機械生物處理(Mechanical Biological Treatment, MBT)
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機械生物處理(Mechanical Biological Treatment, MBT)
張慶源、張家驥
臺灣生質能技術應用暨污染防治聯盟
技術背景說明
1.分選目的
(1)現行歐洲先進國家，採用多元廢棄物處理概念，採用垃圾分選搭配焚化爐達到資源化與能源化之目的。
(2)垃圾分選技術主要依據廢棄物種類、型態與組成及分選後成品用途利用不同之分選設備達成資源化或能源化之目的。
2.分選技術分類:
(1)何謂MT、MHT與MBT技術
機械處理(mechanical treatment, MT)、機械熱處理(mechanical heat treatment, MHT)及機械生物處理 (mechanical biological treatment, MBT)技術皆為為廢棄物能源與資源化技術。主要目的為自廢棄物中:
A.分選出金屬與有價塑膠等資源回收物
B.分選出有機物之造有機堆肥或固體回收燃料(solid recovery fuel, SRF)
(2)MT亦稱機械分選，主要利用破碎、篩分、磁選、風選，主要針對含水率低之事業廢棄物轉製SRF。
(3)MHT則針對含水率高之生活垃圾增加蒸煮(autoclaving)或熱風乾燥程序以提升機械分選效率並降低含水率，但其SRF製造耗能，且產生之高濃度有機廢液處理困難。
(4)MBT則為最新一代廢棄物處理技術，利用「生物發酵乾化製程」產熱乾化將低垃圾含水率並使其均質化提升後續分選效率。並可結合厭氧消化技術產生沼氣做為氣態生質燃料，並將後續殘渣進行好氧發酵做為堆肥或燃料。
(5)傳統之固態RDF製程主要利用機械破碎、分選與乾燥，僅屬於機 械 熱 處 理 (Mechanical heat treatment, MHT)程序。
3.MBT技術
(1)相較MHT，採用MBT之能源消耗低，且產物產出多元。以生活垃圾為例，MBT之主要產物為固體回收燃料(solid recovery fuel, SRF)或堆肥，並可進一步回收資源物(金屬、塑料)。MH T僅可製成燃料，亦僅能回收金屬。
(2)生活垃圾MBT技術處理步驟如下:
A.將所有垃圾破袋後利用生物好氧發酵作用將有機物分解，並利用發酵過程中產熱將水分揮發降低廢棄物之含水率並達到均質化
B.利用機械分選設備將生物發酵乾化處理後之產物進行分選將其中金屬、可回收塑料等資源回收。
C.將剩餘有機質有機物質及無回收價值之塑料製造 SRF或是堆肥，最後剩下不可利用之殘渣以掩埋處理。
圖一、廢棄物機械生物處理能資源化示意圖
4.目前MBT廠使用之生物乾化設備主要有兩種：
(1)滾筒式生物乾化設備(Biodrum)
(2)隧道式生物乾化設備(Bio-drying Tunnels)
「隧道式生物乾化設備」目前使用最廣，「滾筒式生物乾化設備」則是專為改善MBT採用「隧道式生物乾化設備」之缺點所研發出之最新一代技術。MBT技術採用這兩種乾化設備在「垃圾處理流程」設計上是不同的。
目前MBT廠所使用機械分選設備主要有下列選項：
(1)磁選機及渦電流分選機(Magnetic Separator & Eddy Current Separator): 回收金屬物。
(2)彈跳式分選設備(Ballistic Separator):回收立體之瓶罐類。
(3)金屬及塑料分選設備(Material Sorting Equipment)
(4)高效能風選設備(Windsifter):去除砂土。
(5)近紅外線自動分選系統(Near-Infrared, NIR): 光學分選系統分選塑料(PVC、PP、PE)、紙類等。
5.MBT系統除處理生活垃圾外，亦可處理一般無害具可燃性之事業廢棄物如廢紙、廢塑料(膠膜、膠袋、膠片)、廚餘、有機污泥等，將其與生活垃圾分選物共同製成SRF。若來源不含事業廢棄物，亦可作為堆肥使用。
圖二、MBT廠配置示意圖(BIANNA, 2017)
6.SRF成品亦可依據使用端之需求造粒，以利於運輸及符合鍋爐操作。生垃圾於垃圾焚化爐燃燒因其含水率高、尺寸不均一、成分複雜，故僅能於焚化爐中燃燒，雖可藉由回收廢熱發電，但因需額外添加助燃劑，能源轉化率低，且因其性質不均一，故燃燒不完全，易產生戴奧辛等空氣污染物。
7.廢棄物中之可燃份主要為塑料、紙類及有機纖維(包含庭園植栽修剪枝幹、廚餘等)。若將固體廢棄物經分選及回收資源物後，將之均質化並乾燥，可以轉製為高品質之固體燃料，歐盟將之定義為固體回收燃料(SRF)，可作為工業用鍋爐之燃料。
8.依我國現況將廢棄物製成SRF應用於大型鍋爐為較為可行之做法。
圖三、滾筒式生物乾化設備
圖四、SRF成品
9.衍生燃料
(1)RDF與SRF之差異
A.廢棄物衍生燃料(Refuse derived fuel, RDF) 係將廢棄物經經過數階段物理程序後轉製成為固體、液體、氣體不同型式燃料。
B.美國材料試驗學會(American Society for Testing and Materials, ASTM)針對RDF處理後特性之差異將RDF分成RDF-1~7等七類如表一所示。此七類為型態上之定義。
表一、ASTM之RDF定義
|
類 別 |
定 義 |
|
RDF-1 (MSW) |
都市廢棄物直接作為燃料，但不含巨大廢棄物 |
|
RDF-2 (c-RDF) |
廢棄物破碎成粗顆粒，亦可經磁選回收金屬後，95 wt﹪通過6-inch 篩網 |
|
RDF-3 (f-RDF) |
廢棄物經過進一步破碎，並去除金屬、玻璃及其他無機物後，95 wt﹪通過2-inch 篩網 |
|
RDF-4 (p-RDF) |
可燃物處理成粉狀，95 wt﹪通過0.035-inch篩網 |
|
RDF-5 (d-RDF) |
可燃物壓密成柱狀、球狀、磚塊狀或其他形狀 |
|
RDF-6 |
可燃物處理成液狀(無分類標準) |
|
RDF-7 |
可燃物處理成氣狀(無分類標準) |
C.其中RDF-1~5為固態之燃料。RDF-1為生垃圾，僅適用於垃圾焚化爐。因其含水率高、尺寸不均一、成分複雜，故僅能於焚化爐中燃燒，雖可藉由回收廢熱發電，但因需額外添加助燃劑故能源轉化率低，且因其性質不均一，故燃燒不完全，易產生戴奧辛等空氣污染物。
D.廢棄物中之可燃份主要為塑料、紙類及有機纖維(包含庭園植栽修剪枝幹、廚餘等)。若將固體廢棄物經分選及回收資源物後，將之均質化並乾燥，可以轉製為高品質之固體燃料，歐盟將之定義為固體回收燃料(solid recovery fuel, SRF)，可作為工業用鍋爐之燃料，即為RDF-2~5。
圖五、SRF與RDF之關聯
E.SRF屬於RDF中之固態燃料(圖五)。SRF之定義為自非有害廢棄物製造之可供工業使用之高熱值固體燃料。歐盟依據SRF之熱值、氯含量及汞含量將之區分為五級(表二)。SRF可依使用端之需求製成為不同尺寸，亦可造粒(圖五)提升密度方便儲存與運輸。
-
表二、歐盟EN15359標準之SRF品質分級
分類
特性
統計值
單位
分級
1
2
3
4
5
淨熱值
平均值
MJ/kg
≥25
≥20
≥15
≥10
≥3
Kcal/kg
≧5,981
≥4,785
≥3,589
≥2,392
≥718
氯含量
平均值
% (d)
≤0.2
≤0.6
≤1.0
≤1.5
≤3
汞含量
中位數
80th %位數值*
Mg/MJ
Mg/MJ
≤0.02
≤0.04
≤0.03
≤0.06
≤0.08
≤0.16
≤0.15
≤0.30
≤0.50
≤1.00
*(80th percentile): 代表批次數據中有80%之樣本是在此數值之下。
**d: 乾基
-
F.利用分選技術可將生活垃圾分選出塑料與有機生質物分別製造高熱值之plastic SRF與生質物組成之生質燃料Green SRF。兩者亦可混合製成SRF ，主要成分為塑料及生質物，其性質與組成視原物料(廢棄物組成)而定。與燃煤相比，其成分含硫量遠低於燃煤、揮發份高、燃點低。燃煤與生活垃圾製造之混合SRF之比較如表三。除生活垃圾外，SRF物料來源亦可為事業廢棄物。SRF可直接應用於機械床式之鍋爐、流體化床鍋爐、水泥窯及粉煤鍋爐等，作為主要燃料或與燃煤混燒。
表三、燃煤與生活垃圾製造之混合SRF之比較表
|
項目 |
SRF |
煙煤 |
單位 |
|
|
組成 |
水分 |
<201 |
21 |
% |
|
灰分 |
<15 |
10 |
% |
|
|
可燃分 |
65~85 |
69 |
% |
|
|
揮發分 |
~70 |
34 |
% |
|
|
固定碳 |
~10 |
36 |
% |
|
|
性質 |
熱值(乾基) |
4,6002 |
5,800 |
kcal/kg |
|
碳 |
~35 |
58.8 |
% |
|
|
氫 |
~2.6 |
4.36 |
% |
|
|
氧 |
~36 |
21.63 |
% |
|
|
氮 |
~1.2 |
0.81 |
% |
|
|
硫 |
<0.005 |
0.710 |
% |
|
|
氯 |
<0.5 |
0.02 |
% |
|
|
重金屬項目 |
Hg |
- |
— |
|
|
重金屬含量 |
<0.04 |
- |
mg/kg |
|
1 含水率可依使用者需求調整，顆粒狀燃料含水率可調整範圍為10~25%
2 塑膠為主之Plastic SRF 其LHV約5,600 kcal/kg，有機纖維組成之Green SRF LHV約為2,400 kcal/kg，以現有垃圾組成推估混合SRF之LHV約4,600 kcal/kg。
3 SRF來源為葡萄牙生活垃圾經MBT製造，燃煤為中印公司進口之印尼煙煤。
二、效益說明
1.若以每日100公噸之垃圾量估算，每日可產生約59公噸SRF，年產量達21,535公噸SRF。熱值以4,000 kcal/kg估算，作為替代燃料取代燃煤可以減少約14,852公噸燃煤用量(以燃煤熱值58,000 kcal/kg估算)。
2.以現為無焚化爐縣市，垃圾委外處理費用3,200元/公噸、每日100公噸之垃圾量計算，每年約支出116,800,000元於焚化處理。若以現地設置MBT收取之處理費用與焚化爐進場費用相同計算，扣除外運之運費，則每年可節省29,200,000元之運費支出並削減大量因運輸所產生之溫室氣體排放量。
3.另外，MBT廠回收之資收物每日約可回收3.28公噸未分類回收之金屬與塑料，以每公斤回收價格5元估算，一年可增加5,986,000元之價值。
4.相較於垃圾焚化發電之低能源轉化率(最高約20%)及高污染排放，利用MBT將廢棄物轉化成高燃燒效能之燃料，更便於運輸、儲存並能用於能源轉化率更高之鍋爐(35~50%)用於發電，用於氣電共生廠，能源轉化率更可以高達70%。
5.均質化後之燃料燃燒完全，並能減少空氣污染物排放、且可容忍燃料之高含水率。若採用氣化發電，則相較傳統火力發電，其具有較低之NOX、SOX及無Dioxin等空氣污染物排放。此模式更符合環境品之要求高之東部地區。
圖六、MBT廠產出SRF利用模式
三. 案例介紹
1.案例一: 燃料化技術-Resitejo都市生活垃圾處理中心
(1) 葡萄牙卡雷蓋拉
(2) 商轉年: 2013
(3) 處理物:都市生活垃圾與工業廢棄物
(4) 處理量: 生活垃圾55,000公噸與工業廢棄物7,000公噸
(5) 操作商: Resitejo中塔霍河廢物管理與處理協會
(6) 設計最大處理量: 30 公噸/小時MSW、污泥3.75公噸/小時
(7) 核心技術
A. Biodrum
B. 機械分選
(8) 主要產物: Green SRF、SRF與資源回收物
(9) 廢棄物進料組成
|
Organic |
52,6% |
|
|
Organic fraction |
52,6% |
|
|
Inorganic |
47,4% |
|
|
Paper/Cardboard |
9,44% |
|
|
Tetrapacks |
1,09% |
|
|
Plastics |
8,24% |
|
|
Glass |
2,28% |
|
|
Wood |
1,10% |
|
|
Iron |
1,14% |
|
|
Aluminium |
0,37% |
|
|
Hazardous materials |
0,80% |
|
|
Sanitary Textiles |
5,94% |
|
|
Textiles |
4,12% |
|
|
Material < 20 mm |
12,82% |
|
|
Others |
0,06% |
|
|
TOTAL |
100,00% |
|
Resitejo都市生活垃圾處理中心處理程序與質量平衡
2.案例二: 廢料化技術-西諾皮耶（CANOPIA）都市垃圾處理中心
(1) 法國巴約納
(2) 處理都市生活垃圾(MSW)、廚餘
(3) 有機原料比例極高
(4) 處理量: 100,000 公噸/年 MSW
(5) 核心技術:
A. Biodrum
B. 厭氧消化產沼氣
C. 好氧堆肥
D. 機械分選
(6) 主要產物: 堆肥、沼氣與資源回收物
3.案例三: 綜合性解決方案- Valnor固體廢棄物處理與再利用廠
(1) 葡萄牙Avis
(2) 處理都市生活垃圾(MSW)、廚餘
(3) 處理量: 100,000 公噸/年 MSW
(4) 設計最大處理量: 25 公噸/小時
(5) 核心技術:
A. 厭氧消化產沼氣
B. 好氧堆肥
C. 機械分選
D. 燃料化技術
(6) 主要產物: SRF、堆肥與資源回收物
(7) 廢棄物進料組成
|
Organic |
49,78% |
||
|
Organic fraction |
|
49,78% |
|
|
Inorganic |
41,38% |
||
|
Paper |
|
6,24% |
|
|
Cardboard |
|
3,92% |
|
|
Tetrapacks |
|
2,99% |
|
|
HDPE |
|
0,73% |
|
|
PET |
|
0,88% |
|
|
Plastic Film |
|
5,61% |
|
|
MIX plastics |
|
2,14% |
|
|
Glass |
|
2,46% |
|
|
Wood, garden wastes |
0,60% |
||
|
Iron |
|
1,19% |
|
|
Aluminium |
|
0,39% |
|
|
Non specified combustibles |
0,67% |
||
|
Non specified non-combustibles |
0,94% |
||
|
Special domestic wastes |
0,95% |
||
|
Textiles |
8,84% |
||
|
Others (<20mm) |
|
11,67% |
|
|
TOTAL |
100,00% |
||
4.案例四: 肥料化技術-佩德雷特和馬爾薩(Pedret i Marzà)都市生活垃圾處理中心
- (1) 西班牙加泰羅尼亞赫羅納省
- (2) 處理都市生活垃圾(MSW)
- (3) 處理量: 93,500 公噸/年 MSW
- (4) 設計最大處理量: 35 公噸/小時
- (5) 主要產物: 堆肥與資源回收物
- (6) 廢棄物進料組成
|
項目 |
Wt.% |
|
Organic Fraction |
37,4% |
|
P/C |
15,7% |
|
Glass |
13,0% |
|
HDPE |
1,0% |
|
PET |
1,1% |
|
Plastic Mix |
1,8% |
|
Film |
86% |
|
Other plastics |
3,1% |
|
Fe |
4,2% |
|
Non Fe |
0,9% |
|
Tetra Bricks |
0,9% |
|
Other metals |
1,3% |
|
Textile |
5,4% |
|
Reject |
6% |
