114 年 國立成功大學環境工程學系碩士班乙組《環境工程概論》

這題考驗對環境工程領域基本名詞的理解。

(1) Aerosol：
Aerosol 指的是懸浮在大氣中的固體或液體微粒。這些微粒的尺寸範圍很廣，從奈米級到數十微米不等。Aerosol 在環境中扮演重要角色，例如影響能見度、調節地球溫度、傳播污染物及病原體等。在環境工程中，Aerosol 的控制是空氣污染防治的重要一環，例如使用濾煙器、濕式洗滌器等設備來去除。

(2) Algal bloom：
Algal bloom（藻華）是指在水體（如湖泊、河流、海洋）中，藻類因營養鹽（特別是氮和磷）過度豐富而大量繁殖的現象。藻華的發生會導致水體缺氧、釋放毒素、影響水質與生態系統，甚至造成魚蝦死亡。在水污染防治上，控制營養鹽的排放是預防藻華的關鍵。

(3) LCA：
LCA 是 Life Cycle Assessment（生命週期評估）的縮寫。它是一種系統性的方法，用於評估一個產品、過程或服務在其整個生命週期（從原料獲取、生產製造、使用、到廢棄處理）對環境的潛在影響。LCA 旨在量化各階段的環境衝擊，例如溫室氣體排放、能源消耗、水資源使用等，以便找出環境表現最佳的替代方案。

這題主要考驗對淨水工程中，氣候變遷影響及操作面臨的挑戰，以及天然有機物 (NOM) 對淨水處理過程的影響。

(1) 氣候變遷導致的淨水原水濁度問題及對應的工程方法

核心觀念： 氣候變遷導致極端天氣事件（如強降雨、颱風）頻繁，造成水源水質劇烈變化，尤其是在濁度方面。工程師需要快速且科學地應對這些挑戰，確保供水安全。

解題說明：
氣候變遷導致的極端降雨事件會加劇地表徑流，攜帶大量泥沙、有機物及污染物進入水源，導致原水濁度急劇升高。傳統的淨水處理流程，特別是沉澱和過濾單元，可能無法有效處理如此高濁度的原水。

快速且科學的工程方法包括：

• 預警系統與監測強化：
  • 建立更精準的氣象預報與水文模型，提前預警降雨強度與可能造成的濁度變化。
  • 增加水源水質監測頻率與項目，特別是濁度、懸浮固體、pH 值等關鍵參數，以便即時掌握水質狀況。
• 加強混凝沉澱單元處理能力：
  • 提高混凝劑投加量與優化投加點： 根據即時監測的濁度，動態調整混凝劑（如硫酸鋁、氯化鐵）的投加量，並可能需要調整投加點以確保充分混合。
  • 採用高效率混凝劑或助凝劑： 考慮使用聚合氯化鋁 (PAC)、聚合硫酸鐵 (PFS) 等高效混凝劑，或加入助凝劑（如聚合物）來增強絮凝效果，形成較大、較易沉澱的絮凝體。
  • 反應時間與混合效率調整： 確保混凝反應槽有足夠的停留時間，並優化混合器的效率，以利於絮凝體形成。
  • 加強沉澱池操作： 增加沉澱池的進流速度控制，避免高濁度水流直接衝擊沉澱池，減少再懸浮。考慮採用斜板或斜管沉澱，以增加沉澱面積，提高去除效率。
• 提升過濾單元效能：
  • 預處理強化： 在快濾池前增加沉砂池或粗濾單元，去除較大的懸浮顆粒。
  • 快濾池操作調整： 依據進流水濁度，調整過濾速度。對於極高濁度，可能需要縮短單次過濾週期，增加反沖洗頻率，甚至暫時停用部分濾池。
  • 採用高級過濾技術： 考慮採用微濾 (MF) 或超濾 (UF) 等膜過濾技術作為預處理或主處理單元，其對濁度去除效果優異，且受原水濁度波動影響相對較小。
  • 濾材選擇與維護： 確保濾池的濾材（如砂、無煙煤）狀態良好，並定期檢查與更換，以維持最佳過濾效果。
• 應急處理措施：
  • 啟用備用水源： 如果主要水源水質過差，且處理能力不足，應考慮啟動備用水源。
  • 暫時關閉取水： 在最壞情況下，為避免處理系統崩潰及出水水質超標，可能需要暫時關閉取水。
• 科學決策支持：
  • 建立濁度處理模型： 根據歷史數據和現場試驗，建立不同濁度水平下的最佳處理參數模型，輔助決策。
  • 引入自動化控制系統： 整合監測數據與處理模型，實現混凝劑投加、濾池反沖洗等過程的自動化與優化。

【答案】面對氣候變遷導致的原水濁度劇增，可採取的工程方法包括強化監測預警、優化混凝沉澱工藝（如調整混凝劑投加、使用高效混凝劑、優化反應時間）、提升過濾效率（如預處理、調整濾速、採用膜處理）、啟動應急措施（備用水源、暫停取水）及運用科學決策支持系統。

(2) 天然有機物 (NOM) 對飲用水處理過程的影響評估

核心觀念： 天然有機物 (NOM) 是飲用水源中普遍存在的有機污染物，它不僅影響水的感官性質，更會與淨水處理過程中的各個單元發生複雜的交互作用，進而影響處理效果、增加營運成本、甚至產生副產物。

解題說明：
NOM 的種類繁多，主要分為腐植質 (humic substances) 和非腐植質 (non-humic substances)。腐植質又可細分為腐植酸 (humic acid) 和富里酸 (fulvic acid)。NOM 的特性（如分子量、極性、官能基種類）會影響其在各處理單元中的行為。

NOM 對飲用水處理各階段的影響：

這題考驗對河流自淨作用的組成要素，以及如何運用生態工程方法處理生活污水及其原理。

核心觀念： 河流自淨是自然界水體污染物降解、轉化的過程。生態工程則模擬並強化這些自然過程，利用生物、物理、化學等手段，以較低的能耗和環境衝擊，達到污水淨化的目的。

河流自淨作用的組成要素：

河流自淨作用是指受污染的河水在流動過程中，污染物濃度逐漸降低、水質逐漸恢復的自然過程。它是一個複雜的物理、化學、生物綜合作用過程，主要包括以下幾個方面：

1. 物理稀釋與擴散 (Physical Dilution and Dispersion)：
   • 說明： 污水排入河流後，河流的流水量會稀釋污染物的濃度。同時，水流的湍流作用會使污染物在水體中擴散，進一步降低局部濃度。
   • 機制： 增加水體體積、混合作用。
2. 化學氧化還原 (Chemical Oxidation and Reduction)：
   • 說明： 水中的溶解氧或某些化學物質可以氧化水中的有機污染物。某些污染物也可能發生還原反應。
   • 機制： 氧化還原反應，如好氧分解。
3. 生物降解 (Biological Degradation)：
   • 說明： 這是河流自淨中最主要的過程。水中存在大量的微生物（好氧菌、厭氧菌），它們以水中的有機污染物為營養源，通過新陳代謝將其分解為無機物（如 CO2、H2O、NH3 等）或更簡單的有機物。
   • 機制： 微生物的代謝活動，包括好氧分解（需氧氣）和厭氧分解（無氧氣）。
4. 沉澱與吸附 (Sedimentation and Adsorption)：
   • 說明： 懸浮性污染物（如泥沙、有機碎屑、部分微生物）會因重力作用而沉降到河底。同時，一些溶解性或膠體狀的污染物也可能被吸附在河底沉積物或水中的懸浮物表面。
   • 機制： 重力沉降、表面吸附作用。
5. 光化學反應 (Photochemical Reactions)：
   • 說明： 太陽光中的紫外線可以加速某些污染物的分解。
   • 機制： 光催化、光氧化等。
6. 植物淨化 (Plant Uptake)：
   • 說明： 水生植物（如挺水植物、浮葉植物、沉水植物）可以吸收水中的部分營養鹽（如氮、磷）和重金屬，起到一定的淨化作用。
   • 機制： 植物的生理吸收。

生活污水生態工程處理方法及其淨化機制：

生態工程處理生活污水，是模擬和強化河流自淨過程中的生物降解、沉澱吸附、植物吸收等作用，通常具有低能耗、低維護、與自然環境融合的特點。常見的方法包括：

1. 人工濕地 (Constructed Wetlands)：
   • 說明： 人工建造的具有濕地生態系統功能的處理單元，通常由填充物（如礫石、砂）和種植的濕地植物組成。污水在其中流動，通過填料和植物的共同作用進行淨化。
   • 淨化機制：
     • 物理攔截與沉澱： 填料層能攔截較大的懸浮物，並使部分污染物沉澱。

這題主要考驗對地面臭氧生成機制及其控制策略，以及「淨零排放」與「碳中和」概念的理解。

(1) EKMA 曲線與地面臭氧減量措施

核心觀念： 地面臭氧 (O3) 是光化學煙霧的主要成分，其生成與揮發性有機物 (VOCs) 和氮氧化物 (NOx) 在陽光照射下的光化學反應有關。EKMA (Empirical Kinetic Modeling Approach) 曲線是一種簡化的模式，用於預測在不同 VOCs/NOx 比值和濃度下的臭氧濃度，藉此判斷是 VOCs 控制還是 NOx 控制對臭氧減量更有效。

EKMA 曲線的解讀：
EKMA 曲線通常會顯示在給定的 NOx 和 VOCs 濃度下，預測的臭氧濃度。圖中給出的點代表實際觀測到的臭氧濃度。

• VOCs 控制敏感區 (VOCs-sensitive region)： 在這個區域，臭氧濃度對 VOCs 的變化較為敏感。降低 VOCs 排放可以顯著降低臭氧濃度。
• NOx 控制敏感區 (NOx-sensitive region)： 在這個區域，臭氧濃度對 NOx 的變化較為敏感。降低 NOx 排放可以顯著降低臭氧濃度。
• 過渡區 (Transition region)： 在這個區域，臭氧濃度同時對 VOCs 和 NOx 都敏感，降低任一項都有效果，但效果不如在各自敏感區顯著。

判斷圖中觀測點的位置：
根據您提供的圖（雖然我無法直接看到，但根據標準 EKMA 圖的樣式），圖中的點代表了實際測量到的 O3 濃度。我們需要觀察這些點在 VOCs/NOx 比例和總量上的分佈，來判斷該區域是處於 VOCs 敏感區還是 NOx 敏感區，或是兩者皆有。

• 若點普遍位於曲線左下方（低 NOx, 高 VOCs）： 則屬於 NOx 敏感區，重點應放在控制 NOx。
• 若點普遍位於曲線右上方（高 NOx, 低 VOCs）： 則屬於 VOCs 敏感區，重點應放在控制 VOCs。
• 若點分佈在曲線附近或過渡區域： 則需要同時控制 NOx 和 VOCs。

「有效率」的減量措施：
「有效率」意味著選擇對降低地面臭氧濃度最有效的控制策略。這通常取決於當地大氣化學的特性（即圖中觀測點所處的區域）。

假設圖中的觀測點主要落在 NOx 敏感區（例如，若多數點位於曲線左側，表示降低 NOx 的效果更明顯），則控制 NOx 的措施會更有效。若落在 VOCs 敏感區，則控制 VOCs 的措施更有效。

以下提供一些通用的、可能「有效率」的地面臭氧減量措施，需根據 EKMA 圖的具體分析來決定優先級：

1. 嚴格控制交通運輸排放 (NOx and VOCs)：
   • 措施： 推動電動車輛，提高燃油車輛的排放標準（如 Euro 6/7），鼓勵大眾運輸，實施交通擁擠費，限制高排放車輛進入特定區域。
   • 原理： 交通是 NOx 和部分 VOCs 的主要來源。
2. 工業鍋爐與製程排放控制 (NOx and VOCs)：
   • 措施： 對電力、石化、鋼鐵等行業的鍋爐和生產設備，強制安裝低 NOx 燃燒器 (Low-NOx Burners)、選擇性催化還原 (SCR) 或選擇性非催化還原 (SNCR) 設備來降低 NOx 排放。對溶劑使用、儲存和處理過程，加強 VOCs 的回收和處理（如活性炭吸附、燃燒）。
   • 原理： 工業活動是 NOx 和 VOCs 的重要排放源。
3. 揮發性有機物 (VOCs) 源頭減量：
   • 措施： 加強對加油站油氣回收、餐飲業油煙排放控制、印刷、塗料、建築裝修等行業的 VOCs 排放管理。推廣使用低 VOCs 含量產品。
   • 原理： 針對 VOCs 的主要排放源進行控制。
4. 減少建築、道路施工揚塵 (VOCs and Particulates)：
   • 措施： 加強施工現場管理，如灑水降塵，覆蓋裸露地面，控制施工機械排放。
   • 原理： 施工過程會釋放 VOCs（如瀝青、塗料）和粉塵，部分粉塵可作為臭氧生成的載體。
5. 區域聯防聯控與政策引導 (NOx and VOCs)：
   • 措施： 建立跨區域的空氣污染監測與協調機制，制定更嚴格的排放標準，推動清潔能源使用，鼓勵產業轉型升級。
   • 原理： 空氣污染物具有傳輸性，需要區域協同治理。

請注意： EKMA 圖的分析是判斷哪類污染物控制「最有效率」的關鍵。如果該地區是 VOCs 敏感區，則應優先控制 VOCs；如果是 NOx 敏感區，則應優先控制 NOx。若兩者皆敏感，則需綜合治理。

【答案】根據 EKMA 曲線圖分析該區域對 NOx 或 VOCs 的敏感性，優先採取以下五項「有效率」的減量措施：1. 嚴格控制交通運輸排放（針對 NOx 及 VOCs）；2. 工業鍋爐與製程排放控制（針對 NOx 及 VOCs）；

這題考驗對有害廢棄物焚化爐煙道氣中戴奧辛 (Dioxin) 和鹽酸 (HCl) 的最佳可行控制技術 (BACT) 的了解。

核心觀念： 戴奧辛和 HCl 是有害廢棄物焚化過程中產生的主要污染物，對人體健康和環境有嚴重危害。BACT 是指在技術上可行且經濟上合理的條件下，能達到最高污染控制水準的技術。

戴奧辛 (Dioxin) 的產生與控制：

• 產生機制： 戴奧辛（多氯代二苯駢喃和多氯代二苯駢二噁英）主要在焚化過程的溫度窗口（約 250-450°C）發生，特別是在氧化不完全的區域，以及在煙氣冷卻過程中，由氯化物 (Cl) 和有機物通過 de novo 合成反應產生。

• BACT 控制策略： 戴奧辛的控制應從源頭到末端進行多層次管理。

  1. 源頭控制與最佳操作條件：
     • 高溫焚化： 確保焚化爐主燃室溫度高於 850°C（或更高，視廢棄物種類而定），停留時間足夠（例如 2 秒以上），以確保有機物完全燃燒。
     • 充足的氧氣供應： 確保燃燒過程中的過量空氣係數足夠，避免缺氧燃燒。
     • 均勻混合： 確保廢棄物、空氣和燃料的良好混合，避免局部高溫或低溫區域。
  2. 急冷冷卻 (Quenching)：
     • 措施： 在煙氣離開高溫焚燒區後，迅速將煙氣溫度降低到 200°C 以下（甚至 150°C 以下），以阻止 de novo 合成反應的發生。通常使用水噴霧冷卻或熱交換器。
     • 原理： 快速通過戴奧辛形成的溫度窗口。
  3. 活性碳注入 (Activated Carbon Injection, ACI)：
     • 措施： 在煙氣冷卻段或袋濾器前，向煙氣中注入粉狀活性碳。
     • 原理： 活性碳具有巨大的比表面積，可以吸附氣相和液相中的戴奧辛，使其隨活性碳顆粒一起被去除。
  4. 袋濾器 (Baghouse/Fabric Filter)：
     • 措施： 使用脈衝式或反吹式袋濾器，配合注入的活性碳，高效去除煙塵和吸附在塵粒上的戴奧辛。
     • 原理： 物理攔截塵粒，並通過活性碳的吸附作用去除戴奧辛。

鹽酸 (HCl) 的控制：

• 產生機制： HCl 主要來自廢棄物中含氯的物質（如 PVC 塑膠）燃燒時產生的氯離子 (Cl-) 與水蒸氣反應生成。

• BACT 控制策略： HCl 是一種酸性氣體，需要通過鹼性物質進行中和。

  1. 乾式或半乾式洗滌 (Dry or Semi-dry Scrubbing)：
     • 措施：
       • 乾式洗滌： 在煙氣中注入鹼性粉末（如熟石灰 Ca(OH)2 或碳酸鈉 Na2CO3），與 HCl 反應生成氯化鈣 (CaCl2) 或氯化鈉 (NaCl) 等固體鹽類，然後由袋濾器去除。
       • 半乾式洗滌： 將鹼性漿液（如石灰漿）噴入煙道，霧滴蒸發的同時進行中和反應，形成固體鹽類，再由袋濾器去除。

這題考驗對廢棄物焚化過程中高位發熱值 (HHV) 和低位發熱值 (LHV) 的理解，以及如何根據廢棄物特性變化調整焚化爐操作。

(1) HHV 與 LHV 的差異與測量方法

核心觀念： 發熱值是衡量燃料（包括廢棄物）燃燒時釋放能量的指標。HHV 和 LHV 的區別在於是否計入水蒸氣凝結時釋放的潛熱。

定義：

• 高位發熱值 (Higher Heating Value, HHV)：
  • 定義： 指在標準條件下，1 單位的燃料完全燃燒後，其產生的所有燃燒產物（包括氣態水）冷卻至初始溫度，並使產生的水蒸氣凝結成液態水時所釋放的總熱量。
  • 含義： 包含燃燒產物水蒸氣凝結釋放的潛熱。
  • 單位： 通常為 kcal/kg、MJ/kg 等。
• 低位發熱值 (Lower Heating Value, LHV)：
  • 定義： 指在標準條件下，1 單位的燃料完全燃燒後，其產生的燃燒產物（特別是水蒸氣）保持氣態，冷卻至初始溫度時所釋放的熱量。
  • 含義： 不包含燃燒產物水蒸氣凝結釋放的潛熱。
  • 單位： 通常為 kcal/kg、MJ/kg 等。

兩者關係：

LHV = HHV - (生成水的質量 × 水的汽化潛熱)

由於燃燒過程中產生的水（來自燃料本身的水分以及燃料中的氫燃燒生成的水）通常以水蒸氣形式存在於高溫煙氣中，其汽化潛熱是相當可觀的一部分能量。因此，LHV 通常會比 HHV 小。

測量方法：

測量 HHV 和 LHV 通常使用彈式 kalorimeter (Bomb Calorimeter)。

1. 測量 HHV：

   • 將一定質量的廢棄物樣品放入耐壓的彈式 kalorimeter 內。
   • 在密閉環境中，通入高純度氧氣，並點燃樣品。
   • 樣品完全燃燒後，測量 kalorimeter 內部的溫度升高值。
   • 通過校準曲線和熱力學計算，得出樣品燃燒釋放的總熱量，即為 HHV。
   • 在計算時，需要考慮到樣品中水分的含量。

2. 測量 LHV：

   • LHV 通常是通過 HHV 計算得出的，而不是直接測量。
   • 需要準確知道樣品中的水分含量和氫含量（用於計算生成水的量）。
   • 通過上述公式：$LHV = HHV - (m_{water} \times h_{vaporization})$，其中 $m_{water}$ 是生成水的質量，$h_{vaporization}$ 是水的汽化潛熱。
   • 在實際應用中，特別是廢棄物焚化，通常更關注 HHV，因為它代表了燃料潛在的總能量。但在某些熱力學計算或鍋爐效率評估中，LHV 可能更為適用，因為鍋爐系統可能無法有效回收水蒸氣的凝結潛熱。

在廢棄物焚化中的應用：

• HHV 更常用來評估廢棄物的能量潛力，並用於設計焚化爐的容量和燃燒室溫度。
• LHV 則在計算鍋爐產生的蒸汽量和發電效率時更為關鍵，因為鍋爐系統主要利用煙氣的顯熱和水蒸氣的潛熱。

【答案】HHV (高位發熱值) 是指燃料燃燒產生的水蒸氣凝結成液態水時釋放的總熱量；LHV (低位發熱值) 則不計入水蒸氣凝結的潛熱。兩者關係為 $LHV = HHV - (\text{生成水的質量} \times \text{水的汽化潛熱})$。兩者皆可通過彈式 kalorimeter 測量，通常 LHV 是通過 HHV 計算得出。
<br>
(2) 調整焚化爐操作以應對廢棄物特性變化

核心觀念： 廢棄物焚化爐的設計容量和操作條件是基於特定特性（如熱值、成分、處理量）的廢棄物來優化的。當廢棄物的處理量和熱值發生變化時，需要調整操作條件，以確保焚燒效率、能源回收和排放控制的目標得以實現。

問題背景：

• 原設計處理量：300 噸/天，HHV = 2400 kcal/kg
• 預測處理量 (2030)：200 噸/天，HHV = 2000 kcal/kg

分析變化：