博碩士論文 88322022 詳細資訊




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姓名 張芳志( Fang-Chih Chang)  查詢紙本館藏   畢業系所 土木工程學系
論文名稱 火力電廠污泥營建材料資源化研究
(The resource of thermal power plan sludge in construction materials)
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摘要(中) 本研究採集並調查7家火力發電廠之污泥樣品(含廢水污泥與FGD污泥),每月污泥產量約1,900噸。為能將污泥資源化,本研究以焚化方式將廢水污泥製成灰渣,進行基本特性分析、水泥材料化、人造骨材以及製磚之研究,目的希望建立污泥灰渣特性並將其應用於營建替代材料。研究結果顯示各污泥之銅、鉛、鎘及鉻等重金屬,皆符合現行有害事業廢棄物認定標準之規定,屬一般事業廢棄物。由化學成份分析結果顯示,不同的廢水污泥來源或操作方式有非常大的不同特性,各污泥灰之主要成份可歸納為SiO2、Al2O3、Fe2O3及CaO等。另外,各污泥之pH值約介於7.15-9.90之間,屬中間偏鹼性。由於不同的污泥來源有極大的差異性,故本研究主要以林口火力發電廠之廢水污泥焚化灰當作後續資源化之研究重點。
研究發現,林口廠之廢水污泥焚化灰可做為水泥材料之局部取代、製成灰渣細骨材及拌製高壓混凝土磚等資源化產品;但因工程需求條件之不同,灰渣取代水泥與壓磚之較適取代量為10?20%;造粒細骨材取代天然細骨材之較適取代量為50%,除了灰渣中之氯離子與造粒細骨材之高吸水率問題外,各類之取代皆符合產品或工程規範之基本要求。
摘要(英) The production of sludge in thermal power plant has reached 1,900 tons per month. Since the landfill site is insufficient, the thermal power plant wastewater sludge must be incinerated and the ash must be recycled and reused. For this reason, this study investigated the feasibility of reusing wastewater sludge ash in construction materials to replace partial materials. Consequently, the properties of ash, mortar, concrete, aggregate and brick were analyzed. In this study, sludge sampled from different thermal power plant was burned into ash in the laboratory. According to the research results, the sludge has low heavy metal including Pb, Cd, Cr and Cu, so it belongs to general enterprise waste. Then the chemical composition of sludge was summed up in SiO2, Al2O3, Fe2O3 and CaO. The wastewater sludge ash is also found a porous material with irregular surface. When the ash was used to replace mortar cement, its water-adsorption capability will result in the reduction of mortar workability and compressive strength. Besides, the pH of sludge is between 7.15-9.90. Because different operating sequence and the source of wastewater will influence the properties of resource, we choose wastewater sludge of Lin-Kou thermal power plant to carry resource out follow-up.
The wastewater sludge ash of Lin-Kou thermal power plant can be reused to replace cement and aggregate respectively with sludge ash and artificial aggregate that is composed of ash and cement. On the other hand, the sludge ash is also reused to manufacture compressed concrete paving units. Cements or bricks are being substituted for sludge ash, and 10-20 percent of sludge ash is more appropriate. For fine aggregate, 50 percent of artificial fine aggregate is applicable to concrete. Sludge ash is reused to take the place of construction materials satisfy the requests of standard specification except higher absorbent of artificial fine aggregate and Cl- concentration.
關鍵字(中) ★ 污泥灰渣
★ 營建材料
★ 資源化
關鍵字(英) ★ Sludge ash
★ Construction materials
論文目次 目 錄
摘要
目錄……………………………………………………………………..Ⅰ
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅵ
表目錄…………………………………………………………………ⅩⅠⅠⅠ
第一章緒論……….….…………………………….…………………...1
1.1 研究緣起..….…………………………………………………..1
1.2 研究目的…………...…………………………………………..2
1.3 研究內容……………………………………………………….3
1.4 預期成果……………………………………………………….4
第二章文獻回顧………………………………………………………..5
2.1 火力發電廠污泥來源與性質….………………………………5
2.1.1 火力發電廠污泥之產量與特性………………………….5
2.1.2 火力發電廠污泥之處理現況…………………………….5
2.2 污泥及灰渣資源化之技術…………………………………...11
2.2.1 污泥灰渣資源化之技術………………………………...12
2.2.2 污泥灰渣之形式………………………………………...18
2.2.3 污泥灰渣之資源化…………………...…………………20
2.3 污泥灰渣之材料特性………………………………………...24
2.3.1 卜作嵐材料……………………………………………...24
2.3.1.1 卜作嵐材料之定義與要求……………………..24
2.3.1.2 污泥灰渣當作卜作嵐材料之特性……………..26
2.3.2 混凝土用粒料…………………………………………...28
2.3.2.1 骨材特性………………………………………..28
2.3.2.2 污泥灰製成骨材之特性………………………..31
2.3.2.3 污泥成份對燒製輕質骨材之影響……………..32
2.3.3 污泥灰渣製磚之研究…………………………………...34
2.3.3.1 污泥燒製建築用磚……………………………..34
2.3.3.2 廢棄物再利用於高壓混凝土磚………………..36
2.4 污泥成份對水泥材料之潛在影響…………………………...38
2.4.1 重金屬……………...……………………………………38
2.4.2 硫酸鹽...…………………………………………………43
2.4.3 氯化物…...………………………………………………46
2.4.4 鹼性物質………………………………………………...54
第三章試驗材料與研究方法…………………………………………59
3.1 試驗材料……………………………………………………...59
3.2 研究流程……………………………………………………...62
3.3 主要設備與儀器……………………………………………...65
3.3.1 主要實驗設備…………………………………………...65
3.3.2 主要分析儀器…………………………………………...69
3.4 研究方法……………………………………………………...71
第四章試驗結果與分析…………………………………………….…87
4.1火力發電廠污泥基本特性分析………………………………87
4.1.1火力發電廠分布與採樣日期…………………………….87
4.1.2 pH值…………………………………………….………..88
4.1.3 三成份分析……………………………………………...88
4.1.4 主要成份分析…………………………………………...90
4.1.5 污泥重金屬總量濃度與溶出試驗……………………...91
4.2 污泥灰之特性分析…………………………………………...93
4.2.1 污泥灰之粒徑分析……………………………………...93
4.2.2 林口廠綜合廢水污泥灰渣之重金屬消化濃度與TCLP溶出濃度…………………………………………………...94
4.2.3 污泥灰之SEM影像分析………………………………..94
4.2.4 污泥灰之XRD繞射分析………………………………..99
4.2.5 污泥灰之化學成份分析……………………………….103
4.3 污泥灰渣取代水泥之研究………………………………….105
4.3.1 灰渣部份取代水泥之基本物性……………………….105
4.3.2 新拌與硬固砂漿性質………………………………….107
4.3.2.1 新拌水泥砂漿性質……………………………..107
4.3.2.2 卜作嵐反應特性………………………………..110
4.3.2.3 硬固水泥砂漿性質……………………………..127
4.3.3 污泥灰渣混凝土……………………………………….135
4.3.3.1 污泥灰渣混凝土之研究………………………..135
4.3.3.2 污泥灰渣混凝土耐久性之研究………………..139
4.4 污泥灰渣製成骨材之研究………………………………….143
4.4.1 造粒細骨材基本特性分析…………………………….143
4.4.2 造粒細骨材拌製混凝土之研究……………………….149
4.4.2.1 新拌造粒細骨材混凝土之基本特性…………..150
4.4.2.2 硬固造粒細骨材混凝土之特性………………..150
4.5 污泥灰渣製磚之研究…….…………………………………152
第五章法令執行探討與經濟效益評估
5.1 法令執行探討……………………………………………….155
5.1.1 危害性評估…………………………………………….155
5.1.2 再利用條件…………………………………………….155
5.2 經濟效益評估……………………………………………….158
第六章結論與建議…………………………………………………..161
6.1 結論………………………………………………………….161
6.2 建議………………………………………………………….163
參考文獻………………………………………………………………165
圖目錄
圖2.1 林口火力發電廠廢水與污泥處理流程……………………….…9
圖2.2 卜作嵐材料與普通波特嵐水泥成份之C-A-S-F相位平衡圖…26
圖2.3 膨脹性黏土容易發泡之化學組成範圍………………………...32
圖2.4 鋼筋腐蝕的過程與反應機理…………………………………...49
圖2.5 典型的鋼筋腐蝕機理示意圖…………………………………...50
圖2.6 鋼筋表面鐵鏽生長情形及不同氧化程度鐵鏽的體積變化.…..51
圖2.7 氯離子濃度和混凝土pH值對鋼筋腐蝕之影響…………….…53
圖2.8 氯離子侵蝕鋼筋的機理和過程………………………………...54
圖2.9 鹼-骨材反應之機理和過程……………………………….……56
圖2.10 鹼骨材反應示意圖……………………………….……………57
圖3.1 實驗流程………………………………………………………..64
圖3.2 導氣式焚化爐設備圖…………………………………………..67
圖3.3 混凝土拌和機…………………………………………………..68
圖3.4 空氣含量氣量計………………………………………………..68
圖3.5 萬能試驗機……………………….…………………………….69
圖3.6 火力電廠污泥灰基本性質分析方法…………………………..75
圖3.7 毒性特性溶出程序流程圖與重金屬總量消化流程…………..76
圖4.1 各火力發電廠之相對位置與採樣日期………………………...87
圖4.2火力電廠綜合廢水污泥三成份分析之直方圖…………………89
圖4.3火力電廠FGD污泥三成份分析之直方圖……………………..89
圖4.4林口廠污泥焚化灰之粒徑分析…………………………………93
圖4.5 林口廢水污泥灰2000倍SEM影像……………………………95
圖4.6 林口廢水污泥灰4000倍SEM影像……………………………95
圖4.7 通霄廢水污泥灰2000倍SEM影像……………………………95
圖4.8 通霄廢水污泥灰4000倍SEM影像……………………………95
圖4.9 台中1-4廢水污泥灰2000倍SEM影像………………………..95
圖4.10 台中1-4廢水污泥灰4000倍SEM影像………………………95
圖4.11 台中5-8廢水污泥灰2000倍SEM影像……………………..96
圖4.12 台中5-8廢水污泥灰4000倍SEM影像……………………..96
圖4.13 深澳廢水污泥灰2000倍SEM影像……………………….….96
圖4.14 深澳廢水污泥灰4000倍SEM影像…………………………..96
圖4.15 協和廢水污泥灰2000倍SEM影像……………………….….96
圖4.16 協和廢水污泥灰4000倍SEM影像…………………………..96
圖4.17 大林廢水污泥灰2000倍SEM影像…………………………..97
圖4.18 大林廢水污泥灰4000倍SEM影像…………………………..97
圖4.19 興達廢水污泥灰2000倍SEM影像…………………………..97
圖4.20 興達廢水污泥灰4000倍SEM影像…………………………..97
圖4.21 林口FGD污泥灰2000倍SEM影像…………………………97
圖4.22 林口FGD污泥灰4000倍SEM影像………………………….97
圖4.23 台中1-4FGD污泥灰2000倍SEM影像………………………98
圖4.24 台中1-4FGD污泥灰4000倍SEM影像……………………..98
圖4.25 台中5-8FGD污泥灰2000倍SEM影像………………………98
圖4.26 台中5-8FGD污泥灰4000倍SEM影像………………………98
圖4.27 興達灰FGD污泥灰2000倍SEM影像………………………98
圖4.28 興達灰FGD污泥灰4000倍SEM影像………………………98
圖4.29 興達化學FGD污泥灰2000倍SEM影像…………………….99
圖4.30 興達化學FGD污泥灰4000倍SEM影像…………………….99
圖4.31 興達複循環污泥灰2000倍SEM影像………………………..99
圖4.32 興達複循環污泥灰4000倍SEM影像………………………..99
圖4.33 廢水污泥灰渣之X光繞射分析圖…………………….……..101
圖4.34 FGD污泥灰渣之X光繞射分析圖…………………………...102
圖4.35 廢水污泥灰渣之X光繞射分析圖………………….………..102
圖4.36 FGD污泥灰渣之X光繞射分析圖…………………………...103
圖4.37灰渣比表面積與砂漿流度之關係……………………………108
圖4.38 取代量10%之灰渣石灰漿體XRD分析結果……………….112
圖4.39 取代量20%之灰渣石灰漿體XRD分析結果……………….112
圖4.40 取代量30%之灰渣石灰漿體XRD分析結果……………….113
圖4.41 純水泥漿體XRD分析結果………………………………….114
圖4.42 取代量10%之灰渣水泥漿體XRD分析結果……………….114
圖4.43 取代量20%之灰渣水泥漿體XRD分析結果……………….115
圖4.44 取代量30%之灰渣水泥漿體XRD分析結果……………….115
圖4.45 純水泥漿體之孔隙大小分布………………………………...117
圖4.46 取代量10%之污泥灰渣漿體之孔隙大小分布……………..118
圖4.47 取代量20%之污泥灰渣漿體之孔隙大小分布……………..118
圖4.48 取代量30%之污泥灰渣漿體之孔隙大小分布……………...119
圖4.49 純水泥漿體之孔隙體積分布圖……………………………...120
圖4.50 取代量10%之污泥灰渣漿體之孔隙體積分布圖…………..121
圖4.51 取代量20%之污泥灰渣漿體之孔隙體積分布圖…………..121
圖4.52 取代量30%之污泥灰渣漿體之孔隙體積分布圖…………...122
圖4.53 純水泥漿體3天SEM影像………….……………………….124
圖4.54 純水泥漿體7天SEM影像………….……………………….124
圖4.55 純水泥漿體28天SEM影像………….…………………….124
圖4.56 純水泥漿體56天SEM影像………….…………………….124
圖4.57 純水泥漿體90天SEM影像………….…………………….125
圖4.58 10%灰渣水泥漿體3天SEM影像………….……………….125
圖4.59 10%灰渣水泥漿體7天SEM影像………….……………….125
圖4.60 10%灰渣水泥漿體28天SEM影像………….……………….125
圖4.61 10%灰渣水泥漿體56天SEM影像………….……………….125
圖4.62 10%灰渣水泥漿體90天SEM影像………….……………….125
圖4.63 20%灰渣水泥漿體3天SEM影像………….……………….126
圖4.64 20%灰渣水泥漿體7天SEM影像………….……………….126
圖4.65 20%灰渣水泥漿體28天SEM影像………….……………….126
圖4.66 20%灰渣水泥漿體56天SEM影像………….……………….126
圖4.67 20%灰渣水泥漿體90天SEM影像………….……………….126
圖4.68 30%灰渣水泥漿體3天SEM影像………….……………….126
圖4.69 30%灰渣水泥漿體7天SEM影像………….……………….127
圖4.70 30%灰渣水泥漿體28天SEM影像………….……………….127
圖4.71 30%灰渣水泥漿體56天SEM影像………….……………….127
圖4.72 30%灰渣水泥漿體90天SEM影像………….……………….127
圖4.73 灰渣砂漿抗壓強度結果……………………………..……….128
圖4.74 純水泥砂漿之XRD繞射分析………….……………………130
圖4.75 添加10%污泥灰渣之水泥砂漿之XRD繞射分析………….130
圖4.76 添加20%污泥灰渣之水泥砂漿之XRD繞射分析…………131
圖4.77 添加30%污泥灰渣之水泥砂漿之XRD繞射分析………….131
圖4.78 污泥灰渣砂漿硫酸鎂浸泡之重量變化……………………..133
圖4.79 污泥灰渣砂漿硫酸鎂浸泡之尺寸變化……………………..133
圖4.80 污泥灰渣砂漿硫酸鎂浸泡之抗壓強度……………………..134
圖4.81 污泥灰渣砂漿硫酸鎂浸泡之強度變化……………………..134
圖4.82 不同取代量與齡期之混凝土抗壓強度(w/c=0.51)...………..138
圖4.83 不同取代量與齡期之混凝土抗壓強度(w/c=0.69)...………..139
圖4.84 人工海水乾溼循環之混凝土抗壓強度(w/c=0.51)...………..140
圖4.85 人工海水乾溼循環之混凝土抗壓強度(w/c=0.69)...………..141
圖4.86 硫酸鎂浸泡之混凝土抗壓強度(w/c=0.51)...………………..142
圖4.87 硫酸鎂浸泡之混凝土抗壓強度(w/c=0.69)...………………..142
圖4.88 滾動30?40分鐘之造粒產物粒徑分析…………………….144
圖4.89 滾動15分鐘之造粒產物粒徑分析………………………….144
圖4.90 造粒細骨材添加25%細砂之粒徑分析………………….…..145
圖4.91 造粒細骨材之XRD物種分析……………………………….145
圖4.92 造粒細骨材混凝土之抗壓強度……………………………...151
圖4.93 水灰比0.25之高壓混凝土磚抗壓強度………………….….153
圖4.94 水灰比0.30之高壓混凝土磚抗壓強度………………….…..153
圖4.95 高壓污泥灰渣磚之成品展示………………….……………..154
圖5.1 事業廢棄物管理問題………………….………………………157
圖5.2 各火力發電廠污泥之產量分布……...………….…………….158
圖5.3 現行污泥之處置方式………...………………….…………….158
圖5.4 事業廢棄物產生與清理之管制和科技角色….…...………….160
表目錄
表2.1 台灣地區火力發電廠污泥之處理與處置現況.…………………6
表2.2 國內火力電廠廢水污泥之性質.…………………………………7
表2.3 國內工業廢水污泥性質………………….………………………8
表2.4 國內污泥處理廠脫水污泥含重金屬特性…….…………………9
表2.5 火力電廠污泥之廢水種類………………….……….………….10
表2.6 污泥再利用技術需求分類………………….……….………….13
表2.7 各種固化/穩定化技術之作用、特性、適用範圍及優缺點…….15
表2.8 下水污泥焚化灰成份………………….……….……………….19
表2.9 污泥資材化技術………………….……….…………………….24
表2.10 卜作嵐物質分類………………….……….…………………..26
表2.11 實用上輕質骨材分類及基本性質……….……………………30
表2.12 輕質骨材與常重骨材性質比較表.……….…………………...30
表2.13 輕質混凝土與常重混凝土性質比較表.……….……………...30
表2.14普通磚之等級及品質要求.……….……………………….…...35
表2.15 市售各種高壓混凝土磚之典型規格….………………….…...36
表2.16 高壓混凝土連鎖地磚之等級及品質要求.…………………...37
表2.17 傳統窯燒陶瓷磚與高壓混凝土磚之差異比較………………37
表2.18 鋁酸三鈣的水化過程及其所造成之問題……………………44
表2.19 參與鹼骨材反應之活性骨材型態……………………………57
表3.1 各廠之污泥種類……..………….………………………………59
表3.2 水泥成分分析…….……………………………………………..60
表3.3 粗、細骨材篩分析與物理性質…………………………………61
表3.4 人工海水組成成份.……………………………………………..62
表3.5 相同工作性之污泥灰渣砂漿配置……………………………...82
表3.6 卜作嵐活性分析配置.…………………………………………..82
表3.7 水泥漿試體配置….……………………………………………..83
表3.8 石灰漿體試配置…….…………………………………………..83
表3.9 灰渣混凝土試驗配置…….……………………………………..84
表3.10 灰渣骨材混凝土試驗配置………………………………….…85
表3.11 混凝土製品骨材級配之規範.…………………………………85
表3.12 污泥灰渣製磚之配比…….……………………………………86
表4.1 綜合廢水污泥之pH值………………………………………….88
表4.2 FGD污泥之pH值……………………………………………….88
表4.3 火力電廠污泥之主要成份分析………………….……………..90
表4.4 林口廠綜合廢水污泥之重金屬總量濃度……….……………..91
表4.5 火力電廠污泥之TCLP試驗…………….……………………..92
表4.6林口廠綜合廢水污泥灰渣之重金屬總量與TCLP溶出結果….94
表4.7 廢水污泥灰之化學組成…………….…………………………104
表4.7 FGD污泥灰之化學組成(續)…..………………………………104
表4.8 污泥灰渣之材料物理性質分析結果……………………….…106
表4.9 灰渣取代水泥砂漿之流度值……………………………….…108
表4.10 相同工作性下灰渣砂漿之水灰比…………………….……..108
表4.11 污泥灰渣凝結時間試驗結果……………………...…………109
表4.12 污泥灰渣卜作嵐活性指數…………………………………...111
表4.13 孔隙分類與水泥砂漿工程性質之關係……………………...116
表4.14 粗細骨材基本特性分析……………………………………...135
表4.15 新拌混凝土坍度試驗結果…………………………………...136
表4.16 新拌混凝土空氣含量試驗結果……………………………...137
表4.17 污泥灰渣混凝土單位重……………………………………...137
表4.18 造粒細骨材與天然細骨材之化學成分比較………………...146
表4.19 含砂當量規定………………………………………………...148
表4.20 CNS 1240 細粒料中水溶性氯離子含量限制……………….149
表4.21 新拌造粒細骨材混凝土之基本特性………………………...150
表4.22 硬固造粒細骨材混凝土之單位重………………….………..151
表4.23 高壓污泥灰渣磚之吸水率與單位重………………………...152
表5.1 火力電廠廢水污泥(林口廠)再利用管理方式……………….157
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指導教授 林志棟(Jyh-Dong Lin) 審核日期 2001-7-6
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