行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
總計畫及子計畫三:提昇下水污泥堆肥品質可行性研究-質
能平衡及危害有機物之評估(II)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-2211-E-009-025- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學環境工程研究所 計畫主持人： 林志高 計畫參與人員： 張仕音 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 國際合作計畫研究心得報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 11 月 1 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
有機廢棄物再利用之研究-生機肥料資源化-總計畫及子計畫三:提昇下水
污泥堆肥品質可行性研究-質能平衡及危害有機物之評估 (II)
計畫類別：□個別型計畫
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整合型計畫
計畫編號：NSC 92－2211－E－009－025
執行期間： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：林志高
共同主持人：
計畫參與人員：張仕音
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
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精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
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赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
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出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列
管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立交通大學環境工程研究所
中 華 民 國 93 年 10 月 31 日
有機廢棄物再利用之研究-生機肥料資源化-總計畫及子計畫三:提昇下水
污泥堆肥品質可行性研究-質能平衡及危害有機物之評估(II)
計畫編號：NSC 92-2211-E-009-025 執行期間：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日 計畫主持人：林志高博士 國立交通大學 環境工程研究所一、中文摘要
近幾年，石化產品之汽油、柴油及其他化學 成品等高污染性的有機化合物在儲存和運輸方面 十分頻繁而造成環境污染之事件層出不窮，對於 生態環境所造成的影響甚鉅。本研究係添加柴油 來模擬受柴油污染土壤，採用下水污泥之堆肥產 品做為營養鹽和改良劑，以現地復育之方式配合 中央合成設計 (Central Composite Design, CCD) 與 反 應 曲 面 法 (Response Surface Methodology, RSM) 來進行土壤復育試驗。同時以摻合比 (濕重) 與水分含量作為實驗因子，溫度為正交區集設 計，經由 MINITAB 統計軟體產生一反應曲面， 用以探討獨立變數與反應變數之間的數學模式關 係。由反應曲面結果可以瞭解生物降解最佳含水 率範圍約在最大含水量之 20％-65％ 間；摻合比 分別在最高 (土壤和堆肥在濕基下，1:1 之重量摻 合比例) 和最低 (土壤和堆肥在濕基下，1:0.1 之 重量摻合比例) 摻合比中有最顯著之效果。由上 述摻合比中可發現，在降解初期約 10 至 15 天 中，產生較快的降解，降解率約 50 至 55％；在 最後20 至 30 天，則有較緩慢之降解，降解率約 10 至 13％。從滅菌組實驗尚可發現只有 11％ 之降 解效果，故可知本研究之降解程序，主要由微生 物主導，屬於生物降解程序。由配適一階反應模 式之相關係數可推論柴油降解過程為一階反應模 式，最適當之摻合比係為 1：0.1 (濕重)，且其動 力常數 K 值大於未添加堆肥於土壤中之兩倍。 關鍵詞: 柴油、中央合成設計法、一階動力模式。 AbstractIn recent years, leakage of various petroleum hydrocarbons from underground storage tanks primarily at automobile service stations and from pipelines has been experienced at an alarming rate. It would become an environmental pollution accident. Bioremediation with compost is the most cost-effective clean-up technology for the treatment of diesel-contaminated soil. Central composite design (CCD) and response surface method (RSM) of bioremediation experiments were used to construct second order response surfaces for the total petroleum hydrocarbons (TPH) degradation rate to investigate the effects of compost amendment. Fourteen fixed volume batch reactors were designed by central composite design (CCD). The CCD was applied with two design factors (mix ratio and water content) and a block orthogonally (temperature). The experiment data for the central composite design (CCD) was generated by MINITAB. Total cell counts in soil samples were stained by the dye, 4’, 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI).
The results showed that TPH of contaminated soil decreased in all treatments during bioremediation process. Addition of compost to contaminated soil showed a more rapid TPH reduction that occurred in the early stage (within about 10-15 days), i.e. 50-55％ of TPH can be degraded. The 10-13 ％ TPH reduction was obtained in the final stage (within about 20-30 days) with a slower degradation rate. By Estimated Regression Coefficients for TPH, the interaction of mix ratio and water content was insignificant
(P=0.868). The biological reaction in bioremediation process of the diesel contaminated soil was the major reaction, since the biocide (control experiment) was only 11% TPH reduction. The data of the bioremediation process were well described by a first order model. The degradation rate constant of TPH in the appropriate mix ratio was two times greater than that of contaminated soil only.The appropriate mix ratio (wet weight basis) of contaminated soil and compost was 1 to 0.1.
Keywords: Diesel, central composite design, first
order reaction.
二、前言
石化燃料已成為當今各國之必需能源，而且 其需求量也逐年提高，也使得石化產品之汽油、 柴油及其他化學成品等高污染性的有機化合物在 儲存和運輸方面變得十分頻繁，近來國內因地下 儲油槽漏油、油管破裂、及地面油品意外洩漏而 造成污染事件層出不窮。當油洩漏進入土壤時， 會先吸附於土壤孔隙和有機質中造成土壤污染； 在含水層物質吸附飽和時，則會於地層質地之顆 粒間形成NAPL (Non-aqueous phase liquid)，對於 生態環境將造成難以預料的傷害。 中國石油股份有限公司 (以下簡稱中油公司) 之新中管線於民國八十四年十月間測試通油時， 在台一號省道之後龍溪橋路段發生管線油品漏油 事件，該漏油事件中洩漏高級柴油約220 公秉。 然而，洩漏之高級柴油流入後龍溪水後流達 至出海口處。由於氣候及潮汐作用之影響，使部 份柴油回流至後龍溪與西湖溪之感潮河段中，對 於生態環境所造成的影響甚鉅。要改善受到油品 污染的土壤，通常需依賴微生物的分解作用來去 除其中的油污染物質。例如利用大量施予有機物 刺激生物生長、控制較佳的含水率來提供微生物 適合生長的條件，並以物理方式鬆土以增加空氣 的供給量，或者是利用氮、磷等營養素加速微生 物之生長同時提高污染物分解之速率 (Alexander, 1994)。 柴油為由原油中蒸餾出來的重質碳氫化合 物，其組成大約含30% 的直鏈烷類 (N-alkanes)、 45 ％ 的 烷 類 異 構 物 和 環 烷 類 (Isoand Cycloalkanes) ，以 及 24％ 芳香族 碳氫 化合 物 (Aromatic) ， 另 外 還 有 極 少 量 的 異 戊 二 化 合 物 (Isoprenoids)、硫化物、氮化物及氧化物等 (Zytneret al., 2001; Lee, et al.,1992)。
本研究係添加柴油來模擬受柴油污染土壤， 採用下水污泥之堆肥產品做為營養鹽和改良劑， 進行復育試驗，評估其可行性，並期望能找出最 適合之摻合比例。使用污泥堆肥產品之原因是因 為利用下水污泥堆肥會產生穩定化，類似腐植土 之產品，可以用來改良土壤，增加土壤的保水能 力，且能維持土壤的良好結構、增加陽離子交換 能力並降低微量元素的流失。近年來許多研究針 對特定的有機污染物，利用堆肥化過程加以降 解，而達到了相當好的復育效果，例如可將污染 的土壤與堆肥混合進行生物復育。 Namkoong et al., (2002) 利用堆肥程序所產之堆肥摻合受柴油 污染的土壤，結果發現於 30 天後，其污染物降 解率可達 98.4％，主要是因為堆肥富含多樣化之 微生物相，配合良好環境條件之控制而達到較佳 之降解效果。 為了要進行模擬受柴油土壤污染之復育研 究，首先進行相關文獻蒐集，以決定計有哪些因 子會影響生物降解。此外，為了暸解因子間之相 互關係，乃利用中央合成實驗設計法進行實驗設 計，並配合反應曲面法來判斷各因子與污染物去 除率間之關係及因子間之相互關係。同時以 F 檢 定方式判斷影響反應變數之因子效果是否顯著， 以做為降解結果之依據。 對於多變數因子實驗常常會有不同因子與因 子間交互影響效應存在；如果使用傳統的「一組 實驗探討一個因子」之實驗設計方法，在固定其 他因子，只改變一個因子水準下來進行探討，常 會因各變數間所存在的交互影響效應，而無法得 到真正的最佳條件組合。中央合成設計與反應曲 面法為一結合數學應用、統計分析與實驗設計之 技術，主要是探討獨立變數與反應變數之間的數 學模式關係，經由所關心的實驗區域內以有系統 的方式進行實驗，進而求得所需要的反應值及變 數值 (Montgomery, 1998)。
三、研究材料與方法
1. 土壤和堆肥材料 本研究所模擬受柴油污染土壤，乃採自後龍 溪之未受污染土壤，而堆肥來源為台北市民生污 水處理廠尚未關廠前所採集之污泥餅 (現已關 廠)，其在污泥廠內已經過好氧消化之處理步驟， 將污泥餅加入木屑做為膨鬆劑 (Bulking agent)，再 加上經馴養之成熟堆肥以達成植種之目的，以便 能加速好氧之醱酵反應，在實驗前以均勻混合 後，再置入反應槽中，經過堆肥程序後所產生之 腐熟堆肥即為本研究之營養鹽及土壤改良劑。將 採集回來之土壤和堆肥，分別去除石礫、雜草和 其它雜質後，再過篩 (2mm) 風乾後於保存箱中室 溫保存，並將上述之土壤和堆肥進行基本性質分 析。 2.儀器設備及分析方法 本 研 究 所 使 用 之 氣 相 層 析 儀 器 乃 為 HP 5890，DB-5 管柱 (30-m length × 0.53-mm internal diameter×1.5-µm film)，升溫條件為載流氣體 (He) 流速為5 至 7 mL/min，補充氣體 (He) 流速為 30 mL/min，注射埠溫度為 200℃，偵測器溫度為 340 ℃，升溫設定之起始溫度為 45℃，維持 3 分鐘， 升溫速度為以每分鐘 12℃ 升溫至 275℃，最終 溫度為 275℃，維持 12 分鐘。而分析柴油類有 機物 (DRO) 時，係將 C10 到 C23 範圍內析出所 有的波峰面積加總，亦即在 C10 到 C23 的滯留時 間之間畫一水平的基線積分而得。由於柴油類有 機物 (DRO) 的層析條件會使管柱中物質有相當 程度的滲出，造成層析圖中的基線上升，故在分 析 DRO 時，將執行此一圖譜面積扣除，將樣品 面 積 扣 除 此 一 空 白 面 積 後 所 得 的 面 積 差 即 為 DRO 的濃度。而進行氣相層析儀或氣相層析質譜 儀之分析時，必須執行品管 （QC） 查核樣品分 析來確認分析系統的功能。 3 實驗方法 將採集回來的土樣先除去石礫、樹根、雜草 及其它外來大型物等物質，經風乾後，磨碎使其 通過 2mm 篩網，將風乾過篩後之土壤取 4 kg 於 反應槽中，然後將柴油 (2500 mg/kg) 均勻噴灑在 土壤上，並仔細地攪拌使柴油能在土壤中分佈均 勻使柴油能在土壤中分佈均勻。由於柴油乃半揮 發性有機物，為了避免揮發部分的柴油影響了最 終降解效果之誤判，先做了一個月的揮發實驗， 結果發現柴油揮發部分在第一周的揮發量約佔總 揮發量的 80％，故將攪拌均勻之土壤靜置一周 後，再依不同摻合比加入堆肥，予以攪拌均勻後， 採樣分析以作為評估柴油污染之初始污染濃度。 除了每日必需進行翻堆以保持土壤良好的通 氣狀態外 (Rhykerd et al., 1999)，在水分控制方 面，利用秤重方式以補充因揮發而損失之水分 (在此乃將柴油之揮發、降解、氧化等作用忽略 不計，土壤減少之重量主要乃為水分蒸發所導 致) ， 並 定 期 採 樣 。 採 樣 時 利 用 系 統 採 樣 (Systematic grid sampling) 之方式，並以氣相層 析儀分析 TPHD 濃度。在控制組方面，為了確定柴油降解反應是否 主要由生物降解所主導及瞭解未添加堆肥之降解 效果，乃進行測定單獨土壤 (Soil only) 實驗組、 單獨堆肥 (Compost only) 實驗組和滅菌 (Biocide) 組之實驗。在滅菌組方面，乃針對降解率較高的 實驗組之摻合比，再利用疊氮化鈉 (NaN3) 做為 生物的抑制劑。 在 生 物 菌 數 方 面 ， 本 研 究 乃 採 4’ , 6 –diamidino-2-phenylindole (DAPI) 染色法配合 螢光顯微鏡以進行生物菌數計數 (彭，2002)，其 原理係將 DAPI 螢光染料，藉由染料吸收較短波 長，而放出長波長之光時，而鑑別出菌種或其生 理特性 (Wei, 1995)。 4.中央合成設計 一 般 而 言 ， 在 實 驗 過 程 中 ， 以 因 子 設 計 (Factorial design) 是最具效率的實驗，也就是除了 可以暸解因子之主效應關係外，還可以減少實驗 之組數。從實驗過程中可發現當實驗區域逼近最 佳反應值附近時，系統中的曲率會增加。故一般 反 應 曲 面 數 學 模 式 會 考 慮 用 二 階 曲 率 模 式 (Second-order model) 來近似反應曲面，以求能適 切地描述反應函數裡的曲率。 反應曲面乃是由中央合成設計之統計數據分 析所產生，利用因子設計、中央合成設計等技巧
之組合來進行實驗設計，並配合統計迴歸方式求 得反應曲面數學模式來輔助分析因子影響效應及 尋找最適因子水準組合。 本研究即利用中央合成設計法進行實驗設 計，以含水率、土壤與堆肥之摻合比和溫度三個 參數作為實驗設計之因子，期望能暸解各因子對 污染物去除率之關係及因子間之相互關係。 實驗之操作條件如表 1 所示，在配合反應曲 面，將實驗後之結果，對於因子之相互影響關係， 以 F 檢定方式判斷影響因子是否具有顯著效 果，做為復育結果之依據。 依中央合成設計所設定的組數及水準，針對 不同實驗組採用不同控制條件，以添加水之方式 將含水率調整至設定值，再放至恆溫箱中，並將 溫度設定至欲監測之溫度，以完成實驗條件之控 制。 由於溫度因素為自然環境下無法人為控制之 因子，故將溫度以區集劃分來避免影響結果，根 據中華民國統計月報之資料調查近二年之平均最 高溫和最低溫，再利用實驗室之恆溫箱控制在上 述溫度以模擬在最高溫和最低溫時降解過程，最 後在實驗結果探討其差異。 實驗設計之分析項目乃以測定 TPHD 為主， 而在最後之確定實驗再測量 TPHD 、總菌數、EC 值、pH 值等參數，以充分暸解生物復育之效果。 將實驗結果以污染物降解率作為之反應參 數，其編碼變數、自然變數、反應參數等所配適 的模型表，如表 2 所示，再由 Minitab 統計軟體 進行分析，並繪出反應曲面圖及等高線圖。 在迴歸係數檢定部分，係經由 F 檢定之後利 用 P-value 來判斷其顯著性。P-value 係指會導致 拒絕虛無假設的最小顯著水準，一般以 0.05 以下 判斷為具有顯著性效應，亦即定義高於 95％ 以 上之信心水準為顯著。 Prochazka 等 (2003) 提到 當 P-value 小於 0.05 稱為顯著，當 P-value 相 當或小於 0.25 時，但大於 0.05 時稱為非不顯 著，當 P-value 相當或大於 0.25 時，稱為不顯著。 最後依據實驗結果判斷影響因子之相互作用 是否顯著，並且檢定其模型的適當性，以利進行 最後再確認之實驗。 5.單一因子之實驗規劃 本研究係根據實驗設計結果再進行更進一步 之確定實驗，實驗方式如表3 所示。 將土壤和堆肥之摻合比採最低摻合比 (1:0.1) 和最高摻合比 (1:1)，其間以等比例分成四組之方 式做為本實驗摻合比所配置之水準。在含水率選 擇上則根據實驗設計之反應曲面結果，將以其最 佳之含水率範圍作為本實驗之含水率設定值。在 溫度方面，依據中華民國統計月報之台灣近一、 兩年來平均氣溫在 24℃ 左右，相當接近一般實 驗分析時常用的標準溫度 25℃，故該實驗乃將溫 度控制在 25℃。為了要證明本實驗之降解程序是 否由微生物所主導，乃於實驗過程中，進行控制 表 1、因子設計之條件 因子設計 -αa -1 0 1 α 土壤：堆肥 (濕基) 1:0.1 1:0.23 1:0.55 1:0.87 1:1 土壤 0.4﹪ 4﹪ 13﹪ 22﹪ 26﹪ 系統 之水 分含 量 堆肥 10﹪ 56﹪ 166﹪ 276﹪ 322﹪ a α=1.414 可以產生可旋轉的中央合成設計 b 系統之水分含量係指將土壤含水量 (0.4-26%)和 堆肥含水量 (10-322%) 分別依實驗設計而控制 在不同比例 表 2、可旋轉之正交區集中央合成設計 實驗 區集 ( )℃ 摻合比 (土壤：堆肥) 含水率 (％) TPHD 降解率 (％) 31 1 (1:0.87) -1 (28) 64 31 -1 (1:0.23) 1 (69) 63 31 1 (1:0.87) 1 (140) 67 31 0 (1:0.55) 0 (67) 59 31 0 (1:0.55) 0 (67) 59 31 -1 (1:0.23) -1 14) 57 31 0 (1:0.55) 0 (67) 56 15 0 (1:0.55) 0 (67) 54 15 α (1:1) 0 (90) 54 15 0 (1:0.55) -α (4) 41 15 0 (1:0.55) 0 (67) 50 15 0 (1:0.55) 0 (67) 50 15 0 (1:0.55) α (131) 13 15 -α (1:0.1) 0 (27) 62
組實驗，即單獨土壤組、單獨堆肥組、滅菌組三 組 。 綜 合 上 述 之 實 驗 ， 在 實 驗 過 程 中 將 分 析 TPHD、總菌數和監測 pH 值、EC 值等項目，最 後再對整個實驗所做的結果探討，以瞭解下水污 泥堆肥對受柴油污染土壤的生物降解能力。 為了描述生物降解能力，利用化學反應動力 模式來模擬 TPHD 之消秏過程。一般而言，受油 污染土壤之動力模式大多係以一階反應動力模式 來探討柴油濃度降解之反應速率、反應步驟及機 制的資訊，並求得速率常數，以瞭解反應速率 (Namkoong et al., 2002；Taylor, 1999；Gestel et al, 2003)。 a 受污染土壤和堆肥之摻合比 b 係指添加 0.5％ NaN 3 於該實驗中
四、結果與討論
1.土壤與堆肥之基本性質 土壤及堆肥之基本性質分析結果如表 4 所 示。由表中可知，採自西湖溪之土壤較缺乏有機 碳，而下水污泥堆肥則含有豐富之有機碳。在 pH 值方面，可知土壤乃屬中性之土壤，而堆肥在風 乾一個月後，呈偏酸性，推測可能是由於堆肥材 料使用木屑做為膨鬆劑加上尚未完全穩定所造 成。在陽離子交換能力上，發現堆肥具有相當高 之吸附污染物能力，且能力約為土壤之 20 倍， 由此可知，土壤之吸附污染物能力較差強人意。 在重金屬分析方面，西湖溪所採之土壤符合土壤 污染管制標準。此外，根據國內有機質肥料規格 (89.8.31 農糧字第 890020813 號公告) 所規定之 重金屬有害成分標準可知本研究所使用之堆肥其 重金屬均符合有機肥料規格，為可適用於現址復 育之材料。 2.實驗設計結果 從實驗結果中可以發現利用堆肥當營養鹽予 以摻合，可以確實有效地反應出降解效果。 如表 2 所示，降解率最高者為在 31 ℃ 因子 區 集 之 1:1 實 驗 ( 即 摻 合 比 和 含 水 率 分 別 為 1:0.87、140％)，有 67％ 之降解率，可知該組實 驗因子之控制具有顯著之降解效果。而降解率較 低者為在 15 ℃ 軸區集之 0:α 實驗 (摻合比和含 水率分別為 1:0.55、131％)，只有 13％ 之降解 率，降解率較低之原因推測可能在飽和含水率之 情形下，微生物之活性受到抑制，而導致較低之 結果。 在溫度影響方面，如表 5 所示。由迴歸係數 可以得知該效應 (P-value 為0.023) 相當顯著，若 以降解率來看的話，高溫和低溫相差約 9％，且 都有顯著的降解效果，這說明了台灣因地處亞熱 帶，溫度差異雖然顯著但對微生物影響並不大， 因此可推測在台灣的土壤環境中，很適合微生物 生長，故有機污染物均容易受到微生物之分解。 另外，還得知摻合比和含水率之主效應其P-value 表 3、單一因子之實驗規劃 改良劑 摻合比a 受污染土壤：堆肥 1:0.1 1:0.4 1:0.7 1:1 滅菌組 (1:0.1)b 控制組 單獨土壤組 單獨堆肥組 表 4、土壤與堆肥基本性質分析 soil compost water conetnt (％) 0.4 10 Field capacity (％) 26 322 Organic C (％) 0.2 30.1 pH 7.6 4.8 Cation exchange capacity(meq/100g dry matter) 3.3 63.5 Heavy metals (mg/kg) Cr 6.4 14.6 Cu 9.2 189 Ni 15.2 23.9 Pb 4.8 28 Zn 23.7 297.4 Cd NDa NDa aND，not detected.
分別為 0.990 和 0.255，相互效應 P-value 為 0.868，由 P-value 可以判斷出主效應和相互效應 兩者均相當地高，故表示該兩者效應不顯著。通 常愈多不顯著的迴歸係數會使衡量模型解釋總變 異的比率 R2 愈低，也會造成 R2 和修正過後的 R2 (Radj2) 值相差非常多。 在常態性檢定方面，由殘差和常態分佈 (如 圖1) 可得知殘差值皆平均分佈於線性，可以判斷 該實驗數據符合常態性分佈的假設。另外，模式 的適當性，可以由殘差與配適值來檢查判斷，如 圖 2 所示。若模型是恰當的，則表示殘差應該是 無結構的 (Structureless)，也就是說，由圖可以看 出沒有任何明顯的形狀。有時候，觀測值的變異 數會隨觀測值的增加而變大，亦即當殘差變大 時，會使殘差對配適值的圖看起來像是開口向外 的漏斗或麥克風，該項誤差容易在測定儀器時而 發生。 觀察最後分析得到的反應曲面，如圖3 (A) 及 3(B) 所示。為一鞍點之圖形，代表本實驗結果無 法求得最佳範圍，亦即有兩個局部較佳之範圍。 由圖形中可以發現本研究最適合之條件分別為低 摻合比和高摻合比以及最大含水量介於 20％-65 ％ 之間，而更詳細之降解反應過程將由單一因子 實驗分析結果中得到結論。 圖1、TPHD 之殘差與常態分佈 圖2、殘差與配適值的圖 圖3(A)、TPHD 之反應曲面圖 表5、迴歸係數預測 TPHD 降解率之結果 Term Coef SE Coef T P Constant 54.667 3.560 15.356 0 Block 7.214 2.331 3.096 0.017 mix ratio -0.039 3.083 -0.013 0.990 water content -3.825 3.083 -1.241 0.255 mix ratio*mix ratio 6.729 3.209 2.097 0.074 water content*water content -8.771 3.209 -2.733 0.029 mix ratio*water content -0.750 4.360 -0.172 0.868 S = 8.720 R-Sq = 77.4% R-Sq(adj) = 58.0%
圖3(B)、TPHD 之等高線圖 2.單一因子實驗規劃結果 由該實驗結果得知在加入堆肥的情形下均可 得到相當顯著之降解率。而在摻合比方面，在低 摻合比 (1:0.1) 和高摻合比 (1:1) 之情形下，如表 6 所示，可以得到最顯著之降解效果。此外，Puskas 等 (1995) 曾提出油污染土壤以泥漿反應槽之方 法，其降解結果在前 10~15 天內約有 60~70％ 之降解率，而在往後之 20~30 天內之降解呈緩慢 狀態，約額外產生約 5~7％ 之降解效果。而本研 究以較顯著降解的低摻合比而言，在前 10~15 天 內約有 45~55％ 之降解，而往後之 20~30 天內 之降解則額外產生有 9~13％ 之降解，故可知與 本研究比較，雖然方法不同，但結果亦有類似情 形。 在降解 TPHD 之控制條件中，過高之摻合比 雖然有明顯之降解，但是受限於環境狀況不佳， 故未能達到最佳效果，且容易在環境方面造成過 重之負荷導致環境有二次污染之虞。而由單獨堆 肥之控制組可以發現其降解率和單獨土壤之控制 組一樣明顯地較差 (Namkoong et al., 2002)。 在滅菌組方面，可發現滅菌組之降解率只有 11％，如表 6 所示，即可證實本研究之柴油降解， 主要係以生物降解為主，其它物化反應等對本研 究之影響甚小。 柴油污染事件，往往影響面積過大，故在實 施現地復育時，堆肥之需用量亦愈大，因此容易 造成二次污染，但若採用連續施用堆肥方法，將 有更佳之降解效果，而可避免導致環境過度負 荷，且可維持植物正常生長 (Ronald, 1995)。綜合 上述，可知添加堆肥做為土壤改良劑雖然可以增 加 TPHD 降解率之提高，但是若添加過多之堆 肥，將會對降解率造成抑制，甚至有造成環境負 荷之虞。而在上述比較之下可發現低摻合比之添 加劑量即可得到相當顯著之降解效果 (68％)，以 一階動力常數來看，發現低摻合比 (1:0.1) 其動力 常數約大於單獨土壤組 (soil only) 之兩倍多。故 可發現本研究利用低摻合比之堆肥進行受柴油污 染土壤之生物降解，確實可以得到相當顯著且較 無二次污染之虞。 低摻合比下之微生物菌數在 30 天之降解期 間中，有相當明顯地增減趨勢，如圖4 (A) 所示， 可推測在低摻合比下，具有較適當的環境 (pH 約 為6.5) 可以提供微生物適當的生存環境，使得降 解率較高；但隨著摻合比之提高，所觀察到的微 生物菌數則無較明顯地增長趨勢，推斷乃因為受 限於不適生存的環境 (pH 值約為 5.4) 所造成，使 得微生物生長環境受到抑制，導致降解效果不如 低摻合比。高摻合比最後也有和低摻合比相同之 降解效果，推測此一現象乃因為微生物雖然受限 於不適生存的環境，但此時微生物菌數比中間摻 合比來的多，故環境雖然在受到抑制情形下，仍 產生了較中間摻合比高之效果，且和低摻合比呈 相似降解效果，由此亦可推測微生物所受到的環 境抑制其效果仍相當地有限。 控制組之微生物總菌數無明顯增長之現象， 由圖 4 (B) 可知其為控制組降解率偏低之原因。 就堆肥組方面而言，雖然總菌數高，但是除了環 表6、單一因子實驗規劃結果 Mix ratioa (water content) Degradation rate (％) k r half life (day) 1:0.1 (31﹪) 68.1 0.041 0.94 17.11 1:0.4 (65％) 64.5 0.037 0.96 18.57 1:0.7 (86﹪) 64.4 0.037 0.94 18.88 1:1 (101﹪) 69.4 0.038 0.92 18.05 soil only (15％) 33.8 0.018 0.81 37.9 compost only (187％) 35.8 0.017 0.9 41.3 sterilization (31 ％) 10.7 - - - a 分別表示土壤與堆肥之摻合比，括號內為該摻合 比之總含水量
境受到抑制外，加上營養鹽亦過多的情形下，導 致堆肥組降解率較差。土壤組則因為本身在缺乏 營養鹽情形下加上其本身含有之微生物數目較 少，故降解率亦較差。在滅菌組方面，由於 DAPI 染色法無法識別活菌與死菌之計數，故在初期部 分仍可觀察到部分微生物菌，推測應為死菌造成 的誤判。而在後期尚發現漸漸有微生物出現之情 形，推測應為抑菌劑在經過一陣子之滅菌後效力 減弱導致微生物開始生長之現象。 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 Time (days) ce ll s 1 0^ 6 /g 1:0.1組 1:0.4組 1:0.7組 1:1組 (A) 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 Time (days) ce ll s 10^ 6 /g soil compost sterilization (B) 圖4、 TPHD 降解過程之總菌數分佈圖 (A)不同 摻合比下之實驗 (B)單獨土壤、單獨堆肥和 滅菌實驗
五、結論與建議
由本研究之結果可以發現添加堆肥於受柴油 污染之土壤確實有不錯的降解效果，故在本研究 所得到之結論如下： 1. 在 1:0.1 濕重土壤與堆肥之摻合比下，即可達 到相當顯著的降解 (68％)，且在 pH、EC、重 金屬等方面對於復育後之場址亦較無二次污 染之虞。雖然 1:1 亦有同樣之效果，但容易因 施用過多之堆肥而有導致突增場址負荷或二 次污染 (Secondary pollution) 之虞。 2. 從實驗設計之反應曲面結果可以知道生物降 解最佳含水率範圍約在最大含水量之 20％ -65％ 間。此外，摻合比分別在最高 (1:1 濕重) 和最低 (1:0.1 濕重) 摻合比中有較佳之降解 率。 3. 在總菌數實驗中，由低摻合比之控制條件可發 現因為生長條件較佳 (pH 偏中性），故微生物 菌數有相當明顯地增長趨勢，使得降解率較 高。而其他摻合比則可能受限於環境特性 (pH 偏酸性)，故所觀察到的微生物菌數則無較明 顯地增長趨勢。但是由於高摻合比 (1:1 濕重) 也有和低摻合比之相同降解效果，由觀察微生 物菌數推測此一現象可以發現雖然微生物菌 數沒有相當程度地增長，但是在微生物菌數較 高的情形下，而產生了相似效果。 4. 由本研究所得之最佳低摻合比 (1:0.1) 其動力 常數約大於單獨土壤組之兩倍多，故可見本研 究 利 用 堆 肥 進 行 受 柴 油 污 染 土 壤 之 生 物 降 解，確實可以得到相當顯著之效果。 5. 滅菌組之降解率只有 11％，故由此可知本研 究之柴油降解方式，除了其他物化反應降解之 外，主要係以生物降解方式為主。 6. 在能有效降解受柴油污染之土壤及避免使環 境突增負荷，且能有效改良土壤，其最適當之 摻合比為 1:0.1，即土壤和堆肥 (濕重) 之摻合 比例。 7. 影響生物復育之因子除了微生物之外，尚有營 養鹽、污染物濃度及毒性、電子接受者、溫度、 pH、氧化還原電位等。若針對上述影響因子均 以實驗因子統計方式進行研究，做為現地復育 時之參考時，將更能得到更客觀之結果。 8. 由於本研究之總菌數係以 DAPI 染色法進行 固定後，利用螢光顯微鏡照相計數之方法，但 是無法判別活菌與死菌之差別，容易因此在計 數上發生人為誤差，故若能配合測定脫氫酵素 活性 (Dehydrogenase activity) 以決定微生物 活 性 或 是 測 定 土 壤 呼 吸 測 定 (Soil respirometric tests) 以提供生物降解之潛能，將 更 能 完 整 地 暸 解 微 生 物 之 增 長 變 化(Namkoong, 2002；Balba, 1998)。
六、參考文獻
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七、發表之論文
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Environmental Pollution (Manuscript in
preparation and submission to Environmental Pollution Journal).
