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
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聯合國政府間氣候變遷專家委員會(Intergovernmental Panel for Climate Change, IPCC)指出，全球平均表面溫度持續升高，隨之而來的氣候變遷跡象將日趨顯著。而全球氣候逐漸變暖的現象有90%以上是因為人類活動導致溫室氣體濃度增加所致，其中二氧化碳是最主要的影響因素，而碳足跡可被定義為用以衡量經濟活動所產生或是產品的整個生命週期過程所累積直接與間接產生的溫室氣體總排放量，除此之外，各項資源匱乏的同時，水資源亦為生存之必要條件之一，其重要性不容小覷，台灣雖然雨量豐沛，但受限地形陡直與降雨季節分配不均，再加上地狹人稠，以致於每人可分配的水量不及世界平均值的 1/6，更為聯合國報告中的缺水國家。然而綜觀目前國內碳足跡評估之研究，多使用製程生命週期評估(Processes Based LCA, PLCA)產品、服務以及企業活動之碳足跡，鮮少針對消費行為及國家等尺度進行探討。緣此，本研究依據能源平衡表推估全國溫室氣體排放量，透過投入產出生命週期評估(Input output Life Cycle Assessment, IOLCA)，將活動數據轉換成貨幣，來探討國內自來水供水系統產生一度水所需之碳足跡，評估傳統淨水處理之豐原給水廠供水系統及海水淡化系統之金門海水淡化廠供水系統供給民眾使用一度水所需之碳足跡，並與製程生命週期評估所得之結果進行比較。結果顯示使用IOLCA計算金門海水淡化廠之溫室氣體，以售水量表示為7.4692 kg CO2 eq/m3，以配水量表示則為5.1816kg CO2 eq/m3。PLCA計算可得以售水量表示為9.6305kg CO2 eq/m3，以配水量表示則為6.6809 kg CO2 eq/m3。用IOLCA計算豐原給水廠以售水量表示為0.0591 kg CO2 eq/m3，以配水量表示則為0.0367 kg CO2 eq/m3。PLCA計算可得以售水量表示為0.1942 kg CO2 eq/m3，以配水量表示則為0.1207 kg CO2 eq/m3。本研究推估因部份盤查資料不亦計算與分配，且水廠之原物料多為國外進口，貨幣單位與物理單位的轉換有困難度，導致兩種評估方法之結果有明顯落差。
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本研究主要目標係探討我國因受溫室氣體逐年增加影響極端氣候發生，而導致農業經濟損失，影響健康衛生及直接衝擊人民安全之關係。研究分成2部分：第1部分，蒐集並統計臺灣地區過去49年(1961~2009年)二氧化碳排放量，國內生產毛額、人口總數、天災次數、平均溫度、降雨量，利用線性回歸模式探討氣象因子與天災農業經濟損失、天災死亡人數及醫療支出之關係，建立未來(2010∼2100年)氣象因子變化與各項危損失之預測模式。第2部分為應用上述預測之未來氣候變遷損失，估算二氧化碳及空氣污染防制減量效益，推算減量措施減少二氧化碳及空氣污染排放量後，整合代入「空氣資源整合效益模型(Air Resource Co-benefits Model, ARCoB Model)」，以評估2者作為減量效益之分析比較。 根據本研究結果得知，至2100年若台灣以以A1F1情境發展，則臺灣二氧化碳排放造成臺灣地區累計之天災經濟總體損失約4,554,377,520千元(新台幣，以2009年為基準每年均通貨膨脹率及GDP校正)，而2010~2100累計平均每噸二氧化碳之天災農業經濟損失、天災生命價值損失及氣候變遷之醫療支出分別為82.12元、36.45元、5,594元。其中，以氣候變遷造成之醫療費用支出比例最高，約佔全部損失之97%。主要原因醫療費用本身實際支出有持續性，如氣候引發慢性病可能會造成每年都會有醫療支出，農業經濟損失及天災生命損失則是單年損失。 接續透過空氣資源整合效益模式分析交通及住商部門之減量政策，並探討其效益，交通部門以油電混合車減量效益最高，跟汽油車比較起來約可增加6,714.16元/年˙輛；住商部門係以全臺灣全面以省電燈泡取代傳統鎢絲燈泡效益最高，全臺灣地區共約增加72,212,269千元/年。 更進一步細部分析減量效益，對於節省醫療支出效益方面，二氧化碳排放減量效益大於空氣污染排放減量效益；而在壽命增加效益方面，空氣污染排放減量效益會大於二氧化碳排放減量效益，主要原因為二氧化碳排放引發氣候變遷影響人類健康層面大於空氣污染排放。
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鑒於世界資源逐漸匱乏，先進國家紛紛將資源循環及永續發展視為國家重點發展政策，朝向資源循環永續利用的前瞻新思維。 然而，在自然資源有限的條件下，如何兼顧經濟、社會及環境三個面向成為重要課題，其根本要素之一便是經濟社會發展所需之自然資本使用速度不應超過自然資本的再生速度及供給限制量。因此，城市採礦的觀念便油然而生，城市採礦不僅能夠趨緩人類對於自然資源短缺的問題，其所能創造的綠色商機亦是無可限量。許多高科技產業如LED光電、面板、螢幕、半導體及3C數位產品元件等，皆需要特定的稀有資源如釔(Y)、銪(Eu)、銦(In)、鎵(Ga)、鉭(Ta)及釹(Nd)等作為其關鍵材料，面對中國稀有資源供給限縮政策下，未來恐將衝擊我國新興產業之發展，更加突顯城市採礦體系的重要性。 本研究採用文獻分析法並利用產品產值計算方式，以手機、數位相機、DVD播放器及電腦主機板為例，計算其城市採礦產值。其中前三項產品以日本環境省30% 回收率作為依據，電腦主機板回收率為46.91 %，四項產品之城市採礦產值為3.6億，此為將稀有金屬以產品角度所計算之產值，若將稀有金屬以原料角度計算其生產產品產值，數據將大幅提升。本研究並藉由臺灣經驗推估中國城市採礦產值，發現城市採礦產值與該年度GDP總額具相關性，誤差百分比約在5 %~ 25%，以此概念可推估廣東、江蘇及浙江為目前中國最具城市採礦發展潛力之地區。
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本研究第一部分利用以鎳金屬作為基材之濾網鑲嵌氧化鋅觸媒，裝設於配備紫外光 (365 nm) 燈之空氣清淨機中，分別於空氣品質測試艙和實場中進行空氣污染物去除率測試及空氣污染物濃度檢測。空氣品質測試艙利用可控制環境條件設定不同相對濕度 (高相對濕度：70 ± 5 %、低相對濕度：40 ± 5 %) 及空氣污染物之初始濃度 (HCHO：0.5 ± 0.05 ppm、1.0 ± 0.1 ppm；TVOC：1.4 ± 0.1 ppm；3.0 ± 0.3 ppm) 進行空氣污染物去除率測試，將測試結果與二氧化鈦鎳金屬濾網在皆有開啟紫外光燈且相同環境條件下之去除率進行比較，並選擇去除率較高之光觸媒鎳金屬濾網安裝於實場之空調型空氣清淨機中，檢測空氣污染物 (HCHO、TVOC) 在開啟此空調型空氣清淨機前後之污染物濃度變化，並將空氣品質測試艙之實驗參數條件代入質量平衡模式 (mass balance) 及氣流分析軟體 (CONTAM)，模擬預測實場使用光觸媒鎳金屬濾網之空氣清淨機時，污染物濃度隨時間之變化。預測結果利用平均絕對百分誤差 (Mean Absolute Percentage Error, MAPE) 方法驗證其模擬方程式之可行性。 測試艙HCHO、TVOC之60分鐘測試結果，在三種環境條件下 (低濃低濕、高濃高濕、低濃高濕)，氧化鋅鎳金濾網HCHO去除率結果，三種環境條件皆在未開啟紫外光燈照射濾網時去除率最高 (低濃低濕為7.88 %、高濃高濕為12.67 %、低濃高濕為11.45 %)； TVOC去除率之結果，三種環境條件皆在開啟紫外光燈照射濾網時去除率最高 (低濃低濕為6.87 %、高濃高濕為15.75 %、低濃高濕為8.09 %)，且不論是否有開啟紫外光燈，氧化鋅鎳金濾網在高相對濕度及高初始濃度時，對HCHO及TVOC之去除率最佳 (HCHO為12.67 %、TVOC為15.75 %)，而濃度與濕度未顯著影響本實驗使用之紫外光燈對HCHO及TVOC之去除率 (HCHO為4.25~5.89 %、TVOC為3.33~5.11 %)。 空氣清淨機效能之CADR值均與去除率測試結果相符：空氣污染物去除率高則CADR值也越高。將上述測試結果與二氧化鈦鎳金屬濾網在相同環境條件下之去除率進行比較，結果為開啟紫外光燈照射濾網時，二氧化鈦鎳金屬濾網對HCHO及TVOC之去除率皆大於氧化鋅鎳金屬濾網。 第二部分將二氧化鈦鎳金屬濾網安裝於某實場之空調型空氣清淨機測試，以質量平衡模式及氣流分析軟體CONTAM模擬實場中HCHO及TVOC之 20分鐘濃度變化， HCHO之MAPE值結果為預測準確度可接受之範圍 (13.52 % ~ 38.80 %)，TVOC多數皆在預測準確度優良之範圍 (8.28 %∼50.81 %)；以氣流分析軟體CONTAM模擬預測污染物之濃度結果顯示，HCHO (5.38 %) 及 TVOC (7.07 %) 預測準確度皆為佳。實場之污染物去除效能推估結果為HCHO去除量為0.09 ppm/day；TVOC去除量為0.44 ppm/day。
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零售業長時間與顧客面對面接觸，是連接生產者與消費者之間的橋梁，能藉由銷售環保產品改善消費者行為及促進永續發展，透過採購行為將大眾意識傳達給上游生產者，因此零售業對社會的永續發展非常重要。本研究主要目的旨在彙整永續性指標、國際零售業永續作為及國內外零售業評分指標，再經由專家問卷確認及業界後試評，提出台灣的綜合商品零售業所適用永續性評比架構。藉由兩階段問卷進行調查，首先應用模糊德爾菲法(Fuzzy Delphi Method, FDM)之專家問卷確認初擬之架構，篩選出35項綜合商品零售業永續性評比架構(包含3構面11項準則35項次準則)。其次進行模糊分析層級程序法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process, FAHP)以決定各項永續性評比架構之權重值。研究結果顯示，前五重要之評比項目為「顧客資料保密」(0.115)、「安全購物場所」(0.110)、「營運績效」(0.099)、「財務風險管理」(0.067)及「訂立供應商準則」(0.065)，可知專家學者認為「經濟面」下之顧客關係及達到企業獲利目標是重要的。並透過兩家企業進行試評，確認本研究建立之綜合商品零售業永續性評比架構之適用性。此外，為了讓此一評估架構亦能同時評估賣場及店面的永續性，故提出評比機制調整方式及建議，透過刪減店面不適用之次準則，留下可針對店面進行評比之準則共包含3構面7項準則18項次準則，可適合評比個別店家之永續性。
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本研究藉由固化穩定化配合含浸不同材質之活性碳處理高砷污染之土樣，藉由不同參配比以觀察其經過TCLP溶出試驗，探討高砷土樣固化後重金屬濃度之溶出行為特性。研究結果顯示，超標重金屬砷、汞、銅與鉻經過固化處理後僅有砷仍無法達到標準，而其他重金屬皆能符合TCLP溶出試驗之標準濃度。本研究並進一步藉由溶出百分比以觀察各參數之影響，其結果顯示含溴化鈉活性碳與含硫活性碳添加比越高，會導致土樣中之砷與鎳含量逐漸被活性碳所吸附，且活性碳添加比超過5%即會造成固化體崩解之現象。於溶出成效即可發現，砷與鎳等重金屬雖在同樣參配比之狀況下，養護時間7天之溶出百分比卻低於養護時間28天之效果。另本研究發現添加含溴化鈉活性碳對鉛之抑制效果相當出色，且藉由降低水泥參配比而提升活性碳參配比，其效果越好。而添加含硫活性碳對鉛、鋅與銅之處理效果亦相當出色，水泥參配比20%之狀況下搭配5%、10%或15%之活性碳，經過養護時間28天時便可抑制鋅與銅之溶出百分比達到5%與0.5%以下。
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聚乙烯醇為一種親水性高分子聚合物，氫氧基連接每個碳鍵，結構簡單但聚合度高，因此被視為難分解的有機污染物。用途非常廣泛，可用作漿料、塗料、黏著劑、穩定劑、分散劑、乳化劑、增厚劑、感光劑和填充材料等，由於工業所需，估計全球每年聚乙烯醇產量可高達600,000噸。雖然聚乙烯醇對生物的毒性不高，但是由於分子量大且容易水解之特性，經由生態圈中的食物鏈易造成生物累積之現象。排放到河川及湖泊中則是會使水體的黏度上升並產生發泡的現象。因此如何有效處理聚乙烯醇的排放成為了工業上的一大課題。 本研究經由實廠利用之考量，設置一組實驗室規模之零價鐵流體化床程序，以符合工業上實廠連續使用之原則。在零價鐵流體化床處理聚乙烯醇的實驗中，分別測是四種由文獻得知之零價鐵流體化床操作因子，其包括濾床零價鐵添加量(ZVI dosage)、水力停留時間(HRT)、反應酸鹼值控制(pH)及反應槽溶氧量(DO)。首先由文獻參考並分別測試四種ZVI dosage (5 g/L, 20 g/L, 30g/L, and 40g/L)，實驗結果指出當ZVI dosage由5 g/L增加至30 g/L時，聚乙烯醇去除效率可提升19.22%，ZVI dosage由30 g/L增加至40 g/L時已無法明顯提升聚乙烯醇去除效果。在三種不同HRT的測試中可以發現，當HRT由30分鐘延長至60分鐘時，聚乙烯醇的去除效果可提升10.09 %，再由60分鐘延長至90分鐘時只提升0.86%之聚乙烯醇去除率。由三種不同pH的測試中可以發現，當零價鐵反應控制於pH 2之酸性狀態時能達到較佳去除效果。在零價鐵消耗測試試中發現，增加ZVI dosage至30 g/L以上雖然無法明顯提升去除效果，卻可以延長零價鐵濾床的使用期限。最後由上述操作參數搭配不同曝氣包括氮氣、空氣及氧氣，其實驗結果指出，當曝氮氣且進流聚乙烯醇水溶液濃度為100 mg/L、濾床零價鐵劑量為40 g/L、pH值為2及水力停留時間為60分鐘之厭氧條件下，聚乙烯醇的去除率為15.80%；在相同的實驗參數下，當曝空氣且溶氧為5.59 mg/L時，聚乙烯醇的去除率為78.47%；將溶氧以曝純氧的方式提升至20.00 mg/L時，聚乙烯醇及總有機碳的去除率則分別可達到80.23%及12.77%。 零價鐵反應動力學方面，當進流聚乙烯醇濃度為100mg/L、反應pH 2、零價鐵30g/L、曝純氧(100mL/min)及水力停留時間30分鐘時之反應速率常數4.5798 hr-1為最高。單位容積鐵去除聚乙烯醇方面，當進流聚乙烯醇濃度為100mg/L、反應pH 2、零價鐵30g/L、曝純氧及水力停留時間30分鐘時之13.9 mg PVA / g ZVI最高。由複合迴歸結果可以得知，pH及溶氧於單位容積鐵去除聚乙烯醇及反應速率常數上具有較大的影響力，過量的零價鐵劑量及過度的水力停留時間則不具有明顯正面影響。在聚乙烯醇之反應副產物的評估中可以發現，雖然總有機碳的去除效能不盡理想，但是結果也證明了巨大分子的聚乙烯醇確實降解成小分子化合物。
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汞一直被視為具有高毒性且能於人體以及動物體內生物累積的高毒性污物，汞物種中又以甲基汞的毒性最高。而燃煤過程所排放的汞往往是最大的人為汞產生源，是近年來備受關注的環境議題。為提升燃煤電廠吸附劑噴入法所用之吸附劑的吸附效能，故許多材料例如活性碳、沸石分子篩都被開發應用作為吸附劑。天然沸石是一種具經濟效益且有高陽離子交換能力的材料，而MCM-48是一種具有中孔立體結構的沸石，可用來作為良好的載體吸附劑。為了增加吸附劑的吸附容量，通常會對吸附劑進行改質。銅鹽於近年也被視為另一可用之含浸試劑，此類金屬鹽類含浸之吸附劑因其具有氧化元素汞能力，能同時提高微量汞吸附量及增加氧化元素汞的效能。故本研究將評估經銅鹽含浸後MCM-48的沸石材料其物理化學性質，並使用此材料來吸附元素汞，以便更了解表面性質與汞的平衡吸附和氧化效能的關係。銅鹽的含浸比例分別為2、4、8、16 wt%，含浸程序為將6 g原始材料MCM-48浸泡於30 mL之CuCl2•2H2O水溶液，然後於60–70°C下以磁石攪拌6 hr，帶水溶液完全蒸發後將樣品至於120°C之烘箱烘乾。汞吸附試驗在模擬煙氣與氮氣兩種環境條件下進行。 整體而言，樣品經含浸過後其比表面積與總孔體積皆有略微的下降，而微孔比表面積與微孔體積則有上升的趨勢。汞吸附實驗結果顯示，於氮氣環境下進行吸附實驗其含浸比例4%與8%的樣品吸附量高，分別為1329與1325 μg g-1，值得一提的是當含浸比例超過10%後吸附效果會有下降的情形；但不論在煙氣環境或氮氣環境下，經銅鹽含浸處理過後，其對於汞之吸附量皆較原樣來的高。從氧化實驗中可發現，在模擬煙道氣條件下，經銅鹽含浸4%與16%的樣品平均氧化百分比皆超過50%。而在動力模式分析方面，在氮氣條件與煙氣條件下皆以零階模擬最符合實驗的結果。
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本研究主要藉由中石化(CPDC)之熱脫附實驗室，以模廠級旋轉窯進行土壤熱脫附實驗。首先以實驗室管柱試驗初步定義土壤受熱影響程度與可能操作之脫附條件(i.e., 較適脫附操作溫度)，之後將該條件配合不同之脫附溫度與延時獲取放大數據後，應用於旋轉窯反應器，以獲得於不同脫附條件下土壤質地變化與土壤中汞與戴奧辛殘量變化情形。實驗測試包含四個土樣(以A、B、D、E代碼表示)於350、450、500、550、700及800℃脫附處理之物化特性、汞與 PCDD/Fs 殘量變化情形、汞型態分佈及戴奧辛物種分佈。結果顯示加熱後土壤pH皆由原本的中性或弱鹼轉變為強鹼性，土壤中有機質含量隨加熱溫度升高而減少。所有土樣中之汞(6.7–480 mg kg-1)經500℃持溫0.5小時模廠熱脫附條件下，濃度均可降低至管制標準以下(20 mg kg-1)，PCDD/Fs 毒性當量亦可低於管制標準(1000 ng I-TEQ kg-1)。PCDD/Fs經低溫熱脫附試驗下(350℃、450℃)，高氯PCDD/Fs脫氯分解形成低氯PCDD/Fs。原始土壤中 PCDD/Fs 組成顯示，OCDD及OCDF為主要化合物，熱脫附前與熱脫附後土壤中所含 PCDD/Fs 則多以 PCDD為主。汞之型態分佈顯示，熱脫附前與熱脫附後之型態分佈均以殘餘態為主，顯示該場址之汞不論處理前後其生物可利用性均偏低。建議未來可測試較低脫附溫度以節省能耗。考慮後續土壤再利用，亦可考量於明火條件下適度降低熱脫附處理溫度。本研究促進瞭解污染物經熱處理後之再分配行為，期許所得結果能做為未來實廠建構與熱脫附參數選擇之依據。
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本研究分為觸媒製備及光催化應用部分，製備含氮觸媒TiOxNy 進行 SEM、TEM、FTIR 之觸媒特性分析，再與觸媒 P-25 分別去除標的汙染物氣相汞，期望在不同實驗條件下氧氣、水分、光線種類及反應溫度，透過光觸媒作用對於氣相汞進行吸附達到去除效果，並比較改質後之差異性，評估其改質之實際效益。 經基本性質分析結果顯示改質後觸媒粒徑增大，晶相有轉變金紅石晶相趨勢，且測得觸媒含有氮元素且以官能團型式存在於表面；在光催化系統結果，其改質與未改質觸媒對在 0% 氧氣時皆發生因水分子競爭吸附造成汞脫附，TiOxNy 和 P-25 之脫附比例分別為 50% 及 12%，摻入氮後觸媒表面形成官能基，以化學鍵結減緩水分子對其競爭能力，即提高對水之抵抗性。 而在以照紫外光及可見光下，改質前後之觸媒皆有良好汞吸附效率，增加氧氣濃度效率隨之增加，在21% 氧氣及照紫外光下，其吸附效率可分別達 68% 及72%，而在有氧情況下，促進環境中氧化汞形成，使得沒有汞脫附產生，吸附觸媒表面上大多以氧化汞為主要形式，當形成後馬上吸附於觸媒表面；而提高環境溫度，隨著溫度上升而兩種觸媒之吸附效率皆是降低，但改質 TiOxNy 在環境 50℃ 時較穩定，在 21% 氧氣濃度下吸附效率可達 48 %。 煙道氣體一氧化氮、二氧化硫及鹽酸氣體對於光觸媒吸附效率皆為負面影響，在 6% 氧氣及照紫外光之實驗條件下，二氧化硫及鹽酸氣體使原本 70% 效率降至 40-50%，而一氧化氮存在則降至 30%。