111 年 國立中央大學環境工程研究所乙組《環境工程概論》

此題為名詞解釋題，需分別闡述五個環境工程領域的專有名詞。

(A) Solid recovered fuel (SRF)：
SRF 是指將廢棄物（如都市固體廢棄物、工業廢棄物、農業廢棄物等）經過適當處理（如分類、破碎、乾燥、壓縮等）後，使其具有足夠的熱值，能夠作為燃料使用。其目的是從廢棄物中回收能量，減少對原生化石燃料的依賴，並降低廢棄物處理量。SRF 的品質標準（如熱值、灰分、氯含量、水分等）會影響其適用性及燃燒設備。
【答案】固體回收燃料，指將廢棄物處理後用作燃料。

(B) Sustainable Development Goals (SDGs)：
SDGs，即永續發展目標，是由聯合國於 2015 年制定，旨在為全球發展設定一套共同的目標和願景。SDGs 包含 17 個目標和 169 個具體指標，涵蓋了經濟、社會和環境三個面向，目標是到 2030 年達成消除貧困、保護地球、確保所有人享有和平與繁榮。其中許多目標與環境工程息息相關，例如目標 6 (清潔飲水和衛生設施)、目標 7 (經濟適用的清潔能源)、目標 11 (永續城市和社區)、目標 12 (責任消費和生產)、目標 13 (氣候行動)、目標 14 (水下生物) 和目標 15 (陸地生物)。
【答案】永續發展目標，聯合國為解決全球發展問題訂定的 17 個目標。

此題要求繪製污水管線「冠狀腐蝕」的示意圖並加以解釋。

【題旨】冠狀腐蝕 (Crown Corrosion) 是指在污水管線上部，尤其是在管頂處發生的腐蝕現象。這種腐蝕主要與硫化物氧化後產生的硫酸有關。

【示意圖說明】
示意圖應包含以下幾個要素：

1. 污水管線 (Sewer Pipe)：顯示管線的橫截面，包含管壁。
2. 污水液面 (Wastewater Level)：標示污水在管內的液面高度。
3. 管上方空間 (Pipe Crown Area)：顯示管頂（管線最高處）的空間，此處通常充滿濕氣和氣體。
4. 生物膜/沉積物 (Biofilm/Deposit)：在管壁內側，特別是管頂附近，可能附著一層生物膜或沉積物。
5. 硫化物氧化菌 (Sulfide-oxidizing Bacteria)：標示在生物膜中的細菌，它們是腐蝕的關鍵。
6. 腐蝕產物 (Corrosion Products)：顯示硫酸 ($H_2SO_4$) 侵蝕管壁的示意。

【示意圖繪製】
（請想像以下圖示，實際作答時需手繪）

graph TD
    A[管線上方空間] --> B(濕氣與氣體)
    B --> C{硫化物氧化菌}
    C -- 氧化 H₂S --> D(形成 H₂SO₄)
    D -- 侵蝕 --> E[管壁]
    E --> F(管壁損壞)

    subgraph 污水管線
        G[污水液面]
        H[管壁]
    end

    G --> H
    A -- 濕氣與氣體 --> C

此題考驗空氣污染控制裝置的效率計算，包含污染物排放濃度、處理量與收集效率的計算。

核心觀念：

• 排放濃度 (Emission Concentration)：單位體積空氣中所含污染物的質量。
• 處理量 (Removal Rate/Mass Flow Rate)：單位時間內被移除的污染物質量。
• 收集效率 (Collection Efficiency/Recovery)：被移除的污染物質量佔總排放污染物質量的百分比。

已知條件：

• 進流水氣濃度 (Inlet Concentration, $C_{in}$) = 125,000 µg/m³
• 空氣流量 (Air Flow Rate, $Q$) = 180 m³/s
• 每日移除量 (Daily Removal Mass, $M_{removed}$) = 0.48 metric ton/day

計算步驟：

1. 計算每日總排放量 (Total Daily Emission Mass, $M_{total}$)
首先，我們需要計算每日總共排放多少污染物。

• 將進流水氣濃度從 µg/m³ 轉換為 g/m³ 或 kg/m³ 以便計算。
  $C_{in} = 125,000 \text{ µg/m³} = 125 \text{ mg/m³} = 0.125 \text{ g/m³}$
• 計算每秒排放的質量：
  質量流率 (Mass flow rate) = 濃度 × 流量
  $m_{in}/s = C_{in} \times Q = 0.125 \text{ g/m³} \times 180 \text{ m³/s} = 22.5 \text{ g/s}$
• 將每秒質量流率轉換為每日質量流率 (metric ton/day)。
  1 metric ton = 1000 kg = 1,000,000 g
  1 day = 24 hours × 60 minutes/hour × 60 seconds/minute = 86,400 seconds
  $M_{total} = (22.5 \text{ g/s}) \times (86,400 \text{ s/day}) = 1,944,000 \text{ g/day}$
  將 g 轉換為 metric ton：
  $M_{total} = 1,944,000 \text{ g/day} / (1,000,000 \text{ g/metric ton}) = 1.944 \text{ metric ton/day}$

2. 計算收集效率 (Collection Recovery)
收集效率是指被移除的污染物質量佔總排放污染物質量的百分比。
收集效率 (Recovery, $\eta$) = (被移除的質量 / 總排放質量) × 100%
$\eta = (M_{removed} / M_{total}) \times 100\%$

此題要求闡述「淨零排放」的概念。

核心觀念：
淨零排放（Net Zero Emissions）是指在特定時間點，人為活動所產生的溫室氣體淨排放量為零。這並不代表完全不排放溫室氣體，而是指將剩餘的、難以減排的溫室氣體，透過植樹造林、碳捕捉與封存 (Carbon Capture and Storage, CCS) 等負排放技術 (Negative Emission Technologies, NETs) 來抵銷，使得總體排放量與移除量達到平衡。

詳細解釋：

1. 溫室氣體 (Greenhouse Gases, GHGs)：淨零排放主要針對的是人為活動排放的溫室氣體，包括二氧化碳 ($CO_2$)、甲烷 ($CH_4$)、氧化亞氮 ($N_2O$)、氟化氣體等。
2. 人為排放 (Anthropogenic Emissions)：指由人類活動直接或間接造成的溫室氣體排放，例如燃燒化石燃料、工業製程、農業活動、土地利用改變、廢棄物處理等。
3. 碳匯/碳移除 (Carbon Sinks/Carbon Removal)：指能夠從大氣中吸收或移除溫室氣體的自然或人為過程。常見的碳匯包括森林、海洋、土壤等。人為的負排放技術則包括：

此題考驗對污水處理生物硝化反硝化過程的理解，特別是 MLE 工藝的原理。

核心觀念：
MLE (Modified Ludzack-Ettinger) 工藝是一種常見的污水處理方法，用於同時去除氨氮 (Ammonia Nitrogen) 和總氮 (Total Nitrogen)。其核心原理是利用硝化作用 (Nitrification) 將氨氮轉化為硝酸鹽氮 (Nitrate Nitrogen)，再透過反硝化作用 (Denitrification) 將硝酸鹽氮轉化為氮氣 ($N_2$) 釋放到大氣中。

1. MLE 工藝示意圖 (Schematic Diagram of MLE Method)

（請想像以下圖示，實際作答時需手繪）

graph LR
    A[進流水] --> B{缺氧池 (Anoxic Tank)}
    B -- 混合液回流 --> B
    B -- 污泥回流 --> C{好氧池 (Aerobic Tank)}
    C -- 混合液回流 --> B
    C -- 活性污泥 --> D[二沉池 (Secondary Clarifier)]
    D -- 回流污泥 --> B
    D -- 剩餘污泥 --> E[污泥處理]
    D -- 出流水 --> F(處理水)

    subgraph 缺氧池 (Anoxic Tank)
        B1[硝酸鹽氮]
        B2[有機物]
        B3[反硝化菌]
    end

    subgraph 好氧池 (Aerobic Tank)
        C1[氨氮]
        C2[氧氣]
        C3[硝化菌]
    end

    B --> B1
    C --> C1
    B1 -- 經回流泵 --> B
    C1 -- 經回流泵 --> C
    B -- 混合液 --> C
    C -- 混合液 --> B

    %% 說明
    note right of B: 硝酸鹽氮在此轉化為氮氣 ($N_2$)
    note right of C: 氨氮在此轉化為硝酸鹽氮

圖示說明：

• 進流水 (Influent)：含有氨氮和有機物的污水進入系統。
• 缺氧池 (Anoxic Tank)：在此池中，反硝化菌利用污水中的有機物作為碳源，將從好氧池回流過來的硝酸鹽氮還原成氮氣 ($N_2$)。此處需要有回流液，通常是從二沉池來的硝化液（富含硝酸鹽）。
• 好氧池 (Aerobic Tank)：在此池中，硝化菌在有氧條件下，將污水中的氨氮氧化成硝酸鹽氮。此處需要曝氣提供氧氣。
• 混合液回流 (Internal Recycle)：從好氧池來的硝酸鹽氮豐富的混合液（或稱為硝化液）被回流到缺氧池，以提供反硝化作用所需的硝酸鹽。
• 污泥回流 (Sludge Recycle)：從二沉池來的活性污泥被回流到缺氧池，以維持缺氧池中反硝化菌的濃度。
• 二沉池 (Secondary Clarifier)：在此處，活性污泥與處理水分離。

此題考驗對固體廢棄物常見熱處理技術的理解，包括焚化、熱裂解和氣化，以及它們的應用。

核心觀念：
這三種技術都是利用高溫將固體廢棄物轉化為較穩定或有價值的產物，但它們的反應條件（氧氣供應量）和產物有所不同。

1. 焚化 (Incineration)

• 定義：焚化是一種在充足氧氣供應下，將固體廢棄物在高溫（通常 850°C 以上）下進行完全燃燒的過程。其主要目的是大幅減少廢棄物的體積和質量，並殺滅病原體。
• 反應：
  $Waste + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + Ash + Energy$
  焚化過程會產生大量的熱能，可以回收利用。
• 主要產物：
  • 氣體產物 (Flue Gas)：含有 $CO_2$、$H_2O$、氮氧化物 ($NO_x$)、硫氧化物 ($SO_x$)、氯化氫 (HCl)、戴奧辛 (Dioxins) 等污染物，需要經過嚴格的煙氣淨化處理。
  • 固體產物 (Ash)：包括底渣 (Bottom Ash) 和飛灰 (Fly Ash)。飛灰含有較高的有害物質，需要妥善處理。
  • 熱能 (Energy)：可透過鍋爐產生蒸汽，進而發電（Waste-to-Energy, WTE）。
• 應用：
  • 大規模處理都市固體廢棄物 (MSW)：減少掩埋量，同時回收能源。
  • 處理醫療廢棄物、工業廢棄物：殺滅病原體，降低危險性。
  • 作為能源回收設施：發電或供熱。

2. 熱裂解 (Pyrolysis)

• 定義：熱裂解是在極少量或無氧氣的條件下，將固體廢棄物在高溫（通常 300°C - 700°C）下進行分解的過程。它是一種熱化學轉化，而非燃燒。
• 反應：
  $Waste \xrightarrow{Heat, No O_2} Gas + Liquid (Oil/Tar) + Solid (Char)$
  分解產物與廢棄物的成分和裂解溫度密切相關。
• 主要產物：
  • 氣體 (Syngas/Pyrolysis Gas)：主要成分為 $H_2$、$CO$、$CH_4$、$CO_2$、$N_2$ 等。可作為燃料氣體，或進一步處理生產化學品。
  • 液體 (Bio-oil/Tar)：由各種有機化合物組成，可作為燃料油或提煉化學品。
  • 固體 (Char/Biochar)：富含碳，可用作燃料、土壤改良劑（生物炭）、吸附劑等。
• 應用：
  • 生產生物燃料和化學品：從生質廢棄物（如農業廢棄物、木質廢棄物）生產生物油和生物炭。
  • 處理特定工業廢棄物：如廢輪胎、塑膠廢棄物，轉化為有價值的產物。
  • 廢棄物資源化：將廢棄物轉化為可再利用的能源和材料。

3. 氣化 (Gasification)

• 定義：氣化是在高溫（通常 700°C 以上）和受控的、有限的氧化劑（如空氣、氧氣、蒸汽）供應下，將固體廢棄物轉化為合成氣 (Syngas) 的過程。其目的主要是生產合成氣，而不是燃燒。
• 反應：
  氣化是一個複雜的過程，包含多個反應，如熱解、氧化、還原、水煤氣反應等。
  $Waste + Limited O_2 \rightarrow CO + H_2 + CO_2 + H_2O + CH_4 + Ash$
  若使用蒸汽作為氣化劑：