行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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含有機物及重金屬之實驗室混雜性廢液處理方法與程序之研究
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計畫類別：■個別型計畫
□整合型計畫
計畫編號：NSC90-MOE-S-110-002-X3
執行期間：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
計畫主持人：樓基中
計畫參與人員：張健桂、涂耀仁
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：中山大學環境工程研究所
中
華
民
國
91
年
9
月
26
日
行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告
含有機物及重金屬之實驗室混雜性廢液處理方法與程序之研究 Study on the method and process for treating the mixed waste-liquid
in labor ator y 計畫編號：NSC90-MOE-S-110-002-X3 執行期限：90/8/1~91/7/31 主持人：樓基中 中山大學環境工程研究所 計畫參與人員：張健桂、涂耀仁 一、中文摘要 本 計 畫 旨 在 使 用 鐵 氧 磁 體 程 序 （ferrite process）開發一套足以妥善處 理含重金屬實驗室廢液之流程。 經實驗發現傳統的鐵氧磁體程序 無法完整處理模擬廢液，且在不同的 反應條件下各種重金屬的處理效果有 著顯著的偏好性。因此吾人組合各種 反應條件而成分段式反應法，發現確 實可以大幅改善處理成效。 另外，吾人又發展延長反應式鐵 氧磁體程序以改良處理效果，其理論 基礎在於維持溶液中二價鐵的濃度以 持續反應之進行。經研究發現延長反 應式鐵氧磁體程序的確能改善污泥品 質至合乎法規標準，且以脈衝式加藥 比連續式加藥效果更佳。 然而，過度延長反應會增加許多 操作成本，因此再增加淘洗程序以使 成 本 合理 並 進一 步 確 保 污 泥 品 質 合 格。基於本研究之成果再配合技術已 相當成熟的離子交換程序，本文提出 一 套 處理 流 程供 作 實 廠 設 計 時 之 參 考。 關鍵詞：含重金屬實驗室廢液、分段 反應式鐵氧磁體程序、延長反應式鐵 氧磁體程序、淘洗 Abstr act
This study was to develop an innovative process in removal of heavy metal in waste liquid in laboratory by using the ferrite process (denoted by FP).
Conventional FP has been used for treating the waste-liquid containing heavy metal for many years, but experimental result showed an unsatisfied performance for the selective effect on removal of each heavy metal under various conditions. Thus, we combined different conditions into the multiple-stage reaction (denoted by MFP), it was found a great improvement in treatment of FP.
In addition, we develop the type of extend reaction of FP (denoted by EFP) to improve the performance of conventional FP. The base of theory was to maintain enough concentration of ferric ion for beneficial reaction going continuously. The EFP process accurately also did improve the sludge quality to meet the TCLP standards and the plus-adding was better than the continuous-adding in two kinds of
dosage input into reactor.
But, EFP would raise the operation cost for overextended reaction. We designed a wash-cleaning method to decrease the cost and to confirm a further quality of sludge in EFP.
Base on the achievements of this study and combining the commercial technology of ion exchange, we recommended a complete flow-chart to the user or plant owner to design the treatment plant of laboratory waste-liquid.
Keywor ds: laboratory waste-liquid containing heavy metal, multiple-stage ferric process, extended ferrite process and wash-cleaning 二、研究緣起與目的 實驗室廢液是指為進行教學﹑研 究﹑檢驗﹑測試，因使用化學物質而 產生之廢棄物其中以液體為主要型態 者。我國每年產生的實驗室廢棄物約 2 000 噸﹐其中廢液約 1700 噸﹐佔 85﹪。 實驗室廢液的主要危害在於其化學性 質﹐如：反應性、毒性、燃燒性、腐 蝕性、致癌性… 等，如果處理不善將 造成嚴重的環境污染。與其他的有害 事業廢棄物 相較實 驗 室 廢 液 具 有量 少、變動性大的特性，而且成分複雜， 甚至往往不知道其中所含的物質種類 及含量。因此，實驗室廢液的處理遠 較工業廢水或廢棄物困難。 重金屬不像其他有害物質可藉由 化學反應予以分解破壞，故重金屬廢 液之處理僅能朝向安定化的方向去努 力。傳統的處理技術大多使用化學沉 澱法，但有污泥不易過濾、固化體體 積龐大、重金屬易再溶出等缺點。鐵 氧磁體程序（Ferrite Process，FP）所 生成之污泥機械性質優異，且因屬尖 晶石結構具有軟磁性，可藉由磁力吸 引而快速沉澱，不論是使用過濾或沉 澱均易於固液分離。此污泥之化學安 定性頗佳，重金屬不因弱酸環境而溶 出，因此能通過 TCLP 試驗而獲判為 一般事業廢棄物。 長期以來，因代處理業之處理技 術與處理容量明顯不足，導致國內各 級學校、研究機構及產業界之檢測單 位長期堆積實驗廢液，不僅造成空間 上的浪費，對工安及環保而言亦存在 極大的風險。鐵氧磁體程序具有眾多 優點，對於重金屬廢液的處理頗有潛 力，但綜觀國內外文獻並未針對其應 用在混雜多種重金屬之廢液的處理方 面作深入的探討，因此本文嘗試利用 鐵氧磁體程序建立一套足以完整處理 混雜多種重金屬之廢液的技術，以配 合國內收集貯存廢液的現況，希望能 對環境保護略盡棉薄之力。 三、分析方法與研究設備 3-1 分析方法 1.Fe、Cu、Pb、Cr、Cd、Ag、Mn、 Ni 以火焰式原子吸收光譜儀（AAS） 分析（AA660 型，Shimadzu，東京， 日本）。 2.Sn、Hg 以感應耦合電漿原子發射光 譜儀（ICP-AES）分析（ELAN5000 型， Perkin Elmer，德國）。 3. 毒 性 特 性 溶 出 程 序 （ Toxicity Characteristic Leaching Procedure， TCLP ） 依 照 環 保 署 之 公 告 方 法 （NIEA R201.11C）。經預先測試 應 使 用 萃 取 液 A （ pH ＝ 4.93 ±
0.05）。 3-2 流程圖 圖 3-1 Ferrite Process 流程圖 3-3 反應器 圖 3-2 鐵氧磁體杯瓶試驗反應器結構示意圖 四、結果與討論 本研究嘗試了 27 組傳統式鐵氧磁 體程序的反應條件，其中沒有任何一 組可以完整處理模擬廢液達到法規標 準。 上澄液不合格的原因是因為 Cd 或 Hg 的濃度超過放流水標準。若從殘 餘濃度的數值來看，它們的處理效果 並不比其他重金屬差，但是因為這二 個項目是放流水標準中管制最嚴格者 （Cd 的排放標準是 0.03 mg/L，總 Hg 為 0.005 mg/L），以致於傳統式鐵氧磁 體程序時常不能達到法規的要求。此 一問題可藉由離子交換程序來解決因 此不至於造成太大的困擾。TCLP 的部 分則全數樣品都不及格，不合格項目 為 Cu、Cd、Pb 三項，而且都超出法規 標準甚多，其餘重金屬則均可合乎法 規標準。 經進一步研究發現幾種較難處理 的重金屬具有表 1 所列之特性。 表 1 難處理的重金屬之反應特性 污泥中易溶出之重金屬 反應因子 Cu Cd Pb PH 10 7 7 反應溫度 （℃） 80 70 70 反應時間 （min） 80 以上 60 以上 80 以上 亞鐵加藥量 不敏感 不敏感 不敏感 曝氣量 不敏感 不敏感 不敏感 基於以上之了解吾人組合各種反 應條件發展 分 段 反 應 式 鐵 氧 磁 體程 序。結果發現表 2 所列之二種反應程 序可完整處理模擬廢液至符合法規標 準。 上澄液，以 AA 分析各重金屬濃度 加入 FeSO4.7H2O，攪拌使混合均勻 加熱至反應溫度 以 NaOH 調整 pH 值 曝氣並開始計算反應時間 取樣 污泥作 TCLP 試驗 過濾 配置模擬重金屬廢液 溫度計，溫度控制 Power Supply 曝氣機 pH meter NaOH 電熱器 磁石 pH 控制
表 2 可完整處理模擬廢液至符合法 規標準之分段反應式鐵氧磁體程序 第一段 第二段 第三段 程序 A 90℃， pH=9 70℃， pH=7 70℃， pH=9 程序 B 70℃， pH=9 90℃， pH=9 80℃， pH=10 共同條件： 1.每段亞鐵加藥量均為 5 倍重金屬總 濃度。 2.曝氣量為 3L/min。 3.每段反應時間均為 40min。 吾人以另一觀點視之，認為傳統 式鐵氧磁體程序處理效果不佳的原因 在於亞鐵離子於反應初期即已消耗殆 盡，因此嘗試以延長反應式鐵氧磁體 程序來改善處理效果，其理論基礎在 於維持溶液中二價鐵的濃度以持續反 應之進行。經研究發現延長反應式鐵 氧磁體程序的確能改善污泥品質至合 乎法規標準，且以脈衝式加藥比連續 式加藥效果更佳。 基於幾個理由必須研究如何確保 污泥合格或污泥不合格時的對策： 1.一個既定的程序未必能妥善處理所 有的實驗室廢液，所以不合格污泥的 出現是可以預期的。 2.雖然研究結果顯示無限延長鐵氧磁 體 程 序 應 可 完 整 處 理 所 有 的 重 金 屬，但是延長反應意味著操作成本的 增加，若無限制將使得本方法失去經 濟效益。 3.鐵氧磁體程序的價值在於其污泥能 符合 TCLP 的溶出標準，故確保污泥 品質合格是絕對必要的。 吾人利用淘洗（elutriation）程序 先將易溶解的重金屬沉澱物洗除而留 下污泥中較安定的成分以確保污泥能 通過 TCLP。研究發現使用 pH＝2 之 酸 液 淘 洗 會 導 致 污 泥 溶 解 。 pH ＝ 2.88、4、4.93 之酸液均可用於淘洗程 序，pH 愈低之酸液所需之淘洗時間愈 短，但如考慮成本因素建議將操作區 間訂在 pH＝4～4.93。 干擾物質的存在是鐵氧磁體程序 是否適用的重要因素之一，吾人試驗 了 EDTA、磷酸二氫鉀、乙醇、醋酸、 乙酸乙酯、甲醛、葡萄糖、丙酮、二 氯甲烷、甲苯、椰子油、四氯化碳、 十二烷基苯磺酸鈉等 13 種可能存在實 驗室廢液中之物質對鐵氧磁體程序之 影響。結果發現僅 EDTA 會干擾鐵氧 磁體程序，因其使得重金屬離子保持 在液相而無法進入尖晶石污泥之中。 另外，十二烷基苯磺酸鈉會形成大量 的泡沫因而導致操作上的困難。 五、計畫成果自評 本計畫之重要成果為： 1.確認鐵氧磁體程序之最佳反應條件。 2.發展分段式鐵氧磁體程序完整處理 含重金屬實驗室廢液。 3.發展延長反應式鐵氧磁體程序完整 處理含重金屬實驗室廢液。 4.發展淘洗程序以確保污泥品質合格。 5.確認螯合劑（EDTA）及介面活性劑 （十二烷基苯磺酸鈉）為重要之干擾 物種。 六、參考文獻 1.李公哲，“區域性學校實驗廢污處理 之規劃”，第十二屆化學工業安全與 環保研討會論文集，桃園石門山，八 十九年七月。
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