垃圾焚化底渣再利用之前處理程序研究
袁 菁，高雄大學土木與環境工程學系副教授 方湜惠，高雄大學土木與環境工程學系研究助理 江姿幸，中山大學環境工程研究所碩士 劉瑋婷，高雄大學土木與環境工程學系大學部學生 黃英哲，高雄大學土木與環境工程學系大學部學生摘要
國內焚化底渣產量相當大，若未進行正確之後續處理，將面臨掩埋場尋覓不 易之窘境，因此採取回收再利用為唯一之解決方式，然再利用之效益與前處理方 式息息相關，因此本研究擬探討國內焚化底渣之特性，對於其再利用前之熟化及 水洗進行前處理程序研究，以作為焚化底渣再利用前處理程序判定之依據。本研 究實驗結果顯示，國內焚化底渣屬高鹼性物質（pH＞12），其化學成分主要為SiO2、CaO、MgO及Fe2O3等氧化物，約佔整體為 80%以上，且含Pb、Zn、Cu等
重金屬物質；經六個月之自然熟化程序後，其底渣之pH可接近熟化目標(8.0-8.5 左右)，Cl-及SO 42-之去除率分別為 18 及 53%，若欲縮短處理期限，建議採用快 速熟化處理，可快速達到目標值；而經熟化後之底渣進行 48 小時之水洗處理程 序，分析結果顯示，水洗液之pH為 8.8 左右， Cl-、SO 42-、SS及COD之最終濃度 分別為 11.2-11.6、13 及 1.8 mg/L，而Pb及Cd之檢測值均為N.D.值，而水洗後底 渣之Cl-及SO 42-之去除率分別為 71 及 13%。本研究結果顯示，熟化處理程序除有 效減低重金屬之溶出外，主要以SO4-2去除為主，至於水洗程序，則對Cl-去除有 明顯之助益。整體而言，焚化底渣經篩分及破碎等初級前處理，再經熟化及水洗 處理後，已減低Cl-、SO 42-及重金屬物質之含量，將有助於提升熟化底渣再利用 之處理等級。 關鍵字：焚化底渣、熟化、水洗、再利用
一、前言
一般都巿垃圾焚化爐可使垃圾焚化後，體積減少90%，重量減少約70%，而 焚化後所產生之大量底渣，已漸漸成為另一種新的廢棄物處理問題(Chimenos et al., 2000)。國內焚化底渣中所含的重金屬成份與垃圾性質及分類有關(林正芳， 2002)，其中Fe2O3含量比例較大，Pb 和Cd含量及溶出量均特別高，焚化爐燃燒 效率與空污防治設備操作之差異，可能造成灰渣分析數據之變異性。底灰在資源 化再利用上，首要關切的問題是是否造成環境污染，如重金屬溶出問題，及高pH值問題(已接近腐蝕性事業廢棄物標準12.5)，而分選後底灰作為混凝土級配骨材 使用時，底灰所含鹼類（K2O、Na2O）有發生鹼骨材反應之顧慮，故於應用前也 應特別注意(行政院環保署，2003)。 針對適當前處理方式單元之選擇(郭子豪，2000)，常須視再生產品之類型而 決定，目前國內對於灰渣的就多著眼於其性質分析及處理技術， 對於前處理再 利用的技術較少，前處理程序僅包含基本之機械物理單元(乾燥、篩分等)，系統 單純，操作複雜性低；但上述前處理仍須注意環境之無害性，常需再搭配熟化、 水洗等程序。Vehlow發現 (1996)，底灰經風化及碳酸化過程，會吸收CO2及產生 中和反應，並藉由氧化物水解及元素態金屬氧化形成氫氧合化合物之表面覆合物 (oxyhydroxide surface coatings)等過程，使得重金屬物質不易再溶出，並得符合一 定溶出試驗標準。惟就長期而言，是否會因應用地點環境變化而劣化等，致重金 屬再度溶出或化學藥劑本身即會因遇水溶解而影響土壤及地下水品質，故仍須更 進一步深入評估，反而不如採用自然方法徹底改變焚化底渣之礦物質結構促使其 穩定化，也就是「熟化（Aging）」作用(Meima et al., 2000)。焚化底渣熟化之功 能，可藉一段時間之儲存發揮「熟化」效應，一方面藉由碳酸化降低pH值及重 金屬之溶出率，另一方面增進再生骨材工程應用之穩定性；同時，亦有助於焚化 底渣中礦化物質進行「波索蘭反應」或形成Al-Ca-Si「類黏土相物質」，殘留之 有機質亦得因生物分解作用而降低，最終達到減少污染物釋出、袪除異味及強化 工程應用性等效果。熟化處理依場所不同，熟化一般可分為「室內熟化」與「室 外熟化」二種方式，其中採室外作業似得具較佳之熟化效應，且可利用雨水淋洗 提高熟化效果及去除溶解性鹽類(類似台灣離島地區海砂除鹽作法)，但遇異常天 候可能衍生滲出水暴增、平時颺塵與臭味等問題，環境條件較不穩定；至於室內 熟化則其環境條件較易控制。按國外經驗，進行自然熟化期間焚化底渣含水量宜 維持在16%~18%間，時間需長達數月以上，並得藉量測其pH值作為判斷是否完 成熟化之指標(pH值約為8~8.5左右)。除熟化外，若擬更進一步改善焚化底渣品 質，得再採「水洗」流程。一般而言，如Cl、Br等溶解性物質僅需少量水即得藉 水洗溶出，但重金屬類卻需頗大量水方得洗出可溶出部分，且因焚化底渣母體 (matrix)會持續供應該等重金屬，藉水洗移除之重金屬總量，將較按溶出試驗所 估計之量更多。因水洗廢水之處理及費用問題，得藉pH調整、添加錯合物(EDTA 等)、提升溫度等措施，來降低水洗水量。其中，添加錯合物可能因短暫吸附於 焚化底渣內而於爾後再溶出，故效果較pH調整為差，惟pH調整具鹽類殘留問題， 需二次水洗去除，另若溶劑之pH過低(如<4)，亦將因酸洗後焚化底渣之pH值偏 酸性，而導致爾後負面再溶出之可能。此外，受焚化底渣礦物質型態之影響，並 不容易藉水洗將SO4-2處理達較高標準，且若未經熟化，僅單獨藉水洗甚至酸洗， 亦無法達成歐洲建材重金屬標準，故水洗一般應與熟化串聯應用。 經多方蒐集瞭解國外各先進國家之焚化底渣前處理及資源再利用現況，其中 日本之焚化底渣採「熔融」處理為主，生成之熔渣直接用於道路工程之級配料， 或再經加工處理後作為建築工程之磚瓦建材及裝飾品等(詹炯淵，2001)，然此方
式需高能源，且設備維護費高，因此較不具經濟誘因。歐洲各國及美國則多採「分 選後熟化或穩定化」前處理(林源祺等，1996；廖錦聰等，1996)，再經靜置熟化 數月(或採強制通入CO2於數週內快速熟化)，以穩定重金屬降低溶出，剩餘矽酸 鹽類物質再經徑篩分形成不同粒徑分布之骨材，應用於土木工程。而為降低污染 物質釋出疑慮及提高再生產品品質，亦即要提供良好焚化底渣再利用之「工程應 用性」及「環境無害性」，採取適當之焚化底渣前處理程序係屬焚化底渣再利用 必要且關鍵因素。 本計畫為實現「焚化底渣再利用」，達成「環境無害性」與「工程應用性」之目 標，將針對資源回收廠底渣樣品，進行採樣與分析，以瞭解底渣之特性；再進行 熟化及水洗程序之處理，以評估最適之前處理程序，藉以提高焚化底渣之再利用 等級。
二、實驗材料與方法
2.1 焚化底渣 焚化底渣來源為南部兩座資源回收廠（A廠及B廠），於研究期間進行二 次採樣。係依據環保署公告方法(NIEA R119.00C)進行底渣採樣，每10分鐘自 底渣輸送帶採樣10公斤，連續採樣4小時，每次採樣時需先經5cm篩網過篩，以 剔除大型底渣，如石塊、鐵鋁罐、鐵絲網等，再將通過篩網之底渣於現場以四 分法進行縮分至適當量，作為後續實驗備用。實驗中，將對焚化底渣之pH、含 水率、容積率、灼燒減量，及化學成分（金屬氧化物、重金屬、Cl-、SO 4-2）進 行檢測分析，其分析方法如表1所示。 2.2 熟化處理 熟化處理場所為國立高雄大學理工一實驗大樓頂樓(如圖1所示)，白天有充 足 的 陽 光 照 射 ， 實 驗 堆 置 重 量 約 為 3 0 0 公 斤 ， 其 堆 置 範 圍 約 為 表 1 底渣分析方法一覽表 分析項目 環保署標準公告方法 含水率 廢 棄 物 含 水 份 測 定 方 法 － 間 接 測 定 法 (NIEA R203.01T) 氫離子濃度指數 廢 棄 物 之 氫 離 子 濃 度 指 數 (pH值 )測 定 方 法 (NIEA R208.03C) 單位容積重 廢棄物單位容積重測定方法－外觀密度測定法 (NIEA R202.00T) 灼燒減量 焚 化 灰 渣 之 灼 燒 減 量 檢 測 方 法 (NIEA R216.01C) 重金屬總量消化 Cu、Fe、Zn、Al、Mg、Na、K、As、Hg、Cr、Ca、Pb 及 Cd 1.沈 積 物、污 泥 及 油 脂 中 金 屬 元 素 總 量 之 檢 測 方 法 － 微 波 消 化 原 子 光 譜 法 (NIEA R355.00C) 2.感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 法 (NIEA M104.01C) Si 總量消化 CNS11393 石灰石化學分析法 溶解性鹽類 硫 酸 鹽 、 氯 鹽 檢 測 方 法 － 離 子 層 析 法 (NIEA A451.10C) Pb、Cd 毒性特性溶 出量 事 業 廢 棄 物 毒 性 特 性 溶 出 程 序 (NIEA R201.13C) 感 應 耦 合 電 漿 原 子 發 射 光 譜 法 (NIEA M104.01C)110cm(L)×100cm(W)，高度最高為 40cm。於 6 個月處理期中，每週約補充 6± 2 公升水量(視天氣情形而定)，以加速熟化程度。於熟化堆置區平均設置 5 處採樣 點（如圖 2 所示），於表層及底層分別進行採樣，每周定期檢測 pH 及導電度， 以瞭解其熟化程度，同時每日記錄堆置場所之氣溫及晴雨狀況。 圖 1 熟化處理堆置場 牆壁 為 pH 及導電度採樣點 ”A-1”為 A 處之表土，其餘依此類推 ”A-2”為 A 處 20cm 深之裡土；”B-2~E-2” 為 B 處 5-10cm 深之裡土 E-1 E-2 D-1 D-2 C-1 C-2 B-1 B-2 A-1 A-2 100cm 110cm 圖2 熟化處理程序採樣示意圖 2.3 水洗處理 焚化底渣經熟化處理後，進行水洗處理 48 小時。首先將底渣填充於 10cm（ϕ ） ×100cm（L）之管柱並壓密後，注入試劑水，使液固比值控制約 0.5-1 l/kg (本實
驗採 0.7 l/kg)，然後，以蠕動馬達調整水洗流量為 67.2 ml/hr，並將試劑水自槽體 由下往上與槽中之底渣接觸進行水洗，使停留時間控制為 2 天，採樣頻率為 2 hrs/ 次，檢測項目為pH、Cl-、SO 42-、SS、COD、Pb及Cd，水洗結束後，再進行底渣 之pH、Cl-、SO 42-及毒性特性溶出實驗分析，水洗處理程序之實驗設備如圖 3 所 示。 圖 3 水洗處理實驗設備
三、結果與討論
3.1 底渣特性 1.物理特性 底渣之基本物理性質分析包括pH值、含水率、灼燒減量及密度四項。在 實驗過程中，為避免誤差過大，每次皆取二個樣品分析，然後再取其平均值， 其二季採樣之分析結果整理如表 2 所示。其結果顯示；二廠底渣之含水率介 於 14~19%間，由於新鮮底渣具有極高之鹼性，二廠之pH值屬於偏高且超出 腐蝕性事業棄物的標準(pH＜2.0 或pH＞12.5)，於再利用混凝土骨材級配材料 時，須注意其反應性；於密度方面，二廠約為 1174 ㎏/m3至 1276 ㎏/m3左右； 而灼燒減量部分，二廠之分析值介於 2.16~4.54%，均符合焚化處理設施規範 5%以下，由二廠採樣之檢測結果顯示，其焚化廠之底渣物理性質之變化不 大，且灼燒減量亦符合規範，表示二廠焚化爐之操作狀況良好。 2.化學特性一般文獻指出底渣之化學組成約佔 80%以上，其中以SiO2、Al2O3、CaO、
K2O、MgO及Na2O為主，而重金屬部分，則以Cu、Pb及Zn之存在為主。
該二廠化學特性之檢測結果彙整於表 3 所示，兩廠之矽酸鹽類成分約佔 70-85%，而重金屬 Cu、Pb 及 Zn 之含量分別為 1775.06-6970.29、617.54-1634.22
及 1550.00-7656.25 mg/kg，與文獻值相符。然二季之檢測結果仍有些差異之 變 化 ， 其 推 測 可 能 受 進 廠 之 垃 圾 性 質 及 操 作 條 件 所 導 致 之 故 。 表 2 資源回收廠底渣物理組成分析 A 廠 B 廠 樣品名稱 分析項目 第一季 第二季 第一季 第二季 含水率(%) 14.80 17.80 18.40 14.94 pH 12.42 12.66 12.43 12.55 密度(㎏/m3 ) 1174 1218 1273 1276 灼燒減量(%) 3.55 4.54 2.16 3.67 表 3 資源回收廠底渣化學特性分析 A 區資源回收廠 B 區資源回收廠 樣品名稱 分析項目 第一季 第二季 第一季 第二季 SiO2(%) 15.88 24.84 12.07 22.50 Al2O3(%) 8.94 8.42 10.17 8.19 CaO(%) 21.61 16.67 34.04 28.80 Fe2O3(%) 19.89 30.63 14.66 12.43 K2O(%) 0.81 1.10 1.39 1.38 MgO(%) 2.19 1.50 2.09 1.74 Na2O(%) 1.38 1.08 1.70 1.88 矽酸鹽 組成 小計 70.70 84.24 76.12 76.92 As(mg/kg) 15.63 N.D. N.D. N.D. Cd(mg/kg) 1.88 4.97 2.68 3.60 Cr(mg/kg) 600.00 327.26 190.93 201.08 Cu(mg/kg) 2128.13 4630.21 1775.06 6970.29 Hg(mg/kg) N.D. N.D. N.D. N.D. Pb(mg/kg) 809.38 1634.22 617.54 960.38 重金屬 成分 Zn(mg/kg) 1550.00 7656.25 2807.28 3751.50 3.2 熟化程序 熟化程序過程中之導電度及pH。變化如圖 4 及 5 所示。由圖 4 導電度曲線 之變化發現，於 93 月 12 底至 2 月之變化大，其推測於該階段底渣應屬快速釋放 Cl-、SO4-2及重金屬等離子之階段，故導致底渣之導電度迅速上升，然由圖亦可 看出，底渣中離子釋出量隨著時間增長而漸漸下降。而pH方面，由 2 月中旬前 之實驗結果顯示，堆置於裡土之pH值下降緩慢，僅約至 10 左右，而表土之pH值 下降速度較快，約可降至 9 以下左右，但表、裡土底渣之pH值尚未達熟化程序 目標，且本次實驗底渣堆置位置係於南台灣，因陽光大而蒸發量增大，故於 2 月 23 日起增加灑加水量至 30 公升，使底渣保持一定之含水量；實驗終止時，僅
有採樣點C-2 之pH未達目標，其餘底渣之pH均可接近目標(8.0-8.5 左右)。由整體 結果得知，自然熟化需要較久的處理時間，若欲縮短時程，建議可採快速熟化處 理。 0 200 400 600 800 1000 1200 11/ 30/ 04 12/ 07/ 04 12/ 14/ 04 12/ 21/ 04 12/ 28/ 04 01/ 04/ 05 01/ 11/ 05 01/ 18/ 05 01/ 25/ 05 02/ 01/ 05 02/ 07/ 05 02/ 14/ 05 02/ 22/ 05 03/ 01/ 05 03/ 08/ 05 03/ 15/ 05 03/ 22/ 05 03/ 29/ 05 04/ 06/ 05 04/ 12/ 05 04/ 19/ 05 04/ 26/ 05 05/ 03/ 05 05/ 10/ 05 05/ 17/ 05 05/ 24/ 05 時間 導 電 度 ( μ s/cm) A-1 A-2 B-1 B-2 C-1 C-2 D-1 D-2 E-1 E-2 圖 4 熟化處理程序之導電度變化 8 9 10 11 12 13 11/ 30/ 04 12/ 07/ 04 12/ 14/ 04 12/ 21/ 04 12/ 28/ 04 01/ 04/ 05 01/ 11/ 05 01/ 18/ 05 01/ 25/ 05 02/ 01/ 05 02/ 07/ 05 02/ 14/ 05 02/ 22/ 05 03/ 01/ 05 03/ 08/ 05 03/ 15/ 05 03/ 22/ 05 03/ 29/ 05 04/ 06/ 05 04/ 12/ 05 04/ 19/ 05 04/ 26/ 05 05/ 03/ 05 05/ 10/ 05 05/ 17/ 05 05/ 24/ 05 時間 pH A-1 A-2 B-1 B-2 C-1 C-2 D-1 D-2 E-1 E-2 圖 5 熟化處理程序之 pH 變化 3.3 水洗程序 水洗程序出流水之分析結果彙整如表 4 所示。出流水最終出流pH為 8.8 左右； Cl-及SO42-亦會藉由停留時間，將水溶性離子擴散溶出至水中而排出，而出流水 中Cl-及SO 42-最終濃度約為 11.2-11.6 mg/L，SS濃度為 13 mg/L，而COD之濃度 1.8 mg/L，廢水中Pb及Cd之檢測值均為N.D.值。水洗出流水實驗結果可提供未來底 渣經水洗處理後，排放廢水再處理之參考依據。 實驗結果顯示，熟化前底渣之pH為 12.3，經熟化及水洗後即降為 8.4，顯示
焚化底渣以符合腐蝕性事業廢棄物標準。至於Cl-及SO 42-，經熟化後之底渣濃度 均有明顯下降之趨勢，以SO42-之濃度變化相對較高，去除率達 71%，而Cl-去除 率僅 18%；而水洗處理後之底渣，發現Cl-之去除效果可達 53%，而SO 42-僅有 13% 之去除效果，此可知，底渣經熟化處理程序可有效降低SO42-濃度，而水洗處理 程序，則可有效降低底渣中Cl-，顯示熟化及水洗處理確實可提昇底渣再利用等 級，然因其Cl-之濃度尚未達CNS1240 A2029「混凝土粒料」中混凝土用細粒料限 制水溶性氯離子含量規定(<0.024%)，即 2400mg/kg，但仍可依分級作為不同目 的之再利用物料。本次底渣之總量實驗檢測重金屬均未檢出，顯示水洗後底渣之 再利用已不需考慮Pb、Cd之溶出。 表 4 水洗出流水不同採樣時間之實驗結果彙整表 分析項目 pH Cl- SO42- COD SS Pb Cd (1)水洗液 8.8 11.2 mg/L 11.6 mg/L 1.8 mg/L 13 mg/L N.D. N.D. (2)熟化前 12.3 9697mg/kg 2458 mg/kg - - N.D. N.D. (3)熟化後 (水洗前) 8.8 7900mg/kg (18%) a 720mg/kg (71%) a - - N.D. N.D. 焚 化 底 渣 (4)水洗後 8.4 2748mg/kg (53%) b 404.2mg/kg (13%) b - - N.D. N.D. “( )”表示為去除率。
a=[(2)-(3)]/(2)，which was defined as removal rate of aging process. b=[(3)-(4)]/(2)，which was defined as removal rate of washing process.
四、結論
1. 本研究底渣pH值均在 12 以上，屬高鹼性物質，其化學成分主要包含SiO2、 CaO、MgO及Fe2O3等氧化物，佔整體為 80%以上，並含其他重金屬如Pb、 Zn、Cu等，與國內都會焚化廠(北部及中部)及國外研究相近。由於底渣化 學主要成分介於天然骨材及水泥、爐石間，經適當前處理後，可以替代天 然骨材再利用，且灼燒減量皆小於 5%，符合焚化處理設施規範 5％以下， 顯示兩廠焚化爐操作情形良好。 2. 6 個月之自然熟化程序，可將底渣之pH值降至 8.0-8.5 近中性範圍，對於 Cl-及SO42-之去除率可達 18％及 71％，在考慮工程之實用性時，應考慮施 以機械通風，以加速熟化之速度，方可達熟化目標，且堆置場底部應設置 滲出水收集系統，周遭亦應設置地表水截流系統及必要之飛散防止設施。 3. 水洗程序之水洗出流水實驗結果可提供未來經底渣水洗處理後，排放廢水 再處理之參考依據。而底渣經水洗處理後，Cl-之去除率（53％）較SO 42-之 去除率（13％）為明顯，但因Cl-未符合CNS1240 A2029「混凝土粒料」中 混凝土用細粒料限制水溶性氯離子含量規定(<2400mg/kg)，因此建議可依 分級作為不同目的之再利用物料。4. 經本研究證實，焚化底渣經篩分及破碎等初級前處理，再經熟化及水洗處
理後，已減低Cl-、SO
42-及重金屬物質之含量，將有助於提升熟化底渣再
利用之處理等級。
五、參考文獻
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