[[alternative]]A study on the stabilization of MSWI bottom ash by soaking carbonation

碩士[[abstract]]都市垃圾焚化底渣於再利用之前仍須妥善前處理，以降低重金屬釋出污染環境之風險。碳酸化穩定為一熟知之技術，但仍有需時較久之問題。本研究回收水洗底渣之廢水，以10%之二氧化碳曝氣，使形成含有碳酸之水溶液，利用浸漬方式使CO32-與底渣中的Ca2+形成CaCO3化合物，以期提升底渣中重金屬穩定的效率。 本實驗分為批次式實驗以及循環式實驗兩部分；批次式實驗是將兩段經五分鐘攪拌水萃後的底渣，以碳酸水浸漬反應3、6、18小時，觀察TCLP降低及氯離子的洗出成效；循環式實驗部分，將浸漬液迴流，取代第一段水洗的自來水，兩次水洗配合磁石攪拌五分鐘，並以碳酸水浸漬反應0.5、1及3小時，連續三次為一循環後檢測分析。 批次式碳酸化實驗結果顯示，以TCLP檢測浸漬後底渣，發現重金屬溶出確實有顯著減少的趨勢。其中Pb及Cd不隨浸漬時間長短而改變溶出量；而浸漬時間愈長，Zn及Cu的溶出比例則愈高；浸漬後Cr溶出增加，可能是低pH值環境所致；水溶性氯離子於3、6、18小時溶出率分別為44.2、45.2及46.3%；而水中鹼度之消耗則與浸漬時間成正比。 循環式碳酸化實驗結果顯示，浸漬0.5小時就有抑制重金屬Pb、Zn、Cu、Cd溶出的效果，其溶出濃度分別為0.02、8.23、1.49、0.09 mg/L，Cr的溶出已無法測得；浸漬反應時間愈長，水溶性氯離子洗出量愈多0.5、1、3小時浸漬洗出量分別為74.3、76.2、85.7%。建議將浸漬時間控制在0.5小時並配合105℃烘乾，可達到穩定重金屬及增加氯溶出之效果。[[abstract]]Municipal solid waste incinerator (MSWI) bottom ash should be pretreated before reusing, which can reduce the risk of polluting the environment by leaching the heavy metals from bottom ash. It is significant scientific and engineering benefit of carbonization for stabilization of solid waste. Nevertheless, taking too much time is the defect of the carbonization. In this study, the retrieved water of washing bottom ash aerated carbon dioxide about 10% to become carbonated water. Let calcium from bottom ash and carbonate ion from carbonated water reacted to form calcium carbonate by dipping process to raise the stability rate of heavy metals. The experiment of this study has divided into two parts of batch and circulation. In the batch experiment, the bottom ash through two steps of five minutes stirred and then dipped in carbonated water for 3, 6 and 18h. The aim of this experiment is to observe the concentrations of TCLP for heavy metals and the remove rate of chlorine ion. In the circulation experiment, the dripped solution would be recycled to substitute the tap-water of the first step wash water. The bottom ash through two steps of five minutes stirred and then dipped in carbonated water for 0.5, 1 and 3h. In a circle, the process needs to repeat three times. The result of the batch experiment shows that the dripping process really can reduce the TCLP concentration of heavy metals. The concentrations of lead and cadmium do not decrease with the dripping time. Zinc and copper would increase the leaching rate with the dripping time increased. The leaching rates of the water-soluble chloride ion were 44.2%, 45.2% and 46.3% at dipping time of 3, 6 and 18 h respectively. The consummation of alkalinity in the water increases with the dripping time. The results of the circulation experiment indicate that the leaching concentration of Pb, Zn, Cu and Cd were 0.02, 8.23, 1.49 and 0.09 mg/L and would be restrained after dripping time of o.5h. Specially, the Cr concentration was not detectable. The leaching amount of the water-soluble chloride increased with the dripping time increased. The leaching rates were 74.3%, 76.2% and 85.7% after dripping time of o.5, 1 and 3h respectively. The dripping time of 0.5h and dry in 105 oC of oven could reach the aim of stabilization of heavy metals and increase the leaching rate of chloride.[[tableofcontents]]目錄 圖目錄 IV 表目錄 V 第一章 前言 1 1-1 研究緣起 1 1-2 研究內容 3 第二章 文獻回顧 5 2-1 焚化底渣之產生 5 2-2 焚化底渣之物化特性 6 2-2-1 焚化底渣之物理特性 6 2-2-2 焚化底渣之化學特性 8 2-3 焚化底渣的重金屬性質與溶出特性 10 2-3-1 重金屬含量 10 2-3-2 底渣之重金屬溶出特性 12 2-3-3 底渣之重金屬滲出機制 14 2-4 底渣中氯鹽特性及影響 15 2-5 底渣水洗程序 16 2-6 碳酸化反應 18 2-6-1 碳酸化水溶液中鹼度特性 18 2-6-2 直接碳酸化反應 20 2-6-3 間接碳酸化反應 22 2-6-4 碳酸化水溶液洗出氯鹽之反應 25 2-6-5 重金屬影響碳酸化因素 26 2-7 擴散溶出試驗 27 2-8 焚化底渣再利用標準 28 第三章 研究方法 30 3-1 實驗原料 30 3-2 實驗方法 30 3-2-1 底渣樣品分析 30 3-2-2 批次式實驗 30 3-2-3 循環式實驗 31 3-3 代號表示 34 3-4 研究設備 34 3-5 分析方法 36 第四章 結果與討論 39 4-1 底渣原料分析 39 4-1-1 底渣基本特性 39 4-1-2 底渣組成元素 39 4-1-3 底渣之組成成份 40 4-1-4 底渣重金屬溶出 42 4-1-5 底渣粒徑 43 4-2 水洗液特性及曝氣參數設定 44 4-2-1 水洗液特性 44 4-2-2 曝氣參數設定 47 4-2-3 批次式碳酸化水溶液pH值 48 4-2-4 水溶液鹼度 49 4-2-5 碳酸化底渣重金屬溶出分析 50 4-2-6 碳酸化底渣晶相分析 52 4-2-7 水溶性氯離子 54 4-3 循環式碳酸化 56 4-3-1 水溶液pH值 56 4-3-2 水溶液鹼度 57 4-3-3 水溶液碳酸根含量 59 4-3-4 碳酸化底渣重金屬溶出 62 4-3-5 碳酸化底渣元素分析 65 4-3-6 碳酸化底渣晶相分析 66 4-3-7 水溶性氯離子 68 4-4 浸漬碳酸化穩定機制 70 4-5 擴散溶出試驗 72 4-6 水洗液及浸漬液處理 73 4-7 研究最佳操作條件 74 第五章 結論與建議 75 5-1 結論 75 5-2 建議 77 參考文獻 78 圖目錄 圖2-1. 細底渣粒徑分布圖 7 圖2-2. 底渣之XRD物種分析 10 圖2-3. 底渣粒徑與重金屬TCLP溶出相關性 12 圖2-4. 不同液/固比水萃後之底渣固體中水溶性氯離子含量變化 22 圖2-5. 底渣多段水萃之氯離子溶出量變化 17 圖2-6. 天然水中鹼度含量與pH值關係圖 19 圖2-7. 反應途徑與活化能關係圖 21 圖2-8. 液固碳酸化反應示意圖 23 圖3-1. 本研究之實驗流程圖 33 圖3-2. 感應耦合電漿原子發射光譜分析儀 35 圖3-3. 雷射粒徑分析儀 35 圖3-4. 熱重/熱示差分析儀 36 圖4-1. 原料之XRD物種分析 40 圖4-2. 原料底渣TG/DTA分析 41 圖4-3. 篩分底渣粒徑分布 43 圖4-4. 回收水曝10%二氧化碳之pH值變化 45 圖4-5. 第二段水洗液曝二氧化碳之pH值變化 46 圖4-6. 以10%比例之CO2曝入第二段水洗液中pH值變化 47 圖4-7. 不同碳酸水浸漬時間水洗液之pH值變化 48 圖4-8. 水溶液總鹼度含量 49 圖4-9. 碳酸化後底渣TG/DTA分析圖 52 圖4-10. 碳酸化底渣XRD圖 53 圖4-11. 水溶液氯離子溶出量 54 圖4-12 水溶液pH值變化 56 圖4-13. 各階段水溶液鹼度 58 圖4-14. 浸漬0.5小時水溶液中碳酸物種濃度 60 圖4-15. 浸漬1小時水溶液中碳酸物種濃度 60 圖4-17. 浸漬碳酸化水溶液中CO32-含量 61 圖4-18. 浸漬碳酸化底渣XRD分析 67 圖4-19. 水溶液氯離子溶出量 68 圖4-20. 最佳操作條件實驗流程圖 74 表目錄 表2-1. 底渣元素組成 9 表2-2. 焚化系統中重金屬化合物型態與分布 11 表2-3. 各國焚化底渣重金屬含量之關係 11 表2-4. 底渣TCLP分析 14 表2-5. 底渣直接碳酸化 21 表2-6. 曝氣水洗底渣前後氯鹽變化 25 表2-7. 底渣擴散溶出值 27 表2-8. 焚化底渣再利用分類標準 28 表4-1. 原料底渣基本性質 39 表4-2. 篩分底渣元素組成 40 表4-3. 原料底渣之TCLP試驗 42 表4-4. 水洗液氯離子溶出量 44 表4-5. 兩次水洗後底渣TCLP試驗 50 表4-6. 碳酸化底渣TCLP試驗 51 表4-7. 水溶性氯離子含量 55 表4-8. 碳酸化0.5小時底渣TCLP溶出試驗 63 表4-9. 碳酸化1小時底渣TCLP溶出試驗 63 表4-10. 碳酸化浸漬3小時底渣TCLP溶出試驗 64 表4-11. 碳酸化底渣元素組成分析 65 表4-12. 水溶性氯離子總溶出量 69 表4-13. 碳酸鹽類於25℃水中之溶解度積 71 表4-14. 碳酸化底渣擴散溶出及TCLP試驗比較 72 表4-15. 浸漬0.5小時水溶液元素分析 73[[note]]學號: 601480485, 學年度: 10