臺北科技大學環境工程與管理研究所學位論文
國立臺北科技大學,正常發行
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汞因低沸點及易揮發之化學與物理特性，且具持久性及生物累積性，故聯合國世界環保總署(UNEP)列為全球性第一級之污染物質，國內含汞產品眾多卻並非所有類別皆獲得妥善回收處理及管理管制，恐造成嚴重汞污染環境問題。 本研究主要選定五類具產出量大、危害性高、需迫切處理之含汞產品(日光燈管、冷陰極燈管、含汞溫度計、含汞傾斜開關及車輛高強度放電燈)，深入探討其基本結構特性及適用範圍，並蒐集國內外含汞產品回收資源化處理技術及汞削減管理管制資料，作為後續實驗之理論背景基礎。本研究藉以國內外含汞廢棄物主流回收處理技術，建構廢含汞產品之前處理及熱脫附處理實驗，測定含汞物質前處理之逸散量，並輔以高溫熱脫附實驗處理複合含汞廢棄物，探討評估汞物質之逸散情形及熱脫附處理最佳操作條件，進行提升國內含汞廢棄物之回收處理。 本研究選擇之五大類廢含汞產品均依標準程序進行前處理，日光燈管及溫度計於前處理過程汞釋出濃度情形高於現行環境總汞濃度標準0.05 mg/m3，其中日光燈管之汞釋出濃度更是高於4倍以上，其餘含汞產品若同時處理大量樣品，則汞逸散濃度將遠大於室內環境總汞之容許濃度，顯示前處理過程將可能大量釋出含汞物質，故需於通風良好環境，並配戴安全防護裝置進行前處理，以降低環境風險。另推估台灣日光燈管、冷陰極燈管、溫度計、汞開關及HID燈在處理過程造成汞逸散量分別為2.9107、1.0401、0.0087、0.0019及0.0007 kg/year。 五類廢含汞產品熱脫附實驗結果，單一含汞產品熱脫附行為較為單純約可在300oC脫附完畢，另複合熱脫附處理(螢光粉組)之熱脫附溫度區間約為50至150 oC；純汞組約為50至300 oC；綜合組約為45至150 oC。顯示除螢光粉組熱脫附行為較為單純，可約於200 oC脫附完畢；混樣處理(純汞組及綜合組)，可能因純汞類之含汞玻璃殘渣破碎不完全，結構上可能多有死角，經通氣後內部通風不均且熱傳導不一，致使含汞物質熱脫附釋出行為較為複雜。然實驗結果顯示於操作溫度約400 oC內含汞物質可大部分釋出，與實廠操作條件以700 oC、持溫6小時等條件相較下，可大幅縮減含汞物質熱脫附操作溫度，以節省回收再利用成本，並避免造成能源浪費及環境負擔；而實驗結果亦證實熱脫附實驗可進行後續汞物質之再利用。
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近年來溫室效應與氣候變遷等議題層出不窮，包含二氧化碳在內等六項溫室氣體，因能源及資源的開發與消耗，造成大量溫室氣體排放，故各地方政府應掌握當地正確之各部門排放量，並針對各部門排放量與比例，給予各排放部門最佳管制措施。本研究以嘉義縣Q鄉鎮為案例，藉由相關資料蒐集，分析當地產業分布與二氧化碳排放源，推估2005-2009年三個排放部門及一個吸收部門的排放量及吸收量，並考量各部門之排放量與排放比例，選定四種減量政策來進行減量推估。 研究結果顯示，因地理位置擁有較多林地面積，故土地利用與森林部門之二氧化碳吸存量已可涵容農業部門與廢棄物部門之二氧化碳排放量；惟該鄉鎮家庭部門之溫室氣體排放為主，其排放來自於交通運輸與電力使用。其2007∼2009年該鄉鎮溫室氣體淨排放量平均約為84,532公噸/年，人均值則約為2.17百萬公噸/年。藉由分析結果得知Q鄉鎮溫室氣體的排放特性、減量空間及民眾配合度，選定四項減量措施作為減量行動，以2009年為基準年，推估2040年實施各措施之減量成效，結果顯示2040年四項措施分別減量成效為十大無悔措施27,682噸，減量比例為19%；發展再生能源-太陽能屋頂12,321噸，減量比例為8%、推動大眾植樹措施1,240噸，減量比例為1%，造林運動103,568噸，減量比例為7%，於2040年可達成零排放之目標。
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台灣山坡地面積約佔全島面積四分之三，林務局所轄管林道均位處此山區內，因地理環境特殊，地形陡峭、坡度大、地質脆弱，常因颱風豪雨造成林道邊坡沖蝕、崩塌、路基流失等災情。宜專一線受921地震與颱風豪雨影響，地質碎裂鬆動，經常造成崩塌災害，其中94年7月18日受海棠颱風侵襲，受創嚴重，以致交通中斷，太平山森林遊樂區關閉近一年。 一般邊坡之災害常於降雨過程或降雨後某段時間內發生，主要原因多來自雨水入滲現象使地下飽和層水位升高，亦增加非飽和層土壤之單位重量，兩者均增加邊坡土體之下滑力。其次由於土壤顆粒含水量逐漸增加，造成土壤剪力強度降低。上述狀況於不同時間下發生並交互影響，使邊坡於降雨發生後於最弱面發生破裂變形，甚至造成滑動、崩塌。 本研究目的主要為分析抗滑樁對地滑潛勢之抑止，以宜專一線12.8K作為實際案例，並透過Stabl與Plaxis程式瞭解地滑整治前、後之常時、暴雨、地震三種狀況下之穩定性，作為未來林務局轄內林道地滑整治之參考依據。分析結果顯示，在滑動深度未知情況下，建議採用PLAXIS軟體分析，與實際現況較為相符；如周邊已有傾斜觀測管監測，滑動深度可明確掌握，則分析可採用STABL程式分析，除程式普遍之優點外，限制滑動深度更能符合現況。本研究案例採抗滑樁工法安全係數約可提升0.15，暴雨情形下，宜專12.8K之B7-B8斷面FS由0.96提升至1.09。 林務局所轄管林道均位處於山區內，山坡地地滑為常見災害之ㄧ，又其中9條林道亦是連接森林遊樂觀光主要之聯絡道路，為保障用路人安全，適度的治理實屬必要。地滑整治策略主要有抑制工法與抑止工法，近年來林務局轄內主要林道（如宜專一線、藤枝林道等）受深層地滑災害時，多採用抗滑樁以抑止地滑潛勢，且施工整治前透過坡地監測以瞭解地滑區之滑動深度、速率與規模，作為工法評估之依據，均得到極佳之成效。
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鑒於近年來全球暖化議題持續受到重視，節能減碳不能僅限於政策宣示，更應從產品或服務之生命週期觀點，藉由永續管理模式落實節能減碳，進而達到永續社會的目標。近年來，為求降低能源與資源的耗用以及廢棄物的產生，產品服務系統(Product Service System, PSS)之概念應運而生，此一企業經營之新的商業模式，在開發中國家已然成為達到永續社會的一種新的利器。隨著工業化社會的發展，每家每戶皆擁有許多家電產品，例如洗衣機，其國內普及率高達9成以上，但由於社會型態逐漸改變，自助洗衣店也有逐年成長的趨勢，並且這也是一種典型的產品服務系統。 本研究意欲透過生命週期評估來探討家電產品之服務系統的減碳效益，並以家用洗衣機及自助洗衣機為比較研究的對象。研究假設在一360戶之社區，於傳統家用買斷模式下共使用360台家用洗衣機，在PSS概念下的商用自助洗衣模式下共享5台商用洗衣機，透過LCA探討其生命週期之CO2排放，並分別以家用洗衣機壽命之7年及商用洗衣機壽命21年為評估時間。 研究結果顯示，第一種7年的評估模式，傳統家用洗衣買斷之洗衣模式碳足跡為155,276公斤當量，反之商用共享洗衣模式碳足跡為64,310公斤當量。第二種21年的評估模式，傳統家用買斷模式碳足跡為465,830公斤當量，商用共享洗衣模式碳足跡則為160,532公斤當量。而此360戶住戶於模式不同的使用比例下，隨著住戶使用商用共享洗衣模式比例增加，其CO2的排放總量亦會隨之減少。 根據模擬結果，推行PSS之商用共享洗衣模式時，為達到減碳效益，其使用家用洗衣機的家戶數與共享的商用洗衣機的比例應為11:1以上，若使用家用洗衣機的家戶數與共享的商用洗衣機的比例小於11:1則較不適於推行PSS之商用共享洗衣模式。
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本研究以嘉義縣A鄉鎮為案例，藉由資料蒐集，透過盤查探討區域內鄉民日常生活作息與農業活動的溫室氣體排放現況。以德國雲德村生質能源廠的理念與精神，以及民眾由日常生活中自願參與減碳的情形下，推估使用不同的低碳措施可減少二氧化碳的排放量，並與該鄉鎮所產出之溫室氣體相比較。 研究結果顯示，農業部門之溫室氣體排放主要來自種植水稻排放甲烷、農耕土壤排放氧化亞氮(施用化肥) 、禽畜腸道發酵排放甲烷；另家庭部門之溫室氣體排放主要來自交通運輸與電力使用。2007∼2009年A鄉鎮溫室氣體淨排放量平均約為64,703公噸/年，人均值則約為3.88公噸/人•年。 考量A鄉鎮溫室氣體排放情形、農業廢棄物與污染減量狀況與民眾配合度等因素，選定九項減量措施作為溫室氣體之減量行動，以2009為基準年，推估2012年、2015年與2020年實施各措施之減量成效，結果顯示2020年總二氧化碳減少量為46,277公噸/年，約佔2009年溫室氣體總排放量比例72.09%。各項措施中以從生活中落實十大無悔措施所得到的二氧化碳減少量最多，以2020年為例，約佔總二氧化碳減少量的54.6%，僅需改變生或習慣便可達到減碳效益；另以推動大眾植樹措施所得到的二氧化碳減少量最少，約佔總二氧化碳減少量的0.4%。
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本研究利用 TiO2 所具備同步氧化還原之特性併同處理工業廢水中常見之 Cr(VI) 及有機污染物，此外，本研究所選用之有機物皆為易與金屬複合之羧酸，因此為了避免所產生之複合物阻塞光觸媒表面活性位置及降低電流效率，於模廠中另增設電透析薄膜程序以提升去除效率。目的為探討不同電洞捕捉劑在光催化反應中對 Cr(VI) 還原效率之影響。 於光催化系統中結合電透析薄膜程序避免複合物阻塞光觸媒活性位置提升了 Cr(VI) 及有機物併同處理之效果。由實驗結果得知，當電流密度為 4.0 mA/cm2 可達到最佳去除效率，而在不同電洞捕捉劑的存在下，對 Cr(VI) 之去除率提升約 4.4 % ~ 14.8 %，有機物去除率約提升 16.0 % ~ 21.7 %，在實驗中可發現金屬複合物的存在，無論是何種電洞捕捉劑，皆大約形成 20 % 左右之金屬複合物，因此隨著光催化時間的增加，效率的提升會受到限制。在光催化系統中，降低 pH 值、增加 HRT、增加光照強度及增加電洞捕捉劑初始濃度下對於 Cr(VI) 及有機物的去除效果皆能提升。在 pH 值部分，pH 值越低去除效果越佳，但所需的時間越長。在各操作條件下，電洞捕捉劑羧基團數目越多之有機酸，對 Cr(VI) 還原效率越佳。另外，由於水楊酸具芳香族之特性，使其在鹼性條件下對 Cr(VI) 的還原效果比 EDTA 及水楊酸佳；此外，芳香族之水楊酸在有 Ar 的條件下，對 Cr(VI) 的還原效果優於Air 及 O2。在有機物去除率方面，在光催化降解的過程中經一連串反應後會不斷有 OH•產生，此強氧化劑的存在使有機物氧化之效果遠優於 Cr(VI) 之還原。由 TOC 分析可得知有機物最終礦化產物為 CO2，而中間產物由 GC / MS 結合 MOPAC 軟體所計算之表面電荷密度 (FED) 進行分析。 在光催化系統中結合電透析薄膜程序並選用適當之有機物做為電洞捕捉劑能有效降解目標污染物，在固定 Cr(VI) = 0.001 M、current density = 4.0 mA/cm2、light intensity = 2.5 W/m2、TiO2 = 1.0 g/L、ED-CEM、NaCl = 1000 mg/L 條件下，以 EDTA 為電洞捕捉劑，在 pH = 3.0、EDTA / Cr(VI) 莫耳比 = 2.0、曝 Air、HRT = 4.0 hr的條件下對 Cr(VI) 可得到 96.9 % 的最佳去除效率，而 EDTA降解效率為 73.8 %；以檸檬酸為電洞捕捉劑，在 pH = 3.0、檸檬酸 / Cr(VI) 莫耳比 = 8.0、曝 Air、HRT = 4.0 hr的條件下對 Cr(VI) 可得到 97.7 % 的最佳去除效率，而檸檬降解效率為 59.8 %。
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本研究擬以連續式光催化反應系統為主軸，並藉由有機物電洞捕捉劑之添加，利用二氧化鈦之同步氧化/還原作用以提升其對目標污染物之去除效率，且考量各項影響因子對硝酸鹽氮還原效能的影響。添加 5 mM 的各項電洞捕捉劑比較時，以甲酸效果明顯優於 EDTA、檸檬酸與水楊酸，主要是因為甲酸可產生具強還原力之 CO2．-，而最適添加的 HCOOH / NO3--N 莫耳比為 2.87，甲酸的濃度過與不及皆無益於硝酸鹽之還原。另於存在著硝酸鹽及甲酸之系統，直接光解與光觸媒之吸附現象對其影響不大，而除氧可促進硝酸鹽之還原，但對甲酸的去除卻有負面的效應。 在 pH 效應部分，降低 pH 有助於硝酸鹽及甲酸之去除，然而在使用低濃度甲酸於 pH 值為 1.5 時，硝酸鹽氮及甲酸之去除率各僅有 57、38%，主要是因為調整溶液 pH 值 所添加的氯離子會與目標污染物競爭吸附，進而降低處理效能。此外水力停留時間延長至 6.5 hr，硝酸鹽及甲酸之降解率皆可提高至 94%。另外硝酸鹽及甲酸之去除率皆與光照強度（1.0-2.5 W/m2）成線性關係。選擇甲酸濃度為 5 mM 時，或降低 pH 及減少甲酸的使用可提高氮氣之選擇性（94%），而水力停留時間與光照強度僅能改變系統之物理特性，故對選擇性不具影響力。另外在單位時間內的單位 TiO2 所能去除之硝酸鹽氮量以 HRT = 0.5 hr最多為10.5 mg，甲酸則以 40 mM 最多為 105 mg。最後經由多元迴歸分析得知本試驗之四項參數對硝酸鹽氮之去除效率確實有所影響，其中以甲酸被去除的濃度影響最大，其次 HRT 的增加及 pH的降低皆有助於提升硝酸鹽氮之去除效率，而光照強度的影響則相對較低。
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本研究選定北勢溪上游集水區做為研究區域，應用BASINS（Better Assessment Science Integrating point and Nonpoint Sources）整合性集水區管理系統，對模擬區域進行次集水區劃分，分別輸入HSPF（Hydrological Simulation Program Fortran）模式及SWMM（Storm Water Management Model）模式進行水文與水質模擬，並根據臺北翡翠水庫管理局之水文實測資料與臺北水源特定管理局之水質實測資料，進行參數之率定（Calibration）與驗證（Verification），模擬結果顯示， HSPF模式模擬之平均流量為12.11 cms，最大流量為348.87 cms ，懸浮固體物之平均濃度為8.1 mg/L，最高濃度為382.0 mg/L，總磷之平均濃度為0.026 mg/L，最高濃度為0.155 mg/L；SWMM模式模擬之平均流量為12.39 cms，最大流量為269.75 cms，懸浮固體物之平均濃度為17.2 mg/L，最高濃度為124.2 mg/L，總磷之平均濃度為0.025 mg/L，最高濃度為0.120 mg/L，兩模式之模擬趨勢大致相同，且相關係數r（Correlation Coefficient）、決定係數R2（Correlation of Determination）、模式有效性係數NSE（Nash Sutcliffe efficiency）及平均百分比誤差MPE（Mean percentange Error）等判定指標皆符合接受值，故推估模擬成果具一定可靠性，最後針對兩模式於逕流、入滲及懸浮固體物及總磷傳輸行為等主要控制方程式之參數進行敏感度分析，討論兩模式輸入參數、敏感參數及模擬結果之差異。