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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

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Academic year: 2022

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

污水污泥無害化、能源化及資材化整合研究計畫--子計畫 五:污水污泥固定化再利用為工程土方之研究(I)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 : 整合型

計 畫 編 號 : NSC 96-2621-Z-216-003-

執 行 期 間 : 96 年 08 月 01 日至 97 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 中華大學土木與工程資訊學系

計 畫 主 持 人 : 楊朝平

計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理人員:張志偉,.馮柏偉

處 理 方 式 : 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 97 年 10 月 11 日

(2)

行政院國家科學委員會 行政院國家科學委員會 行政院國家科學委員會

行政院國家科學委員會整合型 整合型 整合型 整合型專題研究計畫 專題研究計畫 專題研究計畫 專題研究計畫完整 完整 完整 完整成果 成果 成果 成果 報告

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污水污泥無害化 污水污泥無害化 污水污泥無害化

污水污泥無害化、 、 、能源化及資材化整合研究計畫 、 能源化及資材化整合研究計畫 能源化及資材化整合研究計畫 能源化及資材化整合研究計畫 子計畫五

子計畫五 子計畫五

子計畫五: : : :污水污泥固定化在利用為工程土方之研究 污水污泥固定化在利用為工程土方之研究 污水污泥固定化在利用為工程土方之研究 污水污泥固定化在利用為工程土方之研究( ( ( (I) ) ) )

Integrated study on nuisance elimination, material stabilization, and resource recycling of sewage sludge

Individual project (5): Stabilization of sewage sludge and its recycling as a construction earth

計畫編號:NSC 96-2621-Z-216-003 執行期限:96 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日 主持人:楊朝平 教授 中華大學土木與工程資訊學系

(3)

摘要 摘要 摘要 摘要

於臺灣隨著下水道普及率之提昇,需積極思考污水污泥之資源化 及再利用課題。雖然相關於此課題之研究已甚多,仍尚可嘗試將污泥 再利用為工程土方,即將污泥拌砂或以石灰固定成混合料,並將此混 合料再利用為邊坡沃土區植生用之土方。惟此等混合料之各種性質尚 不明而有待探討,為此本計畫以臺北迪化污水處理廠之脫水污泥為試 驗材料,茲以出廠污泥 M10S0(污泥 100%砂 0%)及調製之 M7S3

(污泥 70%砂 30%) 、M5S5 (污泥 50%砂 50%)、M3S7(污泥 30%砂 70%)污泥拌砂為試料,綜合觀察其物理、植生、夯實及強度性質,

並探討石灰-污泥之反應機制。

研究發現四種試料皆不具可塑性,

pH

值介 6.8~7.7 之間,粒徑 介於 0.074 ㎜~6.3 ㎜之間,具肥沃性。M10S0 試料之夯實最大乾單位

γ

d(max)為 3.34kN/ m3,無法直接再利用為邊坡沃土,須調整粒徑組

成;而三種污泥拌砂試料之夯實

γ

d(max)接近於 14.7kN/ m3,故認為可 藉由夯實改善之,使其可再利用為邊坡沃土。污泥拌砂並無助益於其 無圍壓縮強度及抗剪強度之提升,因為砂不具有凝聚性。在石灰與汚 泥八種金屬之反應過程中,Ca(OH)2 發揮催化劑之作用;因為所產生 之氫氧化物係以膠結沉澱物狀態存在,故認為石灰拌污泥具有固化之 效果;而影響反應之因素為石灰及水之含量。

關 關 關

關鍵詞鍵詞鍵詞鍵詞:::污水污泥、再利用、邊坡沃土區、性質調查。 :

(4)

Abstract

In Taiwan, a rapid increase in the sewer construction causes the large volume of sewage sludge generated. Treated sewage sludge will be very significantly in the future. Although, there are many studies concerning to this issue, the sewage sludge tentatively can be reused as a construction soil which is studied scarcely. That is, first the gradation of sewage sludge is improved by mixing up with sand or the sewage sludge is stabilized by lime, then the mixture is compacted in the fertile zone of slope of embankment. The sewage sludge can be reused by this way in large quantities.

Moreover, this kind of reuse way can be carried out under low energy condition and with ecological engineering method. However, the various properties of the mixtures are still unknown. Therefore, the writer uses fresh dried sewage sludge produced at Dihua Sewage Treatment Plant, Taipei City Government as original testing materials.

One fresh sewage sludge (M10S0) and three sludge-sand mixtures that is M7S3 (sludge 70%, sand 30%), M5S5 (sludge 50%, sand 50%) and M3S7 (sludge 30, sand 70%) are prepared and compacted as test specimens. The phase of physical factors and vegetation conditions of mixtures, and the compaction characteristics and strength parameters of specimens are tested. Moreover, the mechanism of sludge-lime reaction for stabilizing sludge also is studied in this project.

It is found that four mixtures are non-plastic and fertile. Its pH values range from 6.8 to 7.7 and the diameters of particles range from 0.074 ㎜ to 6.3 ㎜. The maximum compaction dry unit weight

γ

d(max) of mixture of M10S0 is 3.34kN/ m3, which is lower than 14.7kN/ m3, so it can not be reuse directly as construction soils unless its gradation is improved by mixing up with sand or stabilized by lime. The values of three sludge-sand mixtures are close to 14.7kN/ m3, so they can be reused as construction soils. However, it is helpless for increasing the strength of sludge by mixing it with the sand because of the sand is non cohesive. On the other hand, the hydrated lime (Ca(OH) 2) reacts to irons contained in sewage sludge and yields the residues of hydroxides. Hydrated lime plays the role of catalyzer in the sludge-lime reaction. Hence, by mixing sewage sludge with hydrated lime could stabilize it and increasing its engineering properties.

Key words: Sewage sludge, recycling, fertile zone of slope, properties investigation.

(5)

目錄 目錄 目錄 目錄

摘要... I Abstract ... II 目錄...III 圖目錄... VI 表目錄... IX

第一章 緒論...1

1.1 背景、目的及重要性 ...1

1.2 本計畫與其他子計畫之關係 ...3

1.3 計畫工作內容...4

第二章 文獻回顧 ...6

2.1 再利用現況...6

2.2 成分...8

2.3 資源化用途...9

2.4 資源化技術...10

2.5 綠農地...13

2.6 有機土工程性質...14

2.7 石灰穩定細料土性質 ...15

2.7.1 一般土壤之典型性質...15

(6)

2.7.2 黏土之性質...18

第三章 試驗方法 ...22

3.1 取樣及污泥拌砂試料製作 ...22

3.1.1 取樣...22

3.1.2 污泥拌砂試料製作...25

3.2 試料之物理性質及植生試驗方法 ...26

3.2.1 物理性質試驗方法...26

3.2.2 植生試驗方法...33

3.3 試料之工程性質試驗方法 ...33

3.3 試料之力學性質試驗方法 ...36

第四章 試驗結果 ...40

4.1 試料之物理性質及植生狀況 ...40

4.1.1 粒徑分布...40

4.1.2 乾燥試驗結果...43

4.1.3 植生狀況...45

4.2 試料之夯實及透水性質 ...47

4.2.1 夯實性質...47

4.2.2 透水性質...48

4.3 試料之無圍壓縮及抗剪性質 ...49

(7)

4.3.1 無圍壓縮性質...49

4.3.2 抗剪性質...51

第五章 石灰穩定污泥之機制探討 ...57

5.1 石灰性質...57

5.2 石灰-土壤之反應 ...58

5.3 石灰穩定污水污泥之化學性質 ...59

5.4 土木工程用途上選擇石灰含量之試驗程序 ...61

5.5 石灰-污水污泥之反應 ...63

第六章 結論與建議 ...65

參考文獻...69

(8)

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 1.1 土方構造物之邊坡沃土區示意 ...2

圖 1.2 整合型計畫之架構 ...4

圖 2.1 污泥於建築材料之資源化用途 ...9

圖 2.2 土壤固定處理方法選擇流程[FHWA 規範] ...12

圖 2.3 污水污泥於綠農地之資源化用途 ...14

圖 3.1 脫水污泥之產生流程 ...22

圖 3.2 於臺北迪化污水處理廠取污泥之情形 ...23

圖 3.3 以 600oC燒結後之污泥 ...25

圖 3.4 新竹市南港海岸之砂丘 ...26

圖 3.5 烘箱乾燥前之出廠污泥 ...27

圖 3.6 完全烘乾後之污泥 ...27

圖 3.7 曝曬初始之出廠污泥(2008,04,09)...28

圖 3.8 曝曬過程之污泥(2008,05,02)...28

圖 3.9 曝曬結束之污泥(2008,05,14)...28

圖 3.10 比重試驗情形 ...29

圖 3.11 液性限度試驗情形...31

圖 3.12 試料之pH 值量測情形 ...32

(9)

圖 3.13 試料植生試驗(2008,04,19)...33

圖 3.14 試料之夯實試驗(M10S0)...35

圖 3.15 室內透水試驗 (變水頭法) ...36

圖 3.16 處最佳夯實狀態之試體(M3S7)...37

圖 3.17 置於無圍壓縮儀上之試體(M10S0)...37

圖 3.18 直接剪力試驗用之試體 ...39

圖 3.19 直接剪力試驗進行情形 ...39

圖 4.1 M10S0 試料之液性試驗結果 ...40

圖 4.2 M10S0 試料之粒徑分布曲線 ...41

圖 4.3 污泥拌砂試料之粒徑分布曲線(M7S3)...41

圖 4.4 污泥拌砂試料之粒徑分布曲線(M5S5)...42

圖 4.5 污泥拌砂試料之粒徑分布曲線(M3S7)...42

圖 4.6 四種試料粒徑分布曲線之綜合比較 ...42

圖 4.7 M10S0 試料之曝曬乾燥結果(含水率) ...43

圖 4.8 M10S0 試料之曝曬乾燥結果(含水比) ...44

圖 4.9 四種試料之烘箱乾燥結果(含水率) ...44

圖 4.10 四種試料之烘箱乾燥結果(含水比) ...45

圖 4.11 植生試驗情形(2008/04/19)...46

圖 4.12 植生試驗情形(2008/06/08) ...46

(10)

圖 4.13 植生試驗情形(2008,10,07)...47

圖 4.14 M10S0 試料之夯實性質...48

圖 4.15 三種污泥拌砂試料之夯實曲線 ...48

圖 4.16 M10S0 試料之無圍壓縮性質...49

圖 4.17 試料之無圍壓縮性質(M7S3)...50

圖 4.18 試料之無圍壓縮性質(M5S5)...50

圖 4.19 試料之無圍壓縮性質(M3S7)...50

圖 4.20 四種試料無圍壓縮性質之比較 ...51

圖 4.21 M10S0 試料之抗剪性質...52

圖 4.22 M7S3 試料之抗剪性質...53

圖 4.23 M5S5 試料之抗剪性質...54

圖 4.24 M3S7 試料之抗剪性質...55

圖 4.25 四種試料之抗剪強度與正向應力關係 ...56

(11)

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 1.1 整合型計畫項目 ...4 表 1.2 各計畫年次之研究工作項目 ...5 表 2.1 預估美國 2010 年之處置再利用情形[USEPA, 2000]...6 表 2.2 歐盟會員國 2005 年之污泥產量及再利用比例[轉載自洪明宏,

2003] ...7 表 2.3 日本近年污水污泥之處理狀況(單位:1000m /3 year)...8 表 2.4 日本 2004 年污水污泥資源化用途[中欣工程行, 2006] ...10 表 3.1 試驗用污泥之物理性質及其金屬含量[Taipei City Government,

2007] ...24 表 5.1 典型的試體養護與強度要求[Ronald et al. , 1979]...62

(12)

第一章 第一章 第一章

第一章 緒論 緒論 緒論 緒論

1.1 背景 背景 背景 背景、 、 、 、目的及重要性 目的及重要性 目的及重要性 目的及重要性

依據內政部「污水下水道發展方案(1987年核定、1998年修正)」, 預計在2009年將台灣地區之下水道普及率提昇至32%;日後政府亦續 將經費投注於下水道工程之建設上。再此大環境下,污水污泥的產生 勢必快速增加;歐陽等(1998)預估2003年都市污水污泥之產生量約 為18 萬方公尺/日,而至2009年將增加至40 萬方公尺/日;若不於今 日積極思考其處理、減量及再利用等課題,台灣社會將面臨嚴重的掩 埋場址短缺問題。依循永續經營之理念,吾人應逐漸將生活方式從「消 費型社會」改變為「循環性社會」,國科會永續會於96年度亦以「環 2:零廢棄及資源永續利用與循環性社會之相關策略研究」為重點研 究項目之一,本計畫屬於此重點研究之一環。

以無毒「污水污泥」為對象之研究分兩大類;一為相關於「水庫 污泥」之研究,多出現於土木水利工程學門,其污泥的再利用途多為 土木工程土方或水泥固化填充料等[陳豪吉, 2000];另一為相關於「污 水污泥」之研究,多出現於環境工程學門,如污泥之處理系統模組、

調理、脫水、水解回收有機物、熱解反應、厭氧生物裂解、熔融機制、

熔融資材性質、熔融回收金屬、水泥固化灰渣、泥灰再製瓷磚及綠農 地利用等 [Howard, 1996; Erbardt, et al., 2001; Tay, et al., 2002]。國科 會80~95年度環境工程學門之計畫案(約1020件)中,有五個相關於 污水污泥之整合型計畫;(1)灰渣及污泥類等無機廢棄資源營建資材 化技術之整合研究,(2)污泥處理技術之整合研究,(3)污泥燒結/熔融 之資源化整合型研究,(4)污泥調理脫水效率提昇之整合型研究,(5)

(13)

都市下水污泥再利用與資源化之整合型研究;此等整合型計畫之研究 內涵甚廣。

從土木水利領域觀之,認為污水污泥之資源化除了前述整合型計 畫之內涵外,尚可考慮其於工程土方之再利用上。雖然已有學者提出 因污水污泥的有機物含量高而不適用於工程土方之論點,但有很多土 方構造物(路堤、海堤、河堤、住宅區邊坡等)在被建構完成後尚須 施行邊坡防侵蝕、防滑動之保護措施,而最具生態性、環境調和性的 保護措施是植生綠美化。即如圖1.1所示般,須於土方構造物之斜坡 面夯實一寬約100㎝的沃土區 (Zone of fertile soil),以使其兼具邊坡保 護及利於植物生長之功能。沃土於土建工程之使用量甚大,而一般對 其品質之規範較籠統且寬鬆,只要求須為近似農地之壤土[水利署, 1991; 農業委員會, 1996]。唯近年沃土之取得猶如砂石骨材般漸趨困 難,甚有發生須從大陸進口之情形,故如能將污水污泥固定化或穩定 化(非燒結)再利用為「邊坡沃土」,將能緩和國內沃土取得不易之 窘境。與前述諸污泥整合計畫所建議之再利用途相比較,污水污泥於 邊坡沃土區之再利用方式更具低耗能性、大量性及生態性等特點。

圖 1.1 土方構造物之邊坡沃土區示意

邊坡沃土之品質要求為工程性質佳(可夯實性、低壓縮性、低透 水性、高抗剪性)及具肥沃性,雖然污水污泥之有機物含量高而具肥

(14)

沃性,但又會因高含量的有機物而折損其工程性質,故陷於兩難之處 境。相關於污水污泥肥沃性之研究屬於綠農地範疇,其於國內外已具 相當業績[Gaspard, et al., 1995; Schnaak, et al., 1997; 內政部營建署, 2002; 洪明宏,2002];而將其再利用為邊坡沃土之研究仍欠缺,故本 計畫所構思之再利用途具有創新性、創意性及社會面的實用性。然 而,要將污水污泥固定化為邊坡沃土,於技術面及學理面上仍有諸多 亟待探討之處,期能藉由本計畫得以實現前述之創意性構思。另一方 面,本計畫將以臺北市工務局衛生下水道工程處迪化污水處理廠之已 脫水污泥(含水率約 80%)為試驗材料。

1.2 本計畫與其他子計畫之關係 本計畫與其他子計畫之關係 本計畫與其他子計畫之關係 本計畫與其他子計畫之關係

見表 1.1,本整合型計畫共含六個子計畫,而圖 1.2 為其間之架 構關聯性示意。本整合型計畫係利用環境工程的物化處理方法吸附污 泥中的重金屬使其無害化,而以生化工程的醱酵方法將污泥中有機的 部份轉化成生質柴油使其能源化,剩餘的無機部份則由土木工程領域 同仁進行資材化的研究,最後應用水資源工程領域的地下水污染模式 探討重金屬宿命與流佈傳輸機制。

本子計畫被定位在資材化要徑上,擬將污泥再利用為邊坡沃土區 之土方。其主要工作項目為污泥拌砂與石灰改良後之混合料工程性質 探討、混合料之力學與植生性質探討、混合料性質之學理分析、混合 料之應用技術及其再利用之推動策略等。此資材化方式具低耗能性、

大量性及生態性等特點。

(15)

表 1.1 整合型計畫項目

整合型計畫名稱:污水污泥無害化、能源化及資材化之研究 總主持人:楊萬發 研究講座教授

計畫項目 主 持 人 服務單位系/所 職 稱 計畫名稱

子計畫(1) 楊萬發 環能所 教授 污水污泥處理全回收技術開發

子計畫(2) 詹武忠 環能所 教授 人工吸附劑處理污水污泥重金屬之研究

子計畫(3) 黃思蓴 張慧玫

環能所 生物資訊系

教授

助理教授 污水污泥生產生質柴油之研究

子計畫(4) 邱垂德 土木與工程資訊系 副教授 污水污泥焚化再利用為工程材料之研究

子計畫(5) 楊朝平 土木與工程資訊系 副教授 污水污泥固定化再利用為工程土方之研究

子計畫(6) 呂志宗

徐增興 土木與工程資訊系 副教授

助理教授 污水污泥再利用之風險評估研究

圖 1.2 整合型計畫之架構

1.3 計畫 計畫 計畫 計畫工作內容 工作內容 工作內容 工作內容

表 1.2 為本計畫申請時初擬之三年研究工作項目,表中“●”符號 表示預計於該年度執行之項目。惟因為只核准 96 年度之經費,故其 工作項目為(1)文獻蒐集、(2)污泥物理性質測試、(3)污泥植生 試驗、(4)污泥拌砂夯實試驗、(5)污泥拌砂無圍壓縮試驗、(6)污

(16)

泥拌砂直接剪力試驗及(7)石灰穩定污泥機制探討。現今,此七大 工作項目皆業已完成,其內涵說明乃本成果報告之主軸。

表 1.2 各計畫年次之研究工作項目

計 畫 年 次 工 作 項 目

96 年度 97 年度 98 年度

文獻蒐集

污泥物理性質測試

污泥植生試驗

污泥拌砂夯實試驗

污泥拌砂無圍壓縮試驗

污泥拌砂直接剪力試驗

石灰穩定污泥機制探討

石灰-污泥混合料製作

混合料透水試驗

混合料無圍壓縮試驗

混合料三軸壓縮試驗

混合料直接剪力試驗

室外混合料植生試驗

含植生根系之混合料抗剪強度試驗

含沃土區之邊坡穩定分析

圖表繪製、資料分析

結果於技術、學理應用性之探討

推動策略

報告撰寫

SCI 期刊投稿文章撰寫

(17)

第二章 第二章 第二章

第二章 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧

於本節茲對相關於本計畫之文獻做回顧,其含污水污泥之再利用 現況、成分、資源化用途、資源化技術、綠農地、有機土工程性質及 石灰穩定細料土性質。

2.1 再利用現況 再利用現況 再利用現況 再利用現況

近年來,美國的污泥焚化處理量約佔總量的10%左右,而污泥掩 埋則因受環保政策影響略有下降,取而代之者為再利用及生物處理,

其從1989年的9%增至1998年的30%。美國全國有267處污泥生物處理 設施,以紐約州32處為最多,緬因州有機污泥生物處理的比例最高達 33%,馬里蘭及新罕什州約21﹪次之;由此數據可知,污泥再利用及 生物處理已蔚為美國污泥新的處理趨勢。表2.1為美國環保署預估 2010年污泥產量、處置及再利用情形,由此表可知其再利用之比例會 逐年增加,而掩埋及焚化處理相對減少。

表 2.1 預估美國 2010 年之處置再利用情形[USEPA, 2000]

再利用 棄置

年度 土地運

進一步處

其他 小計 掩埋場表面覆

焚化 其他 小計 2010 48% 13.5% 8.5% 70.0% 10% 19% 1% 30%

歐洲各都市在早年都有完善之規劃,故其下水道的普及率在五大 洲中最高,於許多國家如荷蘭、瑞士及盧森堡等都接近全接管;歐洲 每年產生之污水污泥量約為800萬公噸。全歐州在1998年完全禁止海 拋,而掩埋前必須經過物理、化學、生物或熱處理,污泥資源化利用 的比率也逐年提高;表2.2為歐盟會員國2005年之污泥產量及再利用

(18)

比例。

表 2.2 歐盟會員國 2005 年之污泥產量及再利用比例[轉載自洪明宏, 2003]

國家 污泥產量

(1000 ton)

再利用量 (1000 ton)

再利用百分比 (%)

每人污泥產生量 (kgf/人)

芬蘭 160 115 72 31

愛爾蘭 113 84 73 31

西班牙 1088 589 54 28

希臘 99 7 7 28

澳地利 196 68 35 24

法國 1172 765 65 19

葡萄牙 359 108 30 33

丹麥 250 125 63 38

盧森堡 14 9 64 35

德國 2786 1391 50 34

英國 1583 1118 71 27

比利時 160 47 29 16

荷蘭 401 110 27 25

日本之下水道普及率於2000年為66﹪,表2.3為近年日本污水污 泥之處置狀況。因不易尋找污泥之掩埋用地故逐日減少其掩埋量,脫 水污泥餅也由1993年之62%降至1997年的21%。污泥可經由焚化來減 少其體積,污泥焚化在土地資源缺乏的日本有大幅度成長的趨勢,其 由1993年之15%上升至1997年之69%。日本多年來推動污泥資源化再 利用已收到相當成效,其發展方向以綠農地應用、建材使用及能源回 收為主,其再利用部份由1993年的23﹪提升至1997年的33﹪[田中和 博、佐藤和明, 1996; 台北市政府工務局衛生下水道工程處, 2002]。

國內每年所產生的總污泥約 108 萬噸,以脫水掩埋處理方式為 主,而以再利用為輔。另以台北市為例,預估至民國 2009 年之污泥 年產出量約 30 萬公噸,處理費也高達新台幣十億元以上,因掩埋場 有限日後應增加污泥再利用之比例[台北市政府工務局衛生下水道工 程處,2002]。根據楊萬發、洪明龍等人就「家庭廚餘與下水污泥共同 堆肥之資源化研究」市場分析結果顯示, 83.3%之臺北市園藝相關業

(19)

者願意購買污水污泥所製成之堆肥;另有 16.7%不願購買,原因為不 清楚成分及重金屬過高之疑慮。若能有效控制污泥堆肥中之重金屬成 分及製造成本,可以增加民眾購買污泥堆肥的意願[轉載自洪明宏, 2002]。

表 2.3 日本近年污水污泥之處理狀況(單位:1000m /3 year)

項目 年度 陸地掩埋 海洋拋棄 再利用 其他

1993 299 11 70 6

1994 795 102 392 176

脫水泥餅

1997 243 0 84 24

1993 787 0 159 31

1994 150 116 87 7

焚化灰

1997 780 0 344 56

1993 11 0 9 0

1994 8 0 39 22

乾燥泥餅

1997 14 0 139 8

1993 0 0 110 0

1994 11 0 64 399

消化、濃縮污泥

1997 0 0 0 18

2.2 成分 成分 成分 成分

迪化污水處理廠生污泥之含水量約 99%、有機成分約 0.8%、無 機成分約 0.2%;濃縮污泥之含水量約 33%、有機成分約 0.8%、無機 成分約 0.2%;消化污泥之含水量約 33%、有機成分約 0.4%、無機成 分約 0.2%;焚化灰之含水量 0%、有機成分 0%、無機成分約 0.2%。

另一方面,污泥餅之含水量約為 75%~85 %,其餘為固體物質。揮發 物質(C、H、N 及 P 等)約佔固體物質之 60~80 %,另尚含有 Si、

Ca、Al、Fe 及 Mg 等氧化物質[台 北 市 政 府 工 務 局 衛 生 下 水 道 工 程 處 , 2002]。

(20)

2.3 資源化用途 資源化用途 資源化用途 資源化用途

由於目前掩埋場地日漸減少,然國內污泥量將隨著下水道日漸普 及而大量增加,為解決污泥處置問題,資源化將成為未來之處理趨 勢,以下概述污水污泥資源化之用途[Tay, 1987a, 1987b, Tay, et al., 1993; Tay and Show, 1997; 余岳峰, 1999; 林獻山、黃惠瑜, 2000; Lin and Weng, 2001; 台灣下水道協會, 2001 ]。茲根據前述文獻將污水污 泥於建築材料之資源化用途整理於圖 2.1,知曉污泥用途依原料污泥 狀態、加工處理及處理生成物而異甚多元化。另依據表 2.4 之日本 2004 年污泥再利用分析數據,知曉污泥資源化之比例相當高 66%(建築材 料用途+綠農地);此乃因為日本對污泥資源化通路(建廠費用、產品 等)提供了相當的補助。

原料污泥狀態 加工處理 處理生成物 資源化用途

脫水污泥

燒卻灰

混合‧乾燥 乾燥‧炭化

炭化‧活化

乾燥污泥混合物 炭化污泥

污泥活性碳

水泥原料 融雪劑 水泥原料 除臭劑 脫水輔助材

加工 燒卻灰

材料 材料

水泥原料

燒成

燒成 燒成物

水性 燒成 燒成物

加工 材料

原料污泥狀態 加工處理 處理生成物 資源化用途

脫水污泥

燒卻灰

混合‧乾燥 乾燥‧炭化

炭化‧活化

乾燥污泥混合物 炭化污泥

污泥活性碳

水泥原料 融雪劑 水泥原料 除臭劑 脫水輔助材

加工 燒卻灰

材料 材料

水泥原料

燒成

燒成 燒成物

水性 燒成 燒成物

加工 材料

圖 2.1 污泥於建築材料之資源化用途

(21)

表 2.4 日本 2004 年污水污泥資源化用途[中欣工程行, 2006]

用途 產品或最終處理方式 百分比(%)

土壤改良劑 2

燒成磚 2

水泥原料 29

人行道磚 1%

輕質骨材 6

掩埋覆土 5

透水磚 0.5%

混凝土骨材 1

路盤材料 1

混凝土二次製品 1

柏油瀝青材料 1

土木、建築材料 52 %

其他建材使用 5

肥料 12

綠農地 14 %

土壤改良劑 2

掩埋處理 31

其他 其他 3

2.4 資源化技術 資源化技術 資源化技術 資源化技術

資源化技術主要有焚化、燒結、溶融、堆肥、乾燥及鹼性安定等,

以下概述之[Cecil and Peter Matthews, 1996; 蕭炳欽、駱尚廉, 1997;

Campbell, 2000; 蔡振球, 2006 ]:

一、焚化

焚化的過程為在充分氧氣供應、反應系統有良好擾動及高操作溫 度(850~1050 )三條件下,將所處理污泥中有機物燃燒。其焚化灰 可製成土質改良劑、路基、水泥、瀝青混凝土、磁磚、透水磚等;唯 國內目前多將污泥與垃圾共同焚化,致其產品再利用價值低。

二、燒結

一般燒結技術為將原料加熱在 300~600 的溫度下乾燥,預先 除去其中的揮發成分,使原有的有機物大約 80 %炭化。由於有機污 泥含有大量的有機物質,利用有機污泥低溫炭化技術可將污泥中有機

(22)

成份炭化,當作燃料使用。碳化處理後之污泥主要可應用於除臭劑、

燃料及脫水輔助材等使用。

三、熔融

熔融為一高耗能之處理技術,熔融與焚化同屬熱處理都必須高溫 燃燒,最大的不同點是熔融燃燒溫度高達攝氏 1400~2400 ,致產生 之底灰也不一樣;溶融後之產物主要資源化於磚類。

四、堆肥

現代化的堆肥技術,多以好氧堆肥化的方式為主,主要原因為其 具有溫度高(約為 55~60 效果較佳)、基質分解較為徹底、堆置週期 較短、臭味較少、可以大規模採用機械處理等優點。產物主要應用於 土壤改良劑與肥料,目前國內對於相關產品並無規範。

五、乾燥

以空氣壓縮乾燥法或瓦斯加熱乾燥法處理,例如在歐美被廣泛使 用者為轉台式乾燥機。一般使用天然氣或丙烷燃燒,維持溫度在 260~480 左右,熱氣體進入後與污泥表面接觸可迅速烘乾,氣體經 管線收集後經空氣處理設備排放。此法可使污泥含水率小於 10 %,

有減少體積、殺菌效果、減少運輸費用及增加儲存能力等優點。

六、鹼性固定

將污水污泥拌以石灰等鹼性化合物,在 pH =10 及 25 下 72 小 時,或 pH 值大於 10 及 52 下 12 小時,再利用空氣或機械乾燥可使 其含水率降到 50 %以下。污泥經過鹼性安定後,將使 pH 值改變並產 出生物化學鈍化產品,可用於農業肥料及酸性土壤之改良劑;此法具 低耗能及操作簡單等特點。圖 2.2 為依據待固定物之物理性質,建議

(23)

適合固定劑之選擇流程。

Perform sieve analysis test

Perform atterberg limit test

<25%

pass No.200

>25%

pass No.200

PI<10

PI>10

PI<10

10<PI<30

PI>30

Add sufficient lime to reduce PI < 10 (subgrade) PI < 6 (base course)

Add sufficient lime to reduce PI < 30

Bituminous stabilization Lime stabilization Cement stabilization

Lime stabilization Bituminous stabilization for base courses PI < 6

(%pass No. 200) <72

Cement stabilization

Lime stabilization

Cement stabilization

Cement stabilization

Cement stabilization

圖 2.2 土壤固定處理方法選擇流程[FHWA 規範]

現今日本之污水污泥資源化成本於焚化、溶融及燒結皆大於 2,000 元/公噸;堆肥、乾燥及鹼性安定約在 1,100~1400 元/公噸。若 污泥要製成紅磚、磁磚或透水磚等時,須先以焚化或溶融的方式前處 理,再混合黏土或其他原料,經壓力成型機及隧道窯製成,故成本較 高。另若污泥不經焚化或溶融處理,直接造粒或經壓力成型機成形後 燒結出產品,則其成本雖較低,但產品之品質不如前者好。綜合言之,

污泥處理之單位成本以堆肥、乾燥及鹼性安定最低,但使用土地面積 大、處理時間長;而焚化、燒結、熔融比較耗能且建廠成本大[中欣 工程行, 2006]。

(24)

2.5 綠農地 綠農地 綠農地 綠農地

茲 根據 文獻將 污水 污泥 於綠農 地之 資源 化用途 整理 於圖 2.3 [Gaspard, et al., 1995; Schnaak, et al., 1997; 台灣下水道協會, 2001; 內 政部營建署, 2002; 洪明宏, 2002]。一般污水污泥於綠農地使用時須經 前處理如脫水、炭化及焚化等處理。

一、脫水污泥

脫水污泥可製成有機堆肥,於先進國家處理廠不僅製造肥料的原 料免費,同時亦可獲得政府補貼;政府一方面減少了污泥處置費,又 可減少掩埋場及焚化廠等污泥處置設施的成本,且施用後土壤農作物 生產量提升使農民受益。

二、炭化污泥

脫水污泥經炭化爐以600 燜燒即成為炭化污泥,具材質輕量、

無臭、安定及多孔質,且有保水、保肥、透水、吸著、脫臭、水淨化 等性質,可作為土壤改良劑、園藝用土壤、調濕材等。

三、污泥焚化灰

污泥焚化灰經過造粒後,可作為園藝用土壤,亦可添加污泥焚化 灰,可增強通氣性及改善肥料性質。

美國有些州積極並有計畫的實施污水污泥之綠農地應用策略,如 科羅拉多州、新澤西州、賓夕法尼亞州、俄亥俄州等,其都已有顯著 的業績。這些計畫有助益於政府當局藉由提供一環境容許、符合成本 考量及有效的污泥管理方式,並使參與的農民也能因而獲利。現今,

歐洲國家污水污泥之綠農地應用約佔總量的 45%;歐盟為了使民眾安 心使用,制定了污泥堆肥之品質標準及使用準則,再藉推廣宣導以解 決污泥之通路問題。

(25)

表 2.4 中日本污泥綠農地使用比例為 14 %,較歐美國家 30~45 % 少很多。其原因為日本為了減少重金屬累積,對污泥綠農地使用有較 嚴格規定。日本當局也發現污泥應用於綠農地會產生數個問題:(1)

病原菌、寄生蟲及雜草種子混雜於污泥堆肥中,(2)因含水量高及 臭味致不易操作,(3)重金屬累積於土壤,(4)施用量與施用技術 等。為了解決上述問題,日本建設省公告「防止農地土壤重金屬含量 沉積管理基準法」規範污泥堆肥品質,並製作「下水道污泥使用在都 市景觀植栽手冊」引導民眾使用污泥堆肥。

原料污泥狀態 加工處理 處理生成物 資源化用途

脫水污泥 脫水污泥

乾燥污泥 污泥

加工

乾燥

乾燥‧炭化 炭化污泥 加劑 炭

燒卻灰

原料污泥狀態 加工處理 處理生成物 資源化用途

脫水污泥 脫水污泥

乾燥污泥 污泥

加工

乾燥

乾燥‧炭化 炭化污泥 加劑 炭

燒卻灰

圖 2.3 污水污泥於綠農地之資源化用途

2.6 有機土工程性質 有機土工程性質 有機土工程性質 有機土工程性質

再利用為邊坡沃土區之污水污泥屬有機土,行政院公共工程委員 會之「公共工程施工綱要規範」規定有機土之夯實最大乾單位重應大 於 14.7kN/m3。有著書認為土壤中之有機物含量在 2%~4%左右,就 會影響其工程性質[日本土質工學會, 1985]。Franklin, Orozco and Semrau (1973)觀察土壤中的污水污泥含量對其夯實行為、強度的影 響,發現隨污泥含量之增加其最佳含水量增大,而最大乾單位重、無

(26)

圍壓縮強度遞減,此種變化趨勢於污泥含量大於 8%時更為顯著。

Lancaster, et al. (1996)建議若土壤之有機物含量大於 10%時,不適用 為待夯實改良之土料。

2.7 石灰穩定細料土性質 石灰穩定細料土性質 石灰穩定細料土性質 石灰穩定細料土性質

使用石灰穩定土壤以提昇其工程用途之歷史已甚久,古早在埃 及、希臘等國度就有出現石灰穩定土壤之馬車道路。近代,美國在 1904 年著手進行石灰穩定土之試驗,1924 年此技術首次用於高速公 路引道之施工上;在二次大戰期間,此技術亦被廣泛應用於道路及機 場跑道之土層改良上。至今,世界各地已廣泛使用石灰穩定細料土 (fine-grained soil)之技術,以擴展其工程應用性;例如藉此技術改良 公路、鐵路、機場之基底層,置換土堤之不穩定邊坡,作為擋土牆及 橋臺之回填土,襯砌輸水路以減小滲漏等[Anon, 1985, 1990]。

2.7.1 一般土壤之一般土壤之一般土壤之一般土壤之典型性質典型性質典型性質典型性質

一般言之,以石灰穩定細料土可達降低塑性、提昇施工性及降低 土壤體積變化性等效果,但是不一定可改善其強度、變形(應力應變 行為)及耐久性等性質,即石灰-土壤混合物(Soil-lime ,mixture)之性 質受土壤種類、石灰種類、石灰含量及養護條件(時間、溫度、水分) 等之影響。不養護混合物(Uncured mixture)之性質觀察著重於塑性、

施工性及土壤體積變化性,對施工階段之影響性大;而養護混合物 (Cured mixture) 之性質觀察著重於強度、變形及耐久性,對構造物長 期行為之影響性大[Ronald et al. , 1979]。

(27)

一 一 一

一、、、、不養護混合物不養護混合物不養護混合物不養護混合物性質性質性質性質 塑性

一般而言,對於高塑性及高黏土含量之土壤需使混合較多的石灰 方能達到降低塑性(减小塑性指數 PI 值、增加縮性指數;易碎、工作 性佳)之效果。

夯實性質

不養護混合物之夯實性質或施工性係以其含水量-單位重關係

(或稱夯實曲線)觀察之;若以低塑性黏土為例,與天然土壤相比較,

在同一夯實能量下,石灰-土壤混合物具較低之單位重及較高之最佳 含水量。而在夯實前疏鬆狀態下被養護之石灰-土壤混合物,會更進 一步降低其單位重及增加最佳含水量。

體積變化性

係以膨脹性觀察石灰-土壤混合物之體積變化性質,通常其膨脹 潛勢會因膠體之形成而降低,如 CBR 試驗之回脹(swell)約降低 1%。

強度及變形

石灰之早期反應可改善石灰-土壤混合物之強度及變形性質,一 般以抗剪強度、CBR 值、錐貫入指數及靜態無圍壓縮彈性模數等衡 量之。若以石灰含量Lc(lime content;重量比, by weight of soil basis)

5%之低塑性黏土為例,其經依 AASHTO T99 規範夯實試體之 CBR 值隨含水量的增加而顯著的降低,如從含水量 8%之 CBR=31%降至 含水量 24%之 CBR=4%。

(28)

二 二 二

二、、、、養護混合物養護混合物養護混合物養護混合物性質性質性質 性質

經長期養護的石灰-土壤混合物,會因其膠結作用而持續增加其 強度及彈性模數;而此等數據非為定值,即對一試體(具相同土壤種 類、石灰種類及石灰含量者)其會因養護條件(時間、溫度、水分)等 之改變而變化。

無圍壓縮強度

經養護之石灰-土壤混合物會因膠結作用而顯著增加其無圍壓縮 強度qu,如對 Illinois soil 而言,其養護 28 天之qu值比天然土高出 1,724kPa;而對一般細料土而言,約有 690kPa之改良效果可期待。

強度及變形

經養護之石灰-土壤混合物對粘著力c(Cohesion)之增加效果大於 內摩擦角φ(Internal friction angle),然而對於淺層低圍壓之柔性舖面構 造物(Flexible pavement structure)而言,增加粘著力是具有顯著的工程 及 力 學 意 義 。 經 以 石 灰 穩 定 及 養 護 之 Illinois soil , 其φ 值 介 於 25o~35o,遠大於同一狀態(含水量、單位重)之天然土。另一方面,

粘著力c與qu間具式(2.1)之關係。

) ( 29 . 0 9 )

(psi q psi

c = + ⋅ u (2.1)

正確分析含石灰-土壤混合物道路基層舖面結構行為之基本要項 係其應力應變性質(Stress-strain properties);與天然土壤相比較,石灰 -土壤混合物之qu值較高,而其破壞點的應變較小,此種趨勢隨養護 期的增加而趨顯著。於分析上,建議石灰-土壤混合物之合理柏松比 ν (Poisson’s ratio)介於 0.15~0.20 間。另一方面,根據三軸壓縮試驗結 果,其割線彈性模數E50與qu間具式(2.2)之關係。

(29)

) ( 124 . 0 98 . 9 )

50(ksi q psi

E = + ⋅ u (2.2)

2.7.2 黏土之性質黏土之性質黏土之性質黏土之性質

Bell (1996)居於道路工程之軟弱土層改良用途,對最常遭遇到三 種黏土層[高嶺土(比重Gs=2.57)、蒙脫土(Gs=2.63)及石英土

(Gs=2.65)]之石灰穩定效果進行試驗;所設定之石灰含量Lc為 0%、

2%、4%、6%、8%及 10%,其研究成果如下所示。

一一

一一、、、、化學反應化學反應化學反應化學反應

高 嶺 土 的 陽 離 子 交 換 能 力 (Cation ion exchange capacity) 於

Lc=0%時為 4meq/100g,當Lc=2%時增至最大的 12meq/100g,之後隨 著Lc的增加而有稍減小之趨勢。蒙脫土的陽離子交換能力於Lc=0%時 為 88meq/100g最大值,當Lc=2%時降至 56meq/100g,之後隨著Lc的 增 加 而 有稍 再增大 的 趨 勢。 陽離子 交 換 作用 有助於 石 灰 之定 著 (Fixation),而當此作用趨緩時表示土壤塑性降低。然而,對高嶺土、

蒙脫土而言,陽離子交換能力對石灰穩定土強度的影響性小(並非重 要因素)。

二二

二二、、、、微觀微觀微觀微觀

茲將高嶺土、蒙脫土於最佳含水量狀態(高嶺土 29.5%、蒙脫土 20.0%)下拌以Lc=2%、4%、6%、8%及 10%之石灰,以標準夯實試 驗夯 打成具最大乾單 位重之試體(高 嶺土 13.73kN/ m3、蒙脫 土 12.65kN/ m3)後,密封在 20 環境下養護一年。在電子顯微鏡下

(30)

(Gel-like material)所黏著,而蒙脫土則在片狀物邊緣產生模糊斑點 (Hazy patch)。

三三

三三、、、、物理性質物理性質物理性質物理性質

方面,因為從石灰(Ca(OH)2)所分解的 Ca++會降低塑性,使黏土塊易 碎而具較佳之工作性,此乃因片狀黏土礦物被膠結成棉絮狀結構使其 成為接近粉土性質之故;添加些許的石灰入黏土中,即可達降低塑性 之效果(Lc=1%~3%)。

天然(Lc=0%)高嶺土之液性限度LL=75%,當Lc=2%時LL增大 至 94%,之後隨著Lc之增大其LL值約等值於 94%。天然蒙脫土之

LL=114%,當Lc=2%時LL降至 86%;之後,隨著Lc之增大其LL值持 續降低,當Lc=10%時其LL降至 80%。天然石英土之LL=52%,當

Lc=2%時其LL增大至 73%;之後隨著Lc之增大其LL值約等值於 73%。

天然高嶺土之塑性限度PL=42%,當Lc=2%時PL增大至 44%,之 後隨著Lc之增大其PL值持續降低至Lc=10%時之 32%。天然蒙脫土之

PL=67%,當Lc=4%時PL增至 72%;之後,隨著Lc之增大其PL值持 續降低至Lc=10%之 62%。天然石英土之PL=38%,當Lc=2%時其PL增 大至 49%;之後隨著Lc之增大其PL值持續降低至Lc=10%之 31%。

前述「Lc增大土壤之LL變大」現象係水化物離子反應(Action of hydroxyl ions)提昇了黏土礦物與水之親合力所致[Croft, 1964]。整體而 言,隨著Lc之增大,黏土之塑性指數PI(=LL-PL)有增大之趨勢。

具膨脹性之黏土礦物(如蒙脫土)會因乾、濕環境變化而收縮、膨脹,

藉 由 添 加石 灰可顯 著 的 改善 此種行 為 。 天然 蒙脫土 之 線 收縮 性 (Linear shrinkage)為 14%,當Lc=2%時降至 6%,之後隨著Lc之增大其 收縮性持續降低至Lc=10%時之 3%;添加石灰降低黏土礦物收縮性之

(31)

原因主要係某些陽離子被鈣取代所致,即石灰穩定土(Lime-stabilized soil)之吸水性低於天然土 [Bhasin et al, 1978]。

四四

四四、、、、夯實性質夯實性質夯實性質夯實性質

高嶺土之最佳含水比wopt及最大乾單位重γd,max於Lc=0%時分別為 29%及 13.73kN/m3,而於Lc=6%時分別為 31%及 13.05kN/m3;蒙脫土 之woptγd,max於Lc=0%時分別為 20%及 12.65kN/m3,而於Lc=4%時分 別為 25%及 11.28kN/m3;石英土之woptγd,max於Lc=0%時分別為 28%

及 13.83kN/m3,而於Lc=6%時分別為 32%及 13.73kN/m3。一般而言,

將石灰加入黏土時,其最佳含水量增加,而最大乾單位重減小;而單 位重會減小係因為早期反應的陽離子交換及密簇作用使夯實效率降 低所致。

五 五 五

五、、、、加州承載比加州承載比加州承載比加州承載比(California bearing ratio CBR)

石灰穩定土之 CBR 於早期反應時即顯現出來,而且如果石灰含 量足夠其 CBR 會持續增大。高嶺土之 CBR 於Lc=0%時為 1%,而於

Lc=6%時為 14%,蒙脫土之 CBR 於Lc=0%時為 9%,而於Lc=4%時為 18%,石英土之 CBR 於Lc=0%時為 1%,而於Lc=6%時為 22%。

六 六 六

六、、、、強度強度強度強度

石灰處理土的強度增加係來自膠結作用,其實少量的矽或鋁即可 維持膠結作用之進行,故一般黏土在被添加石灰後強度會增大,而且 膨脹性黏土(如蒙脫土)之強度增加比較大。茲對處於最佳夯實狀態 具不同石灰含量之三種黏土進行養護(1 天、3 天、7 天、14 天及 28 天)後,續施行無圍壓縮試驗以求其強度qu。發現其qu最大值皆出現

(32)

在Lc=4%附近;過量的石灰不但無增加強度效果反而更會使其降低,

係因石灰本身既不具摩擦性也無粘著性及試體乾單位重較小。此種強 度降低速率將因土壤種類而異,如於蒙脫土之強度降低速率最大、高 嶺土較緩,而石英土則幾乎無降低趨勢。於養護時間對試體的qu的影 響性方面,茲對Lc=4%者觀察之。

高嶺土之qu於 1 天 710kPa、3 天 802kPa、7 天 817kPa、14 天 909kPa、28 天 1,018kPa,知曉其qu值隨養護天數之增加而增大,且 甚大於天然土之 355kPa。而無法觀察出蒙脫土qu值與養護天數之顯 著關係,依試驗結果知曉其在第 14 天之qu=745kPa,僅略小於第 28 天之qu=802kPa(天然土之qu=405kPa)。

(33)

第三章 第三章 第三章

第三章 試驗方法 試驗方法 試驗方法 試驗方法

3.1 取樣 取樣 取樣 取樣及污泥拌 及污泥拌 及污泥拌 及污泥拌砂 砂 砂試料製作 砂 試料製作 試料製作 試料製作

3.1.1 取樣取樣取樣取樣

本計畫所使用之試驗材料為脫水污泥(臺北迪化污水處理廠), 圖 3.1 為此污泥之產生流程,所取之污泥為經脫水處理者(Water reduction facilities)。圖 3.2 為至廠區取污泥試驗材料之情形,經現地 觀察知曉其含水量高、呈黏稠狀、散發臭味。將此污泥裝袋密封後運 回學校實驗室,至於陰涼空間以避免其含水狀態改變。

Intake pipe and flow meter

Fine bar screen

Primary sedimentation pools

Secondary sedimentation pools Sand

remover facility

Sludge dewatering machine

Anaerobic sludge decomposition

Water reduction facilities Sludge

Scum thickening machine

Deep tank feed aeration tanks

scum

Use of multi-target 1. Incineration 2. Brickmaking 3. Cement additives 4. Lime additives sludge

Sand Aerated grit

chamber

scum

sludge

圖 3.1 脫水污泥之產生流程

(34)

圖 3.2 於臺北迪化污水處理廠取污泥之情形

表 3.1 為 試 驗 用 污 泥 之 物 理 性 質 及 其 金 屬 含 量 , 知 曉 其 pH=6.8~7.1 微弱酸性,含水率(水重量÷含水污泥重)=70.0%~70.4%

及 C/N 比=10.6。於金屬含量方面,鋅(Zn)=1,080~1,630 mg/l、銅 (Cu)=325~356 mg/l、鉻(Cr)=218~235 mg/l、鉛(Pb)=81.6~112.0 mg/l、

鎳 (Ni)=69.2~85.2 mg/l、砷(As)=2.95~9.29 mg/l、汞(Hg)=2.37~3.35 mg/l、鎘(Cd)=1.25~2.65 mg/l;知曉其僅含微量之砷、汞及鎘。另一 方面,圖 3.3 為將污泥以 600oC燒結後之情形,其會膠結成粒徑約小 於 5 ㎜之硬狀顆粒。

(35)

表 3.1 試驗用污泥之物理性質及其金屬含量[Taipei City Government, 2007]

Ag-Bag 成品 傳統發酵成品

項目 污泥 試驗

結果 1

試驗 結果 2

試驗

結果 3 污泥 試驗

結果 1

試驗 結果 2

試驗 結果 3

pH 6.8 6.5 6.3 6.3 7.1 7.0 7.1 7.0

含水 率(%)

70.0 51.2 62.9 63.2 70.4 40.7 44.5 50.9

C/N 比 10.6 37.59 16.42 47.14 10.6 17.43 17.54 20.56 鋅 Zn

(mg/l)

1,080 573 465 458 1,630 783 762 752

銅 Cu (mg/l)

356 299 258 253 325 312 348 342

鉻 Cr (mg/l)

218 141 140 134 235 226 235 240

鉛 Pb (mg/l)

81.6 95.0 74.5 70.8 112.0 90.5 94.1 96.0

鎳 Ni (mg/l)

85.2 92.3 73.4 74.3 97.7 69.2 74.7 72.9

砷 As (mg/l)

2.95 4.49 5.57 4.29 6.43 9.29 10.5 8.81

汞 Hg (mg/l)

3.35 3.31 3.25 3.09 4.30 2.37 2.27 2.41

鎘 Cd (mg/l)

2.65 2.91 2.31 2.20 3.23 1.25 1.47 1.43

臭味 指數

12 <10 10 10 <10 <10

* 重金屬為總量測試值

(36)

圖 3.3 以 600oC燒結後之污泥

3.1.2 污泥拌污泥拌污泥拌污泥拌砂砂砂試料製作砂試料製作試料製作 試料製作

所使用之試料計分四種,(1)出廠污泥,以 M10S0 表示之;(2)

重量比污泥 70%砂 30%之試料,以 M7S3 表示之;(3) 重量比污泥 50%

砂 50%之試料,以 M5S5 表示之;(4)重量比污泥 30%砂 70%之試料,

以 M3S7 表示之。前述之砂係取自新竹市南港海岸之砂丘(見圖 3.4); 其比重=2.67、含水比介於 0.17%~0.24%之間、pH=6.85~7.71;砂粒徑 介於 0.1 ㎜~0.9 ㎜之間,依據統一土壤分類系統其分類符號為 SP,即 級配不良之砂土。

(37)

圖 3.4 新竹市南港海岸之砂丘

3.2 試料 試料 試料 試料之 之 之 之物理性質 物理性質 物理性質及植生 物理性質 及植生 及植生試驗方法 及植生 試驗方法 試驗方法 試驗方法

3.2.1 物理性質試驗方法物理性質試驗方法物理性質試驗方法物理性質試驗方法 一

一 一

一、、、、乾燥試驗方法乾燥試驗方法乾燥試驗方法乾燥試驗方法

因出廠污泥之含水量甚高,於處理上的首要作業是透過乾燥作業 降低其含水量,以利搬運及資源化。本計劃施行高溫烘乾及曝曬兩種 乾燥試驗,觀察乾燥時間與含水量之關係;並定義兩種含水量之表示 方法,即含水率(Water content rate)=(水重量÷含水污泥重)、含水比 (Moisture content)=(水重量÷乾污泥重),於環境工程領域慣用「含水 率」,而於土木工程領域則慣用「含水比」。

於高溫烘乾方面,係將污泥裝入小盤並置入恆溫 100 之烘箱 裡,每隔 1hr 量測一次含水量;圖 3.5 為出廠污泥,圖 3.6 為完全乾 燥後之污泥。另一方面,於實務上,污泥量大往往無法以機械烘乾,

而曝曬則是最經濟的降低含水量方法。曝曬之天候狀態為「有太陽照 射」,將污泥土樣散舖於大盤裡接受日照,落日後或陰雨天則用帆布

(38)

年 4 月 9 日終於 2008 年 5 月 13 日,期間之溫度=24~36 、溼度

=50~94%;曝曬累積時間中每隔約 7 小時量測一次含水量。圖 3.7、

圖 3.8 及圖 3.9 分別為不同曝曬日期之土樣外觀狀態。

圖 3.5 烘箱乾燥前之出廠污泥

圖 3.6 完全烘乾後之污泥

(39)

圖 3.7 曝曬初始之出廠污泥(2008,04,09)

圖 3.8 曝曬過程之污泥(2008,05,02)

圖 3.9 曝曬結束之污泥(2008,05,14)

(40)

二 二 二

二、、、、比重試驗方法比重試驗方法比重試驗方法比重試驗方法

比重(Specific Gravity)定義為該材料之單位重與水單位重之比 值;吾人得藉測定土樣之比重

G

s,使用土壤三相體之重量與體積關 係,計算其孔隙比(

e = [( G

s

⋅ γ

w

) / γ

d

] − 1

)、飽和度

S

S ⋅ e = G

s

⋅ w

);

γ

w為水單位重、

γ

d為土壤乾單位重(

γ

d

= γ /( 1 + w )

)、

γ

為土壤單位 重、w為土壤含水量。茲依據

ASTM-D854

,取通過

10

號篩的氣乾土

樣約

0.5 N

烘乾又氣乾後,以四分法再分取約

0.15 N

的土裝入比重瓶

裡進行試驗。見圖

3.10

,此試驗之注意項項為:

1.

加水到能蓋過比重瓶之土壤為原則。

2.

應緩慢將水沿著玻璃棒順流而下,以免產生氣泡。

3.

加熱含土樣之比重瓶時,注意沸騰時勿讓土樣殘留於瓶口處,且 要不停的搖晃瓶子,確實使空氣能排出。

4.

試驗過程中,盡量將氣泡排除,以免誤差過大。

5.

3

組試驗,取較接近的

2

個數據之平均值為該試樣比重。

3.10

比重試驗情形

(41)

三 三 三

三、、、、稠度試驗方法稠度試驗方法稠度試驗方法稠度試驗方法

因含水量變化而改變土體狀態(液性、塑性、半固體、固體)之 性質稱稠度;吾人分別依

ASTM D-4318

ASTM-D427

規範求試料 之液性限度LL(見圖

3.11

)及塑性限度

PL

LL

為土壤在一特定之 擾動狀態下能發生流動之最小含水量;土壤之含水量達到

LL

時,表 其孔隙已完全被水所充滿具液狀性,而可藉本身之重量流動,此時凝 聚力與內摩擦力將遽降,土體完全喪失穩定;一般而言,

LL

越大之 土壤,其可塑性、壓縮性大。另一方面,

PL

為土壤具可塑性之最低 含水量,

PL

值於粘土、膠體土等頗大,於粉土小,於砂、雲母則無 塑性。由粉粘土含量

F

LL

PL

所衍伸出來的其他參數為塑性指數

PI = LL − PL )

、液性指數(

LI = ( − w PL ) / PI

)、活性(

A = PI / F

) 等,並由圖

2.2

可知土壤固化材之選擇,也是經由土壤篩分析及

PI

值 以評估其適用性。

施行液性限度試驗之注意事項為:

1.

準備試料時,烘乾土之溫度不可超過

60

o,以免土粒裂解或膠結成 塊破壞吸附水層;膠結成團塊者應予揉散。

2.

加水拌土要均勻。

3.

各試驗步驟應盡量快速,以免結果發生偏差。

4.

應各由同一人敲打讀數及看土壤接縫是否達到

12.5

mm

5.

試驗次數宜

4

次以上,含水量由低到高變化。

施行塑性限度試驗之注意事項為:

1.

加水拌土要均勻,初始含水量宜略小於液性限度。

2.

土壤揉搓過程中,壓力應一致。

3.

由於要搓出直徑

3

mm的土條而且要斷成很多段甚困難,因此水分

(42)

控制甚重要,且應耐心、細心的做。

3.11

液性限度試驗情形

四 四 四

四、、、、粒徑分布試驗方法粒徑分布試驗方法粒徑分布試驗方法粒徑分布試驗方法

茲 以 篩 分 析 法 求 試 料 之 粒 徑 分 佈 曲 線 , 其 適 用 於 粒 徑

D

>0.075

mm之土樣,

ASTM D-452

為其試驗規範。先依四分法取適量試 樣置入篩網組,以搖篩機震動約

15

min.後,分別秤留於各篩網之土樣 重量,據以求其粒徑分布曲線。

五 五 五

五、、、、

pH

值值值值試驗方法試驗方法試驗方法 試驗方法

污泥含有機質,所考慮的可能再利用途是直接作為植生沃土或經 石灰固化改良後作為工程土方,此兩種用途皆須考慮其所含之氫離子 濃度(或稱pH 值)。。。一般而言,適合植生之土壤為。

5<

pH

<9

者,若 土壤較具酸性,則應考慮提高土壤鹼性之改良方法,如添加石灰等。

另一方面,影響石灰固化土之因素包含離子交換能力、土壤孔隙 水中之

PH

值、固化材料種類、養護時間等諸多因素。污泥添加石灰 之化學反應會使其

pH

值增大,

pH

值愈高愈有利於離子交換作用之

(43)

進行固化效果愈好;反之,如

pH

值較小則固化效果差;基本上,鹼 性土壤的水泥固化效果較佳,一般要求其

pH

值大於

12.1

。石灰固化 土之

pH

值若大於

12.1

,則土壤之有機物含量將不會妨礙石灰的固化 功能(

PCA, 1970

)。

求土壤pH 值所需之儀器為

pH

值測定儀、天秤、烘箱及塑膠瓶、

燒杯等;參閱圖

3.12

,其試驗步驟如下

(NIEA S-410.61C

規範或

ASTM D-2976

規範

)

1.

以蒸餾水清洗

pH

值測定儀後,擦乾洗淨並校正之。

2.

取通過

40

號篩之氣乾試料

25 g

置入容量

150 ml

塑膠瓶內,加入適 量蒸餾水鎖緊瓶蓋搖動使成為濃稠液。

3. 15

分鐘後將濃稠液移入燒杯內,以測定儀量其pH 值。

3.12

試料之pH 值量測情形

(44)

3.2.2 植生試驗方法植生試驗方法植生試驗方法植生試驗方法

污泥含大量有機質,將其作為植生沃土係最直接之再利用途,惟

經層層處理後之試料是否尚具肥沃性有待觀察。參見圖

3.13

,本計劃 為觀察試料之肥沃性,於中華大學校園內開闢四個方格試驗區,將四 種試料(

M10S0

M7S3

M5S5

M3S7

)舖於方格區內約

30

㎝厚,

其上種植園地野草,將持續觀察其生長情形。

3.13

試料植生試驗

(2008,04,19)

3.3 試料之 試料之 試料之 試料之工程性質試驗方法 工程性質試驗方法 工程性質試驗方法 工程性質試驗方法

一 一

一、、、、夯實試驗夯實試驗夯實試驗夯實試驗

由於夯實具有增加土壤強度之特性,因此藉由夯實可增加基礎 的承載能力及減少結構物非期望的沉陷量,以及增加路堤邊坡的穩 定性。亦即將疏鬆土壤加以夯實,使土壤顆粒重新排列、破碎而增 進顆粒間的結合力,進而增加土壤單位重,以提高土壤抗剪強度,降 低壓縮及滲透性之功效,。另一方面,含水比對土壤之夯實性質甚具

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