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研究生: 魏仕杰
Wei, Shih-Chieh
論文名稱: 農廢燃燒對大氣氣膠濃度與組成之影響
Impacts of Rice Straw Open Burning on the Ambient Aerosol Concentrations and Chemical Compositions
指導教授: 吳義林
Wu, Yee-Lin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 環境工程學系
Department of Environmental Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 103
中文關鍵詞: 農廢燃燒指紋CMBPMF指標性元素
外文關鍵詞: open-burnong, source profile, CMB, PMF
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  • 本研究針對2008年11月至2009年2月於台南市成功大學卓群大樓頂樓進行密集的採樣,於每天早上8點與晚上8點進行更換樣品,且同時進行PM10與PM2.5的採集,目的在觀測農廢燃燒期間大氣氣膠濃度與組成之影響與改變,所採集到的樣品先經過後處理及成分分析後由受體模式CMB與PMF互相驗證其各項污染源之貢獻度。
    本研究另外進行了一次稻草燃燒試驗,目的在由實地的稻草燃燒試驗中求得其污染源之指紋(source profile),並且觀察其在不同的條件下,包含採樣時間多少,試驗所燃燒的稻草重量及堆放稻草的方式,其結果顯示在燃燒稻草時的堆放方式有較大的差異性,在堆放方式為堆放及攤放的條件下所採集到細微粒及粗微粒之指紋主要追蹤元素分別以OC、Cl-、K+、EC為主,其中重要的追蹤元素-去水醣類Levoglucosan也佔了很大的比例;而在稻草堆放方式為攤放下因其使稻草較完全的燃燒,因此所得到的EC在指紋中所佔的比例大幅上升,約比堆放時大了6倍。
    本研究利用兩種受體模式分別為CMB與PMF進行比對,其中PMF模式則設定三種不同的污染源下進行解析,分別為PMF10、PMF11及PMF12,在CMB模式上成功解析出11個污染源,而PMF10、PMF11、PMF12分別解析出8、8及7個污染源可辨識的污染源;而CMB與PMF在解析貢獻度上最大的差異在地表揚塵及燃油鍋爐,CMB解析出之地表揚塵平均有40%的貢獻度,而PMF平均只有20%左右的貢獻度;燃油鍋爐方面CMB解析出之貢獻度不足1%,而PMF平均解析出10%之貢獻度;其他CMB與PMF在交通源、海洋飛沫、硫酸銨、硝酸銨、農廢燃燒之貢獻度推估上較為接近,但在PMF模式推估方面平均有10%之貢獻度無法辨認其來源。針對CMB與PMF逐筆貢獻度比對結果,皆不能得到一良好的關係性(R2),其主要原因應為所收集到的污染源組成不完整,再來即是在本研究中可辨識污染源的特殊指標性元素不足或濃度過低,造成判定上之困難。

    Intensive samplings were performed on the top floor of Juo Chiun Building, National Cheng Kung University, Tainan from December 2008 to February 2009. PM10 and PM2.5, with duration time of 12 hours, were both measured at 8 a.m. and 8 p.m. LST. The objectives of this study are to observe the variations of PM concentrations and compositions during open-burning of rice straw and to compare the contributions analyzed by CMB and PMF.
    An additional field experience of straw burning was conducted for the analysis of its source profile. Under various conditions such as different sampling periods, different loads, and different styles of collecting straws for burning, the results shows that significant difference only exists in the different ways of collection: piling and spreading. In the situation of piling and spreading, the major tracing species of PM2.5 and PM10 were OC, Cl-, K+, and EC and Levoglucosan, the other important tracing specie, contributes largely to PM2.5 and PM10. Straws spread out were burned more completely and the EC increases approximately by six times.
    CMB and PMF were used in the study and compared. PMF was performed in different amounts of sources, that is, PMF10, PMF11, and PMF12. CMB found successfully 11 different sources, but PMF10, PMF11, and PMF12 found 8, 8, and 7 sources respectively. The significant difference of source by CMB and PMF is crustal and oil-fired boiler: CMB reveals crustal contribute 40% to particulate matter and only 20% for PMF.CMB indicates the contribution of oil-fired boiler is less than 1%, but 10% for PMF. Other contribution estimated such traffic, 50% sea spray, agriculture waste burning, ammonium sulfate, and ammonium nitrate are similar. However, 10% contribution is not identified in PMF. Comparing the result by PMF and CMB, they were not correlated well due to the incomplete source profiles and the deficiency and low concentration of tracing species.

    目錄 第1章、 前言 1 1-1、 研究緣起 1 1-2、 研究目的 1 第2章、 文獻回顧 5 2-1、 、大氣懸浮微粒之特徵 5 2-1-1、 、懸浮微粒之定義與粒徑分佈 5 2-1-2、 、懸浮微粒之化學性質與來源 6 2-2、 、農廢燃燒相關研究 11 2-2-1、 氣膠質量濃度相關研究 11 2-2-2、 氣膠成分組成相關研究 12 2-3、 受體模式與相關研究 12 2-3-1、 CMB及PMF相關研究結果與應用 12 第3章、 研究方法 15 3-1、 採樣方法、地點與時間 15 3-1-1、 採樣方法 15 3-1-2、 採樣地點 16 3-1-3、 採樣時間 16 3-2、 農業廢棄物實地燃燒採樣 17 3-2-1、 採樣時間、地點 17 3-2-2、 採樣點之相關位置 17 3-3、 分析方法 18 3-3-1、 萃取 19 3-3-2、 微量天平 19 3-3-3、 離子層析儀 19 3-3-4、 元素分析儀 20 3-3-5、 微波消化器 20 3-4、 品保與品管作業 21 3-4-1、 採樣位置 21 3-4-2、 分析方法之品保品管作業 22 3-4-2-1、 檢量線 22 3-4-2-2、 方法偵測極限 23 3-4-2-3、 重複分析 24 3-5、 受體模式 25 3-5-1、 化學質量平衡法(Chemical Mass Balance) 25 3-5-2、 正矩陣因子法(Positive Matrix Factorization) 28 第4章、 結果與討論 37 4-1、 質量濃度 37 4-2、 成分分析 41 4-2-1、 物種指標 44 4-3、 實地農業廢棄物採樣結果 45 4-3-1、 其他相關指紋研究比對 52 4-4、 CMB模式模擬結果 54 4-4-1、 CMB日夜貢獻比較 60 4-5、 PMF模式模擬結果 61 4-5-1、 不同標準偏差矩陣下之討論 91 第5章、 結論與建議 95 5-1、 結論 95 5-2、 建議 97 表目錄 表 1 1、2008年雲嘉南地區1、2期稻作耕作面積 2 表 2 1、硫酸鹽與硝酸鹽之均相氣相形成機制(張,2004) 10 表 2 2、硫酸鹽與硝酸鹽之異相液相形成機制(張,2004) 11 表 2 3、CMB與PMF解析結果(梁志鋒,2007) 13 表 2 4、CMB與PMF解析結果(Begum et al., 2007) 14 表 3 1、各物種之檢量線濃度分析 23 表 3 2、各物種之R-square值及Calibrition 23 表 3 3、離子層析儀(IC)偵測極限 24 表 3 4、CMB模式重要之指標參數 27 表 3 5、PMF物種優劣之判定 31 表 3 6、PMF標準偏差推估公式所採用之百分比 33 表 3 7、PMF模式相關參數 35 表 4 1、雲嘉南空品區PSI>100之日數 37 表 4 2、各月份質量濃度平均值與標準差 38 表 4 3、各月份PM2.5佔PM10之比例 38 表 4 4、PM2.5各成分月平均與標準差 42 表 4 5、PM10各成分月平均與標準差 43 表 4 6、各成分間PM2.5與PM10之比值 44 表 4 7、採樣其間各物種指標值 45 表 4 8、農廢實地採樣相關試驗條件與氣象因子 46 表 4 9、農業廢棄物採樣細微粒之指紋 50 表 4 10、農業廢棄物採樣粗微粒之指紋 51 表 4 11、本研究與各文獻之指紋差異性 53 表 4 12、CMB解析各污染源貢獻度(%) 56 表 4 13、環保署雲嘉南空品區採樣期間PSI>100之PM10質量濃度 57 表 4 14、事件日CMB模擬結果 57 表 4 15、事件日與背景日之物種濃度平均 58 表 4 16、CMB日夜貢獻比較(%) 60 表 4 17、PMF模式模擬之物種 62 表 4 18、各factors下Q值 63 表 4 19、8 factors下各物種模擬結果 63 表 4 20、9 factors下各物種模擬結果 64 表 4 21、10 factors下各物種模擬結果 64 表 4 22、11 factors下各物種模擬結果 65 表 4 23、12 factors下各參數模擬結果 65 表 4 24、PMF各污染源之重要指標元素 66 表 4 25、CMB與PMF解析出之各污染源月平均貢獻度(%) 79 表 4 26、CMB與PMF解析出之各污染源月平均貢獻度(%)(續) 79 表 4 27、各標準偏差下Q值模擬結果 91 表 4 28、不同標準偏差下各污染源之平均貢獻度與原本貢獻度之比值 93 圖目錄 圖 1 1、研究架構圖 3 圖 2 1、大氣懸浮微粒成分組成與來源圖(吳2004) 9 圖 2 2、大氣懸浮微粒化學成分之粒徑分佈圖(Wall et al.,1988) 9 圖 3 1、R&P 2000 儀器氣流流程圖及電子訊號連接單元 15 圖 3 2、採樣相關位置圖 16 圖 3 3、農業廢棄物實地燃燒採樣點 17 圖 3 4、採樣設備相關位置圖 18 圖 3 5、採樣實地狀況 22 圖 4 1、2008年11月份質量濃度圖 39 圖 4 2、2008年12月份值量濃度圖 39 圖 4 3、2009年1月質量濃度圖 40 圖 4 4、2009年2月質量濃度圖 40 圖 4 5、堆放方式為攤放時風吹方向風花圖 48 圖 4 6、堆放方式為堆放時風吹方向風花圖 49 圖 4 7、2008年11月CMB逐筆數據各污染源之貢獻量 59 圖 4 8、2008年12月CMB逐筆數據各污染源之貢獻量 59 圖 4 9、2009年01月CMB逐筆數據各污染源之貢獻量 59 圖 4 10、2009年02月CMB逐筆數據各污染源之貢獻量 59 圖 4 11、CMB與PMF10解析出之污染源組成之比對 68 圖 4 12、CMB與PMF10解析出之污染源組成之比對(續) 69 圖 4 13、CMB與PMF10解析出之污染源組成之比對(續) 70 圖 4 14、CMB與PMF11解析出之污染源組成之比對 71 圖 4 15、CMB與PMF11解析出之污染源組成之比對(續) 72 圖 4 16、CMB與PMF11解析出之污染源組成之比對(續) 73 圖 4 17、CMB與PMF12解析出之污染源組成之比對 74 圖 4 18、CMB與PMF12解析出之污染源組成之比對(續) 75 圖 4 19、CMB與PMF12解析出之污染源組成之比對(續) 76 圖 4 20、CMB與PMF10之貢獻度散佈圖 80 圖 4 21、CMB與PMF11之貢獻度散佈圖 81 圖 4 22、CMB與PMF12之貢獻度散佈圖 82 圖 4 23、CMB與PMF10、PMF11、PMF12之在地表揚塵貢獻度之時間序列 83 圖 4 24、CMB與PMF10、PMF11、PMF12之在交通源貢獻度之時間序列 84 圖 4 25、CMB與PMF10、PMF11、PMF12之在海洋飛沫貢獻度之時間序列 85 圖 4 26、CMB與PMF10、PMF11、PMF12之在硫酸銨貢獻度之時間序列 86 圖 4 27、CMB與PMF10、PMF11、PMF12之在硝酸銨貢獻度之時間序列 87 圖 4 28、CMB與PMF10、PMF11、PMF12之在農廢燃燒貢獻度之時間序列 88 圖 4 29、CMB與PMF10、PMF11、PMF12之在燃油鍋爐貢獻度之時間序列 89 圖 4 30、CMB與PMF10、PMF11、PMF12之在二次衍生性氣膠貢獻度之時間序列 90 圖 4 31、各標準偏差矩陣之指紋比對 92

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    下載圖示 校內:2013-02-09公開
    校外:2013-02-09公開
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