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研究生: 高卲傑
Shao-Chieh Kao
論文名稱: 整合能-資模型與碳排盤查於污泥減廢之流-固分離成效評估-以電滲法脫水與太陽能補償為例
Integrating Eco-efficiency Model and Carbon Inventory to Evaluate the Liquid-Solid Separation for Sewage Sludge Treatment: Case Study of Electro-dewatering and PV System Compensation
指導教授: 陳堯中
Yao-Chung Chen
口試委員: 陳堯中
Yao-Chung Chen
陳立憲
Li-Hsien Chen
鄧福宸
Fu-chen Teng
申永順
Yong-Shun Shen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 161
中文關鍵詞: 流-固分離污泥電滲透理論太陽光電補償率減碳策略碳排放當量
外文關鍵詞: Liquid-solid separation, Sludge, Electro-osmotic theory, Solar photovoltaic, Compensation rate, Carbon reduction strategy, carbon equivalent
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  • 隨著時代進步與發展,大量固態廢棄物之處理已成首當其衝且刻不容緩之問題,本研究先以客雅水資源中心之污泥為例,並以電壓差之方式 (此法適用於顆粒較小之黏土),驅使固態廢棄物內部之水分在不發生相變情況下排出。有別於傳統使用溫度差使液體汽化排出,本研究可具有較低之能耗,為廢棄物減量與能源減耗協同考量之方案。
    本研究根據電滲透理論、機制以及國內外相關試驗之論文,進行一連串之室內小型模型試驗設計。透過相關變數與常數調控,探討於調查範圍內對能源效率之影響,並以太陽光電系統作為合理比例上之備源,估算每增加單位能耗之補償率可減少之碳排放當量,作為節能減碳策略之參考依據。
    本成果在靜壓50、150和200 kPa以及電壓10、30和50 V之範圍內,能使現地之污泥從含水率82 ± 2 %降至72 ± 2 %,靜壓和電壓越高時,整體之脫水效果越好。能損方面則在0.02~0.6 kWh/kg H2O之間,其隨電壓上升而增加,在施加30 V時之能損約0.2 kWh/kg H2O,低於市面上之污泥烘乾設備(0.28~1.2 kWh/kg H2O)。
    本研究進一步以能損0.2 kWh/kg H2O評估現地客雅水資源回收中心每日8噸污泥餅之處理量 (含水率從82 %降至60 %),其每日約需消耗880 kWh,並以現地可建置800 m2之斜屋頂固定式太陽光電系統的條件下估算,約可建置80 kWp之太陽光電系統,建置成本約500萬,使用年限約25年,其補償率於春季約23~31 %;夏季約37~48 %;秋季約26~34 %;冬季約14~18 %,而每增加單位能耗之補償率約可減少0.87 % 碳排放量,若能將補償率提高至100 %,每日可減少碳排放當量482 kg-CO2e。


    As time progresses, disposal of a large amount of solid waste becomes of great concern to many countries and needs to be solved in no time. In this study, the dewatering process of the solid waste is driven by using electric potential gradient which has lower energy consumption compared to traditional thermal drying. The municipal sewage sludge from Keya Water Recycling Center is used as an example.
    According to electro-osmotic theory, mechanism and the review of pertinent experimental literatures, a series of laboratory experiments was designed to explore the impact of process parameter on energy efficiency. Furthermore, feasibility assessment of solar photovoltaic (PV) system as the backup power supply was also studied. The reduction of carbon emission equivalent can be estimated from each additional unit of energy compensation rate.
    The result showed that within the range of the static pressure of 50, 150 and 200 kPa and the voltage of 10, 30 and 50 V, the water content of sludge can be reduced from 82 ± 2 % to 72 ± 2 %. The higher pressure and voltage can get the better dewatering effect. In the aspect of energy consume, the energy consumption is around 0.02~0.6 kWh/kg H2O which increases as the voltage increases. It is lower than the traditional sludge drying machine which the energy consumption is around 0.28~1.2 kWh/kg H2O.
    Assuming the energy consumption is 0.2 kWh/kg H2O (when voltage equal to 30 V) and 8 tons/day sludge cake (water content from 80% to 60%) from Keya Water Recycling Center is treated, the energy consumption is about 880 kWh/day. If an 80 kWp solar PV system can be built on 800 m2 incline roof, the construction cost would be about 5 million NT dollar and its service life is about 25 years, the energy compensation rate in the spring, summer, fall and winter is corresponding to 23~31 %, 37~48 %, 26~34 % and 14~18%. When increasing each additional unit of energy compensation rate, the carbon emission can be reduced 0.87 %. Using Keya Water Recycling Center as an example, if compensation rate can reache 100 %, the carbon emission equivalent can be reduced by 482 kg-CO2e per day.

    論 文 摘 要 I Abstract III 致謝 V 目 錄 VI 圖目錄 X 表目錄 XV 符號對照表 XVII 第一章、緒 論 1 1.1 研究背景及動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究範圍與方法 2 1.4 論文內容 4 第二章、文獻回顧 6 2.1 污泥 6 2.1.1 污泥之來源 6 2.1.2污泥之性質和種類 7 2.1.3 污泥之組成 9 2.2電滲工法 12 2.2.1 電動現象(Electrokinetic Phenomena) 15 2.2.2電滲透理論 16 2.2.3 電滲化學反應 22 2.2.4 影響電滲排水之要素 25 2.3 太陽光電發電 30 2.3.1 發電原理 30 2.3.2 等效電路 33 2.3.3 電池種類及效率 35 2.3.4 發電系統 37 第三章、試驗規劃 39 3.1 現地調查案例 39 3.1.1 現地介紹 39 3.1.2 現地污泥處理 39 3.2 試驗樣本之描述和保存 41 3.2.1 試驗樣本之描述 41 3.2.2 試驗樣本之保存 42 3.2.3 試驗樣本之性質試驗 42 3.3 室內小型電滲模型試驗設備 49 3.3.1 主體設備 49 3.3.2加壓設備 51 3.3.3電力設備 52 3.3.4監測設備 52 3.4 室內小型電滲模型試驗程序 55 3.4.1 試驗參數決定 55 3.4.2室內小型模型試驗 59 第四章、試驗結果與分析 63 4.1試驗代碼說明 63 4.2 整體試驗脫水效果解析 65 4.2.1電壓效應 (定靜壓)-脫水效果 65 4.2.2靜壓效應 (定電壓)-脫水效果 66 4.3 各分量貢獻比率評估 69 4.4 整體試驗能源消耗解析 73 4.4.1 電滲排水機制解析-電流隨時間與含水率之變化 74 4.4.2 電能轉換解析-能損與熱能損隨脫水率變化 78 4.5能-資協同優化分析 82 4.5.1 能資協同優化-去除化考量 86 4.5.2 能資協同優化-材料化考量 86 4.5.3 能資協同優化小結 87 第五章、整合太陽能於現地之情境假設 88 5.1太陽光電發電量預測 88 5.1.1太陽光電發電量預測方式 88 5.1.2太陽光電發電量於現地之預測 90 5.2減碳效果評估 94 5.2.1太陽光電模組碳排估算 94 5.2.2減碳效果於現地預測 106 5.3經濟成本評估 109 5.3.1太陽光電相關法規 109 5.3.2太陽光電發電成本估算 115 5.4 情境假設分析與規劃討論 121 5.4.1情境假設分析 121 5.4.2後續規劃討論 124 第六章、結論與建議 126 6.1結論 126 6.2建議 128 參考文獻 132 附錄一 委員意見回覆表 137 附錄二 廢棄物檢測報告 144 附錄三 試驗紀錄表 146 附錄四 填土量計算 152 附錄五 壓密時間估算 154 附錄六 電滲排水時間估算 155 附錄七 試驗數據修正 156

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