108 年 國立中央大學環境工程研究所乙組《環境工程概論》

本題為解釋名詞題，主要測試考生對環境工程中基本名詞的理解與掌握程度。以下逐一解釋：

(A) biofilter: 生物濾床是一種利用微生物來處理空氣污染物的方法。濾材（如土壤、堆肥、塑膠填料等）中附著的微生物能夠分解揮發性有機物 (VOCs)、硫化物、氨氣等污染物。空氣通過濾床時，污染物被微生物代謝分解，達到淨化空氣的目的。
【答案】生物濾床是一種利用微生物來處理空氣污染物的方法，透過濾材上的微生物代謝分解污染物，常用於處理 VOCs、硫化物、氨氣等。

(B) condensable particulate matter (CPM): 可凝結懸浮微粒是指在煙氣排放時，氣態的污染物在冷卻過程中凝結成液態或固態微粒的總稱。這些微粒通常由金屬氧化物、硫酸鹽、有機物等組成，它們在採樣過程中會從氣態轉變成固態或液態，因此測量時需要將採樣氣體冷卻至特定溫度（通常為 150°C 或以下）後再進行採樣。
【答案】可凝結懸浮微粒是指煙氣冷卻過程中，由氣態轉變為液態或固態的微粒，通常由金屬氧化物、硫酸鹽、有機物等組成。

(C) PAHs: 多環芳香烴 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) 是一類由兩個或兩個以上苯環稠合而成的有機化合物。它們是燃燒不完全的產物，常見於煤、石油、木材等有機物的燃燒過程，以及汽車廢氣、工業排放等。部分 PAHs 被證實具有致癌性、致突變性及致畸性，是重要的空氣污染物。

核心觀念

本題考查多個噪音源同時存在時，音壓位準的合成計算。

分貝值是對數尺度，不能直接將各機器的音壓位準相加。對於彼此獨立、無相干性的噪音源，總音壓位準公式為

$$L_{\mathrm{total}} = 10\log_{10} \left( \sum_{i=1}^{n}10^{L_i/10} \right)$$

其中，$L_i$ 為第 $i$ 部機器的音壓位準，單位為 dB。

此公式的物理意義是：各噪音源的聲能先相加，再換算成分貝值。

解題方法

工作間原有兩部機器，每部音壓位準為 $78\ \mathrm{dB}$；新增一部音壓位準為 $81\ \mathrm{dB}$ 的機器。

因此總音壓位準為

$$L_{\mathrm{total}} = 10\log_{10} \left( 10^{78/10}+10^{78/10}+10^{81/10} \right)$$

提出 $10^{7.8}$：

$$L_{\mathrm{total}} = 10\log_{10} \left[ 10^{7.8} \left( 2+10^{0.3} \right) \right]$$

因為

$$10^{0.3}\approx 1.995$$

所以

本大題主要考驗考生對全球暖化潛勢 (GWP)、溫室氣體排放量計算，以及溫室氣體減排策略的理解。

(A) 全球暖化潛勢 (Global Warming Potential, GWP) 之意義

核心觀念： GWP 是衡量不同溫室氣體對全球暖化貢獻的指標，它將不同溫室氣體的暖化效應標準化，以便進行比較和計算。

解釋：
全球暖化潛勢 (GWP) 是指一種溫室氣體在特定時間範圍內，相較於二氧化碳 ($CO_2$)，所吸收的熱能（即溫室效應）的總量。GWP 通常以 100 年的週期來計算，因此 GWP 的定義為：在給定的時間範圍內，單位質量 of a given greenhouse gas 吸收的能量，與單位質量 of $CO_2$ 在相同時間範圍內吸收的能量之比。

意義：

1. 量化比較： GWP 允許我們將不同種類的溫室氣體（如甲烷 $CH_4$、氧化亞氮 $N_2O$、氟氯碳化物等）的暖化效應，統一換算成等效的二氧化碳 ($CO_2$) 排放量，進而進行量化的比較和加總。
2. 政策制定： 它是制定溫室氣體減排目標和政策的重要依據，例如《京都議定書》就列出了多種需要減排的溫室氣體及其 GWP 值。
3. 環境影響評估： 在評估活動或產業對氣候變遷的影響時，GWP 提供了一個統一的指標來衡量其溫室氣體排放的潛在暖化能力。

舉例： 若某氣體的 GWP (100年) 為 25，表示該氣體在 100 年內，其暖化能力相當於同質量二氧化碳的 25 倍。

【答案】全球暖化潛勢 (GWP) 是衡量不同溫室氣體相較於二氧化碳，在特定時間內（通常為 100 年）的總暖化能力指標，用於量化比較不同溫室氣體的暖化效應，並作為制定減排政策的依據。

(B) 總 $CO_2$ 排放當量計算

核心觀念： 將各種溫室氣體的實際排放量，乘以其對應的 GWP 值，然後加總，即可得到總的二氧化碳排放當量。

計算步驟：

1. 確認排放量與單位：

   • $CO_2$: 21,000 ton
   • $CH_4$: 48 ton
   • $N_2O$: 68 ton
   • $CF_4$: 450 kg

2. 確認 GWP 值：

   • $CH_4$ GWP = 25
   • $N_2O$ GWP = 320
   • $CF_4$ GWP = 6,500
   • $CO_2$ GWP = 1 (因為是基準)

3. 單位統一： 將所有排放量統一為「ton」。

   • $CO_2$: 21,000 ton
   • $CH_4$: 48 ton
   • $N_2O$: 68 ton
   • $CF_4$: 450 kg = 0.450 ton

4. 計算各種氣體的 $CO_2$ 當量：

   • $CO_2$ 當量 = 排放量 (ton) $\times$ GWP
   • $CO_2$ 的 $CO_2$ 當量 = $21,000 \, \text{ton} \times 1 = 21,000 \, \text{ton CO}_2 \text{ eq}$
   • $CH_4$ 的 $CO_2$ 當量 = $48 \, \text{ton} \times 25 = 1,200 \, \text{ton CO}_2 \text{ eq}$
   • $N_2O$ 的 $CO_2$當量 = $68 \, \text{ton} \times 320 = 21,760 \, \text{ton CO}_2 \text{ eq}$
   • $CF_4$ 的 $CO_2$當量 = $0.450 \, \text{ton} \times 6,500 = 2,925 \, \text{ton CO}_2 \text{ eq}$

5. 加總計算總 $CO_2$ 排放當量：

本題考驗考生對廢棄物四種主要熱處理技術（焚化、熱裂解、氣化、焙燒）的原理、特色、產物應用及可行性的比較與分析能力。

核心觀念： 這四種技術都是利用高溫處理廢棄物，但其關鍵差異在於「氧氣供應量」，這決定了反應的進行方式、產物種類和能量回收效率。

比較分析表：

特徵/方法	焚化 (Incineration)	熱裂解 (Pyrolysis)	氣化 (Gasification)	焙燒 (Torrefaction)
應用原理	在充足氧氣下，廢棄物完全氧化燃燒，轉化為 $CO_2$, $H_2O$, 灰渣。	在無氧或極少量氧氣下，高溫分解廢棄物，產生固體炭、液體油、氣體。	在有限氧氣或水蒸氣下，高溫氣化廢棄物，主要產生合成氣 (Syngas, $CO+H_2$)。	在溫和的氧氣限制下（通常低於 5%），高溫加熱廢棄物，主要去除水分並改變其化學結構。
氧氣供應	充足 (理論氧氣量以上)	幾乎無氧 (0-5% O₂)	有限 (5-30% O₂ 或水蒸氣)	極低（通常 < 5% O₂）
反應溫度	高溫 (800-1200°C)	中高溫 (400-800°C)	高溫 (700-1500°C)	中溫 (200-400°C)
主要產物	- 氣體：$CO_2$, $H_2O$, $N_2$ 等<br>- 固體：灰渣 (Ash)<br>- 熱能 (可發電)	- 固體：炭 (Char)<br>- 液體：裂解油 (Pyrolysis oil)<br>- 氣體：合成氣 (Syngas)	- 氣體：合成氣 (Syngas, $CO+H_2$)<br>- 少量灰渣	- 固體：預處理過的生質炭 (Biochar) 或半焦<br>- 少量揮發性氣體
技術特色	- 技術成熟，應用廣泛<br>- 減容效果顯著<br>- 可回收熱能<br>- 需嚴格控制空污排放	- 產物多元，可作為化學品原料<br>- 能量回收潛力大<br>- 需處理多種產物	- 產物為氣體燃料，易於轉換<br>- 能量轉換效率高<br>- 適用範圍廣（從生質物到廢輪胎）	- 預處理步驟，提升後續處理效率<br>- 降低生質物運輸成本<br>- 產物性質改變（易燃、憎水）

好的，這題是關於都市污水處理的經典考題，核心觀念在於理解家庭污水的組成特性、標準的處理流程，以及各單元操作的原理與其產生的污泥。

五、都市污水處理流程與污泥特性

(1) 家庭污水的特性

家庭污水（或稱生活污水）主要來自於家庭日常活動，如烹飪、盥洗、洗衣、如廁等。其特性相較於工業廢水，通常污染物濃度變化較大，且受生活習慣影響顯著。主要的特性包含：

• 高有機物含量： 含有大量來自食物殘渣、排泄物、清潔劑中的碳水化合物、蛋白質、脂肪等，BOD (Biochemical Oxygen Demand) 和 COD (Chemical Oxygen Demand) 濃度較高。
• 懸浮固體 (TSS)： 含有食物殘渣、毛髮、織物纖維、糞便等，濃度通常在中等範圍。
• 氮、磷含量高： 主要來自尿液、糞便（氨氮、有機氮）及清潔劑（磷酸鹽），易造成水體優養化。
• 病原菌及寄生蟲： 來自人類和動物的排泄物，對公共衛生構成威脅。
• pH 值變動大： 受到清潔劑、食物殘渣等影響，pH 值可能在弱酸性至弱鹼性之間波動。
• 溫度變化： 通常接近環境溫度，但冬季洗熱水澡等可能使其略微升高。
• 溶解性物質： 含有大量的鹽類、清潔劑成分（界面活性劑）、藥物殘留等。

(2) 典型的都市污水處理流程

典型的都市污水處理廠流程可分為三個主要階段：初級處理、二級處理（生物處理）及三級處理（進一步處理，並非所有污水廠都有）。

• 前處理 (Pre-treatment)：

  • 攔污 (Screening)： 利用格柵（粗、細）攔截較大的固體雜物，如樹枝、塑膠袋、抹布等，保護後續設備。
  • 沉砂 (Grit Removal)： 利用重力沉澱去除比重較大的無機顆粒，如沙子、碎石、玻璃等，防止其在沉澱池中堆積並磨損設備。

• 初級處理 (Primary Treatment)：

  • 初級沉澱 (Primary Sedimentation)： 透過較長的停留時間，使污水中的懸浮固體（約 50-60%）和部分膠質有機物（約 25-35%）因重力作用沉澱，形成初級污泥。

• 二級處理 (Secondary Treatment)： 主要目的是去除溶解性及膠體狀的有機物，通常利用微生物的代謝作用。

  • 生物處理單元：
    • 活性污泥法 (Activated Sludge Process)： 在曝氣池中，將污水與富含微生物的活性污泥混合，提供充足的氧氣，使微生物分解有機污染物。
    • 生物濾池 (Trickling Filter)： 污水流過填滿濾料（如石塊、塑膠填充物）的濾池，濾料表面附著一層生物膜，生物膜中的微生物分解污水中的有機物。
    • 其他生物處理方法： 如旋轉生物接觸器 (RBC)、序批式反應器 (SBR) 等。
  • 二次沉澱 (Secondary Sedimentation)： 將生物處理後的混合液（污水與微生物）送入二次沉澱池，使微生物絮凝體沉澱，形成二次污泥（或稱生物污泥），上清液（處理後的水）則排放或進入三級處理。

• 三級處理 (Tertiary Treatment)： 針對特定污染物進行更進一步的去除，以達到更高的排放標準或回收利用。常見處理包括：

  • 消毒 (Disinfection)： 如加氯、紫外線 (UV) 照射、臭氧 (O3) 處理，殺滅水中的病原菌。
  • 營養鹽去除 (Nutrient Removal)： 如生物除磷、硝化/反硝化脫氮。
  • 過濾 (Filtration)： 如砂濾、微濾，去除殘餘懸浮物。
  • 活性碳吸附 (Activated Carbon Adsorption)： 去除殘餘的有機物、顏色、異味。

典型流程示意圖：

graph LR
    A[進流水] --> B(攔污)
    B --> C(沉砂)
    C --> D(初級沉澱池)
    D -- 初級污泥 --> J[污泥處理]
    D -- 初級處理水 --> E(生物處理池: 活性污泥法/生物濾池)
    E --> F(二次沉澱池)
    F -- 二次污泥 --> J
    F -- 處理水 --> G(三級處理: 消毒/過濾等)
    G --> H[放流水]

(3) 各處理單元之應用原理及其可能衍生之污泥種類與特性

處理單元	應用原理	可能衍生之污泥種類	污泥特性
攔污 (Screening)	物理攔截：利用柵欄的間隙，將大於間隙尺寸的固體物體物理性地阻擋下來。