臺灣大學環境工程學研究所學位論文
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隨著環保意識的抬頭及永續發展觀念的提升，為能有效去除廢污水中之污染物，並維持良好的生態環境，世界各國均有學者專家紛紛投入研究如何使用最符合自然的技術來處理廢污水中的污染物。其中研究最為廣泛的就是利用人工溼地系統來處理廢污水中的污染物質，其原理是利用溼地中之物理、化學與生物作用來去除污水中污染物質，由於具有省能源、低成本、無二次污染、操作維護簡單等優點，並能有效的淨化水質，是一種相當經濟的水質淨化技術。 由於金門地區污水下水道系統之建設係以飲用水水源保護為主要考量，因此目前已完工或進行中之相關污水下水道系統建設，多集中於人口聚集之市區及自來水水源之地面湖庫周邊。其餘地區，除六處人口較為集中之聚落有規劃專用下水道系統外，其餘地區，污水下水道系統的規劃、建設仍遙不可及。因此造成許多的家庭污水無法有效處理，於排放後之污水流入池塘或滲入地下，造成地面水及地下水體之污染，甚至影響到自來水供水湖庫的水質。 因此本研究利用國內外人工溼地的應用案例與研究成果，並以人工溼地作為金門未規劃污水下水道系統地區及獨立聚落的生活污水處理方案，以進行金門地區人工溼地規劃與應用之SWOT 分析，然後研擬金門地區人工溼地之規劃與應用策略與方案，並以實際案例規劃，分析人工溼地作為處理生活污水可行規劃策略，提供金門相似環境地區日後規劃與應用人工溼地之參考。
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水污染防治策略可分為傳統的行政管制與配合採行經濟誘因制度。由歐美國家實行經濟誘因制度經驗顯示，將行政管制結合水污染防治費徵收之方式，能改善僅憑藉行政管制時，污染減量效果不彰之缺失。 國內以往關於水污費訂定之研究前置計畫，其所建議之費率依論證不同而異。本研究在考慮通貨膨漲情況與參考環保署費率訂定之方式下，獲得2003年至2005年之費率為920元/污染當量、935元/污染當量、950元/污染當量。 由於水污費第一階段之徵收對象為事業及工業區污水下水道系統，故本研究選擇水體水質與防治成本資料均較為齊備之事業，建立其水質濃度邊際防治成本曲線，以分析水污費徵收對事業之污染改善情況與經濟影響程度。 在污染改善情況方面，結果顯示水污費徵收反而會使食品製造業產生污染增量情形，而紡織業、製革業與化工業則會產生污染減量情形；在經濟影響方面，各事業所繳納費額占其毛利百分比均低於1％，顯示近年費率應可為徵收對象所接受。再藉由費率與國民生產毛額比值之方式，將各國費率作一比較，則我國該比值不偏低或偏高，顯示近年費率合宜。由於第一階段水污費之徵收對象尚包括工業區污水下水道，故本研究計算工業區污水處理廠之污染物處理成本，結果顯示對於工業區污水處理廠而言，水污費費率對其自行將污染情況改善之誘因較低。
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水是維持生命所必需的物質，更是活命的泉源。住宅生活的用水可分為上水、中水及下水，「上水」即為自來水；「下水」泛指日常生活所產生的污水，可再區分為糞尿污水和生活雜排水，後者是指廚房、浴室洗滌及其他生活所產生之較低污染生活污水；「中水」是指水質介於上水和下水之間，生活污水經過適當處理後，可以被有效利用的水。 利用集中式系統處理生活污水具有本身特定之優勢，但並非是通用的方法。分散式污水處理與再利用（Decentralized Sanitation and Reuse, DESAR）在國外是較為新穎的水資源管理策略。本研究以水資源永續利用與流程創新為出發點，採用分散式處理系統的概念，針對台北市住六之六重劃區，提出雨水貯留供水（方案一）及人工溼地加上雨水貯留供水設施（方案二）兩項解決替代方案，並針對經濟效益、技術操作及附加價值等層面進行討論。此外，希冀藉由論文的呈現，以事前規劃取代事後改善的方式，能夠提供未來開發新建住宅社區之參考依據，進而打造社區水資源的永續經營。 方案一中針對案例地點高降雨高強度的趨勢，設計雨水貯留供水設施，將雨水利用於家庭住戶之廁所、清掃及植栽用水，每年每戶約可省下352噸的雨水，雨水回收成本為8.7元/噸，以自來水水費9元/噸計算，益本比為1.03；在方案二中係將一般生活污水做分類分管回收，以具備低污染、省能源及環境教育特點之社區型人工溼地處理生活雜排水，回用於家戶廁所、清掃及植栽用水，並貯留雨水做為溼地稀釋用水或補充水源。研究成果顯示在成本面較建築物污水處理設施造價便宜，所需技術層面不高易於維護管理，並具有開源（雨水貯留）及節流（雜排水處理回收再利用）的正面意義。
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本研究主要在利用臭氧/紫外線等高級氧化的方法，對水中環境荷爾蒙物質雙酚A(Bisphenol A，BPA)、壬基苯酚(Nonylphenol，NP)及辛基苯酚聚氧乙基醇(Octylphenol Polyethoxylate，OPEO)進行處理，探討使用臭氧/紫外線等程序降解BPA、NP及OPEO的可行性。 當臭氧在去離子水中分解BPA、NP及OPEO時，臭氧均可快速將上述物質氧化成中間產物，但無法完全將之礦化。針對BPA方面，提升臭氧劑量可加速降解BPA，紫外光結合氧氣有助降解BPA。臭氧結合紫外光處理較單獨臭氧處理緩慢。添加活性碳有助去除BPA，添加過氧化氫反而使處理效果變差，臭氧處理於酸性下較鹼性下佳。 NP方面，提升臭氧劑量可加速降解NP，紫外光結合氧氣有助降解NP, 臭氧結合紫外光處理趨勢較單獨臭氧處理緩慢，添加活性碳有助去除NP，添加過氧化氫反而使處理效果變差，臭氧處理於酸性下較鹼性下佳。 針對OPEO處理，提升臭氧劑量可加速降解OPEO，紫外光結合氧氣有助降解OPEO。臭氧結合紫外光處理趨勢較單獨臭氧處理緩慢，添加活性碳有助去除OPEO，添加過氧化氫反而使處理效果變差，臭氧處理於酸性下較鹼性下佳。 臭氧化BPA後生物可分解性反而降低，但不會增加樣品生物毒性。臭氧化NP後，生物可分解性明顯地被提升，並且也不會造成生物毒性的增加。臭氧化OPEO後，生物可分解性明顯地被提升，也不會造成生物毒性的提升。
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有鑑於半導體業中砷化鎵材料之興起，高濃度砷系廢水成為目前新興之污染物，砷已被證實和肺癌、肝癌及皮膚癌有關，濃度過高更會致人於死，因此，如何妥善處理此廢水是目前重要課題。 過去對砷之處理範疇，大多以低濃度為主，高濃度之研究較為有限，目前對於高濃度砷系廢水的處理，都是以鈣鹽固定為主，但是無法使廢水達到管制標準，需要再合併於其他程序進行處理，然砷酸鈣不易沉澱，污泥蒐集困難，砷污泥之處理費用更為一般污泥之五倍。因此本研究期望發展出一套可行又有效率之處理方法。 本研究主要結合鈣鹽沉降與電聚浮除法來處理500ppm之高濃度含砷廢水，就其可行性推估、主要去除機制、鈣鹽添加量、界面活性劑、電流密度、酸鹼度及干擾離子對除砷效率的影響進行探討。 實驗結果顯示，鈣鹽添加量對除砷效果有很大影響，當沒有添加鈣鹽對砷 僅有78.8%去除率，當添加鈣鹽，去除率可達99.9%，陰離子型界面活性劑(SDS)較有助於系統對膠羽之浮除，電流密度對砷之去除與浮除效果是重要操作因子，本研究之最佳操作條件為: 鈣鹽添加量=1.962g/L(Ca/As莫耳比=2)、SDS添加量=50mg/L、電流密度= 17.86mAcm-2、反應時間=15分鐘。在此操作條件下，殘餘砷濃度小於0.5ppm, SS小於30mg/L。 由酸鹼度影響實驗發現，最終pH對除砷效果較初始pH值重要。pH值改變也會造成顆粒表面界達電位改變，最佳浮除效果發生在零電位點，當廢水中存在陰離子，會與砷酸根離子競爭鈣鹽，及競爭SDS表面位置，整體來說影響之程度由大至小分別為：PO43-、SiO32-、SO42-、CO32-。
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硝酸鹽(NO3-)為一自然界中常見污染物，研究已證明過量攝取將對人體造成致癌的風險，而現行的物化處理技術，僅將硝酸鹽作相的轉移並無法破壞去除，並造成高濃度之廢液，需另外處理增加成本。而生物處理技術的操作維護成本高，並且需要長時間作用以及廣大的用地，於使用上有相當大之限制。故本實驗著眼於化學反應技術上，尋求更有效經濟之方法。而零價金屬為最常使用之反應材料，其擁有強大還原能力，可用來去除去水中硝酸鹽(NO3-)及含鹵有機物(HOCs)，目前又以零價金屬鐵研究最為廣泛。利用鐵的還原性質可將硝酸鹽氮降解成氨氮(NH4+)，減少對人體之危害。 為了提升處理效能，本研究以奈米技術合成奈米金屬顆粒，利用硼氫根(BH4-)還原溶液中之鐵離子(Fe3+)，合成高活性之奈米零價金屬鐵(nano Fe0)，由於製備技術的不同，粒徑由數個奈米至數百奈米(1~103nm)不等，其高活性來自奈米顆粒之高比表面積(56.6 m2/g)。相較於市售之微米等級鐵粉，對去除污染物的反應速率可以大幅提升。由於奈米微粒特殊性質，可將質量傳輸的限制因子降至最低，提高利用率，使用少量藥劑可處理更多之污染物。 在實際地下水中仍然含有許多背景物種存在，本實驗以批次實驗個別探討六種陰離子(氟離子、氯離子、溴離子、碳酸根、硫酸根、磷酸根等離子)，對以零價金屬鐵去除硝酸鹽氮之影響，此外，將改變反應系統溫度，探討溫度反應之影響，並在此兩個實驗下佐以雙金屬技術，將鐵表面附著少量銅金屬來提升反應速率，降低環境因子對於反應之影響，並尋求動力模式來預測反應結果。 本實驗結果顯示，溫度對於零價金屬降解硝酸鹽反應有重大之影響，溫度升高降解越快，溫度降低反應則延遲。此外，水中之陰離子會同樣對降解反應會造成干擾。氟、氯、溴三離子會對新鮮鐵表面有腐蝕效應，使得可反應位置(reactive site)被消耗，造成反應速率降低。而碳酸根、硫酸根、磷酸根三離子則是會與鐵離子在表面形成鈍化層，阻斷硝酸鹽與鐵表面的接觸，使反應速率降低。而使用銅金屬作為第二金屬時，於各批次實驗中皆能有效的提升反應效率，並且使最終產物產生較少量的氨氮。
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近年來，由於工業大量使用，在電鍍業、不?袗?、皮革業、染整業、金屬表面處理業等不乏有鉻的存在，工廠廢水、廢氣甚至於土壤污染間接造成灌溉水污染及人體健康暴露危害。由於鉻具有有價與有害之雙重性質，有必要瞭解其在環境中的分佈，以做為風險管理之基礎；而利用物質流分析方法結合風險評估技術，可以對鉻在經濟系統與環境系統之互動與流向有全盤之掌握，以尋求資源循環與降低風險之契機。 研究結果顯示，鉻從原料、材料至工廠使用或產品共分為12項子項目：不?袗?產品、催化劑、皮革業、表面處理業、鉻染料、鉻木材塗料、合金、抗腐蝕、紡織、能量生產（燃煤及燃油）及實驗室藥品之消耗量及排放量，估計全台鉻排放至空氣約28 tons/year、表面水體23 tons/year、土壤67 tons/year。 政府在訂定灌溉水標準的時候，以不傷害農作物本身及降低產量為目標，其並未考慮人體健康風險評估。而在所使用之CalTOX模式當中，其灌溉水鉻標準0.1mg/L在各縣市所造成之危害商數約在0.3∼0.5之間。 目前在所估計之物質流排放呼吸致癌風險值當中，北部區域為2.32E-7；中部區域9.5E-8；南部區域為6.1E-8，除了北部區域接近傳統之風險安全標準 ，其他地區之風險值尚無危害人體健康之疑慮存在。 在考慮估算之物質流當作環境原有的背景值加上灌溉水0.1mg/L的最大鉻濃度，台南市、高雄市、台中市之HQ已經接近1，若以不影響人體健康之前提下，改善工廠污染量，或訂定嚴格之灌溉水標準都是可行之辦法。
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在我國台灣地區，社經、人口結構業已將步入開發國家之林，國民所重視的課題逐漸由基本的衣食住行，聚焦至追尋更美好的生活暨環境品質；此其中，尤以在住居地點選擇，除原有的考量基本便利性、安全性等，轉移至希望尋求更為寧適、健康的居住環境，以期擁有整體舒適的空間為最。由選擇的改變可以見，在地狹人稠的台灣島，土地資源利用一直是相當窘迫，加諸以政府未嘗有妥適的國土規劃、管理政策，使得國民未來在住居地點的選擇上，可能就會與這些既有的問題產生衝突。而在社區與生態意識日漸抬頭之際，即將邁入人口高齡化社會的我國，如何在此其中尋求一平衡點，實是當前最重要且必須謹慎面對的迫切問題。 台北市「六-六市地重劃區」位於陽明山公館里，佔地面積五十三餘公頃，屬一大規模新市鎮社區開發案；因其座落地點及內、外在等相關因素，致開發工作耽延已有一段時日。我政府於今年（2005）通過之「六星社區」計畫，其理念為創造「健康台灣與凝聚公民意識」的共生社區為目標，又「綠建築」、「養生文化」等課題時興，所以提供民眾健康身體、舒適心靈、環保生活等三個層次在住居上的共同滿足，當是現今努力之要點。 本研究即以生態思維為基礎，配合政府政策及未來住居環境發展趨勢，由國內、外相關之文獻回顧及案例比較分析為準繩，並透過法規與獎勵措施等多面向問題進行探討，研議建構以環境規劃與管理為導向之地區性「生態養生村」模式，而後選定「六-六市地重劃區」為例進行個案之研究。本研究結果形塑出具本土特色之主題社區，並將生態養生村意涵明確化，同時建構整體環境規劃與管理相關策略，提出六-六市地重劃區之環境管理計畫；未來應持續著重於評估指標之研究、輔導新舊社區或不同型態社區之改造機制建立，以啟未來更深入之發展、研究。
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四氯乙烯(tetrachloroethylene, PCE)為工廠常用之去脂溶劑及乾洗業之乾洗油劑，土壤與地下水中最常發現的氯化有機污染物之一。過去研究證實，厭氧生物反應可以脫氯降解PCE，但鮮有直接利用厭氧消化污泥分解PCE者。因此，本研究乃以都市污水處理廠及養豬廢水處理廠厭氧消化污泥，直接進行生物代謝PCE試驗，以探討消化污泥全程分解PCE之能力，及是否可完全轉化PCE至無毒且環境可接受之產物 - 乙烯。 結果顯示，養豬廢水處理廠之消化污泥僅可將PCE脫氯降解至三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)及1,2-cis-二氯乙烯(dichloroethylene, DCE) 。都市污水處理廠之新鮮污泥則可將PCE，經由TCE、cis-DCE、氯乙烯(vinyl chloride, VC)之代謝途徑，最後生成乙烯；濃縮新鮮污泥更可快速分解PCE至乙烯。由此證實，某些特殊厭氧消化污泥具有直接分解PCE至環境無毒產物乙烯之能力，且當污泥濃度越高及以半連續式(10μmol/ 3 days)的加藥方式，均會加速PCE生物分解。但全部研究過程，所有厭氧消化污泥均無法將四氯乙烯完全(100%)轉化成乙烯。其中分解效果最佳者為都市污水處理廠之新鮮污泥加入50、110μmol之PCE，反應時間38天，可分別產生43.1 (86.2%)及83.56μmol (76%)之乙烯。
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本研究以商業用的活性氧化鋁（γ-Al2O3）和以溶膠凝膠法（sol-gel method）合成之修飾磁性氧化鋁（modified magnetic alumina via sol-gel method, MMASG）兩種鋁型吸附劑吸附處理含F-、Cl-、Br-、NO3-和SO42-水溶液。γ-Al2O3活化時採用0.01 N NaOH 再生及3.16×10-4 N HNO3 (稱為γ-Al2O3-N) 或HClO4 (稱為γ-Al2O3-P)中和至pH值等於4。究內容包含了吸附劑之物理化學特性鑑定分析、等溫吸附行為、完全攪拌槽吸附動力分析、小型管柱吸附動力實驗等。此外，亦針對操作因子如pH值和陰離子初始濃度等對處理效果之影響進行探討。 以共沉澱法製備奈米級Fe3O4超順磁性顆粒；並以緩慢加酸法(參考林(2004) 之合成方法進行部份修正)於Fe3O4表面包覆SiO2，得到SiO2/Fe3O4磁性載體；再以溶膠凝膠法於磁性載體表面合成氧化鋁，可製備得修飾磁性氧化鋁吸附劑。Fe3O4、磁性載體及MMASG之飽和磁化強度分別為59.24、8.5和8.269 emu/g，皆具有超順磁性。X射線繞射(x-ray diffraction, XRD) 之鑑定結果顯示MMASG表面之鋁氧化物為三羥氧化鋁（bayerite）結構。 等溫吸附試驗之結果顯示以Langmuir與Freundlich等溫吸附方程式皆能有效的描述氧化鋁 (γ-Al2O3-N)、MASG (林(2004)所合成之磁性氧化鋁)和MMASG (本研究所合成之修飾磁性氧化鋁)等三種吸附劑吸附強鍵結的氟離子在鋁表面的行為。單就單層飽和吸附量（qL）而言，MMASG為本研究中所使用三種吸附劑中對氟離子吸附效果最佳者。對於弱建結之Cl-、Br-、NO3-和SO42- 離子，Langmuir等溫吸附方程式也可描述良好。 假性二階動力程序（pseudo-second-order equation）及Elovich rate equation可有效的模擬γ-Al2O3-P 和MMASG於完全混合反應槽(completely stirred tank reactor, CSTR)中對含F-、Cl-、Br-、NO3-和SO42-離子之吸附動力。 小型γ-Al2O3-P管柱吸附貫穿實驗以 Yoon and Nelson 方程式描述半導體產業廢水中的個別五種單離子，皆有良好的適用性。所求得之參數值期望可用來評估應用於實廠廢水之吸附行為。以小型管柱吸附貫穿實驗模擬半導體實廠廢水(實驗條件為配製含 F- 、Cl-、Br-、NO3- 和 SO42-值為 54、2.2、1.1、10 和2 mg/L而初始pH值為4之水溶液)之吸附去除效果。結果顯示γ-Al2O3-P吸附可有效去除半導體廢水中之氟離子；對於弱鍵結之陰離子(如：Cl-、Br-及NO3-)而言，其吸附去除效果較差。則須進一步評估。 雖然MMASG因為顆粒很小不適用於管柱吸附，但由於MMASG與γ-Al2O3-N之等溫吸附平衡參數值比較，顯示MMASG對於強鍵結之氟離子及弱鍵結之陰離子之去除效果與γ-Al2O3-N在定性上一致。