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
選擇卷期
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本研究利用光催化觸媒結合薄膜程序探討併同處理六價鉻及有機污染物，光觸媒(TiO2)經由光能激發反應生成電子-電洞對，產生e-與h+可以同步進行氧化與還原作用，有利於處理極度氧化態的Cr(VI)與極度還原態的EDTA，再依據勒沙特列原理，當e-持續消耗將增加h+之可利用率，因此對於兩種污染物去除結果進行比較。 本研究首先利用光觸媒單一對於Cr(VI)與EDTA處理，再將兩種污染物混合進行併同處理測試，同時可以選定光觸媒之最佳添加量以及當污染物在單一及併同處理下之反應去除率差別，再利用離子交換薄膜進行內部反應機制的探討，選定陰離子薄膜以及陽離子薄膜，根據反應之污染物電性以及離子半徑探討光觸媒在不同環境下之內部反應機制，經由光觸媒之同步氧化還原反應結果顯示，當Cr(VI)與EDTA之濃度為50mg/L時添加1.00g/L之TiO2，倂同兩種污染物處理對於Cr(VI)在240分鐘時，去除率較單一去除時高出約為27.9%，且添加過量之TiO2(大於1.00g/L)會造成UV光難以穿透進而產生遮蔽現象(block effect )，且有鑑於併同處理之反應較單一處理時佳，故增加有機污染物量進行測試同步氧化還原之最佳條件，結果顯示當添加Cr(VI)與EDTA之添加莫耳比在1：1.3時，Cr(VI)去除效果在120分鐘即有99.0%以上且EDTA亦有96.0%以上的去除效果，雖然EDTA去除率隨著添加量增加而下降，但是當添加Cr(VI)與EDTA之添加莫耳比在1：3.5時，有機污染物的去除總量達到最大且Cr(VI)仍有99.0%以上的去除效果。 根據質量守恆檢視總鉻之質量並未平衡，經由XRD與EDS之儀器分析結果顯示，光觸媒將部分之鉻酸鹽吸附於其表面，當使用最佳添加量1.00g/L之TiO2吸附率約為41~48%，且利用光觸媒併同處理兩種污染物之反應條件皆在酸性條件下為最佳，當將pH值調整至中性亦或是鹼性時，反應去除效果成效隨之遞減，且利用GC/MS分析有機污染物分解完之副產物為異丙酸胺，再增加薄膜程序利用離子交換薄膜進行內部反應探討結果顯示，當併同處理兩種污染物時，將會使電子-電洞對之表面束縛力降低，電子會由於電洞與有機污染物反應後降低吸引力，且當Cr(VI)被還原成Cr(III)時，由於薄膜兩面電性中和且因離子半徑及薄膜孔徑之結果分析，單一去除或是有機污染物之添加量不足時Cr(III)會有經由勒沙特列原理再氧化之作用回復成Cr(VI)。
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我國各處工業區功能多元，然目前包括傳統產業以及中小企業規模有限、園區廠房閒置、職掌機關的不同以及資源錯置等現況，還需要面對廢氣、廢水、廢棄物處理等環境問題，加上當今驅使產業共生(Industrial Symbiosis, IS) 的消費族群求新求變之外，以及現行環境法規制度與利害關係人等壓力驅使下，迫使工業區必須進行生態化的改造。 緣此，本研究嘗試探討台灣既有工業區轉型成生態化工業園區(Eco- Industrial Parks, EIPs)之可能作法，除了從國內外的文獻整理各種可能的途徑外，並以五股工業區為本研究案例。從五股工業區的廠商中，整理出園區內可能的產業生態化資源鏈結，並嘗試計算其經濟與環境效益。 經深入調查園區內企業的廢棄物產生情形，發現九個可能形成資源化及生態化之鏈結，包括有廢潤滑油鏈結，廢塑膠粒料鏈結，廢油墨鏈結，廢觸媒、廢噴砂之鏈結，蝕刻液、廢酸洗液鏈結，爐渣與廢鑄砂鏈結，有機汙泥鏈結，冶煉矽鐵(粉)鏈結，以及能源與廢水資源化處理等結果。由於許多廢棄物產量的資料無法順利取得，因此本研究僅就上列最前面的四個鏈結進行環境與經濟效益的估算。估算結果顯示這四個鏈結每月約可減少處理12.26公噸的廢棄物，不算其中可能成為其他企業之原料效益之外，其在事業廢棄物處理的成本上，單月約略可節省十萬元新台幣(不包含清運成本)。而推估單月在原料採購成本概約為十二億元新台幣，亦即總計資源化經濟效益將超過十二億元新台幣。 本研究藉由文獻及五股工業區的案例研究，對於既有工業區要成為生態化工業區提出以下幾點建議：園區內成立推動小組；宣導資源化及廢棄物交換的即時資訊平台；個別廠商減少能源及資源的使用，並降低廢棄物的產生；區內引進必要之廢棄物資源化工廠；強化園區服務中心的功能，增設廢棄物及廢氣排放之專責部門，以實際掌控區內廢棄物產生及流向；園區藉個別廠房的綠化，鼓勵採用綠建築的概念；當局提供法律、政策及經濟等誘因，使能自主管理。希冀透過本研究可為國內為數眾多的各種形式之工業園區，找出一條既能兼顧環境，又能活絡經濟的永續之路。
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本研究以南部某工業區污水處理廠污泥及經磚窯廠隧道窯焚化後之污泥灰作為燒結製磚之原物料，並利用南部某既設之紅磚製品工廠製程進行燒結資源化試驗，其成形壓力、燒結溫度及燒結時間等操作條件皆已固定，故主要探討原物料組成含量變化對紅磚性質（燒失量、體積收縮、吸水率、抗壓強度、重金屬溶出、重金屬含量、SEM及XRD等）之影響。 實驗過程中以紅磚製品工廠使用之黏土為主原料，工業區污水處理廠污泥為副原料，其取代黏土之比例介於0〜20％，並以5％為增量變化；而另一實驗係以工業區污水處理廠污泥經磚窯廠隧道窯焚化前處理後所得之污泥灰作為燒結副原料，其主原料、污泥灰摻配比例及增量變化之控制皆與污泥燒結製磚實驗相同。 經實驗結果顯示：以工業區污水處理廠污泥與黏土燒結所製得之紅磚，隨著污泥摻配比例之增加，抗壓強度有下降趨勢，吸水率則相反，而紅磚之抗壓強度均可符合普通磚國家標準之一種磚規範；吸水率則可符合三種磚規範，其中添加5%及10%污泥所燒製之紅磚吸水率更是可達二種磚之標準。綜合考量紅磚之吸水率、抗壓強度及重金屬溶出量，在摻配10%污泥與黏土進行燒結，可得到低吸水率高抗壓強度之紅磚，且重金屬溶出可符合法規標準。 以工業區污水處理廠污泥灰與黏土燒結所製得之紅磚，隨著污泥灰摻配比例之增加，抗壓強度與吸水率皆有上升之趨勢，其中紅磚抗壓強度可符合普通磚國家標準之一種磚規範；吸水率則可符合三種磚規範，惟已接近三種磚規範之上限值，因此未來以工業區污水處理廠污泥灰燒結製磚應特別留意。綜合考量紅磚之吸水率、抗壓強度及重金屬溶出量，在摻配15%污泥灰與黏土進行燒結可得到低吸水率高抗壓強度之紅磚，且重金屬溶出亦可符合法規標準。
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垃圾焚化後所產生之飛灰或反應生成灰中主要含有有害物質為重金屬與戴奧辛（DXN），其中鉛重金屬含量仍約有50％機會超出法規之毒性溶出管制標準，另DXN亦是有害的主要成分，若能去除此廢棄物中的有害性物質，在未來或許能將其進行資源再利用，以達垃圾零廢棄之目標。本研究之目的是利用微波輔助酸消化方式處理焚化飛灰，以期降低重金屬含量與破壞DXN之物質，使飛灰經無害化處理後再併入現有底渣的資源化處理。 經由本研究已分別比較不同酸液（硝酸、鹽酸）與在不同濃度條件下，由結果得知，硝酸在消化能力上較鹽酸佳。使用硝酸為消化液時，由微波功率600W、消化液濃度9M、固液比1/10下進行不同消化時間與溫度之多次實驗結果發現，在100℃下，對於單一粒徑（平均55µm）之反應生成灰，隨著消化時間增加鉛溶出量也相對增加，當消化時間為2分鐘時樣品鉛溶出量為15.62 mg/L（註：該樣品全溶出量為40.74mg/L），消化時間為16分鐘時樣品鉛溶出量為25.78 mg/L，因此消化時間由2分鐘至16分鐘對於樣品經MDT後鉛溶出量增加了10.16 mg/L，以溶出百分比而言，消化時間由2分鐘至16分鐘溶出百分比加了24.9％。而當消化溫度達160℃、消化時間16min時，單一粒徑（平均55µm）反應灰樣品之鉛TCLP溶出量之削減率達90％以上。；另由實驗數據迴歸結果可推估出MDT處理之鉛TCLP溶出量削減速率方程式可表示成 （140℃）、 （160℃）。 而利用MDT處理反應灰中DXN之結果顯示，在微波設定條件為溫度（600℃）、功率（600W）、消化時間（1小時）與消化液濃度為HNO3（15.6 M）+H2SO4（17.8M）下，反應灰經MDT後之戴奧辛由0.58~1.12下降至0.0026~0.00019（ng-I-TEQ/gdw），而當消化時間由60min降至30min時，戴奧辛值為0.00047（ng-I-TEQ/gdw）與消化時間30min戴奧辛值差異不大，且戴奧辛之削減效率皆高達99％。另外在MDT後之廢液中DXN含量只佔原灰量約0.015％，其餘DXN被破壞，將不會衍生二次污染之問題，更說明MDT可以把反應灰中戴奧辛破壞而達無害化之目的。 最後由MDT應用於工程上之成本分析結果顯示微波消化法之處理費用（6,903元/噸）高於目前我國較常使用之固化法處理成本（3,758元/噸），但卻比熔融法之處理（10,049元/噸）低。並且依本研究結果顯示微波消化後之飛灰中重金屬大部分溶出與戴奧辛大部分被破壞使得飛灰成為無害化之物質，其飛灰可資源再利用所產生之效益也會相對減低所需處理成本，此值得後續工程上評估與推廣。
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產品服務系統（Product Service System, PSS）最初是由IPP及EPR等概念衍生而來，同時能達到去物質化之目的，因此被視為永續發展之重要工具。為了要讓PSS的環境效益能發揮到極致，實施PSS前之環保性的評估將有其必要性。本研究在比較了各種定量的環境績效系統，採用一套可以量化產品服務系統績效之工具。透過事前的環境績效評估，可以使得企業應用較環保的產品服務系統，以有效減少產品總生產量，進而促使產品環境化設計，並達到產品永續發展之目的。由於目前相關文獻非常有限，因此本研究希望透過評估產品環保性的工具中，篩選出一種適合應用於台灣之評估PSS的工具。 在評估了多種可以量化產品環保性之評估工具後，本研究採用日本學者所發展之物質使用水準（level of material use）作為本文之研究方法。該方法曾用以評估日本電機產品之PSS，並假設電機電子產品之PSS可以有三種不同型態，分別是：非租賃/非再使用系統、傳統再使用系統與租賃系統，以作為模擬之情境假設。透過分析產品系統之使用情況與年度產品需求量（Annual Product Demand, APD），可以探討各個情境下之產品使用情況，並進一步將結果作為整體市場組合之參考，最後從年度產品量需求量瞭解各系統與環境之間的關係及影響。該研究結論指出，欲降低租賃系統之年度產品需求量需滿足三項條件：（1）減少租賃產品的數量；（2）延長租賃產品壽命，使之能與第一手產品的壽命一樣；（3）提高租賃系統中產品之再使用數量。 本研究將此一方法應用於國內的影印機產業，並將模擬的情境增加為九種，以研究各不同產品服務系統模式之環境衝擊。由業者的訪談得知，目前國內影印機市場分佈模式以租賃方式為主，其次為買斷模式，而再次使用需求/再製造為最少。本研究透過物質使用水準評估方法進行情境模擬分析後得知，國內市場的配置方式，會造成環境的高度負荷，但若具市場殘餘價值之產品進入再製造程序，則可大幅提高產品使用效益，因此建議廠商應加強保養及延長產品使用年限，以提升產品商業價值與環境效益。
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生物除氮最常利用的是將自營性硝酸菌、亞硝酸菌之硝化作用與異營性脫硝菌之脫硝作用結合。自營菌把胺基酸或是微生物細胞死亡，經水解成的有機氮、氨氮硝化成亞硝酸氮、硝酸鹽氮，再利用異營性脫硝菌還原總硝酸氮為亞硝酸氮及氮氣，逸出水中藉以除氮。由於碳源於曝氣槽硝化反應後已開始缺乏，故在脫硝反應時必須加入碳源。 下水污泥中揮發性物質約佔總固體物質之60~80%，主要揮發物質組成為C、H、N及P等，其所產出之污泥含水率與有機物含量均偏高，因此會有體積較大與不易燃燒的特性。在污泥減量過程中，將污泥轉換成溶解態或非常微細固形物之過程稱為污泥水解，再將水解產物繼續進行生物分解，將有機碳轉換成無機碳如二氧化碳、甲烷或氫氣，以達到污泥減量效果。 本研究結合以上兩種生物反應分解原理，以迪化污水處理廠為例，藉由厭氧消化後之污泥迴流至生物反應槽，提高脫硝反應所需之碳源並達污泥減量之目的。迪化污水處理廠生物反應系統無硝化液迴流設計，具厭氧污泥消化系統，其厭氧消化後污泥已轉換成溶解性或微細物質，但仍以有機碳形式存在，利於異營性生物脫氮所需碳源，且可進行第二次生物反應，以減少污泥量，減少後續迪化污水處理廠污泥處理及處置的費用。但是迪化污水處理廠目前實際操作，每日處理近50萬噸之污水，其處理水質必需符合最新之放流水標準，降低其承受水體(淡水河)總污染負荷，無法輕易進行硝化後污泥迴流至生物反應槽之試驗，因此本研究先行以加拿大EnviroSim公司所研發而成的BioWin污水程序分析軟體進行模擬，提出迪化污水處理廠達最佳去氮效率及污泥減量雙目標下之參考操作參數。 因迪化污水處理廠現階段進流水水質污染濃度較低且無硝化液迴流設計，其缺氧區之pH值、碳氮比及溶氧不利脫硝反應，就有機物氧化、細胞質合成及硝化反應而言，現階段最佳操作參數為，曝氣池MLSS採1,500mg/L、溶氧值採2.0mg/L、三階段進流比採0.8：0.1：0.1、停留時間4.7hr為宜，得放流水水質為BOD：3.34 mg/L、COD：14.5 mg/L、SS：6.31 mg/L、TN：20.75 mg/L、Filtered TKN： 3.10 mg/L、 NH3-N：1.32 mg/L、NO3--N：2.65 mg/L、NO2--N：14.6 mg/L 、TP：1.56 mg/L；將厭氧消化污泥0.2迴流後雖出流水COD濃度約略提高0.6mg/L，但廢棄脫水污泥產生量約減少4,634.1 kg/day。若改行單段進流其缺氧槽只保留第一段為菌種選擇區，後續第二段、第三段之缺氧槽改為好氧槽，其處理水質之氨氮濃度低於階段進流模式，NH3-N去除率由92.31%提升為94.46%。
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洗掃街車已證實能有效去除鋪面道路上的粒狀污染物，以達到改善空氣品質。然而影響洗掃街車之洗掃效率因子相當多，例如：車行揚塵、路面街塵負荷量、氣象因子、洗掃機具及洗掃方法等。而由於氣象因子較無法有效去界定及控制，而車行揚塵、街塵負荷量及洗掃方法可作為判定洗掃作業之削減成效之依據，亦較易掌控，故本研究之重點在於找出影響洗掃效率之洗掃參數和洗掃頻率進行探討，以作為未來之管制策略。 經全國街塵採樣調查結果得知，全國之平均街塵負荷為4.46 g/m2，以彰化縣、臺南市及屏東縣較高，均超過8.0 g/m2，而連江縣、臺北市、新竹市及臺北縣之平均街塵負荷較低，均低於2.0 g/m2。平均坋土負荷為0.60 g/m2，以臺南市及屏東縣較高，均超過1.0 g/m2，而臺北市及連江縣之平均坋土負荷較低，均低於0.1 g/m2，其他縣市之平均坋土負荷則介於0.1 ~ 1.0 g/m2的範圍之間。平均坋土比例為13.36%，以臺南市最高，為17.84%，臺北市最低，為7.48%。 經洗掃街車模擬試驗之結果，擬定掃街車之最適操作參數為：車速為5 km/hr、鼓風機轉速為2,500 rpm及噴水量為0.2 L/min；掃刷角度皆固定在45°。洗街車之最適操作參數為：車速10 km/hr、噴水位置右開、用水量650 L/min及噴水角度45°。 從洗掃效率之分析結果發現，於掃街段中，其削減效率為52.78 ~ 70.16%，平均為61.06%；於洗街段中，其削減效率為49.81 ~ 79.10%，平均為62.66%。各等級道路中，A級道路之掃街和洗街削減效率分別為55.56%和51.41%；B級道路分別為60.89%和61.67%；C級道路分別為68.08%和77.47%。 最後，由於街道揚塵洗掃作業係以將道路提昇至A級為目標，故本研究建議一套最適洗掃執行方式。A級道路僅執行掃街作業，掃街頻率為每5天掃街一次；B級和C級道路建議可搭配掃街和洗街作業ㄧ同執行，洗掃頻率各為每3天及2天洗掃一次。由本研究結果可知，增加洗掃街頻率，將可有效改善街道髒污品質。
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我國主要的垃圾處理設施為垃圾焚化廠，而一座焚化廠得來不易，因為其屬鄰避設施(Not In My Back Yard, NIMBY)，興設過程中容易遭受反對及抗爭，更甚者發生流血衝突。焚化廠一般規劃之營運期間為20年，而國內第一座大型垃圾焚化廠－台北市內湖焚化廠，早於民國81年即開始營運，迄今雖即將屆齡，然而其操作運轉仍相當正常，並且相關的除役法令規範仍付之闕如，應否就令其屆齡除役，或延長其服務，政府應及早規劃並評估因應。目前全台有24座大型垃圾焚化廠營運中，這些焚化廠不久也將會面臨同樣的問題。緣此，本研究主要目的為發展一套以永續發展觀點來協助決定是否垃圾焚化廠應延長服役之評估架構。 本研究首先經由廣泛文獻探討及研究生之前辦理焚化廠興建營運管理業務經驗，從永續性的環境、經濟及社會三構面，並加上政策面成為四大構面，初擬18項評估量度作為評估架構，並發展成專家問卷，以模糊德爾菲法(Fuzzy Delphi Methods, FDM)經由三階段問卷，篩選並確認出四大構面及20項評估量度；之後利用分析網路程序法(Analytic Network Process, ANP)，確認各量度的重要性權重值。研究結果顯示，評估指標中以「民眾意見」的權重最高達14.19﹪，其次為「垃圾處理成本（10.89％）」、第三為「多元化整合性廢棄物處理政策（8.09％）」。 為了回應台灣廢棄物“零廢棄”的政策，政府機關對於已操作營運多年之公有大型垃圾焚化廠，建議應儘早進行評估規劃該焚化廠是否需延長服役或轉型成其他教育設施或環保博物館。本研究為初探性研究，限於時間未能完成實證研究。建議後續研究者可以針對單一垃圾焚化廠進行案例研究，並依據該焚化廠之特性與需求考量是否調整本研究之評估架構，或是給予各量度不同或相同的權重，使整體永續策略管理與績效評估之架構更為周延。
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近年來，最佳管理措施(Best Managemant Practices,BMPs)已成為國內處理非點源污染及水質管理之重要手段。本研究沿用行政院環保署之非點源削減試驗計劃之場址與數據，並後續增加3場暴雨資料，藉此評估多槽處裡設施(MCTT)在本土之適用性。本研究場址設置於坪林行控中心內，主要收集其建築物屋頂及停車場之暴雨逕流，本MCTT場址自96年5月完工啟用，共操作8個月收集9場暴雨資料，經利用濃度去除率法估算MCTT對各種污染物之平均去除效率，分別為，SS：72％、COD：44％、大腸桿菌：51%、氨氮：47%、TP：54％、鉛：52％、銅：40%、鋅：75％，油脂：62%；另外由於過濾槽使用泥炭，釋出色度，因此出流水的色度增加了59％，但經過二個月操作後已無色度釋出。 此外，本研究利用統計之相關係數來檢視污染物之去除率與降雨強度及總降雨量之關係。計算結果，油脂與降雨強度呈現負高度相關，其餘皆為低或無相關，再經統計之t檢定其相關係數之顯著性，結果顯示僅油脂與降雨強度之負高度相關為顯著，其餘去除率之相關係數均不顯著。 本研究與阿拉巴馬州大學校園示範MCTT之數據針對全系統、沉澱槽及過濾槽作一比較，在全系統方面，去除效率尚稱良好，尤其以氨氮較為突出，其他皆與阿拉巴馬大學校園示範型 MCTT相當；在沉澱槽方面，去除效率除COD外，其餘皆相近；而在過濾槽方面，去除效率普遍較阿拉巴馬大學之示範型MCTT為好。
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本研究運用AERMOD(American Meteorological Society / Environmental Protection Agency Regulatory Dispersion Model)模式以北台灣某製藥廠為例，對其所排放惡臭進行評估，並模擬臭氣排放路徑確認影響地區，先後利用OP-FTIR(Open Path Fourier Transform Infrared) 與GC/MS (Gas Chromatography / Mass Spectrometry detector)來監測所排放出污染物濃度。本研究於2006年以OP-FTIR選取兩次不同時間進行長期污染物監測；2007年則以GC/MS將現地採樣結果進行分析。將兩年度臭氣擴散情形以AERMOD進行模擬，並將實測與模擬結果由皮爾森公式，求出相關係數r值分別為0.9297與0.8392，兩者誤差尚於合理範圍內，是故對於臭氣濃度之預測具有良好成效。 於模式當中，臭氣衰退半衰期亦為一重要參數。因此本研究以2006年採得樣品臭氣濃度與距離進行迴歸分析，其中R 值範圍為0.6249-0.8886。將半衰期輸入模式中，能使模擬結果更貼近實際污染情況。再者擴散源所含之污染物種，會因個別濃度與閾值而影響臭氣濃度。本研究將污染物經OSL(Odor Simulation Level)轉換後，找出最具影響力之三項物種，經迴歸後可得一迴歸方程式，式中之係數本研究稱為臭氣權重係數，可作為影響臭氣濃度之判斷指標。將方程式預測與實測值以皮爾森公式運算，得出兩者相關係數r值為0.8518，故為一良好且可信之數據。綜合AERMOD、OP-FTIR及GC/MS，不僅能找出致臭物，估算受污染範圍，亦能供政府單位與製造業方面管理階層作為參考，進而防制空氣污染物擴散。