淡江大學水資源及環境工程學系碩士班學位論文
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本研究之主要目的為颱風強度快速增強(Rapid Intensification；RI)之機率預報模式開發。根據美國國家颶風中心(National Hurricane Center)之定義，熱帶氣旋(Tropical Cyclone)之近中心最大風速若在24小時內增強至少30節(knots)以上，則稱為RI事件。 本研究採用K折交叉驗證方法(K-Fold Cross-Validation)及羅吉斯迴歸(Logistical Regression)，建立不同複雜程度之RI機率預報模式。首先，採用美國聯合颱風警報中心(Joint Typhoon Warning Center)最佳路徑資料以建立RI預報之基本模式，使用颱風中心位置、目前強度、最大風速半徑(Radius of Maximum Wind；RMW)與七級風平均半徑(Average 34-knot Radius；AR34)…等預報因子。然後逐步加入WAIP(Weighted Analog Intensity Prediction)預報強度資料，以及SHIPS開發資料(Statistical Hurricane Intensity Prediction System Developmental Data)之大尺度環境變數，分別建立進階模式與複雜模式，並透過機率式校驗，分析各模式之變數組合對於RI預報之表現。最後以二元式校驗方式，評估模式分別在最佳門檻、保守門檻與積極門檻下之預報差異。 透過機率式校驗之可靠度分析圖(Reliability Diagram)及交叉驗證結果顯示，模式增加輸入變數之後，其所提供的最高機率預報值也隨之上升。藉由ROC曲線(Receiver Operating Characteristic Curve)之分析顯示，當基本模式加入WAIP未來強度變化後，可有效改善整體預報表現。在額外考慮SHIPS大尺度環境變數之後，雖可使得AUC(Area Under Curve)上升，但其提升幅度不如WAIP來得明顯。 二元式校驗結果顯示，若採用積極預報之策略，RI事件的偵測率與誤報率將同時上升，非RI事件的判定能力下降；若提高機率門檻、採用保守預報策略，複雜模式之偵測率高、誤報率低，也具有最高之預兆得分(Threat Score)。校驗結果亦發現，考慮WAIP預報強度對於RI事件的預測能力可有一定程度的提升，但額外加入SHIPS環境場變數僅對保守預報策略有較明顯的幫助。因此本研究建議未來可採用颱風半徑及WAIP，做為颱風RI預報模式之主要輸入變數，進行RI即時預報模式的開發及實際預報應用。
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都市垃圾焚化會產生大量飛灰，水泥固化後進入衛生掩埋，因台灣土地面積狹小加上掩埋用地取得困難，巨量的飛灰會加速掩埋場的飽和，循環再利用是未來的趨勢。本團隊曾將飛灰經穩定化處理後，利用其多孔性製作陶瓷濾膜，本研究將進一步探討其應用於污水MBR系統之可行性，以期達到循環經濟的目標。 研究團隊先前使用實驗室規模氧化鋁球研磨飛灰，再添加高嶺土及玻璃壓坯燒製陶瓷濾膜，本研究則改以模場規模使用鐵球進行研磨，並探討添加矽藻土改善濾膜多孔結構特性以期提升應用於MBR系統中的過濾功能；研究中除以熱重分析探討最適燒結條件之外，並檢驗重金屬溶出之安全性，通量量測與過濾阻抗計算，輔以觀察顯微結構與XRD分析，評估濾膜產品品質。 研究結果顯示，以玻璃：研磨灰：高嶺土：矽藻土=50：20：20：10 的配比在0.3 kg/cm2下，純水通量達到47 m3/m2/d，為研究中最佳配比，其以較低的壓力達到與市售日本陶瓷膜的純水通量40 m3/m2/d。且膜阻抗為5.8*1010 m-1，相較其餘配比在相同壓力下純水通量最高，膜阻抗最低。在不同污泥濃度SS 2,000、4,000與6000 mg/L下進行一週MBR連續測試，通量分別由0.633降至0.217，0.567降至0.200 以及0.5降至0.18 m3/m2/d。出流水的懸浮固體物皆為0。
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厭氧氨氧化程序( Anaerobic Ammonium oxidation)簡稱為Anammox程序，此程序藉由Anammox菌將水中的氨氮與亞硝酸鹽氮轉換為硝酸鹽氮及氮氣，這項技術擁有幾個特點如Anammox菌因其於厭氧環境生長的特性，所以能夠減少曝氣量，產生較少的污泥，透過使用厭氧氨氧化技術，可以將運營成本和溫室氣體排放量分別減少60%和90%，進而減少能源的消耗，使Anammox程序較傳統的處理方法更具備競爭優勢，是未來處理含氮廢水的主要發展方向之一。 本研究實驗分為兩個部分，(一)第一部分分為三個階段，分別為第一階段馴養期、第二階段氮負荷增加期及第三階段連續流操作期，在這三階段中調整反應槽進流污水中的氮濃度及水力停留時間(HRT)方式改變氮負荷量(0.025 g N/L/D到0.172 g N/L/D)，前兩個階段操作為批式活性污泥法( Sequencing Batch Reactor, SBR)，第三階段改變為連續流操作的方式，實驗中觀察反應槽內因氮負荷量的改變而造成的出流水水質狀況及反應槽處理效率；(二) 第二部分，藉由次世代定序方法分析反應槽中菌群結構的變化。 第一階段馴養期，分別提高了一次的氮負荷量，從0.0125 g N/L/D提高到0.025 g N/L/D，氨氮消耗量與亞硝酸鹽氮消耗量的比為1：1.53，硝酸鹽氮產生量與氨氮的消耗量比為1 : 1.31，因此反應槽內可能有亞硝酸鹽氧化菌參與反應。第二階段氮負荷增加期，總共調整了五次的氮負荷量，從0.025 g N/L/D提高到0.172 g N/L/D，第一次到第三次調整氮負荷中，氨氮消耗量與亞硝酸鹽氮消耗量的比分別為1：1.13、1：1.22、1：1.5，而硝酸鹽氮產生量與氨氮的消耗量比分別為1：0.851：0.76、1：0.88，推測這些時期反應槽內可能有亞硝酸鹽氧化菌參與反應，第四次調整氮負荷中，氨氮消耗量與亞硝酸鹽氮消耗量的比為1：1.37，硝酸鹽氮產生量與氨氮的消耗量比為1：0.76，同時發現有氣體產生，推測反應槽內可能有亞硝酸鹽氧化菌參與反應，第五次調整氮負荷中，氨氮消耗量與亞硝酸鹽氮消耗量的比為1：2.13，硝酸鹽氮產生量與氨氮的消耗量比為1：2.13，推測反應槽內可能有亞硝酸鹽氧化菌參與反應。而第三階段連續流操作期，總共調整了兩次的氮負荷量，從0.172 g N/L/D提高到0.2 g N/L/D，第一次調整氮負荷，氨氮消耗量與亞硝酸鹽氮消耗量的比為1：2.45，硝酸鹽氮產生量與氨氮的消耗量比為1：1.43，推測反應槽內可能有氨氧化菌及亞硝酸鹽氧化菌的存在，第二次調整氮負荷中，氨氮消耗量與亞硝酸鹽氮消耗量的比為1：2.86，硝酸鹽氮產生量與氨氮的消耗量比為1：0.97，推測反應槽內可能有氨氧化菌及亞硝酸鹽氧化菌的存在。 本研究在第一部分，根據水質分析結果，藉由厭氧氨氧化反應式，觀察反應槽，藉由氨氮去除率與亞硝酸鹽氮去除率的比及硝酸鹽氮產生量與氨氮的去除率比，第一階段馴養期，推測含有亞硝酸鹽化菌的存在，第二階段氮負荷增加期，推測含有氨氧化菌、亞硝酸鹽化菌及厭氧氨氧化菌的存在。第三階段連續流操作期，推測含有亞硝酸鹽化菌的存在。 在SBR反應槽操作模式下，低氮負荷(0.025 g N/L/D到0.050 g N/L/D)的氨氮去除效率(62%)優於高氮負荷(0.1 g N/L/D到0.172 g N/L/D)的氨氮去除效率(57%)，可能是產生基質毒害的效應，因此後續改採連續流操作的反應槽，在連續流操作模式下，因更換反應槽而有氨氮與亞硝酸鹽氮下降的趨勢，分別為7%和29%，但回穩之後氨氮及亞硝酸鹽氮的去除率皆可達到97%和90%。 藉由次世代定序方法分析的方式進行菌群分析，顯示反應槽內有厭氧氨氧化菌(Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia)，氨氧化菌(Nitrosomonas)、亞硝酸鹽化菌(Nitrospira )及硝化菌(Denitratisoma)的存在。未來若配合定量分析的方法，針對槽中可能參與氮循環的關鍵菌種、菌屬進行分析，將可提供更精確的功能性微生物族群之變化資料。
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論文提要內容： 移動床膜生物反應器(moving bed membrane bioreactor, MBMBR)結合了移動床生物反應器(Moving bed biofilm reactor, MBBR)及膜生物反應器(membrane bioreactor, MBR)，具有增加生物量、提高有機負荷量、佔地面積小等優點，近年來在廢水處理領域越來越受到關注，但膜生物反應器的發展受限於濾膜使用容易堵塞之缺點。群體感應抑制法(Quorum Quenching, QQ)為近年來發展用以控制濾膜阻塞之技術，透過抑制群體感應(Quorum Sensing, QS)系統使微生物減少胞外聚合物(extra-cellular polymeric substance, EPS)及可溶性微生物產物(soluble microbial products, SMP)之產生，藉以延緩濾膜堵塞。群體感應抑制法有很多種手段，包括了使用QQ酵素法、添加QQ菌和QS抑制劑，而其中以添加能降解訊息分子AHLs 的QQ菌方法最廣為使用。雖然MBMBR相較於MBR已被報導具有延緩濾膜堵塞的能力，但也有文獻指出相反的結果。儘管MBMBR及群體感應抑制法均被提出具有控制濾膜堵塞的潛力，但目前尚未有文獻探討結合MBMBR與QQ法對延緩濾膜堵塞的成效。 因此，本實驗的目的是結合MBMBR以及群體感應抑制法(主要採用Rhodococcus sp. BH4菌株)，以評估系統延緩濾膜堵塞的效能，實驗上主要分為三個部分：(1)比較MBR及MBMBR濾膜堵塞速度，為了近一步探討延緩濾膜的可能原因，分別測試濾膜與載體間有無加入隔板的透膜壓力變化，(2)優化實驗參數及改良固定化方法，調整出適合的實驗的通量以及改良出在反應槽中較穩定的QQ球，(3)比較分別加入QQ球(QQ-MBMBR)及空珠(VB-MBMBR)的反應槽中，濾膜堵塞的速度。實驗過程除了探討施用群體感應抑制法對透膜壓力及EPS、SMP濃度及性質之影響，也同時觀察施用QQ法對污水處理效能的影響。 本研究發現，在MBR和MBMBR的實驗中，MBMBR有些微延緩濾膜堵塞的效果，延緩了約5 kPa的透膜壓力，在MBR及MBMBR將隔開濾膜及載體的隔板移開的狀況下，跟有隔板的反應槽相比，發現MBMBR受到載體的物理刮除，歷經54天都不會上升至40 kPa。在高通量下(33.5 LMH)，加入QQ球只延緩1到2天的時間。在QQ-MBMBR及VB-MBMBR的比較中，在第一輪實驗中兩反應槽的透膜壓力沒有差異，但在第二輪實驗的開始前，發現反應槽底部堆積大量污泥，經過均勻混和後，QQ-MBMBR相較於VB-MBMBR延緩了3天的時間，但在後續的實驗中，沒有再現性，在實驗最後發現反應槽污泥的循環不佳，導致槽底堆積污泥，使得在實驗期間測得的EPS及SMP沒有顯著的差異，可能是延緩效果不明顯的原因。建議之後的實驗中，透過設計或加裝外部循環，改善反應槽的污泥沉澱問題。另外在實驗期間，QQ-MBMBR與VB-MBMBR對於有機物及氨氮去除率皆在90%以上，總氮去除率在30%左右，兩個系統間沒有處理效率上的差異。
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近年來群體感應抑制法(quorum quenching,QQ)已被證明能有效控制薄膜生物反應器(membrane bioreactor, MBR)的生物性阻塞，其中最常使用的手段為添加可降解訊息分子的微生物，控制MBR內訊息分子的濃度於啟動群體感應(quorum sensing,QS)的閾值之下，進而延緩生物膜的形成達到抑制薄膜阻塞的目的。本實驗室先前於現地污水廠成功篩選出三隻具多種AHLs降解能力的潛力菌株，分別是Ochrobactrum anthropic A9、Bacillus cereus A12及Bacillus thuringiensis B11。雖然各菌株於不同AHLs的批次降解實驗中皆具有良好的QQ效果，但是否能在連續流MBR中達到QQ的效果仍須進一步的測試及觀察。 因此本研究的主要目的為：(1)評估固定化包埋A9、A12、B11菌株對MBR抑制濾膜阻塞之成效；(2)改良固定化包埋法實驗條件；(3)比較A9對不同污泥性質的MBR濾膜阻塞控制之成效。 本研究結果發現應用固定化技術包埋A9及A12兩隻菌株於連續流MBR中，平均可延緩17.5%及90.9%濾膜阻塞速度，而B11並未觀察到控制阻塞的成效。同時改良固定化的包埋條件，發現在121°C下溶解PVA及alginate，並以CaCl2-H3BO4及Na2SO4作為交聯劑反應2小時及8小時的條件下，可獲得較佳的水合膠體機械/化學強度。本實驗為首次探討應用QQ菌於含膨化污泥之MBR，並觀察其延緩濾膜阻塞成效之研究，實驗中共測試兩種不同性質之膨化污泥MBR (SVI >140)，結果顯示添加改良固定化條件的A9於MBR中，發現在含有較低MLSS (3947±25 mg/L)及較小污泥粒徑(70 μm)的MBR內，A9延緩濾膜阻塞能力可達113.5%。 此研究成果對於非以沉澱特性篩選微生物而可能發生污泥沉澱性較差之MBR，提供利用群體感應抑制法控制濾膜生物性阻塞相關資訊與貢獻，唯未來若能針對膨化污泥內的菌群結構做進一步的分析，將可提供更多延緩濾膜阻塞機制之解釋與探討。
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水資源短缺已成為全球關注的議題。電容去離子(CDI)是一種新興的離子去除技術，用於去除水中離子。有機物的存在會阻塞CDI電極並導致CDI效能下降。本研究中，使用三種電極材料：粒狀活性碳電極(GAC)、經硫酸改質的粒狀活性碳(SGAC)、抗阻塞膜/粒狀活性碳電極(PVDF /GAC或PES/GAC)，探討有機物(腐殖酸(HA)或天然有機物(NOM))對CDI系統的影響。 實驗結果顯示有機物的存在會顯著降低GAC電極的電吸附能力。由於NOM的化學結構比HA更複雜，因此NOM對CDI效能的負面影響更大。在HA或NOM存在的情況下， GAC電極的平均電吸附容量分別從3.88 mg/g降至3.04或2.94 mg/g，分別降低了21.6％或24.2％。 經過硫酸改質後之粒狀活性碳(SGAC)，SGAC電極的平均電吸附量提高到4.44 mg/g。在HA或NOM存在的情況下，平均電吸附量分別降低至3.62或3.36 mg/g，相當於降低了18.5％或24.3％。 GAC電極上的抗組塞膜(PVDF或PES)可以減輕有機物阻塞的影響。特別是PVDF/GAC電極，不僅提高了平均電吸附容量，而且抑制了HA或NOM對CDI效能的影響。應用於CDI系統的PVDF/GAC電極的平均電吸附容量為4.83 mg/g。即使溶液中存在HA或NOM，平均電吸附容量仍可以保持在較高的水平(4.55或4.26 mg/g)。研究成果顯示PVDF或PES膜的親水特性可有效防止有機物阻塞。
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近年因全球暖化帶來的氣候變遷，導致極端降雨、洪水與乾旱頻繁發生。臺灣年平均降雨量為2,500公釐，是世界平均年降雨量的2.6倍，但因山勢陡峭、河川坡陡源短導致難以留下充裕的水資源。臺灣因降雨時空間分布不均，年降雨量集中在5月至9月底，為臺灣梅雨季與颱風季，乾季期間並無足夠降雨量，因此這段時期需要依賴雨季儲蓄之水資源。臺灣主要儲存水資源的方法為水庫蓄水，水庫之蓄水能力對供水能力有一定影響力，如何在極端事件降低災害損失是近年經常探討之題目。 本研究利用動態操作預測未來蓄水量並評估未來水情是否需要提前調整放流量，利用M5輸出之單旬水庫操作預測作參照組，凸顯動態操作提前限水並降低未來乾旱事件之影響程度之優點，動態操作依據未來不同水情提供最佳放流量操作策略，搜尋最佳放流量提供較安全之水庫操作。研究區域為石門水庫，本研究區分為兩種模式，分別為實際水情情境模式與極端水情情境模式，測試本模式除歷史數據外，亦測試面臨更極端事件時之模式效能，本模式設立三個目標函數作為指標，全領域搜尋最佳化操作，並將動態操作輸出之數據與歷史數據、NSGA-II操作對比分析，提供3種不同之操作建議。 本模式輸出結果顯示，本研究可預測未來乾旱程度並提供對應限水策略，提供未來水庫可操作範圍之建議，其結果顯示本模式可以降低未來乾旱嚴重程度。因歷史數據極端事件較為少數，因此本模式除實際水情情境模式外，提供了極端水情情境模式，測試模式在更嚴峻之極端乾旱時，有何種操作表現。結果顯示本模式可有效預測未來乾旱事件，提前限水以降低未來乾旱所帶來的損失與嚴重程度。
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近年來受到氣候變遷與全球暖化之影響，世界各地發生極端水文事件的頻率增加，對人類生命與財產安全造成極大威脅。臺灣降雨量在空間與時間分布呈現不均勻現象在近年來更趨嚴重，除了受到梅雨鋒面與颱風影響外，各縣市也因短延時強降雨頻繁發生，導致雨水下水道水位驟升溢出路面，短時間內即造成市區局部區域發生積淹水情形，甚至大範圍嚴重淹水災情，救災單位整備與應變時間相對變短。 本研究以臺北市中山抽水站集水區為研究區域，應用長短期記憶模型(LSTM)與倒傳遞類神經網路(BPNN)建置人工智慧下水道水位預報模式，預報中山抽水站內池水位未來10至60分鐘之水位；依照不同輸入因子數量將模式分為兩種子模式，輸入I型（所有雨量站）與輸入II型（部分雨量站），針對雨量站間之距離調整輸入因子，分析兩種不同輸入因子對於LSTM與BPNN模式預測之準確性，並討論降雨與下水道水位變化之關係。 由輸入I型與輸入II型綜合比較結果可得知，調整輸入項之雨量站對於模式訓練上有一定影響，顯示雨量站、下水道水位測站與抽水站有相當關聯性；LSTM模式在輸入I型與輸入II型之結果表現均優於BPNN模式，可證明LSTM模式在學習資料特性上有掌握水位關係，對於預測抽水站內池水位未來10至60分鐘有較佳之預測結果，有助於輔助抽水站操作人員在暴雨時期參考並做出即時且準確之決策，亦可作為抽水機啟閉之依據，漸少專業人員在判斷上的壓力。
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近年來因為全球暖化導致全球變遷，世界各地極端事件發生頻繁，臺灣也受到氣候變遷影響，颱風愈趨於強烈，強烈颱風出現次數逐漸上升，還有降雨時間、強度有改變，如降雨天數變少，總雨量不變，意即短延時強降雨事件次數增加，對臺灣各地可能造成災害，對水庫操作也是一種挑戰。 本研究以石門水庫集水區為研究區域，主要目的為探討空間分布差異與集流時間對降雨-逕流模式之影響，透過倒傳遞類神經網路以不同分區方式建置模型進行未來1-3小時入流量預測。本研究共建置三種模式，模式一以雨量站資料直接作為輸入因子進行模式訓練；模式二以常見的子集水區分區方法將石門水庫集水區進行分區，再將QPESUMS網格雨量資料進行分割進行訓練；模式三結合時間-面積法並考慮降雨時空分布特性進行分區進行訓練。為比較模式優劣，以RMSE、R^2、洪峰流量差、洪峰時間差等四種評估指標進行分析。 結果顯示將所蒐集到的QPESUMS資料繪製空間分布圖加以觀察，石門水庫集水區在季風型豪大雨事件之降雨時空分布受到西南季風或東北季風影響走向不同，降雨空間分布隨著降雨稽延呈現由東往西移動；為能更精準掌握集水區降雨量與分區集水時間對逕流量預報之影響，本研究探討兩種分區方法計算分需降雨量，一為常見的子集水區分區方法、另一為結合時間-面積法並考慮降雨時空分布特性進行分區，結果以後者有較好的表現；三種模式以評估指標分析比較後，以模式三有最佳結果，可推論降雨-逕流模式會受到空間分布差異與集流時間之影響。
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都市垃圾焚化後會產生大量飛灰與底渣，其中飛灰常以水泥固化後再進行衛生掩埋，因台灣地狹人稠的環境，替飛灰找到別的出路刻不容緩。 本研究團隊已開發將焚化飛灰水洗穩定後，適當摻配於粉壓法製作平板陶瓷濾膜之製程，品質已達到市售日本陶瓷濾膜的過濾能力，但機械強度尚須改善。本研究嘗試改以澆鑄法製作管狀之陶瓷膜，以改善片狀膜之機械強度，並利於後續組裝廢水處理系統之過濾模組。 首先調配粉料並加入適量解膠水，以避免漿料過於黏稠。使用攪拌器使漿料均勻混合，再倒入石膏模具內使漿料水分被吸收，待泥料表面水分吸乾後脫模，再置於烘箱中將剩餘水分去除，以 800 OC 進行燒結；成品測試純水、生活污水過濾能力，分析 SEM、TCLP、XRD、健度等，以確保其功能並預防二次污染。 研究結果顯示，最佳之配比為玻璃、穩定灰、高嶺土、蛙目土、葉長石各 20 %並額外添加 5%之矽藻土，體積變化率及燒失率僅為 10 %左右，而純水通量22.85 m3/m2/d，以 2000 mg/L 污泥進行過濾能力測試，其出流水之懸浮固體皆為0 且通量達 0.387 m3/m2/d，接近市售陶瓷膜之通量 0.5 m3/m2/d。