中 華 大 學
碩 士 論 文
石灰穩定污水污泥之凝結性質探討
系 所 別：土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名：M09604020 張 志 偉 指導教授：楊 朝 平 博 士
中華民國 九十八 年 八 月
wo
摘要
台灣地區下水道普及率提升，污水污泥量隨之大幅增加，妥善處 理日漸增加之污水污泥，為目前急需探討之議題。本研究先行推導污 泥-石灰反應式，並初步觀察污泥拌以石灰之試體的工程性質；續以 維卡針試驗，觀察初始含水率 =83.1%、78.1%、73.1%及68.1之四 種污泥，分別拌以石灰添加量 =0%、3%、6%、9%、12%、15%、
18%、21%及24%石灰，計36個試體於不同養護期之凝結性質及其 wo
Lc
相 關物理量。
研究發現(1) 由污泥-石灰反應式可確定其具膠結作用；（2）發現 在養護期不足之狀態下，污泥拌石灰並無法提昇其工程性質；（3）對 36 個試體施行維卡針試驗，可將其凝結性質分為尚未凝結、凝結初 期、凝結中期及完全凝結四階段；（4）發現 低的試體及石灰含量高 的試體，其凝結速度快；（5）總體而言，36 個試體之 -t 之變化趨勢 隨著養護期 t 的增加單位重 漸降低；
w
w γ -t 之變化趨勢隨著養護期 t 的增加單位重w漸增高；e-t 之變化趨勢隨著養護期 t 的增加單位重 漸降低。建議後續可加入污泥-石灰混合物達到完全凝結後之工程性 質分析。
w
關鍵詞：污水污泥、石灰穩定、工程性質、維卡針、凝結性質。
Abstract
Due to the increase in the installation of sewage system in Taiwan, sewage sludge shows an accompanied great increase, proper treatment of the gradual increase of sewage sludge is thus an urgent topic for discussion right now. In this study, sludge -lime reaction formula will be derived first, and the specimen of sludge mixed with lime will be initially observed for its engineering characteristics; then Vicat Needle will be used to test and observe four sludge of initial water content of =83.1%, 78.1%, 73.1% and 68.1 mixed respectively with lime of quantity =0%, 3%, 6%, 9%, 12%, 15%, 18%, 21% and 24%, that is a total of 36 specimens will be observed, at different maintenance periods, for the coagulation property and other related physical property.
wo
Lc
It was found from the study that (1) From the reaction formula of sludge -lime, we can confirm its adhesive action; (2) It was found that when the maintenance period is not long enough, the mixing of sludge with lime can not enhance its engineering property; (3)When 36 specimens are performed with Vicat Needle test, the coagulation characteristics can be divided into non-coagulated, initially coagulated, coagulated in the medium stage and fully coagulated stages; (4) It was found that specimen of low and specimen of high lime content, the coagulation speed is fast; (5) Generally speaking, for the trend of -t of the 36 specimens, we can see that as maintenance period t increases, the unit weight will gradually get reduced; for the trend of
wo
w
w γ -t, it can be
sent that as maintenance period t increases, unit weight will get increased gradually; for the trend of -t, it can be sent that as maintenance period t increases, unit weight will get reduced gradually.
It is suggested that in the future, the engineering characteristic analysis of w
e w
fully coagulated sludge-lime mixture can be added.
Key words: sewage sludge, lime stability, engineering characteristic, Vicat Needle, coagulation characteristics.
誌 謝
由衷感謝恩師 楊朝平教授給予學術與處事方面的多方教導與悉 心匡正，更於論文撰寫期間逐字批閱斧正，使論文得以順利完成，師 恩浩瀚將永銘於心，僅在此致上最高敬意。
論文發表審查期間承蒙聯合大學王承德教授及本校吳淵洵教授 於百忙中撥冗指正及提供寶貴意見，使本論文錯誤與疏漏得以扶正以 臻完善，在此至上誠摯之謝意。在學期間，亦承蒙李煜舲教授與呂志 宗教授於學識上之教導及協助，深表由衷感謝。
在研究過程中，感謝同學奉舉、振興、俊煙、冠評、偉志、義堅、
宛瑩及元虎在課業上相互支持與鼓勵；特別感謝同窗文德及文思在研 究期間這一年來的協助；學弟元禹及兆祥在研究期間對於實驗上的鼎 力協助；學長姐柏瑋、國成、明益及禹雯提供的珍貴經驗與意見。
最後僅以本論文獻給我最親愛的家人，感謝爸媽無限關愛與包 容，讓我無後顧之憂能圓滿完成求學夢想，謝謝身邊所有曾經給予我 幫助及鼓勵的人，在此未能一一提及者，謹此一併致上最由衷的謝意。
志偉 謹誌 中華民國九十八年于新竹
目錄
摘要...I 誌謝...IV 目錄...V 圖目錄...VII 表目錄...IX
第一章 緒論...1
1.1 研究背景...1
1.2 研究動機...1
1.3 研究目的...1
1.4 研究方法...2
1.5 論文內容...2
第二章 文獻回顧...4
2.1 污水污泥資源化...4
2.1.1 資源化用途...4
2.1.2 資源化技術...6
2.2 污水污泥於綠農地之資源化...9
2.2.1 技術與用途...9
2.2.2 土壤污染管制標準...13
2.3 污水污泥用於工程土方之資源化...16
2.4 石灰污泥性質...20
第三章 試驗材料之污泥性質...23
3.1 污泥之產出...23
3.2 污泥基本性質...26
第四章 污泥與石灰之反應機制...29
4.1 石灰性質...29
4.2 石灰與污泥之反應...30
第五章 試驗方法...35
5.1 工程性質試驗方法...35
5.1.1 直接剪力試驗...37
5.1.2 無圍壓縮試驗...38
5.2 凝結性質試驗方法...40
第六章 污泥-石灰混合物之工程性質...46
6.1 直接剪力試驗結果...46
6.2 無圍壓縮試驗結果...49
第七章 污泥-石灰混合物之凝結性質...53
7.1 針貫入度試驗結果...87
7.2 單位重試驗結果...93
7.3 含水率試驗結果...98
7.4 孔隙比試驗結果...102
第八章 結論與建議...106
參考文獻...108
附錄一...111
附錄二...121
附錄三...131
圖目錄
圖 1.1 研究項目與流程...3
圖 2.1 污泥於建築材料之資源化用途...5
圖 2.2 污水污泥於綠農地之資源化...9
圖 2.3 土壤穩定方法選擇流程...20
圖 3.1 迪化污水處理廠提升二級處理流程...24
圖 3.2 迪化污水處理廠之污泥產出流程...24
圖 3.3 脫水污泥之終端產生機械設備...25
圖 3.4 脫水污泥之近照（呈膠體狀）...25
圖 3.5 100oC烘乾四種污泥拌砂混合物之含水率變化...28
圖 5.1 製作污泥-石灰混合物之情形...35
圖 5.2 污泥-石灰混合物之夯實情形...36
圖 5.3 夯打後之試體...37
圖 5.4 直剪試體之取樣...38
圖 5.5 直接剪力試驗情形...38
圖 5.6 無圍壓縮試體拆模...39
圖 5.7 試體之無圍壓縮試驗情形...40
圖 5.8 試體無圍壓縮破壞試驗...40
圖 5.9 針貫入度試驗全景...41
圖 5.10 將污泥-石灰混合物填入試模之情形...42
圖 5.11 試體之維卡針試驗情形...42
圖 5.12 試體之收縮及秤重情形...42
圖 5.13 試體之尺寸量測...43
圖 5.14 試體之比重試驗情形...44
圖 6.1 污泥-石灰混合物之（正向應力~抗剪強度）關係（wo=62%、
=9%）...47
Lc 圖 6.2 污泥-石灰混合物之（正向應力~抗剪強度）關係（wo=48%、 Lc=9%）...48
圖 6.3 污泥-石灰混合物之無圍壓縮試驗結果（wo=62%、 =9%）Lc ... 50
圖 6.4 污泥-石灰混合物之無圍壓縮試驗結果（wo=48%、 =9%）Lc ... 51
圖 6.5 污泥-石灰混合物之無圍壓縮試驗結果（wo=48%、 =0%）Lc ... 51
圖 7.1 混合物之凝結性質與養護期關係（wo=83.1%）...88
圖 7.2 混合物之凝結性質與養護期關係（wo=78.1%）...88
圖 7.3 混合物之凝結性質與養護期關係（wo=73.1%）...89
圖 7.4 混合物之凝結性質與養護期關係（wo=68.1%）...89
圖 7.5 單位重與養護期的關係曲線(wo=83.1%)...97
圖 7.6 含水率與養護期的關係曲線(wo=83.1%)...97
圖 7.7 孔隙比與養護期的關係曲線(wo=83.1%)...97
wo
表目錄
表 2.1 日本 2004 年污水污泥資源化用途...6
表 2.2 污泥應用於綠農地之技術比較...12
表 2.3 土壤重金屬污染管制標準...14
表 2.4 土壤有機化合物污染管制標準...14
表 2.5 土壤農藥與其他有機化合物污染管制標準...15
表 2.6 土壤污染監測基準...15
表 2.7 土壤穩定材料之氣候限制及使用須知...18
表 2.8 不同土壤的最有效穩定方法...18
表 2.9 考慮用途與土壤種類之穩定方法...19
表 3.1 迪化污水處理廠污水處理主要設施之廢棄污泥量及濃度...26
表 3.2 迪化污水處理廠脫水污泥化學性質一覽...27
表 7.1 各污泥-石灰混合物之比重...53
表 7.2 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=83.1 %、Lc= 0%)...55
表 7.3 混合物之試驗針貫入度及物理量( =83.1 %、Lc= 3%)...56
表 7.4 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=83.1 %、Lc= 6%)...57
表 7.5 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=83.1 %、Lc= 9%)...58
表 7.6 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=83.1 %、Lc= 12%)...59
表 7.7 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=83.1 %、Lc= 15%)...60
表 7.8 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=83.1 %、Lc= 18%)...61
表 7.9 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=83.1 %、Lc= 21%)...62
表 7.10 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=83.1 %、Lc= 24%)...63
表 7.11 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 0%)...64
表 7.12 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 3%)...65
wo
表 7.13 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 6%)...66
表 7.14 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 9%)...67
表 7.15 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 12%)...68
表 7.16 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 15%)...69
表 7.17 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 18%)...70
表 7.18 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 21%)...71
表 7.19 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=78.1 %、Lc= 24%)...72
表 7.20 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=73.1 %、Lc= 0%)...73
表 7.21 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=73.1 %、Lc= 3%)...74
表 7.22 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=73.1 %、Lc= 6%)...75
表 7.23 混合物之試驗針貫入度及物理量( =73.1 %、Lc= 9%)...76
表 7.24 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=73.1 %、Lc= 12%)....77
表 7.25 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=73.1 %、Lc= 15%)....78
表 7.26 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=73.1 %、Lc= 18%)...79
表 7.27 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=73.1 %、Lc= 21%)...80
表 7.28 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=73.1 %、Lc= 24%)...81
表 7.29 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 0%)...82
表 7.30 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 3%)...82
表 7.31 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 6%)...83
表 7.32 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 9%)...83
表 7.33 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 12%)...84
表 7.34 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 15%)...84
表 7.35 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 18%)...85
表 7.36 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 21%)...85
表 7.37 混合物之試驗針貫入度及物理量(wo=68.1 %、Lc= 24%)...86 表 7.38 各試體至凝結初期所需之養護期...91 表 7.39 各試體至凝結中期所需之養護期...92 表 7.40 各試體至完全凝結所需之養護期...93
第一章 緒論
1.1 研究背景
台灣各地區都市及產業的快速發展，下水道普及率提升，伴隨 而來的是污水污泥量之大幅增加，以「台北市政府工務局衛生下水道 工 程 處 迪 化 污 水 處 理 廠 」 為 例 ， 其 平 均 每 日 處 理 之 污 泥 量 高 達 274,000 ，妥善處理日漸增加之大量污水污泥，為目前急需探討之 議題。
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1.2 研究動機
目前，在世界先進國家中皆將污水污泥視為可再利用之材料，且 規劃出汙泥處理及再利用之途徑，有效的解決汙泥所帶來之問題；反 觀台灣，對於污泥處理及再利用之途徑仍未有完善的規劃。針對地狹 人稠之台灣，污泥舊有之處理方式（堆肥、掩埋及焚燒）已不符現今 需要，因此日後污泥之處理及再利用，將趨於減量及穩定化處理。
1.3 研究目的
污水污泥其再利用趨勢為化學及物理性質之穩定，在此本研究採 用石灰來穩定污泥，經由化學的角度切入，探討石灰加入污泥後所可 能產生之凝膠物，以求達到污泥石灰混合物之化學性質穩定化。
另一方面，有鑒於養護期 t 對土壤穩定法之重要性，故本研究將 探討污泥-石灰混合物其養護期 t 對於凝結性質之影響，並分析污泥初 始含水率 、石灰含量 及養護期 t 對於污泥-石灰混合物之凝結性 質的影響，便於日後針對污泥石灰混合物之工程性質探討，藉以分析
w0 Lc
。
1.4 研究方法
本研究所使用之污泥取自「台北市政府工務局衛生下水道工程處 迪化污水處理廠」所處理產生的脫水污水污泥。本研究先推導出污泥 -石灰之反應式，並初步觀察污泥拌以石灰工程性質，續採用 ASTM C191 之針貫入度試驗(維卡針試驗)針對污泥-石灰混合物作凝結性質 量測，並加以分類，配合其相關物理量(比重、單位重、含水率及孔 隙比)試驗，藉以探討污泥初始含水率 、石灰含量 及養護期 t 對 於污泥-石灰混合物之凝結性質的影響。圖 1.1 為本研究之項目與流 程。
w0 Lc
1.5 論文內容
本論文共分八章。第一章為緒論，說明研究背景、動機、目的及 研究方法等；第二章為文獻回顧，分為污水污泥資源化、污水污泥於 綠農地之資源化、污水污泥於工程土方之資源化及石灰污泥性質四部 份；第三章為試驗材料之污泥性質，分為污泥之產出及污泥基本性質 兩部份；第四章為污泥與石灰之反應機制，分為石灰與污泥之反應石 灰性質兩部份；第五章為試驗方法，包含污泥石灰混合物其工程性質 試驗及凝結性質試驗之相關試驗方法；第六章為污泥石灰混合物之工 程性質試驗結果，包含直接剪力試驗及無圍壓縮試驗之試驗結果並加 以分析；第七章為污泥石灰混合物之凝結性質試驗結果，包含針貫入 度試驗及其相關物理量試驗結果並加以分析；第八章為結論。
文獻回顧與資料蒐集
擬定試驗計劃
試驗材料與儀器準備
污泥石灰混合物 之工程性質試驗
污泥石灰混合物 之凝結性質試驗
直 接 剪 力 試 驗
無 圍 壓 縮 試 驗
針 貫 入 度 試 驗
比 重 試 驗
單 位 重 計 算
含 水 率 計 算
孔 隙 比 計 算
試驗結果分析
結論
圖1.1 研究項目與流程
第二章 文獻回顧
相關於「污水污泥 (Sewage sludge)」之研究，多出現於環境工程 學門，因其有機物含量較高（40~60%），故一般不被建議直接再利用 為土木工程材料污泥。較早期，污泥的處理方式大致上分為綠農地利 用(堆肥)、掩埋及焚燒三種，唯須經過改良劑（如石灰）之化學性質 安定處理（重金屬降解、殺菌等）及物理性質穩定處理（脫水、膠結、
固化）；近日，亦有將污泥燒結、熔融後再製造為工業及建築資材之 研究 (Campbell, 2000)。
2.1 污泥資源化
2.1.1 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。茲將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 2.1 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）提供了相當的政策性補助。另一方面，若將污泥燒 成灰則可成為製造建築材料的原料，如將污泥灰混合黏土製造磚，污 泥灰做為波特蘭混凝土添加料及再利用為輕質骨料、膠凝材料等（Tay, 1987a；Tay, 1987b；Tay and Show, 1997)。
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
建材再利用
(無加工) 燒卻灰 土質改良劑
路盤材料 路床材料 混凝土二次製品 瀝青混凝土 水泥原料 掩埋覆土
造粒燒成 造粒物 輕質骨材
混練燒成 燒成物 磁磚
紅磚 透水磚 透水性陶管
加壓成形燒成 燒成物 人行道磚
溶融渣 (無加工) 溶融渣 路盤材料
混凝土骨材
成形 成行品 磁磚
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
乾燥污泥混合物 炭化污泥
污泥活性碳
水泥原料 混合‧乾燥
乾燥‧炭化
炭化‧活化
融雪劑 水泥原料 除臭劑 脫水輔助材
建材再利用
(無加工) 燒卻灰 土質改良劑
裝飾品 路盤材料 路床材料 混凝土二次製品 瀝青混凝土 水泥原料 掩埋覆土
造粒燒成 造粒物 輕質骨材
混練燒成 燒成物 磁磚
紅磚 透水磚 透水性陶管
加壓成形燒成 燒成物 人行道磚
溶融渣 (無加工) 溶融渣 路盤材料
混凝土骨材
成形 成行品 磁磚
裝飾品
圖2.1 污泥於建築材料之資源化用途(台灣下水道協會，2001)
表2.1 日本 2004 年污泥資源化用途(台北市政府工務局 衛生下水道工程處，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
2.1.2 資源化技術
污 泥 之 資 源 化 技 術 主 要 有 焚 化 、 燒 結 、 熔 融 、 堆 肥 、 乾 燥 及 鹼 性 安 定 等 ， 以 下 概 述 之 。
一 、 焚 化
在高都市化的地區，其污泥量大，綠農地利用與掩埋已不適用，
轉趨焚化處理。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（850~1,050℃）三條件下，將所處理污泥中的有機物 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；唯目前多將污泥與垃圾共同焚化，致其產品再利用價值 低。雖然，焚化的方法及其技術已可符合當地空氣品質管制要求，但 耗費能源較多(Campbell, 2000；Cecil and Peter, 1996)。
二 、 燒 結
一般污泥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 機成份炭化；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（蔡 振 球 ，2006）。
三 、 熔 融
熔融污泥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 1,400~2,400℃，
致產生之底灰也不一樣；溶融後之產物主要資源化於磚類（Tay, 1987a）。
四 、 堆 肥
不 同 於 傳 統 的 污 泥 處 理 方 式 ， 將 其 堆 肥 化 (Composting)、再 利 用 則 為 永 續 經 營 之 優 勢 方 法，其 產物主要 應用於土壤改良劑與肥料。現代化的堆肥技術，多以好氧堆肥化為主 (約為 55~60℃效果較佳)，主要優點為省能源、基質分解較徹底、堆 置週期較短、臭味較少及可以大規模採用機械處理等（內 政 部 營 建 署 ，2002） 。
五 、 乾 燥
以空氣壓縮乾燥法或瓦斯加熱乾燥法處理污泥一般使用天然氣 或丙烷燃燒，維持溫度在260~480℃左右，熱氣體與污泥表面接觸可 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（內 政 部 營 建 署 ，2002） 。
六 、 鹼 性 安 定
將污泥拌以石灰等鹼性化合物，在 pH =10 及 25℃下 72 狀態 下，或
hr
pH 值大於 10 及 52℃下 12hr狀態下，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，可用為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（蕭 炳 欽、駱 尚 廉，1997）。
現今，日本之污泥資源化成本於焚化、熔融及燒結皆大於 2,000
； 堆 肥 、 乾 燥 及 鹼 性 安 定 約 在 1,100~1,400
。若污泥要製成紅磚、磁磚或透水磚等時，須先以焚化 或熔融的方式前處理，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熔融處理，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(台北市政府工務局衛生下水道工程處，2006)。
ton Dollar T
N. . / ton Dollar T
N. . /
2.2 污泥於綠農地之資源化
2.2.1 技術與用途
茲將污泥於綠農地之資源化技術與用途整理於圖2.2；一般污泥 於綠農地使用時須經前處理，其主要產物為脫水污泥、炭化污泥及污 泥焚化灰。
原料污泥狀態 加工處理 處理生成物 資源化用途
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 發酵污泥
肥料
肥料 土壤改良劑
綠農地利用
(無加工)
乾燥 肥料
發酵
脫水污泥 脫水污泥
乾燥污泥 發酵污泥
肥料
乾燥‧炭化 炭化污泥 堆肥添加劑(炭堆肥)
土壤改良劑 園藝用土壤 肥料 土壤改良劑
綠農地利用
(無加工)
乾燥 肥料
發酵
堆肥添加劑(炭堆肥) 乾燥‧炭化 炭化污泥
土壤改良劑 園藝用土壤 燒卻灰
燒卻灰 造粒造粒 造粒物造粒物 園藝用土壤園藝用土壤
圖2.2 污水污泥於綠農地之資源化(洪明宏，2002)
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(洪明宏，2002)。
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、園藝用土壤及調濕材等(洪明宏，2002)。
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(內政部營建署，2002)。
潛在含有重金屬的污泥將不利於綠農地之資源化，而土壤pH 值 已被證明是控制重金屬含量及其植物攝取率的主要因素，故可以利用 提高污泥的pH 值（如堆肥化）來降解重金屬。Wong and Fang (2000) 發現污泥拌石灰在初期階段會放熱及發散臭味，可有效地提高混合物 的pH 值；較高的溫度和CO2的演變有抑制微生物活動之效。
污泥堆肥化可有效的將腐化性有機物(Putrescible organic matter) 分解成穩定的終端產品，並再利用為肥料或土壤改良劑。在高溫的污 水污泥堆肥化過程中，新陳代謝熱能可有效的殺菌，使此種堆肥可更 安全的被再利用於大地上。然而，因為污水污泥潛在性的含有重金屬
（特別是來自工業區者），會使生長在堆肥改良土上的植物累積重金 屬及毒物。透過堆肥pH 值之控制可達調整重金屬含量及植物吸收率 之效，即藉由提高堆肥之 pH 值以減少重金屬所含之生化成分 (Bioavaiablity)（Stabnikova, et al., 2005）。
美國有些州積極並有計畫的實施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
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（Howard, 1996)。
表2.1 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）重金屬累積於土壤及（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。
污泥綠農地應用可以鹼性安定、乾燥及堆肥三種方式進行，表 2.2 為綠農地技術比較。鹼性安定主要為利用添加石灰，使污泥溫度 提高，並可達到化學性質安定、物理性質穩定及降低臭味作用，其產 品適用於酸性土壤。由於純鹼性安定之添加石灰量高達 20~30 %費用 較高，且需後段乾燥處理將水份降低至 50 %以下，因此除市場需求 量大外，並不建議使用。於乾燥方面，可利用增加設備及較少土地面 積達到增加處理量，其操作彈性較大且處理成本低，因此建議採用。
由於堆肥主要為利用生物發酵方式將土壤中有機物質安定，除污泥中 有機成分高外，並不適用於此方式。依據分析結果，污泥綠農地使用 以乾燥方式較佳；而於鹼性安定及堆肥方式方面，則需考慮其用量、
成本及適用污泥種類。唯由於鹼性安定有其優點，故若整合乾燥及鹼 性安定兩種方法，將污泥製成「土壤改良劑」使用，主要有下列優點 (台北市政府工務局衛生下水道工程處，2006)：
1.石 灰 在 接 觸 水 分 時 ， 放 出 大 量 熱 使 污 泥 溫 度 提 高 ， 初 步 降 低 含 水 率 ； 此 狀 態 下 若 添 加 2~5 %石 灰 即 可 造 粒 。
2.經 造 粒 後 ， 可 降 低 污 泥 乾 燥 成 本 。
3.添 加 石 灰 具 有 提 高 之 效 果 ， 純 鹼 性 安 定 之 資 源 化 產 物 值 較 高 可 達 12 左 右 ， 較 適 用 於 酸 性 土 壤 。
pH pH
表2.2 污泥應用於綠農地之技術比較(台北市政府工務局衛生下水 道工程處，2006)
鹼性安定 乾燥 堆肥
設置成本 中 中 高(土地面積大)
用地面積 中 小 由於堆肥所需時間
長，所需面積為其 他 綠 農 業 應 用 之 2~3 倍。
處理方式 添加石灰 外加熱源乾燥 生物發酵
適用污泥種類 有機污泥 有機污泥或無機污
泥
有機污泥
設備成本 中 由於需購買乾燥設
備，設備成本較高 中 操 作 維 護 營 運
成本
營運成本較高，由於 純鹼性安定，生石灰 添加量達20~30 %。
加熱時所需之電力 及燃料費用高，營 運成本較高。
中
運輸成本 添加石灰使其重量
增加，運輸成本較 高。
可使含水率降到 30
%以下，體積較小，
運輸成本較低。
使 用 堆 肥 方 式 處 理，因含水率仍有 40 %，運輸成本較 高。
擴建可能 難利用增加設備達
到擴建
可利用增加設備達 到擴建
無法利用增加設備 達到擴建
臭味問題 臭味問題較高 臭味問題較低 臭味問題較高
2.2.2 土壤改良劑污染管制標準
依據台灣農委會規定，目前土壤改良劑不屬於肥料，非肥料管理 法規範對象，因此對其品質、成分、製造、銷售或僅提供其他肥料工 廠作為肥料製造之添加原料時，均無須申請肥料登記證；唯該產品不 得以肥料名稱或具肥料效果為標示、廣告或宣傳。由於上述因素，目 前以污水污泥製成土壤改良劑時，無法大量販賣於一般民眾；而其販 賣對象以工程單位為主，如使用於工業區綠美化工程、掩埋場綠美化 工程、山坡地植草工程及造林工程等(台北市政府工務局衛生下水道 工程處，2006)。
相關於污泥土壤改良劑之土壤污染管制標準為「土壤及地下水污 染整治法」第五條第二項規定，其適用於地下水最低水位以上之未飽 和含水層之土壤。其相關規定如表 2.3 之「土壤重金屬污染管制標 準」、表 2.4 之「土壤有機化合物污染管制標準」及表 2.5 之「土壤 農藥與其他有機化合物污染管制標準」。此外、為防止土壤受到污染，
並管理土壤改良劑之品質，其應符合表2.6 之「土壤污染監測基準」
規定。
表 2.3 土壤重金屬污染管制標準
項目 標準 項目 標準
砷 60mg /kg 汞 20 mg /kg
(食用作物農地之管制標準值為 5mg /kg)
鎘 20mg /kg
(食用作物農地之管制標準值 為 5mg /kg)
鎳 200 mg /kg
鉻 250mg /kg 鉛 2,000 mg /kg
(食用作物農地之管制標準值為 500mg /kg)
銅 400mg /kg
(食用作物農地之管制標準值 為 200mg /kg)
鋅 2,000 mg /kg
(食用作物農地之管制標準值為 600mg /kg)
表2.4 土壤有機化合物污染管制標準
項目 標準 項目 標準
苯 5 六氯苯 500 mg /kg
四氯化碳 5 mg /kg 五氯酚 200 mg /kg
氯仿 100 mg /kg 四氯乙烯 10 mg /kg
1,2-二氯乙烷 8 mg /kg 甲苯 500 mg /kg 順-1,2-二氯乙烯 7 mg /kg 總石油碳氫化合 mg /kg
物(TPH)
1,000
反-1,2-二氯乙烯 50 mg /kg 三氯乙烯 60 mg /kg 1,2-二氯丙烷 0.5 mg /kg 2,4,5-三氯酚 350 mg /kg 1,2-二氯苯 100 mg /kg 2,4,6-三氯酚 40 mg /kg 1,3-二氯苯 100 mg /kg 氯乙烯 10 mg /kg 3,3_-二氯聯苯胺 2 mg /kg 二甲苯 500 mg /kg
乙苯 250 mg /kg
表2.5 土壤農藥與其他有機化合物污染管制標準
項目 標準 項目 標準
阿特靈 0.04mg /kg 飛佈達 mg /kg
(Heptachlor)
0.2
可氯丹 0.5 mg /kg 毒殺芬 0.6 mg /kg 二氯二苯基三氯
乙 烷 (DDT) 及 其衍生物
3 mg /kg 安殺番 60 mg /kg
地特靈 0.04mg /kg 戴奧辛 1,000mg /kg 安特靈 20 mg /kg 多氯聯苯 0.09 mg /kg
表2.6 土壤污染監測基準
項目 標準 項目 標準
砷 30mg /kg 汞 10 (食用作物農地之
監測基準值為 2 ) kg
mg /
kg mg /
鎘 10 (食用作物農地之
監測基準值為 2.5 kg
mg /
kg mg / )
鎳 130 mg /kg
鉻 175 mg /kg 鉛 1,000 (食用作物農地
之監測基準值為 300 kg
mg /
kg mg / )
銅 220 (食用作物農地
之監測基準值為 120 ) kg
mg /
kg mg /
鋅 1000 (食用作物農地
之監測基準值為 260 ) kg
mg /
kg mg /
2.3 污泥於工程土方之資源化
圖 2.1 列出污泥於建築材料之資源化用途；而表 2.1 也列出其於 日本之資源化用途，知曉於土木、建築材料之再利用率佔 52 %。今
後，於世界各國污泥之產量將與日遽增，而其最低耗能、最大用量之 資源化用途為「工程土方」，如綠帶掩埋覆土、邊坡沃土及人行道路 基等。污泥再利用為工程土方，除基本上需符合行政院公共工程委員 會「公共工程施工綱要規範」規定夯實最大乾單位重應大於14.7
外，亦應提昇其物理性質及壓縮性、抗剪強度等力學性質；而穩定處 理為其主要手段。
/ m3
kN
於土壤穩定領域，美國FHWA(1979)出版了「舖面材料土壤穩定 使用者手冊-舖面設計及施工考量」，說明選擇穩定劑方法、試驗規範 及鋪面厚度設計、施工細節等；而Ronald et al. (1979)之「舖面材料 土壤穩定使用者手冊-配比設計」，則說明配比設計細節及穩定土之物 理、力學性質等。這兩本使用者手冊之內容含：
1. 發展包含不穩定與穩定地層的替代鋪面設計，
2. 比較替代鋪面設計的生命週期成本，
3. 比較替代鋪面設計的能量需求，
4. 確認適合於土壤穩定作業之施工順序及方式，
5. 建構適合於土壤穩定作業之設備，
6. 詳述土壤穩定作業及其品質管理辦法。
穩定土壤之材料有水泥、瀝青、飛灰、石灰及其複合物；土壤穩 定之預期效果為：
1. 降低塑性，
2. 降低土壤透水性，
3. 降低土壤體積變化性，
4. 提昇土壤強度，
5. 提昇土壤耐久性，
6. 提昇土方施工性，
7. 節省施工成本，
8. 節能减碳，
9. 降低環保問題。
表 2.7 為土壤穩定材料之氣候限制及使用須知，表 2.8 為不同土 壤的最有效穩定方法，表2.9 為考慮用途與土壤種類之穩定方法，而 圖2.3 為土壤穩定方法選擇流程。由表 2.8 及表 2.9 知曉石灰穩定法 適用於粉土、粘土含量多之土壤，此法具降低塑性及膨脹量，增加工 作性及強度之效果；慣用之石灰係指「熟石灰」，以石灰固化細粒可 塑性土壤乃是土壤穩定工法之一。另一方面，由於污泥吸水性強，吸 水後的膨脹率大，且塑性指數高（PI 值大於 10）；故如欲嚐試穩定污 泥，可考慮採用石灰為穩定材料，此法也具安定污泥化學性質之效果。
表2.7 土壤穩定材料之氣候限制及使用須知(Ronald et al., 1979)
Type of stabilizer Climatic limitation Construction safety precautions
Lime and lime-fly ash
1. Do not use with frozen soils.
2. Air temperature should be 5℃ and rising.
3. Complete stabilized base construction one month before first hard freeze.
4. Two week of warm to hot weather are desirable prior to fall and winter temperatures.
1. Quicklime should not come in contact with moist skin.
2. Hydrated lime should not come in contact with moist skin for prolonged periods of time.
3. Safety glasses and proper protective clothing should be worn at all times.
Cement and
cement-fly ash 1. Do not use with frozen soils.
2. Air temperature should be 5℃ and rising.
3. Complete stabilized layer one week before first hard freeze.
1. Cement should not come in contact with moist skin.
2. Safety glasses and proper protective clothing should be worn at all times.
Asphalt
1. Air temperature should be above 0℃
when using emulsions.
2. Air temperature should be above 5℃
and rising when placing thin lifts (l-inch) of hot mixed asphalt concrete.
3. Hot and dry weather is preferred for all types of asphalt stabilization.
1. Some cutbacks have flash and fire points below 40℃.
2. Hot mixed asphalt concrete temperatures may be as high as 175℃.
表 2.8 不同土壤的最有效穩定方法(Ronald et al. , 1979)
Soil types Most effective stabilization methods Coarse granular soils Mechanical blending, soil-asphalt, soil-cement, lime-fly ash.
Fine granular soils Mechanical blending, portland cement asphalt, lime-fly ash, soil-asphalt, chlorides.
Clays of low plasticity Compaction, portland cement stabilization, chemical waterproofers, lime modification.
Clays of high plasticity Lime stabilization
表2.9 考慮用途與土壤種類之穩定方法(Ronald et al., 1979)
Purpose Soil type Recommended stabilization methods
Subgrade stabilization
Coarse granular SA, SC, MB, C Fine granular SA, SC, MB, C Clays of low PI C, SC, CMS, LMS, SL Improved load carrying and
stress distributing characteristics
Clays of high PI SL, LMS
Fine granular CMS, SA, SC, LF Reduce frost susceptibility
Clays of low PI, CMS, SC, SL, CW, LMS Waterproofing and improved
runoff
Clays of low PI CMS, SA, CW, LMS, SL Clays of low PI CMS, SC, CW, C, LMS, SL Control of shrinkage and swell
Clays of high PI SL
Reduce resiliency Elastic silts and clays SC, CMS
Base course stabilization
Fine granular SC, SA, LF, MB Improvement of substandard
materials Clays of high PI SC, SL
Coarse granular SA, SC, MB, LF Improved load carrying and
stress distributing
characteristics Fine granular SC, SA, LF, MB Reduction of pumping Fine granular SC, SA, LF, MB
Shoulder (unsurfaced)
Improved load carrying ability All soils SA, SC, MB, C Improved durability All soils SA, SC, MB, C Waterproofing and improved
runoff
Plastic soils CMS, SL, CW, LMS Control of shrinkage and swell Plastic soils SC, CMS
Fine granular CMS, CL, SA
Dust palliative
Plastic soils CL, CMS, SL, LMS Fine granular PSC, CS, SA
Ditch lining
Plastic soils PSC, CS
Patching and reconstruction
Granular soils SC, SA, LF, MB C compaction LMS lime modified soil
CMS cement modified soil MB mechanical blending CL chlorides PSC plastic soil cement CS chemical solidifiers SA soil asphalt CW chemical waterproofers SC soil cement LF lime fly ash SL soil lime
Cement stabilization PI＜10
Perform sieve analysis test
Perform atterberg limit test
＜25%
pass No.200
＞25%
pass No.200
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
Lime stabilization Bituminous stabilization for base courses PI ＜ 6
(%pass No. 200) ＜72 Cement stabilization Lime stabilization Cement stabilization
Cement stabilization
Cement stabilization
圖2.3 土壤穩定方法選擇流程(FHWA, 1979)
2.4 石灰污泥性質
石灰是一種在廢水處理過程中可發揮脫水，防止氣味，消除病原 微生物之常見鹼性穩定材料。
Wong and Fang (2000) 認為鹼性物質降低重金屬可溶性及可交 換性成分作用之發展取決於添加物及曝氣環境等，故爲了進一步觀察 污水污泥堆肥化過程中鹼性物質對微生物分解的作用，其嘗試將石灰 以 =0% 、 0.63% 、 1.0% 及 1.63% 之 比 例 拌 入 污 泥 木 屑 混 合 物 (Sludge-sawdust mixture)裡，於溝渠式堆肥 100 後，對其進行系列 性的微觀試驗及酵素(Enzyme)分析。研究發現，將石灰添加入混合物 後可提昇其 值，此種現象在早期即發生；石灰含量愈多對微生物 分解的影響性愈大，但會受早期高溫環境所限制； =0.63%之添加量
Lc
day
pH
L
/ m2
kN
雖然會因高溫及二氧化碳的釋放而稍微促進微生物活動，但不發輝抑 制病毒族群的作用；建議以小於 1.0%之石灰含量處理污泥堆肥較適 宜。
另一方面，有鑒於台北都會區污泥日益增加，污水污泥終端處理 之掩埋場容量有限及污泥含水量高、臭味等社會問題亦日趨嚴重，故 如何在大量、低成本、安定化、無害化的狀態下再利用污泥之技術有 待開發。為此，張賢潭(2002)探討污泥使用於管溝回填料（CLSM）
之可行性，試驗制式 CLSM 試體在不同污泥取代量條件下之性質。
其評估指標為（1）工作性流度 15cm上，以不超過 20cm且表面無泌 水 (bleeding)為佳，（2）初凝時間 3.5 以內，（3）齡期 12 之抗壓 強 度 不 得 低 於 687 ， 齡 期 28 之 抗 壓 強 度 不 得 大 於 8829 。
hr hr
day / m2
kN
張賢潭(2002)之研究發現：
1. 污泥取代量為 30%及 50%之試體，其流度均大於 15 ，符合 CLSM 規範之規定，且製作完成後之試體表面無明顯的泌水現象。
cm
2. 一般混凝土的單位重約 2.4 當污泥取代量為 30%及 50%時，
試體之單位重比一般混凝土減少4%及 19%。
/ m3
kN
3. 污泥取代量的多寡對新拌試體中的空氣含量並無明顯影響。
4. 當試體中含有 30%及 50%污泥時，其凝結時間無法滿足 CLSM 規 範要求（3.5 以內）。 hr
5. 可添加鹼活化劑及爐灰改善凝結時間過長的現象；當污泥取代量 及鹼活化劑濃度固定時，初凝時間將會隨著液膠比的上升而增 加；而當污泥取代量及液膠比固定時，則初凝時間將會隨著鹼活 化劑濃度的上升而減少。
6. 當污泥取代量及 NaOH 濃度固定時，12 抗壓強度將隨液膠比的hr
上升而減小，且兩者間呈一線性關係。
7. 由固化後之溶出試驗得知，固化後之重金屬含量值明顯降低。
8. 污泥固化體曝露於大氣中一段時間後，在試體的表面會有許多白 色絨毛狀物質生成附著其上，可能係污泥中之有機物析出所致。
9. 因為試體表面上並無明顯裂紋存在，故若污泥固化體日後應用於 管溝回填料上，即使表面或內部出現些許之裂紋，應不致於造成 週邊土壤鬆弛及上部瀝青路面有沉陷之虞。
l mg /
第三章 試驗材料之污泥性質
3.1 污泥之產出
本研究所使用之污泥取自「台北市政府工務局衛生下水道工程處 迪化污水處理廠」；此廠佔地 7.8 ，原為初級處理廠，自 1980 年 7 月開始運轉，平均每日處理274,000 。1998 年為配合政府所訂放流 水標準要求（生化需氧量BOD
ha m3
5≦30 ，懸浮固體SS≦30 ，大 腸菌類≦2000 個/ ），自該年 4 月起停廠進行提昇二級處理工程；
並為避免噪音及臭味，設計為半地下化封閉型設計構造；上部設置 4.6 多樣化遊憩公園與溫水游泳池，提供市民使用(台北市政府衛生 下水道工程處，2008)。
l
mg / mg /l
ml
ha
現今迪化污水處理廠設計處理容量為 500,000 ，設計進流 污水之水質為BOD
day m /3
5=180 、SS=180 ，設計放流水之水質為 BOD
l mg /
5≦20 、SS≦20 。放流水經回收處理後，可提供場區沖 洗，園藝用水及街道沖洗用水；回收再利用水量為 10,000 。且 以管線收集污泥消化所產生之甲烷氣，供為處理廠及游泳池之加熱燃 料。此廠之污水是由既設迪化抽水站引進，經過前處理、初沉池、深 槽曝氣池、二沉池、消毒池等處理單元淨化後排入淡水河（參閱圖 3.1）。
l
mg / mg /l
day m /3
污水處理程序始於初沉池，沉澱之污泥由於含水率達 98%以上，
故必須送至污泥處理設施進一步處理。圖3.2 為迪化污水處理廠之污 泥產出流程，主要設施為曝氣沉砂池、初級沉澱池、深槽階段曝氣槽、
二級沉澱池、污泥濃縮機、厭氧消化槽、污泥脫水機。
圖 3.1 迪 化 污 水 處 理 廠 提 升 二 級 處 理 流 程 (台北市政府衛生下水道工程處，2008)
進水管 及流量計
細欄污柵
初級沉澱池
污泥
曝氣沉砂池 除沙設施 污泥濃縮
機
二級沉澱池
厭氧消化 槽
污泥脫水 機 浮渣濃縮
機
深槽階段 曝氣槽
浮渣
多目標用途 1. 焚化 2. 製磚 3. 水泥摻料 砂
污泥
浮渣 污泥
圖 3.2 迪 化 污 水 處 理 廠 之 污 泥 產 出 流 程 (台 北 市 政 府 衛 生 下 水 道 工 程 處 ， 2008)
根據調查資料，約 4,000~5,000m3之污水經處理後產生之污泥量 約 80 ~100m3；此污泥經濃縮後降為 20~50m3，而消化後變為 4 m3~5m3，再經脫水後則剩約1m3之污泥（或稱脫水污泥） (台北市政 府衛生下水道工程處, 2006)。圖 3.3 為脫水污泥之終端產生機械設 備，而圖3.4 為其近照，係呈膠體狀。
圖 3.3 脫水污泥之終端產生機械設備
圖 3.4 脫水污泥之近照（呈膠體狀）
L mg /
3.2 污泥基本性質
迪化污水處理廠之污泥經由機械濃縮、厭氧消化及帶濾式脫水之 處理後，所產生之脫水污泥其含水率約為75~80%。依目前放流水質 之條件下（BOD5：48~76 、SS：55~96 ），每日脫水污泥產 生量約為95~138 ，以代操作契約內之廢棄物處理單價1,775 元/噸 計算，此場每日脫水污泥之清運處理費約200,000 元。
l
mg / mg /l
m3
表3.1 為迪化污水處理廠污水處理主要設施之廢棄污泥量及濃度 一覽，其廢棄污泥量於初級沉澱池447 、二級沉澱池2,710 ， 其 廢 棄 污 泥 濃 度 於 初 級 沉 澱 池 40,346 、 二 級 沉 澱 池 11,741 、 濃 縮 污 泥 濃 度 41,137 、 脫 水 污 泥 進 流 濃 度 24,423 (台北市政府工務局衛生下水道工程處，2007)。
d
m /3 m /3 d
L mg / L
mg / L mg /
表3.1 迪化污水處理廠污水處理主要設施之廢棄污泥量及濃度 (台北市政府工務局衛生下水道工程處，2007)
項目 檢測質
初級沉澱池廢棄污泥量（m /3 d） 447
初級沉澱池廢棄污泥濃度（mg /L） 40,346 二級沉澱池廢棄污泥量（m /3 d） 2,710 二級沉澱池廢棄污泥濃度（mg /L） 11,741
濃縮污泥濃度（mg /L） 41,137
脫水污泥進流濃度（mg /L） 24,423
表 3.2 為迪化污水處理廠 2006 年第四季營運期間之脫水污泥化 學性質檢測結果。其pH=7.45、萃出液中之重金屬含量於總鉛（Pb）
0.011 、總鎘（Cd）0.001 、總汞（Hg）0.002 、總砷
（As）0.006 。知曉各測項均未超出一般事業廢棄物認定標準(台 北市政府工務局衛生下水道工程處，2007)。此外，根據臺灣檢驗科 技 股 份 有 限 公 司 之 迪 化 污 水 處 理 廠 污 泥 檢 驗 報 告 （ 編 號 ：
L
mg / mg /L mg /L
L mg /
PR/2005/A0100A），其硫含量<0.1%、鉀含量 6,310 ppm、 磷 含 量 2,130ppm及低位發熱量 740kcal /kgf 、高位發熱量1,020kcal /kgf 。
表3.2 迪化污水處理廠脫水污泥化學性質一覽 (台北市政府工務局衛生下水道工程處，2007) 採樣品及標準
分析項目 脫水污泥 廢棄物認定標準/
溶出試驗（TCLP）標準
採樣日期 95/11/21
樣品編號 C11216601
氫離子濃度（pH） 7.45 <12.5 或<2.0
萃出液中總鉛（Pb），mg /L 0.011 5.0
萃出液中總鎘（Cd），mg /L 0.001 1.0
萃出液中總汞（Hg），mg /L 0.002 0.2
萃出液中總砷（As），mg /L 0.006 5.0
萃出液中總硒（Se），mg /L 0.008 1.0
萃出液中總鉻（Cr），mg /L 0.002 5.0
因為下水污泥呈膠體狀，致無法直接資源化為工程植生沃土；為 了提昇其再利用性，黃文德（2009）對本試驗材料之污泥施行拌砂混 合物之性質調查。所採用之砂為新竹南港海岸之灘砂；其粒徑介於 0.80~0.07 ㎜間，依統一土壤分類法屬於 SP 類；其 pH 值介於 6.85~7.71 間，屬於弱鹼性。調製五種重量比例之污泥拌砂混合物，其試料編號 分別為M10S0（污泥 100%砂 0%）、 M7S3（污泥70%砂 30%）、 M5S5
（污泥50%砂 50%）、 M3S7（污泥30%砂 70%）；量測得知其pH 值於 M10S0、 M7S3、M5S5及M3S7分別為 7.69、6.56、5.93 及 6.42。若將 其置入100 烘箱，則其被烘烤至含水率（=水重÷試料總重）接近 0%所需之時間於於M10S0、M7S3、M5S5及M3S7約分別為4、8、10 及16hr（見圖 3.5）。
oC
0 20 40 60 80 100
0 5 10 15 20
Time (hr)
Water content rate (%) M10S0
M7S3 M5S5 M3S7
圖3.5 100oC烘乾四種污泥拌砂混合物之含水率變化
（黃文德，2009）
第四章 污泥與石灰之反應機制
4.1 石灰性質
石灰是一種在廢水處理過程中脫水、防止氣味及消除病原微生物 常見的鹼性穩定材料。見式(4.1)，將白堊(Chalk)或含(碳酸鈣, Calcium Carbonate, CaCO3)之石灰石(limestone)高熱燃燒（約 900 ）可製造 出生石灰(Quicklime, CaO, 比重=2.30)。
oC
CaCO3+Heat→CaO+CO2 (4.1)
見式(4.2)，生石灰遇水發生水化作用(Hydration)後，產生熟石灰 或稱消石灰(Hydrated lime, 學名Calcium hydroxide, Ca(OH) 2, 比重
=2.08, 飽和熟石灰水之pH =12.4 强鹼)，並放出熱。
CaO+H2O→Ca(OH) 2+Heat (4.2)
見式(4.3)，熟石灰與空氣中的二氧化碳(Carbon dioxide, CO 2)接 觸，轉換成堅硬固體狀的碳酸鈣，並放出水(H 2O)。
Ca(OH) 2+CO 2→CaCO3+H 2O (4.3)
熟石灰之兩大用途為面層抹平(Finishing)及圬工(或稱磚石構造, Masonry)；面層抹平用之熟石灰有 Type N (Normal hydrated lime)及 Type S(Special hydrated lime)兩種，其中 Type N 沒有限制非水化氧化 物之含量(Unhydrated oxides)，而 Type S 所含之非水化氧化物大於 8%。另一方面，圬工用途之熟石灰有 Type N (Normal hydrated lime for
masonry purposes) 、 Type S (Special hydrated lime for masonry purposes)、Type NA (Normal air-entraining hydrated lime)及 Type SA (Special air-entraining hydrated lime)四種。具輸氣性質者(Air-entraining) 可於初期發揮高可塑性及高滯水性(Water retentivity) 。
石灰之硬化反應分水硬性(Hydraulic)及非水硬性(Nonhydraulic) 兩種；水硬性石灰(Hydraulic lime)係從矽石灰石(Siliceous limestone) 和粘土質石灰石(Argillaceous limestone)製造產生者，當其與水混合時 所含之矽酸(Silica)與礬土(Alumina)會結合而形成具有黏結作用的不 溶解混合物，故水硬性石灰之灰漿(Mortar)會產生強度及可置於水 中。非水硬性石灰含高量的鈣(Calcium)，係從碳石灰石(Carboniferous limestone)和白堊製造產生者，此類之灰漿因吸收大氣中的二氧化碳 而緩慢形成碳酸鈣，故產生強度之速率甚緩慢；即其一年內所產生之 壓縮強度為 0.7~2.8 、張力強度為 0.3~1.0 ，含細砂之灰漿強 度大於含粗砂者；因為灰漿具低強度特性，故一般不適用於永久性圬 工構造物（Kenneth and George, 1988）。
MPa MPa
4.2 石灰與污泥之反應
表 3.2 為迪化污水處理廠 2006 年第四季營運期間之脫水污泥化 學性質檢測結果，知曉其鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）之 含量，此外污水污泥也含鋅(Zn）、銅(Cu）、鉻（ Cr）及鎳（Ni）。針 對前述八種重金屬，本研究推導出其與Ca(OH)2 之化學反應關係為式 (4.4)~ 式(4.11)；知曉八種重金屬皆以氧化物型態存在，其反應中亦 皆需足夠的H2O，而反應後也都變成氫氧化物並會釋出熱量；另因為 Ca(OH)2都出現於反應式之左、右兩邊，故知曉其係拌演催化劑之功 能；而且完全反應所需時間也將因金屬種類及含量而異。
Ca(OH)2 + ZnO + H2O → Zn(OH)2 + Ca(OH)2 + heat (4.4)
Ca(OH)2 + CuO + H2O → Cu(OH)2 + Ca(OH)2 + heat (4.5)
2Ca(OH)2 + PbO2 + 2 H2O → Pb(OH)4 + 2 Ca(OH)2 + heat (4.6)
3Ca(OH)2 + Cr2O3 + 3 H2O → 2 Cr(OH)3 + 3 Ca(OH)2 + heat (4.7)
3Ca(OH)2 + Ni2O3 + 3 H2O → 2 Ni(OH)3 + 3 Ca(OH)2 + heat (4.8)
Ca(OH)2 + CdO + H2O → Cd(OH)2 + Ca(OH)2 + heat (4.9)
Ca(OH)2 + HgO + H2O → Hg(OH)2 + Ca(OH)2 + heat (4.10)
3 Ca(OH)2 + As2O3 + 3 H2O → 2 As(OH)3 + 3 Ca(OH)2 + heat (4.11)
以下續說明八種重金屬之氫氧化合物性質。
一、氫氧化鋅
氫氧化鋅[zinc hydroxide, Zn(OH)2]之密度 3.053 ，為無定形 白色粉末，幾乎不溶於水，而溶於酸、鹼溶液和氨水中；屬兩性氫氧 化物，在 125℃分解成氧化鋅和水；被用作橡膠填加劑或外科藥膏等。
/ mm3
g
二、氫氧化銅
氫氧化銅[Cupic Hydroxide, Cu(OH)2)]為藍色或藍綠色凝膠或淡 藍色結晶粉末，難溶於水，溶於酸、氨水和氰化鈉，受熱至 60-80℃
變暗，溫度再高分解為黑色氧化銅和水；除被用作分析試劑外，還用
/ mm3
g
於醫藥、農藥等，可作為激活劑、媒染劑、顏料、飼料添加劑、紙張 染色劑燈等。
三、氫氧化鉛
氫氧化鉛[(Pb(OH)4]之密度 7.592 3，為白色無定形沈澱，145
℃下會分解，微溶於水，稍溶於硝酸和醋酸，而易溶於強鹼溶液生成 鉛酸鹽，用於含六價鉻的廢水處理、環十二醇的氯化催化劑以及制作 多孔玻璃、防輻射屏障等。
/ mm g
四、氫氧化鉻
氫氧化鉻[chromic hydroxide, Cr（OH）3 ]為綠色粘性沉澱物，
不溶於水，溶於酸和強鹼溶液；將氨水加入鉻鹽溶液而製得，受熱分 解成Cr2O3。
五、氫氧化鎳
氫氧化鎳[Ni(OH)3] 之密度 4.150 ，為綠色晶狀強鹼，微 溶於水，易溶於酸，熔點 230 °C 。
六、氫氧化鎘
氫氧化鎘[Cadmium hydroxide, Cd(OH)2]用於製取鎳鎘電池、金屬 表面處理以及氣相色譜分析等，為有毒不燃腐蝕性物質，長期或高濃 度接觸會引起腎臟和血液損害。
七、氫氧化汞
氫氧化汞[mercuric hydroxide，Hg(OH)2]在室温下會立即分解為 氧化汞(HgO)；氧化汞幾乎不溶于水，溶於稀鹽酸和硝酸，而在 500°C 狀態時會進一步分解為汞和氧。氧化汞可用作船底塗料和瓷器顏料，
與石墨一起可作乾電池的去極劑。
八、氫氧化砷
氫氧化砷[As(OH)3]為白色、無臭、無味粉末，微溶於水；酸性 或中性溶液中與空氣氧化呈現惰性故作還原劑，在鹼性溶液中易與硫 化物反應產生硫代砷酸，其酸及鹽皆具毒性。
由前述知曉，八種重金屬之氫氧化合物皆為或多或少具凝膠性之 物質，有固化污泥之作用。故預期將石灰拌入污泥中並養護之，除可 以安定其化學性質（除臭、殺菌、重金屬溶出）外，亦可以降低含水 量，穩定其物理性質（稠度、造粒、有機物溶出），並提昇工程性質
（搬運、夯實、透水）及力學性質（壓縮性、抗剪強度）。
污泥-石灰之反應機制(Sewage sludge - lime reaction)猶如土 壤-石灰者 (Soil- lime reaction)，可分為下列兩個作用進行[Ronald et al. , 1979]。
一、陽離子交換及密簇作用(Cation exchange and flocculation)
此為短時間完成之作用，當石灰分解成離子狀態後，高價之 鈣離子(Ca++)會取代土壤中低價之陽離子(Na+, K+)，由於顆粒表面帶 有負電荷，因此離子交換後可以限制土壤顆粒表面覆水層之擴張，減 低土壤顆粒間之相斥力，使土壤顆粒形成緊密之密簇構造得到養護前 強度，進而即時改善土壤之塑性及工作性。
