有機污泥氣化、裂解與厭氧消化轉製燃氣：材料世界網

有機污泥是污水處理過程產生之最重要的副產品，此類污泥之能源轉換方式主要以熱處理及污泥消化等技術進行，核心技術即經由氣化、裂解與厭氧消化等方式，達成污泥處理與回收能源之目的。為有效達成污泥類廢棄物之整合性處理或資源化技術規劃，近年來國際間大多朝向利用氣化、裂解技術，掌握生物質特性並精確控制溫度，直接發展出最佳可行之應用技術、開發創新及新穎之處理或資源化技術，以及規劃低能源衝擊或發展自給自足能源系統之處理技術等方向著手進行。而厭氧醱酵需經過水解、酸化與甲烷化三個階段，適當的前處理程序，可提高水解的效率，同時增加污泥產沼氣的效率。

本文將從以下大綱，分別介紹氣化技術、裂解技術、厭氧醱酵技術，以及其實場應用。

‧污泥氣化技術

　1. 氣化技術重要參數

　　(1) 氣化溫度

　　(2) 氣化媒介

　　(3) 生質物特性

　2. 污泥氣化技術之國內高效應用

‧污泥裂解技術

　1. 影響氣體組成及品質之關鍵要素

　　(1) 熱裂解溫度

　　(2) 氣體停留時間

　　(3) 生質物特性

　2. 熱裂解技術之實場應用

‧厭氧消化技術

　1. 污泥前處理技術

　　(1) 機械前處理法

　　(2) 熱水解法

　　(3) 化學預處理

　　(4) 生物預處理

　2. 高效率厭氧消化實場應用技術

‧結論與未來展望

【內文精選】

污泥氣化技術

1. 氣化技術重要參數

(1) 氣化溫度

根據研究文獻結果顯示，有機污泥(Organic Sludge)進行氣化處理之典型反應溫度，分別控制於800˚C~1,400˚C，在不同反應溫度條件下，其氣化產生之合成氣最高可達90 wt.%；至於焦炭及焦油產率，最高分別可達30 wt.%及5 wt.%。相關研究亦指出，提高反應溫度，對於下水有機污泥氣化產氫具有正面效益，而隨著氣化溫度之提升，將可促進有機污泥於氣化處理過程，發生熱裂解反應、部分氧化反應、Boudouard反應(2CO → CO₂ + C)，以及CO₂轉化反應(CO₂ + CH₄ → 2CO + 2H₂)等，致使H₂及CO之氣體組成比例同步增加。

厭氧消化技術

沼氣含有60~70%的甲烷和30~40%的二氧化碳，與其他的微量氣體（如氫氣，硫化氫和氮氣），其相對密度約為0.85，熱值約為13~21 MJ/kg，低於煤(15~27 MJ/kg），但相當於褐煤(12~16 MJ/kg)。除沼氣外，AD產生液態副產物含有大量營養物（例如磷、鉀和氮），可進一步作為肥料和/或堆肥。由WAS生產的甲烷應用相當廣泛，例如可透過沼氣發電機產生電力和/或熱能，其所獲得的能源可占污水處理廠總運營成本的50%。目前，為了提高沼氣產量及其質量（例如CH₄與CO₂的比例），嘗試先將污泥前處理或是找出厭氧醱酵最佳參數的研究相當多。

1. 污泥前處理技術

厭氧醱酵(Anaerobic Fermentation)需經過水解、酸化與甲烷化三個階段。其中，速率限制步驟是水解階段。因此前處理程序，被應用來提高水解的效率，以增加污泥產沼氣的效率。在消化程序中，污泥中之有機物要獲得分解，往往需要許多步驟的水解反應組合才能完成；當有機物組成較為複雜時，需要多種微生物分工共生才能完成水解。因此廢棄污泥內的有機物往往有相當部分未能有效被消化，許多學者利用多種前處理方式，希望能將活性污泥等複雜有機物水解，以提供作為厭氧消化之碳源。根據污泥特性、反應器特性、環境效益和實際應用現狀，歸納和比較各種研究技術的優點和相對價值，且探討污泥消化過程中遇到的挑戰和技術問題，並提出了促進這些方法全面實施的未來研究需求（表一）。

表一、各種污泥前處理法的優/缺點比較

2. 高效率厭氧消化實場應用技術

高效率厭氧生物反應器被認為是一種先進的環境保護技術，它可結合其他如好氧消化和物理或化學前/後處理方法，是一種永續和靈活的廢水處理系統。由於高效率厭氧生物反應器中可維持高濃度的菌體量，所以此系統可操作在較低的HRT。根據文獻，高效率厭氧反應器的特性包括：①由於沉降、固體接觸或循環等作用，使生物體在反應器中累積；②加強生物體和廢水之間的接觸；③由於適應和增長，提高生物體活性。此外，可以通過從液相中有效截留生物體來提高污泥停留時間(SRT)，使生物反應器在短HRT下操作時，不會發生生物體被洗出(Wash Out)的現象。圖二為常見的高效率厭氧消化系統，包括：上流式污泥床(UASB)反應槽、厭氧流化床(AFB)反應槽、膨脹顆粒污泥床(EGSB)與厭氧疊板式(ABR)反應槽…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。