一、前言

隨著下水道普及率增加，污泥產量也逐年增加，然而台灣對於下水污泥處置方式大多仍以掩埋或焚化進行處理，除了產生大量碳排放外，再加上既有掩埋容積減少、焚化爐處理量能有限，均是導致下水污泥無處可去之窘境。因此，若能將水處理過程中所產生的廢棄物轉化成可循環利用資源，不僅可減少碳排放，亦可提供更多元化再利用能資源。污水處理廠副產物下水污泥因富含有機物質，極有潛力進行材料再利用，可作為農業堆肥、水泥添加原料、產製生質燃料等多元用途。近年來，將下水污泥進行熱裂解製備生物炭的技術開始受到許多學者青睞，污泥熱解的產物如生物炭、熱解焦油和熱解氣等，具有多重利用價值，可實現資源化利用。其中，又以將生物炭作為添加料改善厭氧消化用途為近年趨勢，可以透過探討其材料性質與厭氧消化過程中反應之關聯性，以評估並建立「消化污泥—生物炭—再回用厭氧消化」之循環利用模式。本研究旨在評估下水污泥經熱解碳化製備為生物炭後，其材料特性回用於厭氧消化系統之應用潛力，研究結果預期可作為污泥資源化與厭氧消化整合應用之技術基礎。

二、材料與方法

本研究所採集之下水污泥來源為新北市八里污水處理廠，下水污泥於廠內已先經熱乾燥設備處理，使其含水率降低至約30%。樣品運回實驗室後，置於室內條件下進行陰乾保存。每次進行生物炭製備前，取適量乾燥污泥樣品，先以1 mm篩網進行粗篩，以去除較大之非污泥雜質與顆粒。經篩分後之污泥樣品置於石英舟中，分別使用管式高溫爐與馬弗爐進行高溫熱解炭化程序，炭化溫度設定為300、400、500、600及700°C。其中，管式高溫爐於升溫與反應過程中會持續通入氮氣，流量設定為10 mL/min，以提供惰性反應環境進行去氧熱解；而馬弗爐則以鋁箔包覆石英舟，以降低樣品與空氣中氧氣的接觸，進行限氧熱解處理。為了解所製備生物炭之材料特性，本研究利用元素分析儀、比表面積分析儀、及傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)，分析其 C/H/O/N/S 元素組成比例、比表面積與孔隙體積、以及表面官能基組成。

三、結果與討論

表1為兩種熱解爐製備生物炭的特性分析結果，顯示隨熱解溫度提升，兩種設備所製得之生物炭產率均下降且灰分增加，主要為有機質在高溫下會分解揮發。管式爐生物炭的pH值普遍高於馬弗爐，在700°C 時分別為12.14與9.81，同時比表面積也呈現倍數增加，在700°C 時分別為56.11及10.22 m²/g。此差異可能源於管式爐會持續通入氮氣，可以及時帶走酸性揮發成份，有效減少焦油在孔隙中的沉積，防止孔隙堵塞；而馬弗爐雖然以鋁箔包裹減少與氧氣反應，酸性揮發成份仍會滯留，呈現中性偏酸特性，也限制孔隙結構發展。在厭氧消化過程中，比表面積越高越有助於微生物固定化，孔隙結構能作為產甲烷菌與乙酸產生菌的棲地，並提供更多的附著位點，促進生物膜形成，可縮短厭氧消化的啟動時間並提高甲烷產率。

表1、兩種熱解爐製備之生物炭基本特性及比表面積

表2為兩種熱解爐製備生物炭之元素組成與莫耳比分析結果。熱解溫度由300°C升至700°C，生物炭中的氫含量(H%)均明顯下降，顯示高溫可促進脫氫作用與碳結構的芳香化。管式爐生物炭的氧含量(O%)與O/C莫耳比，會隨溫度升高呈現較大幅度的下降，於700°C時O/C比降至0.194，顯示出材料的脫氧效率與熱解穩定性；相較之下，馬弗爐生物炭在 700°C時的O/C比仍有0.516，且O%含量也高於管式爐，這證實了馬弗爐在限氧環境下容易發生微氧化反應，使生物炭表面保留較多含氧官能基。綜合表2與表1結果來看，管式爐透過通入氮氣打造的無氧環境，可使其生物炭產物相較於馬弗爐生物炭具有較低的極性與較高的熱穩定性。O/C 與 H/C 莫耳比可以反映出材料的碳化與芳香化程度，而芳香化結構也間接代表生物炭的直接種間電子傳遞(DIET)能力。在厭氧消化系統中，穩定的碳骨架可作為電子中介體(Electron Shuttle)，加速產乙酸菌與產甲烷菌之間的電子交換速率，取代效率較低的氫氣傳遞路徑，從而有效緩解丙酸等代謝產物的堆積，大幅提升消化效率。

表2、兩種熱解爐製備生物炭之元素組成與莫耳比分析

從圖 1 與圖 2 之 FTIR 圖譜可觀察到管式爐與馬弗爐製備生物炭之表面官能基變化。隨熱解溫度由300°C升至700°C，兩組樣本均呈現脫水與脫烷基化現象。在300°C時，兩組圖譜在1800-2800 cm⁻¹區間均呈現較明顯的斜率與陡峭感，反映了低溫炭中殘留羧酸基團(-COOH)之 -OH 延伸吸收。隨溫度升高，生物炭在3400 cm⁻¹(-OH)、2800-3000 cm⁻¹（脂肪族C-H）及1700 cm⁻¹(C=O)之峰值均會減弱，顯示高溫下能更有效地促進脫羧與脫氧反應，與表2數據相互應證。管式爐於700°C時之O/C莫耳比降至0.194，而馬弗爐維持較高比例在0.516，證實馬弗爐在限氧環境下較易發生氧化，使表面保留較多含氧酸性官能基。在礦物質變化方面，兩組圖譜於1000-1100 cm⁻¹與470 cm⁻¹附近之Si-O相關峰值均隨溫度升高而變得尖銳，主因是有機成分大量揮發後，使生物質原有的矽等礦物質相對濃縮，此趨勢與表1中灰分隨溫度升高而增加之數據一致。綜合對比圖1與圖2，管式爐生物炭在700°C下的圖譜基線趨於平坦且極性官能基幾乎消失，顯示其碳化程度較馬弗爐高，這也間接解釋為何管式爐生物炭較馬弗爐生物炭具有更高的pH值及比表面積。生物炭具有較強的鹼性與礦物質含量時，能提供優異的酸緩衝能力，維持系統穩定，但與此同時，表面含氧官能基的變化也可能影響其與厭氧系統中抑制物的交互作用。

圖1、管式爐於不同熱解溫度下製備之生物炭表面官能團

圖2、馬弗爐於不同熱解溫度下製備之生物炭表面官能團

綜合表1、表2與FTIR分析結果（圖1及圖2）來看，熱解溫度與熱解設備型式對污泥生物炭之理化性質具有顯著影響。相較於馬弗爐，管式爐在持續通入氮氣下可形成較徹底的無氧熱解環境，使生物炭隨溫度升高呈現較低的O/C莫耳比、較高的pH值，以及更為發達的比表面積與孔隙結構，顯示其具有較高的碳化程度與化學穩定性。FTIR 圖譜亦顯示管式爐生物炭於高溫下表面含氧官能基顯著減少，此與元素分析結果相互印證。雖本研究未以厭氧消化性能測試進行驗證，但上述材料特性顯示，管式爐高溫製備之污泥生物炭在微生物附著、系統緩衝能力與反應穩定性方面具備潛在應用優勢，值得於後續研究中進一步驗證其於厭氧消化系統中的實際效益。

四、結論與建議

本研究以新北市八里污水處理廠下水污泥為原料，比較管式爐與馬弗爐於不同熱解溫度(300–700°C)下製備生物炭之材料特性差異。結果顯示隨熱解溫度提升，兩種設備製得之生物炭碳產率皆呈下降趨勢，而灰分含量隨之增加，反映高溫條件下有機質大量裂解揮發並使無機礦物成分相對濃縮。在材料性質方面，管式爐於持續通入氮氣下可形成較穩定之無氧熱解環境，使生物炭隨溫度升高而呈現較高的pH值及較為發達的比表面積與孔隙結構，顯示其具有較高的碳化程度與化學穩定性；相較之下，馬弗爐即使於限氧條件操作，仍可能因揮發分滯留與微量氧化反應，使生物炭表面保留較多含氧官能基，進而限制其鹼度與孔隙結構之發展。綜上所述，管式爐於600–700°C條件下製備之污泥生物炭在材料穩定性、鹼性與孔隙結構方面，顯示其在厭氧消化系統作為輔助材料具有潛在應用優勢。惟本研究尚未納入實際厭氧消化效能測試結果進行討論，相關對甲烷產率與消化穩定性等影響，待後續透過批次或連續式消化實驗加以驗證。

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