中央大學環境工程研究所學位論文
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有機固體廢棄物產自於農業活動，包括家畜排泄物(例如牛和豬的糞便)和木質纖維材料(例如稻稈)，已不再被被認為是廢棄物，因為它們是穩定的生質物來源，藉由厭氧處理而轉變為有用的燃料(例如甲烷、氫氣和乙醇)，可作為不同的再生能源應用。然而傳統的厭氧處理程序係採「濕式」消化，而不是應用「乾式」(或稱為「固態」)消化。因此有必要開發一種新技術，它不僅能有效處理農業廢棄棄，而且是更為穩定有效操作的方式。本研究建立一套固態厭氧消化滲漉系統，並應用共消化方法來促進生質氣體產出。具體而言，使用最佳化設計方法進行牛糞發酵產氫，而其關鍵因子會影響豬糞和紙漿或稻稈在滲漉系統所進行共消化的評價和鑑定。 就產氫而言，應用田口方法的水準設定及L18矩陣直交表，來定義影響高溫厭氧發酵的主要影響因子(溫度及pH值)，接著按所定義的最適溫度及pH條件，以響應表面法的中心組成設計，預測氫氣含量、氫氣產生量及比氫氣產出。結果顯示控制系統在溫度和pH值分別在60℃和5.20±0.21時，可得最適的產氫濃度54.64±11.45(%)、氫氣產生率405.54±93.61(mL-H2/L/d)和比氫氣產出10.25±1.96 (mL-H2/g-VS)。 就產甲烷而言，決定最適固體停留時間為6天後，以半連續試驗進行豬糞和紙漿共消化，期能提升甲烷產出之質與量，結果顯示紙漿和豬糞在濕重比50 : 50時，得到高甲烷濃度57.53 %，進而比較紙漿和豬糞共消化與單獨豬糞消化，分別提升了甲烷濃度5.8%、甲烷產生量35.61 %和比甲烷產出49.22 %。除了紙漿，稻稈被用於產甲烷滲漉系統的進料基質，結果顯示當兩種預酸化和未酸化稻桿均質化為相同粒子大小時，得到相同的甲烷產出水準，建議稻稈的預酸化處理不是「生質物到甲烷」轉換系統的條件，尤其在滲透性(水力傳導度)測試裏顯示進料物的孔洞性也許才是整個調控甲烷產出的關鍵因子。另外，在系統的最高甲烷產生率和甲烷濃度的多源基因體分析顯示Methanosarcinales 和Methanobacterials是古生菌的主要菌群，符合在系統中檢測到乙酸的核算水準，比較意外的是，高溫菌Thermoplasmatales 在古生菌的所佔比例偏低。
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隨著工業發展、人為活動增加，許多重金屬物種及有害物質被排放至土壤環境中，構成人體及生態健康的威脅，而其中土壤重金屬污染是現今備受關注的議題之一，因為當污染物達一定濃度時可直接毒害栽種其上的植物及生長其中的微生物外，污染土壤也可能成為固定污染來源，使得重金屬從土壤基質逕流及滲出，導致表面及地下水環中重金屬含量升高，進而對安全供水造成很大的風險。然而，重金屬不同於有機污染物，因無法被降解，故其化學特性明顯地限制許多整治技術的應用。根據美國環保署所公布的資料，固化/穩定化工法在整治工業廢棄物和污染土壤已被證明為最佳可利用的技術之一。本研究利用三種生物性聚合物(包含海藻酸鈉、黃原膠、瓜爾豆膠)調查和評估其施用在土壤中穩定鉛、鉻、鎘的能力，主要是因生物性聚合物對於重金屬有高度親和力，可作為屏障以防止有害廢棄物在環境中的遷移，且已被認定為是可再生及具成本效益之材料。研究首先測試利用硼砂及鹼土金屬離子(如鈣和鋇離子)作為交聯劑，將生物性聚合物形成相互穿透交聯網絡(IPNs)後，其抵抗生物降解的程度是否得以提升，以作為後續可否長久存在於環境的適用性；交聯後的產物以重量溶脹比作為IPNs 交聯程度之指標，生物降解程度以所生成的CO2 定量。實驗結果顯示交聯反應後的生物性聚合物具有高交聯密度及低含水率，暗示其具有複雜結構的存在，可減弱其生物降解性。此外，初步的土壤試驗結果顯示，藉由硼砂交聯的瓜爾豆膠當處理含鉛污染之土壤，可將未經處理的土壤中鉛溶出濃度從13.47 mg/L 降低至2.67 mg/L，代表81%的鉛被成功固定；另外，混合黃原膠及瓜爾豆膠並利用硼砂進行交聯可讓土壤中鎘溶出濃度由原本6.05 mg/L 降低至0.63 mg/L，穩固鎘之能力達85%。這些結果表明當此技術應用於人工合成鉛、鉻、鎘的污染土壤時，交聯生物性聚合物在現地系統中可產生交聯網絡以牢籠方式困住重金屬，並具有抗生物降解特性，可看出此方法在穩定土壤重金屬的技術上提供另一個具前景且可行的整治工法。
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柴油引擎因其高於汽油引擎的燃油效率與較低的二氧化碳排放優勢下，逐漸成為未來趨勢的車種。且柴油引擎所排放的氮氧化物佔所有移動污染源65%，而此一污染物更是柴油引擎所排放之尾氣中，最為人所重視的污染物之一，因此，世界各國無一不積極投入氮氧化物的改善技術。因此本研究擬研發一低溫、低成本、高效率之NSR (NOX Storaged Reduction)觸媒並結合非熱電漿技術針對柴油引擎中之氮氧化物去除進行討論。本研究利用以Sr2MnO4觸媒作為基底，藉鉀、鈷及BaO/Al2O3的添加進行改質，並比較改質之觸媒其活性及物性。研究結果顯示，SrKMn0.8Co0.2O4/BaO/Al2O3觸媒於NO濃度500 ppm、反應溫度300oC、空間流速48000 h-1、氧氣含量5%下具有最佳之NOx吸附能力(209 µmol/g)，但當氧氣含量提高至10%時，觸媒之NOx吸附能力有些微下降，表示觸媒在氧氣含量過多的條件下會使觸媒在短時間內將大量的NO氧化為NO2，進而使觸媒的吸附量下降。而CO2和H2O(g)的添加亦會降低觸媒吸附NOx之能力。在NOx電漿還原方面，當氣體流量 50 sccm，空間流速2000 h-1，施加電壓 6 kV，放電頻率 6 kHz時，放電時間15 sec即可將80%的NOx還原成N2；另外，分別添加H2、CO、CH4及H2O於電漿系統中，對於NOx轉化率並無顯著提升，由此結果顯示，此系統能於不添加還原劑時即可達到良好的NOx去除效率。
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本研究旨在建立含汞氣流產生系統，以測試不同氣流條件下傳統SCR觸媒針對元素態汞之轉化效率，並進一步掌握NO轉化率及戴奧辛之去除效率。實驗室測試結果指出氣流中添加NH3/NO會降低V2O5/WO3/TiO2觸媒對汞的轉化能力，而隨V2O5/WO3之含量增加汞之轉化效率明顯上升。此外，本研究進一步模擬實廠煙道氣之條件，於氣流中添加水氣、HCl、CO2、SO2等，結果指出三種板狀觸媒中，以V0.26W3.05TiO2觸媒對汞與NO轉化率較差，V1.52W5.11TiO2觸媒具有最佳的汞轉化效率。測試結果顯示元素態汞濃度降低時其轉化效率亦隨之下降，當入口汞濃度為6 g/m3時，V0.26W3.05TiO2觸媒之轉化率最低，僅有6%，推測該觸媒較容易受到水氣及質傳限制影響而抑制其汞轉化效率。為了探討實廠添加HCl與否之影響，本研究亦測試未添加HCl時之元素汞轉化率，結果顯示元素汞之轉化效率明顯下降，主因是無氯源之情況下，元素汞不易吸附於觸媒表面進行轉化；此外，隨著HCl濃度提升觸媒汞轉化活性明顯上升，當HCl添加濃度超過25 ppm時，三種觸媒的汞轉化活性僅些微提升。比較V1.52W5.11TiO2與V0.26W3.05TiO2觸媒，V1.52W5.11TiO2觸媒在汞轉化效率、De-NOx及De-dioxin皆優於V0.26W3.05TiO2，未來須審慎評估不同觸媒之適用性及組成成分的影響。戴奧辛去除效率測試結果顯示，V0.26W3.05TiO2觸媒、V0.66W5.86TiO2及V1.52W5.11TiO2觸媒對戴奧辛之去除效率分別達50%、57%及65%。值得注意的是高氯數戴奧辛物種去除效率普遍高於低氯數戴奧辛物種，初步推測係觸媒在較高之空間流速（34000 hr-1），對於高氯數物種的脫氯不完全導致低氯數物種有生成之情形。本研究亦測試擔載V2O5/WO3/TiO2觸媒之濾布，在添加水氣之條件下，其元素汞、NO轉化率為53%、47%。此外，利用積分型反應器結合Eley-Rideal mechanism求取釩鈦板狀觸媒應用於元素汞轉化的活化能(Ea)和碰撞因子(A)，經由實驗數據計算結果顯示，此類觸媒的活化能為10.7-14.2 kJ/mole，而碰撞因子為25.2-39.0 sec-1。
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國以民為本，民以食為天，食物是民眾賴以生存的基礎物質；油能提供人體熱量，亦為烘培或烹煮食物的必需品。但近幾年國內不斷爆發食品安全問題，尤其去(103)年爆發餿水油及黑心油品事件，造成民眾食安恐慌及臺灣經濟損害，更重創臺灣美食王國的形象。103年連續爆發餿水油及黑心油品事件，也引發消費者與政府對食用油品來源、流向及廢食用油去化管道的重視，故為避免不肖商人將廢食用油使用於不法管道，故廢食用油流向追蹤、去化管道的管道建置、推廣及政府橫向政策配套作為建議，亦為本文討論內容。這幾年歷經食用油風暴造成臺灣無論是社會面、經濟面及環境面各個層面都有嚴重衝擊，所以食用油的生產及廢棄的安全管理是政府機關、企業及消費者須共同面對及重視的課題。本研究就食用油中的動物性油為對象，以系統思維方式進行動物性食用油的生命週期流程探討，從動物性食用油的原、物料生產、加工、產品製造、產品銷售、產品使用、廢棄物再利用到最終處置之生命週期程序，以源頭分流管制、延長生產者社會責任，研究政府相關部門之管制點及管制政策，並導入風險管理、經濟誘因機制，即增加強制產品交易責任險機制及徵收回收清除費機制，規劃一新的政策工具以輔助現行管理架構推動更安全的動物性食用油管理政策及未來食品安全及環境管理的參考。
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大氣細懸浮微粒(氣動粒徑小於2.5μg m-3, PM2.5)會對民眾健康造成影響並導致大氣環境的變遷，檢測各地PM2.5化學特性，有助於瞭解PM2.5環境效應及污染來源。本文彙整2011年至2015年在台灣北(新莊、板橋)、中(忠明)、南(前鎮、前金、小港) 都會區環保署空氣品質監測站手動採集的PM2.5質量及化學成分濃度數據，探討台灣北、中、南部PM2.5的變化趨勢。在PM2.5採集過程，微粒半揮發性成分的揮發以及石英濾紙的吸附有機氣體會影響成分量測的正確性，本文藉由連續三張濾紙裝置進行干擾修正並探討揮發性成分特性以及影響因子。對於PM2.5污染來源，本文以受體模式PMF (Positive Matrix Factorization)進行推估，並以CPF (Conditional Probability Function)輔助判別本地污染源影響，最後探討影響大氣能見度的PM2.5化學成分、氣象因子及污染來源。 研究結果顯示北部地區PM2.5質量濃度以春季最高，且在三月有高濃度發生，四個季節PM2.5化學成分都以SO42-為優勢物種，但夏季SO42-與修正OC濃度濃度差異不大，顯示夏季有機物影響相對重要；中部地區PM2.5質量濃度以秋季最高，SO42-在四個季節都是最主要成分濃度；南部地區PM2.5質量濃度以冬季最高，PM2.5化學成分濃度在四個季節也都以SO42-為主要成分。 PM2.5水溶性無機離子NO3-及Cl-為半揮發性成分，在北部、中部及南部測站NO3-揮發/未修正濃度比值除了冬季以外，其他三個季節都大於100%，且以夏季比值最大；Cl-揮發/ 未修正濃度比值則在四個季節都大於100%，如果不進行修正，會造成PM2.5揮發成分低估。比較PM2.5在低濃度(<35μg m-3)和高濃度(>35μg m-3)各成分占比，SO42-、OC、EC占比下降、NH4+維持不變、NO3-從6%增加到13%，Cl-從1%增加到2%，NO3-增加的幅度最為明顯，顯示降低NO3-和Cl-前驅產生源排放，有助於降低高濃度事件的發生。本文以濾紙採集揮發NH4+，發現揮發NH4+當量數通常大於揮發(NO3-+Cl-)當量數，推測可能有空氣中NH3(g)穿透denuder的現象。 PM2.5碳成分採集過程會發生有機碳揮發以及石英濾紙吸附有機氣體的現象，北、中、南部揮發性有機碳占有機碳的比例平均分別為9%、11、8%，北、中、南部石英濾紙吸附有機氣體的占有機碳比例平均為18、16、14%，代表如果不進行修正，會造成北、中、南有機碳成分平均高估9%、5%、6%。討論揮發離子濃度與環境最高溫度(Tmax)及修正後的PM2.5質量濃度的關係指出揮發NO3- 和NH4+與環境最高溫度及PM2.5濃度有關，揮發Cl-與環境最高溫相關性則不顯著。 利用PMF推估並以CPF輔助判別污染來源，北部、中部、南部測站都以二次硫酸鹽和二次硝酸鹽及氯鹽污染源類別貢獻最大，顯示台灣都市地區PM2.5空氣品質受到化石燃料燃燒排放的影響為最主要。大氣能見度的衰減以南部最為嚴重，整個採樣期間能見度平均為7.5±3.16 km，北部和中部能見度較南部好，採樣期間能見度平均分別為12.57±4.13 km、12.72±3.4 km，能見度以中部>北部>南部。將PM2.5化學成分、污染來源和氣象因子對大氣能見度進行多元迴歸分析，北、中、南能見度主要受水溶性無機離子和氣象因子的影響。
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本研究探討加氫脫氯技術於溫和環境下對於OCDD/F之去除及對廢水中PCDD/Fs之去除與降解特性。PCDD/Fs係持久性有機污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)，國內廢水PCDD/Fs排放標準依既(新)設業者規範不同限值，新設業者之限值為5 pg I-TEQ/L，既設業者之限值為10 pg I-TEQ/L。傳統的廢水處理法以活性污泥或碳吸附系統來降解及去除水中汚染物，但這些程序除了可能效果不彰外，也可能僅是對污染物進行分佈相的轉移，未能完全的去除或破壞污染物結構。本研究以具化學還原特性的鈀觸媒加氫脫氯程序進行效率測試。文獻已證實鈀觸媒的產氫效能，證明鈀觸媒可有效轉化有機溶劑產生氫原子，因此加氫脫氯乃利用鈀觸媒的產氫及捕捉氫來還原PCDD/Fs，脫氯成無毒性之產物。然而此技術對於PCDD/Fs破壞的影響因子尚未釐清，因此本研究探討各操作參數的影響及PCDD/Fs的降解途徑。將特定OCDD/F濃度，攪拌速度及溫度條件下，探討溶劑、鹼劑、觸媒劑量、載體效應對OCDD/F催化脫氯降解的影響。實驗結果顯示不同溶劑下，鈀觸媒加氫脫氯OCDD/F以甲醇為溶劑之去除效率及破壞效率最佳，在反應60分鐘內PCDD/Fs總質量去除效率達96%，因此選擇甲醇作為後續試驗溶劑。添加不同劑量鹼劑NaOH於反應系統中，在反應前30分鐘，以1 mM NaOH條件下之PCDD/Fs質量去除效率較高，且去除效率未隨鹼劑添加量增加而上升；過量的NaOH會阻塞觸媒孔洞導致表面積下降，於50 mM NaOH條件下之總PCDD/Fs去除效率最低；反應時間進行至60分鐘，以未添加NaOH條件下之質量PCDD/Fs去除效率較高，故後續實驗不再添加NaOH。此外，觸媒載體對催化結果也有影響，本實驗選擇氧化鋁及活性碳作為載體進行比較，結果顯示Pd/Al2O3的PCDD/Fs去除效率比Pd/C高，特別是破壞效率的差別較大。本研究團隊以自主研發之連續熱裂解模組處理國內中石化安順場受高濃度汞、PCDD/Fs污染土壤，此系統之驟冷塔可捕捉熱處理污染土壤產生之高濃度有機化合物廢氣及高濃度PCDD/Fs冷凝廢水，廢水之PCDD/Fs濃度高達16~44 ng I-TEQ/L，因此針對冷凝廢水PCDD/Fs5之去除進行試驗。首先，使用球狀活性碳進行吸附試驗，結果顯示在液固比為3:1條件下，放流水PCDD/Fs及總汞可符合法規管制標準，高活性碳使用量導致成本過高。進一步，利用加氫脫氯技術處理冷凝廢水。在未添加還原劑條件下，反應180分鐘後PCDD/Fs質量去除效率為53.21%；在添加5%還原劑條件下，反應180分鐘後PCDD/Fs質量去除效率提升為71.86%。然而其毒性濃度仍未達法規管制標準(5 pg I-TEQ/L)，因此先將冷凝廢水曝氫氣，使冷凝廢水之氫氣達飽和，再將此廢水進行鈀觸媒催化試驗。結果顯示反應180分鐘後PCDD/Fs質量去除效率提升至97.34%。
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奈米科技被譽為是二十一世紀最重要的科技之一，其蓬勃發展的結果雖可對各產業帶來劃時代的革命，但同時也免不期然的將會讓這些對生態造成何種影響仍不明確的新興物質排入環境中，使其發展的背後仍有隱憂。因此，了解奈米材料的傳輸、宿命及毒性，甚至更進一步地研究這類物質會對生態及人類健康帶來的衝擊為何，對於奈米科技的永續發展將極有助益，而探究人造奈米顆粒與微生物之間的相互作用則可視為推估這類材料潛在生態風險的第一步。然而，近期文獻雖已指出含鎘量子點在風化過程中，會因為鎘離子的溶出而對微生物產生制菌性或殺菌性的毒性效應，但文獻對於胞外化學物種組成在過程中如何影響量子點最後毒性作用的探討仍相當缺乏。有鑒於此，為釐清一般不具鎘抗性基因的原核細胞的鎘攝取機制，本研究利用革蘭氏陰性菌 Escherichia coli K-12 (ATCC 25404)為模式生物，以其存活率多寡做為鎘攝入的指標，在操縱試驗培養液化性的狀態下，探討胞外化學物種組成對於含鎘量子點所造成的微生物毒性之影響，並藉此推論及評估量子點潛在的生態衝擊程度。實驗結果證實原先設定的假說，即「溶解鎘主要以自由型態的鎘離子Cd2+進入菌株細胞中，且細胞對鎘的攝取過程主要依賴主動運輸此等機制」。這些結果意味著當水相系統維持在以自由態的鎘離子為優勢物種時，量子點將有可能對生態帶來最大的毒性衝擊。
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揮發性有機化合物之排放已受到公眾越來越多的關注，因為揮發性有機化合物之排放對人體與環境會造成不利的危害，其中酚是重要的揮發性有機化合物，它在低濃度是具有毒性的，透過吸入、攝取及眼睛或皮膚的接觸都會對人類健康造成不良的影響，此外，酚也是重要的臭味物質，因此如何有效控制其排放實刻不容緩。本研究以perovskite型觸媒結合非熱電漿技術去除氣流中揮發性有機物，藉由上述之實驗來探討電漿與催化反應間之加成效應。本研究分為兩個部份進行討論，第一部份以檸檬酸溶膠凝膠法合成perovskite型觸媒LaMnO3，藉Sr及Cu的添加來製備改質之LaMnO3觸媒，並比較LaMnO3、La0.8Sr0.2MnO3及La0.8Sr0.2Mn0.8Cu0.2O3三種觸媒之催化活性及基本特性探討。研究結果顯示La0.8Sr0.2Mn0.8Cu0.2O3於200oC即可達到100%之去除效率且在300oC對酚之礦化率已達100%，而La0.8Sr0.2MnO3及LaMnO3則需於300oC及400oC才可達完全去除之效率。從觸媒之測試結果顯示改質之La0.8Sr0.2Mn0.8Cu0.2O3對酚之去除具有最佳活性。第二部份以非熱電漿及電漿觸媒系統去除酚，結果顯示在電壓為16 kV、頻率為8 kHz及總流率為300 mL/min之條件下，非熱電漿系統對於酚之去除率為80%，填充La0.8Sr0.2Mn0.8Cu0.2O3觸媒於非熱電漿系統中酚之去除效率達100%；礦化率則從11%上至55%提升了44%；能量效率方面，單階段電漿結合觸媒系統顯著高於單獨非熱電漿系統。整體而言，單階段電漿結合觸媒系統是有效提升非熱電漿處理氣流中酚之能量效率以及礦化率。
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化學需氧量(COD)為水體有機污染程度的控制與監測的水質項目之一，然而現有的分析技術存在有諸多不足之處，例如對於部分生物可分解的含氮有機物無法被完全氧化，分析方法也不適用於分析揮發性物質等。本研究以溶膠凝膠法製備TiO2/SWCNTs複合材料，以滴附的方法修飾複合材料於玻璃碳電極表面，接著以修飾電極進行線性掃描伏安方法探討得到的氧化峰電流反應訊號與COD濃度之間的相關性:標準品(KHP)受到擴散控制，分為兩區段線性關係，分別為10 ~ 100 mg/L區間和150 ~ 500 mg/L區間。葡萄糖受到吸附控制，在10 ~ 100 mg/L區間有較好的線性關係。草酸於電位－0.7 V處的反應可能非單純為擴散或吸附控制影響，而在0.3 V處的反應受吸附控制的影響較顯著。氫氧化四甲銨(TMAH)和單乙醇胺(MEA)皆受到吸附控制，氧化峰電流訊號值與COD濃度之間都呈現負相關。光電廠放流水將個別添加不同COD濃度的TMAH和MEA，濃度與氧化峰電流訊號值皆呈現正相關。淨水廠放流水連續三天分析結果，發現標準分析方法(CODCr)與LSV電化學分析法確實有類似的趨勢。