以分散性染料為主之染整廢水處理程序探討之研究葉孟芬

(1)

一、前言

染整業於染色過程中耗用大量的廢水，且廢水中包括多樣的污染物，如漿料、油脂、染料、

界面活性劑等微生物難分解之物質，隨季節性及市場需求訂單的差異性大造成染整廢水的不易處理⁽¹⁾，且一般染料為芳香族化合物具難分解之特性^（²^）^（³^）。

隋著八十七年放流水標準如表一的施行，傳統的生物處理法較難符合法規標準，一般認為可採行高級氧化處理技術，如 Fenton 氧化法⁽⁴⁾、 NaOCl 法，但這些方法除了會產生大量化學污泥外，其放流水有殘存生物毒性物質的可能性，會對環境造成更大的衝擊⁽⁵⁾。

案例染整廠專門從事以特多龍（佔 90 %以上）

為主之針織布匹之染整加工，染料之使用以分散性染料使用量最大，其次為鹽基性染料。

表一染整業放流水標準項目

^COD

(mg/L) BOD

5

(mg/L) SS (mg/L)

色

度 pH 水溫 (℃)

緩衝限值

180 40 30 400 6-9 38( 5-9 月) 35(10-4 月)

八十七年

100 30 30 400 6-9 38( 5-9 月) 35(10-4 月)

分散性染料不溶於水，不易分解及氧化，一般用於人造纖維，其染色為吸附作用。Tomas^（⁶^）和 Jack^（⁷^）都曾針對染整廢水中的分散染料以化學混凝的方法得到良好的去除效率。

本實驗乃是以傳統廢水處理方式進行試驗，

在探討各處理單元之處理效率、功能設計參數及經濟成本合理性探討及其符合八十七年放流水標準之可能性。

以分散性染料為主之染整廢水處理程序探討之研究

葉孟芬^* 林添寶^* 高年信^**

摘要

染整業於染色過程中耗用大量的廢水，且廢水中包括多樣的污染物，如漿料、油脂、

染料、界面活性劑等微生物難分解之物質，隨季節性及市場需求訂單的差異性大造成染整廢水的不易處理。隨著八十七年放流水標準即將施行，印染整理工業之廢水放流水質都面臨了相當大的壓力。本研究主要是以生產聚酯長纖為主之染整廠，針對其佔大比例使用之分散性染料所產生之製程廢水及其廢水處理場功能提升之合適操作程序進行探討。

本研究對案例工廠進行污染源現場調查，並以其廢水進行實驗室模廠處理探討，以找尋最經濟可行的處理程序來因應日益加嚴的排放水標準。經研究顯示以分散性染料為主的染整廠，其廢水經傳統處理程序：化學混凝→活性污泥→接觸曝氣處理後，即可符合八十七年放流水標準，其化學需氧量(COD)之去除率達 90 %以上。其中

(1)本研究顯示此類分散性染料廢水之處理程序若先經活性污泥法後再經化學混凝處理，則活性污泥槽之停留時間達 13 小時；反之若將化學混凝設置於活性污泥之前，則活性污泥槽之停留時間可縮短至 3.5 小時，且能達到同樣之處理效率。

(2)活性污泥處理單元的污泥負荷為 0.16~0.32 kg-BOD/kg MLSS- day 時，化學需氧量(COD) 的去除率可達 60~70 %。

(3)廢水經化學混凝處理、活性污泥處理後放流水水質仍未符合八十七年放流水標準，其分別再經過濾、接觸曝氣、化學混凝處理，實驗結果顯示以生物接觸曝氣處理之放流水，

可符合八十七年放流水標準，且處理成本為最經濟有效者。

關鍵字：染整廢水、分散性染料、活性污泥法、接觸曝氣法

第二十四屆廢水處理技術研討會論文集中華民國八十八年十一月廿六、廿七日國立交通大學環境工程研究所

*中國紡織工業研究中心副研究員

**崑山技術學院環工系助理教授

(2)

二、實驗設備及方法

為探討案例工廠廢水合理且合適之處理方式及流程，紡織中心首先對工廠染助劑進行污染度調查，並於實驗室中進行一、二、三級廢水處理探討，其中包括化學混凝，生物處理(活性污泥或 /及接觸曝氣等)及砂濾等單元。實驗處理評估程序如圖一所示。

圖一廢水處理實驗室評估流程 2.1 實驗方法

2.1.1 化學混凝單元 1.杯瓶試驗

(1) 最佳 pH

取燒杯數個內裝 500 mL 廢水放置於六連式杯瓶試驗機，加入適量的混凝劑量，調整不同的 pH，以 100 rpm 快混 2 分鐘，然後加入高分子助凝劑(3 mL)，再以 25 rpm 慢混 20 分鐘，同時取 10 mL 混和液求污泥產生量，靜置 20 分鐘後，取上層澄清液分析 COD、SS 及色度，以找出最佳操作 pH 值。

(2)最佳加藥量

取燒杯數個內裝 500 mL 廢水放置於六連式杯瓶試驗機，加入不同的混凝劑量，以 100 rpm 快混 2 分鐘，並調整 pH 於最佳操作條件，然後如上述步驟加入高分子助凝劑(3 mL)，再以 25 rpm 慢混 20 分鐘，同時取 10 mL 混和液求污泥產生量，靜置 20 分鐘後，取上層澄清液分析 COD、

SS 及色度，以找出最佳混凝劑添加量。

2.模型實驗化學混凝操作

以杯瓶試驗所得之最佳 pH 值及最佳加藥量進行模場實驗，其設備容積如表二所示，廢水進水流量控制在 1.5 mL/min，調整快混及慢混攪拌機速率，觀察膠羽形成、粒子大小及沈降性並取樣分析。

表二化學混凝模型實驗單元設備容積單元名稱單元容積(L)

快混槽 3.5 慢混槽 31 混凝沈澱槽 152

2.1.2 活性污泥單元 1. 污泥馴養

污泥馴養是利用待處理的廢水對微生物種群進行篩選，並使微生物對污染物質逐步適應的過程。取工廠廢水以 1/5 原廢水濃度及 200 mg/L 葡萄糖進行馴化，每日曝氣 23.5 小時，經淨置 30 分鐘，廢棄部份上澄清液再加入等量廢水補充。

逐日增加廢水濃度及降低葡萄糖濃度進行馴化，

最後使廢水濃度達 100 %。然後將此馴養污泥分裝入二曝氣中進行連續式培養，直到系統達穩定。污泥馴化是處理能否成功的重要前置工作。

環境因子條件控制在：

(1)DO=2~5 mg/L

(2)pH=6.5~7.5 (利用 K2HPO4 =0.05 mg/L、KH2PO4

=0.03 mg/L 緩衝夜使 pH 維持中性) 2.操作及採樣

活性污泥的模型實驗設備如圖二所示，分為曝氣槽、沈澱槽、濃縮槽池。

圖二活性污泥的模型實驗設備

實驗中控制 MLSS 在 1500~2000 mg/L，污泥迴流比控制在 0.5。供給足夠的曝氣量使污泥能完全的攪動，但避免因過度曝氣而破壞膠羽，DO 維持在 1~5 mg/L。添加適當的碳氮磷，以維持微生物活性，一般可添加磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀及尿素使 BOD5:N:P=100:5:1。pH 調整在 7~7.5 之間

(8)。

調整不同的 COD 容積負荷，以探討活性污泥槽之處理效能，提供廢水處理廠操作之依據。當改變不同的 COD 容積負荷，以超過三個水力停留時間視為系統已達穩定狀態，則開始進行採樣分析並觀察菌相⁽⁹⁾。

2.1.3 過濾單元

過濾面積=176 cm²，濾床深度=80 cm，濾材性質：砂，比重 2.55~2.65，有效粒俓 0.45~0.7 mm。

進流水

過濾處理

出流水化學混凝處理活性污泥處理

化學混凝處理接觸曝氣處理

P P P

曝氣槽-I 34 L

曝氣槽-II 30 L 沈澱池

17 L

濃縮池

排泥口排泥口進流水

125 L

污泥迴流

(3)

將經過篩析之濾材裝填於濾筒內，進行反沖洗以使濾料依粒徑及比重在濾床中均勻分布。調整進流水流速維持 1.5 L/min(123 m/day)進行過濾，每 30 分鐘採樣一次。

2.1.4 接觸曝氣單元

接觸板比表面積=105 m²/m³，接觸板體積

=1.155×10^-3 m³/個，接觸板個數=9 個/槽，接觸板總面積=1.04×10^-2 m²/槽，共二槽。

取案例工廠廢水以 1/5 原廢水濃度及 200 mg/L 葡萄糖放置沉澱池中以迴流泵汲水至接觸槽進行馴化，使生物膜能在接觸板表面附著生長，逐日增加廢水濃度及降低葡萄糖濃度，最後廢水濃度達 100 %，待系統穩定後，改以連續流培養。其中溶氧控制在 2~5 mg/L，曝氣量太大會造成生物膜剝落，pH 維持在 6.5~7.5。

本研究以 BOD 表面負荷 1.0 g/m²-day﹙停留時間=20 小時﹚及 2.0 g/m²-day﹙停留時間=10 小時﹚，以探討接觸曝氣槽之處理效能。當改變不同的 BOD 表面負荷，以超過三個水力停留時間視為系統已達穩定狀態，則開始進行採樣分析並觀察菌相。

2.2 實驗分析項目

分析項目包括 COD、BOD5、SS、pH、色度

（ADMI）⁽¹⁰⁾。

三、實驗結果與討論 1.染料助劑污染度

一般染色過程中常所使用之原物料包括染料、助劑、化工原料等。表三~表六乃針對一般染整工廠常用之助劑及染料之檢測結果，表中亦提供紡織中心輔導其他染整廠曾檢測的各染料之污染度。其中表三~表五顯示各種染料其 BOD/COD 均小於 0.05，為生物難分解性物質，因此使用時除維持產品品質外，切勿使用過量之染料，以免造成管末處理之困擾。

表三鹽基性染料污染度

染料名稱 COD (mg/L)

BOD

(mg/L) BOD/COD B GSLED 1308 3 0.002 R GRLED 1510 5.4 0.004 Y 3RLED 1360 6 0.004

表四反應性染料污染度

BOD

(mg/L) BOD/COD TU BG 662 7.8 0.012 S 3GN 548 18.6 0.034 Y EXF 732 7.5 0.010 B RSP 1038 39 0.038 BK NS 712 5 0.007 O HER 597 14 0.023

Y HE4G 421 13 0.031

Y HE4R 511 - - B BRF 786 7 0.009

表五分散性染料污染度

BOD

(mg/L) BOD/COD

R-3BF 678 12 0.018

RU XF GRS 1372 57 0.042 BK XF 1308 56 0.043 NB XF 1284 59 0.046 TU SGL 1462 39 0.027 B RSE 1276 26 0.020 BK BGFS 1436 33 0.023 NB BGFS 1354 48 0.035 RU GGFS 1562 60 0.038 O CYD 1328 32 0.024 R RDGL 1392 12 0.009 B RDGLF 1216 21 0.017 Y RD4GRL 1388 39 0.028

R-FB 1449 31 0.021

Y-10GN 1332 11 0.008

Y-ACE 1449 15 0.010

B-ACE 1217 22 0.018

R-ACE 1312 26 0.020

NB-BGSE 1265 6 0.005 R-KBNSE 1407 25 0.018 BK-EXNSF 1205 23 0.019 R BBL 1380 33 0.024

表六助劑污染度分析

助劑名稱 COD (mg/L)

BOD

(mg/L) BOD/COD pH

分散均染劑 1005 372 0.37 9.8 浴中柔軟劑 450 249 0.55 9.7 雙氧水安定劑 190 - - 7.7 雙氧水去除劑 87 3.8 0.04 9.9 LCN101(精練劑) 850 39 0.05 9.9 Imacol CN(反應性

染料浴中柔軟劑) 627 108 0.17 7.2

HAc 901 870 0.97 3.6

NaAc 408 400 0.98 9.9 表三~表六備註：

1.試驗水質的分析，是在未經染色加溫條件下所測得的污染值。

2.試樣濃度均為 1 g/L。

2.先期評估

經先期評估生物處理及化學混泥的順序，實驗顯示如圖三所示，當活性污泥單元放在化學混凝單元之後其對於 COD 之去除率由原本活性污

(4)

泥單元放在化學混凝單元之前之 30 %提升到 50

%，同時所需之曝氣時間由 13 小時降低到 3.5 小時。此結果和 Davis⁽¹¹⁾指出先以化學混凝並不能提高後續活性污泥處泥單元之效果不同，推究原因可能是因為本研究之廢水來源為以分散性染料為主的染廠廢水，因分散染料為疏水性，故先經化學混凝可將大部分的分散性染料去除，以減少污染物對於微生物之毒性，提升生物處理效率。

圖三不同操作程序活性污泥槽 COD 去除率之比較 3.化學混凝處理單元

實驗期間共至案例工廠運水三次，每次運回之廢水會進行杯瓶試驗以得到最佳 pH 值及最佳加藥量，再進行化學混凝模型試驗，其實驗結果如表七所示。化學混凝機能探討如下：

(1) 原廢水經化學混凝處理後，去除了大部份非溶解性的物質，其 BOD/COD 由原本的 0.2 變為 0.4，表示經過化學混凝的處理水比原廢水更適合生物處理。

(2) 處理效率分別為：COD 65~80 %、SS 50~85 %、

ADMI 65~90 %、BOD 25~50 %。顯示鋁系混凝劑對於使用分散性染料之染整廢水具有良好去除率。

(3) 經化學混凝處理之水質，ADMI、SS 已可符合八十七年放流水標準，但 COD、BOD 還不能符合標準，需進一步處理，期使可符合八十七年放流水標準。

(4) 表七(2/4)8/28 的操作結果顯示當 PAC 之添加量增倍，其 COD 去除率增加不到 5 %，而污泥產生量卻增加一倍以上。在實廠操作中操作人員常為了確保水質而過量添加混凝劑，

實驗顯示以添加過量藥劑來提昇去除率其效果有限。

表七一級處理-化學混凝處理單元(1/4)

項目 單位 Jar test (8/19)

模廠 (8/20)

模廠 (8/21)

模廠 (8/24) 操

作條件

停留時間 Hrs 20(min) 1.69 1.69 1.69 pH --- 6.5 6~7 6~7 6~7 PAC mL/L 16 16 16 16 Polymer mL/L 3 6 6 6

去除率去除率去除率去除率

操作結果

COD (%) 79 72 73 81 SS (%) --- --- 86 85 ADMI (%) 46 --- 63 68

BOD (%) --- --- 26

污泥產量 mg/L --- --- 1590 ---

項目 單位 Jar test (8/27)

模廠 (8/27)

模廠 (8/28)

模廠 (8/31) 操

作條件

停留時間 Hrs 20(min) 1.69 1.69 1.69 PH --- 6.5 6~7 6~7 6~7 PAC mL/L 18 16 33.2 40 Polymer mL/L 3 6 6 6

操作結果

COD (%) 69 53 71 69 SS (%) --- --- 50 50 ADMI (%) 90 --- 89 89 BOD (%) --- --- 57 --- 污泥產量 mg/L 1095 --- 1395 ---

項目 單位 Jar test (8/27)

模廠 (9/2)

模廠 (9/4) --- 操

作條件

停留時間 Hrs 20(min) 1.69 1.69 --- pH --- 6.5 6~7 6~7 --- PAC mL/L 18 20.6 22.6 --- Polymer mL/L 3 4.7 4.7 ---

操作結果

COD (%) 69 67 66 --- SS (%) --- 41 81 --- ADMI (%) 90 93 92 --- BOD (%) --- --- 26 --- 污泥產量 mg/L 1095 573 675 ---

項目 單位 Jar test (9/14)

模廠 (9/15)

--- ---

操作條件

停留時間 Hrs 20(min) 1.69 --- --- pH --- 6.5 6~7 --- --- PAC mL/L 8 8 --- --- Polymer mL/L 3 5 --- --- 去除率去除率去除率去除率

操作結果

COD (%) 72 71 --- --- SS (%) 90 90 --- --- ADMI (%) 85 82 --- --- BOD (%) --- 52 --- --- 污泥產量 mg/L 555 335 --- ---

0 10 20 30 40 50 60

0 2 4 6 8 10

操作天數(day)

COD removal (%)

活性污泥+化混化混+活性污泥

進流 COD=450 mg/L

進流 COD=1000 mg/L

(5)

(5) 染整廠產生之水質、水量一般差異性很大，

因此操作人員應作杯瓶試驗來決定最佳 pH 值及最佳加藥量，以確保處理水質良好，同時避免因藥劑過量添加及污泥產生量增加而提高操作成本。

4.活性污泥處理單元

本研究中 COD 容積負荷由 0.3~1.2

Kg-COD/m³-day 間做不同的改變，以瞭解本廠廢水利用活性污泥處理之合適性，並評估合理之操作參數。活性污泥機能探討如下：

(1) COD、BOD 可得到不錯處理效率，去除效率分別為 45~70 %、80~95 %。SS 可能會因為污泥沈降性不佳而增加，但一般去除效率為 30~70 %。而色度經處理後略有增加之趨勢，

推估是因為染料累積在曝氣槽中造成。

(2) 案例工廠現有生廠線及成品產生之廢水經活性污泥處理後，在 BOD、SS 及色度項目已符合 87 年放流水標準，而 COD 則需要進一步之處理。

(3) 如圖四所示當生物負荷在0.4~1.0

Kg-COD/kgMLSS-day時，COD去除率達60~70

%。

(4) 活性污泥操作參數需依實際廢水處理狀況而做適當之改變，其原則乃依日常水質、污泥濃度、污泥迴流量而決定較合適之參數，一般而言，以適當之調勻池及前處理（如本研究之化學混凝）應可維持穩定之進流水質，

故建議案例工廠廢水處理需整體考量使各處理單元間能相互配合達到預期處理效率。

圖四活性污泥處理單元 COD 去除率與生物負荷之關係

5.後續處理單元

本研究以化學混凝、過濾及接觸曝氣法進行試驗，實驗結果如表八所示。後續處理機能探討如下：

1. 活性污泥處理水經化學混凝處理，當在最佳加藥量 PAC(2.5 %)=2 mL/L 時，對於 COD、SS 及色度之去除效率分別為 25 %、30 %及 70 %，

顯示化學混凝對於色度能有良好去除效率，但要使 COD 濃度可符合八十七年放流水標準仍待努力。

2. 活性污泥處理水經過濾﹙濾速=123 m/day﹚處理，對於 COD、SS 及色度之去除效率分別為 5

%、70 %及 0 %，顯示以過濾當後續處理對於 COD 及色度的去除並無幫助。

表八後續處理結果比較

處理

單元 操作參數 項目處理效率 (%) 過濾流速 L/day 123

COD 3~8 SS 67~71 ADMI 0 接觸

曝氣

BOD 表面負荷

g/m²-d

ay 1.8~2.0 COD 30-50 SS --- 停流時間 hrs 10 ADMI 略增

化學混凝

快混時間 min 2

COD 25 慢混時間 min 20

快混速度 rpm 100

SS 30 慢混速度 rpm 25

pH - 6.5

ADMI 70 PAC mL/L 2

Polymer mL/L 3

3. 接觸曝氣以 BOD 表面負荷 1.0 g/m²-day﹙停留時間=20 小時﹚及 2.0 g/m²-day﹙停留時間=10 小時﹚進行試驗的結果分別如圖五及圖六所示。由圖可知當停留時間為 10 小時，處理水 COD 濃度已達八十七年放流水標準。其中 COD 之去除率為 30~50 %，色度會些微增加，而 SS 經活性污泥處理後濃度很低，經接觸曝氣法處理並無顯著去除率，但其濃度依舊符合八十七年放流水標準。

圖五接觸曝氣槽進流水及出流水隨時間 COD 濃度之變化情形 (停留時間=20 hrs)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

生物負荷 (kgCOD/kgMLSS-day)

CO D 去除率 (%)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0:00 12:00 24:00 36:00 48:00 60:00

COD (m g /L )

時間(hh:mm)

進流水出流水-I 出流水-II

進流水水質 C

COD=130~170 mg/ SS=10~15 mg/L ADMI=50

第一個接觸曝氣槽處理水(BOD 表面負荷=0.8~1.0 g/m²-day) COD=60~100 mg/L(去除率=35~55 %) SS=5~10 mg/L

第二個接觸曝氣槽處理水(BOD 表面負荷=0.4~0.7 g/m²- day)

(6)

圖六接觸曝氣槽進流水及出流水隨時間 COD 濃度之變化情形 (停留時間=10 hrs)

四、結論與建議 綜合以上實驗，得到結論：

1. 以分散性染料為主之染廠，建議將原廢水先進行化學混凝，可將部份非溶解性染料去除，以利生物處理。

2. 案例工廠之原廢水經二級處理後，在 BOD、

SS 及色度項目已符合 87 年放流水標準，而 COD 則尚待進一步之處理。

3. 案例工廠廢水水質變動情形大，COD 由 450 mg/L~1400 mg/L ，若污染量低 (COD<700 mg/L)，廢水經二級處理即可達 87 年放流水標準；若污染量高(COD>700mg/L)，廢水經活性污泥法處理後，處理水之 COD 大致在 120~160 mg/L，須再進行後續處理。

4. 本研究於後續處理分別採用過濾、化學混凝、

接觸曝氣法進行試驗，結果顯示當進流水 COD 為 150 mg/L 左右，其處理水 COD 分別為 140 mg/L、108 mg/L、90 mg/L。因此建議案例工廠可採用接觸曝氣法為後續處理以確保處理水水質達法規標準。

5. 本次實驗探討依據為案例工廠現有之製程、布種及原物料使用產生之廢水，然而染整廢水變異性因素多，故本結果不應無限制推論及未來可能產生之變異性廢水水質及水量。

6. 清潔生產指標之建立可以本報告各表資料作為參考

(1) 化學處理單元：

建立標準操作程序，如表七各表所示，案例工廠可建立單位之污染值使用之化學藥劑使用量及污泥產生量。

(2) 生物處理單元：

建立標準操作程序，如表八各表所示，建立案例工廠之單位能源使用及污泥產生

量。

(3) 廢水處理廠：

依現場污染源調查建立基本資料，據以作為廢水處理之最適化標準操作程序及合理化參考指標。

參考文獻

1. 工業污染防治技術服務團，染整業水污染防治技術，經濟部工業局，中華民國 (1994) 2. Weeter D.W. and Hodgson A.G., "Alternatives

for Biological Waste Treatment of Dye

Waste-water", American Dyestuff Report, Vol.8, pp.32-40 (1977).

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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0:00 12:00 24:00 36:00 48:00 60:00 72:00 84:00

時間(hh:mm)

COD (m g /L )

進流水出流水-I 出流水-II 進流水水質

C

COD=140~150 mg/ SS=15~20 mg/L

第一個接觸曝氣槽處理水(BOD 表面負荷=1.8~2.0 g/m2-day) COD=60~100 mg/L(去除率=35~55 %) SS=10~15 mg/L

第二個接觸曝氣槽處理水(BOD 表面負荷=1.1~1.3 g/m2- day) COD=40~70 mg/L(去除率=20~25 %) SS=5~10 mg/L

以分散性染料為主之染整廢水處理程序探討之研究 葉孟芬

COD

(mg/L) BOD

(mg/L) SS (mg/L)

色

度 pH 水溫 (℃)

180 40 30 400 6-9 38( 5-9 月) 35(10-4 月)

100 30 30 400 6-9 38( 5-9 月) 35(10-4 月)

以分散性染料為主之染整廢水處理程序探討之研究

0

10 20 30 40 50 60

0 2 4 6 8 10

COD removal (%)

活性污泥+化混 化混+活性污泥

進流 COD=450 mg/L

進流 COD=1000 mg/L

圖四 活性污泥處理單元 COD 去除率與生物負荷之關係

CO D 去除 率 (%)

COD (m g /L )

時間(hh:mm)

時間(hh:mm)

COD (m g /L )

以分散性染料為主之染整廢水處理程序探討之研究葉孟芬

^COD

活性污泥+化混化混+活性污泥

圖四活性污泥處理單元 COD 去除率與生物負荷之關係

CO D 去除率 (%)