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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以煤、石油、天然氣為主的化石能源佔據了當今人類能源消費結構的主體地位，由此造成大氣中溫室氣體含量的逐漸增高，導致全球氣候變暖，對人類的健康安全的生存和社會經濟的可持續發展造成了嚴重的威脅。 碳捕獲與封存技術(Carbon Capture and Storage, CCS)被看做是解決全球氣候變暖問題的最為重要的手段之一，然其發展一直爭議不斷，主要體現在CCS技術造成的環境衝擊以及安全風險問題。CCS發展的主要阻礙則是政策支持不足，加之公眾對該技術理解貧乏。因此，制定CCS的相關政策十分重要，對政策做環境影響評估也必不可少。 政策環境影響評估(Strategic Environmental Assessment, SEA)是一個程序性方法，需要有效的環境評估工具，才達到環境評估結果。而生命週期評估(Life Cycle Assessment, LCA)即是一種量化且具系統性思維之環境管理工具，其針對一個產品(或服務)自搖籃至墳墓等不同生命階段之能資源投入與污染物排放進行盤查，並使用衝擊評估模式進行產品生命週期之環境衝擊評估以做為環境化設計與決策之參考。當生命週期評估與政策環評在相同的系統邊界之下，可全程評估及系統化分析政策方案的環境衝擊，非常適合應用於政策環評衝擊分析階段與替代方案的選擇。 本研究以2025年作為評估基準年，評估CCS是否適合與台灣燃煤發電廠進行配套施行，基準方案為對台灣的傳統燃煤發電廠的燃煤機組不採取任何措施，替代方案為對台灣的傳統燃煤發電廠的燃煤機組配置CCS。使用生命週期評估工具Simapro8.1對基準方案與替代方案各階段的投入產出進行盤查分析後，再經ReCiPe3.0評估模式量化其潛在衝擊，再將結果以對應至政策環評說明書規範中之作業評估矩陣表，提供決策者環境面之量化資訊。 生命週期評估方法配合矩陣表使用可將各評估項目中衝擊結果以量化方式具體呈現，在環境衝擊方面也可以涵蓋許多評估項目。生命週期評估可以適合應用於政策環評衝擊分析階段。 結果顯示，替代方案在氣候變遷、顆粒物形成、陸域酸化和氣候變遷生態系統四個衝擊類別具有衝擊減量的正面效益，並隨發電技術增加而減量程度增高（亞臨界衝擊最大，超臨界次之，超超臨界最小）；但在資源使用、臭氧消耗、人體毒性、光化學氧化物、水域毒性，優養化等類別造成更高的衝擊。 基準方案的衝擊結果為9.07E+09，替代方案的衝擊結果為8.51E+09，即燃煤電廠配置CCS後，總衝擊只減少了6.22%。台灣是否要將燃煤發電廠配置CCS作為減碳手段之一值得慎重考慮。
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近年來，許多環境問題的思考，已從污染排放端的管理，擴展至預防性思考，不只關心環境損害之復原或賠償，亦關注何為環境影響的驅動力。本研究目的在於發展一整合性方法，以鑑定特定人類經濟活動，因帶動有害物質在經濟體系與環境體系的流動，而成為多種環境健康風險來源或驅動力。透過本研究，得從一個較寬廣的視野，探討有害物質透過環境所造成之人體健康風險。該工具方法的應用，可以量化各種造成環境健康風險活動之貢獻比例，亦有助於評估多種有害物質管理手段，對於環境風險減輕之效果潛力。 本研究之核心方法整合物質流分析、產業投入產出分析與風險評估三種方法，以物質流分析作為描繪經濟系統中，物質代謝與環境釋放的與各種物質相關經濟活動間之關係；再以產業投入產出分析解析國內與出口需要對於國內各產業複雜的驅動效果；並以風險評估量化進入環境中的有害物質對人類健康之損害程度。本研究之對於有害物質之環境釋放，分別在國家尺度與縣市尺度進行盤查，並開發整合上述3方法之模式，區別各別物質流或經濟需求對於環境風險之因果關係，以代表貢獻度的系統流程圖，檢視有害物質的風險如何受到經濟系統活動所驅動，因此得以評估不同風險管理策略情境，計算其環境健康風險之減量潛勢。 為整合三種核心方法的優點，本研究對物質流模型、環境經濟模型以及健康衝擊量化方法進行的回顧，並依歐盟所提的DPSIR環境衝擊的因果關係鏈架構，設計模式之整合架構，明確定義有害物質流動的驅動力(D)、環境排放的壓力(P)、環境濃度的狀態變化(S)、人體暴露的健康衝擊(I)，R則是檢視D、P、S及的關聯，回應風險的需要所做的管理方案，本研究建立其相關情境案例，分析風險減輕效果。DPSIR架構的整合模式以模組設計，包括國家經濟部門活動模型組、物質流動模組、排放強度模組、污染及廢棄物管控模組以及健康衝擊指標量化模組，各模組以分配係數矩陣之方式設計，因此可以用來追蹤危害風險的來源以及傳遞路徑，比較不同來源或不同途徑對於受體暴露風險的貢獻度，結合敏感度分析則是可以篩選關鍵之決策因子，各模組具有設計彈性，可隨問題焦點與界定之範疇做調整，定義程序、部門與環境傳輸媒介。 在彈性架構下，以砷物質流案例分析地區之風險，並針對風險高之地區，從物質流與風險之因果鏈中建立風險改變之情境，依地區燃煤發電、煉油廠之技術規模變動估算其平均砷環境風險之變動幅度。另一案例以鉛之物質流系統為基礎，做為物質流與產業經濟整合模式之範例，示範各模組編製之過程，以及如何在試算表軟體中建置分析模型。鉛模式最主要功能在於國家尺度經濟活動對區域物質流與區域風險之影響，反映產業變化趨勢，透過改變鉛排放對環境風險造成之影響，國家尺度之評估則反映系統排放量之增減。本研究方法所推估情境之健康風險變化結果，宜以相對於該物質既有之健康風險之增減幅度來解釋，不適用於預測精確之實地風險。
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在水資源缺乏的時代，新興污染物的存在可能對生態環境構成威脅，亦引起飲用水安全疑慮及成為廢水回收再利用之障礙；然而，新興污染物的宿命與威脅仍有許多待釐清之處。鑑於百年來加氯消毒過程廣泛設立於全世界的淨水場及污水廠，以及自由餘氯(Free available chlorine, FAC; HOCl及OCl-之總稱)自然光解產生各種次級氧化劑的特性，本研究進行常見的微囊藻毒-LR和七種抗氯氧化藥物(ketamine, metoprolol, atenolol, pentoxifylline, clofibric acid, gemfibrozil and ibuprofen)於加氯消毒過程中的自然光降解行為。主要研究目標有二：探討微囊藻毒(LR)於金門水體中的自然光解及自由餘氯光解對於新興污染物降解之影響。 間接光解為微囊藻毒-LR主要的自然降解途徑，其降解速率與自然水體中硝酸根及有機物質濃度有關，在金門水體中，微囊藻毒-LR的光解半衰期介於11-21小時之間。許多藥物在自然水體中與微囊藻毒-LR同樣具有較慢的自然光解速率；而且，部分常用藥物在廢水處理過程中不易去除。本研究發現自由餘氯的自然光解現象可以有效地提升藥物及微囊藻毒-LR在水處理過程的降解效率。所有的目標污染物可在2小時內透過自由餘氯光解達到90%的去除效率([FAC]0=0.5 ppm Cl2; pH 7)。水中自由餘氯足夠與藥物進行光解的情況下，藥物的餘氯光解速率可透過偽二階動力方程式加以說明。此光解速率隨著自由餘氯的初始濃度改變，初始濃度越高，速率常數越大( [FAC]0 =0.05(pH=7)，50 ppb ketamine的速率常數為0.0132 M-1 min-1；[FAC]0 =2.00 ppm時(pH=7)，50 ppb ketamine的速率常數為0.4518 M-1 min-1)。溶液pH值對光解亦具影響，藥物的餘氯光解速率於較低的pH值(pH 6，餘氯主要為次氯酸)時較快；反之，高pH值時，藥物的餘氯光解速率較慢(pH 9，餘氯主要為次氯酸根離子)。在餘氯光解產生的各種次級氧化劑中，氫氧自由基和臭氧並非藥物降解的主要影響因子。此外，在自由餘氯光解系統中，若同時存有一種以上的藥物，藥物的降解速率將會受到競爭氧化劑的影響而減緩。 Ketamine餘氯光解後的總有機碳(TOC)無明顯改變，此表示餘氯光解僅將ketamine轉化成其他有機物，並無顯著礦化作用。Ketamine餘氯光解副產物和其自然光解副產物完全不同，hydroxyl-ketamine為ketamine餘氯氧化的主要副產物之一(產率2.4%)，與ketamine同樣具抗氯性但可在餘氯光解中降解。此外，ketamine餘氯光解副產物急毒性明顯低於其自然光解副產物；ketamine經三小時餘氯光解後，毒性單位為1-1.4；在30小時自然光解後的毒性單位為6(超純水中)和8(景美溪水中)。