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研究生： 胡趙原
Chao-Yuan Hu
論文名稱： 下水污泥灰試體成型壓力對燒成輕質骨材之影響
Compacting pressure of the sewage sludge ash sample affect to the sintering of lightweight aggregate
指導教授： 王鯤生
Kuen-Sheng Wang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 環境工程研究所
Graduate Institute of Environmental Engineering
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 131
中文關鍵詞： 下水污泥灰 、輕質骨材 、成型壓力 、燒結
外文關鍵詞： sewage sludge ash, compacting pressure, lightweight aggregate, sintering
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    • 摘要
    在資源永續利用理念的推行下，採用傳統掩埋方式處理廢棄物已變得愈來愈不合時宜。下水污泥灰如何朝向資源、減量、安定及無害化的目標，已是未來污水下水道推廣衍生的新課題。由相關文獻得知，下水污泥具有燒成輕質骨材的潛力，但於操作條件控制將影響到骨材輕質化的效能。本研究的目的，在於控制不同之成型壓力變化對燒成輕質骨材之影響，進一步了解下水污泥灰輕質化之機制。
    本研究利用台北民生污水處理廠污泥餅，經實驗室焚化後配合不同的燒製溫度(1,070 C～1,100 C)及時間(20min及30min)，進而探究不同成型壓力(1,000psi ~5,000psi)對試體燒成輕質骨材的影響性。主要使用的儀器包括有：ICP、SEM、XRD、MIP等。
    實驗結果發現，試體成型壓力、燒製時間及燒製溫度，對試體輕質化效果，皆有具體而正面的影響效能。且多種成型壓力試體，在燒製溫度達1,080 C時，其密度皆可低於1.6 g/cm3之輕質化標準﹔將燒製溫度提昇至1,100 C，且配合燒製時間為30min時，可產生密度低小於1 g/cm3骨材試體，且體積膨脹率隨試體成型壓力變大而有增加的趨勢，其1,000psi與5,000psi之體積膨脹率分別可達到42.0%與69.2%。經由微結構觀測結果(SEM與MIP)，在燒製溫度控制於1,070、1,080 C時，不同成型壓力試體，已產生少許發泡存在於試體現象而逐漸呈輕質化現象發生，成型壓力和試體輕質化具正面之線性關係﹔當溫度高於1,080 C時，試體輕質化主要受到溫度影響，成型壓力(1,000~5,000psi)的影響則較不顯著。

    Abstract
    To carry out a conception of Sustainable Development, the use of traditional sludge treatments to treat sewage sludge is becoming insufficient and inadequate. It’s a serious assignment in the future for sewage sludge ash(SSA) treatments to achieve the purpose of Resource、Reduction、Stablization and Safety. From literature review it is widely perceived that SSA could be used to produce lightweight aggregate, which can be applied as a construction material. However, many parameters of the abovementioned production will affect the utility of lightweight aggregate. The object of this research is to analyze the effects of compacting pressure on the bloating mechanism of sludge ash and the mechanism properties of the derived aggregates.
    The sewage sludge ash pellets used in this study were prepared from the sewage sludge cake collected from a secondary sewage treatment plant (Minsheng STP, Taipei). The sludge ash were pulverized and pellitized using various compacting pressures ranging from 1,000~5,000psi, followed by sintering at temperature ranging from 1,070~1,100 C for 20~30 min. to determined for the effects of compacting pressure on their bloating mechanism and mechanic properties.
    From the experiment a positive relation trends can be seen between the swelling、compacting pressure、the sintering temperature and the sintering time. In general, for various compacting pressure tested, all sludge ash pellets bloated to a density of 1.6 g/cm3 when sintered at the temperature 1,080 C﹔Combination of higher temperature (1,100 C, 30min.) could generate aggregates with density less than 1g/cm3. Furthermore, a positive relation trends can be seen between the swelling and compacting pressure and/or the sintering temperature. For instances, at 1,100 C for 30min. sintering, the pellets with compacting pressure 1,000psi and 5,000psi could result in a swelling of 42.0% and 69.2%, respectively. It can be concluded from the results of this study cited above that the compacting pressure can positively affect the bloating of ash-derived aggregates at temperature ranging from 1,070~1,080 C, whereas at temperature higher than 1,080 C, temperature may governs the densification, resulting no significant difference among pellets formed with different pressures ranging from 1,000psi to 5,000 psi.

    目錄 第一章 前言 1 1 -1 研究緣起 1 1-2 研究目的與內容 2 第二章 文獻回顧 4 2 -1 下水污泥之性質 4 2-1-1 下水污泥來源及特性 4 2-1-2 下水污泥最終處置方式 7 2-2 下水污泥灰之性質 12 2-2-1 下水污泥灰的種類 12 2-2-2 下水污泥灰之資源化 14 2-3 輕質骨材概述 16 2-3-1 輕質骨材發展沿革 16 2-3-2 輕質骨材之種類 19 2-3-3 輕質骨材之燒結理論 22 2-3-4 輕質骨材的燒結過程 29 2-3-5 輕質骨材之發泡機制 33 2-3-6 壓結法成型過程與機制 36 2-3-7 影響燒結的因子 41 2-4 輕質骨材之特性 44 2-4-1 密度及比重 44 2-4-2 孔隙率 47 2-4-3 吸水率 48 2-4-4 強度與硬度 50 2-4-5耐久性 50 2-4-6 粒徑及級配 51 2-4-7 表面結構與內部微組織結構 52 2-4-8 有害物質 53 2-5 輕質骨材之用途與展望 54 2-5-1 輕質骨材之用途 54 2-5-2 下水污泥灰燒成輕質骨材之研究趨勢 55 第三章 研究設備與方法 56 3 -1 實驗設計 56 3-2 實驗材料 56 3-2-1 污泥來源 56 3-2-2 下水污泥灰之製備 57 3-3 實驗流程 58 3-4 實驗配置 61 3-5研究設備及方法 63 3-5-1 實驗設備 63 3-5-2 實驗分析設備 65 3-5-3 分析項目及方法 66 第四章 結果與討論 73 4 -1 下水污泥及污泥焚化灰基本特性分析 73 4-1-1 下水污泥的基本特性分析 73 4-1-2 下水污泥焚化灰之物理特性分析 74 4-1-3 下水污泥焚化灰之化學特性分析 77 4-1-4 下水污泥焚化灰之物種型態分佈 78 4-1-5下水污泥焚化灰之SEM影像 79 4-1-6 下水污泥灰之重金屬消化濃度與TCLP溶出濃度 80 4-1-7 結語 81 4-2 試體成型壓力對燒成輕質骨材的影響 82 4-2-1 燒成試體內部孔隙分佈 82 4-2-2 燒結後試體之微結構變化 87 4-2-3 密度變化 93 4-2-4 體積變化率 97 4-2-5 吸水率變化 100 4-2-6 抗壓強度變化 102 4-2-7 燒結後試體物種型態變化 105 4-3 燒結試體輕質化之相關性分析 111 4-3-1 未燒結試體物理特性之相關性分析 111 4-3-2 成型壓力對密度變化之影響 113 4-3-3 成型壓力對體積變化之影響 115 4-3-4 成型壓力對抗壓強度之影響 117 4-3-5 燒結試體密度與體積變化率之相關性 119 4-3-6 燒製試體密度與抗壓強度之相關性 121 第五章 結論與建議 123 5 -1 結論 123 5-2 建議 126 參考文獻 127 表目錄 表 2–1 台灣地區污水下水道處理率(90年6月)[52] 6 表 2–2 生物污泥之物化特性比較 7 表 2–3 民國86年台灣地區都市污水處理廠污泥處理處置狀況[45] 9 表 2–4 日本掩埋處分基準[25] 10 表 2–5 日本各處理廠污泥灰成分(%)[24] 13 表 2–6 國內外下水污泥灰之化學組成(%) 13 表 2–7 輕質骨材與常重骨材性質比較表 18 表 2–8 輕質混凝土與常重混凝土性質比較表 18 表 2–9 各類輕質骨材之成因及採掘方式或製程 20 表 2–10 輕質骨材的分類與基本性質[37] 21 表 2–11 輕質骨材內部氣體來源 35 表 2–12 各化學成份逸出氣體之種類及溫度 36 表 2–13 下水污泥灰中常見主要成份熔點[9] 43 表 2–14 混凝土性質相應之骨材性質需求 46 表 2–15 骨材耐久性性質與混凝土耐久性之關係及檢測依據[41] 51 表 2–16 混凝土骨材的級配要求(ASTMC33) 52 表 2–17 有害物質及其所產生之影響 53 表 3–1 實驗配置表-成型壓力1,000psi實驗 61 表 3–2 實驗配置表-成型壓力2,000psi實驗 61 表 3–3 實驗配置表-成型壓力3,000psi實驗 62 表 3–4 實驗配置表-成型壓力4,000psi實驗 62 表 3–5 實驗配置表-成型壓力5,000psi實驗 62 表 3–6 單軸抗壓強度校正因數 71 表 4–1 民生廠下水污泥三成分分析(%) 74 表 4–2 民生廠下水污泥重金屬總量(mg/kg) 74 表 4–3 民生廠下水污泥焚化灰粒徑分布 75 表 4–4 民生廠污泥灰化學組成(%) 77 表 4–5 民生廠污泥灰重金屬總量濃度與TCLP溶出濃度 81 表 4–6 30分鐘燒製試體孔隙分布相對百分比(%) 84 表 4–7 民生廠污泥灰和燒製後試體化學組成(%) 110 表 4–8 不同成型壓力之試體密度範圍 112 圖目錄 圖 2–1 下水污泥資源化途徑[45] 11 圖 2–2 輕質骨材產量分佈圖 17 圖 2–3 凸面應力與曲率之關係 24 圖 2–4 燒結時原子移動至頸部之路徑 24 圖 2–5 顆粒間頸部成長圖 26 圖 2–6 燒結溫度與物質遷移速度關係圖 27 圖 2–7 孔隙附近空位遷移圖 27 圖 2–8 (a) 非緻密化機制 (b) 非緻密化機制 29 圖 2–9 液相燒結階段示意圖 31 圖 2–10 液相燒結三階段圖 31 圖 2–11 粉體間因液體產生之毛細力而彼此拉近 32 圖 2–12 細的粉體越細、粗的粉體越粗 33 圖 2–13 膨脹性黏土燒成輕質骨材化學成份比率圖[33] 34 圖 2–14 乾式單軸加壓成型法 37 圖 2–15 單軸加壓成型法試體壓力分佈圖 38 圖 2–16 試體相對密度、強度與成型壓力關係圖 39 圖 2–17 粉體成型三階段 41 圖 2–18 青銅粉體成型特性 42 圖 2–19 銅粉受成型壓力對燒結之影響 42 圖 2–20 不同含水狀態之骨材 49 圖 3–1 民生污水處理廠流程圖 57 圖 3–2 下水污泥基本特性分析 58 圖 3–3 下水污泥灰基本特性分析 59 圖 3–4 不同成型壓力實驗流程圖 60 圖 3–5 導氣式焚化爐設備圖 64 圖 3–6 電加熱式高溫爐 65 圖 3–7 毒性特性溶出程序旋轉裝置 65 圖 3–8 重金屬總量消化流程 68 圖 3–9 毒性特性溶出程序(TCLP)流程 69 圖 4–1 民生廠下水污泥灰之粒徑分布圖 76 圖 4–2 民生廠下水污泥灰之粒徑分布累積圖 76 圖 4–3 民生廠下水污泥灰X光繞射分析圖 79 圖 4–4 民生廠污泥灰不同倍率SEM影像 80 圖 4–5 燒製30分鐘試體總孔隙率變化圖 84 圖 4–6 不同成型壓力經1,070 C燒結之孔隙分布圖 85 圖 4–7 不同成型壓力經1,100 C燒結之孔隙分布圖 85 圖 4–8 經1070 C燒結試體之孔隙 86 圖 4–9 經10,70 C燒結試體之孔隙 86 圖 4–10 1,000psi壓結試體SEM圖 88 圖 4–11 5,000psi壓結試體SEM圖 88 圖 4–12 成型壓力1,000psi燒製20min試體SEM圖 89 圖 4–13 成型壓力5,000psi燒製20min試體SEM圖 89 圖 4–14 試體內部孔隙成長、結合示意圖[22] 90 圖 4–15 成型壓力1,000psi燒製20min試體SEM圖 91 圖 4–16 成型壓力5,000psi燒製20min試體SEM圖 91 圖 4–17 燒製試體表面之SEM圖 92 圖 4–18 1,070 C、20min試體表面與內部交界處之SEM圖 93 圖 4–19 不同成型壓力之試體密度圖 94 圖 4–20 不同成型壓力燒結20分鐘密度圖 95 圖 4–21 不同成型壓力燒結30分鐘密度圖 95 圖 4–22 燒製20分鐘試體密度變化率圖 96 圖 4–23 燒製30分鐘試體密度變化率圖 96 圖 4–24 不同成型壓力燒結20分鐘體積變化率圖 99 圖 4–25 不同成型壓力燒結30分鐘體積變化率圖 100 圖 4–26 不同成型壓力燒結20分鐘吸水變化圖 101 圖 4–27 不同成型壓力燒結30分鐘吸水變化圖 102 圖 4–28 未燒結試體隨成型壓力不同抗壓強度之變化圖 104 圖 4–29 不同成型壓力燒結20分鐘之單軸抗壓強度 104 圖 4–30 不同成型壓力燒結30分鐘之單軸抗壓強度 105 圖 4–31 民生廠試體1,070 C、20分鐘燒結之XRD圖譜 107 圖 4–32 民生廠試體1,100 C、20分鐘燒結之XRD圖譜 108 圖 4–33 民生廠試體1,070 C、30分鐘燒結之XRD圖譜 108 圖 4–34 民生廠試體1,100 C、30分鐘燒結之XRD圖譜 109 圖 4–35 成型壓力4,000psi，1,070 C、20min燒結試體XRD圖譜 109 圖 4–36 成型壓力4,000psi，1,100 C、20min燒結試體XRD圖譜 110 圖 4–37 未燒結試體成型壓力與密度關係 112 圖 4–38 未燒結試體密度及抗壓強度關係圖 112 圖 4–39 試體燒結前密度對燒製試體密度的影響(20分鐘燒製) 114 圖 4–40 試體燒結前密度對燒製試體密度的影響(30分鐘燒製) 114 圖 4–41 試體燒結前密度與溫度對體積變化圖(20分鐘燒製) 116 圖 4–42 試體燒結前密度與溫度對體積變化圖(30分鐘燒製) 116 圖 4–43 試體燒結前密度與溫度對抗壓強度圖(20分鐘燒製) 118 圖 4–44 試體燒結前密度與溫度對抗壓強度圖(30分鐘燒製) 118 圖 4–45 試體密度與膨脹率關係圖(20分鐘燒製) 119 圖 4–46 試體密度與膨脹率關係圖(30分鐘燒製) 120 圖 4–47 體積膨脹率、燒結密度與溫度之關係圖 120 圖 4–48 試體密度與抗壓強關係圖(燒製20分鐘) 121 圖 4–49 試體密度與抗壓強關係圖(燒製30分鐘) 122 圖 4–50 抗壓強度、燒結密度與溫度關係圖 122

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