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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生活污水主要成分為醣類、蛋白質和脂質，它們是消耗河川水體中氧氣的主要化合物。現今民生污水處理廠普遍利用好氧活性污泥法處理污水，在該處理方法中，碳質成分被生物轉化為生物質和二氧化碳，活性污泥系統不僅消耗能量，而且還會產生過量的污泥，需要進一步消化和處置。而利用厭氧生物方法除了免曝氣動力外，還可將污水中的有機化合物轉化為甲烷氣的能量，並減少污泥量的產生，這種方法已在熱帶國家（如巴西和印度尼西亞）實行。惟實際操作生活廢水的厭氧處理效率主要取決於溫度、微生物濃度和水力停留時間，以及如何保留厭氧微生物在反應系統中避免被沖洗出，為此，近年來厭氧生物處理生活污水技術已得到了極大的發展。 有鑑於厭氧生物處理中微生物對於不同基質之利用率不同，反應程序與相對應產物也相異，本研究中使用AnIBPR（Anaerobic immobilized bio-plates reactor）系統研究了醣類和蛋白質的生物降解，以了解基質間厭氧生物降解率和產氣情形。實驗建立一單槽連續式反應槽處理合成污水，在水力停留時間HRT 12小時，恆溫水域35℃下，以不同濃度醣類（1000、750、500、250及0 mg/L）與固定濃度1000 mg/L蛋白質（50％植物性蛋白質與50％動物性蛋白質）混和比例之進流作為合成污水基質主要碳源，分析厭氧固定生物系統對於不同濃度混合基質之COD去除率、各基質去除率、甲烷產氣率與甲烷回收率，並探討醣類與蛋白質共降解之影響。 研究結果顯示，本實驗使用厭氧固定生物系統處理醣類與蛋白質合成污水，各階段處理效率達97.5％ - 90.1％，總甲烷回收率為81.0 % - 55.0 %，最佳甲烷產量為0.28 L CH4/g COD removed，回收率達81％，整體而言，本厭氧固定生物系統能有效地將進流有機物轉換成氣相及液相等不同形式的甲烷存於系統中，且相較於只有添加蛋白質進流之第Ⅴ階段合成污水，第Ⅰ至第Ⅳ階段添加醣類進流時對於總COD及蛋白質降解效率提升，經過計算後本實驗進流濃度下，第I至第Ⅳ各階段每添加1公克的醣類可增加0.05-0.08公克蛋白質的降解，經由本研究推測在生活廢水厭氧處理中，醣類基質的存在會促進蛋白質在COD去除和甲烷轉化作用，良好的甲烷回收率顯示厭氧固定生物系統處理污水具有產能及能源回收的可行性。
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全氟化合物 (Perfluorinated chemicals, PFCs) 是一人工合成物，為良好之界面活性劑，被廣泛應用於工業與民生用品中，隨著長碳鏈PFCs之危害研究越來越多，現今許多產業逐步將短碳鏈PFCs作為長碳鏈之替代品，如全氟丁烷磺酸 (Perfluorobutanesulfonic acid, PFBS)，因其具較小之毒性與生物累積性。然而，近年來在環境與生物體中陸續測得短碳鏈PFCs之存在，歐盟於2020年將PFBS加入高度關切物質清單中，美國環保署也於2021年修訂PFBS對人體健康之安全暴露劑量，因此發展有效去除短碳鏈PFCs之方法為重要之議題。 本研究利用改質活性碳 (OAC) 去除水中之PFBS，分析改質前後活性碳之比表面積、界達電位、表面結構和組成成分與鍵結，並探討pH值、OAC量、PFBS濃度和系統溫度對去除效果之影響。研究結果顯示，初始PFBS濃度為200 ppm且pH值為3.2之水樣，控制系統溫度為25 ℃時，加入10 g/500 mL之OAC反應30分鐘，有最佳PFBS去除效果，去除率為99.412 %，吸附量為9.901 mg/g，此吸附過程符合擬一階吸附動力模式與Freundlich等溫吸附模式。上述結果說明改質過程改變了活性碳的物化性質，進一步增加了OAC的吸附能力。 此外，將吸附過後之OAC重複利用，每次吸附後都會有部分的OAC吸附位置被填滿，造成去除速度和去除率逐次降低，去除率由第1次99.412 %降至第10次66.797 %，吸附量亦由第1次9.901 mg/g減少至第10次6.689 mg/g。 最後，將OAC用以吸附其他常見之PFCs，並比較PFBS和全氟辛酸 (Perfluorooctanoic acid, PFOA)、全氟辛烷磺酸 (Perfluorooctanesulfonic acid, PFOS) 之競爭吸附關係，實驗發現PFOS最易被吸附，PFBS最不易被吸附。而將OAC應用於實廠廢水，實驗結果顯示，實廠廢水中的有機物可能會和PFBS競爭吸附或阻擋吸附位置，使得PFBS之去除效果降低。
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近年來溫室效應的加劇以及化石能源的匱乏，使得各國政府急需尋找更清潔的能源。在這種背景條件下，取之不盡用之不竭的太陽能源就獲得了各國政府的青睞。而太陽能電池的大量應用，就會產生大量的光伏電池廢棄物。所以太陽能電池的回收技術，也需要受到重視。 當前占據光伏市場主體的是晶矽太陽能電池，晶矽太陽能電池是第一代太陽能電池。剩下的市場則被第二代太陽能電池——薄膜太陽能電池所占據。目前市場上，薄膜太陽能電池主要分爲兩類，一類是碲化鎘（Cadmium Telluride, CdTe）太陽能電池；另一類是銅銦鎵硒（Copper Indium Gallium Selenide, CIGS）太陽能電池。CIGS太陽能電池的光吸收層是由銅、銦、鎵、硒四個元素組成，如果能夠有效回收這些元素，能夠使CIGS太陽能電池更加符合環保要求，也能讓CIGS太陽能電池產業更有競爭力。 本研究使用微波熱裂解的方式來做前處理，目的是去除廢棄CIGS太陽能電池表面的有機材質；再使用高溫氧化法來分離回收硒元素；最後使用高溫氯化法來逐步分離和回收鎵元素與銦元素。 在微波熱裂解的過程中以200 W的微波功率，將手工裁剪後的CIGS太陽能電池板在氮氣的氛圍下加熱1 h。使得樣品失重率達到90%以上，最終溫度穩定在330 ℃左右，再將樣品研磨成粉末。使用微波熱裂解後的樣品，在純氧環境下以800 ℃氧化1 h，用去離子水吸收尾氣中的二氧化硒，從而達到回收硒元素的目的。再將去硒後剩下的殘渣混合氯化銨，在氮氣的氛圍下加熱至260 ℃~540 ℃，同樣用去離子水吸收尾氣中的鎵銦氯化物，從而達到回收鎵元素與銦元素的目的。 本研究之結果顯示，使用微波熱裂解作爲前處理能夠有效去除CIGS太陽能電池表面的有機質，並且能夠大幅度提升銅、銦、鎵、硒等元素在樣品中的含量，並且微波加熱相比較傳統電加熱有更好的加熱效率。在硒回收實驗中，僅需要600 ℃氧化30 min即可回收99%的硒元素。在鎵銦回收實驗中，不同溫度下鎵銦回收有明顯的先後順序，可以通過控制溫度來分步分離鎵元素與銦元素。 本研究的回收方法對比傳統的酸浸出回收金屬法，最大的優勢是不會有大量的強酸性廢液產生，並且有較好的回收效率。未來應有機會能夠應用在工業生產中，對於環境也相對較爲友好。
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近年來，微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)被認為是一種新興的生物電化學技術，可以透過陽極/陰極(缺氧/好氧)槽行氧化還原作用，將污水中的營養鹽污染轉化為電能，達到同時淨化水質與產能的效益。其中陰極性能對於整個系統的功率輸出至關重要。除了將各種化學催化劑摻入陰極來提高性能外，微生物被觀察到可以促進陰極氧氣的還原、提高陰極輸出效能，微生物作為一種催化劑相較於化學催化劑更加環保。但是，仍需要探索生物催化陰極的長期活性和穩定性，並進一步證明其驅動真實電子元件的應用可行性。本研究第一部份中，我們開發了低成本的三槽無膜式MFC。著重比較生物催化陰極(生物陰極)和酞菁鐵(Iron Phthalocyanine, FePc)催化陰極(化學陰極)系統的長期性能。透過評估廢水的出流水質，系統的發電量進行效能評估，並結合電化學交流阻抗分析(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)以及16S rRNA基因高通量測序進行生物膜的電活性分析及微生物群落分析。此外，設計了一套電能管理系統(Power Management System, PMS)對MFC產生的電能進行能量收集。結果顯示在連續運行過程中，兩種系統(化學與生物陰極)均顯示出較高的化學需氧量去除率和氨氮去除率，但生物陰極MFC的總氮去除率明顯高於化學陰極MFC。即使在生物膜生長的情況下，化學陰極在整個操作期間仍顯示恆定的陰極電勢。與標準氫電極相比，生物陰極則顯示出波動但逐步增加的陰極電勢，能提供超過500 mV的電壓，這可能是由於生物陰極生物膜於電極表面的逐漸富集所導致。運行6個月後，生物陰極MFC的最大功率密度可以達到化學陰極MFC的5倍。 EIS分析的結果顯示，生物陰極比裸碳氈陰極(未生長微生物與塗佈鈦菁鐵)具有更高的歐姆電阻，但是微生物生物膜會大大降低陰極的極化阻抗。微生物群落分析結果顯示，Nitrospira是所有陰極生物膜中最主要的屬，但生物陰極中Zooglea的含量遠低於化學陰極和開路下生物陰極的樣本。連接PMS時，生物陰極和化學陰極MFC都成功地為電容器充電以驅動溫度傳感器。但是，生物陰極MFC電壓在充電91小時後顯著下降至低於100 mV，但在斷開PMS時逐漸恢復。 在本研究的第二部分中，我們沿續第一部份使用的模組(三槽無膜式MFC)進一步探索了生物陰極的串聯放大可行性。這部分評估了生物陰極MFCs在長期串聯放大下的電化學和污水處理效能。結果顯示，基於生物陰極的MFCs能不受串聯放大的影響，提供穩定的廢水處理性能。本研究對生物陰極的分析顯示，在生物陰極中也會發生電壓反轉，陰極電位大幅下降。我們的研究結果進一步證實，操作大約一個月後，生物陰極的電壓可以自動恢復，相較於生物陽極的回復期長得多。對於從電壓反轉恢復的生物陰極樣本進行電化學交流阻抗分析，結果顯示由於電容效應，極化阻抗顯著增加。串聯放大下的生物陰極系統亦成功為電源管理系統中的電容進行充電，進而驅動給小型傳感器。生物陰極的16S rRNA基因高通量測序的結果顯示Thiothrix (40.9％)被大量發現存在於具有電位回復功能的生物陰極樣本中。總體而言，這些結果表明，生物陰極的微生物群落可能轉移成具有電容特性的生物膜組成，從而克服串聯連接過程中的電壓反轉衝擊。 在本研究的第三部分中，我們進一步探索了陰極生物膜於不同模組的並聯放大可行性。這部分使用無膜式空氣陰極MFCs作為模組，探討其在並聯放大下的電化學和污水處理效能，並仔細探討了輸出功率放大損失的成因。與第一種模組(三槽無膜式MFC)不同，陰極生物膜於空氣陰極MFCs中時，雖可能促進污水去除效果，但反而對輸出功率帶來負面影響。陰極輸出電位、極化曲線和功率密度結果顯示，生物膜對陰極電位產生負面影響，導致放大時輸出功率損失增加。循環伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)和EIS結果顯示陰極表面因生物膜附著導致起始電位下降、歐姆阻抗大幅增加，極化電阻些微降低。微生物群落分析結果顯示變形菌門與擬桿菌門為主要群落，其中與氮循環(Pseudomonas、Thiobacillus、Flavobacterium)、硫循環(Chlorobium)與氯循環(Dechlorobacter)相關的菌株為主要優勢菌屬。 本研究第一部份探索了生物陰極MFC在三槽無膜式MFC中長期運行的種種特性，證明了其廢水處理和能量收集的潛力，並揭露穩定性為生物陰極系統於長期操作時的關鍵因子；第二部份延續相同的模組證實了生物陰極MFC於串聯電壓反轉下的電能回復與生物電容特性，顯示本系統於串聯放大的應用潛力；第三部份探究了陰極生物膜於無膜式空氣陰極模組中對於並聯放大時的功率損失、電化學與微生物群落特性，替該系統於並聯放大的生物膜控制策略提供進一步的解析。未來有必要進一步擴大基於陰極生物膜的MFC放大化與控制策略的研究。
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為了應對未來資源稀缺之趨勢，及經濟活動產生之廢棄物總量逐年增長的問題，循環經濟的做法提供了產業界革新轉型的可能性，透過將廢棄物投入再利用產業，使其再生為二次物料回到經濟體系中，不僅有助於減緩自然資源的開採速度，也可能創造更大的經濟價值。而在政策方面，許多國家陸續提出更加嚴格的廢棄物減量及回收目標，期待透過掩埋稅、焚化稅、再利用技術補貼、物料稅等相關政策之刺激，降低產業界選擇掩埋技術及焚化技術的意願，甚至願意選擇再利用技術將更多廢棄物重生為二次物料，以提升二次物料市場的活絡程度。 為了提供決策者關於資源稀缺、循環經濟、永續發展等重要議題的政策建議，許多國家運用整合性評估模型量化政策對於經濟、環境、社會等多層面的影響，並嘗試釐清政策加乘性、產業連動關係等政策評估之難題。然而，當前廣為使用的大型整合性評估模型較少涵蓋不同廢棄物處理方式之評估，對於一次物料與二次物料間的競爭關係也甚少提及，整體而言，此類評估模型在物料競爭層面的探討仍有許多發展空間。 因此，本研究以技術競爭模型(FTT-Waste)，搭配廢棄物投入產出模型(WIO)及經濟模型(CGE)，建立一套二次物料競爭模型，以廢塑膠為例，探討各政策情境如何影響不同廢棄物處理技術間的競爭關係，以及量化當二次塑膠原料進入市場後，一次塑膠原料產業與二次塑膠原料產業的競爭情形，及其對總體經濟及其他個別產業的影響。 研究結果顯示，政策情境的差異將影響臺灣廢棄物處理技術之未來發展趨勢，其中，在不施行任何掩埋稅、焚化稅、再利用補貼等政策的基線情境下，未來掩埋技術之市佔率持續處於低點、焚化技術之市佔率擁有絕對優勢，而再利用技術則在未來的市場發展中逐漸退場；但在本研究提出之最佳廢棄物政策組合情境中，可透過政策加乘的效果，達到「提高再利用技術的市場佔有率」及「降低掩埋技術及焚化技術的市場佔有率」兩項目標。接續上述結果，在使用了物料稅的最佳政策組合情境中，二次塑膠原料產業之規模大幅增加、一次塑膠原料產業之規模則相對縮減，顯示二次塑膠原料在市場中更具競爭力，且市場對一次塑膠原料的需求下降，此外，該政策情境之實施，不僅因為產業連動效果影響了電子零組件、基本金屬等其他產業，更對總體經濟造成負面影響(GDP下降)，但值得注意的是，整體資源效率有所提升，表示國家有能力用相同的資源量達到更大的經濟成果。 整體而言，本研究建立之二次物料競爭模型模擬結果顯示，若是塑膠廢棄物的流向不再只有傳統的掩埋場及焚化廠，而是透過再利用技術將廢棄物重新導入市場中，不僅能使整體資源使用效率有所提升，更能為廢棄物找到新價值，例如：二次塑膠原料產業的發展。
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近幾十年的工業活動，人類排放了大量的有害物質到自然水體，其中大多排放的重金屬最終會沉澱在底泥之中，然而如遭受到物理擾動或者是環境條件的改變都會造成底泥中的重金屬再釋出，致使底泥成為環境中重金屬的污染源。在經濟及技術方面的考量上，活性覆蓋法是現行底泥整治方法中是較具有可行性的。然而現行的研究缺乏了長時間穩定性及效果的探討，因此本研究透過合成能以磁性回收之材料，用於抑制重金屬釋出，更期望在適當的時間回收覆蓋材，以避免長時間下穩定性及效果不足之疑慮。 本研究首先合成生物炭、硫化生物炭、磁性生物炭以及硫化磁性生物炭四種材料並對其進行物化分析。分析結果顯示磁性炭以及硫化磁性炭的比表面積遠大於其他兩種材料。XRD的結果顯示兩種磁性生物炭皆有Fe3O4的晶相存在，而這也是兩種材料帶有磁性之原因，另外在硫化磁性炭中也發現了FeS之晶相。接著對這四種材料進行水相吸附以及底泥競爭吸附實驗，結果顯示在水相吸附實驗中生物炭以及硫化生物炭對於鉻、銅、鋅的吸附效果是遠大於兩種磁性炭的，而四種材料皆對鎳沒有任何的吸附效果。在底泥競爭吸附實驗當中，相對於控制組生物炭以及硫化生物炭能夠降低液相的鎳、銅、鋅濃度，而兩種磁性生物炭反而會促進底泥中的重金屬釋出。在微型系統的實驗中發現四種生物炭皆能降低水中銅、汞、甲基汞的濃度。只有硫化磁性炭能夠降低水中鎳及鋅的濃度。而所有生物炭對於鉻皆沒有抑制能力。在實驗的後期硫化炭以及磁性炭有一波汞的釋出，磁性炭以及硫化磁性炭也有著一波甲基汞的釋出。實驗的最後對於兩種帶有磁性的生物炭利用磁鐵進行回收，結果顯示在經過三個月的覆蓋後兩種材料仍能有效的被磁鐵吸引回收。
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評估地下水污染場址之健康風險時，淋浴時的吸入暴露是重要的揮發性有機物暴露途徑。在計算淋浴時的吸入暴露時，呼吸速率是一項重要的影響參數，然而，現今環保署提供的「土壤及地下水污染場址健康風險評估方法」中，暴露參數大多參考美國環保署所建置的數據，國內目前尚缺乏本土化的呼吸速率參數。本研究使用COSMED K5攜帶式能量代謝系統，實際量測臺灣20-40歲成人的淋浴時呼吸速率，同時亦量測基本身體組成和肺功能，探討影響呼吸速率的因子，並建置本土化的呼吸速率預估公式；另外，再估算全台受含氯揮發性有機物污染的場址周邊成人之健康風險，探討淋浴呼吸速率參數於風險評估中的重要性。 本研究受試者平均淋浴時呼吸速率為14.7 m3/day，低於現今環保署土壤及地下水資訊管理系統(SGM系統)中的預設值(24 m3/day)；另外，成人淋浴呼吸速率在性別比較中呈顯著差異，且由相關性分析結果可知，淋浴呼吸速率與體重、體質量指數、骨骼肌、腰臀圍比、基礎代謝率呈顯著相關，表示淋浴呼吸速率受到各項生理指標影響。此外，比較本研究實測值與使用Layton (1993)預估公式預測值，結果顯示使用Layton (1993)預估公式會有低估的情形，建議未來應針對本國人的換氧當量(Ventilatory Quotient, VQ)進行調整。 由健康風險的結果顯示，淋浴時吸入暴露為成人暴露到地下水中含氯揮發性有機物的主要暴露途徑，且使用SGM系統預設值所計算出的風險大於使用本研究呼吸速率最大值所算出來的風險，表示若使用SGM系統預設淋浴呼吸速率值計算風險可能會有高估的狀況。 本研究利用人體實驗實際量測成人淋浴時呼吸速率，相較於過去的公式預估方式，能夠獲得更準確的成人呼吸速率值，建議未來在污染場址的健康風險評估中，能夠採用本研究實測值進行地下水揮發性有機物的估算，提供受體族群更完整的風險描述。
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對於醫療環境中的醫護人員及病人，生物氣膠與手術煙霧都可能造成呼吸暴露風險或是感染。其傳輸過程及傳播與氣膠動力學密切相關，並會受污染物特性或通風系統影響。本研究監測六個不同手術室中手術煙霧的微粒粒徑分佈、質量濃度和化學成分。藉由現場量測污染物濃度估算不同手術過程中超細懸浮微粒數目的排放因子，並同時監測各項室內空氣品質污染物，分析污染物的動態演變。手術煙霧微粒分布的幾何平均粒徑約在70 nm左右，其排放強度會依手術類型而有所差異，介於1010 ~1011 particles/min之間。室內空氣污染物的變化主要受到通風系統換氣率的影響，故本研究透過計算流體力學模擬 (CFD，COMSOL Multiphysics) 研究不同粒徑微粒(10 nm ~ 10 μm) 的運動行為及其停留時間。但以計算流體力學數值模擬微粒軌跡需要大量的電腦運算成本，故本研究另以CFD結合馬可夫鏈模型的方式模擬手術室中超細懸浮微粒的行為，結果顯示以CFD結合馬可夫鏈模型可以大幅降低電腦運算成本並維持一定的模擬精確度。本研究所建立之方法及結果可用於改善醫院手術室的室內空氣品質，及預測室內空氣污染物的傳輸。
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現今科技快速發展帶來生活品質的提升，電器和電子設備生產及消費的增加導致些許原材料供應與需求的比例失衡；特別是金具有獨特的性質，例如耐腐蝕性和高導電性，因此在印刷電路板中是不可替代的材料。黃金是回收廢棄電子電器設備（WEEE）中最有價值的金屬之一，在2019年全球共產生的電子廢棄物總量為5360萬噸， 所以能從電子廢棄物中回收貴金屬已引起全世界的廣泛關注。 然而，在濕法冶金的實際應用中很少有選擇性吸附“低濃度”的金離子。本論文研究目的是設計一種吸附劑從溶液中選擇性捕捉低濃度金離子，且能應用在連續式固定床反應器中。 本論文開發硫脲交聯自組裝還原氧化石墨烯骨架球（TU-rGOF球）的合成方法來選擇性吸附/還原金離子。首先，必須通過（3-氨基丙基）三甲氧基矽烷對作為石墨烯載體的沸石球進行官能基化處理，這能使初始的氧化石墨烯（GO）沉積在球型沸石球載體上。 隨後，將官能基化的沸石球浸潤在硫脲（TU）與氧化石墨烯的去離子水溶液中，並且在不攪拌的情況下加熱溶液。更具體來說，加熱過程分為兩個階段：（1）將混合溶液的溫度保持在60℃持續半小時，以便通過硫脲交聯的方式使氧化石墨烯層層自組裝；（2）接著將溫度升至80℃持續3.5小時，將氧化石墨烯還原成還原氧化石墨烯（rGO）。此外，硫脲嫁接在石墨烯表面上並與石墨烯產生反應讓表面具有選擇性吸附金和還原金的能力，所得的TU-rGOF球在低濃度金溶液中展現出極佳的選擇性和吸附性質。由批次吸附實驗結果，一顆TU-rGOF球在共存銅、鉛、鋅和鎳二價金屬離子中吸附1 mg L-1金離子溶液，材料展現出對於金高度選擇性吸附作用，在pH 2的溶液中經過24小時吸附效率高達90％。最重要的是，TU-rGOF球在來自臺灣貴金屬回收公司的複雜廢水中同樣具有吸附/還原金的能力。根據等溫吸附實驗，TU-rGOF球吸附金更擬合Langmuir等溫吸附線，其理論的最大吸附量為97.09 mg g-1，該理論描述黃金在TU-rGOF球的表面上形成單層覆蓋，也符合在SEM顯微照片的觀察。在脫附實驗中，使用重量濃度5%的硫脲溶液可以將金顆粒從TU-rGOF球上在攝氏50度下24小時脫附，其脫附效率為90%。但是，再重複吸脫附3次時吸附效率降到57%。 透由表面分析技術:元素分析儀、掃描式電子顯微鏡-X射線能譜儀、X光光電子能譜儀、X光繞射儀、衰减全反射法-傅立葉轉換紅外線光譜、拉曼光譜和界達電位可以為TU-rGOF球的結構和表徵提供有效的證據。總結來說，我們提出的選擇性吸附機制， TU-rGOF球可能通過以下方式發生金吸附/還原：（1）由硫脲引起靜電相互作用、配位相互作用，（2）還原氧化石墨烯的sp2混成碳原子和含氧的官能基團供給電子給金離子還原成元素金。這項研究提供了一種新型且極具潛力的材料TU-rGOF球用於濕法冶金技術從電子廢物廢水中回收黃金，並且有望實現電子廢棄物資源可持續利用化和循環經濟的概念。
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作為一項能源回收技術，微生物燃料電池從被發現、推廣、應用至今，已經有數十年的歷史，其中也衍伸出許多改型，除了功率密度較高的單槽式和微型燃料電池之外，傳統的雙槽式微生物燃料電池之陰極，亦被開發用於製造有價產物，這類微生物燃料電池，能在陽極馴養微生物，並透過調整電阻以及控制陰極的反應條件等方式，在陰極產生出諸如甲烷、氫氣或過氧化氫等物質，其中過氧化氫能用於Fenton反應，降解生物難分解性物質，也可利用此過程中的pH值上升，驅動鹼熱水解反應，進行抗生素降解。這些處理程序，具有能應對近年生物處理所面臨幾項挑戰的潛力，包括：能源回收、生物難降解性物質以及抗藥性基因擴散等，值得進行深入探討。 本研究分為兩個項目，第一個項目為電Fenton實驗，將測試各種不同電極材料之雙氧水產率，並以此驅動電Fenton反應，降解生物難降解性藥品，如美托洛爾。第二個項目為鹼性環境加熱水解，側重於鹼的利用，在生成雙氧水的過程中，會消耗大量的陰極的氫離子，導致pH值大幅升高，可能抑制Fenton反應的進行，因此對於能通過鹼熱水解反應降解之污染物－例如四環素，可利用陰極的鹼性環境，達到處理的效果，降低操作過程中的鹼添加。 電Fenton實驗，於陽極使用含磷酸鹽緩衝溶液的模擬污水並以葡萄糖混合溶液作為碳源，在陰極則以pH調整至3之Na2SO4作為電解質，本研究測試了低比表面積的板狀材料石墨棒與鋼板、高比表面積的活性碳塗佈電極與奈米碳管塗佈電極、具有催化性的TiO2電極、以及同時具有高比表面積與催化性的氧化錳碳氣凝膠電極，研究發現催化性材料與其他材料，具有不同的反應趨勢，且同時具有催化性與高比表面積的氧化錳碳氣凝膠，其雙氧水產率達到石墨棒的15倍以上。以碳氣凝膠電極，進行以微生物燃料電池驅動的電Fenton反應，可在120 min內將125 mg L-1之美托洛爾去除60%以上。 鹼性環境加熱水解實驗，則在陰極加入100 mg L-1之四環素，並測試石墨與碳氣凝膠電極在開路、閉路或無電極狀態之下，於25、35、45、55 ℃，對四環素的去除效能。因為pH值的上升，所有閉路槽之四環素降解速率都優於開路槽。且溫度增加會使四環素的半衰期大幅縮短。TOC的分析則發現，不論開路或閉路槽都並未發生顯著的TOC去除，暗示四環素被轉化成二次產物。高解析度質譜儀指出，透過鹼熱水解反應，四環素的官能基群已經發生變化，可能會導致其抗菌毒性降低。而透過微生物毒性測試的驗證，經過陰極槽反應的四環素抗菌活性已經降低。研究結果顯示透過微生物燃料電池驅動鹼熱水解反應，可以有效的對含高濃度四環素的污水進行預處理，降低其抗菌活性，減少後續生物處理中，抗藥性基因出現的風險。