摘要

由於含氯有機溶劑、石油製品以及其他有機化合物的充分被使用，在意外的滲漏或不當的處置下，造成嚴重的土壤及地下水污染問題。近幾年來，最受到注意的整治方法是利用場址之微生物對污染物做自然處理。自然生物處理是指利用土壤中的微生物將污染物質降解去除，同時，也達到了降低污染物對環境及人類健康危害的目的。
本研究的首要目的是評估以生物分解之方式來整治被含氯有機物污染土壤之可行性。我們以實驗室之批次實驗，探討三氯乙烯及四氯乙烯在不同之控制條件下，被生物分解之可行性。實驗之控制條件包括(1)氧化還原狀態(好氧、厭氧及鐵還原)；(2)主要基質之供給(甲烷、酚、甲苯、糖蜜及污泥餅)；(3)污染物濃度之差異(約0.1mg/L至10mg/L)；以及(4)微生物來源之差異(甲烷分解菌、酚分解菌、甲苯分解菌、好氧、厭氧活性污泥及污染場址之污染土壤)。
由酚分解菌、甲苯分解菌和甲烷分解菌共代謝降解三氯乙烯之反應情形比較得知，共代謝三氯乙烯之一階分解速率分別為0.141(d-1)、0.556(d-1)、0.167(d-1)。混合菌(甲烷分解菌及酚分解菌)添加污泥餅共代謝三氯乙烯並無遲滯現象發生，而添加糖蜜則需要經過約27天之後才能降解三氯乙烯，顯示出污泥餅較容易為甲烷分解菌及酚分解菌所利用。混合菌添加污泥餅與糖蜜為碳源共代謝三氯乙烯之一階反應速率分別為0.094(d-1)及0.033(d-1)，利用污泥餅為碳源之共代謝三氯乙烯之降解速率約為糖蜜的三倍。混合菌利用污泥餅或糖蜜共代謝三氯乙烯均可對三氯乙烯達到完全的分解結果，可以作為現地污染場址進行生物復育時之參考。甲烷分解菌與酚分解菌降解高濃度三氯乙烯之一階反應速率分別為0.133(d-1)及 0.084(d-1)。由此結果顯示，不論是共代謝降解高濃度或是低濃度之三氯乙烯，甲烷分解菌之批次實驗皆獲得較高的分解速率。
四氯乙烯可在厭氧狀態下被厭氧活性污泥及現地污染場址土壤之微生物以不同的碳源為基質，並在還原去氯的機制作用下被分解去除。惟以污染土為微生物來源時，四氯乙烯之分解速率非常緩慢，並有較長的遲滯期。這可能是因為土壤微生物需要較長的時間適應不同的污染物。而活性污泥則因取自台灣氯乙烯公司，微生物已被馴化，因此可得到較高的分解速率。厭氧活性污泥添加糖蜜與污泥餅為碳源於厭氧環境下降解四氯乙烯之一階反應速率分別為0.0095(d-1)及0.025(d-1)，以污泥餅為碳源可得到比利用糖蜜為碳源更高之反應速率。
在鐵還原狀態培養之批次實驗均未能得到較高之四氯乙烯去除率。實驗結果顯示出極長(超過2個月)的遲滯期，這可能是土壤微生物需要較長時間適應不同的污染物以及氧化態。由於加入酚的鐵還原批次實驗得到較高的去除率，此結果顯示主要基質的添加在鐵還原狀態下仍是必要的。糖蜜與污泥餅皆為廢棄物，以二者為碳源應用於處理現地含氯有機溶劑污染場址之復育上，可使廢棄物充分再利用，對自然環境較無危害性，而且在操作成本上亦較為經濟。

Abstract

The industrial solvents tetrachloroethylene (PCE) and trichloroethylene (TCE) are among the most ubiquitous chlorinated compounds found in groundwater contamination. One potential method for managing PCE/TCE contaminated sites is the intrinsic bioremediation. Recent regulations adopted by U.S. Environmental Protection Agency allow intrinsic bioremediation to be considered as an alternative during development of corrective action plans. In some remediation cases, enhanced bioremediation are performed to accelerate the contaminant biodegradation rate.

The main objective of this study was to evaluate the potential of using intrinsic and enhanced bioremediation technologies to clean up PCE/TCE contaminated aquifers. PCE/TCE bioavailability was evaluated by laboratory microcosms under four reduction/oxidation (redox) conditions including aerobic cometabolism, methanogenesis, iron reduction, and reductive dechlorination. Acclimated bacteria, activated sludge, and aquifer sediments from a pentachlorophenol contaminated site were used as the inocula in this study. Methane, toluene, phenol, sludge cake, and cane molasses were used as the primary substrates (carbon sources) in the cometabolism and reductive dechlorination microcosms.

Results from this study show that PCE and TCE can be significantly biodegraded under reductive dechlorination and aerobic cometabolism conditions, respectively. All five carbon sources evaluated in this study can be applied as the primary substrates by microbial consortia to enhance the aerobic cometabolism of TCE. The highest TCE degradation rate [Up to 100% of TCE removal (with an initial concentration of 3.6然)] was observed in the microcosms with toluene enrichment bacteria as the microbial inocula and toluene as the primary substrate. Under reductive dechlorination conditions, both sludge cake and cane molasses could be used as the primary substrates by microbial consortia (from activated sludge and aquifer sediments) and enhanced the biodegradation of PCE. The highest PCE degradation rate [Up to 100% of PCE removal (with an initial concentration of 17然)] was observed in the microcosms with anaerobic activated sludge as the microbial inocula and sludge cake as the primary substrate. Except for reductive dechlorination microcosms, no significant PCE removal was observed in the microcosms prepared under iron reduction conditions.

Results from this feasibility study would be useful in designing a scale-up in situ (e.g., in situ biobarrier system) or on-site bioremediation system (e.g., bioslurry reactor) for field application. Moreover, the application of non-toxic organic waste to enhance PCE/TCE biodegradation has the potential to become an environmentally and economically acceptable technology for the bioremediation of chlorinated-solvent contaminated groundwater.

目 錄
頁次
謝誌 I
摘要 II
Abstract IV
目錄 V
表目錄 IX
圖目錄 X
第一章 前言 1
1-1 引言 1
1-2 研究目的 3
第二章 文獻回顧 4
2-1地下水污染防治 4
2-1-1地下水中含氯有機物之來源 5
2-1-2含氯有機溶劑之特性及其應用 11
2-1-3含氯有機溶劑之毒性及其代謝機制 13
2-1-3-1含氯有機化合物之反應 14
2-1-3-2共代謝原理 16
2-1-3-3 可被共代謝分解之鹵化有機化合物 18
2-2地下水生物復育 20
2-2-1地下水生物活性 21
2-2-2影響生物分解之環境因子 23
2-2-3現地生物復育技術之發展 27
2-3三氯乙烯生物處理方法 28
2-3-1三氯乙烯厭氧代謝 29
2-3-2三氯乙烯好氧代謝 30
2-3-2-1苯環類化合物分解菌共代謝三氯乙烯 30
2-3-2-2甲烷分解菌共代謝三氯乙烯 33
2-4四氯乙烯厭氧代謝 36
第三章 實驗設備與方法 42
3-1實驗材料 42
3-1-1實驗用水 42
3-1-2碳源 42
3-1-3無機營養鹽 43
3-1-4揮發性含氯有機化合物 45
3-2實驗設備 46
3-2-1氣體色層分析儀/電子捕捉偵測器GC/ECD 46
3-2-2氣體色層分析儀/火焰離子偵測器GC/FID 49
3-3 實驗方法與步驟 51
3-3-1三氯乙烯之好氧分解 51
3-3-1-1好氧菌種馴養 51
3-3-1-2檢量線製備 53
3-3-1-3碳源 54
3-3-1-4批次反應實驗 54
3-3-1-4-1批次反應實驗配製 54
3-3-1-4-2對照組 54
3-3-1-4-3批次實驗流程 55
3-3-2四氯乙烯厭氧分解 58
3-3-2-1降解微生物源 58
3-3-2-2電子提供者 58
3-3-2-3厭氧批次實驗條件及流程 58
3-3-3鐵還原狀態 61
3-3-3-1準備Fe3+來源 61
3-3-3-2配製營養基質 61
3-3-3-3厭氧批次實驗配製及流程 61
第四章 結果與討論 63
4-1微生物死菌對三氯乙烯之吸附影響 63
4-2碳源對三氯乙烯共代謝之影響 64
4-3好氧共代謝三氯乙烯實驗之反應情形 68
4-3-1酚分解菌 68
4-3-2甲苯分解菌 68
4-3-3甲烷分解菌 69
4-3-4好氧活性污泥添加污泥餅為碳源降解三氯乙烯 73
4-3-5好氧活性污泥添加糖蜜為碳源降解三氯乙烯 73
4-3-6混合菌（甲烷分解菌50﹪及酚分解菌50﹪）添加
污泥餅降解三氯乙烯 76
4-3-7混合菌（甲烷分解菌50﹪及酚分解菌50﹪）添加
污泥餅降解三氯乙烯 76
4-3-8甲烷分解菌降解高濃度三氯乙烯 80
4-3-9酚分解菌降解高濃度三氯乙烯 80
4-4厭氧活性污泥於厭氧環境下降解四氯乙烯 83
4-4-1厭氧活性污泥添加糖蜜為碳源於厭氧環境下降解四
氯乙烯 84
4-4-2厭氧活性污泥添加污泥餅為碳源於厭氧環境下降解
四氯乙烯 85
4-4-3厭氧活性污泥添加糖蜜為碳源於厭氧環境下降解高
濃度四氯乙烯 88
4-4-4污染土壤添加酚為碳源於厭氧環境下降解四氯乙烯 90
4-4-5污染土壤添加污泥餅為碳源於厭氧環境下降解四氯乙烯 92
4-5厭氧環境於鐵還原狀態下降解四氯乙烯 94
4-5-1污染土壤添加三價鐵於厭氧環境下降解四氯乙烯 94
4-5-2污染土壤添加酚為碳源及三價鐵於厭
氧環境下降解四氯乙烯 96
第五章 結論與建議 100
5-1 結論 100
5-2 建議 102
參考文獻 104
附錄 實驗附屬事宜 116
附錄1氮氣純化管使用說明 116
附錄2厭氧指示劑配製 117
附錄3氮氣純化管的使用操作 117
附錄4厭氧溶液配製 118



表 目 錄

表2-1 546個國家優先整治場址(NPL)地下水中常見的20種
污染物及其所占比例 8
表2-2 常見地下水中NAPL的物化性質 9
表2-3 1998年上半年（1~6月）之進口值及進口量 10
表2-4 含氯有機化合物之主要用途 10
表2-5 三氯乙烯及四氯乙烯規定許可之目的用途及禁止運作事項 12
表2-6 國內有機溶劑種類及分類中之第一類有機溶劑一覽表 13
表2-7 人體對四氯乙烯氣體之劑量與效應之關係 14
表2-8 氯化有機化合物之反應 16
表2-9 含氯有機化合物生物分解所須之程序與條件 18
表2-10 共代謝三氯乙烯之微生物及其使用之生長基質 19
表3-1 無機營養鹽成分及添加量 46
表3-2 三種TCE分解菌馴養情形 52
表3-3 微生物降解三氯乙烯之氧化還原條件 55
表3-4 微生物降解四氯乙烯之氧化還原條件 59
表3-5 鐵還原狀態下降解四氯乙烯之批次實驗配製 62
表4-1 5g/40ml之污泥餅溶液與糖蜜溶液之COD檢測值 65
表4-2 5g/40ml之污泥餅溶液與糖蜜溶液之BOD5檢測值 67
表4-3 好氧各組實驗結果比較表 98
表4-4 厭氧各組實驗結果比較表 99

圖 目 錄

圖2-1 共氧化代謝之簡易示意圖 17
圖2-2 甲烷分解菌氧化三氯乙烯之共代謝途徑 23
圖2-3 PCE降解反應途徑 37
圖3-1 高雄縣鳳山市肉品市場生活污水處理場處理流程圖 44
圖3-2 四氯乙烯之層析圖 47
圖3-3 三氯乙烯之層析圖 48
圖3-4 1,1-二氯乙烯之層析圖 48
圖3-5 氯乙烯之層析圖 49
圖3-6 乙烯之層析圖 50
圖3-7 乙烷之層析圖 50
圖3-8 酚分解菌與甲苯分解菌之馴養 52
圖3-9 甲烷分解菌之馴養 53
圖3-10 好氧批次實驗配製流程圖 57
圖3-11 批次厭氧操作實驗流程圖 60
圖4-1 酚分解菌降解三氯乙烯之反應情形 70
圖4-2 甲苯分解菌降解三氯乙烯之反應情形 70
圖4-3 甲烷分解菌降解三氯乙烯之反應情形 71
圖4-4 酚分解菌、甲苯分解菌和甲烷分解菌降解三氯
乙烯之反應情形比較圖 71
圖4-5 三氯乙烯之一階分解反應趨勢圖 72
圖4-6 四氯乙烯之一階分解反應趨勢圖 72
圖4-7 好氧活性污泥提供污泥餅為碳源降解三氯乙烯
之反應情形 74
圖4-8 好氧活性污泥添加糖蜜為碳源降解三氯乙烯之
反應情形 74
圖4-9 好氧活性污泥添加污泥餅與糖蜜為碳源降解三
氯乙烯之反應情形比較圖 75
圖4-10為混合菌（甲烷分解菌50﹪及酚分解菌50﹪）
添加污泥餅降解三氯乙烯之反應情形 78
圖4-11 混合菌（甲烷分解菌50﹪及酚分解菌50﹪）添
加糖蜜為碳源降解三氯乙烯之反應情形 78
圖4-12 混合菌（甲烷分解菌50﹪及酚分解菌50﹪）添
加污泥餅與糖蜜為碳源降解三氯乙烯之反應情形比較圖 79
圖4-13 甲烷分解菌降解高濃度三氯乙烯之反應情形 81
圖4-14 酚分解菌降解高濃度三氯乙烯之反應情形 82
圖4-15 甲烷分解菌與酚分解菌降解高濃度三氯乙烯之反
應情形比較圖 82
圖4-16 厭氧活性污泥添加糖蜜為碳源於厭氧環境下降解
四氯乙烯之反應情形 86
圖4-17 厭氧活性污泥添加污泥餅為碳源於厭氧環境下降
解四氯乙烯之反應情形 86
圖4-18 厭氧活性污泥添加糖蜜與污泥餅為碳源於厭氧環
境下降解四氯乙烯之反應情形比較圖 87
圖4-19 厭氧活性污泥添加糖蜜為碳源於厭氧環境下降解
高濃度四氯乙烯 89
圖4-20 污染土壤添加酚為碳源於厭氧環境下降解四氯乙烯 91
圖4-21 污染土壤添加污泥餅為碳源於厭氧環境下降解四氯乙烯 93
圖4-22 污染土壤添加三價鐵於厭氧環境下降解四氯乙烯 95
圖4-23 污染土壤添加酚為碳源及三價鐵於厭氧環境下降
解四氯乙烯 97
圖5-1 氮氣純化管使用操作圖 118
圖5-2 厭氧溶液配製步驟一 118
圖5-3 厭氧溶液配製步驟二 119
圖5-4 厭氧溶液配製步驟三 119

參考文獻

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