研究生:	李冠蓁	Kuan-Jen Lee
論文名稱:	細粒徑之都市垃圾焚化底灰以磷酸穩定化處理之研究
論文名稱:	Stabilization Treatment for Fine-Particle MSW Incinerator
指導教授:	高思懷	Gau, Sue-Huai
學位類別:	碩士
校院名稱:	淡江大學
系所名稱:	水資源及環境工程研究所
學年度:	91
語文別:	中文
論文頁數:	90
關鍵字:	都市垃圾焚化底灰	MSW incinerator bottom ash
	細粒徑	fine particle size
	鍵結型態	bounded fraction
	磷酸	phosphoric Acid
	穩定化	stabilization
	重金屬	heavy metal
	溶出潛勢	leaching potential
[摘要]
都市垃圾焚化底灰通常以一般廢棄物逕行處理，但文獻指出，細粒徑之灰渣有重金屬含量
較高之趨勢，具有相當之危害潛勢，故底灰若判定為無害性時，併同一般廢棄物進入衛生
掩埋場進行最終處置，對於未來污染問題值得堪慮。
本研究主要對底灰重金屬Pb、Zn、Cu、Cr、Cd做分析，探討其總量、溶出率及鍵結型態，
再進行磷酸及磷酸鹽穩定化之研究，找出穩定化最佳條件，並進而探討底灰重金屬溶出潛
勢。
由實驗結果可知，重金屬含量及溶出率與底灰粒徑無明顯關係，其中溶出率與pH值有關。
其底灰中重金屬之鍵結型態經序列萃取實驗結果可知，Pb、Zn、Cu、Cd皆以碳酸鹽結合態
含量最多，Cr則多為殘留態。經磷酸根溶液穩定化後重金屬鍵結型態皆有自易溶出型態轉
移至不易溶出型態之趨勢，而穩定化之最佳條件為0.25 M磷酸穩定溶液之濕式(L/S=5:1)處
理，在最佳條件下重金屬鍵結型態轉變至殘留態效果十分明顯；Pb、Cr於TCLP再溶出試驗
中無任何再溶出量，Zn、Cu則低於3 mg/L，皆符合TCLP法規標準；而穩定化廢液中重金屬
含量亦符合放流水標準；以XRD可鑑定出磷酸根與重金屬及Ca形成穩定之金屬磷酸鹽類及磷
礦石，而以SEM可明顯觀察到柱狀晶體之形成，故可確定磷酸根將重金屬穩定於底灰中。然
，底灰重金屬溶出潛勢相較於飛灰，雖底灰鍵結型態中易溶出型態含量高於飛灰，但TCLP
溶出率因受pH值抑制不易溶出，但若pH值降低，則底灰重金屬溶出量甚於飛灰，故穩定化
處理底灰中之重金屬仍有其必要性。
[摘要]
Municipal solid waste (MSW) incinerator bottom ash was used to be disposed of
in the landfill directly, or be recovered to act as the aggregates in the
construction. However, according to the previous studies, heavy metals
leaching potential of the fine-particle MSW incinerator bottom ash was still
high. For the sake of the environmental safety, proper stabilization treatment
should be executed before its reuse or disposal. This research was focused on
the dissolution ratio and the bounded pattern of the heavy metals in the
bottom ash, including Pb, Zn, Cu, Cr and Cd. The experiments included the
phosphoric acid and phosphate stabilization treatment both in wet process and
dry process. The samples were analyzed by sequential extraction XRD, SEM, and
ICP analyzer.
The heavy metals leaching potential are affected by the pH value, but no
obvious relationship was observed between the dissolution ratio and particle
size. According to the sequential extraction procedure analysis, the mainly
bounded pattern of the Pb, Zn, Cu and Cd is bound to carbonates phase, while
Cr is bound to the residuals. After stabilized by phosphate solution, the
bounded pattern tends to changed from the easily dissolution states to the
difficult dissolution states. The best stabilization condition is wet
stabilization treatment (L/S=5:1) by 0.25 M phosphate solution and in this
condition the bounded fraction is changed to residual state. The concentration
of heavy metals is all pass the TCLP regulation and the wastewater are also
fulfills the effluent standard. The calcium ion and phosphate will form the
stabilized metal phosphate by XRD analysis identification. SEM analysis also
shows the pillar crystal forming on the surface. The dissolution ratio of
bottom ash is even higher than fly ash because of the operational pH of TCLP
experiment. The results showed that the heavy metals in the bottom ash could
be successfully stabilized with phosphoric acid or phosphate solution.
[論文目次]
目　　　錄
摘要
目錄 Ⅰ
表目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅵ
第一章　序論
1-1　研究動機 1-1
1-2　研究內容 1-2
第二章　文獻彙整
2-1　焚化底灰之種類與來源 2-1
2-2　焚化底灰之特性 2-2
2-2-1　底灰之物理性質 2-2
2-2-2　底灰之化學特性 2-4
2-3　底灰中重金屬來源及特性 2-7
2-3-1　底灰中重金屬來源與分佈 2-7
2-3-2　重金屬鍵結型態 2-10
2-4　添加磷酸或磷酸鹽穩定重金屬之研究 2-15
2-4-1　磷酸鹽與重金屬之反應 2-15
2-4-2　以磷酸處理重金屬之相關研究 2-17
第三章　實驗材料與研究方法
3-1　實驗藥品與材料 3-1
3-1-1　實驗藥品 3-1
3-1-2　實驗材料 3-2
3-2　實驗與分析設備
3-2-1　基本實驗設備 3-3
3-2-2　實驗分析設備 3-3
3-3　實驗材料準備 3-5
3-4　實驗流程 3-6
3-5　實驗方法 3-7
3-5-1　底灰之基本性質檢測項目與方法 3-7
3-5-2　以序列萃取探討重金屬鍵結型態之實驗 3-9
3-5-3　添加不同濃度磷酸與磷酸鹽萃取穩定重金屬之實驗 3-11
3-5-4　穩定底灰與穩定化後廢液重金屬之特性分析實驗 3-12
3-5-5　高濃度重金屬外添加之分析實驗 3-13
3-5-6　實驗配置 3-13
第四章　研究結果與討論
4-1　底灰物理性質分析 4-1
4-2　底灰化學特性分析 4-3
4-2-1　主要組成元素分析 4-3
4-2-2　不同粒徑底灰之組成成份分析 4-4
4-2-3　底灰重金屬含量與粒徑之關係 4-7
4-2-4　底灰重金屬TCLP溶出量與粒徑之關係 4-9
4-2-5　不同粒徑底灰重金屬鍵結型態 4-13
4-2-6　底灰之顯微結構與物種分析 4-16
4-3　磷酸溶液穩定之底灰重金屬特性 4-18
4-3-1　磷酸及磷酸鹽溶液穩定之底灰重金屬型態變化 4-18
4-3-2　磷酸及磷酸鹽溶液穩定之底灰重金屬物種鑑定及微
觀分析 4-26
4-3-3　磷酸及磷酸鹽溶液穩定之底灰重金屬再溶出分析 4-34
4-3-4　磷酸及磷酸鹽溶液穩定化後廢液之重金屬含量分析 4-36
4-4　底灰重金屬溶出潛勢分析 4-38
4-4-1　底灰與飛灰重金屬硝酸消化總量及溶出率比較 4-38
4-4-2　底灰與飛灰重金屬型態分布比較 4-39
第五章　結論與建議
5-1　結論 5-1
5-2　建議 5-3
參考文獻 R-1
附錄A 實驗數據 A-1
附錄B 實驗圖譜 B-1
表　　目　　錄
表2.1　都市垃圾焚化底灰元素組成 2-6
表2.2　焚化系統中重金屬化合物之型態與分佈 2-8
表2.3　各國焚化底灰與重金屬含量之關係 2-8
表2.4　底灰粒徑與重金屬溶出之相關性 2-9
表2.5　常見之溶出/萃取方法 2-11
表2.6　重金屬各鍵結型態之移動性 2-14
表2.7　鉛礦物之化學式及溶解度積 2-16
表2.8　不同pH下，磷礦石與重金屬鉛形成之新固相物種 2-16
表3.1　實驗藥品 3-1
表3.2　實驗材料器具 3-2
表3.3　ASTM標準篩規格 3-5
表3.4　實驗操作參數 3-12
表3.5　底灰物理特性分析之實驗配置Ⅰ- A 3-14
表3.6　底灰穩定前後重金屬硝酸消化與其TCLP溶出量分析
之實驗配置Ⅱ- A 3-14
表3.7　底灰穩定前後重金屬硝酸消化與其TCLP溶出量分析
之實驗配置Ⅱ- B 3-14
表3.8　穩定液之重金屬含量分析實驗配置Ⅲ- A 3-14
表3.9　穩定液之重金屬含量分析實驗配置Ⅲ- B 3-15
表3.10 穩定灰TCLP再溶出分析實驗配置Ⅳ- A 3-15
表3.11 穩定灰TCLP再溶出分析實驗配置Ⅳ- B 3-15
表3.12 底灰穩定化前後重金屬鍵結型態分析實驗配置Ⅴ- A 3-15
表3.13 底灰穩定化前後重金屬鍵結型態分析實驗配置Ⅴ- B 3-15
表3.14 底灰穩定化前後重金屬鍵結型態分析實驗配置Ⅴ- C 3-15
表3.15 底灰主成份分析實驗配置Ⅵ- A 3-16
表3.16 底灰穩定前後之顯微結構及物種變化之分析
實驗配置Ⅶ- A 3-16
表3.17 底灰穩定前後之顯微結構及物種變化之分析
實驗配置Ⅶ- B 3-16
表4.1　四批底灰之含水率 4-1
表4.2　底灰之灼燒減量與pH值 4-2
表4.3　粒徑分析後之底灰重量百分比 4-3
表4.4　焚化底灰XRD判讀之可能主要物種 4-5
表4.5　底灰TCLP萃後萃餘廢液之pH值 4-12
表4.6　混合粒徑底灰中重金屬鍵結型態趨勢 4-15
表4.7　細粒徑底灰之微量區間元素組成分析 4-18
表4.8　磷酸濕式處理後重金屬穩定化之百分比 4-21
表4.9　磷酸半乾式處理後重金屬穩定化之百分比 4-22
表4.10 磷酸鹽濕式處理後重金屬穩定化之百分比 4-26
表4.11 磷酸與磷酸鹽穩定化效果百分比之比較(L/S=5:1) 4-28
表4.12 穩定化前後底灰重金屬鍵結型態變化比較
(L/S=5:1, 0.25 M) 4-29
表4.13 穩定化廢液之重金屬含量 4-32
表4.14　0.25 M之磷酸穩定灰可能形成之新晶相物種 4-36
表4.15 穩定化前後底灰之微量區間元素組成分析 4-43
表4.16 底灰與飛灰之重金屬總量、TCLP與溶出率比較 4-44
表4.17 飛灰與底灰之重金屬各鍵結型態分佈比較 4-46
圖　　目　　錄
圖2.1　重金屬穩定化及溶出機制示意圖 2-9
圖3.1　實驗流程圖 3-6
圖3.2　氫氟酸試驗流程 3-8
圖3.3　序列萃取(Sequential Extraction Procedure)流程圖 3-10
圖4.1　粒徑分析後之底灰重量百分比 4-3
圖4.2　底灰主要元素不同粒徑之分佈趨勢 4-4
圖4.3　各粒徑之XRD物種分析 4-6
圖4.4　篩分之底灰重金屬硝酸消化總量與TCLP溶出值 4-8
圖4.5　底灰不同粒徑之硝酸消化、氫氟酸總量消化與
TCLP溶出量之比較之比較 4-11
圖4.6　四批底灰之重金屬TCLP溶出率趨勢比較 4-13
圖4.7　各粒徑底灰重金屬鍵結型態之分佈 4-15
圖4.8　混合粒徑底灰之顯微結構 4-17
圖4.9　磷酸濕式(L/S=5:1)處理重金屬穩定至不易移動型態之
百分比 4-21
圖4.10 磷酸濕式(L/S=5:1)穩定化底灰之重金屬再溶出量 4-21
圖4.11 磷酸半乾式(L/S=3:10)處理重金屬穩定至不易移動型態之
百分比趨勢 4-22
圖4.12 磷酸半乾式(L/S=3:10)穩定化底灰之重金屬再溶出量 4-22
圖4.13 磷酸穩定化底灰重金屬於各鍵結型態之分佈
(L/S=5:1, L/S=3:10) 4-23
圖4.14 磷酸鹽濕式(L/S=5:1)處理重金屬穩定至不易移動型態之
百分比趨勢 4-26
圖4.15 磷酸鹽濕式(L/S=5:1)穩定化底灰之重金屬再溶出量 4-26
圖4.16 磷酸鹽穩定化底灰重金屬於各鍵結型態之分佈
(L/S=5:1) 4-27
圖4.17 磷酸與磷酸鹽穩定化效果比較(L/S=5:1, 0.25 M)　4-28
圖4.18 磷酸與磷酸鹽穩定化底灰重金屬各鍵結型態之分佈
(L/S=5:1, 0.01 M , 0.1 M , 0.25 M) 4-29
圖4.19 磷酸穩定化廢液之重金屬含量趨勢 4-33
圖4.20 磷酸鹽穩定化廢液之重金屬含量趨勢 4-33
圖4.21 底灰經磷酸穩定化前後重金屬鍵結型態之比較
(0.25M H3PO4, L/S=5:1,) 4-34
圖4.22 穩定化底灰重金屬Pb之XRD物種分析 4-37
圖4.23 穩定化底灰重金屬Zn之XRD物種分析 4-38
圖4.24 穩定化底灰重金屬Cu之XRD物種分析 4-39
圖4.25 穩定化底灰重金屬Cr之XRD物種分析 4-40
圖4.26　0.25M H3PO4 , L/S=5:1穩定灰之顯微結構 4-41
圖4.27　0.5 M H3PO4 , L/S=3:10穩定灰之顯微結構 4-42
圖4.28　0.1M Na2HPO4 , L/S=5:1穩定灰之顯微結構 4-42
圖4.29 本實驗底灰與文獻飛灰重金屬總量比較 4-45
圖4.30 本實驗底灰與文獻飛灰重金屬TCLP溶出量比較 4-45
圖4.31 飛灰與底灰之重金屬各鍵結型態分佈比較 4-46
圖4.32 未穩定化底灰與文獻飛灰之易移動型態重金屬之比較 4-47
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