本期主題:水處理/再利用

發行人 :高志明

總編輯 :習良孝

編輯主任委員 :習良孝

編輯副主任委員:丁力行

本期主編   :朱敬平

編輯工作小組:王志遠、陳立儒、

廖彥雄、阮春騰、張家豪、王郁翔、

蔡倩怡、陳婉寧

105年08月

超音波污泥減量技術

陳幸德 財團法人工業技術研究院水科技研究組主任、
梁德明 財團法人工業技術研究院水科技研究組組長

摘要

  近年來,由於廢棄物最終處置場的飽和與缺乏,廢棄污泥的清運費用日益升高,甚至到了想付費也無人可清運的最壞情況,此問題一直是污水處理單位最頭痛的問題。因此,污泥減量技術受到各界注意及重視。超音波是一種非常有效率的技術,應用在廢棄污泥的減量,尤具效果。然而,實廠用的大型超音波商品皆從國外進口,售價昂貴且售後維修亦耗費甚久,為解決此一問題並推廣超音波技術,工研院開發一套本土化的超音波污泥減量系統,經過模廠的試驗與驗證,其污泥減量效果皆可達30%以上。未來,在實廠的應用上,可利用超音波污泥減量設備直接連接廠內現有的廢水處理程序。

關鍵字:超音波、污泥減量、污泥水解、綠色技術

一、前言

  近年來,在政府與業者共同努力之下,廢水和污水妥善處理率已顯著提高,都市下水道的接管率亦逐年上升,伴隨產生的污泥量亦不斷增加,若無妥善處理與處置,易衍生二次污染問題。然而,我國地狹人稠,可作為廢棄物衛生掩埋之場址一地難求,導致污泥清運費與日遽增,其主要原因與最終處置設施容量嚴重不足有關。以往,由於污泥處理費用相當低廉,故污泥減量技術不受重視。現今,由於污泥相關的處理費用節節上升及最終處置場址尋覓不易情況下,因此,污泥減量技術逐漸引起各界注意及重視。

  一般而言,廢棄污泥分為有機污泥及無機污泥兩大類,可進行減量的部分是集中在有機污泥這一類。有機污泥由於其來源是微生物體,屬於固形物的一種,在處理過程中,希望能夠將固形物污泥轉換成溶解態或非常微細固形物,以達到污泥減量的目的,此過程稱為污泥水解。污泥水解階段是污泥減量與再能源化的一個速率限制步驟[1, 2],尤其是利用微生物進行污泥水解時,通常需要非常長時間才能將污泥轉換成溶解性或微細物質,以利後續單元的應用或處理。為了縮短污泥水解所需時間,近年來發展許多污泥水解技術如物理、化學、生物或組合污泥水解技術均受到廣泛重視並有應用實例。

二、污泥水解技術

  常見的污泥水解方法如下:

(一)機械處理

  機械處理是利用器具直接將污泥細胞打破,屬於物理性細胞破碎,同時也將一部分細胞內物質溶解。機械處理可利用研磨、加入玻璃珠、陶瓷珠、鋼珠,也可利用震盪機,達成細胞破碎的效果。最常使用的機械處理是高壓均質機(high pressure homogenisation),其作用的壓力高達60 MPa,可有效的將污泥細胞打碎[3]。

(二 )超音波處理

  超音波可在水溶液中作用在微小氣泡,在一極短的時間內發生空穴效應(cavitation),形成一高溫與高壓的微小環境,並產生一極大的衝擊力,可快速破壞污泥的細胞[4]。超音波處理應用於污水廠的污泥水解已有成功案例,在一人口當量為50,000-750,000 p.e. (population equivalent)的污水廠,使用超音波可達到30%以上的污泥減量效果,再配合厭氧消化可增加約50%的沼氣[5]。在各種污泥水解的方法中,超音波處理可達到最高污泥破壞效果,但要實廠化,將受限於能量消耗因素[6]。如何降低超音波設備能耗問題,將成為此技術能否成功之關鍵。

(三)熱處理法

  熱處理法是將細胞壁與細胞膜的化學鍵打斷,使細胞內的物質溶出。最早是從1970年開始[7],其溫度範圍為150-200oC,低溫亦可使用,但作用壓力必須高達600-2,500 kPa。熱處理法可以解決污泥的衛生問題,同時也可以減少污泥的黏度,易於後續污泥的處置,目前已有被商業化的成功例子,最著名的是挪威Cambi公司的熱處理程序[8]。

(四)化學處理

  (1)酸/鹼處理:酸或鹼可將污泥的細胞溶解,在常溫或中溫即可進行,可算是污泥減量最簡單的處理技術之一。由於此法最後需將pH還原成中性,因此,水解液中的電導度會大幅增加,若後續有再利用的考慮,需注意此項不利的因素。

  (2)氧化處理:氧化處理是在高溫(260oC)和高壓(10 MPa)下利用氧氣或空氣進行氧化反應,可將大部分的污泥溶解,美國Zimpro程序中的污泥水解是屬於一種濕式氧化法[9],但臭味、腐蝕與高耗能是此法在實用上的限制。另外也常被使用的處理方法,包括:臭氧處理與過氧化處理,是由強氧化力的氫氧根自由基[10]破壞污泥細胞壁,使污泥減量。另一種濕式氧化方法-Vertech程序[11],可以溶解20 %的污泥以及達成75 %完全氧化的程度。

(五)微生物/酵素處理

  微生物處理是一種比較經濟但較耗時的方法,目前常見的厭氧消化處理即是利用不同微生物產生不同酵素,再經過一連串的生化反應將污泥達到減量的效果,但因微生物與酵素的干擾因素多,機制較複雜,速率太慢,此方法還有待未來進一步的技術突破。

三、超音波技術

  超音波(ultrasound)是指頻率超過20 kHz以上的聲波,如圖一所示,可分成3個領域的應用,20 kHz至100 kHz是功率超音波(power ultrasound)、100 kHz至1 MHz是高頻超音波(high frequency ultrasound)以及1 MHz至500 MHz是診斷超音波(diagnostic ultrasound)。不同的頻率有不同的用途,以污泥減量而言,重點在於固體物的破壞效果,其適合的頻率是在20 kHz至100 kHz[12]。


圖一 超音波的頻率範圍[12]

  超音波的原理是利用聲波與水中的微小氣泡作用,使其在極短的時間與極小的體積發生空穴效應(cavitation)[12],如圖二所示。當空穴效應發生時,會產生強大的衝擊力,可以有效破壞周圍細胞的外部結構,使其產生污泥水解的效果,同時,空穴效應也會形成一極端環境的熱點(hot spot),在熱點中會形成高達數千度的高溫與數千atm的高壓環境,其周圍的水分子便會產生高氧化力的氫氧自由基,因此,超音波亦具有廢水高級氧化的處理能力[13]。


圖二 超音波產生空穴效應的機制[12]

四、超音波污泥減量設備

  超音波的硬體包含三個單元:超音波換能器(converter或transducer)、超音波增幅器(booster)與超音波喇叭(horn或sonotrode),如圖三所示[14]。上述三個單元為超音波的機械硬體,組合在一起便具有機電轉換以及機械放大的功能,一個成功的超音波硬體設計需具備機電能量轉換、超音波能量傳遞及超音波強度放大等功能。此外,超音波的電力驅動系統亦是超音波硬體是否能夠正常運轉的一個重要的因素,考量未來實廠的使用,超音波硬體規模便不能太小,例如與污泥直接接觸的超音波喇叭面積,一般在實驗室常使用直徑為2.0公分以內,但此種硬體無法在實廠使用,因此,超音波喇叭的面積需加大設計,同時,配合的超音波換能器與增幅器亦要隨之改變,所以,超音波電力系統輸出的能量需要匹配驅動整個加大的超音波硬體的設計,方可使超音波硬體正常的運轉。


圖三 典型的超音波硬體系統構造圖[14]

  目前市面上的商品化超音波硬體,較著名的是德國Ultrawaves公司與美國BRANSON公司,Ultrawaves公司的產品主要是五個超音波硬體組合成一套裝模組,如圖四所示[5],已經有實廠成功的案例。BRANSON公司也有不同形狀的horn可以搭配,比較特殊的產品是一種命名為”donut”的horn,如圖五所示[15],污泥或廢水是從horn中間流過,由於超音波horn外形結構的關係,因此,其停留時間非常短,污泥減量效果也不錯,在歐美有實廠成功的案例。然而,目前國外的超音波設備價格非常高昂,維修也非常耗時,為解決上述問題,工研院自行設計並開發了一套超音波硬體,如圖六所示,可應用於廢棄有機污泥的水解,其使用頻率為20kHz,horn直徑為5公分,材質可為不銹鋼或鈦合金,最大功率為1,000W(實際輸出為330W)。


圖四 德國Ultrawaves公司的超音波設備模組[5]

圖五 美國BRANSON公司的"donut"形狀horn[15]

圖六 本團隊自行設計與製作的超音波硬體

  工研院自製的超音波經量測不同頻率與強度的關係,如圖七所示,其最大強度中心的頻率為19.531 kHz,與設定之20 kHz誤差2.3%,經計算Q值為5.58。此外,為探討距離對超音波強度衰減的影響,再量測此超音波垂直與水平距離的強度,如圖八與圖九所示,以垂直深度與強度的關係而言,在超過horn垂直深度7公分,其超音波強度快速下降,在15公分處之強度與最大強度大約減少69%,顯見此處之超音波強度已大幅降低;以水平距離與強度的關係而言,離開中心軸後,其超音波強度即開始下降,在距離中心軸5公分處,其強度大約下降41 %至59 %,由此可知,此自製的超音波在設計反應器時,為維持一定超音波強度時,必需考量垂直深度與水平距離之強度衰減的效果。


圖七 自製超音波之頻率與強度關係圖

圖八 自製超音波之垂直深度與強度關係圖

圖九 自製超音波之水平距離與強度關係圖

五、超音波在污泥減量之應用

  超音波具高效率,也無須添加任何藥劑,是污泥水解技術中一種非常有潛力的綠色技術。超音波在污泥減量的應用,需再結合後續生物處理,才可達到較佳的污泥減量效果,例如:「超音波+活性污泥」,此程序可達到污泥減量的效果,但必須注意活性污泥的操作是否受水解污泥的影響,而且此程序僅在活性污泥的有機物體積負荷尚有操作的空間方可使用。以自製的超音波設備在具活性污泥單元的工業區污水廠進行模場測試,其廢棄污泥的有機比例高達8成,經過超過200天的試驗,其污泥減量效率可達30%以上。

  另外,未來超音波污泥減量在實廠上的應用,宜與現場既有的處理程序相配合,例如:既有的廢水處理程序之生物處理為活性污泥系統,則超音波可使用上述試驗的方式進行連接,如圖十(a)所示;若既有廢水處理程序有厭氧消化單元,或者生物處理程序(活性污泥系統)之處理量已達上限值,則建議超音波與厭氧消化連接(可新建厭氧消化單元),如圖十(b)所示,此方式除了可縮短厭氧消化的處理時間,也可以增加沼氣的產生量,此種連接方式在能源消耗上已被驗證是可行的[16],亦即利用增加的沼氣產生之能源遠超過使用超音波所需之能耗(包含超音波消耗的電力與控溫系統)。


圖十 超音波污泥減量在實廠上的應用策略

六、結論

  超音波對污泥的減量具有相當顯著的效果,然而,目前大型的超音波設備皆為國外進口,除了售價昂貴外,售後的維修亦要耗費甚久,為了推廣此一具潛力的技術,工研院利用經濟部的計畫補助,開發了一套超音波污泥減量設備,可作為解決國內廢棄污泥過多問題的優先選項之一,尤其超音波技術無需添加任何藥劑,是屬於一種綠色技術,非常適合後續進行回收再利用的用途。超音波技術除了可以使用於污泥減量外,也可應用於具相同性質的廢棄物,例如:農業與果菜廢棄物、廚餘等有機廢棄物,皆具有相當高的潛力。

參考文獻

1. Eastman, J. A., and J. F. Ferguson, “Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion,” J. Water Pollut. Control. Fed., 53, pp. 352-366 (1981).

2. Gujer, W., and A. J. B. Zehnder, “Conversion processes in anaerobic digestion,” Water Sci. Technol., 12, pp. 127–167 (1983).

3. Harrison, S. T. L., “Bacterial cell disruption: a key unit operation in the recovery of intracellular products,” Biotechnology Advances, 9, pp. 217-240 (1991).

4. Pilli, S., P. Bhunia, S. Yan, R. J. LeBlanc, R. D. Tyagi, and R.Y. Surampalli, “Ultrasonic pretreatment of sludge: A review,” Ultrasonics Sonochemistry, 18, pp. 1-18 (2011).

5. 德國Ultrawaves公司網頁,http://ultrawaves.de/en/index.htm。

6. Weemaes, M. P. J., and W. H. Verstraete, “Evaluation of Current Wet Sludge Disintegration Techniques,” Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 73(8), pp. 83-92 (1998)

7. Brooks, R., “Heat treatment of sewage sludge,” Water Pollution Control, 69, pp. 221-231 (1970).

8. Eastman, J. A., and J. F. Ferguson, “Solubilization of Particulate Organic Carbon during the Acid Phase of Anaerobic Digestion,” Journal of Water Pollution Control Federation, 53, pp. 352-366 (1981).

9. Zimpro® Wet Air Oxidation網頁,http://www.energy.siemens.com/hq/en/industries-utilities/oil-gas/portfolio/water-solutions/zimpro.htm。

10. Weemaes, M., H.; Grootaerd, F.; Simoens; Verstraete, W. “Anaerobic digestion of ozonized biosolids,” Water Research, 34, pp. 2330-2336 (2000).

11. John J. McKetta, Encyclopedia of Chemical Processing and Design: Volume 67 - Water and Wastewater Treatment: Protective Coating Systems to Zeolite, 4th Edition, Marcel Dekker, Inc., N. Y., USA (1999).

12. Pilli, S., P. Bhunia, S. Yan, R.J. LeBlanc, R.D. Tyagi, R.Y. Surampalli, Ultrasonic pretreatment of sludge: A review, Ultrasonics Sonochemistry, 18 1-18(2011).

13. Adewuyi, Y.G., Sonochemistry in environmental remediation. 1. combinative and hybrid sonophotochemical oxidation processes for the treatment of pollutants in water, Environmental Science & Technology, 39 3409-3420 (2005).

14. Khanal, S. K., D. Grewell, S. W. Sung, and J. van Leeuwen (Hans), Ultrasound applications in wastewater sludge pretreatment: a review, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 37, 277-313 (2007).

15. Montalbo-Lomboy, M., S. K. Khanal, J. (Hans) van Leeuwen, D. Raj Raman, L. Dunn Jr., and D. Grewell, Ultrasonic pretreatment of corn slurry for saccharification: A comparison of batch and continuous systems, Ultrasonics Sonochemistry, 17, 939-946 (2010).

16. Xie, R., Y. Xing, Y.A. Ghani, K. Ooi, S. Ng, Full-scale demonstration of an ultrasonic disintegration technology in enhancing anaerobic digestion of mixed primary and thickened secondary sewage sludge, Journal of Environmental Engineering and Science, 6 533-541 (2007).