中央大學環境工程研究所學位論文
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本研究選用三種不同性質廢水，包括TFT-LCD光電業廢水、生活污水及毛滌業廢水，各自經前置處理後進入其MBR處理而出流；分別對原廢水、MBR進流、槽中及出流水進行水質採樣分析與SMP組成成份分析，並取MBR出流水進行UF膜濾實驗，觀察不同性質廢水經MBR處理所產生的SMP特性與影響。 研究結果顯示TFT-LCD廢水屬於高氨氮廢水，經過AOAO程序處理去除水中七成以上的SCOD、DOC，而經MBR處理去除八成以上的有機物質及三成雙鍵物質，分子量分佈由廣泛分佈於208Da至>6kDa轉變為主要分佈於<3kDa為主，槽中薄膜去除了大部份大於6kDa之物質，MBR槽中微生物於基質充足的情況下，所產生的SMP以UAP類為主，而出流水中以SMP含量(碳水化合物與蛋白質成份)居多；DW廢水為易分解廢水，水質較為穩定且易處理，經MBR處理去除八成SCOD、六成DOC，對於雙鍵物質去除效率較差僅5%，其分子量分佈由大於3kDa轉變為以小於3kDa為主，MBR中微生物產生的SMP含量及變異性均較低，以EEM分析可知出流水中含有多量的腐植酸成份物質殘留，與文獻比較可推論槽中SMP應為BAP類；WPI水質特性為難分解廢水，經過其前置處理程序去除九成左右的SCOD及DOC，廢水中含有較多雙鍵成份物質，這些有機物經MBR處理可再去除五成左右，然而雙鍵物質僅能再去除兩成，故出流水中仍含較高濃度的雙鍵物質存在，水中物質以分子量小208Da為主，MBR槽中微生物於基質不足且難分解的情況下，產生BAP類SMP，且包含許多腐植酸成份物質，使得出流水中SMP含量高且變異性大，且造成出流水中SCOD、DOC含量較高。 使用30kDa的UF膜處理TFT-LCD之MBR出流水，膜面未形成濾餅層，滲透液通量緩慢下降；對於DW及WPI之MBR出流水而言，膜面觀察出蛋白質類及含羧酸官能基之物質，顯示UF薄膜會截留大部分疏水性蛋白質成份的SMP，而多數的碳水化合物成份及腐植酸成份物質則殘留於UF滲透液中。
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懸浮微粒氣動直徑小於或等於2.5 μm (PM2.5)容易進入人體呼吸系統，引起發炎或氣喘造成呼吸系統疾病，對於人體健康影響甚大。目前，世界上各主要國家和組織已陸續制訂PM2.5空氣品質標準以保護公眾健康，我國順應世界潮流也即將公告PM2.5空氣品質標準草案。本文彙整各主要國家和組織訂定標準的程序以及評估標準符合度的方法，檢討台灣現行懸浮微粒空氣品質標準及相關法規，利用2006-2010年環保署PM2.5空氣品質監測數據解析台灣目前空氣品質，並提出台灣未來PM2.5空氣品質標準及評估標準符合度方法。 研究結果顯示，台灣PM2.5濃度呈現由北向南逐漸增加的特徵，春、夏、秋、冬四季各空品區PM2.5連續監測月平均濃度值範圍介於19-50、13-27、15-50、16-64 µg m-3，各空品區逐月累積降雨量變化與PM2.5濃度變化呈現相反趨勢，顯示降雨對PM2.5濃度有重大影響。受東北季風影響期間，大陸冷高壓事件日與沙塵事件日PM2.5平均濃度在北台灣萬里測站為44 µg m-3，平常日為23 µg m-3，從差值推演，東北季風影響期間境外傳輸的污染濃度值約為21 µg m-3，事件日PM2.5 24小時濃度為平常日的1.9倍。仿照美國空品標準評估台灣2008-2010年空品監測站PM2.5 24小時監測濃度的標準符合度時，發現即使是選擇較寬鬆的監測數據累積頻率分布第90%濃度來對應，仍有高達86.4%直轄市、縣（市）和91.7%測站不符合美國空品標準。不過，由於評估美國空品標準採用的標準檢測方法(Federal Reference Method, FRM)獲得的PM2.5檢測濃度低於空品站監測濃度，將空品站監測濃度轉換成等似FRM檢測濃度後，再選擇監測數據累積頻率分布第90%濃度對應評估時，會有大約半數的監測站(51.7%)與縣市(50%)符合美國空品標準。顯示訂定PM2.5空品標準，需同時訂定評估法規符合度的檢測方法和監測數據累積頻率分布百分比對應濃度。 綜合各項因素，本文建議台灣環保署未來參照美國訂定的PM2.5 24小時標準值35 µg m-3與年平均值15 µg m-3作為台灣初期的空氣品質標準值；監測方法以美國FRM檢測方法進行PM2.5濃度檢測，採樣頻率為每三天進行一次監測。對於PM2.5 24小時標準值符合度的評估，建議初期先採用監測數據累積頻率分布第90%濃度來對應，五年後再檢討提升符合度評估為監測數據累積頻率分布第98%濃度的可能性，這種方式可宣示空氣品質標準檢討機制的存在和提供各直轄市、縣（市）當局努力改善PM2.5空氣品質的空間。
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本研究利用下水污泥灰當中矽鋁元素做為合成Al-MCM-41之材料，並將污泥灰進行酸處理程序，使用鹼熔法萃取元素矽鋁，改變前驅液當中去離子水添加比例，以探討同時自污泥中萃取出的鋁原子對於Al-MCM-41結構的影響，再將自行合成之Al-MCM-41以後嫁接法進行胺基官能基改質，探討經改質後對於分子篩材料特性之影響。實驗結果發現利用NaOH:ash=1.25:1比例，在400℃下鹼熔可將難溶於水石英相轉變為較易溶於水之矽酸鹽、矽鋁酸鹽相。利用去離子水不同添加比例（L/S=3、7、15、50）萃取之前驅液，主要元素為Si、Al、Fe、Na。未經酸處理之下水污泥灰在液固比3時有最大矽鋁萃取率，矽34.81%、鋁7.78%，四組液固比下矽鋁比最低為13.98，最高僅18.03；經酸處理下水污泥灰矽鋁比範圍由11.89升高至62.88，在液固比3具最大矽萃取率79.14%及鋁最大萃取率37.59%；當液固比升高時，由於NaOH濃度降低、溶液鹼度下降，酸處理污泥灰萃取率因而減少。未經酸處理污泥灰中之二氧化矽佔57.35%，經酸處理程序可將原料當中之鋁、鐵等元素含量降低，提高二氧化矽在污泥灰當中之比例71.43%，但同時會造成鹼熔過後各元素前驅液萃取率上升之現象。在水熱合成Al-MCM-41方面，由X光繞射分析圖譜、化學成分分析、穿透式電子顯微鏡及氮氣吸脫附曲線分析等證明各種條件下皆成功合成分子篩；Al-MCM-41材料中主要成分為Si，Al元素其次；未經酸處理Al-MCM-41產物矽鋁比隨液固比升高而降低，液固比3時產物矽鋁比20.50，液固比50之矽鋁比為7.89；經酸處理Al-MCM-41矽鋁比趨勢相反，液固比3產物矽鋁比為16.89，液固比50矽鋁比39.36；未酸處理及酸處理兩者之Al-MCM-41在矽鋁比各為最大（20.50、39.36）時，具有較大的表面積699.15 m2/g、1057.95 m2/g，且產物之孔徑較小，分別為3.43 nm、3.81 nm，結果說明矽鋁比大可得性質較優良之分子篩材料；FTIR圖譜在960-970 cm-1出現Si-O-Al波峰，證明Al存在Al-MCM-41中；分析改質後Al-MCM-41依舊具有MCM-41特徵波峰；27Al 核磁共振分析方面，除未酸處理液固比50具有一小型八面體鋁波峰（Oh）外，其餘材料在改質後只有一個53±2ppm的波峰（Td）；FTIR中，O-H官能基的3431.75 cm-1吸收帶與未改質前相比顯得更平緩，與未改質前之材料相比，改質後在714、1560 cm-1吸收帶有波峰產生，顯示O-H官能基在改質後被胺基官能基所取代，也證實自行合成之Al-MCM-41材料表面確實具有胺基官能基。
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本研究主要探討利用下水污泥與淨水污泥灰作為碳及矽、鋁源，以鹼熔與水熱兩階段程序合成活性碳-沸石複合吸附材料，並藉由有機及無機污染物吸附試驗來評估其作為環境淨化資材之可行性。複合吸附材料製備過程是以混合不同比例之下水污泥與淨水污泥灰，來配置污泥原料中之Si/Al莫耳比與碳含量，進而探討其對複合吸附材料中沸石結晶物種之影響。實驗結果證實影響沸石結晶物種之主要因子為原料之Si/Al莫耳比。下水污泥與淨水污泥灰之混合比例1:9之原料理論Si/Al為1.57，所製備出複合材料ACZ1090為低活性碳含量之純相Na-A型沸石；而混合比例為3:7之ACZ3070與5:5之ACZ5050原料之理論Si/Al分別為1.72與1.93，所製備出之兩複合材料活性碳含量則分別為2.75 %及4.14 %，而主要沸石結晶物種皆為Na-X型沸石。等溫吸附試驗結果，發現三組以不同混合比例之水處理污泥所製備出的活性碳-沸石複合吸附材料ACZ1090、ACZ3070及ACZ5050個別吸附MB、Cu(II)、Cd(II)皆符合Langmuir模式，而複合吸附材料ACZ1090對MB、Cu(II)及Cd(II)之最大吸附量依序為0.10、0.68、0.49 mmole/g；ACZ3070為0.11、0.64、0.50 mmole/g；ACZ5050則為0.14、0.56、0.45 mmole/g。而在多成份污染物吸附試驗發現三組以水處理污泥為原料所製備出的複合吸附材料對污染物之吸附選擇性順序為Cu(II)＞Cd(II)＞MB。最後，比較市售沸石與自製複合吸附材料之污染物去除能力，確定以水處理污泥所製備出之活性碳-沸石複合吸附材料具有一定之污染物去除效力，確實可作為環境淨化資材。
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大氣氣膠對太陽輻射的消光作用造成大氣冷卻和加溫，是影響地球環境變遷的重要污染物。氣膠消光係數是由散光係數和吸光係數所構成，因此，要準確評估大氣氣膠對太陽輻射光學效應必須仰賴正確的氣膠消光係數。本文以新莊微粒超級測站量測的氣膠消光係數來評估台北都會區氣膠光學特性，由於新莊微粒超級測站量測的氣膠消光係數沒有修正氣膠散光儀的光源照射積分角度，也沒有修正氣膠吸光儀的濾紙纖維多重散射及沉積在濾紙微粒的消光效應，因此，本文參考Anderson and Ogren (1998)和Colluad Coen et al. (2010)論文分別修正量測的氣膠散光和吸光係數。 研究結果顯示，修正後氣膠散光係數較修正前高15%，修正後氣膠吸光係數較修正前低8%，修正後氣膠消光係數較修正前高13%，直接受到影響的是單次散射反照率的增加，修正後單次散射反照率較修正前高3%。本文以修正後氣膠消光係數推估大氣氣膠光學尺度(scale height)，修正後也較修正前低約13%，顯示垂直空氣柱氣膠分布的實際高度較修正前低。 本文篩選中研院設置於台灣大學的光達有效數據， 比較2008~2009年間量測氣膠消光係數的垂直剖面變化，發現光學尺度呈現不同的季節變化與日變化，在春季時會有較高的光學尺度，主要是春季容易受大陸沙塵傳輸影響。最後，本文篩選沙塵時期、節慶日、PM2.5高濃度事件日與平常日，探討氣膠消光係數與光學尺度的變化。
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大氣氣膠光學效應會影響地球接收和反射太陽輻射，因此，觀測大氣氣膠光學特性是評估全球暖化的重要項目。台灣中部鹿林山(2,862 m a.s.l.)大氣背景站適合觀測東亞背景大氣氣膠的光學特性，雖然鹿林山屬於高山背景測站，但是仍會受到亞洲大陸污染傳送與春季中南半島生質燃燒的長程傳輸污染影響。本文分析2008年10月至2010年4月鹿林山受到不同氣團的氣膠光學特性，研究氣膠粒徑分布與氣膠化學成分變化對氣膠光學特性的影響，以及利用模式推估不同氣團乾氣膠直接輻射效應，並且與實際大氣氣膠直接輻射效應進行比較。 鹿林山接收到的氣團主要為源區生質燃燒(BB)、源區非生質燃燒(SNBB)、自由大氣(FT)、人為污染(Anthropogenic)等四種類型。源區生質燃燒(BB)類型的氣團經過長程傳輸帶來高濃度的硫酸鹽氣膠與碳成分氣膠，PM10氣膠散光係數和吸光係數分別為127.2 Mm-1與24.6 Mm-1；源區非生質燃燒(SNBB)類型的氣團是長程傳輸的背景濃度，氣膠散光係數和吸光係數分別為23.2 Mm-1與3.1 Mm-1；自由大氣(FT)類型的氣團是代表東亞背景大氣的特性，氣膠散光係數和吸光係數分別為25.0 Mm-1與4.2 Mm-1；人為污染(Anthropogenic)類型的氣團包含中國東南方污染傳送與白天谷風帶來的本地污染，白天谷風造成PM10氣膠散光係數和氣膠吸光係數24小時平均影響量分別為15.1 Mm-1與1.6 Mm-1。源區生質燃燒、源區非生質燃燒、自由大氣、人為污染等四種類型氣團的氣膠直接輻射效應分別為-0.25、-0.22、-0.17、-0.60 W m-2，在生質燃燒期間氣膠單次散射反照率的低值與氣膠光學厚度的高值，會減低大氣氣膠對地球接收太陽直接輻射的冷卻效應。此外，考慮到氣膠化學成分會影響氣膠含水量，造成實際大氣氣膠散光效應會增加30.7%、2.5%、63.8%、37.7%，導致估算氣膠直接輻射效應需要修正。
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過去在追求環境永續性提升的方法通常是先進行對環境永續性之評估，再根據評估結果而先研擬政策或區域之整體性策略，最後再訂定政策或區域內各污染排放者與資源使用者之管理策略及行動計畫。然而此種分段式規劃方法缺乏系統性的考量，無法達到整體政策或區域的最大永續性。因此本研究之目的在於發展環境永續性與總量管理方法論與系統，以克服上述分段式規劃方法之缺點。本研究首先以系統思維(Systems thinking)、結果管理(Managing for Results)、系統分析(Systems analysis)等方法，發展環境永續性與總量管理體系架構，並結合驅動力─壓力─狀態─衝擊─回應(Driving force-Pressure-State-Impact-Response, DPSIR)架構，發展一套包括環境、社會、經濟三面向的指標系統，此一指標系統乃是依據DPSIR關係而用於發展環境永續性與總量管理模式，以同時評估與計算得到最大之永續性，代表促進永續發展之效益。本研究同時根據系統層級性，發展出以物件鏈結三個決策層之多階段多選擇概念模式架構，以發展出雙重界限(目標值與限制值)隱式列舉法(Enumeration of Multiple Bounds for Objectives and Constraints, EMBOC)之求解演算法，而解決同時擬定整體管理策略與個別污染者/使用者管理策略之複雜問題。本研究並根據上述體系架構與模式，以Visual Basic、地理資訊系統(Geographic Information System, GIS)、MS Excel軟體，發展環境永續性與總量管理雛型系統。本研究以我國高爾夫球場設置政策以及中壢工業區為案例研究對象，不但可得到上述政策及工業區之最大永續值，同時可以得到最佳策略下的高爾夫球場設置總量、各高爾夫球場之污染防治/資源調配管理策略，以及工業區整體污染排放/資源使用總量、區內所有工廠之污染排放/資源使用量等。研究結果顯示，本研究所提出之方法論與雛型系統，初步能夠有效協助主管機關以系統化的方法研擬出政策與工業區管理之策略與行動計畫，以追求提昇政策與工業區之永續性。
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本研究有鑑於多孔性吸附介質孔洞大小分佈不均、比表面積不夠高，且對特定金屬無選擇性之因素。本研究透過不同改質方法，於不同水熱合成條件合成之多孔性介質表面以不同改質劑進行改質，藉此探討多孔性介質之孔洞大小、比表面積變化、表面結構之差異、官能基之鍵結量多寡與使用不同改質劑對不同重金屬 (Cu2+、Zn2+、Ag+) 選擇性吸附效果之影響。以達到找尋擁有對特定重金屬吸附能力良好之吸附介質，解決對環境有害之重金屬汙染問題。 本研究將改質前後多孔性吸附介質分別進行 ASAP、FTIR、XRD、SEM 及 EA 分析，探討不同改質參數對吸附介質特性之影響。由研究成果得知改質後 C9-106 吸附重金屬能力較改質後 C16佳。C9-106 與 C16 鍵結含有三個胺基之官能基後，吸附 Cu2+、Zn2+ 及 Ag+ 效果較鍵結氰基者佳。另外，以含三個胺基官能基及含CN官能基之改質劑改質後之 C9-106 與 C16 分別對此三種金屬之親和力：Ag+>Cu2+>Zn2+。
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環保署之統計資料顯示都市垃圾焚化廠飛灰產量有逐年上升的趨勢，因此，如何妥善處理飛灰中戴奧辛，成為亟需解決的問題。本研究先前已建立飛灰批次熱裂解系統，並根據其成果與經驗，建置連續飛灰熱裂解處理系統。測試結果得知當高溫爐溫度控制於500oC時，飛灰熱解區之平均溫度可穩定控制於350oC。當反應器傾斜角度控制為1o、3o及5o時，飛灰於反應器中之停留時間分別為40、25及20分鐘，經熱裂解處理後飛灰中PCDD/Fs之毒性去除效率分別為99.84%、99.76%及99.44%，PCBs部分則分別為99.43%、98.25%及97.26%。研究結果指出隨著飛灰停留時間增加（傾斜角度減小），PCDD/Fs、PCBs之去除效率亦隨之提升。PCDD/Fs毒性去除效率部份，相較於高氯數物種(6-8氯)，低氯數物種(4-5氯)之毒性去除效率較低，顯示脫氯反應亦發生於連續熱裂解反應器中。處理後之飛灰中PCDD/Fs毒性濃度均低於有害事業廢棄物之認定標準(1.0 ng I-TEQ/g)，尾氣中PCDD/Fs濃度亦符合排放標準(0.1 ng I-TEQ/Nm3)。實驗結果顯示飛灰經熱裂解後PCDD/Fs之氣固相分佈主要殘留於固相中，只有少量(< 0.2%)揮發至氣相中。PCBs氣固相分佈部分，未受破壞之PCBs主要揮發至氣相中。添加5%氫氧化鈣於飛灰中，和未含添加劑相同操作條件相比，飛灰中PCDD/Fs、PCBs毒性去除效率皆有顯著提升。
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化學置換法是由氯化銅蝕刻廢液中回收金屬銅最經濟有效的技術，反應後之回收液，亦可進一步製成混凝劑。本研究依據實際氯化銅廢液之性質，並以金屬鋁為犧牲金屬，進行批次實驗，再以操作反應溫度變化、銅回收率和反應時間、銅粉純度及回收液品質為評估指標，建立合適之操作方式。 研究發現，以鋁為犧牲金屬之置換反應，在一次添加足量鋁金屬時，初始銅離子濃度越高，回收速率越快，但會造成溫度於反應5分鐘內超過95℃，影響操作上的安全性，尤以初始銅離子濃度大於60g/L以上時，最為顯著。因此，若要避免操作上的危險性，使銅離子完全置換，勢必將足量鋁金屬，採取分批添加的方式。此外本研究發現，增加犧牲金屬鋁劑量(Al/Cu0莫耳比)及縮小鋁片尺寸大小，均有助於提升置換反應速率，但亦增加了旁反應對鋁金屬的消耗率，且旁反應對鋁之消耗量，將高於主反應。 綜合研究評估結果顯示，當初始銅離子濃度(Cu0)分別介於30~50及50~60g/L之間，且鋁總劑量Al/Cu0莫耳比分別為1.0及1.33時，採分批添加方式，經75分鐘反應時間，均可達到99％以上銅回收率，銅粉純度約為95~99%。