交通大學環境工程系所學位論文
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Many previous experimental and numerical modeling studies have been conducted to improve the performance of the electrostatic precipitators (EPs) which are used widely in industries to control particulate matter emissions. In this study, two new types of EPs, wire-on-plate electrostatic precipitator (WOP-EP) and multipoint-to-plane electrostatic precipitator (MPP-EP) were investigated for the control fine and nanosized particles with the advantages of low pressure drop and high particle collection efficiency. In conventional EPs, the discharge wires are placed in between two grounded collection plates. In the present new WOP-EP, discharge wires are placed directly on the surface of a dielectric plate to replace one of the collection plates. The new WOP-EP was designed and tested at the aerosol flow rate of 15 and 30 L/min for reducing particle contamination on discharge wires, prolonging the operation time and facilitating the cleaning of the collection plate. In addition, two configurations of the MPP-EPs were also tested at the aerosol flow rate of 30 and 40 L/min to remove nanoparticles and sub-micron particles. Furthermore, in order to develop better understanding of the experimental results, the numerical model for predicting the voltage-current (V-I) characteristic of EPs was developed. Eulerian and Lagrangian numerical methods were adopted as well to predict the collection efficiency of particle with diameter dp ≤ 100nm and dp> 100nm, respectively. Test results show that when the WOP-EP was initially clean at the applied voltage of +18kV, the total collection efficiency ranged from 90.9-99.7 % and 98.8-99.9% for particle electrical mobility diameter of 16.5 to 1870 nm at the aerosol flow rate of 30 and 15 L/min (residence time of 0.36 s and 0.72s), respectively. Numerical results for the particle collection efficiency show good agreement with experimental results for particles with the diameter of 70-400nm, and over-predict the collection efficiency for particles below 70nm and above 400nm. The disagreement is maybe due to the partial charging effect, the influence of the dielectric plates, and very low concentration of large particles as well as the ion quenching phenomenon, respectively. Whereas in MPP-EPs, the collection efficiency ranged from 96.2–99.4% and 95.5–97.6% at applied voltage of +16kV and the flow rate of 30 L/min for MPP-EP2 and MPP-EP1, respectively. Simulated results for particle collection efficiency are in reasonable agreement with the experimental data for the particle diameter of 19.5-100nm, and underestimation of the collection efficiency occurs for particles above 100nm which needs to be improved in future studies. Present WOP-EP and MPP-EPs could be used as efficient particle removal devices and the present model could facilitate the design and scale-up of these EPs to control fine and nanosized particles.
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本研究以微孔均勻沉積衝擊器(Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor, MOUDI) (Marple et al. 1991)為基礎進行外殼上的改良，使得噴嘴至衝擊板的距離可以量測的更精準，並且將Liu et al. (2013)研發的新型多微孔噴嘴裝置於此衝擊器中，此微孔多階衝擊器在本研究中稱為NMCI (NCTU Micro-Orifice Cascade Impactor)。 本研究首先對NMCI第七、八、九及第十階衝擊器的微粒收集效率曲線進行校正，以確保這些具有新型噴嘴片之衝擊器的截取氣動直徑(dpa50)與MOUDI相同。在校正前，本研究先以光學式電子顯微鏡量測自製噴嘴片的噴嘴大小。量測結果顯示NMCI第七至十階噴的噴嘴大小分別為135.8 ± 0.9、108.1 ± 0.8、54.1 ± 0.6及53.8 ± 0.6 m。由於這些多微孔噴嘴的噴孔數量相當龐大(如第九階噴孔數量為2000)，以光學式電子顯微鏡量測相當耗時，因此為了能夠快速的量測新型噴嘴的孔徑大小，本研究建立了壓損與噴嘴孔徑大小的關係式以量測壓損的方式推估噴嘴孔徑大小，驗證結果顯示，以光學電子式顯微鏡量測的結果與推估的孔徑大小誤差皆小於1%。 校正結果顯示，當NMCI第七至十階衝擊器的S與噴嘴孔徑(W)之比值(S/W)分別調整至4.04、2.63、14.27及12.64時，其dpa50分別為318.6 ± 0.5、180.4 ± 0.5、101.7 ± 0.9及56.4 ± 0.8 nm，與MOUDI第七至第十階的dpa50相近，此外衝擊器的dpa50也相當容易受到噴嘴至衝擊板的距離(S)所影響。因此本研究也以可壓縮流體公式探討NMCI第八至十階的微粒分徑特性並以實驗結果建立S/W值與Stk50, isen1/2的關係式，作為未來多微孔衝擊器的設計參數。
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本研究設計一氣膠流量為16.7 L/min之單極微粒充電器，本充電器由進、出口管(內徑38 mm)及充電座組成，充電座上裝有一長度為6 mm、外徑為100 μm的鉑(Platinum, Pt)線作為放電電極。為了解本充電器之充電效率，本研究以實驗校正本充電器之及商業化儀器ELPI+(Electrical Low Pressure Impactor, ELPI+TM, Dekati Aerosol Instrument)。本研究以癸二酸二辛酯(Dioctyl Sebacate, DOS)(Dp=10-900 nm)及油酸(Oleic Acid, OA)( Dp=1.7-4.689 μm)單徑微粒，校正兩充電器之充電效率。實驗校正時，本充電器之充電電壓範圍介於+2.6-3.8 kV，而ELPI+之充電電壓介於+3.6-4.0 kV。 實驗結果顯示，當充電電壓為+3.6 kV時，本充電器有最佳之充電效率Pn (微粒對充電器之穿透率P、微粒平均帶電量n)。粒徑56 nm-4.689 μm之充電效率為2.22-521，而ELPI+充電器為1.97-566，兩充電器沒有太大的差異。然而本充電器對粒徑10-56 nm之充電效率Pn為0.1-2.22，明顯高於ELPI+的4.210-4-1.97，本充電器之充電效率明顯優於ELPI+，差異達到93-11 %。探討兩充電器之內部結構，本充電器之充電座內部為銅棒，外殼則以鐵氟龍絕緣，而ELPI+充電座整體皆為接地的不鏽鋼。這會導致ELPI+在充電過程中，額外的電場在電極線與充電座間形成，使得微粒受到靜電損失影響，尤其是小於56 nm之微粒較劇。
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本研究使用1台微孔均勻沉降衝擊器(Micro-Orifice Uniform Deposit Impactors, MOUDI, Model 110, MSP Corp., MN, USA)、1台雙頻道虛擬衝擊器(Dichotomous, Model SA-241, Andersen Inc., Georgia, USA)及1台掃描式電移動度粒徑分析儀(Scanning Mobility Particle Sizer, Model 3936, TSI Incorporated, St. Paul, MN, USA, SMPS)於台灣北部的中山、新莊及竹東空氣品質監測站(Taiwan Air Monitor Station, TAMS)量測大氣微粒質量濃度及數目濃度，並計算超細微粒的有效密度(ρeff)及動力形狀係數(χ)。由MOUDI量測的質量濃度轉換成數目濃度，探討超細微粒對環境的影響。 由微粒逆軌跡運算分析結果顯示，台灣北部夏季的大氣微粒分別源自於菲律賓西方的中國南海、菲律賓東方的菲律賓海及西太平洋，其餘三個季節的微粒主要源自於中國或北方的俄羅斯及內蒙古。由於秋末春初東北季風吹拂大陸沿岸或內陸黃沙污染物至台灣北部的影響，PM2.5濃度會高於盛行西南及太平洋海風的夏季。春末夏季時PM0.1濃度比其他三季節稍微高；中山測站量測的PM0.1濃度最高，本研究推測中山測站緊鄰交通繁忙的新生高架道路易受車輛排放出的新生微粒影響而使微粒濃度增高(Betha et al., 2014)。 結果顯示微粒的水溶性離子佔PM2.5的比率較PM0.1多，推測此現象主要原因為較大的PM2.5微粒因滯留在大氣的時間較長，因此微粒表面會有凝結的水分並與大氣中的無機氣體反應抑或是受到光化反應產生二次氣膠，使微粒成分中無機鹽類所佔比例較高(Cao et al., 2013)。 微粒質量濃度分佈在中山、新莊及竹東測站呈現典型的都會區雙峰分佈，粗微粒模式中間氣動粒徑介於4-8.5 μm，累積模式則介於200-800 nm。若採樣時受到內蒙古沙塵事件或颱風侵襲，會使得原本典型的雙峰分佈轉變為單峰分佈，單峰模式的中間氣動粒徑介於0.84-3.26 μm。 本研究在2014年於中山測站及沙鹿測站利用SMPS量測得的微粒數目濃度與MOUDI測得的質量濃度來計算微粒有效密度，並引用Hu et al. (2012)量測的塊材密度計算動力形狀係數，中山測站的PM0.1及PM0.1-0.18的平均有效密度分別為0.68±0.16及1.06±0.32 g/cm3，平均動力形狀係數為2.06±0.19及1.45±0.16；沙鹿測站的PM0.1平均有效密度分別為0.62±0.07及0.93±0.16 g/cm3，平均動力形狀係數為2.30±0.21及1.45±0.11。2011-14年在中山、新莊及竹東測站以MOUDI量測奈米微粒(PM0.1)佔細微粒(PM2.5)比率的研究結果顯示，質量濃度比率為7.9±4.4 %，數目濃度比率達89.0±5.5 %，表面積比率為42.1±12.8 %。由此結果可知，若以數目濃度作為奈米微粒空氣品質評估標準，PM0.1在大氣氣膠中仍佔大多數的比率，對人體健康的影響不容忽視。
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本研究利用有機物聚合法及溶膠-凝膠法製備以雙酚A為模板的有機無機複合拓印高分子，藉由無機物的剛性結構提高對模板分子的拓印程度，並以有機物的膨潤性增進標的物於高分子內的傳輸效能，以達到高吸附量與辨識能力的目的。研究顯示當交聯劑四乙氧基矽烷(Tetraethyl orthosilicate)與3-(甲基丙烯醯氧)丙基三甲氧基矽烷(3-(Methacryloyloxy)propyl trimethoxysilane) 莫耳比例為15：10時拓印高分子有最佳質地及吸附量。TGA分析指出材料中有機物與無機物間的重量比例為1：1，模板分子萃取率近100%。等溫吸附數據及Langmuir模式模擬結果得出拓印高分子最大吸附量可高達65.8 mg/g。由29Si及13C NMR圖譜分析可知雙酚A模板於合成過程中以Si-O-C共價鍵結方式拓印於高分子內，完整的孔洞結構大幅提升高分子對雙酚A的吸附量，使拓印因子(α)有2.5優異表現，此外拓印高分子對結構類似物質Phenol、Bis(2-hydroxyphenyl)methane、4-tert-butylphenol及17β- Estradiol的選擇性因子(β)為78.2、11.5、2.3和趨近於無限大，在HPLC層析實驗中對phenol及4-tert-butylphenol得到分離因子為31.8及3.9，重複實驗證實拓印高分子的無機孔洞擁有良好的穩定性，在5次的吸附及萃取循環中相對標準偏差為3.9%。整體結果顯示有機無機複合拓印高分子對雙酚A具高吸附量與選擇性，可作為分離、層析或感測元件的先進材料。
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本研究利用自動監測系統PPWD-PILS(Parallel Plate Wet Denuder, PPWD；Particle into Liquid Sampler, PILS)及手動採樣器PDS(Porous Metal Denuder Sampler, PDS)於2014年3月至2014年7月在交通大學校園及台北市中山測站進行前驅氣體與PM2.5水溶性無機微粒進行比對及觀測實驗。兩種採樣器所採集到的前驅氣體NH3、HONO、HNO3及SO2之過原點的線性迴歸決定係數(R2)為0.76-0.83之間，斜率範圍為0.92-1.04；大氣中主要的水溶性無機鹽微粒為NH4+、NO3-及SO42-，R2範圍為0.89-0.96，斜率範圍為0.84-1.1；Na+、K+及Cl-相較於NH4+、NO3-及SO42-濃度較低，量測誤差較大，因此R2較低，其範圍為0.77-0.83，斜率範圍為0.75-0.95。 PPWD-PILS連續監測系統所偵測的PM2.5濃度值與降雨、風向等氣象因素極度相關。 PPWD-PILS在中山測站七月份中，NH3平均值濃度為6.26± 3.09 ppbv，為濃度最高的前驅氣體，SO2濃度隨著白天溫度上升濃度增高，而HONO白天因進行光化反應故濃度較低；PM2.5中NH4+、NO3-及SO42-有明顯的日夜變化且其平均值分別為1.55± 1.16、0.52± 0.5及4.56± 3.14 μg m-3。基於NO3-、SO42-在高濃度NH4+的環境下，(NH4)2SO4與NH4NO3為PM2.5中主要的無機鹽微粒。 本研究也利用ISORROPIA II 熱平衡濃度值與PPWD-PILS觀測值，計算大氣熱平衡的情況下前驅氣體與PM2.5微粒濃度，前驅氣體NH3觀測值濃度較ISORROPIA II熱平衡濃度值低，而氣體中HNO3與PM2.5中NH4+、SO42-觀測值濃度較熱平衡濃度值高。不論是自動監測系統PPWD-PILS與手動採樣器PDS或是自動監測系統PPWD-PILS與ISORROPIA II熱平衡模擬系統之間皆有良好的比對結果，也驗證自動化監測系統PPWD-PILS的可靠性並可取代傳統手動採樣方法。
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相較於傳統好氧活性污泥法處理污水，厭氧生物處理不僅耗能少還具有產生能源的潛力，因此，已被廣泛應用於處理不同種類的廢水。然而，厭氧生物處理啟動時間較長是其缺點之一，成為限制其實廠化的主要限制因素。本研究利用高效率厭氧流體化床反應槽結合厭氧流體化薄膜反應槽 (AFBR-AFMBR) 在室溫下處理都市污水，目的在探討利用沸石作為載體所需的啟動時間及反應槽表現，及評估利用此系統處理低濃度生活污水之可行性。本研究以1000 mg COD/L合成廢水、水力停留時間 (HRT) 為1 d、有機負荷率 (OLR) 為1 g/m3/d，以半連續模式操作啟動階段。系統操作到第32天，pH值維持在7，化學需氧量 (COD) 去除效率達90％以上，穩定後的產氣量為1 L/d，顯示系統已達穩定。且揮發性懸浮固體物濃度 (VSS) 從100 降至10 mg/L。另外，在室溫 (20 to 35oC) 連續模式操作下處理低濃度真實污水 (73 to 220 mg COD/L)，總化學需氧量去除率達70到90%、總懸浮性固體物去除率達96%及0.13 L CH4/g CODremoved之比甲烷產量。且薄膜在薄膜通量10 LMH下操作333天，不須經化學清洗。除此之外，系統所需之總能量僅0.015 kWh/m3，又產生之甲烷可提供能量約0.0024 kWh/m3。以上結果皆顯示厭氧流體化床反應槽結合厭氧流體化薄膜反應槽 (AFBR-AFMBR) 能成功應用在處理低濃度生活污水。
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生物處理含氮廢水過程中，副產物氧化亞氮之產生備受矚目。氧化亞氮是破壞臭氧層的主要氣體，其造成全球暖化能力是二氧化碳的310倍且停留在大氣的時間可高達120年。因此有很多學者致力於研究結合不同處理工藝其所產生的氧化亞氮情況及削減處理方式，但其中對於同時硝化、厭氧氨氧化和脫硝系統下產生氧化亞氮情行至今尚未探討。本研究為使用新穎的生物處理技術方式探討氧化亞氮之產生量，主要探討不同的進料速率對於氧化亞氮逸散的影響。實驗之初為結合部分硝化及厭氧氨氧化於一個反應槽裡之方式 (即為CANON系統) 處理含氮廢水，氧化亞氮的轉換率高達9~12%，氨氮的平均去除率約95%。當CANON系統穩定時便轉成能同時處理含氮及碳之廢水之SNAD系統，氧化亞氮之轉換則率減至3%，但氨氮平均去除率因為硝化菌與異營菌競爭之關係而受到影響降低至87%。在不同進料速率 (0.125、0.75、<0.45 L/h) 下，氧化亞氮的轉換率則有呈現上升的趨勢 (3%～6%)。實驗結果說明SNAD系統與CANON系統相比之下約削減63%的氧化亞氮逸散量並SNAD有減少氧化亞氮排放之潛能，而進料速率越低有助於減低氧化亞氮的排放。
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石英砂為一般淨水場過濾程序中經常使用之濾料，但因表面以不具活性之SiO2為主要氧化物，因此當經過長期過濾操作之後，石英砂濾床表面容易被微生物所附著，進而生成生物膜蓬勃發展造成濾床嚴重堵塞。在水處理中，表面披覆著MnO2之錳砂已被廣泛應用於去除地下水之鐵、錳離子，然而，其抗菌能力仍待後續研究。 本研究之目的為比較經過不同高錳酸鉀(KMnO4)活化程序之錳砂與未經活化之錳砂及石英砂抗菌能力之差異。抗菌性試驗以E. coli菌液及含有LB(Luria-Bertani)實驗用水作為實驗材料。在48小時之37℃恆溫震盪培養試驗中，以SYTO 9/PI搭配流式細胞儀(FCM)分析每一個採樣時間懸浮液之總菌數及細菌活性比例，搭配螢光顯微鏡(EFM)得出細胞膜受損細菌之影像，最後以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察菌體表面形貌。實驗室規模之管柱過濾試驗則是比較石英砂及活化錳砂管柱去除細菌之能力及出流水之細菌剩餘活性。 結果指出，錳砂之抗菌能力優於石英砂，且經過活化程序可提升其抗菌能力。其中，經鹼性活化程序可使錳砂表面具有較高含量之活性MnO2，因此經過pH10活化程序之錳砂其抗菌能力優於經過pH7活化程序之錳砂；管柱過濾試驗中兩種活化錳砂之除菌效能均優於石英砂，且活化錳砂過濾對菌體之破壞程度較石英砂過濾高，因此其過濾出流水細菌之活性遠低於石英砂過濾出流水細菌之活性。
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本研究發展一個數學模式用來描述徑向雙區受壓含水層系統中污染物的濃度分佈，含水層系統由膚層及主要含水層兩區域所構成。此模式包含兩個描述污染物濃度分佈之暫態控制方程式，一個用來描述膚層而另一個用來描述主要含水層。當污染物被連續定量的注入井中時，由於延散及流傳通量而在井壁處考慮為第三類 (Robin) 邊界條件。應用拉普拉斯轉換求得此模型的半解析解，並且當忽略膚層部分時可成功轉回單區的半解析解。此外，我們也根據相同的模型考慮污染物在離井一段距離後因為延散機制的影響變的很小的將其忽略的假設下發展出一個在時間域下的近似解。研究結果發現膚層的影響會隨著時間的增加而減少，此外由於井壁上的濃度在初期明顯地下降，所以若採用第一類 (Dirichlet) 邊界條件來描述濃度分佈會高估其在井壁上的濃度。由於近似解有著相較半解析解容易計算的優點，而且當 時濃度預測能夠有著相當好的準確性，因此是一個用來進行風險評估時的良好工具。