溶液之酸鹼值上升至 7.8~8 之 間，溶出總量依然呈現下降趨勢，因此，焚化底渣 在溶出環境酸鹼值為 1.1~8 之情況下，溶出總量呈 現一致的下降趨勢。誌謝
本篇論文承蒙許多師長及單位的協助才得以完成。 首先感謝本論文指導老師吳明淏教授與林秋良教授細心 的教導，在研究的過程及論文撰寫給予正確的方向及適 時的指導。再要感謝周經棟博士在實驗方面提供相關意 見及儀器操作上專業之指導。另外，感謝高雄大學防災 工程研究室的人力與土壤復育實驗室之精密實驗儀器及 設備的支援，實驗才可順利完成。參考文獻
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