本研究工作採用現地空氣貫入法(air sparging，AS)配合生物整治（bioremediation）的方法，對南部某石化工廠（簡稱南高廠）土壤及地下水的污染整治進行先導試驗。污染物之去除機制包括兩部份：(1)利用注入之空氣造成揮發性有機物(volatile organic compounds, VOCs)之氣化，以降低地下水中VOC之濃度，(2)以注入之空氣增加土壤及地下水中之氧含量，使已存在的現地好氧微生物(indigenous microorganisms)繁衍，將有害的化學物質轉換或降解成無害的化合物，以達到污染改善的目的。本研究以實場一年的整治分析數據，來評估空氣貫入法整治此石化碳氫化合物污染場址之可行性。
根據90年及91年兩次調查數據顯示，南高廠之地下污染主要集中在生產工場的西側，可能是陰井與地下管線裂縫所致，污染物以苯及甲苯為主，另外也測到低量的乙苯與二甲苯。其土壤中苯污染濃度最高為15.62 mg/kg、甲苯污染濃度最高為30,957 mg/kg，均已超過土壤污染管制標準(苯為5 mg/kg及甲苯為500 mg/kg)；地下水中苯污染濃度最高為0.068 mg/L、甲苯污染濃度最高為4.8 mg/L，其中苯污染濃度超過地下水管制標準(苯為0.05 mg/L及甲苯為10 mg/L)。
92年初開始進行南高廠地下污染整治先導試驗研究，根據石油碳氫化合物在地表下存在的污染分佈形式，在南高廠的污染整治工作中有二個處理的方向，分別是：
1. 以好氧生物降解之方式整治土壤中的苯、甲苯、乙苯及二甲苯衍生物(benzene、toluene、ethylbenzene、xylenes，BTEX)之污染。
2. 以空氣氣化及好氧生物降解之方式整治地下水中BTEX之污染。
依照執行的先後順序可將處理步驟分為：
1. 在工場污染區設置四座回收井，截除輕質非水相液體(light non aqueous phase liquid, LNAPL)物質及抽取污染地下水，以防止污染擴散。抽出的地下水送交廠內廢水處理設施處理。
2. 設置十座供氣井，利用空氣注入的方式，使地下水中之VOC氣化以避免地下水中污染物之擴散。此外，空氣之注入亦提供土壤與地下水中好氧的環境，促進現地細菌的生長，以便以生物分解的方式清除目前存在於土壤內苯和甲苯等的污染濃度。
3. 利用土壤氣體調查的方式，定期檢測土壤中的VOC、氧氣與二氧化碳濃度的變化，以評估改善工作的進度。
4. 定期對土壤及地下水監測井進行採樣分析，以追蹤和驗證土壤及地下水污染整治之成效。
經過一年的AS及現地生物整治試驗，我們得到以下之結果：
1. 土壤氣體調查：高污染區附近VOC濃度由初始之大於10,000 ppm降低至4.5 ppm，氧氣濃度由初始之2.1﹪上升至20.8﹪，二氧化碳濃度由初始之19.8﹪降低至0.1﹪。
2. 土壤樣品分析：高污染區附近之土壤污染濃度分析，在飽和層土壤的甲苯濃度由初始之16,000 mg/kg降至0.0079 mg/kg；在不飽和層土壤的甲苯濃度由初始之30,000 mg/kg降至510 mg/kg，而苯在一年四次的檢測中則未測到。
3. 地下水樣品分析：高污染區附近之地下水污染濃度，苯由初始之290 ppb降低至49 ppb；甲苯由初始之140,000 ppb降低至4,900 ppb。
4. 土壤中總生菌數分析：高污染區附近之土壤中總生菌數，由初始之2.65×106 cell/g上升至4.45×107 cell/g。
5. 地下水中總生菌數分析：高污染區附近之地下水中總生菌數，由初始之3.75×104 cell/mL上升至1.24×107 cell/mL。
6. 菌相分析：從土壤樣品變性梯度膠體電泳圖及地下水樣品變性梯度膠體電泳圖的菌相變化，可以非常明顯的觀察到高污染區的菌相變化，隨著現地生物整治時間的增長，細菌的數目與種類皆有明顯增加的趨勢。由細菌定序的結果在高污染區有Pseudomonas、Bacillus等微生物，在低污染區有Nocardia、Methylosinus等微生物。
由上述的監測結果可知，好氧分解作用正在地下環境中進行，而揮發及生物分解機制亦使土壤及地下水之污染分布範圍逐季減少，並使土壤及地下水的污染濃度逐步降低。由監測結果可證實本次實驗採用之整治方法可有效控制污染之擴散至降低土壤及地下水中污染物之濃度。

In this field-scale study, air sparging (AS) system was applied at a petroleum-hydrocarbon spill site to remediate contaminated soil and groundwater in situ. The objective of this study was to evaluate the effectiveness of the AS system on volatile organic compounds (VOC) removal via the volatilization mechanism. Moreover, the AS system would also enhance the in situ bioremediation process due to the increased oxygen concentration in the subsurface.
Results from the preliminary site characterization show that high concentrations of benzene and toluene were present in the subsurface in the western part of the site. Up to 15.62 and 30,957 mg/Kg of benzene and toluene were detected in soil samples, respectively. Moreover, up to 0.068 and 4.8 mg/L of benzene and toluene were observed in groundwater samples, respectively. The following remediation activities were conducted during the one-year investigation and remediation period:
1. Construction of four recovery wells were for light non-aqueous phase liquid (LNAPL) and contaminated groundwater extraction to prevent the expansion of VOC plume. The extracted groundwater was delivered to the wastewater treatment plant for treatment before discharge.
2. Installation of ten air sparging wells to enhance the removal of VOC through volatilization and biodegradation processes.
3. Conduction of (1) soil gas survey, (2) soil and groundwater sampling and analyses, and microbial enumeration periodically to evaluate the effectiveness of AS on VOC removal.
Results from the field-scale study indicate that the AS system is able to effectively contain the plume. This can be confirmed by the following findings: (1) decrease in VOC concentrations in both soil and groundwater, (2) increase in carbon dioxide and increase in oxygen concentrations in the soil gas samples, and (3) increase in bacterial population in soil samples. Results from this study indicate that AS system can effectively contain the plume and manage this petroleum hydrocarbon spill site.

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謝誌 I
摘要 II
Abstract V
目錄 VII
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 2
第二章 文獻回顧 3
2-1 標的污染物(BTEX)的性質 3
2-1-1 現地BTEX污染存在的形式與分佈 3
2-1-2 BTEX的生物分解方式 5
2-2 加強式的生物整治 10
2-2-1 空氣貫入法 10
第三章 現地整治 19
3-1 背景資料 19
3-1-1 標的污染物與污染來源 19
3-1-2 土壤污染濃度 20
3-1-3 地下水污染濃度 22
3-1-4 地質資料 23
3-1-5 地下水文資料 24
3-1-6 地面設施與結構 25
3-2 整治作業規劃 25
3-2-1 防止現有污染的擴大 26
3-2-2 清除土壤及地下水中BTEX污染 26
3-3 現地設備佈置 30
3-3-1 供氣井與供氣設備 30
3-3-2 地下水監測井與回收井設置 32
3-4 整治監測 34
3-4-1 土壤氣體調查 34
3-4-2 土壤鑽孔採樣檢測 36
3-4-3 地下水採樣檢測 36
3-4-4 微生物菌相及總生菌數分析 37
第四章 結果與討論 40
4-1 土壤氣體調查結果 40
4-2 土壤採樣分析結果 54
4-3 地下水採樣分析結果 56
4-4 微生物菌相與總生菌數計數分析結果 59
4-4-1 微生物菌相分析結果 59
4-4-2 總生菌數計數分析結果 62
第五章 結論與建議 66
5-1 結論 66
5-2 建議 68
參考文獻 69
附錄一 土壤鑽孔採樣與地下水井採樣作業步驟 74
附錄二 南高廠污染場址整治先導試驗量測分析資料 77

表 目 錄
頁次
表2-1 BTEX的物理和化學性質 4
表2-2 BTEX的生物反應作用 7
表2-3 有能力分解BTEX的現地微生物 9
表2-4 相關的文獻整理 14
表4-1 土壤採樣分析結果 55
表4-2 土壤總生菌數量計數實驗結果 62
表4-3 地下水總生菌數量計數實驗結果 64





圖 目 錄
頁次
圖2-1 地下水污染團中各階段的氧化還原狀態 8
圖2-2 AS/SVE操作系統示意圖 11
圖3-1 南高廠廠址 19
圖3-2 南高廠污染滲漏及傳布概念模式圖 20
圖3-3 整治前土壤污染範圍示意圖 21
圖3-4 整治前地下水總BTEX之污染範圍示意圖 22
圖3-5 南高廠地質鑽孔位置圖 23
圖3-6 供氣井平面佈置圖 28
圖3-7 現地生物整治概念模式圖 29
圖3-8 現地生物整治（含抽水）概念模式圖 29
圖3-9 鑽堡式鑽機設置供氣井 30
圖3-10 空氣壓縮機 31
圖3-11 鈍鑽式鑽機設置回收井與監測井 33
圖3-12 火焰離子偵測器的氣相層析儀 35
圖3-13 氧氣與二氧化碳偵測儀 35
圖4-1 第一季土壤氣體VOC濃度分佈圖 41
圖4-2 第二季土壤氣體VOC濃度分佈圖 42
圖4-3 第三季土壤氣體VOC濃度分佈圖 43
圖4-4 第四季土壤氣體VOC濃度分佈圖 44
圖4-5 第一季土壤氣體氧氣濃度分佈圖 45
圖4-6 第二季土壤氣體氧氣濃度分佈圖 46
圖4-7 第三季土壤氣體氧氣濃度分佈圖 47
圖4-8 第四季土壤氣體氧氣濃度分佈圖 48
圖4-9 第一季土壤氣體二氧化碳濃度分佈圖 49
圖4-10 第二季土壤氣體二氧化碳濃度分佈圖 50
圖4-11 第三季土壤氣體二氧化碳濃度分佈圖 51
圖4-12 第四季土壤氣體二氧化碳濃度分佈圖 52
圖4-13 土壤氣體採樣分析結果(高污染區) 53
圖4-14 土壤氣體採樣分析結果(低污染區) 53
圖4-15 土壤氣體採樣分析結果(無污染區) 54
圖4-16 RW-1地下水苯與甲苯濃度變化圖 57
圖4-17 RW-2地下水苯與甲苯濃度變化圖 57
圖4-18 土壤變性梯度膠體電泳圖 60
圖4-19 地下水變性梯度膠體電泳圖 61
圖4-20 土壤總生菌數變化圖（1.5米） 62
圖4-21 土壤總生菌數變化圖（3米） 63
圖4-22 土壤總生菌數變化圖（4米） 63
圖4-23 地下水總生菌數變化圖 65

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