臺灣大學環境工程學研究所學位論文
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近年來，全球的氣候受到溫室效應的影響而造成全球暖化，二氧化碳的排 放管制及減量技術也受到重視，本研究試以石化工業高溫循環式流體化床鍋爐 (Circulating Fluidized Bed Boiler，簡稱 CFB)所產出的副產石灰（粉狀飛灰）之 鹼性廢棄物通過超重力旋轉床（RPB）進行碳酸化程序，來達到固存二氧化碳。 其中超重力旋轉床的轉速（550-950rpm）、飛灰與水的固液比（15-35 ml/g）、反應槽溫度（20-60 oC）為非常重要的參數，改變這些參數來探討對轉 換率的影響，研究中將嘗試找出碳酸化程序最佳參數。反應後的產物將會做熱 重分析儀（TGA）進行定量分析，再使用掃描式電子顯微鏡（SEM）進行定性分 析。而反應後之副產石灰加入水泥進行取代的可行性評估，為了確保副產石灰 的加入不會造成結構上及化學上的破壞，故必須對水泥砂漿體進行稠度試驗、 流度試驗、凝結時間試驗、蒸壓膨脹試驗、乾縮試驗、抗壓強度試驗等力學測 試。結果顯示反應後的副產石灰確實優於未反應的副產石灰，故本研究在固存 二氧化碳及減少水泥用量減少能量耗損上是可行的。
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現在社會資訊發達，全球化趨勢打破國家界線，環境問題從發生到處理，具備跨領域及多元的特性，牽涉層面廣泛，在日趨複雜的環境變化下，環境工程教育的培育，是否與時並進，是本研究欲檢視探討的問題。 本研究之研究目的有二： 1.了解環境工程人力需求。 2.以台大環工所課程為例，檢視我國研究型大學課程是否與時並進。 由於國內外相關研究極其有限，本研究的研究設計，先利用文獻分析法與半結構式訪談法，從理論面與實務面了解環境人力所需具備的相關技能（態度�價值觀、能力、知識），彙整出環境人力需求總表。再以台大環工所課程為研究案例，與上述彙整出的環境人力需求進行對比，檢視台大環工所課程現況。再對國內外幾所環境相關研究所課程，進行複合式案例研究，以檢視台大環工所課程現況。 雙管齊下對台大環工所課程現況進行檢視，得出研究結論如下： 一、環工人力素質需求。 二、人力需求與課程落差現況。 三、國內外環工高教課程檢視。 最後，將研究過程中遇到的限制提出，以利後續相關研究進行，建議如下： 1.礙於現實狀況，本研究進行了工研院、中技社與ＳＧＳ檢測公司的訪談，後續研究可以再加入環境顧問公司、企業界的環境部門，公部門的環境單位，以便對用人單位對相關人力的期望有更全面的了解。 2.人力學用落差狀況是全國性的議題，本研究對於人力的素質需求做出初步研究，建議後續研究可以對培育單位（如：各級學校）與各用人單位再進行細部分流，深入探討供需方的期望與目標是否有銜接上的落差，以達人盡其才。 3.建議可以規劃出台大環工所的課程架構圖，從核心價值、相關知識（基本、專業）、對應能力（基本、進階）三個層面呈現立體面向的概念，檢視相關師資、課程比重與調整空間。
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在現今全球人口增加的狀況下，都市廢棄物的產生隨之漸增，伴隨而來的垃圾處理技術也須進行考量，自從民國80年開始，政府開始推廣以「焚化為主，掩埋為輔」的垃圾處理政策，以減輕垃圾掩埋的負擔，但焚化廠還是會產生殘渣，包含飛灰及底渣，其中飛灰被定義為有害廢棄物，更必須妥善處理飛灰，而我國最常使用技術為固化掩埋，反而更增加掩埋場的負擔，因此近幾年台北市政府開始推動焚化飛灰再利用的方案，鼓勵各焚化廠將飛灰妥善再利用，例如再利用成水泥、紅磚、鹼劑、飛灰熔融處理製成骨材等，不過這些再利用技術十分新穎，飛灰添加後會造成製程環境衝擊增大，在本研究目的主要探討目前國內外常用焚化飛灰處理及再利用技術之環境衝擊與成本，評估最合適的飛灰再利用技術。 本研究探討飛灰處理流程為經飛灰水洗程序後，接著四個情境，1)固化掩埋、2)再利用成水泥、3)再利用成紅磚、4)再利用成鹼劑於華爾滋法，因此本研究分為兩個階段，第一部分為飛灰水洗前後進行實驗分析重金屬成分，來了解水洗前後飛灰性質的差異，第二部分則比較飛灰處理及再利用流程的生命週期評估，盤查程序的資料透過實廠及文獻得到，並使用SimaPro生命週期評估軟體及衝擊評估IMPACT 2002+進行最後環境衝擊結果的闡述。在實驗結果部分，發現雖然水洗後飛灰毒性較為穩定，但水洗後飛灰會有重金屬富集現象；而在生命週期評估比較後結果，以情境四衝擊最低，其次為情境三、情境一，衝擊最高則是情境二，主因為情境四中回收氧化鋅效益過高，而使此情境接近零衝擊。 未來隨著人口增加，土地利用不足等問題，在焚化飛灰再利用的議題越顯重要，更需要其他飛灰再利用的研究進行探討，如其他經濟、社會層面的考量、飛灰重金屬再利用後溶出狀況，從環境衝擊角度來看，本研究可提供政府焚化飛灰再利用於環境衝擊層面的比較與考量，選擇飛灰再利用較佳的方案以作為政策。
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隨著現代化的發展，人們對於化石燃料的需求越來越高，導致如石油這類的燃料正在日益減少，因此再生能源的發展是目前也是未來不可或缺的議題。其中生質物能源亦甚受重視，若原料來源是廢棄物的話則更具有發展的潛力。其原因之一是廢棄物再利用，可減少廢棄物的堆置；另一個原因是因為生質物主要以纖維素及木質纖維素為主。這類的物料可以產製生質酒精，或者以目前較新的技術應用水熱法液化生質物，產製液體燃料油。水熱法具有原料不須乾燥的優點，相當適合作為裂解生質物、藻類的方法。 本研究以水熱法技術液化廢棄竹筷，目標產物是液體油品。以310、340 ℃不同溫度、 0, 25, 50, 75, 85, 100% (v/v)不同的醇類添加比例、以及不同相的催化劑(同相、異相)探討其對固體產物(原始竹筷以及反應後殘渣)、液體產物、氣體產物以及目標產物油品的品質之影響。結果顯示於340 ℃、異丙醇添加比例75%、且添加5 wt.% 碳酸鉀，固體轉化率可達到88.09 wt.%，且油品的產率亦達到57.01 wt.%，整體效果優於比使用乙醇溶劑。而在此條件下進一步添加固相觸媒氧化鎳以及氫氣進行反應下，並沒有得到較好的效果。因此不建議氫氣直接加入水熱法系統，應該針對後續油品氫化加氫氣較適宜。 於溫度340 ℃、異丙醇添加比例為75 vol.%，及碳酸鉀添加量為5 wt.%的情況下，將得到的油品做模擬蒸餾與其他的油品做比較。結果顯示本研究所得到的油品，其碳數分布主要在C6-C16之間已經接近Jet-A-1航空用油，但其餘性質(如:黏滯度、熱值、極性)仍然不相近。因此所得的油品之外觀、黏滯度比較接近重油以及船舶用油。此油品可進一步加以氫化，提升其品質以接近航空用油。
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利用現地處理工法處理生活污水，對於現階段推動下水道管線建設及興建污水處理廠來處理生活污水的方式之進程緩慢及政府財政來源問題而言，確實是利大於弊之方式。且現地處理工法除了水質淨化的效果外，亦可創造生態景觀及環境教育意義，其功能相對於污水下水道與污水處理廠在目前發展所遇到的瓶頸展現出重要的突破，確實為現階段可以大力推廣的水質淨化工法。 台灣南部二仁溪流經仁德及歸仁兩區，流域面積達350平方公里以上。長期因事業廢水及家庭污水未經妥善處理即排放入，造成河川水質陸續惡化，尤以中下游之三爺溪和港尾溝溪之污染程度最為嚴重。當地政府興建藉由現地處理自然淨化工程，淨化河川污染現況，期能改善溪流水質，給當地居民更好的生活品質。其淨化場利用天然的軟礫石或人工濾材，讓其孔隙表面的生物膜來吸附、分解細菌，提升淨化能力。 本研究即選定其中以天然礫石或人工接觸濾材各一場淨化場，長期監測及採樣檢驗其進放流水質項目，並觀察其操作維護，探討目前處理效益。並配合SPSS多變量分析方法之因子分析，予以分析處理水質項目之特性，來找尋對水質負荷較大的污染因子。進而有效改善或增加處理效果，並提供後續設計參考價值。 結果顯示，礫間曝氣淨化場SS去除率為73 %，BOD去除率約85%，氨氮去除率為68%；波浪型接觸濾材SS去除率則為65 %，BOD去除率66%，氨氮平均去除率為49%。多變量統計分析結果可將影響放流水質好壞之水質項目以懸浮固體為主要影響水質之因素，可視為營養因子，顯示其對水質改善的貢獻度之間的交互作用。
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台灣隸屬銅資源高消費的國家之一，在國內缺乏生產高品位電解銅技術能力之情況下，每年必須向國外高價購買含銅品位較高的電解銅，以滿足國內企業界之需求。國內產官學界正著手進行建構二次銅資源循環體系之計畫，希望建構二次銅資源循環體系以降低對進口電解銅之依賴。 為探討二次銅資源循環與經濟活動相互間之關係，本研究建構二次銅廢棄物投入產出模型，此模型包含產業關聯矩陣、廢棄物處理部門矩陣、各產業廢棄物排放矩陣、廢棄物排放與廢棄物處理關聯矩陣等四大類矩陣，將這些矩陣整合為一個正方形矩陣，計算產業關聯分析矩陣，透過此模型可以清楚掌握各產業部門(動脈產業)與廢棄物處理部門(靜脈產業)之經濟活動與廢棄物流動的關係。研究進一步結合價格向量，建構二次銅廢棄物投入產出價格模型，評估各產業部門在二次銅資源循環體系建立後成本變動之情形。二次銅廢棄物投入產出價格模型用以評估滿足最終需求之直接成本與間接成本之總和，對於產業關聯程度較高之資源與物質，此模型可以反映相關產業價格變動後所帶動之成本變化。本研究初步擬定三種情境方案包括：維持現況，未正式設置電解精煉廠與濕式浸漬廠(情境1)、設置40000噸電解精煉廠與3000噸濕式浸漬廠(情境2)與設置60000噸電解精煉廠與6000噸濕式浸漬廠(情境3)等，分析各產業部門於此三種情境下之單位生產成本。 情境分析之結果顯示，在增設電解精煉部門與濕式浸漬部門之情況下，產業關聯表中52部門之單位生產成本變動幅度大多小於1%，唯污染整治部門之單位生產成本出現降幅超過2%之現象，由於增設電解精煉部門與濕式浸漬部門意味著產業結構之調整，再利用部門之擴增代表產業結構朝靜脈產業擴增的方向調整時，可以促進資源循環，也可使傳統污染整治部門之成本下降。 本研究以2010年電解銅進口之平均價格23.48萬元/公噸為基準，比較高品位電解銅之國內單位生產成本與外購之單位成本，結果顯示，國內自行生產高品位電解銅之成本較國外進口電解銅之成本為高。 本研究為廢棄物管理者提供一個新的思維，協助廢棄物管理者從整體產業結構調整之角度，分析二次銅資源循環再利用之可行性，由於目前環保署事業廢棄物申報與管理資訊系統受限於權責範圍，較難呈現廢棄物成為再利用資源與產品之實際流向與流量。若要確實掌握各類廢棄物之去向，建議環保主關機關所建立之廢棄物處理類別應與再利用產品之製程連結，如此較能清晰判定廢棄物轉化為再利用產品之實際流向，藉以提升廢棄物再利用資料的數據品質，亦可提高二次銅廢棄物投入產出價格模型推估之精確度。
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自十八世紀工業革命以來，人類活動大量開發化石燃料。然而，在化石燃料蘊藏有限之條件下，亦積極找尋其他替代方案作為能源使用。生質能被視為最具潛力之可再生能源，在避免與種植食用作物爭地的前提下，可經由常見廢棄物如農業廢棄物、畜牧廢棄物進行轉換生產。 本研究藉微波誘發焙燒進行反應，將污泥添加銀合歡製成混合材料，經熱化學轉換，提升產物特性，進而產製生質炭，作為替代燃料使用。以微波進行加熱反應，相較於傳統加熱，不僅能減少能源消耗，對於產物反應效率亦能大幅提升；焙燒反應為低溫碳化反應，可保有較高含量生質炭。固態產物分析項目包含熱重分析、重量產率、能量分析、熱值分析、近似分析等，分析產物性質變化，最後以生命週期評估，評估投入與產出之衝擊與效益。 實驗操作條件設定為30分鐘，微波功率應用於污泥及混合材料分別為100-400 W及100-350 W，污泥混合比例為25 %、50 %、75 %。結果顯示，經熱重分析儀測定污泥材料大量散失主要位於溫度200 °C至500 °C之間；重量產率中，污泥單獨焙燒整體隨功率升高，而呈現重量產率下降，微波功率升至250 W以後，污泥僅剩不到投入之一半，功率400 W重量產率為最低值20.48 wt. %。污泥添加銀合歡進行共焙燒反應中，於低功率100 W條件下，污泥混合比例從0 %提高至25 %及50 %時，可觀察重量產率呈現明顯直墜情形，表示污泥添加銀合歡共焙燒能提升整體裂解情形；熱值分析中，污泥除了功率100 W所產生之熱值些微高於原始污泥之外，其餘功率下熱值皆低於原材料污泥。污泥混合比例25 %中，於低功率100 W，熱值可與銀合歡產物相近，可表示低混合比與低功率下能保有產物之熱值表現。 污泥經焙燒後產物之近似分析中，功率250 W至400 W時，揮發分比例僅剩含量介於1.9-4.8 %，灰分比例提高至64.61-72.34 %，固定碳介於30.63- 25.74 %；元素分析中，污泥以Van Krevelan Diagram進行比較，當低揮發分煙煤與產物於功率300 W之H/C值較接近。污泥共焙燒於比例25 %與50 %中，分別以功率350 W及功率150 W較接近低揮發分煙煤之特性。生命週期評估部分，污泥焙燒主要成本投入在於污泥含水量(85 %)於烘箱乾燥單元，可高達292 kWh，表示污泥含水量對於污泥處理為一重要指標。污泥與銀合歡共焙燒可降低污泥乾燥投入成本，亦可保有產物含量較高之熱值。
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本研究利用薄膜電晶體液晶顯示器(Thin-film transistor liquid-crystal display, TFT-LCD)廢素玻璃，其SiO2純度超過60 wt%而具備優良介電性質的特性，將其改質進行資材化再利用製成低溫共燒陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)。LTCC的原料是可在小於900 oC的溫度，與低溶點、高導電性的電極材料進行共燒，產出體積小而符合電子產品輕薄短小的設計原則。然而，TFT-LCD廢素玻璃粉末的燒結溫度在900 oC以上，故有改質降低其燒結溫度的必要性。再者，為使電子設備具備快速的訊號傳輸速度，其介電常數(Dielectric constant)必須小於9；為降低電子產品實際應用時之能量損失，其品質因子須大於300，故本研究以TFT-LCD廢素玻璃添加CaCO3、CaF2與CaB2O4等鈣系調質劑進行調質，除利用玻璃修飾劑(鈣離子)降低其燒結溫度外，並使配比成份與商用之CAS(CaO-Al2O3- SiO2)系與CBS (CaO-B2O3-SiO2)系LTCC相近以優化其介電性質，期其燒結溫度及介電性質符合LTCC應用規範之要求。考量調配之混和原料粉末是否經過熔融玻璃化程序將影響其燒結特性與介電性質，本研究採用「混燒」(混合原料粉末直接燒結)與「玻璃陶瓷」(混合原料粉末先熔融玻璃化後再進行燒結)兩種製程進行資材化研究，並探討製程差異的影響。 研究成果顯示，不同調質劑種類降低TFT-LCD燒結溫度之機制不同，故合適之製程亦不相同。添加CaF2與CaCO3之CAS系統，以「破壞矽氧結構性」機制來降低燒結溫度，適合採玻璃陶瓷製程；添加CaB2O4之CBS系統，以「產生液相輔助燒結」機制來降低燒結溫度，適合採混燒製程。優化介電性質部分，密度與孔隙率是介電常數的主要影響因子，CAS系配比因有較高之緻密化程度，故其介電常數比CBS系配比高。當CaCO3與CaB2O4的添加量上升會使品質因子下降；隨CaF2之添加量上升則因F離子存在而使品質因子增加，可改善其介電性質。製程差異對介電性質的影響在於採玻璃陶瓷製程產出材料之緻密化程度較高而介電常數較高，且因成分均勻、相較單純缺陷較少，故品質因子較高。 本研究成功將TFT-LCD玻璃高於900 oC的燒結溫度，藉由添加CaCO3、CaF2與CaB2O4等調質劑降至900 oC以下，並降低其介電損失而改善其介電性質，使其燒結溫度與介電性質符合商用LTCC的應用規範。
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全氟辛酸（C7F15COOH，PFOA）為一種陰離子界面活性劑，且為持久性有機污染物。本研究之第一部分以超音波化學降解法添加硫酸根離子針對全氟辛酸之降解進行探討。硫酸可透過超音波產生的空蝕效應(Cavitation effect)發生熱裂解反應，而釋放出具有強氧化性的自由基，如硫酸自由基及氫氧自由基等，這些氧化性物質可促進全氟辛酸之氧化分解，本研究欲探討不同的操作參數對於超音波降解全氟辛酸的影響效應，其包括過硫酸添加濃度效應、溶液初始pH值效應、初始溫度效應、及溶液表面張力之影響。全氟辛酸在單一超音波系統照射下，全氟辛酸降解效率隨硫酸根離子濃度增加而增加，當添加117 mM濃度之硫酸自由基時，可於室溫下、90分鐘內幾乎完全降解溶液中之全氟辛酸，其降解機制主要為超音波於水中所產生之空化作用以及其激發水中硫酸根離子轉化為硫酸自由基而破壞全氟辛酸之化學鍵結。其降解之動力大致符合擬一階反應動力模式，無論在酸性或鹼性的初始環境下，其降解全氟辛酸之差異性並不大，但隨溫度升高而下降，主要受到溫度升高時全氟辛酸溶液之表面張力的下降。為深入探討表面張力對於全氟辛酸之影響，本研究第二部分之目的為添加不同性質之界面活性劑觀察其對於超音波降解水中全氟辛酸之結果，全氟辛酸在水中解離後的主要以陰離子形式存在，為陰離子界面活性劑，易吸附在水中氣泡之氣液介面上，故可藉由超音波產生空蝕效應產生之局部高溫將其礦化。本研究以添加陽離子界面活性劑的方式，降低全氟辛酸吸附後氣液界面上的電斥力，提升超音波降解法去除PFOA的效果，實驗時主要探討陽離子界面活性劑的疏水基碳數多寡對全氟辛酸去除效果的影響，並觀察三種界面活性劑混合系統中的表面張力及臨界微胞濃度(Critical micelle concentration, CMC)的變化情形以了解其去除機制。包含分別添加陽離子型界面活性劑（十六烷基三甲基溴化銨，CTAB）、非離子型界面活性劑（辛基苯酚乙氧基化物，TritonX-100），及陰離子型界面活性劑（十二烷基硫酸鈉，SDS）的界面活性劑，結果發現CTAB可增加超音波於水中降解全氟辛酸之效果，其次為TritonX-100，而SDS則具抑制其降解速率之效應，此外，亦改變CTAB之添加濃度、溶液初始pH值、臨界微胞濃度以了解其對全氟辛酸去除效率之影響。
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臺灣工業發展在經濟成長及環境保護等兩方面皆扮演關鍵性角色，環保意識抬頭之風潮下，對於工業區及大型事業造成之廢污水排放越來越重視。近年來國內開始發展水質自動監測（視）及連線傳輸作業應用於工業區放流水，惟目前法規僅要求特定工業區及大型事業於污水處理設施放流口設置水質水量自動監測設施，未能防範工業區內違法偷排之不肖廠商。本研究針對三種工業區感測網設置方案，即分別在污水處理廠放流口、污水管線匯流點及雨水下水道匯流點設置感測網，以淨現值法評估各方案之經濟可行性，並以敏感度分析各方案主要因子對淨現值之影響程度。分析結果顯示，在三個方案中以在污水管線匯流點設置水質自動監測網最具有經濟可行性，其淨現值為最大且為正值，其餘兩感測網設置方案之淨效益上均為負值，屬經濟不可行方案。而三個方案同時實施之總淨現值仍為正值，仍具經濟可行性。敏感度分析結果顯示，三方案之最敏感因子分別為感測網設置成本、污水處理收費金額及稽查罰鍰收費金額。