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TWI527770B - 有機污泥與廢食用油整合性處理方法、衍生性燃料、飼料添加物 - Google Patents

有機污泥與廢食用油整合性處理方法、衍生性燃料、飼料添加物 Download PDF

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TWI527770B
TWI527770B TW103129112A TW103129112A TWI527770B TW I527770 B TWI527770 B TW I527770B TW 103129112 A TW103129112 A TW 103129112A TW 103129112 A TW103129112 A TW 103129112A TW I527770 B TWI527770 B TW I527770B
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吳俊毅
陳智成
鐘明吉
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遠東科技大學
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  • Treatment Of Sludge (AREA)

Description

有機污泥與廢食用油整合性處理方法、衍生性燃料、飼料添 加物
本發明係有關於一種有機污泥與廢食用油整合性處理方法、衍生性燃料、飼料添加物，尤指一種將一有機污泥與一澱粉類廢食材經適當黏結混拌步驟、成型步驟、經廢食用油調理改質步驟及分離步驟，以獲得一終產物，達回收再利用功效者。
按，由於習知有機污泥經板框壓濾後的含水率仍大於75%，不僅會醱酵發臭，引來果蠅蚊蟲等環境衛生問題，且後續再利用性低，難以機械能在短時間內將含水率降低至30%。目前的直接乾燥過程對於有機污泥會產生刺鼻惡臭，且易衍生致病微生物污染，以及昂貴的委託清除處理費用與高能耗等缺點。一般廢水處理操作成本攤提情況下，約50%的總成本為污泥處理。針對有機污泥資源化技術包括堆肥(compost)、衍生性燃料(RDFs)、濕法氧化(wet oxidation)、熱裂解(pyrolysis)、汽化(gasification)。其中，衍生性燃料為目前由廢料轉化為能資源的創新技術，包含粉碎和乾燥處理流程所衍生的可燃性能資源，相對具低成本、高熱值的再生能源技術，應用領域包括從都市固體廢棄物(MSW)回收利用、工業廢物與垃圾、下水道污泥、有害事業廢棄物、生質能廢 物等；對於衍生性燃料的分類，美國材料和試驗協會(ASTM)說明分類如下列表一所示。依據研究顯示，有機污泥製成衍生性燃料，其標準熱值相對較高，但硫、氮和氯的含量略微偏高。
其中RDF-5(d-RDF)對於原料成分有更高的要求。廢棄物必須先經過破碎、選別、乾燥後，再加入添加劑，以製成外型與成分都符合特定規格，長度約數公分的錠型燃料。燃料若有一致的形狀及熱質，不但有助於運輸與保存，更有益於鍋爐內燃燒狀況的控管，進而提高發電效率，同時降低廢氣排放、減少戴奧辛汙染，因此廢棄物衍生性燃料(RDF)電廠發電效能優於一般焚化爐。RDF-5燃料除了可以做為主要的燃燒原料外，也可以搭配其他原料進行混燒(co-firing)，以調節鍋爐內的燃燒狀況。
目前國內外相關有機污泥資源化的先前技術背景包含有以下幾項：
1.中華民國發明公告第I389852號「以兜蟲處理有機污泥達資源化之方法」，揭露一種以工業有機污泥做為原料，於飼育材生產設備中與堆肥、發酵粉、稻草、木屑、落葉、營養添加劑、菌劑混合調配，利用混合調配後之飼育材飼育兜蟲，再將經兜蟲吃食、消化、分解污泥飼育材產出之糞便，經乾燥後作為良好之緩效性肥力改良及能改善土壤通氣性之土壤改良劑；藉此，使得其達到以兜蟲當做生物反應器作為處理有機污泥達資源化之目的，並藉由具生態復育價值之兜蟲飼育，建置結合環境污染物處理、資源化及生態保育觀念之有機污泥處理技術者。惟，上述專利雖可處理有機污泥，但處理有機污泥之數量與速度上仍有相當改善的空間。
2.中華民國發明公告第I419847號「高含水率有機系廢棄物的處理方法及處理裝置」，揭露一種使用水泥煅燒設備將高含水率有機系廢棄物予以乾燥而能做為燃料來有效利用，不會影響水泥鍛燒設備作業，並能提升水泥煅燒設備的作業效率之高含水率有機系廢棄物的處理方法及裝置。惟，其直接乾燥有機系廢棄物之方式具有產生刺鼻惡臭及高耗能的缺點，且乾燥後的有機系廢棄物僅為水泥廠輔助燃料使用，應用層面有限。
3.中華民國發明公開編號201238914號「污泥製成衍生燃料之方法」，揭露一種污泥資源化方法，尤指一種污泥製成衍生燃料之方法。其處理流程為將有機污泥經由烘乾、破碎摻配廢木屑並與工業糖蜜及瀝青等膠結劑進行造粒，形成衍生性燃料。惟，此技術缺點包含：(1)有機污泥烘乾過程中，除耗能外會產生臭味與氮氧化物(NOx)與硫氧化物(SOx)。(2)有機污泥經烘乾破碎 後摻配添加廢木屑或農業廢棄物(稻稈、狼尾草等)，其熱值仍較低。(3)與工業糖蜜及瀝青等膠結劑進行造粒後，存放仍有臭味逸散且無法長期保存。(4)整體流程比較耗能且費時。
再者，過去廢食用油回收集中後經處理可作為飼料用途。且根據2012年環保署統計資料顯示每年國內家用、攤販與食品加工廠產生的廢食用油量約7,600噸，故，由廢食用油加工製成替代性燃料是相當不錯的材料來源選擇。
因此，若能組合有機污泥和廢食用油經調理改質過程，製成衍生性燃料不僅含水率於短時間內大幅降低且作為替代燃料的使用，達到節能減廢之目的。
爰此，本發明人有鑑於目前有機污泥資源化方法之缺失再予以研究，提供一種有機污泥與廢食用油整合性處理方法、衍生性燃料、飼料添加物，藉由將一有機污泥與一澱粉類廢食材經適當黏結混拌步驟、成型步驟、經廢食用油調理改質步驟及分離步驟，以獲得一終產物，以應用在衍生性燃料(RDF-5(d-RDF))與飼料添加物等用途，達到回收再利用功效者。
本發明之目的係針對廢食用油與TFT-LCD液晶面板業、造紙廠、生活污水廠等廢水處理所產生的有機污泥，利用簡單的能資材化技術(擠壓成型和調理改質程序)降低有機污泥含水率並製成衍生性燃料(RDF-5(d-RDF))，減少環境污染與低能耗。
因此，本發明提供一種有機污泥與廢食用油整合性處理方法，其包括有下列步驟： (1)混拌步驟：以一有機污泥為原料，一澱粉類廢食材為一黏結劑進行均勻混拌，其中該有機污泥之重量份為80至98，該澱粉類廢食材之重量份2至20，經混拌形成一混拌物；(2)成型步驟：將(1)混拌步驟之該混拌物塑形為一成型物；(3)調理改質步驟：將(2)成型步驟之該成型物置入一廢食用油中進行調理改質，其中該廢食用油之工作溫度介於100℃至200℃，調理改質時間為5分鐘至30分鐘；(4)分離步驟：將完成上述(3)調理改質步驟之該成型物分離於該廢食用油，使該成型物成為一終產物。
進一步，該混拌步驟之有機污泥係指具有高含水率(75%~89%)之有機污泥，包括：處理TFT-LCD液晶面板之廢棄污泥、處理造紙過程之廢棄污泥、處理紙漿過程之廢棄污泥、生活污水廠之廢水處理後產生之廢棄污泥。
進一步，該混拌步驟之黏結劑係選自下列之一或其組合：分類後之廚餘、從加工後的廢食材所篩選出之甘薯粉(Sweet potato flour)、太白粉(cornstarch)、玉米粉(starch)、從廢熟食材(廚餘，kitchen waste)經初步篩選的米飯、粥、漿糊。
進一步，該(2)成型步驟係由下列裝置執行：擠出成型機、造粒機、射出成型機。
進一步，該(3)調理改質步驟之該廢食用油包括：植物性食用油或動物性食用油或其組合。
進一步，該廢食用油在進行(3)調理改質步驟之前，係先執行一過濾程序以將該廢食用油中之雜質去除。
進一步，該(4)分離步驟中，該成型物與該廢食用油係以下列之任一或其任意組合之方式相分離：離心分離、濾網分離或重力分離。
本發明再提供一種衍生性燃料(RDF-5(d-RDF))，係經由前述有機污泥與廢食用油整合性處理方法所獲得之終產物。
本發明又提供一種飼料添加物，係經由前述有機污泥與廢食用油整合性處理方法所獲得之終產物。
本發明之有機污泥與廢食用油整合性處理方法的功效在於：
1.本發明之有機污泥與廢食用油整合性處理方法整合有機污泥與廢食材適當黏結混拌、擠壓成型等程序、投入廢食用油中進行調理改質反應，不僅含水率於短時間內明顯降低，且大幅提升有機污泥熱值，以高於一般衍生性燃料(RDF-5(d-RDF))熱值標準，突破傳統有機污泥僅能作為傳統堆肥但醱酵過程中臭味持續逸散嚴重影響周遭空氣環境、或作為水泥廠的輔助燃料等。
2.經過本發明之有機污泥與廢食用油整合性處理方法產生的衍生性燃料產物無臭味逸散、能長期保存、燃燒效率提高、以及具有降低氮氧化物(NOx)與硫氧化物(SOx)的廢氣排放等功效，藉此可降低進口燃料的依賴性。
3.經過本發明之有機污泥與廢食用油整合性處理方法產生的終產物亦能作為飼料添加物，用以補充動物營養來源，節省飼料使用需求量。
[第一圖]係為本發明之有機污泥與廢食用油整合性處理方法流程圖。
[第二A圖]係為本發明中該有機污泥A在0%的廢食用油條件下之熱重量(TG)和熱示差(DTA)分析結果。
[第二B圖]係為本發明中該有機污泥A在10%的廢食用油條件下之熱重量(TG)和熱示差(DTA)分析結果。
[第二C圖]係為本發明中該有機污泥A在20%的廢食用油條件下之熱重量(TG)和熱示差(DTA)分析結果。
[第二D圖]係為本發明中該有機污泥A在30%的廢食用油條件下之熱重量(TG)和熱示差(DTA)分析結果。
[第二E圖]係為本發明中該有機污泥A在40%的廢食用油條件下之熱重量(TG)和熱示差(DTA)分析結果。
[第二F圖]係為本發明中該有機污泥A在50%的廢食用油條件下之熱重量(TG)和熱示差(DTA)分析結果。
為了讓本發明之有機污泥與廢食用油整合性處理方法、衍生性燃料、飼料添加物的目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：首先，請參閱第一圖所示，係本發明之有機污泥與廢食用油整合性處理方法流程圖，其方法包括以下步驟：(1)混拌步驟：以一有機污泥為原料，一澱粉類廢食材為一黏結劑進行均勻混拌，其中該有機污泥之重量份為80至98，該澱粉類廢食材之重量份2至20，經混拌形成一混拌物；(2)成型步驟：將(1)混拌步驟之該混拌物塑形為一成型物；(3)調理改質步驟：將(2)成型步驟之該成型物置入一廢食用油中進行調理改質，其中該廢食用油之工作溫度介於100℃至200℃，調理改質時間為5分鐘至30分鐘；(4)分離步驟：將完成上述(3)調理改質步驟之該成型物分離於該廢食用油，使該成型物成為一終產物。其中前述調理改質係指利用較高油溫油炸使該成型物能在短時間內明顯降低含水率，且有效提升該成型物所含之有機污泥的熱值。所謂熱值的定義：1千公克(每立方米) 的某種固體(氣體)燃料完全燃燒放出的熱量稱為該燃料的熱值，屬於物質的特性。所以熱值反映了燃料燃燒特性，即不同燃料在燃燒過程中化學能轉化為內能的本領大小。
較佳的是，該混拌步驟之有機污泥係指具有高含水率(75%至89%)之有機污泥，包括：處理TFT-LCD液晶面板之廢棄污泥、處理造紙過程之廢棄污泥、處理紙漿過程之廢棄污泥、生活污水廠之廢水處理後產生之廢棄污泥。較佳的是，該混拌步驟之黏結劑係選自下列之一或其組合：分類後之廚餘、從加工後的廢食材所篩選出之甘薯粉(Sweet potato flour)、太白粉(cornstarch)、玉米粉(starch)、從廢熟食材(廚餘，kitchen waste)經初步篩選的米飯、粥、漿糊。較佳的是，該(2)成型步驟係由下列裝置執行：擠出成型機、造粒機、射出成型機，且前述成型物之型態為條狀、棒狀、柱狀、片狀、球狀或顆粒狀，於本發明以下實施例中係以棒狀為範例說明。
較佳的是，該(3)調理改質步驟之該廢食用油包括：植物性食用油或動物性食用油或其組合。其中植物性食用油包含橄欖油、大豆油、沙拉油、葵花油，但不以此限定；而動物性食用油包含豬油、牛油、羊油，但不以此限定，依本發明之精神，舉凡可供人調理食用之植物性食用油或動物性食用油皆為本發明所請之範圍。較佳的是，該廢食用油在進行(3)調理改質步驟之前，係先執行一過濾程序以將該廢食用油中之雜質去除。其中所述該過濾程係以濾網過濾之方式進行，但不以此為限。較佳的是，該(4)分離步驟中，該成型物與該廢食用油係以下列之任一或其任意組合之方式相分離：離心分離、濾網分離或重力分離。其目的皆為使固體物與液體分離，其中所述重力分離係利用固體物 之比重比液體大或小而產生沉降或上浮現象，藉此進行固液分離之方法，為本發明所屬技術領域中具通常知識者所皆能瞭解之技術背景知識，故不予贅述。
本發明再提供一種衍生性燃料(RDF-5(d-RDF))，係經由前述有機污泥與廢食用油整合性處理方法所獲得之終產物。
本發明又提供一種飼料添加物，係經由前述有機污泥與廢食用油整合性處理方法所獲得之終產物。
以下實驗係針對不同行業別產生的有機污泥與廢食材混拌、擠壓成型、調理改質等程序，進行不同的混合比例、調理溫度、調理時間，處理後所得終產物進行特性分析，詳細說明如下： 本實驗使用的有機污泥來源為2家TFT-LCD廠(分別標記為有機污泥A和有機污泥B)和一家紙漿廠廢水(標記為有機污泥C)所取得之樣品。根據2012年環保署統計資料，紙漿廠每年產生約182,000噸的有機污泥與造紙廠每年產生約372,000噸的有機污泥。至於廢食材來源直接選用廚餘中玉米澱粉類當成黏結劑，而廢食用油來自於家庭和攤販的廢食用油品。
前述TFT-LCD廠與紙漿廠的三種有機污泥A、B、C和廢食用油的基本性質彙整於表二和表三，包括元素分析、三成份與熱值。廢食材經適當比例黏結混拌，固定混拌擠出參數，包括廢食材比例為重量比5%與3種有機污泥A、B、C黏結均勻混拌10分鐘，並利用擠壓成型機擠壓成型物為棒狀，尺寸固定為長度50mm，直徑15mm擠出成型物為實施說明。
在前述調理改質步驟處理後，分析前述三種有機污泥A、B、C之熱值特性(有機污泥A進一步分析含水率和油攝取率)，資料彙整於下列表四。
結果顯示含水率和油攝取率從用調理改質過程中三種有機污泥A、B、C幾乎於25分鐘後達到平衡。結果顯示擠出成型物在調理改質過程中，相對較高溫度和較長時間會有較高的油攝取率和較低的含水率。然而，更高溫度或更長時間的實驗結果只會消耗更多的能量。在表三與表四中，有機污泥C於調理改質過程中工作溫度150℃經25分鐘後，其熱值從原先的2,685卡/克顯著增加至超過4,400卡/克。因此，經過調理改質後有機污泥將適合被回收作為替代燃料，其中有機污泥C的熱值差異性最大。
請參第二A圖至第二F圖所示，係有機污泥A在配合不同比例的廢食用油條件下之熱重量(TG)和熱示差(DTA)的分析結果。第二A圖至第二F圖之結果分別如下： 第二A圖中：作為對照組之用，有機污泥A，廢食用油0%，調理結果發現廢食用油減少了85%，分析放熱反應溫度為520℃，放熱峰不明顯，隱約在300℃；第二B圖中：有機污泥A，廢食用油10%，調理結果發現廢食用油減少了40%，分析放熱反應溫度為553℃，放熱峰為400℃；第二C圖中：有機污泥A，廢食用油20%，調理結果發現廢食用油減少了39%，分析放熱反應溫度為555℃，放熱峰為400℃；第二D圖中：有機污泥A，廢食用油30%，調理結果發現廢食用油減少了6.4%，分析放熱反應溫度為542℃，放熱峰為400℃；第二E圖中：有機污泥A，廢食用油40%，調理結果發現廢食用油減少了5.1%，分析放熱反應溫度為551℃，放熱峰為400℃；第二F圖中：有機污泥A，廢食用油50%，調理結果發現廢食用油減少了4.3%，分析放熱反應溫度為546℃，放熱峰為400℃。
經由上述結果可知，觀察各圖中熱示差曲線，有機污泥A的放熱峰(400℃)與增加不同比例的廢食用油試驗中，於調理改質過程中發現隨著廢食用油的比例增加，其熱值也相對增加(請參第二B圖至第二F圖中位在400℃處所形成之波峰，第二A圖為對照組)。此外，在上述第二A圖至第二F圖的實驗結果發現廢食用油依序減少約85%，40%，39%，6.4%，5.1%和4.3%之間，也就代表在調理改質過程中，廢食用油減少的量是被有機污泥A所吸收，造成有機污泥A熱值增加(貢獻度)。進一步探討各組增加的熱值與廢食用油減少的量在達到平衡狀態時，其中所使用廢食用油的較佳比例為30%~50%(也就是第二D至F圖)；換句話說，因為原先有機污泥A熱值僅有4,817卡/克(參表三)，經過調理程序後增加到6,459卡/克(參表四)，且廢食用油減少越少越好，所以前述使用廢食用油的較佳比例即為30%~50%。
三種有機污泥A、B、C經調理改質後，分析結果如下列表五。前述調理改質條件為調理溫度150℃，調理時間25分鐘。結果顯示有機污泥其熱值隨時間與溫度增加而增加。有機污泥的油吸收率約為40%，顯示擠壓成型物經廢食用油調理改質，可加工成為衍生性燃料(RDF-5(d-RDF))。有機污泥的擠出成型物在調理改質過程中混合廢食用油，因此調理改質後的含硫量與含氯量比調理改質前略低，調理改質後含氯量明顯低於0.5%的RDF歐洲標準的限制，換句話說，就是更能符合歐洲標準。
再請一併參閱表六及表七，有機污泥A與C在配合不同廢食用油比例之調理改質過程中，結果顯示在氮和硫的百分比氣相分析中，當廢食用油 比率增加時，經調理改質後氮和硫的比率逐漸下降。由此可知，有機污泥擠出成型物經調理改質過程，能達到減少氮氧化物和硫氧化物之排放量的實際效果。此外，有機污泥擠出成型物經調理改質後，在實驗室規模測試，其燃燒效率顯著增加(最佳效率為有機污泥C在30%廢食用油比例之調理改質過程中較100%有機污泥C增加約1.33倍=74.3%/55.7%)。因此有機污泥經摻配廢食材擠壓成型、調理改質過程處理，不僅能提高有機污泥熱值並使能量回收更有價值，達到實現廢料能資源材料化和降低操作成本之功效。
表七. 有機污泥C與經調理改質後各參數的氮、硫比例與燃燒效率分析結果
綜上所述，本發明之有機污泥與廢食用油整合性處理方法整合有機污泥與廢食材適當黏結混拌、擠壓成型等程序、投入廢食用油中進行調理改質反應，不僅含水率於短時間內明顯降低，且大幅提升有機污泥熱值。不僅所產生之終產物具有無臭味逸散、能長期保存、燃燒效率提高、以及降低氮氧化物(NOx)與硫氧化物(SOx)的廢氣排放之功效，且該終產物亦能作為飼料添加物使用，增加應用層面。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

  1. 一種有機污泥與廢食用油整合性處理方法，包括下列步驟：(1)混拌步驟：以一含水率大於75%的有機污泥為原料，一澱粉類廢食材為一黏結劑進行均勻混拌，其中該有機污泥之重量份為80至98，該澱粉類廢食材之重量份2至20，經混拌形成一混拌物；(2)成型步驟：將(1)混拌步驟之該混拌物塑形為一成型物；(3)調理改質步驟：將(2)成型步驟之該成型物置入一廢食用油中進行調理改質，其中該廢食用油之工作溫度介於100℃至200℃，調理改質時間為5分鐘至30分鐘；及(4)分離步驟：將完成上述(3)調理改質步驟之該成型物分離於該廢食用油，使該成型物成為一終產物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之有機污泥與廢食用油整合性處理方法，其中，該(1)混拌步驟之有機污泥係指具有高含水率75%至89%之有機污泥，包括：處理TFT-LCD液晶面板之廢棄污泥、處理造紙過程之廢棄污泥、處理紙漿過程之廢棄污泥、生活污水廠之廢水處理後產生之廢棄污泥。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之有機污泥與廢食用油整合性處理方法，其中，該(1)混拌步驟之黏結劑係選自下列之一或其組合：分類後之廚餘、從加工後的廢食材所篩選出之甘薯粉(Sweet potato flour)、太白粉(cornstarch)、玉米粉(starch)、從廢熟食材(廚餘，kitchen waste)經初步篩選的米飯、粥、漿糊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之有機污泥與廢食用油整合性處理方法，其中，該(2)成型步驟係由下列裝置執行：擠出成型機、造粒機或射出成型機。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之有機污泥與廢食用油整合性處理方法，其中，該(3)調理改質步驟之該廢食用油包括：植物性食用油或動物性食用油或其組合。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之有機污泥與廢食用油整合性處理方法，其中，該廢食用油在進行(3)調理改質步驟之前，係先執行一過濾程序以將該廢食用油中之雜質去除。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之有機污泥與廢食用油整合性處理方法，其中，該(4)分離步驟中，該成型物與該廢食用油係以下列之任一或其任意組合之方式相分離：離心分離、濾網分離或重力分離。
  8. 一種衍生性燃料，係為申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之有機污泥與廢食用油整合性處理方法所獲得之終產物。
  9. 一種飼料添加物，係為申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之有機污泥與廢食用油整合性處理方法所獲得之終產物。
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