3. 污染物調查與環境衝擊評估

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3. 污污污污污污污污污污污污 A mass balance approach & Math models

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3. 污染物調查與環境衝擊評估. A mass balance approach & Math models. Step 1. Emission modeling Step 2. Dispersion modeling Step 3. Quantification of physical impacts Step 4. Monetary valuation. 系統. 開放系統 (open system) :物質與能量可流經 boundary 者。 封閉系統 (close system) :能量可流經 Boundary 但物質不能。. Boundary. Input. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

3. 污染物調查與環境衝擊評估

A mass balance approach

& Math models

Page 2: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

2

• Step 1. Emission modeling

• Step 2. Dispersion modeling

• Step 3. Quantification of physical impacts

• Step 4. Monetary valuation

排放(e.g. tonnes/year of SO2)

擴散(e.g. ppb SO2 for all affect

regions)

衝擊(e.g. change in crop yield)

成本化

濃度

衝擊

Page 3: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

3

系統• 開放系統 (open system) :物質與能量可流經 boundary 者。

• 封閉系統 (close system) :能量可流經Boundary 但物質不能。

Boundary

Input Output

Processes

Page 4: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

[ 範例 ] 污水處理單元

4

Source: upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/

Page 5: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

污染物排放之盤查

資料來源: ( 工業局 ,2001)

單 元( 設備名稱)

INPUT OUTPUT

: 投入、 、 基本元件 原料 化學品等

, : 能源 資源、 用電度數 、 純水 PCW、 : 高壓乾淨空氣 氮氣等

: 產出階段性產品

:( ) 排出 廢、 、 、 廢水 廢氣 廢棄物

噪音等

Page 6: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

污染物排放之盤查

蝕 刻( 蝕刻機)

INPUT OUTPUT

玻璃基板中片(300mm*350mm)

HCl(32%):308L/d

HNO3(68%):17L/d

: 用電度數 287度/24hr: 純水 30L/min

PCW:11L/min: 高壓乾淨空氣 3,200L/min

HCl(32%) : 廢液 308L/dHNO3(68%) : 廢液 17L/d含HNO3,HCl酸 : 性廢水 30L/min

: 廢棄濾心 1支/15日: 酸廢氣 110CMM

: 噪音 84.5db(A)

玻璃基板中片(已蝕刻)

Page 7: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

廢水處理系統

處理廢水添加之化學藥品如酸/鹼、硫酸鐵、混凝劑濃縮廢液

Q=370 CMD(1)

Pb=1,376 kg/yr

清洗廢水(2)_

Cu=2,132 kg/yrPb=110 kg/yrNi, Ag, Cr &Zn=28 kg/yr

放流水Q=80,600 CMDCu=200 kg/yrPb=46 kg/yrNi=7 kg/yrAg=1 kg/yr

(3) Zn=2 kg/yr

污泥,240桶/yrCu=7,344 kg/yr

(4) Ni, Ag, Cr&Zn=14 kg/yr

[ 範例 ] 廢水處理系統

Page 8: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

8Source: www.nec.co.jp/.../mass/images/mass_all.gif

Page 9: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

穩定狀態• 在實際的環境問題中,工廠排出污染物前,不考慮衰退或累積的情況下,可利用下列式子估算: Input = Output

Page 10: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

10

污染物混合濃度

• 在兩股廠內不同廢水混合下,針對某一污染物之排出濃度估算如右:

Q1:C1

QW;CW

QM;CM

A

W1

WW11M QQ

CQCQC

Page 11: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

11

EX: Wastewater mixture

• 如果工廠內 A 生產線產生之廢水量 (Q1)為 10.0 m3/s ,在 A 點的位置有來自另一條 B 生產線的廢水,流量 (QW)為 5.0 m3/s ;則過了 A 點之後的流量 (QM) = 15.0 m3/s 。再把污染物加進來考慮,如果 A 生產線排放的廢水中含 40.0 mg/L的 SS ,又假設 SS 在水中是一個穩定的污染物,它不會衰退 (即R = 0) ,而 B 生產線中的SS 含量有 5.0 mg/L ,則過了 A 點後 SS 含量為何 ?

mg/L 28.33315

554010CM

Page 12: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

水污染來源

12

http://www.eea.europa.eu/

Page 13: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

考慮污染物的衰退• dC/dt= - KC ; 一階反應• R=KCV• 質量平衡方程式為

I = O + KCV

13

Page 14: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

EX: Smoking room

• 一個體積為 500.0 m3的吸煙室,聚集了50 位癮君子,若每小時每人抽兩支煙,每支煙燃燒後會產生 1.40 mg 的甲醛。已知甲醛轉換成一氧化碳的反應速率係數K=0.4/hr 。新鮮空氣以 1000 m3/hr的速度進入室內進行交換。假設室內混合均勻,試估計甲醛在此穩定狀態的濃度 ?

Page 15: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

• I = 50 2/hr 1.4 mg = 140 mg/hr O = 1000 m3/hr C (mg/m3) R = KCV = 0.4/hr C (mg/m3) 500 m3 = 200 C mg/hr I = O + KCV 140 mg/hr = 1000C + 200C = 1200C mg/hr C = 140/1200 = 0.117 mg/m3

Page 16: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

化學計量:甲烷燃燒

16

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O 16 g 44 g 36 g

MassCO2 = [44/16] × MassCH4

MassH2O = [36/16] × MassCH4

Page 17: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

17

[ 範例 ] 丁烷燃燒排放之 CO2

C4H10 + O2 → CO2 + H2O

2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O

2

2

104

2

104

104

303116/352100

100

352

116

/58110124

gCOX

XgCO

HgC

gCO

HgC

molgHC

Page 18: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

Air pollution pathway

18Source: USEPA

Page 19: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

SO2 在環境中之傳輸• 在大氣中的停留時間;–0.7 ~ 4.2 天

• 可能的移除機制–乾沉降:附著在葉面或建築物上。–酸雨:附在水滴上,降雨。–轉換:氧化成硫酸鹽。

Page 20: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

GIS 模式之應用

Page 21: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

地下水污染

21

Page 22: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

22

衰退速率, R

• 污染物在自然界中會衰退,而且大部分以一階反應的方式衰退,亦即污染物的衰退速率與其剩餘的濃度成正比。

• R = dC/dt = - kC• k 是反應速率,在一階反應時其單位為時間的倒數 (如 1/s) 。

• C /Co = e-kt ;式中, C 為污染物在時間 t 時剩餘的濃度。 Co是污染物初始的濃度。

Page 23: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

23

地下貯槽洩漏問題• 假設有一個地下貯槽 (underground

storage tank) 已經漏了很多年 , 污染了地下水並且在貯槽正下方測得的污染物濃度為 0.30 mg/L 。污染物以 0.15 m/day 的速度流向 2.0 公里外的一個公共飲用水井 , 而該污染物的半生期(half-life)為 10 年。估算在穩定狀態(steady-state) 下水井測得的污染物濃度為何 ?

Page 24: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

mg/L 024.030.0)0()(

天/109.1年/天365年10

693.0693.0

天333,13day/m 15.0

m 2000污染物到達水井的時間

)天333,13天/109.1(

4

2/1

4

eeCtC

TK

Kt

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~25

風險 ??

基地台電磁波 ?

基地台電磁波 ?

Page 26: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~26

環境風險

Source: reports.eea.europa.eu

Page 27: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~27

環境風險評估的流程

有害物鑑定

劑量-反應評估 人類暴露評估

風險特性描述

風險管理

Page 28: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~28

(Source: eea.europa.eu)

Page 29: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~29

範例:全球化之影響一款在美國出售、中國製造的兒童玩具所釋放的氣體分

析圖

一款在美國出售、中國製造的兒童玩具所釋放的氣體分

析圖

資料來源: Braungart, 2007

時間

Page 30: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~30

致癌物的風險 一 生 斜率因子 之 風 險

1 /mg/kg/天 一生中平均每日劑量

• 風險 (R) =平均每日劑量 (CDI) (mg/kg/day) × 潛力因子 (PF) (mg/kg/day)-1

IRIS (Integrated Risk Information System)IRIS (Integrated Risk Information System)

Page 31: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

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飲用水中的三氯甲烷• 如果 10-6的風險是我們所能接受的 , 對一位 70 公斤每天喝 2 L 飲用水的人而言 , 飲用水中的三氯甲烷濃度不能超過多少 mg/L? 三氯甲烷由飲食途徑的潛力因子為 6.1103(mg/kg/day)1。

Page 32: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~32

mg/L 1074.51.6

1035

101.635

110

35

1

70

2

33

36

C

C

PFCDIRisk

CC

CDI

Page 33: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~33

社區飲水風險• 假設一個 70 公斤的人每天喝 2 L 的水達 7

0 年 , 水中的三氯甲烷濃度是 0.10 mg/L( 這是美國飲用水的標準 ), a) 找出此人的致癌風險為何 ? b) 如果在同一個城市裡有500000 人也喝同樣的水 , 那麼每年因此而增加的致癌人數為何 ?( 假設以 70 年的壽命來計算 ) c) 拿此數據來與美國每年死於癌症的人數比較又如何 ? 美國每年死於癌症的比例是每 100000 人中有 193 人。

Page 34: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~34

社區飲水的解答

年癌症年人

癌症人每年死於癌症

年癌症年人

癌症人致癌風險

風險

/965000,100

193000,500

/12.070

1

10

4.17000,500

1017.4

)(mg/kg/day 106.1mg/kg/day 0.00286

PFCDI

mg/kg/day 00286.0kg 70

L/day2mg/L 10.0

6

6-

1-3-

CDI

Page 35: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

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人類暴露評估• 在環境中,毒性物質可能因揮發並透過風的吹送而被人類吸入,增加危害風險。當毒性物質意外灑落地上,慢慢滲入地下水,在由人類食入,也可能因藉由土壤的接觸而進入人體。

• 人或環境與有害物接觸的時間 ( 或期間 ) 。• 人類暴露於毒性物質的劑量可能因生物累積作用而使危害風險加強,也可能透過自然界的衰退現象而使風險減低。

Page 36: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

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職業場所的暴露風險•利用以下的資料來估計一位 60 公斤重的工人暴露於某一特殊的致癌物可能的致癌的風險。在過去的 25 年間每年工作 50週 , 每週 5 天 , 每天吸入 20 m3 的空氣。而此致癌物的潛力因子 (potency factor)為 0.02 (mg/kg-day)-1, 平均濃度為 0.05 mg/m3。

Page 37: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~37

暴露風險的解答 總劑量 = 25 年 50週 / 年 5 天 /週

20 m3/ 天 0.05 mg/m3 = 6250 mg CDI = 6250 mg/(60 kg 70 年 365 天 / 年 )

= 0.004077 (mg/kg/day) 風險 = 0.004077 (mg/kg/day) 0.02

(mg/kg-day)-1 = 8.2 10-5

Page 38: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~38

住宅附近的工廠• 假設在一個住宅區附近有一個排放苯

(benzene) 氣體的工廠即將進駐。拫據空氣品質模式 (Air Quality Models) 的預估有 60 % 的時間盛行風 (prevailing wind)會把苯吹離住宅區 , 其他的 40 % 時間苯的濃度可達 0.01 mg/m3。試評估一位成年人在該工廠建廠後增加的致癌風險。如果可接受的風險為 10-6, 這個工廠是否可建在此區域內 ? 假設工廠的開工數為 350 天 / 年。

Page 39: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~39

住宅附近工廠的解答

5-

1-2

33

-12

101.3

)(mg/kg/day 109.2 mg/kg/day 0.00047增加的風險

mg/kg/day 0.00047

年70年/天365kg 70

年30天350天/m 20mg/m 01.04.0

)(mg/kg/day 109.2苯的

CDI

PF

Page 40: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~40

生物累積效應• 人類暴露於毒性物質的劑量可能因生物累積作用而使危害風險加強,也可能透過自然界的衰退現象而使風險減低。

•魚內污染物濃度 = 水中污染物濃度 × 生物累積因子 (BCF)

• 式中的生物累積因子的單位常以 L/kg表示,如 DDT的 BCF 為 54,000 L/kg; PCBs 則更高達 100,000 L/kg。

Page 41: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

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TCE 的生物濃縮作用• 一個體重 70kg 的人,平均每天吃當地河中所捕獲的魚 6.5g ,河中的三氯乙烯(trichloroethylene) 為 100 ppb(0.1 mg/L) , 試估計此人一生的癌症風險 ?三氯乙烯的標準暴露因子為 10.6 L/kg , 潛力因子為 1.110 - 2

(mg/kg/day)1。

Page 42: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~42

生物濃縮作用的解答 濃度 =0.1 mg/L 10.6 L/kg = 1.06 mgTCE/kg 魚 CDI= 0.0065 kg魚 / 天 1.06

mgTCE/kg 魚 / 70 kg = 9.8 105 mg/kg/day

風險 = CDI PF= 9.8 105 (mg/kg/day) 1.1102(mg/kg/day)1 = 1.08 106

Page 43: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~43

污染物的衰退

KKT

eCC

eCtCKCdt

dC

KT

Kt

693.02ln

)0()0(2

1

)0()( ;

2/1

2/1

• K 為反應速率常數• T1/2為污染物的半生期 (half-life)

Page 44: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~44

地下貯槽之環境風險• 假設有一個地下貯槽 (underground

storage tank) 已經漏了很多年 , 污染了地下水並且在貯槽正下方測得的污染物濃度為 0.30 mg/L 。污染物以 0.15 m/day 的速度流向 2 km 外的一個公共飲用水井 , 而該污染物的半生期 (half-life) 為 10 年。

Page 45: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~45

– 估算在穩定狀態 (steady-state) 下水井測得的污染物濃度為何 ?

– 如果此污染物的潛力因子 (potency factor)是 0.02 (mg/kg-day)-1, 估算一位 70 公斤每天喝 2 L 水達 10 年的人 , 其致癌的風險為何 ?

Page 46: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

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地下貯槽的解答

6

1-4-

4

)333,13/109.1(

4

2/1

100.2

)(mg/kg/day 0.020 mg/kg/day 101.0

PFCDI

mg/kg/day 100.1 70 kg 70

10L/day 2mg/L 0.024CDI

mg/L 024.030.0)0()(

/109.1/36510

693.0693.0

333,13/m 15.0

m 2000

4

風險年

天年天年

天天

污染物到達水井的時間

天天eeCtC

TK

Kt

Page 47: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~47

風險特性描述 /溝通• 統計上的不確定性、可信度分析。• 生物不確定性。–種類、族群。

• 劑量-反應評估方法之選擇。•敏感族群的描述。

Page 48: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~48

環境風險的管理• 環境風險評估並不是管理上唯一的要求,但在比較、排序、及擇優環境方案時,可提供很有用的資訊。

• 如果經濟因素是很重要的考量,風險評估亦可與益本法合用,將風險錢幣化,則是需要的。

• 環境風險評估必須處理數據可信度與敏感度的問題,可幫助決策的可靠度。

Page 49: 3. 污染物調查與環境衝擊評估

~49

環境風險決策

低危害 高危害

高風險

低風險

優先處理優先處理

稍後處理

稍後處理