交通大學環境工程系所學位論文
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淨水場普遍使用前加氯搭配混沉程序移除水中藻類，然而前加氯會破壞藻體細胞而生成總三鹵甲烷等消毒副產物，此外，若原水中含有溶解錳將會消耗前加氯量。當原水中同時含有大量藻類及溶解錳時，以次氯酸鈉為前氧化劑無法有效氧化水中溶解錳，因此，部分淨水場會使用二氧化氯或高錳酸鉀作為替代氧化劑以增進溶解錳氧化效率，故在氧化程序中，氧化劑之選擇將顯著地影響混沉程序移除藻類及錳顆粒物之效能。 本研究主要探討原水中同時含有藻類及溶解錳時，不同氧化劑(次氯酸鈉、二氧化氯及高錳酸鉀)對水中藻類及溶解錳之氧化效果，及對後續搭配混沉程序移除藻類及錳之效能。實驗原水以掃流超過濾薄膜模組對寶山水庫表層水進行濃縮，並以人工添加溶解錳(0.3 mg/L)方式配置而得，再以此原水進行前氧化搭配混沉試驗。在氧化試驗中，將改變次氯酸鈉、二氧化氯及高錳酸鉀氧化劑量及氧化攪拌時間，以流式細胞儀分析水中藻類活性並分析氧化後水中溶解錳(錳離子及有機錳)含量，以了解不同氧化劑對藻體細胞活性及溶解錳氧化程度之影響。 研究結果顯示，以次氯酸鈉及二氧化氯氧化可破壞藻體表面結構而大幅降低藻體活性，而以高錳酸鉀氧化則不易降低藻體活性，但可誘使藻類釋出胞外物，其中又以二氧化氯氧化降低細胞活性之反應動力常數值(k_(t=30s))為最大。當溶解錳存在於含藻原水時，次氯酸鈉氧化可有效降低藻類活性但無法氧化水中錳離子及有機錳，而高錳酸鉀可有效氧化溶解錳形成錳顆粒物，但添加過量會造成水中錳離子含量升高，僅二氧化氯氧化可同時有效降低藻體活性並氧化錳離子及有機錳。使用硫酸鋁混凝劑，以高錳酸鉀氧化提升藻類去穩定之效能最佳，而二氧化氯前氧化同時提升混沉除藻及錳之效能最佳。
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本論文主要目的，在研究雙層含水層系統中污染物傳輸問題，此雙層水層系統包含兩個水層中間夾著有限厚度的滯水層，形成含水層-滯水層-含水層的系統。就此，我們發展一個描述在此系統污染傳輸的一維數學模式，在含水層中傳輸的機制主要是傳流與延散，滯水層中傳輸的機制主要是傳流與擴散，在上端含水層移行的污染物，可穿透滯水層而進入下端含水層。所建立的傳輸模式，利用拉普拉斯轉換方法，可導得拉普拉斯域解析解，透過數值逆轉，可求得污染物在各水層中濃度對時間的分布。同時，本文也發展顯式有限差分模式，以模擬污染物在該水層系統之二維傳輸。數值模擬的結果，顯示位於上、下水層之深度平均濃度與本論文推導的解析解預測結果，僅存在些微差異。而研究結果顯示，上端水層的污染物遷移，受到滯水層的影響，速度明顯的減緩，若忽略滯水層內的傳流，會低估下端含水層的污染物濃度，尤其污染物釋放時間很長時。反之，若增加滯水層的流速，則下端含水層的污染物濃度會顯著增加。
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薄膜積垢問題是生物薄膜反應器在應用上最大的限制，儘管已有許多研究針對薄膜積垢的機制及預防進行廣泛地探討，薄膜積垢的問題依然存在於生物薄膜反應器中。薄膜上的積垢不僅會導致出水通量的衰減，同時也縮短了薄膜的壽命，增加操作成本。因此本研究結合電混凝程序及生物薄膜反應器，建立一套電化生物薄膜反應系統(electro-MBR)，探討不同電流效率對於薄膜積垢延緩的效能，以污泥特性、微生物活性及出流水水質作為電化生物薄膜系統對薄膜積垢延緩效能的三大指標。本研究設定電流密度範圍介於10–40 A/m2，利用批次試驗來找出最佳的電流密度後應用於長期連續式電化生物薄膜系統，試驗時間為15天。胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)的量測包含溶解型及結合型的聚合物；便攜式流式细胞攝像(Portable Series FlowCAM)來分析污泥特性如平均顆粒粒徑、污泥長寬比及污泥絮狀物的表面型態。試驗結果顯示當電流密度為20 A/m2對長期連續式電化生物薄膜系統可有效提高污泥絮狀物的聚集且有最佳延緩薄膜積垢之能力。電化生物薄膜系統具有優良之出流水水質，出流水中的有機物及氨去除率皆可高於98%。連續式及間歇式的電化生物薄膜系統在試驗15天後其積垢率皆遠低於傳統的生物薄膜反應器，分別為5.7及7.8倍，且在試驗期間，間歇式的系統因薄膜的透膜壓力上升緩慢，故不需要任何化學清洗，而連續式的系統則需清洗1次。此外，亦可顯著地觀察到在電化生物薄膜反應系統中沒有絲狀菌膨化問題和污泥絮狀物的結構和型態的改變。綜合上述結果所述，電化生物薄膜系統中的掃沉混凝(sweep-coagulation)及電氧化作用(electro-oxidation)是影響薄膜積垢延緩的重要因素。
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有害廢棄物由於具有危害性，加上人口密度高及處理場分配不均，導致增添清運風險，故必須規劃適當之清運路徑以降低風險，唯國內目前尚無適當的工具可供使用，本研究因而建立一套優選有害廢棄物清運路徑之方法。本研究首先分析有害廢棄物清運風險相關因子，分為有害廢棄物物質風險、運輸風險、沿線影響人口及成本。有害廢棄物物質風險因子主要是基於有害廢棄物物化特性及運輸重量評估物質風險指標；運輸風險因子主要考量各路段運輸事故發生機率的計算方式；沿線影響人口因子則是依據有害廢棄物危害影響範圍乘上人口密度估算；而成本因子主要考量運輸距離，建立上述因子評估方法後，接著建立有害廢棄物清運路徑優選工具，分為演算法及規劃模式，演算法採用最短路徑法，並依據各路段清運風險及成本作為權重，進行路徑優選；規劃模式以最小清運風險及成本作為目標式，並利用權重法設定不同權重優選路徑。 本研究所建立的方法適用於國內不同類型有害廢棄物之清運路徑優選，並以種類複雜及產出量最多的製程有害事業廢棄物進行案例研討，並建立北部、西部及南部各一虛擬案例，以示範應用本研究所建立之方法。根據結果發現，若僅考量成本規劃清運路徑，易忽略清運風險，而各案例優選清運方案與最短路徑清運方案比較，優選清運方案可避免行經高風險路段，有效降低清運風險，針對危害性進行分析，危害性指標也明顯優於最短路徑清運方案，如南部案例優選清運方案比較最短路徑清運方案，運輸風險值由0.407%降至0.122%、沿線影響人口數也由5012人降至3146人，依P3法所估算運輸風險值因而由2099降至439，危害性指標R_POP_HP(3.22*10^3)也降為最短路徑(1.71*10^4)清運方案的五分之一倍。
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有機紫外線防曬劑(Organic UV-filters)屬於個人保健用品，主要用途為吸收紫外線以便於保護人體皮膚避免產生傷害或癌症。除此之外，它還被大量運用在日常生活產品中如：臉面乳、洗髮乳、護唇膏及包裝材料等。有機紫外線防曬劑在這些產品中的添加比例可高達10%，其使用量及在環境中被測出之濃度也逐年提升。為了瞭解有機紫外線防曬劑對不同營養階層間之敏感度表現以及評估有機紫外線防曬劑是否對水體環境產生衝擊，本研究於有機紫外線防曬劑中挑選4種常用之化合物分別是Benzophenone-3(BP-3)、Benzophenone-4(BP-4)、2-Ethylhexyl 4-methoxycinnamate(EHMC)及Octocrylene(OC)，來進行不同營養階層之水生生物(月牙藻、水蚤及鯉魚)之毒性評估。 物種敏感度結果顯示，在不同營養階層間，月牙藻對BP-3及EHMC最為敏感，其半影響濃度(EC50)分別為0.572及0.102 mg/L，未被觀察之影響濃度(No Observed Effect Concentration, NOEC)值分別為0.041及0.036 mg/L；水蚤對OC最為敏感，其EC50值為0.110 mg/L， NOEC值為0.004 mg/L；鯉魚對4種有機紫外線防曬劑敏感度皆小於上述兩種水生生物。 在毒性評估方面，本研究利用急性毒性及慢性毒性試驗結果中之最敏感物種之EC50及NOEC數據，以及環境中量測之有機紫外線防曬劑最高濃度(maximum Measured Environment Concentration, MECmax)，分別求出急毒之風險商數以及慢毒之風險商數。結果顯示BP-3及BP-4無論經由急毒或慢毒性之毒性評估，所求得之風險商數(RQ)值皆小於1，顯示此兩物種在環境中並無危害性。然而OC之分析結果卻顯示，其以急毒或慢毒性所求得之風險商數(RQ)值皆大於1，顯示OC在環境中具有顯著之危害性。EHMC於急毒之風險商數值大於1，卻在慢毒之風險商數值小於1。由於存在於水體中之有機紫外線防曬劑相當微量且停留時間相當長，因此對於EHMC而言，相較於急毒性，慢毒性之風險商數較適合用於毒性評估，儘管EHMC被評估為對環境無危害性，不過也應加強對EHMC之使用量之監控。
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本研究為了探討鹵素結構吡啶類對於藻類之毒性影響評估，選用單細胞藻類-月芽藻(Pseudokirchneriella subcapitata)為試驗物種，毒性物質為含鹵素取代基之吡啶，以Δ DO、Final Yield、Growth Rate等三個反應終點，進行一系列之藻類毒性試驗。針對難溶解藥物以添加丙酮(Acetone)改善其水溶性問題，並以solvent control 試驗做為品管依據。本研究試驗終點敏感度排序分別為FY(81.82%) > ΔDO(18.18%) > GR，代表觀察藻類細胞顆粒數的變化可以很容易觀察到毒化物所造成的毒性變化。在物種敏感度比較的部分本研究所使用的月芽藻具有相當高的敏感度。而透過藻類毒性試驗可發現取代基Br－提供最大毒性且pyridine環上的鹵素取代基數量越多毒性隨之昇高，同分異構物也因為取代基位置不同而有明顯的毒性差異。 透過QSAR迴歸結果可知本研究化合物對於親脂性參數logKow有良好的相關性(r2=0.82-0.86)，對於電性參數Ehomo的迴歸相關性則顯得不盡理想(r2=0.30-0.33)，而將兩種參數合併迴歸後其相關性仍在可接受範圍內(r2=0.80-0.84)，代表未來可利用本研究之吡啶類QSAR方程式簡單迅速的推估同類化合物，大幅度節省試驗成本及人力資源。 為探討傳統機制分類的準確性，本研究藉由主成分分析(Principal component analysis, PCA)及群集統計分析(Hierarchical Cluster Analysis, HCA)重新歸類pyridine類化合物，分類結果在非極性麻醉當中有四個化合物落在範圍之外，分別為2,3-Dichloropyridine、2,5-Dichloropyridine、3,5-Dichloropyridine以及2,3,5-Trichloropyridine，其中2,3,5-Trichloropyridine在此分析結果屬於反應性物質。因此利用統計方法PCA及HCA可以有系統的將化合物的物化特性結合生物反應，進一步歸類化合物的毒性作用機制，不再像傳統分類法只是依照化合物的結構而進行簡單分類。
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建築物設置綠屋頂可降溫節能，但傳統綠屋頂由於一些問題，因而不易在國內推廣。本研究因而建立接受度較高且成本效益較佳的中空水盆式綠屋頂。該綠屋頂建置校內建築的屋頂上，且留一半裸屋頂作為比較。並以儀器連線監測日照、溫度、熱通量、水盆水位等數據。再依據所收集資料比較二個屋頂間屋頂表面及室內等溫度及熱通量等之差異及進行相關數據分析。且參考ISO9869及使用LORD模式估算中空式綠屋頂熱傳係數U-value值，亦以之前研究所建立環工館EnergyPlus模式推估該中空式綠屋頂的節能效益。也建立一個能量平衡模式分析中空綠屋頂的熱能變化。 依實測結果，夏天時中空綠屋頂及裸屋頂表面溫差超過20度，降低屋頂表面熱脹冷縮，可保護屋頂表面。兩屋頂下之室內溫度差約2-4度。中空綠屋頂依材質所估算的U-value在假設中空層較通風與不通風情形下分別約為0.79及0.86W/m2K；依實測值估算U-value，雖然在裸屋頂部分尚可接受，但中空綠屋頂因動態變化無法得到收斂的結果，LORD模式亦因而無法得到收斂結果。節能效益依EnergyPlus模擬結果，若在實驗裸屋頂上設中空綠屋頂則每年約可節電為9.71-9.81kWh/m2，若在傳統裸屋頂上則由於原來的隔熱效果已較好約為5.71-5.83kWh/m2。中空綠屋頂能量平衡分析結果，潛熱約占77%，可感熱約占4%，綠屋頂藉由植物調節之蒸發散作用，將屋頂表面部分可感熱和儲熱轉換部分潛熱釋放，可有效隔熱。
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綠屋頂因具有延長屋頂壽命、降低建築能耗、減少雨水逕流、空氣淨化、降低熱島效應等多重效益，故已在一些國家推廣，唯傳統式綠屋頂由於較重、安裝費時、不易維護屋頂、影響夜間散熱等問題，故不易在台灣推廣，本研究群因而開發了中空式綠屋頂，唯尚未針對此一種新型綠屋頂作生命週期及成本效益評估，故本研究用針對薄層綠屋頂(GR) 、水盆式中空綠屋頂(HGR)、傳統綠屋頂(CR)三種不同屋頂形式進行綜合評估，且據以比較分析其個人及城市規模成本效益。 本研究所採用的方法主要分為生命週期評估、個人及城市規模成本效益評估等三大部分，生命週期評估主要針對三種屋頂分析及比較其生命週期中對於環境的衝擊，GR及HGR溫室氣體衝擊分別約為4.6、12.1 kg CO2 eq/m2，減碳效益則分別約為30.2及22.8 kg CO2 eq/m2；CR10、GR+CR40及HGR + CR40三種屋頂四十年生命週期的年均成本分別為202、240及229NT$/m2/yr，雖接近但仍比CR20高。若將經濟效益列入考量則GR與HGR分別約為192、183 NT$/m2/yr，已略低於CR10，但仍高於CR15及CR20。 城市規模成本為個人成本資料乘以新竹市可安裝綠屋頂面積而得，GR及HGR的減碳效益分別為10.9及10.5-10.6 kg eCO2/m2/yr；減少排水系統負荷分別為0.276及0.469元/ m2/yr、減少空氣污染物處理及損害成本分別為0.152及0.525元/m2/yr、減少熱島效應則為51.71元/ m2/yr。全市減碳總效益則約分別為164及158-160千噸eCO2 /yr；經濟效益則約109及107-109千萬元/yr，主是來自於節能效益，由於台灣缺乏自有能源，這是很重要的效益，所得結果預期可作為台灣地區綠屋頂相關規劃與決策時之重要依據。
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生質酒精(bioethanol)是各國積極發展替代能源之一，尤其木質纖維素來源豐沛，可直接從農林廢棄物或能源作物取得,因此利用木質纖維素(lignocellulose)生產酒精已是國際最熱門的研究主題，木質纖維素主要由可產醣的纖維素和半纖維素所構成，然而木質纖維素是結構堅固複雜的天然高分子複合物，需經過適當的前處理以去除木質纖維素中的束縛物，才可提升酵素產醣效率，醣類再經發酵即為生質酒精。 本研究以稻殼為原料，稻殼是亞洲最常見的農業廢棄物之一，稻殼中亦含有豐沛的纖維素和半纖維素(大約分別佔稻殼重量的40%和20%)。本研究沿用實驗室先前利用氫氟酸搭配鹼性過氧化氫前處理法，同時破壞稻殼中木質素結構以充分利用稻殼中無機(SiO2)和有機(Cellulose)部分，在研究中探討將鹼性過氧化氫使用後的鹼液回收循環使用，以節約化學品用量和降低前處理成本。本研究實驗結果指出，經氫氟酸和鹼性過氧化氫回收液在連續十次相同實驗條件處理下，稻殼最高產醣效率可達813±23 mg glucose/ g treated rice husk，十次連續回收鹼液進行前處理實驗中平均產醣量可維持在750±30 mg glucose/ g treated rice husk，纖維素轉換率之最高值與平均值分別可達99±1%和95±4%，另外回收鹼液實驗中鹼性化學品投入量可降低為正常前處理流程的47±7 %。
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選擇性觸媒還原法(Selective catalytic reduction，簡稱SCR)已經被長時間使用於固定汙染源中處理氮氧化物(NOx)。傳統上以MoO3/TiO2或V2O5/TiO2觸媒為主要的觸媒成分，然而其操作溫度過於狹窄(300-400℃)，限制了SCR在高NOx濃度低溫度排放 工業的應用。波洛斯凱特(Perovskite)型觸媒具有成本低和在1000℃高溫下結構穩定的特色，可被視為在工業應用上具潛力的SCR觸媒。 本研究中探討波洛斯凱特型觸媒在低溫SCR反應中的活性。一般而言，波洛斯凱特觸媒結構的通式可以寫成ABO3，其在不改變材料結構的狀態下，利用部分置換A或B位置的金屬陽離子來增加反應活性和改變原本A或B位置陽離子的氧化態。本研究中以共沉澱法製備La(1-x)Sr¬(x)Mn(1-y)Co(y)O3 perovskite-type oxides，並分為四大群組ABO3、AA'BO3、ABB'O3和AA'BB'O3共13種觸媒。於200ppm NO, 200ppm NH3, 空間速度70000h-1下探討各觸媒在低溫系統之NO轉化率，其中以LaCo0.2Mn0.8O3觸媒在系統溫度150℃下之95%NO轉化率為最佳，當系統溫度到達350℃，NO轉化率衰退到65%以下，在高空間流速100,000h-1下，NO轉換率下降至不到65%。在物性方面，根據BET分析結果顯示，反應溫度150℃下觸媒之NO轉化率與比表面積成正比，XRD分析結果指出晶相越不顯著者，NO轉化率越高;化性方面，由TPD分析結果顯示，NO脫附量越多，NO轉換效率越高，TPR分析中顯示還原波峰越早出現者，NO轉換效率越高。