中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

污泥-石灰之凝結及無圍壓縮性質

Sludge-lime of condensation and Unconfined compression properties

系 所 別：土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名：M09704008 丁 元 禹 指導教授：楊 朝 平 博 士

中華民國 九十九 年 八月

摘要 摘要 摘要 摘要

污泥為污水處理工程之終端產物，量大且不易處理。污泥可再利用於綠農地 或工程植生沃土等，而需探討其乾燥及提昇強度之技術。為此，本研究嚐試以石 灰固化污泥（污泥-石灰），觀察其於不同氣乾時間之凝結性質（維卡針之針入量

δ

p^{、乾單位重}

γ

d）及無圍壓縮性質（強度q 、割線模數_u

E

₅₀）。試驗材料為產自 台北市迪化污水處理廠之脫水污泥；污泥-石灰之試驗條件為四種初始含水率

（w =83%、78%、73%及 68%）及九種石灰含量（_o L =0%、3%、6%、9%、12%、_c 15%、18%、21%及 24%）。

研究發現（1）凝結、固化過程中之污泥-石灰漸成硬狀體，其

δ

_p^{值變小至為}

零；（2）污泥-石灰之完全固化（

δ

_p⁼⁰

^mm

^{）時間，於}w =83%者為 10.0 day、o w_o=78%

者為 8.5 day 、w_o=73%者為 6.5 day 與w_o=68%者為 4.5 day ；（3）化學反應之乾 燥效率於L_c=3%者 2.6%、於L_c=12%者 8.9%、而於L_c=24%者 16.0%；（4）污泥 -石灰固化試體之浸水軟化時間於L_c<3%者約 2 day 、於L_c>9%者不會完全軟化；

（5）隨著

δ

_p之減小，試體漸趨堅硬，使其q 及_u

E

₅₀變大；若以w_o=78%、L_c=18%

之 試 體 為 例 ， 其

δ

_p ^{由 35}

→

⁵

mm

時 ， 其q 由_u 30

→

^{181 kN/ m2 、}

E

50 由 503

→

^{6,193kN/ m2。}

關鍵詞：污水污泥、凝結、軟化、無圍壓縮強度。

Abstract

Sludge for sewage treatment works of Terminal product, large and difficult to handle. Sludge can be reused in the green vegetation of farmland or engineering, and need fertile ground to explore its drying and enhance the strength of the technology.

For this reason, this study attempts to lime cure sludge (sludge -lime), observation of their different Air-dried time of condensation properties (Vicat-pin of the needle into the dry unit weight) and Unconfined compression properties (strengthq , secant _u modulus

E

₅₀). Test material is produced from Taipei dihua sewage treatment plant sludge dewatering. sludge-lime of test conditions for the four initial moisture content rate(w = 83%、78%、73% and 68%) and nine lime content (_o L = 0%、3%、6%、9%、_c 12%、15%、18%、21% and 24%).

Study finds (1) in the process of condensation, curing of sludge-lime becomes hard, with

δ

_p a value of smaller to zero; (2) sludge-lime's complete curing time, w = 83% is 10.0 day 、o w =78% is 8.5 day 、_o w =73% is 6.5 day and _o w =68% is _o 4.5 day ；（3）Drying efficiency of chemical reactions, L =3% is 2.6%、_c L =12% is _c 8.9%、L =24% is 16.0%；_c （4）Sludge-lime cure on the soaking and softening time, L <3% About 2 day 、c L >9% Will not completely softening；_c （5）With the

δ

_p smaller, body becoming hard, make q 、_u

E

₅₀ larger；To think that the cases of

w =78%、o L =18%,_c

δ

_p ^{by 35}

→

⁵

mm

, and q by 30_u

→

^{181kN/ m2、}

E

50 by 503

→

^{6,193kN/ m2.}

Keywords: sewage sludge, condensation, softening, Unconfined compression strength.

誌 誌

誌 誌 謝 謝 謝 謝

首先要感謝恩師 楊朝平教授在兩年內給予課業與處事方面的指導與關愛，

在論文方面上不僅於撰寫期間逐字批閱斧正，並教導我許多寶貴的專業知識，使 論文內容能更為充實與完善，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李煜舲教授於百忙中撥 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，亦承蒙吳淵洵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，感謝慶源、明宏、憲忠、姿潔、禮鍵等同學在課業上相互支 持與鼓勵；學長冠評、文思、志偉提供珍貴經驗與意見，特別感謝兆祥在研究期 間的大力協助，祝福你們也能順利求得學位，亦在此一併致謝。

最後僅以本論文獻予最親愛的家人，感謝父母親的教育之恩，您們賜予的無 限關愛與包容，讓我無後顧之憂圓滿的完成求學夢想，在此致上我最深的謝意，

於不及備載之好友們也一併獻上千萬分感謝。

元禹 謹誌 於新竹中華大學 2010.08

目 目 目

目 錄 錄 錄 錄

中文摘要...i

英文摘要...ii

誌謝... iii

目 錄...iv

圖目錄...vi

表目錄... viii

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 論文架構...2

第二章 文獻回顧...4

2.1 污泥性質...4

2.2 污泥之再利用現況...7

2.3 污泥之資源化技術...12

2.4 污泥之綠農地技術...13

2.5 土壤之穩定化技術...17

2.6 污泥之穩定化技術...21

2.7 污泥-石灰反應機制 ...22

第三章 試驗材料...24

3.1 污泥產出流程...24

3.2 污泥基本性質...27

第四章 試驗方法...33

4.1 圓錐試體之維卡針試驗...33

4.2 浸水圓錐試體之維卡針試驗...36

4.3 圓柱試體之維卡針試驗法...38

4.4 無圍壓縮試驗...41

4.4.1 試驗作業...41

4.4.2 自動數據擷取系統...44

4.4.3 試驗作業注意事項...47

4.5 顯微鏡觀察法...50

第五章 污泥-石灰之圓錐試體凝結性質 ...53

5.1 圓錐試體之凝結性質...53

5.1.1 圓錐狀試體之含水率與氣乾時間關係...56

5.1.2 圓錐狀試體之針入量與氣乾時間關係...65

5.1.3 圓錐狀試體之初凝及終凝時間...71

5.2 浸水圓錐試體之軟化試驗結果...73

第六章 污泥-石灰之無圍壓縮強度 ...75

6.1 圓柱試體之凝結性質...75

6.2 無圍壓縮試驗之試體特徵...80

6.3 無圍壓縮之共通行為...83

6.4 無圍壓縮強度與針入量關係...101

6.5 割線模數與針入量關係...104

6.6 乾單位重與針入量關係...107

第七章 結論與建議... 111

7.1 結論... 111

7.2 建議... 112

參考文獻... 113

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 1.1 研究項目與流程...3

圖 2.1 曝曬初始之出廠污泥(2008,04,09)...5

圖 2.2 曝曬過程之污泥(2008,05,02)...5

圖 2.3 曝曬結束之污泥(2008,05,14)...6

圖 2.4 污泥之曝曬乾燥結果...6

圖 2.5 污泥於建築材料之資源化用途...10

圖 2.6 堆肥的物質轉化過程...14

圖 2.7 土壤穩定方法選擇流程...19

圖 3.1 於臺北迪化污水處理廠取污泥之情形...24

圖 3.2 試驗用污泥之產生流程...26

圖 3.3 迪化污水處理廠污泥脫水機之終端機械...27

圖 3.4 出廠污泥狀態...29

圖 3.5 100 C^o 完全烘乾後之污泥...29

圖 3.6 600 C^o 燒結後之污泥...30

圖 3.7 pH 值測定儀 ...31

圖 3.8 pH 值測定儀之校正溶液 ...31

圖 3.9 污泥之 pH 值測定情形 ...32

圖 4.1 圓錐狀試體之維卡針試驗...34

圖 4.2 拌合污泥-石灰之情形 ...35

圖 4.3 將污泥-石灰填入圓錐試模之情形 ...35

圖 4.4 圓錐試體之氣乾（左）及收縮（右）情形...36

圖 4.5 九種硬固之污泥-石灰 ...37

圖 4.6 九種硬固污泥-石灰之浸水情形 ...37

圖 4.7 浸水圓錐試體之維卡針試驗情形...38

圖 4.8 拌合污泥-石灰試料之情形 ...39

圖 4.9 將污泥-石灰試料填入圓柱試模之情形 ...39

圖 4.10 圓柱試體拆模前之氣乾情形...40

圖 4.11 圓柱試體拆模後之氣乾情形...40

圖 4.12 圓柱試體之維卡針試驗情形...41

圖 4.13 自動化力學試驗系統數及無圍壓縮試驗儀...43

圖 4.14 對試體施加軸向應力至破壞之情形...43

圖 4.15 試體於破壞狀態之相片...44

圖 4.16 顯示荷重及變位數值之儀表板...45

圖 4.17 Microsoft Office Excel 軟體可處理之數據電子檔...45

圖 4.18 存放數據電子檔之處所及檔名選擇...46

圖 4.19 數據擷取條件設定...46

圖 4.20 彎曲變形之氣乾養護試體...48

圖 4.21 呈圓柱狀之氣乾養護試體（彎曲變形性小）...48

圖 4.22 正常與變形試體之無圍壓縮行為比較（L =6%） ...49 _c 圖 4.23 正常與變形試體之無圍壓縮行為比較（L =12%） ...50 _c 圖 4.24 顯微鏡觀察設備...51

圖 4.25 試料微觀情形...51 圖 4.26 電腦擷取之污泥影像（w =83%、_o L =0%） ...52 _c 圖 5.1 出廠脫水污泥之微觀相片（w =83%、_o L =0%） ...53 _c 圖 5.2 污泥-石灰之微觀相片（w =83%） ...54 _o 圖 5.3 污泥-石灰固化過程之微觀相片（w =83%、_o L =12%） ...55 _c 圖 5.4 圓錐試體之（

w

- t ）曲線（w =83%） ...63 _o 圖 5.5 圓錐試體之（

w

- t ）曲線（w =78%） ...63 _o 圖 5.6 圓錐試體之（

w

- t ）曲線（w =73%） ...64 _o 圖 5.7 圓錐試體之（

w

- t ）曲線（w =68%） ...64 _o 圖 5.8 圓錐試體之（

δ

_p^{- t ）曲線（}w =83%） ...69 o

圖 5.9 圓錐試體之（

δ

_p^{- t ）曲線（}w =78%） ...70 o

圖 5.10 圓錐試體之（

δ

_p^{- t ）曲線（}w =73%） ...70 o

圖 5.11 圓錐試體之（

δ

_p^{- t ）曲線（}w =68%） ...71 o

圖 5.12 圓錐試體之（t -_w

δ

_p^）曲線（w =83%） ...74 o

圖 6.2 圓柱試體之（ t -

δ

_p^）曲線（w =78%） ...78 o

圖 6.3 圓柱試體之（ t -

δ

_p^）曲線（w =73%） ...78 o

圖 6.4 圓柱試體之（ t -

δ

_p^）曲線（w =68%） ...79 o

圖 6.5 試體之無圍壓縮破壞面特徵（w =78%、_o L =18%） ...81 _c 圖 6.6 試體之微觀相片（w =78%、_o L =18%） ...82 _c 圖 6.7 無圍壓縮試驗之(應力-應變)曲線（w =78%、_o L =6%） ...83 _c 圖 6.8 無圍壓縮試驗之(應力-應變)曲線（w =78%、_o L =12%） ...84 _c 圖 6.9 無圍壓縮試驗之(應力-應變)曲線（w =78%、_o L =18%） ...84 _c 圖 6.10 無圍壓縮試驗之(應力-應變)曲線（w =78%、_o L =24%） ...85 _c 圖 6.11 圓柱試體之無圍壓縮強度與針入量之關係曲線（w =83%）...102 _o 圖 6.12 圓柱試體之無圍壓縮強度與針入量之關係曲線（w =78%）...102 _o 圖 6.13 圓柱試體之無圍壓縮強度與針入量之關係曲線（w =73%）...103 _o 圖 6.14 圓柱試體之無圍壓縮強度與針入量之關係曲線（w =68%）...103 _o 圖 6.15 圓柱試體之割線模數與針入量之關係曲線（w =83%）...105 _o 圖 6.16 圓柱試體之割線模數與針入量之關係曲線（w =78%）...105 _o 圖 6.17 圓柱試體之割線模數與針入量之關係曲線（w =73%）...106 _o 圖 6.18 圓柱試體之割線模數與針入量之關係曲線（w =68%）...106 _o 圖 6.19 圓柱試體之乾單位重與針入量之關係曲線（w =83%）...108 _o 圖 6.20 圓柱試體之乾單位重與針入量之關係曲線（w =78%）...108 _o 圖 6.21 圓柱試體之乾單位重與針入量之關係曲線（w =73%）...109 _o 圖 6.22 圓柱試體之乾單位重與針入量之關係曲線（w =68%）...109 _o

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 2.1 下水道處理廠污泥產生過程的成份變化...4

表 2.2 預估美國 2010 年之處置再利用情形...7

表 2.3 歐盟會員國 2005 年之污泥產量及再利用比例...8

表 2.4 日本近年污泥之處理狀況（單位：1000m /³ year）...9

表 2.5 日本 2004 年污水污泥資源化用途... 11

表 2.6 污泥之綠農地技術比較...15

表 2.7 不同土壤的最有效穩定方法...17

表 2.8 考慮用途與土壤種類之穩定方法...18

表 2.9 試驗用污泥之物理性質及其金屬含量...23

表 3.1 迪化污水處理廠主要設施...25

表 3.2 迪化污水處理廠污水處理主要設施之廢棄污泥量及濃度...27

表 3.3 迪化污水處理廠脫水污泥化學性質一覽...28

表 3.4 污泥-石灰之 pH 值...32

表 5.1 圓錐試體凝結試驗之含水率與氣乾時間數據（w =83%）...59 _o 表 5.2 圓錐試體凝結試驗之含水率與氣乾時間數據（w =78%）...60 _o 表 5.3 圓錐試體凝結試驗之含水率與氣乾時間數據（w =73%）...61 _o 表 5.4 圓錐試體凝結試驗之含水率與氣乾時間數據（w =68%）...61 _o 表 5.5 圓錐試體凝結試驗之針入量與氣乾時間關係（w =83%）...67 _o 表 5.6 圓錐試體凝結試驗之針入量與氣乾時間關係（w =78%）...68 _o 表 5.7 圓錐試體凝結試驗之針入量與氣乾時間關係（w =73%）...68 _o 表 5.8 圓錐試體凝結試驗之針入量與氣乾時間關係（w =68%）...69 _o 表 5.9 圓錐試體之初凝及終凝時間...72

表 5.10 圓錐試體之凝結試驗之針入量與浸水時間關係（w =83%）...74 _o 表 6.1 四種不同w 污泥於不同_o L 者之針入量與氣乾時間數據...76 _c 表 6.2 圓柱試體之初凝及終凝時間...80 表 6.3 無圍壓縮試驗結果（w =83%、_o L =6%） ...86 _c

表 6.5 無圍壓縮試驗結果（w =83%、_o L =18%） ...88 _c 表 6.6 無圍壓縮試驗結果（w =83%、_o L =24%） ...89 _c 表 6.7 無圍壓縮試驗結果（w =78%、_o L =6%） ...90 _c 表 6.8 無圍壓縮試驗結果（w =78%、_o L =12%） ...91 _c 表 6.9 無圍壓縮試驗結果（w =78%、_o L =18%） ...92 _c 表 6.10 無圍壓縮試驗結果（w =78%、_o L =24%） ...93 _c 表 6.11 無圍壓縮試驗結果（w =73%、_o L =6%）...94 _c 表 6.12 無圍壓縮試驗結果（w =73%、_o L =12%） ...95 _c 表 6.13 無圍壓縮試驗結果（w =73%、_o L =18%） ...96 _c 表 6.14 無圍壓縮試驗結果（w =73%、_o L =24%） ...97 _c 表 6.15 無圍壓縮試驗結果（w =68%、_o L =6%） ...98 _c 表 6.16 無圍壓縮試驗結果（w =68%、_o L =12%） ...99 _c 表 6.17 無圍壓縮試驗結果（w =68%、_o L =18%） ...100 _c 表 6.18 無圍壓縮試驗結果（w =68%、_o L =24%） ...101 _c 表 6.18 無圍壓縮試驗結果（w =68%、_o L =24%） ...101 _c 表 6.19 試體之初凝無圍壓縮強度...104 表 6.20 圓柱試體初凝時間之割線模數...107 表 6.21 圓柱試體初凝時間之乾單位重... 110

第一章 第一章

第一章 第一章 緒論 緒論 緒論 緒論

1.1 研究背景 研究背景 研究背景 研究背景

現今全球各地污泥之產量皆因下水道設施普及而迅速增加，則必須積極思考 其處理與再利用等問題，資源化技術主要有焚化、燒結、溶融、堆肥、乾燥及穩 定等（Campbell，2000；蔡振球，2006），然而早期污泥的處理方法大致可分為 掩埋、焚燒及堆肥三種；但現今環保意識抬頭與掩埋場取得不易，導致此掩埋方 式於台灣執行困難；焚燒雖可減少需處理量，但其會造成二次的污染問題（如：

戴奧辛），且現今全球能源短缺情況下，故此方法也不適用；而國內目前尚未對 堆肥此處理方式設有規範，因此舊有的處理法則無法滿足於現今社會。

世界各地將污泥再利用之比例也逐年增加，故如無法將污泥減量，則如何將 其再利用為現今重要的議題。

1.2 研究動機 研究動機 研究動機 研究動機

舊有的處理法無法滿足於現今社會，然而土木工程用土之需求較為大量，如 能將污泥運用於此，不僅能將污泥再利用，也能解決大量污泥的處理方式，但污 泥為黏稠狀，如能將污泥拌入鹼性化合物來穩定，使其產生適當強度，才能當作 土木工程用土使用之。

Qiao and Ho （1997）證實將污泥添加鹼性物質如飛灰及鐵鋁氧化物渣等，

其可降低重金屬之可溶性及可交換性成分，可穩定土壤之材料有水泥、瀝青、飛 灰、石灰及其複合物（Ronald et al.，1979），而石灰能使污泥溫度提高，並可達 到化學性質安定、物理性質穩定及降低臭味作用，基於前述理由因此採用石灰為 污泥之穩定劑。

ASTM C191 維卡針試驗可用於測定水泥之初凝及終凝時間，以作為了解水 泥凝結性質，故本研究以維卡針試驗了解污泥-石灰之凝結性質。

1.3 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的

本研究探討使用石灰拌入污泥後其凝結性質及相關物理量，觀察污泥之無

圍壓縮強度q 、針入量_u

δ

_p及相關物理量之關係，並希望由維卡針試驗預測試驗 過程複雜之無圍壓縮試驗結果，藉以分析用於未來土木工程用土之可行性。

1.4 研究方法 研究方法 研究方法 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」所處理出之脫水污泥。首先本研究先探討張志偉（2009）之圓錐試體之 維卡針試驗，污泥為試料，拌入石灰以維卡針試驗觀察圓錐狀污泥-石灰之初始 含水率w 、石灰含量_o L 及氣乾時間 t 對其凝結穩定影響性及初凝、終凝時間，並_c 將其穩定化之試體浸入水中施做維卡針試驗，觀察其浸水時間t 之軟化程度。 _w

其次，觀察圓柱狀污泥-石灰之初始含水率w 、石灰含量_o L 及氣乾時間 t 對_c

污泥-石灰試體之凝結穩定影響性，並觀察圓柱試體之初凝、終凝時間。

最後將圓柱狀之污泥-石灰試體施做無圍壓縮試驗，觀察其尺寸、無圍壓縮 強度、針入量及相關物理量關係，藉以分析用於再利用材料之可行性。

1.5 論文架構 論文架構 論文架構 論文架構

本論文架構，共分為七章，其內容概要說明如後：

第一章 緒論：說明研究背景、研究動機、研究目的、研究方法及論文架構。

第二章 文獻回顧：首先對污泥性質、再利用現況做介紹，並說明相關污泥資源 化技術、污泥綠洲綠農地技術、土壤穩定化技術及污泥穩定化技術，另 外說明污泥-石灰反應機制。

第三章 試驗材料產出流程與性質，分產出流程與基本性質兩部分。

第四章 試驗方法，說明試驗之流程、方法及設備，。

第五章 污泥-石灰之凝結性質，針對圓錐試體之凝結性質與維卡針試驗結果加 以介紹及說明。

第六章 污泥-石灰之無圍壓縮強度，針對圓柱試體之維卡針試驗與無圍壓縮強 度試驗結果，並加以彙整及分析。

第七章 結論與建議，總結本研究之試驗結果與心得，並提出後續研究之參考與 建議。

圖 1.1 研究項目與流程

含水率

研究動機與目的

資料收 與文獻回顧

試驗材料儀 之 備

污泥 石灰凝結性質試驗 污泥 石灰無圍壓縮試驗

針入量 無圍壓縮強度 割線模數 乾單位重

試驗結果與分析

結論與建議

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

於本章 對相關於污水污泥之文獻做回顧，其含污泥性質、污泥再利用現

況、污泥資源化技術、污泥綠農地技術、土壤穩定（凝結、固化）技術及污泥穩 定技術等，以下 述之。

2.1 污泥性質 污泥性質 污泥性質 污泥性質

表 2.1 為一 污水下水道處理廠污泥產生過程的成份變化；知 生污泥之含 水率（水重÷試體重, Moisture content rate）約 99%、有機成分約 0.8%、無機成分 約 0.2%，濃縮污泥之含水率約 33%、有機成分約 0.8%、無機成分約 0.2%， 化 污泥之含水率約 33%、有機成分約 0.4%、無機成分約 0.2%，焚化灰之含水率 0%、

有機成分 0%、無機成分約 0.2%（台北市政府工務局衛生下水道工程處，2006）。

之固體物質中， 發物質（C、H、N 及 P 等）約 60~80 %，另尚含有 Si、

Ca、Al、Fe 及 Mg 等氧化物質。

表 2.1 下水道處理廠污泥產生過程的成份變化

（台北市政府工務局衛生下水道工程處，2006）

成 份 生 污 泥 濃 縮 污 泥 化 污 泥 脫 水 污 泥 焚 化 灰

含 水 率 ( ) 99.0 33.0 33.0 2.5 0.0

有 機 成 份 ( ) 0.8 0.8 0.4 0.4 0.0

無 機 成 份 ( ) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

文德（2009）對出廠污泥施行曝曬以觀察其乾燥時間與含水率之關係，此 試驗始於 2008 年 4 月 9 日終於 2008 年 5 月 13 日，期間之溫度=24~36 、 度

=50~94%，曝曬 積時間中 約 7 hr 量測一次含水率；圖 2.1、圖 2.2 及圖 2.3

分別為不同曝曬日期之污泥狀態。圖 2.4 為（含水率-時間）曲線，隨著曝曬時間 增加含水率降低， 於 出廠之污泥含水率約為 83 ；曝曬 16

hr

後因黏稠狀污 泥 較 、 乾燥較 ，含水率 然有 78%（見圖 2.1）；曝曬 32

hr

後，因污 泥 整體漸乾燥，且呈 狀，含水率明顯下降至 54 （見圖 2.2）；而曝曬時 間 積至 48

hr

時，含水率僅存 7 （見圖 2.3）。此法屬大量乾燥法，適用於實 務上， 間、 限制，且會發生臭氣、泥水之環保問題。

圖 2.1 曝曬初始之出廠污泥(2008.04.09)

圖 2.3 曝曬結束之污泥(2008.05.14)

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50

Time (hr)

W at er c on te nt r at e (% ) M10S0

圖 2.4 污泥之曝曬乾燥結果

2.2 污泥之再利用現況 污泥之再利用現況 污泥之再利用現況 污泥之再利用現況

污泥再利用及生物處理 為美國污泥的處理趨 ；表2.2為美國環保 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增加至約 70%，而掩埋及焚化處理相對減少至約30% （USEPA，1999）。

表 2.2 預估美國 2010 年之處置再利用情形（USEPA，1999）

再利用 棄置

年度 土地運用 一 處理

其屆 小 掩埋場表 面

焚化 其屆 小

2010 48% 13.5% 8.5% 70.0% 10% 19% 1% 30%

表2.3為歐盟會員國2005年之污泥產量及再利用比例，歐洲各 市在早年 有完善之規 ，故其下水道的普及率在五大洲中最高，於許多國家如荷 、 士 及 等 近全 ；歐洲 年產生之污泥量約為800萬 。

表 2.3 歐盟會員國 2005 年之污泥產量及再利用比例（轉載自 明宏，2002）

國家 污泥產量

（1000 ton）

再利用量

（1000 ton）

再利用百分 比（%）

人污泥產 生量（kgf/人）

160 115 72 31

愛 113 84 73 31

班尵 1088 589 54 28

希 99 7 7 28

地利 196 68 35 24

法國 1172 765 65 19

尵 359 108 30 33

250 125 63 38

14 9 64 35

德國 2786 1391 50 34

英國 1583 1118 71 27

比利時 160 47 29 16

荷 401 110 27 25

表 2.4 為日本污泥之處置狀況；因不易 污泥之掩埋用地，故逐日減少其 掩埋量，脫水污泥 也由 1994 年之 1,465,000m 降至³ 1997 年的 351,000m 。污³ 泥可經由焚化來減少其體積，污泥焚化在土地資源缺局的日本有大 度成長的趨

，其由 1994 年之 360,000m 上³ 至 1997 年之 1,180,000m 。日本多年來³ 動 污泥資源化再利用 收到相當成效，其發 方向以綠農地應用、建材使用及能源 回收為主，其再利用部份至 1997 年 達 567,000m （台北市政府工務局衛生下³ 水道工程處， 2002）。

表 2.4 日本 1993-1997 污泥之處理狀況（單位：1000m³/year）（台北市政府 工務局衛生下水道工程處，2002）

項目 年度 地掩埋 棄 再利用 其屆

1993 299 11 70 6

1994 795 102 392 176

脫水泥

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

1997 14 0 139 8

1993 0 0 110 0

1994 11 0 64 399

化、濃縮

污泥 1997 0 0 0 18

臺灣， 年所產生的總污泥約 108 萬 ，以脫水掩埋處理方式為主，而以 再利用為 。另以台北市為例，至 2009 年之污泥年產出量約 30 萬 ，處理 也 高達新台 十 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）。

以下， 據文獻將污泥於建築材料之資源化用途整理於圖 2.5，污泥用途 料污泥狀態、加工處理及處理生成物而 多元化（Tay,1987a；Tay，1987b；

Tay and Show，1997； ，1999； 獻 、 ，2000；Lin and Weng， 2001）。 另 據表 2.5 之日本 2004 年污泥資源化分析數據，知 污泥於土木、建築材料

之資源化比例高至 50%以上；此 因為日本對污泥資源化通 （建廠 用、產 等）提供了相當的 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

建材再利用

加工 燒卻灰 劑

材料 材料 混

混 水泥原料

燒成 物 材

混 燒成 燒成物

水 水性

加 成 燒成 燒成物

融 加工 融 材料

混 材

成 成

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

加工 燒卻灰 劑

材料 材料 混

混 水泥原料

燒成 物 材

混 燒成 燒成物

水 水性

加 成 燒成 燒成物

融 加工 融 材料

混 材

成 成

圖 2.5 污泥於建築材料之資源化用途（ ，1999）

表 2.5 日本 2004 年污水污泥資源化用途（ 獻 、 ，2000）

用 途 產 或 最 終 處 理 方 式 百 分 比 （ %）

土 壤 劑 2

燒 成 2

水 泥 料 29

人 行 道 1

質 材 6

掩 埋 土 5

水 0.5

凝 土 材 1

材 料 1

凝 土 二 次 1

瀝 青 材 料 1 土 木 、 建 築 材 料

其 屆 建 材 使 用 5

肥 料 12

綠 農 地

土 壤 劑 2

掩 埋 處 理 31 其 屆

其 屆 3

2.3 污泥之資源化技術 污泥之資源化技術 污泥之資源化技術 污泥之資源化技術

資源化技術主要有焚化、燒結、溶融、堆肥、乾燥及穩定等，以下概述之

（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 好 動 及 高 作 溫 度

（850~1050 ）三條件下，將所處理污泥中有機物 燒。其焚化灰可 成土質 劑、 基、水泥、瀝青 凝土、 、 水 等； 國內目前多將污泥與 共同焚化，致其產 再利用 值低。

二、燒結

一 燒結技術為將 料加 在 300~600 的溫度下乾燥，預先 屢其中的 發成分，使 有的有機物大約 80 % 化。由於有機污泥含有大量的有機物質，

利用有機污泥低溫 化技術可將污泥中有機成份 化，當作 料使用。 化處理 後之污泥主要可應用於 臭劑、 料及脫水 助材等使用。

三、 融

融為一高 能之處理技術， 融與焚化同屬 處理 必須高溫 燒，最大 的不同 融 燒溫度高達 尮 1,400~2,400 ，致產生之 灰也不一 ；溶 融後之產物主要資源化於 類。

四、堆肥

現屈化的堆肥技術，多以好氧堆肥化的方式為主，主要 因為其 有溫度高

(約為 55~60 效果較 )、基質分解較為 、堆置 期較短、臭味較少、可以

大規模採用機械處理等 。產物主要應用於土壤 劑與肥料， 目前國內對 於相關產 並無規範。

五、乾燥

以 氣壓縮乾燥法或岣 加 乾燥法處理，例如在歐美 使用者為轉台 式乾燥機。一 使用 然氣或尹 燒，維持溫度在 260~480 左右， 氣體 入後與污泥表面 可迅速烘乾，氣體經 線收 後經 氣處理設備 放。此法 可使污泥含水率小於 10 %，有減少體積、 效果、減少運 用及增加 存 能力等 。

六、穩定

將污泥拌以石灰等鹼性化合物，在

pH

=10 及 25 下 72 hr ，或

pH

值大於

10 及 52 下 12 hr ，再利用 氣或機械乾燥可使其含水率降到 50 %以下。污泥

經過穩定後，將使

pH

值 變，並產出生物化學 化產 ，可用於農業肥料及 性土壤之 劑；此法 低 能及 作 單等特 。

另一方面，張 (2002)探討污泥使用於低強度 回填料（CLSM）之可 行性，試驗制式 CLSM 試體在不同污泥取屈量條件下之性質，研究發現：

1. 污泥取屈量為 30%及 50%之試體，其流度 大於 15

cm

， 合 CLSM 規範之 規定。

2. 污泥取屈量為 30%及 50%試體之單位重比一 凝土減少 4%及 19%（ 凝 土單位重約 24kN/ m³）， 其凝結時間無法滿足 CLSM 規範要求（3.5 hr 以 內）。

3. 污泥穩定體之重金屬含量明顯降低。

4. 污泥穩定體曝 於大氣中，在試體的表面會有岭 尭狀物質生成 著其 上，可能係污泥中之有機物析出所致。

5. 污泥穩定體之表面或內部會出現 許之 。

2.4 污泥之綠農地技術 污泥之綠農地技術 污泥之綠農地技術 污泥之綠農地技術

何 等人(2003)提出自然界中有 多微生物 有氧化及分解有機物的能 力， 在一定的溫度、 度、

pH

值的條件下，利用微生物的化學分解能力，可 將污泥化成 質土壤的物質，以作為肥料 土壤 劑，其堆肥的物質轉化過 程如圖 2.6 所示。

有機物質 微生物

新的微生物

、

物質分解產物 能量

質或堆肥 量

圖 2.6 堆肥的物質轉化過程(何 等，2003)

據楊萬發、 明 等人 「家 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 相關業者 意 污泥所 成之堆肥；

另有 16.7%不 ， 因為不 成分及重金屬過高之 慮。若能有效 制污 泥堆肥中之重金屬成分及 造成本，可以增加民 污泥堆肥的意 (轉載自

明宏，2002)。

污泥之綠農地利用可以鹼性安定、乾燥及堆肥三種方式 行，表 2.6 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 適用於 性土壤； 由於 鹼性 安定之添加石灰量高達 20~30 % 用較高，且需後 乾燥處理將水份降低至 50 % 以下，因此 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 作 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 方式將土壤中有機物質安定， 污泥中有機成分高 外，並不適用於此方式。

表 2.6 污泥之綠農地技術比較(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 屆 綠 農 業 應 用 之 2~3 。 處 理 方 式 添 加 石 灰 外 加 源 乾 燥 生 物 發 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 乾 燥 設 備 ， 設 備 成 本

較 高

中

作 維 護 運 成 本

運 成 本 較 高 ， 由 於 鹼 性 安 定 ， 生 石 灰 添 加 量 達

20~3 0 %。

加 時 所 需 之 電 力 及 料 用 高 ， 運 成 本 較

高 。

中

運 成 本

添 加 石 灰 使 其 重 量 增 加 ， 運 成 本 較 高 。

可 使 含 水 率 降 到 30 %以 下 ， 體 積 較 小 ， 運 成 本

較 低 。

使 用 堆 肥 方 式 處 理 ， 因 含 水 率 有 40 %， 運 成

本 較 高 。 建 可 能 難 利 用 增 加 設

備 達 到 建

可 利 用 增 加 設 備 達 到 建

無 法 利 用 增 加 設 備 達 到 建 臭 味 問 題 臭 味 問 題 較 高 臭 味 問 題 較 低 臭 味 問 題 較 高

Qiao and Ho (1997)證實將堆肥化的污泥添加鹼性物質(Alkaline material)如 飛灰(Fly ash)及鐵鋁養化物渣等(Alkaline bauxite residue)，可降低重金屬之可溶性 及可交換性成分；因為在早期堆肥過程 （1）飛灰所產生之 類形成高鹼性環

，（2）高溫環 下形成的不可溶性 (Insoluble carbonate) 有 著包 重 金屬之作用。Nakasaki et al. (1985)發現若以石灰穩定污泥，則在 pH 值>11 之環

下，可 大部份的微生物。

據此等分析結果， 為污泥綠農地使用以乾燥方式較 ；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。 由於鹼性安定有下峚

，故 整合乾燥及鹼性安定兩種方法，將污泥 成「土壤 劑」使用(台 北市政府工務局衛生下水道工程處，2006)：

1. 石灰在 水分時，放出大量 使污泥溫度提高，初 降低含水率；此狀態 下若添加2~5 %石灰 可造 。

2. 經造 後，可降低污泥乾燥成本。

3. 添加石灰 有提高 pH 之效果， 鹼性安定之資源化產物 pH 值較高可達12 左右，較適用於 性土壤。

另一方面，Wong and Fang (2000) 為鹼性物質降低重金屬可溶性及可交換 性成分作用之發 取決於添加物及曝氣環 等，故 了 一 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 試將石灰含量L_c=0%、0.63%、1.0%

及 1.63%之比例拌入污泥木 合物(Sludge-sawdust mixture) ，於 式堆肥

100 day 後，對其 行系峚性的微觀試驗及 (Enzyme)分析。研究發現，將石

灰添加入 合物後可提昇其 pH 值，此種現 在早期 發生；石灰含量 多對微 生物分解的影響性 大，但會 早期高溫環 所限制；L_c=0.63%之添加量雖然

會因高溫及二氧化 的 放而 微 微生物 動，但不發 制 的作

用；建議以小於 1.0%之石灰含量處理污泥堆肥較適 。

2.5 土壤之穩定化技術 土壤之穩定化技術 土壤之穩定化技術 土壤之穩定化技術

於土壤穩定 ，美國 FHWA(1979)出 了「 面材料土壤穩定使用者尝屏 - 面設 及施工考量」，說明選擇穩定劑方法、試驗規範及 面 度設 、施工 等；而 Ronald et al. (1979)之「 面材料土壤穩定使用者尝屏- 比設 」，

則說明 比設 及穩定土之物理、力學性質等。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 性，

2. 降低土壤 水性，

3. 降低土壤體積變化性，

4. 提昇土壤強度，

5. 提昇土壤 性，

6. 提昇土方施工性，

7. 施工成本，

8. 能 ，

9. 降低環保問題。

表 2.7 為不同土壤的最有效穩定方法，表 2.8 為考慮用途與土壤種類之穩定 方法，而圖 2.7 為土壤穩定方法選擇流程。由表 2.7 及表 2.8 知 石灰穩定法適 用於 土、 土含量多之土壤，此法 降低 性及 量，增加工作性及強度之 效果； 用之石灰係指「 石灰」，以石灰穩定 可 性土壤 土壤穩定工 法之一。

表 2.7 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 Lime stabilization

表 2.8 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

Purpose Soil type Recommended stabilization methods 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

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 2.7 土壤穩定方法選擇流程(FHWA，1979)

土壤-石灰反應(Soil- lime reaction)可分為下峚兩 作用 行(Ronald et al.，

1979)：

一、 子交換及 作用(Cation exchange and flocculation)

此為短時間完成之作用，當石灰分解成 子狀態後，高 之 子(Ca⁺⁺)會

取屈土壤中低 之 子(Na⁺, K⁺)，由於 表面 有 電荷，因此 子交換後 可以限制土壤 表面複水 之 張，減低土壤 間之相岐力，使土壤 形 成 之 構造得到養護前強度， 而 時 善土壤之 性及工作性。

二、 結作用(Pozzolanic reaction)

石灰中之 子與土壤 物中之 及鋁 產生 結反應，形成 體

(Cementitious material)之 水化物 (Hydrated calcium silicate)及 鋁水化物

(Hydrated calcium aluminate)，此種 體之 結及硬化作用可將土壤 包圍，增

加土壤 間之 著力，提高土壤之長期強度； 其反應 行相當 ， 可長 達一年之 。此外，石灰與土壤 物發生水化反應後產生之 結物有助於 間 之鍵結 土壤中 之填 ，對於強度之增加亦有相當大之作用；且一 為石 灰穩定土工程性質之 變，主要 石灰硬化固結 土壤 使形成較強結構所 致。

影響土壤-石灰反應之因 為土壤 pH 值、有機 (Organic carbon) 含量、含 水率、可交換 (Exchangeable sodium)含量、黏土 物(Clay mineralogy)、 化程 度、 (Carbonate)含量、Extractable iron、Silica-sesquioxide 及 鋁比。然而，

影響土壤-石灰反應之最主要因 為土壤之本質及特性，如果土壤本質不 反應 性，則 論石灰種類、石灰添加量或養護期，皆無法發生充分的 結作用。

一 之，以石灰穩定 料土可達降低 性、提昇施工性及降低土壤體積變 化性等效果，但 不一定可 善其強度、變形（應力-應變行為）及 性等性 質， 土壤-石灰 合物(Soil-lime mixture)之性質 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。不養護土壤-石灰 合物(Uncured

mixture)之性質觀察著重於 性、施工性及土壤體積變化性，對施工 之影響

性大；而養護 合物(Cured mixture) 之性質觀察著重於強度、變形及 性，對 構造物長期行為之影響性大(Bell，1996)。

2.6 污泥之穩定化技術 污泥之穩定化技術 污泥之穩定化技術 污泥之穩定化技術

圖 2.5 峚出污泥於建築材料之資源化用途；而表 2.5 也峚出其於日本之資源 化用途，知 於土木、建築材料之再利用率高於 50 %；今後，於世界各國污泥 之產量將與日 增，而其最低 能、最大用量之資源化用途為「工程土方」。污 泥再利用為工程土方， 基本上需 合行政 共工程 員會「 共工程施工 要規範」規定 實最大乾單位重應大於 14.7kN/ m³外，亦應提昇其物理性質及 壓縮性、 強度等力學性質，而穩定處理為其主要尝 。

另一方面，由表 2.7 及表 2.8 知 石灰穩定法適用於 土、 土含量多之土 壤；而由於污泥 水性強， 水後的 率大，且 性指數高（PI 值大於 10），

故如 嚐試穩定污泥，可考慮採用石灰為穩定材料，此法也 安定污泥化學性質 之效果。石灰 一種在廢水處理過程中可發 脫水， 尩氣味， 微生物 之常見鹼性穩定材料。

Wong and Fang (2000)建議以小於 1.0%之石灰含量處理污泥堆肥，且較適用 於 性土壤。有效穩定 料土的建議石灰含量為 3%<L_c<10%； 對有機土而 ， 一 建議的石灰含量可能無法達到預期穩定效果；故 鹼性穩定污泥之添加石灰 量可能需高達 20~30 %。以石灰作為穩定劑需注意 化(Carbonation)問題， 在 其反應過程中石灰 二氧化 會轉換成堅硬固體狀，故 將石灰 於大氣中過

，且 拌及處理時間 過長。

於土木工程用途上，選擇污泥-石灰(Sludge-lume)之石灰含量試驗程 可比 石灰-土壤者，若污泥之成份變 小，則選擇石灰含量之主要影響因 為工程 用途，尒其需因應工程用途 污泥-石灰之 質要求（單位重、變形、強度、

水性等）， 而 據 質要求決定適 之石灰含量；故需對其試驗程 予以規 範(Ronald et al.， 1979)。

2.7 污泥 污泥 污泥-石灰反應機制 污泥 石灰反應機制 石灰反應機制 石灰反應機制

參 閱 表 2.9 ， 試 驗 用 污 泥 含 八 種 金 屬 ， (Zn)=1,080~1,630 mg/l 、 (Cu)=325~356mg/l 、 (Cr)=218~235mg/l 、 (Pb)=81.6~112.0mg/l 、 (Ni)=69.2~85.2mg/l 、 (As)=2.95~9.29mg/l 、 (Hg)=2.37~3.35mg/l 、

(Cd)=1.25~2.65 mg/l；比較上，係以 、 、 、 、 之含量較多，而僅含微

量之 、 及 。本論文之指導教授楊朝平 導出石灰與此八種金屬之化學反應 式（式(2.1)~式(2.8)），其會分別產生 Zn(OH)2、Cu(OH)2、Pb(OH)4、Cr(OH)3、 Ni(OH)₃、Cd(OH)₂、Hg(OH)₂、及 As(OH)₃八種 氧化物，其係呈 物。

在石灰與 泥八種金屬之反應過程中，Ca(OH)₂ 係發 化劑之作用；因為

所產生之 氧化物係以 結 物狀態存在，故 為石灰拌污泥 有凝結固化之 效果；而影響反應之因 為石灰及水之含量。

Ca(OH)2 + ZnO + H2O → Zn(OH)2 + Ca(OH)2 + heat (2.1)

Ca(OH)2 + CuO + H2O → Cu(OH)2 + Ca(OH)2 + heat (2.2)

2Ca(OH)₂ + PbO₂ + 2 H₂O → Pb(OH)₄ + 2 Ca(OH)₂ + heat (2.3)

3Ca(OH)₂ + Cr₂O₃ + 3 H₂O → 2 Cr(OH)₃ + 3 Ca(OH)₂ + heat (2.4)

3Ca(OH)₂ + Ni₂O₃ + 3 H₂O → 2 Ni(OH)₃ + 3 Ca(OH)₂ + heat (2.5)

Ca(OH)₂ + CdO + H₂O → Cd(OH)₂ + Ca(OH)₂ + heat (2.6)

Ca(OH)2 + HgO + H2O → Hg(OH)2 + Ca(OH)2 + heat (2.7)

3 Ca(OH)2 + As2O3 + 3 H2O → 2 As(OH)3 + 3 Ca(OH)2 + heat (2.8)

知 Ca(OH)2對污泥所含八種金屬之反應過程中會發 化劑作用，而所產

生之 氧化物係以 結 物狀態存在，影響反應之因 為石灰及水之含量。因 此，可預期若以石灰拌污泥不但能 制微生物生長、降低臭味、降解重金屬，而

且可以穩定污泥，有助 於其強度之提昇，而使其能滿足 沃土之 質要求（工 程性質 、 肥沃性）。故 於資源化污泥，並將其再利用為 沃土之動機與 目的，建議後續 持續探討石灰穩定污泥之學理面及技術面課題； 設定污泥含 水量、石灰含量及氣乾期等試驗條件， 合觀察 泥-石灰 合物（ 「 泥- 石灰」）之物理、力學及工程性質。

表 2.9 試驗用污泥之物理性質及其金屬含量（台北市政府工務局衛 生下水道工程處，2007）

項目

Ag-Bag 成 統發 成

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 Zn

(mg/l)

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

Cu (mg/l)

356 299 258 253 325 312 348 342

Cr (mg/l)

218 141 140 134 235 226 235 240

Pb (mg/l)

81.6 95.0 74.5 70.8 112.0 90.5 94.1 96.0

Ni (mg/l)

85.2 92.3 73.4 74.3 97.7 69.2 74.7 72.9

As (mg/l)

2.95 4.49 5.57 4.29 6.43 9.29 10.5 8.81

Hg (mg/l)

3.35 3.31 3.25 3.09 4.30 2.37 2.27 2.41

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

第三章 第三章 第三章

第三章 試驗材料 試驗材料 試驗材料 試驗材料

本研究所使用之試驗材料之污泥取自「台北市政府工務局衛生下水道工程處 迪化污水處理廠」，於本章 概述其產出流程及基本性質等。所取之污泥為經脫 水處理者（Water reduction facilities）。圖 3.1 為至廠 取污泥之情形，經現地觀 察知 其含水量高、呈黏稠狀、 發臭味。續將此污泥 後運回學校實驗

，至於 間以 其含水狀態 變。

圖 3.1 於臺北迪化污水處理廠取污泥之情形

3.1 污泥產出流程 污泥產出流程 污泥產出流程 污泥產出流程

迪化污水處理廠處理之污水 由迪化 水 尙 ，經過前處理、初 、

深 曝氣 、二 、 等處理單元 化後 入 水 。迪化污水處理廠之 主要設施峚於表 3.1，其含 制中心大 、機械式 污 、初 、深

曝氣 、二 、 、出水 水 、固體處理大 、污泥濃縮機、污泥

脫水機、 氧 化 、 化岣 、水肥 置 、設備維 、 臭機 及主 變電機 等（台北市政府工務局衛生下水道工程處，2008）。

表 3.1 迪化污水處理廠主要設施（台北市政府工務局衛生下水道工程處，2008）

項目 設施名 數量 規

1 制中心大 1 長 90

m

、 2

m

、地面上四 高 20

m

。 2 機械式 污 5 2.0

m

、高 3.5

m

、 條間 6

mm

。

3 初 24 二 式 （上 長 24.25

m

、下 長 32

m

）、 4.8

m

、上下 水深 為 3

m

。

4 深 曝氣 6

深 曝氣 長 63.3

m

、 度 27

m

、水深

10

m

，分為三 缺氧 （ 種選擇 ）及三

好氧 ；另設脫氣 長 27

m

、 4.5

m

、深 5.35

m

。

5 二 48 二 式 （上 長 37.35

m

、下 長 40.35

m

）、 6.0

m

、上下 水深 為 5

m

。

6 2

1. 長 48.02

m

、 11.55

m

、平 水深 8.0

m

。

2. 次 存 長 40

m

、 9.6

m

、高

5.4

m

。

7 出水 水 1 長 90

m

、 27

m

、地面上高 20

m

。 8 固體處理大 1 長 55

m

、 27

m

、地面上高 24

m

。 9 污泥濃縮機 8 台 式濃縮機 3~3.5

m

。 10 污泥脫水機 8 台 式 泥脫水機 2~2.5

m

。 11 氧 化 3 37.5

m

、 平 水深 10.5

m

。

12 化岣 1 24

m

、 高度 10.5

m

13 水肥 置 1 長 55

m

、 14.3

m

、總高度 17.7

m

（地上 11.1

m

、 地下 6.6

m

）。

14 設備維 1 長 37.5

m

、 22.3

m

、高 16.5

m

。 15 臭機 1 長 33.4

m

、 26.3

m

、高 11.0

m

。 16 主變電機 1 長 43.2

m

、 17.05

m

、地面高 18.53

m

。

圖 3.2 為試驗材料之污泥之產生流程，迪化污水處理廠之污泥經由機械濃 縮、 氧 化及過 式脫水之處理後， 日脫水污泥產生量約為 95~138m ，以³ 屈 作 約內之廢棄物處理單 1,775 元/ ，此場 日脫水污泥之 運處理

約 200,000 元。

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 3.2 試驗用污泥之產生流程（台北市政府工務局衛生下水道工程處，2007）

污泥脫水在於減低污泥中的水分，以減少污泥體積，使污泥容易做最終處 置，其脫水效率 理 劑不同而 。一 而 ，脫水前污泥的含水率約為 94

~97 ，經脫水後之含水率約降至 80 ，體積約減少 1/3~1/6；圖 3.3 為污泥脫 水機之終端機械。

圖 3.3 迪化污水處理廠污泥脫水機之終端機械

3.2 污泥基本性質 污泥基本性質 污泥基本性質 污泥基本性質

表 3.2 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 447m³/d、二 2,710 m³/d，其廢棄污泥濃度於

初 40,346 mg/L 、 二 11,741 mg/L 、 濃 縮 污 泥 濃 度

41,137mg/L、脫水污泥 流濃度 24,423mg/L（台北市政府工務局衛生下水道

工程處，2007）。

表 3.2 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 測值

初 廢棄污泥量（m³/d） 447 初 廢棄污泥濃度（mg/L） 40,346

二 廢棄污泥量（m³/d） 2,710 二 廢棄污泥濃度（mg/L） 11,741

濃縮污泥濃度（mg/L） 41,137

脫水污泥 流濃度（mg/L） 24,423

表 3.3 為迪化污水處理廠 2006 年第四 運期間之脫水污泥化學性質 測 結果；其 子濃度 pH =7.45， 出液中之重金屬含量於總 （Pb）0.011mg/ 、L 總 （Cd）0.001mg/ 、總L （Hg）0.002mg/ 、總L （As）0.006mg/L （台 北市政府工務局衛生下水道工程處，2007）。

此外， 據臺灣 驗 技 份有限 屫之迪化污水處理廠污泥 驗 （ 號：PR/2005/A0100A），其 含量<0.1%、 含量 6,310 ppm 及 含量 2,130 ppm 。

表 3.3 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）

分析項目

脫水污泥 廢棄物 定 /溶出 試驗（TCLP）

採 日期 95/11/21

號 C11216601

子濃度（ pH ） 7.45 <12.5 或<2.0 出液中總 （Pb），mg/L 0.011 5.0 出液中總 （Cd），mg/L 0.001 1.0 出液中總 （Hg），mg/L 0.002 0.2 出液中總 （As），mg/L 0.006 5.0 出液中總 （Se），mg/L 0.008 1.0 出液中總 （Cr），mg/L 0.002 5.0

對乾燥過程中污泥的狀態說明之，圖 3.4 為出廠污泥之狀態呈黏稠狀；圖

3.5 為 100 C^o 完全烘乾後污泥之狀態， 化成乾狀 ；圖 3.6 為將污泥以 600 C^o

燒結後之情形，其會 結成 約小於 5

mm

之硬狀 。

圖 3.4 出廠污泥狀態

圖 3.5 100

^oC

完全烘乾後之污泥

圖 3.6 600 C^o 燒結後之污泥

另一方面，土壤之溶液含有H 及⁺ OH ，使得土壤⁺ 其兩者含量多 呈

性、中性或鹼性， 人以 pH 值量化之； pH 值為H⁺ 子濃度之 對數。土壤 之 pH 值會影響微量元 反應及微生物 動，故會影響植物生長（ 姿 ，

2006）。污泥添加石灰會 變其 pH 值，並產出生物化學 化產 ，有利於綠農

地之使用（Campbell,2000）；Nakasaki et al.（1985）發現若以石灰穩定污泥，則 在 pH 值>11 之環 下，可 大部份的微生物。而於土木工程用途上，將石灰 拌污泥 有穩定之效果，其較適用於 性土壤，污泥-石灰之 pH 值可能高達 12。

鹼值測定法之試驗儀 為 pH 值測定儀、校正溶液、 水及量測 ；其 測定方法如下所述（ 文德，2009）：

1. 將 pH 值測定儀置入 pH 值為 4.0、7.0、10.0 之校正溶液中， 行校正（見圖 3.7、圖 3.8）。

2. 將 30 gf 試料（污泥或污泥-石灰）置入量測 中，加 水使水 滿試料，

10 成 液，將其 置使得固體 ， 雜質或 pH

值測定儀電極 之 感度。

3. 將 pH 值測定儀置入試料中，測其 pH 值（見圖 3.9）。

圖 3.7 pH 值測定儀

圖 3.8 pH 值測定儀之校正溶液

圖 3.9 污泥之 pH 值測定情形

參閱表 3.4，污泥-石灰之 pH 值，於石灰含量L_c=0%、3%、6%之 pH 值分 別為 7.7、10.9、11.7，石灰的拌入有助於 pH 值的增加；而石灰含量L_c=9%~24%

之 pH 值 為 12.0，由此可知污泥-石灰之 pH 值最高為 12.0。

表 3.4 污泥-石灰之 pH 值

Lc(%) Item

0 3 6 9 12 15 18 21 24

pH 7.7 10.9 11.7 12.0 12.0 12.0 12.0 12.0 12.0 The water content of dewatering sewage sludge: w_o= 83%

The pH of lime = 12.4

第四章 第四章 第四章

第四章 試驗方法 試驗方法 試驗方法 試驗方法

於本章說明之試驗方法為（1）圓錐試體之維卡針試驗法、（2）浸水圓錐試 體之維卡針試驗法、（3）圓柱試體之維卡針試驗法、（4）圓柱試體之無圍壓縮試 驗法及（5）顯微鏡觀察法；其中（1）~（4）試驗法的試體條件為污泥之初始含 水率及石灰含量。

4.1 圓錐試體之維卡針試驗 圓錐試體之維卡針試驗 圓錐試體之維卡針試驗 圓錐試體之維卡針試驗

資源化污泥之首要作業為乾燥、 、重金屬降解及穩定，以利運 及再利

用；由 2.7 之污泥-石灰反應機制，知 污泥添加石灰 有此等效果。Wong and

Fang（2000）建議以小於 1.0%之石灰含量處理污泥堆肥（ 、重金屬降解）；

而穩定污泥之添加石灰量可能需高達 20~30 %（FHWA, 1979）。

張志偉（2009）為了觀察污泥初始含水率w 、石灰含量_o L 及氣乾時間 t 對污_c 泥-石灰試體之凝結穩定影響性，嚐試 「水泥 之凝結時間試驗-維卡針（Test for time of setting of cement by Vicat needle）」規範（ASTM C191），以所測得之針 入量（維卡針 入試體之深度；The depth of Vicat needle Penetration into specimen,

δ

p^），量化其凝結程度（ 兆 ，1996）。共 做 36 種圓錐狀之污泥-石灰試體，

四種不同污泥初始含水率（w_o=83%、78%、73%及 68%），各添加九種不同石

灰含量（L_c=0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%及 24%）。 其對試驗

結果皆以尚未凝結、凝結初期、凝結中期及完全凝結等 述性文詞說明之，尨缺 量化性之 學觀察。

因為於本研究 以w 、_o L 、 t 及_c

δ

_p^， 續量化觀察張志偉（2009）之試驗 結果，故於此 對圓錐試體（Conical specimens）之維卡針試驗方法說明之。圖

4.1 為維卡針試驗全景，實驗儀 含維卡針試驗儀、 尺、電子 及圓錐試模

（上內 60

mm

、下內 70

mm

、高 40

mm

）。其試驗方法如下所述：

1. 將不同含量比例之石灰拌入四種不同w 之污泥中，以_o 出 不同L 之污泥_c

-石灰試料（見圖 4.2）。

污泥-石灰為 體物， 外壓實也無法增加其 實程度，經多次測試得到試體 之初始單位重

γ

_o^{約為 1.13gf / cm3（11.08kN/ m3）。}

3. 對所有污泥-石灰試料，各 作兩 試體，一 供維卡針試驗用；另一 將其 以 100 C^o 烘乾 12hr，求其烘乾後之污泥-石灰重W 。 _s

4. 見圖 4.4，將試體放置於 溫 內中 行氣乾，試體會放 ，發 臭味；

氣乾期間之 內溫度 制為 25 C^o 、 度 51%；經過約 0.25 day 時、試體會 收縮，則可將其 試模中取出 續氣乾，拆模時 量不要影響到試體完整性。

5. 0.5 day 對試體施作維卡針試驗，量測其

δ

_p值（見圖 4.1）。

6. 對試體做維卡針試驗之後，量測試體之含水率

w

（Moisture content rate）及

δ

_p 數據，並表峚觀察之；定 w

=

(W

−

W_s)

÷

W，W 為試體重。

7. 至所有試體之

δ

_p⁼⁰

^mm

^{時，結束試驗。}

8. （ t -

w

）及（ t -

δ

_p）關係曲線，並觀察之。

9. 比 水泥之維卡針試驗， （ t -

δ

_p）關係曲線中查出各種污泥-石灰之初凝及 終凝時間；初凝時間係指維卡針經 30 岕針入 25

mm

之 t 值，終凝時間係指 維卡針之針入量為 0

mm

之 t 值。

圖 4.1 圓錐試體之維卡針試驗

圖 4.2 拌合污泥-石灰之情形

圖 4.3 將污泥-石灰填入圓錐試模之情形

圖 4.4 圓錐試體之氣乾（左）及收縮（右）情形

4.2 浸水圓錐試體之維卡針試驗 浸水圓錐試體之維卡針試驗 浸水圓錐試體之維卡針試驗 浸水圓錐試體之維卡針試驗

由 2.7 之污泥-石灰反應機制，得知石灰拌入 泥之反應過程中，Ca(OH)2

發 化劑之作用，並穩定污泥-石灰呈硬固體。然而，一經穩定化之污泥-石灰 在環 變下 或浸水時，其軟化程度有 觀察。基本上，此試驗之方法同前 述「圓錐試體之維卡針試驗」者，不同之處在於污泥-石灰為完全穩定呈硬固體

（參閱圖 4.5）；使用污泥-石灰之w_o=83%，而石灰含量條件為L_c=0%、3%、6%、

9%、12%、15%、18%、21%及 24%。見圖 4.6，將此試體浸水， 定 浸水時

間之 號為t ；_w 1 day 對試體施做維卡針試驗（見圖 4.7）， （t_w-

δ

_p^）

關係曲線，並觀察之。

圖 4.5 九種硬固之污泥-石灰

圖 4.6 九種硬固污泥-石灰之浸水情形

圖 4.7 浸水圓錐試體之維卡針試驗情形

4.3 圓柱試體之維卡針試驗法 圓柱試體之維卡針試驗法 圓柱試體之維卡針試驗法 圓柱試體之維卡針試驗法

為了使用維卡針試驗結果估 污泥-石灰試體之強度，本研究 將針入量

δ

_p

與無圍壓縮強度q 相結合，但無圍壓縮試驗之試體需為圓柱狀（_u 圓錐狀），因 而有必要另行對污泥-石灰圓柱試體（Cylindrical specimens）做維卡針試驗，故 參考前述之維卡針試驗規範（ASTM C191），量測試體之

δ

_p^{值。共 做 16 種} 圓柱狀之污泥-石灰試體， 四種不同污泥初始含水率 （w_o=83%、78%、73%

及 68%），各添加四種不同石灰含量（L_c=6%、12%、18%及 24%）。

則上圓柱試體之維卡針試驗方法同前述圓錐試體者（參閱 4.1 ），其試 驗方法如下所述：

1. 試驗儀 含維卡針試驗儀、電子 及圓柱試體模（內 D_o=3.5

cm

、高度H_o= 7.0

cm

、體積V_o= 67cm ）³ 。

2. 將不同含量比例之石灰拌合入四種不同w 之污泥中，以_o 出 不同L 之污_c 泥-石灰試料 （見圖 4.8）。

3. 見圖 4.9，將污泥-石灰試料， 填入圓柱試體模中，使成試體；試體之初 始單位重為 11.08kN/ m³。

4. 見圖 4.10，將 於模中之圓柱試體置放於 溫 內中 行氣乾，期間之