A mass balance approach & Math models

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1 A mass balance approach & Math models
3.污染物調查與環境衝擊評估 A mass balance approach & Math models

2 Step 1. Emission modeling
Step 2. Dispersion modeling Step 3. Quantification of physical impacts Step 4. Monetary valuation

3 系統 Processes 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

4 [範例]污水處理單元 Source: upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/

5 污染物排放之盤查 資料來源：(工業局,2001)

6 污染物排放之盤查

7 [範例]廢水處理系統

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

9 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

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：

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?

12 水污染來源

13 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

14 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?

15 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 mg/hr = 1000C + 200C = 1200C mg/hr C = 140/1200 = mg/m3

16 化學計量：甲烷燃燒 CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O 16 g 44 g 36 g
MassCO2 = [44/16] × MassCH4 MassH2O = [36/16] × MassCH4

17 [範例]丁烷燃燒排放之CO2 C4H10 + O2 → CO2 + H2O 2 C4H O2 → 8 CO H2O

18 Air pollution pathway Source: USEPA

19 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。

20 GIS模式之應用

21 地下水污染

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。

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?

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25 風險?? 基地台電磁波?

26 環境風險 Source: reports.eea.europa.eu

27 環境風險評估的流程 風險管理

28 (Source: eea.europa.eu)

29 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
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 時間 資料來源：Braungart, 2007

30 致癌物的風險 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)

31 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6.1103(mg/kg/day)1。

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33 社區飲水風險 假設一個70 公斤的人每天喝2 L的水達70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。

34 社區飲水的解答

35 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。

36 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。

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) = (mg/kg/day) 風險 = (mg/kg/day)  0.02 (mg/kg-day)-1 = 8.2  10-5

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。

39 住宅附近工廠的解答

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。

41 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1.110－2 (mg/kg/day)1。

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= kg魚/天  1.06 mgTCE/kg 魚/ 70 kg = 9.8  105 mg/kg/day 風險 = CDI  PF= 9.8  105 (mg/kg/day)  1.1102(mg/kg/day)1 = 1.08  106

43 污染物的衰退 K為反應速率常數 T1/2為污染物的半生期(half-life)

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。

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?

46 地下貯槽的解答

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。

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。

49 環境風險決策 優先處理 高風險 稍後處理 低風險 低危害 高危害