第三章 實驗方法
3.4 實驗設計方法
3.4.4 本研究之實驗設計
本研究實驗為二因子中央合成設計 (α = 1.414)，選擇以污泥土壤掺合比率 (g /kg, sludge cake weight/soil weight, dw) 與下水污泥餅中 DEHP 濃度 (mg/kg) 二因子進行試驗，探討各試驗組中 DEHP 濃度隨時間降解變化情形。
以期得知自然生物降解 DEHP 其系統最適污泥土壤掺合比例及初始污泥餅中 DEHP 濃度對降解效率之影響。 依據二因子中央合成設計，須先決定實驗條件
其上、下限範圍後，再依 CCD 之設計點為試驗組數進行實驗。 除了原先中央 合成設計所須進行的試驗組別外，於二個因子條件之軸上各增加兩組試驗組，亦 即使原先中央合成設計的 x 與 y 軸上增為各有 5 個試驗組 (原各有 3 個)，可 將其視為傳統實驗方法中的一次變因法，輔以探討單一因子對 DEHP 濃度降解 之影響。 另一方面進行三組對照組試驗，分別為經滅菌後之污泥掺合土、土壤、
污泥餅，觀察 DEHP 於此對照組別中，其濃度的降解變化情形。 整體而言，本 研究以二因子五水準條件下進行試驗，以傳統一次變因法須進行 52 = 25 組試 驗；相較之下若以 CCD 進行相同試驗僅需 11 組試驗，可大幅降低試驗總組數。
瑞典環保署 (1992) 與丹麥環保署 (1995) 針對都市下水污泥中危害性有機 物進行篩選與監測調查時，研究對象分別為其境內 27 座與 19 座都市下水污泥 進行監測調查為期 2 年，均於下水污泥中發現 DEHP 物質之存在；表 3-2 為 各國都市下水污泥中 DEHP 濃度值之分佈，歐洲國家下水污泥中 DEHP 濃度 最高約為 660 mg/kg。 表 3-2 顯示污泥中 DEHP 濃度最高者為加拿大的 959 mg/kg。 由上述文獻得知各國實際下水污泥所可能含有 DEHP 濃度之上限約為 960 mg/kg，因此本研究中在不同污泥餅中 DEHP 濃度此一因子，選擇 DEHP 濃度1000 mg/kg 為其上限；另由民生廠所採集之污泥餅經分析後，DEHP 濃度 在污泥餅中分佈相當均勻，其濃度均約為 110 mg/kg，故選擇以 DEHP 110 mg/kg 為此實驗因子之下限。 本研究另一實驗因子-污泥與土壤之掺合比率，係 依據污泥掺合土壤相關文獻 (表 3-3 )，作為本研究此因子之試驗範圍；表 3-3 顯 示污泥土壤掺合比約介於 8-405 ton/ha (4-200 g/kg) 之間，選擇最接近之整數值 作為試驗範圍之上下限，故掺合比例範圍為 10-400 ton/ha (5-200 g/kg)。 各實 驗組之試驗條件如表 3-4、表 3-5 與圖 3-5 所示。 表 3-4 中，Run 1-11 組 別為中央合成設計之試驗組；除此之外 Run 12-15 之試驗結果可用來驗證原 11 組 CCD 試驗後所配適的曲面模型是否合宜。
表 3-2 各國都市下水污泥中 DEHP 濃度值之分佈 Country Sample type DEHP concentration
(mg/kg dw)
Canada MSSa 11-959 Bridle and Webber (1982)
USA MSSa 136-578 Staples et al. (1997) Limits Agricultural Soils Sewage Sludge
EU – 100 Cheng et al.(2002)
a Municipal sewage sludge.
b Data from the survey report of National Swedish Environmental Protection Board.
c Data from Danish Environmental Protection Agency.
表 3-3 污泥掺合土試驗之掺合範圍相關文獻 Amended rangea
g/kg b (dw) 19-77 1:52-1:13 39-156 Aggelides et al. (2000) 25-200 1:40-1:5 51-405 Cheng et al. (2002)
5-15 1:200-1:67 10-30 Pascual et al. (1999) 5-44 1:200-1:23 10-90 Korboulewsky et al.
(2002)
7-59 1:135-1:17 15-120 Erdem and Ok (2002) 20-158 1:51-1:6 40-320 Navas et al. (1998)
4-36 1:253-1:28 8-72 Snyman et al. (1998)
a Assumption: The weight of surface soil in one hectare is 2025 ton.
b Unit: (sludge/soil, g/kg)
表 3-4 試驗操作條件a, b (實驗組)
DEHP in sewage sludge cake
b Central composite design: from Run 1 to Run 11.
表 3-5 試驗操作條件 (對照組、空白組) Run Amended ratio
g/kg(dw)
DEHP in sewage sludge cake
(mg/kg)
Description
16a 171 870 sterile
17 0 110b soil only
18c – 110 sludge only
a Soil and sludge both are sterile.
b 110 mg DEHP/kg soil.
c There is only sludge in the reactor.
X Y
(0, 1.414)
(+1, +1)
(-1, -1) (+1, -1)
(-1, +1)
(0, 0)
(0, -1.414)
(1.414, 0) (-1.414, 0)
( = 2, = 1.414 )
k
α(a)
DEHP in sludge (mg/kg) Amended ratio (g/kg)
(555, 200)
(870, 171)
(240, 34) (870, 34)
(240, 171)
(555, 103)
(555, 5)
(1000, 103) (110, 103)
no. 8 no. 1
no. 2
no. 3
no. 4
no. 5
no. 6
no. 7 no. 9, 10, 11
(b)
圖 3-5 本研究之中央合成設計
3.5 品質保證與品質管制 (Quality Assurance/Quality Control, QA/QC)
3.5.1 檢量線製備與確認
本研究取適量 DEHP 原液溶解於正己烷 (hexane) 中，並以連續稀釋的方 式分別配製 5, 10, 25, 50, 75 及 100 mg/L 等六種不同濃度之 DEHP 標準 液，取固定 DEHP 標準液體積 (1 µL) 注入氣相層析儀中進行分析，不同濃度 的樣品均需分析 7 次，同時並利用 20 mg/L 之 DEHP 標準品做為檢量線之確 認濃度，此確認標準品必須於每 10 次樣品注射分析後進行確認，本研究於每 10 次分析後獲得之誤差百分比皆小於 5%。
3.5.2 方法偵測極限 (Method Detection Limit, MDL)
本研究含 DEHP 物質其樣品濃度分析程序為，將土壤樣品以索氏萃取法進 行萃取完畢後，再以氣相層析儀-火焰離子檢測器 (GC-FID) 分析 DEHP 濃度。
因此本研究分別針對氣相層析儀 (GC-FID) 與索式萃取法進行方法偵測極限值 之建立；在氣相層析儀部份，本研究配製之 DEHP 標準濃度樣品為 1 mg/L，將 此濃度之樣品分別進行 7 次分析，分析所得之標準偏差值 (standard deviation, SD) 之 3 倍即為 GC-FID 之方法偵測極限，目的為探討 DEHP 溶液相之偵測 極限；另外在索氏萃取方法部分，方法為配置 10 mg/kg 之石英砂樣品，於相同 之萃取條件下分別萃取 7 次，分析後所得標準偏差值之 3 倍即為本實驗室索氏 萃取法，對於 DEHP 樣品之方法偵測極限，目的為了解污泥摻合土中 DEHP 可 被萃取之最低濃度。
3.5.3 重覆樣品分析與再現性 (Reproducibility)
本研究於實驗進行過程中，在每 4 個分析樣品中任選 1 個樣品，分別進行 3 次之萃取工作，並將此 3 次獲得之結果，計算其相對標準偏差值 (relative standard deviation, RSD)，以此偏差值之大小間接表示於每批次全體樣品在萃取 過程中之再現性高低。
3.5.4 添加樣品萃取分析
本研究於每批次樣品經索氏萃取並以 GC-FID 分析得 DEHP 濃度後，於原 先未萃取之土壤樣品中，在每 10 個樣品中，選擇 1 個樣品進行 DEHP 標準 濃度樣品添加於土壤樣品中之工作，而每次添加於土壤樣品的 DEHP 濃度，為 此樣品在先前分析得之 DEHP 濃度，以等同此 DEHP 之濃度值進行添加，以 避免其後添加 DEHP 濃度值與原先樣品 DEHP 濃度值相差過大，因而造成添 加樣品萃取及定量分析上之誤差產生。 最後計算出每次添加樣品後之樣品回收 率 (recovery)，來間接表示全體土壤樣品於萃取過程中之準確性。
3.6 樣品萃取方法及分析方法
3.6.1 樣品萃取方法
本研究中土壤樣品之萃取方法為我國環保署公告之標準方法-索氏萃取法 (NIEA M165.00C)。
3.6.2 分析方法
污泥掺合土壤樣品經索氏萃取後之樣品萃取液，利用氣相層析儀-火焰離子檢 測器 (GC-FID, HP 5890) 配合毛細管柱 (DB-5 capillary column) 進行分離，完 成 DEHP 物質定量與定性分析之工作。 GC-FID 定性方面: 1. 在一定 GC 分 離管柱及 GC 操作條件下，以固定濃度之 DEHP 標準品施打於 GC 中，確認 DEHP 物 質 在 GC-FID 圖 譜 中 所 出 現 的 波 峰 (peak) 停 留 時 間 (retention time)，利用每種物質均有確定的停留時間，作為定性指標。 2. 在 DEHP 溶液 中加入不同劑量之純 DEHP 溶液，利用其物質峰高增加定性；在定量方面: 選 擇 GC 圖譜中物質波峰面積為定量之依據。 而樣品注射方式則以手動方式注入 1 µL 之萃取液進行分析。 本研究使用之 GC-FID 操作條件及管柱升溫程式分 別如表 3-6 及圖 3-6 所示:
表 3-6 氣相層析儀之操作條件
Item Description / Value Analysis instrument Hewlett-Packard 5890
Detector Flame Ionization Detector (FID) Column type DB-5 capillary column
(0.53 mm × 1.5 µm × 30 m) Injection Temperature 270°C
Detector Temperature 300°C Carrier Gas (Helium) Flow 6.6 mL/min Spilt Vent Flow 18.2 mL/min Carrier Gas + Make Up Gas Flow 33.3 mL/min Septum Purge Flow 1.2 mL/min
圖 3-6 氣相層析儀管柱升溫程式 (Roslev et al., 1998)
3.7 樣品基本項目分析方法
本研究中除針對污泥掺合土中 DEHP 濃度進行分析外，亦對污泥掺合土其 他基本特性進行分析，分析項目分別為有機質 (organic matter)、土壤中總氮 (total nitrogen)、土壤中總磷 (total phosphorus)、土壤 pH 值、陽離子交換能力 (cation-exchange capacity) 及土壤總菌數目 (total bacterial number)，檢測項目 方法依據皆如表 3-7 所示。
表 3-7 土壤樣品基本項目分析之方法依據
分析項目 分析方法依據
有機質 Methods of soil analysis part 3, 1996 (SSSA) 總氮 Methods of soil analysis part 3, 1996 (SSSA) 總磷 Methods of soil analysis part 3, 1996 (SSSA) 土壤 pH 值 NIEA S410.60T
陽離子交換能力 NIEA S202.60A
總菌數目 土壤分析手冊 (中華土壤肥料學會，1995)
第四章 結果與討論
4.1 品質保證與品質管制 (QA/QC)
4.1.1 DEHP 檢量線 (calibration curve)
本研究配製 6 個不同濃度之 DEHP 標準溶液，依序為 5, 10, 25, 50, 75 及100 mg/L，針對每單一濃度分別進行 7 次之分析，將不同 DEHP 濃度下所 獲得的波峰面積 (peak area) 與 DEHP 濃度作圖，並利用最小平方定線法進行 迴歸後可得到一線性直線，此直線即為本研究之 DEHP 檢量線 (如圖 4-1)；此 線性方程式為 Y = 847.12 X + 104.66，其中 X 為 DEHP 之濃度 (mg/L)，Y 為 波 峰 面 積 ， 同 時 此 直 線 之 回 歸 相 關 係 數 R2 值 為 0.9997 。
0 20 40 60 80 100
0 20000 40000 60000 80000 100000
R
2=0.9997
y = 847.12x + 104.66
Peak ar ea
Concentrations of DEHP (mg/L)
圖 4-1 DEHP 標準溶液檢量線
4.1.2 DEHP 分析
本研究配製之 DEHP 標準溶液 (50 mg DEHP in hexane of 1 litter) 直接經 GC-FID 分析後，得到 GC 分析圖譜，如圖 4-2 所示，確認圖中當停留時間為 15.395 min 時所出現之波峰為 DEHP 物質。 利用索氏萃取法進行數次台北民 生污水處理廠污泥餅之萃取工作，發現民生廠之污泥餅中均含有 DEHP 物質，
其濃度平均值約為 110 mg/kg，鄭 (1999) 也指出 DEHP 為民生廠污泥餅中最 主要之危害性有機物。
4.1.3 方法偵測極限
本研究針對 GC-FID 與索氏萃取法的部份進行方法偵測極限之建立，研究 方法與步驟如 3.5.2 節中所述，研究結果如表 4-1 所示；GC-FID 之方法偵測 極限值為 0.36 mg/L，索氏萃取方法之偵測極限值為 1.55 mg/kg。
表 4-1 GC-FID 與索氏萃取之方法之偵測極限
MDL na
GC-FID b 0.36 mg/L 7
Soxhelt extraction method c 1.55 mg/kg 7
a frequency of analysis.
b 1.0 mg/L of DEHP standard dissolved in hexane.
c 10 mg DEHP/kg sand was extracted by Soxhelt extraction method.
圖 4-2 50 mg/L DEHP 標準溶液之 GC 圖譜
4.1.4 空白樣品分析
空白樣品分析實驗之目的為探討實驗過程中，可能發生之人為或非人為誤差 來源，因此本研究針對整個實驗過程中所需使用之器材，包括壓克力材質反應 槽、索氏萃取器材與濃縮用之玻璃器具，分別進行空白試驗，結果在每一部份的 空白試驗分析中均無發現 DEHP 物質，因此實驗過程中可能引起之人為誤差與 非人為誤差皆可忽略。
4.1.5 樣品回收率與再現性
為確認試驗過程中樣本萃取分析技術之可靠性，本研究以索氏萃取方式，針 對標準品添加後相同濃度之石英砂、試驗土壤及民生廠污泥餅樣品進行萃取，樣 品中 DEHP 之濃度均為 150 mg/kg，其結果示於表 4-2。 本研究進行添加試
驗時，均將土壤、污泥餅和石英砂樣品與 DEHP 混合震盪 6 h 後，將其置於室 溫下抽氣櫃中風乾後再進行萃取試驗，避免若於添加試驗過程中未能予以充分且 均勻之攪拌或混合，將導致有機物濃度分佈不均勻，而造成萃取時之取樣誤差。
由表 4-2 得知此三種樣品在索氏萃取中之平均回收率約略為 94-101% 範圍 內，而其再現性誤差範圍則介於 1.4-2.4% 之間，顯示本研究於添加樣品所獲得 之回收率與再現性符合品管之要求，而樣品經索氏萃取後所得之濃度數據應具有
由表 4-2 得知此三種樣品在索氏萃取中之平均回收率約略為 94-101% 範圍 內，而其再現性誤差範圍則介於 1.4-2.4% 之間，顯示本研究於添加樣品所獲得 之回收率與再現性符合品管之要求，而樣品經索氏萃取後所得之濃度數據應具有