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張孟弘(Meng-Hong Chang)
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環境工程研究所 |
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利用水庫淤泥造粒燒製濾料之研究
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| 摘要(中) |
摘要
本研究係運用造粒與燒結技術，將水庫淤泥製成適用於水處理深床過濾單元之燒結濾料，除了建立水庫淤泥之基本特性，並探討不同燒製溫度（1,100℃~1,200℃），燒製時間（10 ~30分鐘）及破碎程序之採用等燒製條件，對燒結濾料之影響。進一步的過濾試驗則以濾砂為對照濾料，濁度去除效率為指標，分為兩階段：第一階段的單一濾料濾床與第二階段混合濾料濾床試驗（混合濾料濾床：燒結濾料取代濾砂量之比例分別為25%、50%及75%）
實驗結果顯示，水庫淤泥之化學組成與一般黏土礦物相似，且無重金屬污染與毒性溶出之虞。燒結濾料之規格特性皆符合規範要求，比重範圍為1.69~2.23，介於一般濾砂與無煙煤之間。整體而言，燒製溫度1,150℃以上，燒製時間延長，且未經過破碎之燒結濾料，具有低洗淨濁度、磨損率及鹽酸溶解率之測定值，即抗磨損與耐酸蝕能力較佳；然而由微結構觀察（SEM），1,100℃與1,125℃之燒製溫度，10分鐘的燒製時間，試體表面呈現多孔性，尤其在經過人工破碎後，比表面積與吸水率增加，有助於提升過濾效果。再者，藉影響顯著性與影響程度之解析發現，較之燒製時間，燒製溫度為主要的燒製影響變數。
經過過濾效果測試，燒製時間10分鐘、溫度1,125℃之非破碎燒結濾料濾床，具有與濾砂濾床相近之濁度去除率，甚至於取代濾砂之試驗中，25%與75%之取代量產生較濾砂濾床佳的濁度去除率；燒製時間10分鐘、溫度1,125℃之破碎燒結濾料於各項取代量皆呈現穩定之濁度去除效果，有助於延長濾程，改善其他濾料在後段濾程中，過濾效果減低的情況。
根據研究成果，燒結濾料物化性質穩定，過濾效果與濾砂相仿，具有取代濾砂作為深床過濾填充濾料之潛力。 |
| 摘要(英) |
Abstract
The purpose of this study is to investigate the feasibility of producing the filter media which is used in the deep-bed filter unit of the water-supplied plant and wastewater tertiary treatment by sintering the pellets prepared by dam sediment. The analysis of the properties of raw materials was followed by the experiments, which were conducted to examine the effects of processing parameter such as sintering temperature (1,100℃~1,200℃), sintering time (10 min.~30 min.), and breaking operation on the sintered filters. Furthermore, the efficiency of turbidity removal was as the index of the effect of filtration evaluated by mono-filter and dual-filter composed by sinter filter and sand (sinter filter /sand: 25%, 50%, and 75%).
The results indicate that the components of dam sediment were similar to the regular clay. The dam sediment has considerably low contents and TCLP leaching concentration for Pb, Cr, and Cd, which all meet the standard thresholds.
The specific gravity of the sinter filter ranged from 1.69 ~ 2.23, the regular characteristics of sintered filter under varied manufacturing conditions were carried out to correspond with the requirement of the sand filter. As a whole, the lower washed-out turbidly, abrasion loss, and the solvency in HCl were obtained at the sintered filter with properly productive conditions including the sintering temperature above 1,150℃, the lengthened sintering time, and the non-breaking operation, showing the ability of anti-wearing and anti-corroding. Nevertheless, the porosity on the surface of sintered filter was determined by scanning electronic microscopy (SEM) with a minimum sintering time of 10 minutes and the decreased sintering temperature (1,100℃, 1,125℃). Furthermore, the artificial breaking was noted to increase the water adsorption and specific surface, improving the effect of the filtration. According to the statistics, comparing sintering time, sintering temperature was the main variable that affects the effect of sintering.
After the test of the efficiency of turbidity removal, unbroken sintered filter under the sintering temperature of 1,125℃and 10-minute sintered, its filtration performance is similar to the sand flilled in the 10-cm filter bed. Even the efficiency of turbidity of dual-filter was better; the ration of unbroken filter replaced was 25% and 75%. Sintered under the same conditions but crumbled artificially later, the broken sintered filter improved the decreasing efficiency of turbidity removal into upwards, extending the filter run.
In conclusion, the sintered filter reveals its potential to replace the sand as the filter media of the deep bed filtration in terms of the stably physical and chemical characteristics, and the competence of turbidity removal. |
| 關鍵字(中) |
★ 水庫淤泥
★ 造粒
★ 燒結
★ 過濾
★ 濾料 |
關鍵字(英) |
★ filtration
★ sintering
★ pelleting
★ dam sediment
★ filter |
| 論文目次 |
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 3
2-1水庫淤泥資源化 3
2-1-1水庫淤泥淤積現況及處置方式 3
2-1-2水庫淤泥之特性 4
2-1-3相關水庫淤泥資源化之研究 8
2-2人造濾料之燒製 11
2-2-1人造濾材之製造與應用 11
2-2-2轉動造粒原理 12
2-2-3燒結機制 20
2-3深床過濾濾料之特性 29
2-3-1濾料之特性及規格 30
2-3-2深床濾料之過濾機制 32
第三章 實驗材料、設備及方法 36
3-1研究架構 36
3-2實驗流程 36
3-2-1材料製備與性質分析 36
3-2-2造粒條件設定 36
3-2-3燒製試驗與濾料特性分析 38
3-2-4過濾能力測試 40
3-3分析項目及方法 41
3-4實驗設備 45
3-4-1主要實驗儀器 45
3-4-2實驗分析儀器 46
第四章 結果與討論 47
4-1水庫淤泥特性分析 47
4-1-1三成分分析與化學組成分析 47
4-1-2 水庫淤泥粉體粒徑分布 49
4-1-3重金屬總量濃度與TCLP毒性特性溶出試驗 51
4-2燒結濾料之規格特性分析 52
4-2-1比重 52
4-2-2洗淨濁度 54
4-2-3磨損率 56
4-2-4灼燒減量 58
4-2-5鹽酸溶解率 60
4-3燒結濾料其他物化特性 62
4-3-1吸水率 63
4-3-2比表面積變化 65
4-3-3物種形態之變化 67
4-3-4燒結試體微結構觀察 70
4-3-5實驗操作影響因子分析 81
4-4過濾效果測試 84
4-4-1單一濾料濾床之濁度去除效果比較 84
4-4-2混合濾料濾床之濁度去除效果比較 88
4-4-3綜合評析 89
第五章 結論與建議 92
5-1結論 92
5-2建議 94
參考文獻 95
附錄 99
表目錄
表2- 1現有水庫淤積量統計 5
表2- 2石門水庫淤泥礦物質檢定結果 8
表2- 3黏土、淨水污泥與下水污泥之化學組成 8
表2- 4水庫淤泥資源化相關文獻彙整 10
表2- 5固-液-氣三相充填狀態與造粒方法之適用性 19
表2- 6內部氣體主要來源 24
表2- 7二氧化矽之物理性狀 26
表2- 8各化學成份逸出氣體之種類及溫度 29
表2- 9水庫淤泥及下水污泥主要成分熔點 29
表2- 10濾料之規格 32
表3- 1燒結實驗配置表─圓形非破碎濾料 39
表3- 2燒結實驗配置表─不規則破碎濾料 39
表3- 3濁度去除試驗操作條件 41
表4- 1水庫淤泥三成分分析與pH值 47
表4- 2水庫淤泥與黏土、下水污泥之化學組成 49
表4- 3水庫淤泥粉體粒徑分布 50
表4- 4水庫淤泥粉體重金屬總量濃度與TCLP溶出試驗 51
表4- 5燒結濾料規格特性 81
表4- 6變數分析結果統整 83
表4- 7濾料性質比較 86
附表I- 1非破碎燒結濾料之比重 99
附表I- 2破碎燒結濾料之比重 99
附表I- 3非破碎燒結濾料之洗淨濁度 100
附表I- 4破碎燒結濾料之洗淨濁度 100
附表I- 5非破碎燒結濾料之磨損率 100
附表I- 6破碎燒結濾料之磨損率 101
附表I- 7非破碎燒結濾料之灼燒減量 101
附表I- 8破碎燒結濾料之灼燒減量 101
附表I- 9非破碎燒結濾料之鹽酸溶解率 102
附表I- 10破碎燒結濾料之鹽酸溶解率 102
附表I- 11非破碎燒結濾料之吸水率 102
附表I- 12破碎燒結濾料之吸水率 103
附表I- 13非破碎燒結濾料之吸水率 103
附表I- 14破碎燒結濾料之吸水率 103
附表II- 1燒製條件對非破碎濾料特性之顯著性分析 104
附表II- 2燒製條件對非破碎濾料特性之影響程度比較 105
附表II- 3燒製條件對破碎濾料特性之顯著性分析 105
附表II- 4燒製條件對破碎濾料特性之影響程度比較 106
附表III- 1單一濾料濾砂濾床之岀流水濁度變化 107
附表III- 2單一濾料，燒製溫度1,125，時間10分鐘非破碎燒結濾料濾床之岀流水濁度變化 107
附表III- 3單一濾料，燒製溫度1,150，時間10分鐘非破碎燒結濾料濾床之岀流水濁度變化 107
附表III- 4單一濾料，燒製溫度1,100，時間10分鐘破碎燒結濾料濾床之岀流水濁度變化 108
附表III- 5單一濾料，燒製溫度1,125，時間10分鐘之破碎燒結濾料濾床之岀流水濁度變化 108
附表III- 6單一濾料濾砂濾床之濁度去除效率變化 108
附表III- 7單一濾料，燒製溫度1,125，時間10分鐘非破碎燒結濾料濾床之濁度去除效率變化 109
附表III- 8單一濾料，燒製溫度1,150，時間10分鐘非破碎燒結濾料濾床之濁度去除效率變化 109
附表III- 9單一濾料，燒製溫度1,100，時間10分鐘破碎燒結濾料濾床之濁度去除效率變化 110
附表III- 10單一濾料，燒製溫度1,125，時間10分鐘破碎燒結濾料濾床之濁度去除效率變化 110
附表III- 11混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘非破碎燒結濾料去代量25%之岀流水濁度變化 110
附表III- 12混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘非破碎燒結濾料去代量50%之岀流水濁度變化 110
附表III- 13混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘非破碎燒結濾料去代量75%之岀流水濁度變化 111
附表III- 14混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘破碎燒結濾料去代量25%之岀流水濁度變化 111
附表III- 15混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘破碎燒結濾料去代量50%之岀流水濁度變化 111
附表III- 16混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘破碎燒結濾料去代量75%之岀流水濁度變化 112
附表III- 17混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘非破碎燒結濾料去代量25%之濁度去除效率變化 112
附表III- 18混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘非破碎燒結濾料去代量50%之濁度去除效率變化 112
附表III- 19混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘非破碎燒結濾料去代量75%之濁度去除效率變化 113
附表III- 20混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘破碎燒結濾料去代量25%之濁度去除效率變化 113
附表III- 21混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘破碎燒結濾料去代量50%之濁度去除效率變化 113
附表III- 22混合濾料濾床，燒製溫度1,125，時間10分鐘破碎燒結濾料去代量75%之濁度去除效率變化 114
附表III- 23單一濾料濾床之平均出流水濁度與平均濁度去除效率 114
附表III- 24混合濾料濾床之平均出流水濁度與平均濁度去除效率 114
圖目錄
圖2- 1水庫淤泥處置方法流程 7
圖2- 2顆粒間液膜架橋示意圖 13
圖2- 3造粒階段示意圖 14
圖2- 4轉動造粒粉體運動軌跡斷面圖 14
圖2- 5轉動造粒之顆粒成長 15
圖2- 6圓盤內粉體與粒體分區示意 15
圖2- 7微細粉末所佔比例與雛粒抗壓強度之關係 16
圖2- 8不同轉速下造粒機中的轉動 17
圖2- 9造粒系統中作用力之示意圖 18
圖2- 10燒結時原子移動至頸部之路徑 21
圖2- 11 (a)非緻密化機制 (b)非緻密化機制 22
圖2- 12液相燒結階段示意圖 24
圖2- 13各種常見元素在地殼中的蘊藏量 25
圖2- 14二氧化矽晶相型態轉化 27
圖3- 1研究流程 37
圖3- 2圓盤型造粒機 45
圖4- 1水庫淤泥X光繞射分析圖 49
圖4- 2水庫淤泥粉體粒徑分布與造粒粒徑分布限制 50
圖4- 3圓形非破碎燒結濾料之比重變化 53
圖4- 4不規則破碎燒結濾料之比重變化 54
圖4- 5圓形非破碎燒結濾料之洗淨濁度變化 55
圖4- 6不規則破碎燒結濾料之洗淨濁度變化 56
圖4- 7圓形非破碎燒結濾料之磨損率變化 58
圖4- 8不規則破碎燒結濾料之磨損率變化 58
圖4- 9圓形非破碎燒結濾料之灼燒減量變化 60
圖4- 10不規則破碎燒結濾料之灼燒減量變化 60
圖4- 11圓形非破碎燒結濾料之鹽酸溶解率變化 62
圖4- 12不規則破碎燒結濾料之鹽酸溶解率變化 62
圖4- 13圓形非破碎燒結濾料之吸水率變化 64
圖4- 14不規則破碎燒結濾料之吸水率變化 65
圖4- 15圓形非破碎燒結濾料之比表面積變化 66
圖4- 16不規則破碎燒結濾料之比表面積變化 66
圖4- 17燒製溫度1,100℃非破碎燒結試體之XRD圖譜 67
圖4- 18燒製溫度1,150℃非破碎燒結試體之XRD圖譜 68
圖4- 19燒製溫度1,200℃非破碎燒結試體之XRD圖譜 68
圖4- 20燒製溫度1,100℃非破碎燒結濾料之SEM圖譜（×500） 73
圖4- 21燒製溫度1,125℃非破碎燒結濾料之SEM圖譜（×500） 74
圖4- 22燒製溫度1,150℃非破碎燒結濾料之SEM圖譜（×500） 75
圖4- 23燒製溫度1,175℃非破碎燒結濾料之SEM圖譜（×500） 76
圖4- 24燒製溫度1,200℃非破碎燒結濾料之SEM圖譜（×500） 77
圖4- 25燒製溫度1,100℃，1,125℃破碎燒結濾料之SEM圖譜（×500） 78
圖4- 26燒製溫度1,150℃，1,175℃破碎燒結濾料之SEM圖譜（×500） 79
圖4- 27燒製溫度1,200℃破碎燒結濾料（×500）與試體整體之SEM圖譜 80
圖4- 28濾砂（Sand）、1,125℃，10分鐘非破碎燒結濾料（1125_10）、1,150℃，10分鐘非破碎燒結濾料（1150_10）、1,100℃，10分鐘破碎燒結濾料（1100_10）及1,125℃，10分鐘破碎燒結濾料（1125_10）濾床之出流水濁度變化 85
圖4- 29濾砂（Sand）、1,125℃，10分鐘非破碎燒結濾料（1125_10）、1,150℃，10分鐘非破碎燒結濾料（1150_10）、1,100℃，10分鐘破碎燒結濾料（1100_10）及1,125℃，10分鐘破碎燒結濾料（1125_10）濾床之去除效率變化 85
圖4- 30濾砂與燒結濾料之粒徑分布 86
圖4- 31 1,125℃，10分鐘非破碎燒結濾料取代濾砂25%（1125_10_25%）、50%（1125_10_50%）及75%（1125_10_75%）之出流水濁度變化 90
圖4- 32 1,125℃，10分鐘破碎燒結濾料取代濾砂25%（1125_10B_25%）、50%（1125_10B_25%）及75%（1125B_10_25%）之出流水濁度變化 90
圖4- 33 1,125℃，10分鐘非破碎燒結濾料取代濾砂25%（1125_10_25%）、50%（1125_10_50%）及75%（1125_10_75%）之濁度去除效率變化 91
圖4- 34 1,125℃，10分鐘破碎燒結濾料取代濾砂25%（1125_10B_25%）、50%（1125_10B_25%）及75%（1125B_10_25%）之濁度去除效率變化 91 |
| 參考文獻 |
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51. 鄭大偉、蔡宏睿、黃明政、王景玟，「利用水庫淤泥製成建築材料之研究」，北科大學報，pp. 97-102，2002 |
| 指導教授 |
王鯤生(Kuen-Sheng Wang)
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審核日期 |
2004-1-29 |
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