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高雄市焚化底渣再利用

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底渣熟化再利用

一、 底渣熟化之目的

        由於底渣內仍含部分污染物質,為避免再利用製品會污染環境,必須經適當前處理程序將其去除,並藉穩定化處理,確保底渣於再利用後,無重金屬長期溶出之顧慮。一般而言,常添加結合劑(如水泥等)及化學穩定化藥劑(如磷酸鹽系、硫化物系、矽酸鹽系、螯合物系等藥劑)來完成,以符合法定溶出試驗標準限值。

        由於化學藥劑本身有遇水溶解而影響土壤及地下水品質之疑慮,且因各式藥劑之品管、專利權及售價等問題會對使用者造成負擔,故歐洲各國基於國情及環境條件考量,其焚化底渣經「分選」後,多必須再經數月之「熟化(Aging)」方得再利用。而所謂「熟化(Aging)」,即採用長期貯存期間藉由底渣本身化學成分經自然進行各項化學反應方法,徹底改變底渣之礦物質結構,促使其穩定化。

        底渣屬亞穩定性固體物,藉「熟化」過程方能降低pH至8~8.5及形成部分低溶解性二次礦物質,促使諸多陽離子重金屬(Cu、Pb、Zn等)之溶解度降至最低,並因新形成非結晶鐵鋁礦物質之吸附作用,有效改善焚化底渣中主要與微量元素之溶出情況。該自然反應過程雖然效果佳、品質高、穩定性強,且需求僅為具排水、滲水收集及防止飛散等環保設施之場地,但須有廣大貯存場址及長期貯存時間為其於國內發展應用之限制因子。

二、 底渣熟化過程

        底渣熟化過程包括水合、水解、氧化還原、碳酸化、有機物微生物氧化、各種沈澱反應(包括形成proto-clays)、玻璃相風化等反應。此外,因熟化過程受含Ca礦物及CO2分壓之控制,影響pH值改變,故可將熟化概分為如下三種階段,每一階段皆以一特定pH值為代表。

(一) 第一階段(pH >12)

        由於爐床尾乾底渣落入水冷卻出渣器,會發生水解反應(Ca/Al/Na/K氧化物)與溶解及再沈澱作用(陽離子氫氧化物與鹽類),故底渣受熟石灰(Portlandite, Ca(OH)2)溶解度控制而產生高pH值。

(二) 第二階段(pH:10~10.5,尚未碳酸化者)

        由於含Ca與Al之礦物質在上階段高鹼度情況下,溶解並與水及硫酸鹽反應生成 Ettringite (Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26(H2O))、Gibbsite(Al(OH)3) 及石膏(CaSO4.2H2O) 等,pH降至10~10.5。且當該三種物質同時存在時,pH將固定在10。

        於初期高鹼性條件下,亦易形成鋁溶液及鎂與硫酸鹽之沈澱物,並提供理想環境形成沸石(Zeolite)。當非結晶之鐵鋁氫氧及氧化物(Fe/Al-(hydr)oxides)、含水矽鋁化合物、沸石等二次礦物因持續水解而沈澱,溶解性鹽類將快速溶出。

        此外,當殘留有機物生物分解及還原性礦物相溶解時,亦將形成還原環境,另若交替過程缺乏濕潤及乾燥,非結晶矽鋁化合物之結晶速率亦將因而受限。

(三) 第三階段(pH 8~8.5,已碳酸化者)

        CO2(部分吸附自大氣,部分內部生物分解而產生)及碳酸鈣(CaCO3)存在,使pH降至8~8.5;鐵鋁氫氧及氧化物(Fe/Al-(hydr)oxides)、含水矽鋁化合物等中間產物的產生,最終促使形成2:1黏土類礦物質(如illite, K0.6Mg0.25Al2.3Si3.5O10(OH)2),又因CO2必須藉由分子擴散方得與底渣接觸,故當底渣完全浸水時,該作用受限。此外,此階段亦會因Anhydrite(CaSO4)水和作用及ettringite分解釋出SO4-2,促使其加速溶出。

三、 底渣熟化防止重金屬溶出機制

        底渣熟化防止重金屬溶出主要控制機制與影響分述如下:

(一) 錯合

        碳酸鹽之水解與錯合,為底渣溶出液主要無機錯合反應,該過程pH值主控溶出情況。另於新鮮底渣溶出液中之Cd-Cl錯合物亦相當重要。此外,底渣會因其殘留不完全燃燒之有機物或因生物分解作用,而釋出溶解性有機碳(DOC),由於Cu對有機物具高親和性,易形成Cu-DOC有機錯合物,影響溶出狀況,另有機物之氧化反應亦將降低COD及其與金屬錯合反應機會。

(二) 沈澱/溶解

        沈澱/溶解過程將控制底渣pH值及主要元素溶出情況,同時亦將控制pH >12及pH10~10.5時,底渣微量元素之溶出情況。

(三) 吸附

        底渣中潛在吸附物質為新形成之非結晶或結晶鐵鋁氫氧及氧化物(Fe/Al-(hydr)oxides)、含水矽鋁化合物及Calcite(CaCO3)等,該等金屬態鐵與鋁氧化反應物、各種沈澱反應及形成黏土礦物質,均將改善底渣之吸附行為,重金屬因而受限制溶出。

(四) 氧化還原

        新鮮底渣為氧化狀態,經掩埋及再利用之底渣則逐漸趨向還原狀態。Cu/Cr/As/V於氧化狀態具較高之溶出情況,Fe則相反;具吸附效應之鐵錳氫氧及氧化物(Fe/Mn-(hydr)oxides)數量,易受氧化還原環境之影響;易受氧化還原環境影響之離子,將影響沈澱及錯合程度,如硫化重金屬之沈澱效應。

四、 底渣熟化技術種類介紹

(一) 室內熟化與室外熟化

        底渣熟化技術依場所不同,一般可分為「室內熟化」與「室外熟化」二種。其中採室外作業具較佳成效,且可利用雨水淋洗提高熟化效果及去除溶解性鹽類,但缺點為環境條件較不穩定及平時揚塵與臭味等問題;室內熟化則環境條件較易控制。

(二) 自然熟化與快速熟化

        一般應用於焚化底渣熟化技術多為「自然熟化」,即將焚化底渣露天堆置一段時間,並於堆置場底部設置滲出水收集系統,週遭設置地表水截流系統及防止飛散設施,以防止二次污染。部份場址尚設置灑水設備以避免因太乾而延緩熟化速率(亦可防止飛散)。按國外經驗進行自然熟化期間,焚化底渣含水量宜維持在16~18%,期程需長達數月以上,並定期監測pH值,作為判斷是否完成熟化之指標。然而「自然熟化」最大缺點為期程較長,相對場地需求較大。

        荷蘭TAUW公司為解決自然熟化之缺點,已發展於熟化過程增加強制輸氣單元技術,即「快速熟化」技術。該技術原理係將焚化底渣置於塔槽內,藉控制溫度(60℃)、水分含量(15~20%)等環境因素,並強制輸入CO2 (約10kg CO2/Ton焚化底渣)、O2氣體(4~8% CO2, 18~20% O2, 通氣量0.5 m3/t/hr),藉CO2將焚化底渣中金屬成份碳酸鹽化,並降低pH值,以提升焚化底渣之安定化效率(一至四週內完成熟化程序),具有節省空間需求、無其他廢水或廢棄物排放等優點。惟該技術缺點為熟化過程會因水泥化作用(Cementation)而使焚化底渣形成較大尺寸之粒塊,不利出料與搬運,故塔槽之設計應預留足夠大尺寸之進出門及維修孔,以避免卡料阻塞。