111 年 國立成功大學環境工程學系碩士班乙組《環境工程概論》

本題主要考驗對空氣污染中常見粒狀污染物基本定義與特性的了解。

(1) Aerosol (氣膠)
氣膠是指一種分散在氣體（通常是空氣）中的固體或液體微粒的懸浮體系。這些微粒的尺寸範圍很廣，從幾奈米到幾百微米不等。氣膠的來源多樣，包括自然來源（如火山灰、花粉、海鹽微粒）和人為來源（如燃燒產生的煙塵、工業製程排放、汽車尾氣）。氣膠的特性，如粒子大小、密度、化學組成等，會影響其在大氣中的停留時間、傳播範圍以及對人體健康和環境的影響。

(2) Dust (粉塵)
粉塵是指在空氣中懸浮的乾燥微粒，通常是固體物質。與氣膠相比，粉塵的定義較為籠統，常指較大粒徑的懸浮微粒，但也可包含較小的粒子。粉塵的來源包括自然界的揚塵（如風沙、土壤揚起）和人為活動（如建築工地、採礦、農業活動、工業製程中的研磨、破碎等）。粉塵的顆粒大小會影響其沉降速度和對呼吸道的影響。

(3) Fly ash (飛灰)
飛灰是燃燒過程，特別是燃燒煤炭時產生的細小顆粒物。

本題考驗對水污染中「氧滯曲線」(oxygen sag curve) 的概念理解，以及影響水中溶解氧的因素。

氧滯曲線 (Oxygen Sag Curve) 的概念解釋

氧滯曲線描述了在河流或水體中，由於有機物污染（例如生活污水或工業廢水排放）而導致的溶解氧 (DO) 濃度隨距離污染源下游的變化情況。當有機污染物進入水體後，水中的好氧性微生物會開始分解這些有機物，這個過程需要消耗大量的溶解氧。

• 曲線圖解說明：

  • 在污染源排放點（下游的起始點），溶解氧濃度會迅速下降，因為微生物分解作用消耗氧氣的速度大於水體從大氣中補充氧氣的速度。
  • 在某一點，溶解氧濃度達到最低值，稱為「最低溶解氧點」(critical point)。
  • 在此之後，隨著污染物濃度降低，以及水體補充氧氣（再氧合作用，reoxygenation）的速度大於或等於微生物消耗氧氣（需氧作用，deoxygenation）的速度，溶解氧濃度會逐漸回升，最終可能恢復到接近飽和值。
  • 整條曲線呈現先下降後上升的「S」形或「滯後」形狀，因此稱為氧滯曲線。

  🖼️【此處應繪製氧滯曲線圖，顯示溶解氧濃度隨下游距離的變化，包含污染源、最低溶解氧點、再氧合作用、需氧作用等要素】

影響水中溶解氧的三個因素及其影響

有許多因素會影響河流中的溶解氧濃度，以下列舉三個主要因素及其影響：

本題旨在釐清不同水軟化方法（石灰軟化、過量石灰軟化、石灰蘇打軟化）的原理及其化學反應式。水軟化是去除水中硬度離子（主要是鈣離子 $Ca^{2+}$ 和鎂離子 $Mg^{2+}$）的過程。

1. 石灰軟化 (Lime Softening)
石灰軟化主要利用氫氧化鈣（俗稱石灰水，$Ca(OH)_2$）來去除水中的碳酸硬度（暫時硬度）。碳酸硬度是由碳酸氫鈣 $Ca(HCO_3)_2$ 和碳酸氫鎂 $Mg(HCO_3)_2$ 引起的。石灰軟化能有效去除碳酸硬度，但對非碳酸硬度（永久硬度）效果有限。

• 反應原理：

  • 石灰（$Ca(OH)_2$）與水中的碳酸氫鈣反應，生成碳酸鈣沉澱和水。
  • 石灰（$Ca(OH)_2$）與水中的碳酸氫鎂反應，生成氫氧化鎂沉澱，同時釋放出 $HCO_3^-$，進一步與加入的石灰反應生成碳酸鈣沉澱和水。

• 化學反應式：

  • 去除碳酸氫鈣：
    $Ca(OH)_2 + Ca(HCO_3)_2 \rightarrow 2CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$
  • 去除碳酸氫鎂（先生成 $Mg(OH)_2$，再與 $Ca(OH)_2$ 反應）：
    $Ca(OH)_2 + Mg(HCO_3)_2 \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow + CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$
    （注：有時反應會寫成兩步：第一步 $Mg(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow MgCO_3 + CaCO_3 + 2H_2O$，第二步 $MgCO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow + CaCO_3 \downarrow$。但總體上，石灰軟化主要針對暫時硬度。）

2. 過量石灰軟化 (Excess Lime Softening)
過量石灰軟化是在石灰軟化的基礎上，進一步提高 pH 值，使其超過 10.5，以去除水中部分非碳酸硬度（特別是硫酸鈣 $CaSO_4$ 和氯化鈣 $CaCl_2$）。當 pH 值足夠高時，氫氧化鈣可以與溶解的鈣離子反應，生成碳酸鈣沉澱。過量石灰軟化能更有效地降低總硬度。

• 反應原理：

  • 除了去除碳酸硬度外，過量石灰軟化利用高 pH 值將鈣離子轉化為碳酸鈣沉澱。

• 化學反應式：

  • 去除碳酸硬度（同石灰軟化）：
    $Ca(OH)_2 + Ca(HCO_3)_2 \rightarrow 2CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$
    $Ca(OH)_2 + Mg(HCO_3)_2 \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow + CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$
  • 去除非碳酸硬度（部分）：
    當 pH 升高，水中 $OH^-$ 濃度增加，與鈣離子反應生成碳酸鈣沉澱。
    $Ca^{2+} + 2OH^- \rightarrow Ca(OH)_2 \downarrow \quad (\text{但實際上生成的是 } CaCO_3 \text{，反應較複雜，通常認為是促進 } CaCO_3 \text{ 沉澱})$

本題考驗對土壤污染整治技術中「土壤蒸氣抽離」(Soil Vapor Extraction, SVE) 的定義、原理、參數及優點的掌握。

土壤蒸氣抽離 (Soil Vapor Extraction, SVE) 定義

土壤蒸氣抽離 (SVE) 是一種原位（in-situ）土壤污染整治技術，主要用於移除揮發性有機污染物 (VOCs) 在土壤中因蒸氣壓而逸散出的污染物。該技術透過在污染區域設置抽氣井，並對其施加負壓，從而使土壤中的污染物以蒸氣狀態被抽離出來，再導至地表進行處理（如活性碳吸附、燃燒、生物處理等）。

SVE 的處理過程

1. 設置抽氣井： 在污染土壤中，依據污染物擴散範圍和土壤特性，鑽設一定數量的抽氣井，井管通常為多孔管。
2. 施加負壓： 使用真空泵連接至抽氣井，在井內產生負壓（真空）。
3. 污染物蒸氣抽離： 負壓會導致周圍土壤中的污染物蒸氣和部分空氣從土壤孔隙中流向抽氣井，並被抽至地表。
4. 地面處理： 抽出的含污染物蒸氣會被導至地表處理單元，對污染物進行去除或轉化。
5. 循環與監測： 持續運轉抽氣系統，並定期監測土壤中的污染物濃度、抽氣井內的真空度、氣流速率以及處理後的排放氣體濃度，以評估整治成效和調整操作參數。

處理的污染物類型

SVE 主要適用於處理揮發性有機污染物 (VOCs)，包括：

• 鹵代烴類：如三氯乙烯 (TCE)、四氯乙烯 (PCE)、二氯乙烷 (EDC) 等。
• 石油烴類：如苯、甲苯、乙苯、二甲苯 (BTEX)。
• 其他揮發性有機物。
  對於非揮發性或低揮發性的污染物，SVE 的效果會較差。

效率決定參數 (Efficiency Determining Parameters)

SVE 的效率受多種因素影響，主要包括：

1. 土壤特性：
   • 滲透性 (Permeability) / 孔隙度 (Porosity)： 土壤的滲透性越高（如砂土），蒸氣越容易在土壤中傳輸，SVE 效率越高。

本題考驗對廢棄物處理中「有害廢棄物」(Hazardous Waste) 的分類標準及無害化處理技術的理解。

有害廢棄物 (Hazardous Waste) 的分類標準 (5%)

有害廢棄物是指因其物理、化學或生物特性，可能對人體健康或環境造成危害的廢棄物。其分類標準通常基於以下幾項特性：

1. 易燃性 (Ignitability)： 指廢棄物容易燃燒，或在特定條件下會產生易燃氣體。例如，閃火點低於 60°C 的液體、易自燃固體、遇水會產生易燃氣體的物質等。
2. 腐蝕性 (Corrosivity)： 指廢棄物對金屬有強烈的腐蝕性，或會對人體組織造成嚴重傷害。例如，pH 值小於 2 或大於 12.5 的液體，或能以特定速率腐蝕鋼鐵的物質。
3. 反應性 (Reactivity)： 指廢棄物在常溫常壓下，與水、空氣或其他物質接觸時，可能產生爆炸、有毒氣體、有毒蒸氣或煙霧，或本身不穩定，易發生聚合、分解反應。例如，遇水會劇烈反應的物質、含有劇毒的氰化物或硫化物廢棄物、易爆炸的物質等。
4. 毒性 (Toxicity)： 指廢棄物本身或其浸出液（Leachate）中含有對人體或環境有害的成分，且其含量超過一定標準。常見的毒性評估方法是「毒性特性浸出程序」(Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP)，檢測特定重金屬、農藥、有機溶劑等是否超標。

除了上述四項特性外，許多國家或地區也會將具有下列特性的廢棄物列為有害廢棄物：

• 感染性 (Infectivity)： 來自醫療機構，含有病原微生物，可能傳播疾病的廢棄物。
• 致癌性、致突變性、生殖毒性 (Carcinogenicity, Mutagenicity, Reproductive Toxicity)： 具有長期健康危害的物質。
• 環境持久性 (Persistence)： 在環境中不易分解，長期存在並累積。

有害廢棄物的常見處理技術 (5%)

對有害廢棄物進行無害化處理的目標是降低其危害性，使其不再對環境和人體構成威脅。常見的處理技術包括：

1. 固化/穩定化 (Solidification/Stabilization)：

   • 原理： 將有害物質與固化劑（如水泥、爐渣、塑膠樹脂等）混合，使其物理形態改變，降低其溶解度、遷移性或反應性。固化是將廢棄物包埋在固體基質中，穩定化則是透過化學反應改變有害物質的化學形態，使其更穩定。
   • 適用對象： 主要用於處理含有重金屬、酸鹼、某些有機物的廢棄物。

2. 化學處理 (Chemical Treatment)：

   • 原理： 利用化學反應來改變有害物質的性質，使其無害化。

本題考驗對燃燒反應動力學及其在焚化爐設計中的應用。需利用一級反應動力學模型來估算達到目標污染物去除率所需的焚化溫度。

核心觀念：
污染物在焚化爐中的破壞程度通常可由一級反應動力學來描述。在等溫絕熱的條件下，反應速率與污染物濃度成正比。

已知條件：

• 污染物：甲苯 (Toluene, $C_7H_8$)
• 初始濃度：1000 ppm (體積濃度)
• 目標去除率：99.9%
• 停留時間 ($\tau$)：0.5 秒
• 氧氣體積莫耳分數 ($y_{O_2}$)：0.074
• 總壓力 ($P$)：101.3 kPa
• 反應速率常數的阿瑞尼亞斯參數：
  • 頻率因子 (A)：$4.47 \times 10^{10} \, s^{-1}$
  • 活化能 (E)：$189300 \, J/mol$
• 甲苯分子量 (MW)：92 g/mol

解題步驟：

1. 確定反應模型：
   假設甲苯的破壞反應為一級反應，其積分形式為：
   $\ln\left(\frac{C}{C_0}\right) = -k \cdot \tau$
   其中：

   • $C$ 是停留時間 $\tau$ 後的污染物濃度。
   • $C_0$ 是初始污染物濃度。
   • $k$ 是反應速率常數 ($s^{-1}$)。
   • $\tau$ 是停留時間 (s)。

   目標去除率為 99.9%，表示剩下 $1 - 0.999 = 0.001$ 的污染物。因此，$C/C_0 = 0.001$。

2. 計算所需的反應速率常數 (k)：
   將 $C/C_0 = 0.001$ 和 $\tau = 0.5 \, s$ 代入積分反應式：
   $\ln(0.001) = -k \times 0.5$
   $-6.9078 \approx -0.5k$
   $k \approx \frac{6.9078}{0.5} \approx 13.8156 \, s^{-1}$

3. 利用阿瑞尼亞斯方程式計算溫度 (T)：
   阿瑞尼亞斯方程式為：
   $k = A \cdot e^{-E/(RT)}$
   其中：

   • $k$ 是反應速率常數 ($13.8156 \, s^{-1}$)。

本題考驗對「永續發展目標」(Sustainable Development Goals, SDGs) 的認識，包括其定義、目的以及具體目標的理解。

永續發展目標 (Sustainable Development Goals, SDGs) 的定義與目的

永續發展目標 (SDGs)，又稱「2030 年永續發展議程」，是聯合國於 2015 年通過的一系列全球性目標，旨在為全人類和地球創造一個更美好、更永續的未來。它是一個行動呼籲，呼籲所有國家——無論貧富——共同努力，以消除貧困、保護地球、確保所有人在和平與繁榮中享有權利。SDGs 共有 17 個宏大目標，涵蓋了經濟、社會和環境三大面向的挑戰，並細分為 169 個具體細標。

至少三個永續發展目標的解釋與列舉

以下列舉並解釋三個 SDGs 的目標：

1. 目標 1：消除一切形式的貧困 (No Poverty)

   • 解釋： 此目標旨在終結世界各地的貧困，確保所有人在基本生活需求（如食物、飲水、住所、醫療、教育）上都能獲得保障，並建立社會保障體系，應對貧困人口在面對經濟衝擊、自然災害時的脆弱性。它強調的不僅是極端貧困（每天生活費少於 1.25 美元），也包括多維度的貧困。
   • 具體內容： 包括到 2030 年，確保所有男性和女性，特別是貧困和弱勢群體，都能享有經濟資源、基本服務、土地及其他形式資產的平等權利和基本生活保障。

2. 目標 3：確保健康的生活方式，促進各年齡段人群的福祉 (Good Health and Well-being)

   • 解釋： 此目標關注提升全球人口的健康水平，減少可預防的死亡和疾病，並促進身心健康的全面福祉。它涵蓋了從孕產婦和嬰幼兒健康、傳染病和非傳染病的防治、心理健康、藥品和疫苗的可及性，到改善醫療服務品質等廣泛議題。

本題考驗對溫室氣體種類及其主要排放來源的認識。

除 $CO_2$ 和 $CH_4$ 外的四種主要溫室氣體 (5%)

除了二氧化碳 ($CO_2$) 和甲烷 ($CH_4$) 這兩種最主要的溫室氣體外，其他幾種重要的溫室氣體包括：

1. 氧化亞氮 (Nitrous Oxide, $N_2O$)

   • 特性： $N_2O$ 是一種強效溫室氣體，其全球暖化潛勢 (GWP) 在 100 年的時間尺度上約為 $CO_2$ 的 265 倍。它在大氣中停留時間較長（約 114 年）。

2. 氫氟碳化物 (Hydrofluorocarbons, HFCs)

   • 特性： HFCs 是人造的化學物質，廣泛用於製冷劑、噴霧劑和發泡劑。它們的 GWP 非常高，有些種類的 GWP 甚至高達數千或數萬倍於 $CO_2$。

3. 全氟化碳 (Perfluorocarbons, PFCs)

   • 特性： PFCs 也是人造的強力溫室氣體，具有極長的在大氣中停留時間（數千年至數萬年）和極高的 GWP。它們通常在工業製程中產生。

4. 六氟化硫 (Sulfur Hexafluoride, $SF_6$)

   • 特性： $SF_6$ 是已知最強效的溫室氣體之一，其 GWP 在 100 年的時間尺度上約為 $CO_2$ 的 23500 倍，且在大氣中停留時間長達 3200 年。它主要用於電力設備的絕緣。

這些溫室氣體的主要排放來源 (5%)

1. 氧化亞氮 ($N_2O$) 的排放來源：
   • 農業活動： 這是 $N_2O$ 最主要的來源。包括土壤管理（施肥，特別是氮肥的使用）、畜牧業（動物糞便的分解）以及生物燃料的燃燒。

本題考驗對「碳中和」(Carbon Neutrality) 概念的理解，以及實現碳中和的途徑和策略。

碳中和 (Carbon Neutrality) 的定義

碳中和是指一個組織、活動、產品或國家，在特定時間內，透過各種方式（如減少排放、增加碳匯等），使其產生的溫室氣體（主要是二氧化碳）總排放量，與其從大氣中移除的二氧化碳總量達到平衡，淨排放量為零。換句話說，就是「淨零排放」。

實現碳中和的主要途徑有兩種：

1. 減少溫室氣體排放 (Emission Reduction)： 這是最根本、最重要的途徑，透過能源轉型、提高能源效率、改變生產和消費模式等方式，從源頭上減少溫室氣體排放。
2. 增加碳匯 (Carbon Sequestration/Removal)： 對於難以完全消除的排放，可以透過植樹造林、森林管理、碳捕獲與封存 (CCS) 技術等方式，將大氣中的二氧化碳移除並儲存起來，以抵銷剩餘的排放量。

社會如何實現碳中和？

實現碳中和是一個複雜且長期的系統工程，需要政府、企業、個人共同努力，涵蓋經濟、社會、科技、文化等各個層面。主要策略包括：

• 能源結構轉型： 大幅增加再生能源（太陽能、風能、水力、地熱等）的比例，逐步淘汰化石燃料（煤炭、石油、天然氣），發展先進核能技術（若可行），以及提升電網的智慧化和韌性。
• 提高能源效率： 在工業、建築、交通運輸等各領域，推動節能技術和措施，減少能源消耗。例如，使用節能家電、改善建築隔熱、發展高效率交通工具。
• 發展綠色產業與循環經濟： 鼓勵發展低碳技術和產業，推動產品的設計、生產、消費、回收全鏈條的綠色化，減少資源消耗和廢棄物產生。
• 發展碳捕獲、利用與封存 (CCUS) 技術： 針對難以減排的工業製程（如水泥、鋼鐵），開發並應用 CCUS 技術，捕獲排放的二氧化碳，並將其用於其他用途或安全封存。
• 加強碳匯建設： 透過植樹造林、恢復濕地、土壤碳管理等方式，擴大自然碳匯的能力。
• 政策與法規支持： 制定碳稅、碳交易市場、排放標準、再生能源補貼等政策工具，引導社會經濟活動朝向低碳化發展。