112 年 國立成功大學環境工程學系碩士班乙組《環境工程概論》

本題主要在探討空氣污染物的分類。空氣污染物主要可分為兩大類：一次污染物（Primary Pollutants）與二次污染物（Secondary Pollutants）。

一次污染物 (Primary Pollutants)：
是指直接從污染源排放到大氣中的污染物。它們本身就具有污染性。
常見的一次污染物包括：

• 懸浮微粒 (Particulate Matter, PM)：由燃燒、揚塵等過程產生。
• 硫氧化物 (Sulfur Oxides, SOx)：主要來自含硫燃料（如煤、石油）的燃燒，例如二氧化硫 ($SO_2$)。
• 氮氧化物 (Nitrogen Oxides, NOx)：主要來自高溫燃燒過程（如汽車引擎、發電廠），例如一氧化氮 ($NO$) 和二氧化氮 ($NO_2$)。
• 一氧化碳 (Carbon Monoxide, CO)：主要來自燃料不完全燃燒，如汽車廢氣。
• 揮發性有機物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)：來自燃料蒸發、溶劑使用、工業製程等。
• 鉛 (Lead, Pb)：過去主要來自含鉛汽油，現已大幅減少。

本題主要探討室內空氣污染物及其對健康的危害，並點出全球最嚴重的室內空氣污染問題。

室內空氣中可能危害健康的污染物：
室內空氣污染源多樣，包括建築材料、家具、清潔劑、烹飪、燃燒設備、室外空氣帶入等。主要污染物及其危害如下：

1. 懸浮微粒 (Particulate Matter, PM)：

   • 來源：烹飪油煙、二手菸、燃燒（如蚊香、蠟燭）、室外空氣滲入。
   • 危害：可深入肺部，引起呼吸道疾病（如氣喘、支氣管炎）、心血管疾病，甚至致癌。

2. 揮發性有機物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)：

   • 來源：建築材料（如油漆、膠水、塑膠）、家具、清潔劑、殺蟲劑、空氣清新劑、化妝品。常見的 VOCs 包括甲醛 (formaldehyde)、苯 (benzene)、甲苯 (toluene) 等。
   • 危害：刺激眼睛、鼻子、喉嚨，引起頭痛、噁心、皮膚過敏，長期暴露可能導致肝腎損傷、神經系統損害，甚至致癌。

3. 一氧化碳 (Carbon Monoxide, CO)：

   • 來源：燃料（如瓦斯、煤炭、汽油）燃燒不完全，特別是通風不良的燃燒設備（如瓦斯爐、熱水器、壁爐）。
   • 危害：與血紅素結合，降低血液攜氧能力，嚴重時導致腦部缺氧、昏迷甚至死亡。

4. 二氧化碳 ($CO_2$)：

   • 來源：人體呼吸、燃燒。雖然不是直接毒性污染物，但在通風不良的室內，高濃度的 $CO_2$ 會導致空氣品質下降，引起嗜睡、注意力不集中、頭痛等症狀。

本題主要探討營養鹽為何會被視為污染物，並解釋優養化 (eutrophication) 和氧氣匱乏曲線 (oxygen sag curve) 的概念。

營養鹽為何被視為污染物？
在自然水體中，適量的營養鹽（如氮 N 和磷 P）是水生植物（如藻類、浮游植物）生長所必需的。然而，當人為活動（如農業施肥、生活污水排放、工業廢水）導致營養鹽的濃度過高，遠超過水體原有的自然水平時，就會對水體生態系統造成嚴重的破壞，此時營養鹽就變成了污染物。

過量的營養鹽會刺激藻類和水生植物異常快速地生長，這種現象稱為優養化 (Eutrophication)。

優養化 (Eutrophication) 的概念：
優養化是指水體因接收過量營養物質（主要是氮和磷）而導致藻類和水生植物過度生長，進而引發水質惡化、生物多樣性降低、甚至魚類死亡的過程。

優養化的主要步驟和影響：

1. 營養鹽輸入增加：來自農業徑流、污水排放、工業廢水等。
2. 藻類大量繁殖 (Algal Bloom)：過量的氮和磷刺激藻類（如藍綠藻）快速生長，形成藻華，使水體變綠或變色。
3. 遮蔽陽光：濃密的藻華阻擋陽光穿透水體，影響水底沉水植物的光合作用，導致其死亡。
4. 藻類死亡與分解：當藻類生命週期結束或因資源耗盡而死亡後，大量的有機物沉入水底。
5. 好氧微生物大量繁殖與耗氧：水底的有機物被好氧微生物分解，這個過程消耗大量溶解氧。
6. 溶解氧下降 (Hypoxia/Anoxia)：水中溶解氧濃度急劇下降，魚類和其他水生生物因缺氧而死亡。
7. 水質惡化：可能產生硫化氫 ($H_2S$) 等有毒物質，水體散發惡臭，生物多樣性顯著降低。

氧氣匱乏曲線 (Oxygen Sag Curve) 的概念：
氧氣匱乏曲線（又稱迪斯-威爾比曲線, Dissolved Oxygen Sag Curve, DO Sag Curve）是描述有機污染物（如生活污水）排入一條河流後，水中溶解氧 (DO) 濃度隨距離排放點的增加而變化的曲線。

本題探討地下水污染的來源以及為何地下水污染難以處理。

地下水污染的來源 (Sources of Groundwater Contamination)：
地下水污染的來源非常多樣，大致可分為點污染源 (point sources) 和面污染源 (non-point sources) 兩大類。

1. 點污染源 (Point Sources)：

   • 工業廢水與廢棄物：工廠排放的含有重金屬、有機溶劑、酸鹼等的廢水，以及儲存不當的廢棄物（如化學品、油料）滲漏。
   • 垃圾掩埋場與廢棄物處理場：滲濾液 (leachate) 中含有各種有機物、無機鹽、重金屬等，若處理不當，會滲入地下。
   • 油罐、化學品儲存槽的洩漏：地下或地上儲存槽的腐蝕、損壞導致洩漏。
   • 污水處理廠與化糞池：處理不完全的污水或化糞池滲漏。
   • 採礦活動：礦坑排水可能含有重金屬、酸性物質。
   • 地下管線洩漏：如輸油管、輸水管（若水中有污染物）等。
   • 農業集中污染源：如集中的畜牧業廢水。

2. 面污染源 (Non-point Sources)：

   • 農業活動：農藥、化學肥料的過度使用，隨雨水或灌溉水滲入地下。
   • 都市地區的徑流：城市地表上的污染物（如汽機車機油、輪胎磨損顆粒、落葉、垃圾）隨雨水沖刷滲入地下。
   • 大氣沉降：空氣污染物（如酸雨、重金屬）沉降在地表後，隨徑流滲入地下。
   • 地下儲存槽的廣泛分佈：如加油站的地下油槽，雖然有規範，但數量龐大，個別洩漏累積起來影響廣泛。

為何地下水污染是個難題？

地下水污染之所以難以處理，主要有以下幾個原因：

本題主要探討垃圾焚化 (waste incineration) 所引發的各種疑慮與環境問題。

垃圾焚化 (Waste Incineration) 的疑慮與環境問題：
垃圾焚化是一種處理固體廢棄物的方法，透過高溫燃燒以減少廢棄物的體積，並可能回收部分能量。然而，它也帶來了一些重要的環境和健康方面的疑慮：

1. 空氣污染物排放 (Air Pollution Emissions)：

   • 戴奧辛與呋喃 (Dioxins and Furans)：是不完全燃燒時產生的一類劇毒有機物，具有強烈的致癌性和生物累積性。焚化爐是生產戴奧辛的重要來源之一。
   • 重金屬 (Heavy Metals)：垃圾中含有的鉛 (Pb)、汞 (Hg)、鎘 (Cd)、鉻 (Cr) 等重金屬，在高溫下可能揮發，若未妥善處理煙道氣，會隨廢氣排放，對人體健康和環境造成危害。
   • 氮氧化物 ($NOx$) 和硫氧化物 ($SOx$)：產生於高溫燃燒過程，是酸雨和光化學煙霧的成因。
   • 懸浮微粒 (Particulate Matter, PM)：焚化產生的細小顆粒，可能攜帶有害物質，對呼吸系統造成損害。
   • 其他有害氣體：如氯化氫 (HCl)、一氧化碳 (CO) 等。

2. 焚化底渣 (Bottom Ash) 與飛灰 (Fly Ash)：

   • 焚化底渣：是燃燒後殘留的固體物，可能含有未燃盡的有機物、重金屬、玻璃、金屬等。若未妥善處理，直接堆置可能造成土壤和地下水污染。
   • 飛灰：是從煙道氣中收集到的細小顆粒，通常含有較高濃度的重金屬和戴奧辛，被認為是危險廢棄物，需要特別處理（如穩定化後再掩埋）。

本題探討電子廢棄物 (e-waste) 的定義、處理方式及提升回收率的策略。

電子廢棄物 (E-waste) 的定義：
電子廢棄物 (Electronic Waste)，簡稱 E-waste，是指所有被廢棄、報廢或不再被使用的電力及電子設備 (WEEE, Waste Electrical and Electronic Equipment) 的總稱。這包括各種家用電器、資訊與通訊科技設備、影音設備、照明設備、電動工具、玩具、運動休閒設備等。例如：電腦、手機、電視、冰箱、洗衣機、燈泡、遙控器等。

E-waste 的一個重要特徵是其成分複雜，包含有價值的回收金屬（如金、銀、銅、鋁），也含有對環境和人體有害的物質（如鉛、汞、鎘、溴化阻燃劑）。

E-waste 的處理方式：
目前 E-waste 的處理方式在全球各地差異很大，但主要有以下幾種：

1. 掩埋 (Landfilling)：

   • 這是許多發展中國家或未規範地區最常見的處理方式。
   • 問題：E-waste 中的有害物質（如鉛、汞、鎘）會滲入土壤和地下水，造成嚴重的環境污染。同時，有價值的金屬資源也被浪費。

2. 非法拆解與露天燃燒 (Informal Dismantling and Open Burning)：

   • 在一些經濟欠發達地區，E-waste 常被非正規業者收購，進行粗暴拆解以回收金屬。
   • 問題：為了分離塑膠和金屬，常採用露天燃燒的方式，這會釋放出大量戴奧辛、呋喃、重金屬等有毒氣體，對工人健康和周圍環境造成極大危害。拆解過程也常在缺乏保護措施下進行。

3. 焚化 (Incineration)：

   • 部分 E-waste 可能與一般垃圾一起進入焚化爐處理。
   • 問題：若焚化爐沒有足夠的空氣污染防治設備，可能導致有害物質（特別是重金屬和戴奧辛）隨廢氣排放。

4. 正規回收與再製造 (Formal Recycling and Remanufacturing)：

   • 在有完善回收體系和技術的國家，E-waste 會被送到專業的回收處理廠。

本題探討生物累積 (bioaccumulation) 和生物放大 (biomagnification) 這兩個重要的生態毒理學概念。

生物累積 (Bioaccumulation)：
生物累積是指生物體內某種化學物質（特別是污染物）的吸收速率大於其代謝或排泄速率，導致該物質在生物體內濃度逐漸升高，並超過環境中該物質的濃度。

• 過程：生物體通過攝食、呼吸或皮膚吸收等途徑，不斷從環境中獲取化學物質。如果這些物質在體內停留的時間長，且其分解或排出的速度很慢，就會在體內累積。
• 對象：任何生物都可能發生生物累積，但對於難以代謝、脂溶性強的污染物（如某些農藥、重金屬、持久性有機污染物 POPs）而言，生物累積的現象更為顯著。
• 舉例：魚類從水中吸收重金屬汞 (Hg)，或從食物中攝取農藥，如果這些物質在魚體內不易分解排出，就會累積在魚的脂肪組織或器官中。

生物放大 (Biomagnification)：
生物放大是指在食物鏈或食物網中，某種化學物質的濃度隨著營養級別的升高而逐級增加的現象。這是一種特定形式的生物累積，發生在不同營養級別的生物之間。

• 過程：
  1. 生產者 (Producers)：如藻類或植物，從環境中吸收污染物（可能發生生物累積）。
  2. 初級消費者 (Primary Consumers)：如草食性動物，攝食大量的生產者，從中獲取污染物。由於污染物在初級消費者體內也發生生物累積，其體內的污染物濃度會高於生產者。

本題要求定義永續發展 (sustainable development)。

永續發展 (Sustainable Development) 的定義：
永續發展是一個廣泛的概念，旨在尋求一種發展模式，能夠滿足當代人的需求，同時又不損害後代人滿足其自身需求的能力。這個定義最早由世界環境與發展委員會 (World Commission on Environment and Development, WCED)，又稱布倫特蘭委員會 (Brundtland Commission)，在其 1987 年發表的報告《我們共同的未來》(Our Common Future) 中提出。

永續發展包含三個相互關聯且同等重要的面向（或稱為支柱）：

1. 環境永續 (Environmental Sustainability)：

   • 保護和恢復自然資源與生態系統。
   • 確保生態系統能夠持續提供服務（如空氣淨化、水循環、氣候調節）。
   • 減少污染排放，控制溫室氣體，保護生物多樣性。
   • 有效利用資源，減少浪費。

2. 經濟永續 (Economic Sustainability)：

   • 追求經濟成長和繁榮，但這種成長必須是包容性的、有效率的，並且能夠長期維持。

本題要求解釋《京都議定書》(Kyoto Protocol) 和《巴黎協定》(Paris Agreement) 這兩項重要的國際氣候變遷協定之間的差異。

《京都議定書》和《巴黎協定》都是在聯合國氣候變遷框架公約 (UNFCCC) 下達成的國際協議，旨在減少溫室氣體排放以應對氣候變遷。然而，它們在目標、範圍、參與者、約束力等方面存在顯著差異。

本題探討控制溫室氣體排放為何困難，並分析涉及的各種因素，最後詢問減緩氣候變遷的責任歸屬。

控制溫室氣體排放困難的原因：

控制溫室氣體排放之所以是一個極為困難的全球性問題，是因為它涉及複雜的技術、經濟、政治、社會和倫理因素，且影響深遠、長期。

涉及的因素：

1. 技術因素 (Technological Factors)：

   • 能源系統的轉型：目前全球經濟高度依賴化石燃料（煤、石油、天然氣）。要轉向低碳或零碳能源（如太陽能、風能、核能），需要巨大的技術革新、基礎設施投資和時間。
   • 減排技術的局限性：雖然可再生能源技術不斷進步，但其間歇性、儲能問題、地理限制等仍是挑戰。碳捕獲、利用與封存 (CCUS) 技術仍在發展和大規模應用中面臨成本和技術瓶頸。
   • 工業製程的複雜性：鋼鐵、水泥、化工等工業部門的減排難度較大，需要創新的製程技術。
   • 交通運輸的挑戰：電動車普及需要充電基礎設施、電池技術和成本的進步。航空、航運等領域的脫碳尤其困難。

2. 經濟因素 (Economic Factors)：

   • 經濟發展與排放的關聯：傳統的經濟發展模式往往與溫室氣體排放密切相關。低碳轉型可能意味著對現有高碳產業（如化石燃料、汽車製造）的衝擊，可能導致失業和經濟結構調整的陣痛。
   • 高昂的轉型成本：發展和部署低碳技術、改造能源基礎設施、補貼可再生能源等都需要龐大的資金投入。
   • 國際資金轉移的挑戰：如何讓已開發國家向開發中國家提供足夠的資金和技術支持，以幫助其實現低碳發展，是一個重大的經濟和政治難題。
   • 碳定價的爭議：碳稅或碳交易等市場機制，雖然能有效引導減排，但可能增加企業和消費者的負擔，引發經濟和政治上的爭議。

3. 政治因素 (Political Factors)：

   • 國家主權與國際合作的平衡：氣候變遷是全球性問題，需要國際合作，但各國國家利益、發展階段和政治體制不同，難以達成一致的減排目標和行動。
   • 國內政治阻力：強大的化石燃料產業遊說、對經濟影響的擔憂、公眾對政府干預的抵觸等，都可能阻礙積極的氣候政策。
   • 國際談判的複雜性：在氣候談判中，已開發國家和開發中國家在責任、資金、技術轉讓等問題上存在分歧，談判進程艱難。
   • 短期政治週期 vs. 長期氣候目標：政治家通常面臨短期選舉週期的壓力，而氣候變遷的影響和減排行動的效益是長期的，這使得推動長期氣候政策變得困難。