臺灣大學環境工程學研究所學位論文
國立臺灣大學,正常發行
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水庫水質之良窳一直是國內外環境保護及水資源相關單位關切的問題，而其中藻類優養問題適為其最。吾等必須建立預測其發生趨勢的能力，方能採取適當預防優養問題發生措施。 自然水體中藻類種數繁多，其生長受到許多環境因子所作用，故欲了解藻類消長之原因，首要釐清藻類與環境因子間之相關性。本研究希望藉翡翠水庫大壩之藻類族群為例，探討藻類多樣性之原因。本研究以採樣調查及模式模擬的方法欲釐清「環境異質性是否有利於生物多樣性」的疑問。研究係以採翡翠水庫大壩為研究區域，以分層採樣之結果，分析探討藻類在大壩分層的生長情形、藻類與浮游動物之間之關係以及藻類和水質之關係。本研究有別於以往完全混合的系統模式，並將環境梯度及藻類層間混合納入藻類動態系統模式中。 經統計分析藻類與環境因子之相關性，發現藻類週期性的消長主要與季節性物理因子相關，其中藻類的沉降特性與水體混合程度為藻類生長之重要條件。統計結果顯示Shannon-Wiener Index生物多樣性指標與環境溫度梯度因子有相關性。總藻模擬結果來檢討限制因子對藻類的生長影響時，發現磷之供應是其中較為關鍵的因素。三種藻共存模擬可以模擬出藻類週期性的消長，推測呈現週期性的變化的主要原因週期性的水體混合機制所致。本研究認為當環境因子具有適當的時間變異則有利於不同藻種共存。
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根據國內之需求，參考國內專家學者之意見，研選出適合的三套地下水模式MODFLOW+MT3DMS、AT123D、FEMWATER，作為後續現場模擬之工具。地下水模式可以配合場址的水文地質資料及污染物檢測資料進行模擬，藉著模式參數的輸入與簡化實際情況，更了解模式本身的優點與限制。就本研究所建議之三套模式，探討參數敏感度與假定之參數是否合理，來評估模式之適用性。並以地下水污染管制標準濃度為基礎，劃定控制場址污染之範圍，以作為該地區後續整治、復育參考之用。 以適用情況來看，此三套模式各有其特色。MODFLOW僅可模擬水流狀態，污染物傳輸狀況需搭配其他模式。MT3DMS只限於模擬污染物傳輸，以污染物平流-延散的傳輸機制為主，對於油品污染具有較高的準確性。AT123D可在穩態水平流與簡單水文地質條件下執行，著重於污染物的傳輸，可粗估污染範圍。FEMWATER可模擬不同的密度流，對於不規則邊界有較高的準確度，但缺乏較複雜的化學與生物動力，且操作較為繁複。 在本研究中，控制場址為一加油站，研究區域為1400 m 900 m，「苯」為主要污染物質，主要之參數設定：水力傳導係數2.55 m/d，有效孔隙率0.3，總體密度1700 kg/m3，縱向延散係數100 m，污染質量負荷率0.088 kg/d(污染源濃度8800 mg/l)。三套模式模擬結果：於模擬時間四年時最接近實場，污染源位置主要在加油站內，以線或面的方式洩漏，污染源較嚴重的地方為加油站站區中間偏北。 MODFLOW+MT3DMS污染物傳輸南北向擴散；AT123D污染物向東擴散；FEMWATER則向北擴散。造成此三套模式傳輸方向差異的主要原因為MODFLOW+MT3DMS可設定異質水力傳導係數；FEMWATER在同一含水層下只能設定均質之水力傳導係數；AT123D則受限於穩態水平流的基本假設。以苯第二類地下水管制標準0.05 mg/l為界限，劃定其污染範圍，則FEMWATER所模擬的污染範圍最小，其次為MODFLOW+MT3DMS、AT123D。 三套模式在本研究場址條件下之敏感度分析顯示：總體密度對輸出結果沒有貢獻；水力傳導係數是MODFLOW最重要的敏感參數；有效孔隙率對MODFLOW+MT3DMS的輸出結果影響很大；水力傳導係數與縱向延散係數對FEMWATER的輸出結果影響很大；有效孔隙率亦對AT123D的輸出結果影響很大。三套模式之輸出結果皆隨污染質量負荷率(污染源濃度)變動成等比例、正比變動。 將模擬值比對觀測值，以相對誤差與累積誤差的方式檢驗其模擬結果，發現MODFLOW+MT3DMS的模擬結果最接近實場。從MODFLOW+MT3DMS、AT123D、FEMWATER之模式適用情況、限制條件、污染範圍、使用性來看，MODFLOW+MT3DMS在本研究中最適用。
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廚餘佔垃圾總垃圾量2至3成左右，廚餘以往之處理方式大部份被運往焚化廠或掩埋場處理，十分可惜，臺北市為能成為「資源循環」的一流城市，達成「2010年資源全回收，垃圾零掩埋」的願景目標，於92年12月26日開始推動家戶廚餘回收，現階段將廚餘區分為「生廚餘」、「熟廚餘」兩類進行回收，生廚餘委託民營業者採堆肥法處理，熟廚餘則變賣給養豬戶充作養豬飼料，未來更規劃廚餘採厭氧醱酵處理。本研究之目的首先探討93年度臺北市政府推動家戶廚餘回收之成效及民眾反應、臺北市各廚餘產源之產生量及流向，並進一步評估臺北市將廚餘採焚化、掩埋、養豬、堆肥及厭氧醱酵等五種處理方案之「環境面」及「經濟面」效益分析。 本研究除透過資料蒐集、文獻探討、產業界之電話訪談及訪查，歸納分析出93年度推動家戶廚餘回收後之成效、民眾接受度、臺北市各廚餘產源之產生量及流向、臺北市之廚餘採焚化、掩埋、養豬、堆肥及厭氧醱酵處理之成本、效益及益比本，另本研究並應用生命週期評估法分析出臺北市產生之廚餘採焚化、掩埋、養豬、堆肥及厭氧醱酵處理對環境之影響，以作為臺北市政府未來繼續推動廚餘回收再利用方式之參考。 研究結果顯示93年度臺北市廚餘回收量平均每日已有115公噸，民意調查顯示有八成以上市民贊成及願意配合臺北市政府推動家戶廚餘，惟據調查統計資料顯示93年度家戶產生之廚餘仍有一半以上進入焚化廠處理，如何有效提高回收率為臺北市政府未來需面對及檢討之問題。93年臺北市各廚餘產生量統計結果以家戶所產生之廚量量為最多，其次為市場，再其次為餐廳，學校廚餘產生量最少。另本研究就「經濟面」-成本及效益之分析結果：養豬 ＞堆肥 ＞厭氧醱酵＞焚化 ＞掩埋，如以比利時國家採厭氧醱酵處理廚餘有綠色電力計畫認證制度可提高售電收入來看，益本比將會比養豬還高；就「環境面」-環境衝擊之分析結果：養豬＜厭氧醱酵＜焚化＜堆肥＜掩埋，因此綜合上述「經濟面」及「環境面」分析結果可知廚餘養豬為經濟效益高，環境衝擊小之處理方式，但未來如果因防疫問題而禁止廚餘養豬，厭氧醱酵亦為臺北市政府另外一種值得採用之廚餘處理方式。
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本研究以臺北市為研究範圍，首先計算臺北市、臺北縣與基隆市戴奧辛排放源之年排放量，接著以ISC-ST3高斯擴散模式模擬戴奧辛空氣中濃度與總沉降量之擴散情形，再分別計算居民之空氣吸入與飲食攝入兩種途徑之戴奧辛致癌暴露風險增量。本研究並探討針對特定污染源設定之減量方案下，居民戴奧辛暴露風險增量之變化情形。 臺北市戴奧辛年排放量於2003年為0.992 g I-TEQ/yr，來源為大型垃圾焚化廠之62.7%、火葬場之17.9% 與機動車輛排放之19.4%。三年之年平均空氣中濃度模擬結果平均值為1.17 fg I-TEQ/Nm3，沉降量模擬結果為6.85 ng I-TEQ/yr-m2，兩者之最大值發生點均位於大安區內。在依照實際飲食比例之情境下計算之臺北市居民之戴奧辛終生致癌風險增量平均值為1.29×10-7，居民之飲食攝入暴露風險約佔總量之64.1%；空氣吸入暴露風險約佔總量之35.9%，以穀物、根莖蔬菜、豬肉為主要貢獻來源；在假設食物均為臺北市當地生產之情境下計算之臺北市居民之戴奧辛終生致癌風險增量平均值為2.07×10-5，居民之飲食攝入暴露風險約佔總量之99.78%；空氣吸入暴露風險約佔總量之0.22%，以穀物、雞肉、魚肉為主要貢獻來源。 以臺北市火葬場為對象之案例研究中，當污染源減量87%時，臺北市居民之空氣吸入戴奧辛暴露風險增量平均值降為未減量時之79.1%，降低較多之區域前三者為大安區、中正區、信義區；最大值降為未減量時之22.5%，其中風險降低較多之區域前三者為大安區、文山區、中正區，顯示火葬場之減量對居民之空氣吸入暴露風險增量之降低有明顯之效果。
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零價金屬自發性釋放電子還原水中含氯有機物已引起廣泛研究與運用，過去十五年，對於反應機制、途徑與動力學已有不少的數據與討論，毒性副產物的生成與累積是目前關注的焦點。四氯化碳是常見的地下水含氯污染物，但四氯化碳無法與金屬d軌域形成π鍵吸附，導致60-80%轉化為含氯中間產物(三氯化碳與二氯化碳)累積在處理系統中，所以降低毒性產物的產率應當是選擇零價金屬的重要考量。 本研究導入離子交換樹脂為載體，負載奈米金屬顆粒(nano-M0)兼具回收水溶性金屬離子(Mn+)的功能，接續地，中高溫的氫氣轉化Mn+為nano-M0提供反應活性的再生。就還原方法而言:氣態還原的成本遠低於液相還原法(NaBH4或N2H4為還原劑)且熱處理可提高nano-M0在載體上的機械穩定度;就功能而言:以離子交換樹脂為載體可侷限Mn+成核結晶的程度，降低nano-M0的粒徑大小，同時可避免nano-M0在反應過程中發生團聚作用，此外，樹脂的陽離子交換功能可吸附反應產物- Mn+，避免出流水金屬濃度高於法規標準，同時釋出強酸離子(H+)降低反應系統pH值; 就實用性而言: 質量輕、可塑性高的高分子載體具有安裝與更新簡便的特性。 本研究目的在開發有效、方便裝卸且可再生的還原性材料，以利現地處理系統的運用，同時探討反應動力學與機制。本研究分為三個部分，第一部分為材料的製備與特性分析；第二部分為含氯有機物的破壞行為；第三部分為反應機制探討。第一部分的研究內容有載體上金屬顆粒的粒徑分佈與表面積、金屬氧化態變化以及載體對金屬離子與目標污染物的吸脫附行為；第二部分研究內容為水中四氯化碳的降解動力學反應、水質條件的干擾與活性再生方法；第三部分研究內容為金屬銅降解四氯化碳的反應機制探討。 零價銅顆粒奈米化程度對反應活性有相當大的影響，當銅顆粒平均粒徑為33 nm，一階的比表面積反應速率常數(surface-area-normalized rate coefficient, kSA)為粉末狀銅元素(0.04mm)的19倍; 銅顆粒平均粒徑為8 nm，kSA遽增為125倍。利用正戊烷萃取殘存在水樣與載體中四氯化碳的量，分辨材料吸附與破壞四氯化碳的作用，其中破壞的反應階數為0.91-0.94相當接近一階反應，反應速率常數(ka)是0.8 h-1、吸附常數是0.41 h-1、脫附常數是0.3 h-1，由活化能的大小(Ea=25.4 kJ/mol)推論水中四氯化碳消失的速率近似物理程序所控制。水中溶氧與硫化物對nano-Cu/resin降解四氯化碳反應有負影響。強酸型陽離子交換樹脂以H+交換水中反應產物Cu2+，因此反應後水溶液pH約3-4、殘餘銅離子濃度低於0.1 mg/L。銅離子的回收率會因沉澱物與錯合物的形成而減少，主要是受水中硫化物、氨氮與磷酸根影響。 貴金屬Pd、Pt、Au、Ru的添加均可大幅提升降解速率，且ka與貴金屬材料的交換電流密度(exchange current density, io)成正相關(ka=5.69log(i0)+30.15, R2=0.986)，因此第二金屬表面氫原子濃度(H․)是控制雙金屬系統降解四氯化碳的主要因子。水中溶氧與硫化物分別因為競爭第二金屬表面氫原子與毒化作用導致反應速率下降，本研究的製備程序可當作再生方法且幾近100%回收反應活性。 比較不同金屬(Fe、Zn、Sn、Al、Si、Cu)降解四氯化碳的產物，發現含氯中間產物的產率與材料的i0與自由電子數比值成正相關，只有銅的系統不產生含氯中間產物且最終產物為一氧化碳，故推論降解途徑中單電子與雙電子傳遞的選擇性主要受金屬表面H․的濃度與自由電子的供給的影響，最終產物為甲烷或一氧化碳是與金屬形成氧化物與氯化物的生成熱有關。 本研究創新的材料型態擴展了使用零價金屬的選擇性，同時提供安裝與更換便捷的系統設計。創新的參數：交換電流密度與自由電子數成功地說明各類零價金屬降解四氯化碳的途徑選擇性。負載型奈米銅完全轉化四氯化碳為一氧化碳，同時兼具銅離子濃度的控制與回收，有利於一個高效率、可再生的去毒化系統的設置。
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流域是自然界重要的地理單元，人類則透過農業活動與河川、流域產生了強力的連結，因此釐清流域與農業之關係，便成了環境資源管理之重要議題。 本研究選定濁水溪流域，採用既有之縣市與鄉鎮市農業統計資料，推估以流域為單元之農業物質生產狀況，以建置「濁水溪流域農業資源資料庫」。針對歷年農業指標之變化趨勢，探討濁水溪流域之農業現況與面臨之問題。並利用系統動態模擬軟體，進行濁水溪流域農業物質流架構之動態系統模擬，模擬農業物質生產量、消費量、廢棄物產量，以及農業物質之輸出、輸入量。 研究結果顯示：濁水溪流域是台灣重要的農業產地與農產品輸出區域：其中以農作產量最為龐大，多輸出到流域之外；畜牧產量與畜牧百分比皆逐年上升，不僅將畜產品大量輸出到流域之外，更有產業變化的情形發生；林業產量與漁業產量則極少，必須依賴流域外物質的輸入。 最後，本研究之研究成果為：釐清既有縣市、鄉鎮市農業統計資料之關係，建立一套流域農業統計數值之估計方式；並以農業物質流架構，採用系統動態模擬之方式，推估未來濁水溪流域之農業生產、消費、廢棄物產出與輸出、輸入等量值。
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高高屏地區由於工業、交通與人口之密集，其懸浮微粒PM10與臭氧(O3)的污染為台灣地區最嚴重者，由於氮氧化物為此兩種污染物之前趨物，故在高高屏地區氮氧化物之管制為一刻不容緩之任務。傳統之污染管制制度並不能有效的改善該地區之空氣污染品質，故採用先進之思維與措施勢在必行，根據先進國家之研究與施行，污染泡制度或將成為確實可行之方式；其主要將傳統之管制方式，改變為整體性、區域性的管理方式，讓工廠污染排放改善或減低計畫更具彈性，只要在該區域內所排放之污染量符合政府規定的總量上限，其中的任何工廠，可採取任何污染控制策略或措施。 故本研究分析後發現以下結論： 1.南部電廠不需減量即有多餘之排放量可提供他廠使用。 2.不管是否以三廠為一污染泡均無法達到BACT之排放量標準，故為達到BACT之標準排放量減量策略之執行是勢在必行之措施，尤以興達電廠為首要目標。 3.利用該減量策略使其達成BACT之排放標準，於模式模擬結果顯示，將有助於高高屏地區空氣品質之改善。若考量人口分佈，則以高雄縣之鳳山市以及高雄市之三民區有明顯改善之成效。 4.分析污染泡制度執行後，各減量策略於成本上均有或多或少之獲益，最多甚至可節省將近20%之成本花費。
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我國環境檢測機構許可制度實施至今已有十餘年之久，在環境基本法明確揭示事業自動申報制度為我國環境污染管制措施之一後，更奠定了環境檢測機構存在的定位與價值。環境檢測機構所提供之檢測數據用途可作為工廠(場)污染防制或改善之基礎，亦為政府機關污染管制、調查或評估中不可或缺之依據；但良好數據品質來自合理利潤與有效管理。由於環境檢測機構管理制度設計不完善、法規建制不全、管理人力不足及檢測市場供需失衡等環境因素下，環境檢測機構之檢測數據品質已有逐漸下降之虞。 本研究以固定污染源排放管道空氣污染物之檢測為例，估算其檢測人力基本工時需求，推估最適市場檢測人力供應量，並針對目前檢測機構許可與管理現況，研擬管理之改善策略建議，提供主管機關作為施政之參考。 研究結果顯示，現有取得固定污染源排放管道空氣污染物項目許可之檢驗室家數與最適供應量相接近，但檢測機構取得許可後，檢驗室擴充檢測人力及設備能量，造成市場呈現供過於求，其中以「戴奧辛採樣」項目最為嚴重；因此對檢測機構取得許可後，檢測量能擴充的控制，檢測技術的監督有其必要性。另外研訂「環境檢驗管理法」，實施檢測人員證照制度為直接有效，但須長期努力之策略；建議設置採樣即時追蹤系統，建立採樣監控機制；加強專業訓練及分工，落實採樣監督機制；提高查核頻率與效益；控制檢測能量與檢測市場供需資訊公開等為短期可行之檢測機構管理策略。
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採樣為地下水整治系統中不確定性降低的方法之一，研究中嘗試利用模糊理論所提供的方法將不確定性量化，利於決策者以風險不確定性的降低為基礎，進行後續的整治工作。提出的方法為將採樣資訊量的增加所反應出風險值變異係數的降低，藉由模糊化的過程轉換成為語言項的變數，即風險評估結果的可信度，再經由模糊綜合評判的方式進行不確定性的量化。在研究中同時考慮多個水文地質參數，並配合條件模擬的方式消除空間變異的影響，探討最佳採樣點的配置方式以降低最大的不確定性。 結果顯示，在所選用的參數中，對結果不確定性影響最大的參數為水力傳導係數，其次為總體密數、有效孔隙率及縱向延散係數。而在以此四項參數為基礎對不確定性進行評判時，部份的評判模型會對風險評估結果的可信度造成不適當的描述，造成此影響的主要原因為參數權重分配所致。另外，以「場」的概念對參數進行設定時，在後續蒙地卡羅的模擬上，需至少進行5000次的模擬，始可於後續風險值機率分布的推估上，達到模糊評判的可信度結果。 在採樣位置的配置上，若以風險不確定性的降低做為採樣策略擬定的基礎，研究結果顯示，採樣點位主要集中在污染源與污染接受者附近。除此之外，產生隨機變域場(N)乃為降低參數空間變異的影響，而N的數目會造成採樣點配置順序的不同，但對於整體採樣配置並無明顯的差異存在。
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現行官方移動源排放量資料庫TEDS5.1以燃油銷耗法推估移動源排放量，以道路於空間中長度及面積分佈比例進行指派。此推估方式適用於長期且大區域之估算，於時空分佈解析能力較為不足。本研究以分析車流資訊，逐時統計每條道路之行車速度、車輛數及車行里程進行排放量推估計算。推估結果之空間分佈實際反映出車流分佈，時間分佈亦符合分析所得行車型態變化。比對現行資料庫，本研究推估臺北市移動源排放總量約為TEDS5.1資料庫60%至80%，市區具較高推估值，郊區具較低推估值。經ISC及TAQM空氣品質模式模擬，本研究模擬結果與大多監測值濃度分佈圖具較高R2值。分析地面等濃度圖得知，兩推估結果之差異經大氣數小時傳送擴散後，於臺北市境外產生臭氧污染物濃度分佈差異。TAQM模擬結果比對監測值逐時濃度變化圖顯出，兩推估方式模擬結果與監測值變化趨勢相符合，比較兩推估結果模擬值與監測值之差異性，本研究推估結果具較小之偏差。