114 年 國立中央大學環境工程研究所乙組《環境工程概論》

本題為名詞解釋題，共包含五個小題，分別為：總凱氏氮 (TKN)、主要空氣污染物、碳匯、總腸桿菌群 (Coliform)，以及選擇性觸媒還原 (SCR)。這些都是環境工程領域中常見且重要的名詞。作答時需針對每個名詞，從其定義、組成、來源、影響、測量或處理方法等方面詳述，以爭取分數。

(A) 總凱氏氮 (Total Kjeldahl nitrogen, TKN)：
TKN 是水中總含氮量的一種測量指標，包含了有機氮和氨氮 (NH$_3$-N)。它不包含硝酸氮 (NO$_3$-N) 和亞硝酸氮 (NO$_2$-N)。TKN 的測量方法是將水樣在強鹼性條件下，以硫酸消化，將有機氮轉化為氨氮，再與原有的氨氮一起被蒸餾、滴定或比色定量。TKN 在水體中是重要的營養鹽，過高會導致優養化；在廢水處理中，TKN 的去除是關鍵步驟之一，通常透過生物硝化作用 (將氨氮轉為硝酸氮) 及脫氮作用 (將硝酸氮轉為氮氣) 來達成。

(B) 主要空氣污染物 (Primary air pollutants)：
主要空氣污染物是指由人類活動或自然過程直接排放到大氣中的有害物質。它們是空氣污染的直接來源。常見的主要空氣污染物包括：

1. 二氧化硫 (SO$_2$)：主要來自化石燃料 (如煤、石油) 的燃燒，特別是含硫燃料。
2. 氮氧化物 (NO$_x$)：主要來自高溫燃燒過程，如汽車引擎和發電廠。
3. 懸浮微粒 (Particulate Matter, PM)：包括塵埃、煙霧、煤灰等，來源廣泛，如工業製程、建築工地、交通工具排放等。
4. 一氧化碳 (CO)：主要來自燃料不完全燃燒，如汽車尾氣、森林火災。
5. 揮發性有機物 (VOCs)：來自溶劑、燃料、工業製程、汽車排放等。
6. 鉛 (Pb)：曾是汽油添加劑，現多來自工業製程。
   這些污染物會對人體健康、生態系統和建築物造成危害。

(C) 碳匯 (Carbon sink)：
碳匯是指能夠從大氣中吸收二氧化碳 (CO$_2$) 並將其儲存起來的系統或物質。碳匯的存在有助於減緩大氣中 CO$_2$ 濃度的上升，進而緩解全球暖化。主要的碳匯包括：

1. 森林：樹木透過光合作用吸收 CO$_2$，將碳儲存在生物質 (樹幹、樹葉、根部) 和土壤中。
2. 海洋：海洋吸收大量 CO$_2$，溶解在水中，並被海洋生物利用，最終沉入海底。
3. 土壤：土壤中的有機質含有大量碳。

本題探討水資源的再利用，包含飲用水處理、生活污水處理以及工業用水的再生水製備。題組共有三個小題，分別要求繪製飲用水處理流程圖並說明各單元功能、生活污水處理流程圖並說明各單元功能，以及用於工業用途的再生水製備流程圖並說明各單元功能。

(A) 飲用水處理流程圖與單元功能 (10%)
飲用水處理的目標是去除水中對人體健康有害的污染物，使其符合飲用水水質標準。典型的處理流程包含以下單元：

飲用水處理流程示意圖
原水 $\rightarrow$ 攔污 $\rightarrow$ 混凝 $\rightarrow$ 沉澱 $\rightarrow$ 濾過 $\rightarrow$ 消毒 $\rightarrow$ 淨水 (送水)

1. 攔污 (Screening)：

   • 功能：去除水中較大的懸浮物，如樹枝、樹葉、塑膠袋等，保護後續設備免受損壞，並減少處理負荷。
   • 說明：通常使用格柵 (粗細不同) 或濾網。

2. 混凝 (Coagulation)：

   • 功能：加入混凝劑 (如硫酸鋁 Al$_2$(SO$_4$)$_3$、氯化鐵 FeCl$_3$)，使水中膠羽 (colloids) 和細小懸浮物的表面電荷被中和，使其失去穩定性，並開始聚集形成較大的顆粒 (floc)。
   • 說明：混凝劑在水中會水解產生帶正電的離子，與帶負電的膠羽粒子作用。

3. 沉澱 (Sedimentation)：

   • 功能：利用重力作用，使混凝後形成的較大顆粒 (floc) 在沉澱池中沉降到底部，與水體分離，以去除大部分的懸浮固體。
   • 說明：分為平流沉澱、累進沉澱、斜板沉澱等。

4. 濾過 (Filtration)：

   • 功能：通過濾層 (如砂、無煙煤等) 過濾，進一步去除水中殘餘的懸浮固體、膠羽以及部分微生物，使水質更加清澈。
   • 說明：常見的有快濾池、慢濾池、斜板濾池等。

5. 消毒 (Disinfection)：

   • 功能：殺滅水中殘餘的細菌、病毒等病原微生物，確保飲用水的衛生安全。
   • 說明：常用方法有氯消毒 (加氯)、臭氧消毒、紫外線 (UV) 消毒等。氯消毒的優點是具有殘效，可防止管網二次污染。

6. 淨水 (送水)：

   • 功能：處理後的水儲存於水塔或水庫，再透過管線送至用戶。

(B) 生活污水處理流程圖與單元功能 (10%)
生活污水處理的目標是去除污水中的有機物、懸浮固體、氮、磷等污染物，使其排放達到環保標準，保護水體環境。典型的二級處理流程包含以下單元：

生活污水處理流程示意圖
污水 $\rightarrow$ 攔污 $\rightarrow$ 格柵 $\rightarrow$ 沉砂 $\rightarrow$ 初沉 $\rightarrow$ 生物處理 (活性污泥法/生物膜法) $\rightarrow$ 二沉 $\rightarrow$ 消毒 (選配) $\rightarrow$ 放流水

1. 攔污與格柵 (Screening & Grit Removal)：

   • 功能：去除污水中的較大懸浮物 (如布、紙屑、塑膠等) 和較重的無機顆粒 (如砂石、卵石)，以保護後續設備。
   • 說明：格柵分為粗格柵和細格柵。沉砂池用於去除砂粒。

2. 初沉 (Primary Sedimentation)：

   • 功能：通過重力沉降，去除污水中較大的懸浮固體和部分油脂。
   • 說明：初沉池可以去除約 30-40% 的 BOD 和 50-60% 的懸浮固體。

3. 生物處理 (Biological Treatment)：

   • 功能：利用微生物 (好氧或厭氧) 分解污水中的可溶性有機物 (BOD) 和部分膠羽。
   • 說明：
     • 活性污泥法 (Activated Sludge Process)：將污水與曝氣後的活性污泥混合，在曝氣池中進行好氧分解。隨後在二沉池中分離污泥和處理水。
     • 生物膜法 (Biofilm Process)：如生物濾池、旋轉生物接觸器等，微生物附著在固體介質表面形成生物膜，污水流過時被處理。

核心觀念

本題考穩態混合的質量平衡：溶解性固體的流入質量率，等於流出質量率。溶質質量率為流量乘以濃度：

圖中兩股水在人孔 1 混合後流向人孔 2，且兩個人孔之間沒有其他支流，因此人孔 2 的流量與濃度就是混合後的流量與濃度。

解題方法

設污水流量為 $Q_A$，其溶解性固體濃度為 $50\ \text{mg/L}$；加入的人孔 1 支流量為 $Q_B=100\ \text{L/min}$。

將支流的「20% 溶解性固體」換算為濃度，假設百分比為質量／體積百分比，則：

混合後總流量為：

本題要求描述四種主要空氣污染物：二氧化硫 (SO$_2$)、懸浮微粒 (PM)、一氧化碳 (CO) 和二氧化氮 (NO$_2$) 的來源與特性。

核心觀念：
空氣污染物的來源、物理化學特性、對人體及環境的影響。

詳細說明：

1. 二氧化硫 (Sulfur Dioxide, SO$_2$)

• 來源 (Sources)：
  • 人為來源：
    • 燃燒含硫化石燃料：這是 SO$_2$ 最主要的來源，特別是燃燒煤炭和石油的火力發電廠、工業鍋爐、煉鋼廠、水泥窯等。煤炭中的硫含量可達 0.5% 至 5% 或更高。
    • 工業製程：如硫酸製造、煉油、冶煉硫化物礦石等。
  • 自然來源：
    • 火山爆發：火山噴發會釋放出大量的 SO$_2$。
    • 森林火災。
    • 海洋生物釋放。
• 特性 (Characteristics)：
  • 物理性質：無色、有刺激性氣味的氣體，比空氣重。在低溫下可液化。
  • 化學性質：是一種還原劑，容易被氧化成三氧化硫 (SO$_3$)。SO$_3$ 再與水反應生成硫酸 (H$_2$SO$_4$)，是酸雨的主要成分之一。
  • 在大氣中的轉化：SO$_2$ 在大氣中可透過氣相反應 (與羥基自由基 OH) 或液相反應 (在水滴中，有催化劑如金屬離子時更快) 被氧化成 SO$_3$，進而形成硫酸霧。
  • 對人體影響：刺激呼吸道，引起支氣管炎、哮喘等症狀，尤其對兒童和老年人影響較大。
  • 對環境影響：造成酸雨，損害植被、建築物、金屬材料，改變土壤和水體 pH 值。

2. 懸浮微粒 (Suspended Particulates, PM)

• 來源 (Sources)：
  • 人為來源：
    • 燃燒過程：煤炭、石油、木材、垃圾的不完全燃燒，如汽車尾氣、工業鍋爐、餐飲業油煙。
    • 工業製程：粉塵、飛灰、煙塵，如水泥製造、建築拆除、礦石開採與處理、金屬加工。
    • 交通揚塵：道路揚塵、輪胎磨損、剎車皮磨損。
  • 自然來源：
    • 風力揚塵：土壤、沙塵暴。
    • 火山灰。
    • 海鹽顆粒。
    • 花粉、孢子。
• 特性 (Characteristics)：
  • 物理性質：指懸浮在大氣中的各種固體或液體顆粒物，粒徑範圍廣泛 (從奈米級到數百微米)。
  • 分類：
    • 總懸浮微粒 (TSP)：指粒徑小於 100 微米的顆粒物。
    • 細懸浮微粒 (PM$_{10}$)：指粒徑小於等於 10 微米的顆粒物 (可吸入性顆粒物)。
    • 極細懸浮微粒 (PM$_{2.5}$)：指粒徑小於等於 2.5 微米的顆粒物 (會深入肺部)。
  • 成分：成分複雜，可能包含有機物、無機物 (如碳、金屬氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物等)。
  • 對人體影響：PM$_{10}$ 可沉積在上呼吸道，PM$_{2.5}$ 可深入肺泡，引起呼吸系統疾病 (如氣喘、支氣管炎)、心血管疾病，甚至影響肺功能發育。
  • 對環境影響：降低能見度 (霧霾)，附著在物體表面造成污染，影響植物生長。

本題共包含兩個小題，分別關於台灣廢棄物分類與三種常見的固體廢棄物熱處理方法。

(1) 台灣廢棄物分類 (依據廢棄物清理法) (7%)

根據台灣《廢棄物清理法》及其相關子法規，廢棄物主要可分為以下幾類：

• 一般廢棄物 (General Wastes)：

  • 一般家庭產生者：指一般家庭日常生活所產生的廢棄物，包括廚餘、紙張、塑膠、玻璃、金屬、紡織品、廢輪胎、廢電池、廢日光燈管、過期藥品、廢光碟片、廢燈泡等。
    • 分類回收：為促進資源回收再利用，這些廢棄物會進一步細分為資源物 (如紙類、塑膠類、玻璃類、金屬類、輪胎、電池、燈管、光碟片、燈泡等) 和一般垃圾 (需焚化處理)。
    • 廚餘：依據環保署規定，廚餘分為生廚餘 (未經烹煮) 和熟廚餘 (經烹煮)，主要作為堆肥或飼料。
  • 一般事業產生者：指一般工商廠、公司、商號、辦公室、農林漁牧業、水電燃氣業、大眾傳播業、旅館業、餐飲業、醫療機構、學術研究機構、政府機關等，在營運過程中，所產生的廢棄物，但非有害事業廢棄物。例如：一般包裝材料、辦公室廢紙、一般營建工程產生的少量廢棄物 (不含營建混合物)。

• 有害事業廢棄物 (Hazardous Industrial Wastes)：

  • 指事業產生的廢棄物中，具有毒性、易燃性、腐蝕性、反應性、感染性等特性，對人體健康或環境有危害者。
  • 分類：
    • 毒性特性：如重金屬 (鉛、鎘、汞等)、有機溶劑、農藥殘留物。
    • 感染性特性：如醫療廢棄物 (針頭、敷料、血液等)。
    • 其他特性：如廢酸、廢鹼、廢油、廢溶劑、含特定化學物質的廢棄物。
  • 管理：有害事業廢棄物需有嚴格的申報、貯存、處理、再利用及運輸規定，通常需要委託合格的處理業者進行處理。

• 一般建築混合物 (Construction and Demolition Waste, C&D Waste)：

  • 指從建築物、道路、橋梁、機場、鐵路等新建、改建、拆除、整修工程所產生的廢棄物。
  • 組成：主要包含混凝土塊、磚瓦、泥土、砂石、鋼筋、木材、玻璃、塑膠等。
  • 處理：通常會進行分類、破碎、篩選，部分可回收再利用 (如混凝土、磚瓦作為級配料)，剩餘部分則需送至掩埋場處理。

• 醫療廢棄物 (Medical Waste)：

  • 指醫療機構、醫事檢驗所、藥局等，在診斷、治療、護理、防疫、研究等活動中所產生的廢棄物。
  • 特性：常具有感染性、銳器性、病理性、藥物性、化學性等。
  • 處理：通常需要經過高溫滅菌 (如高壓滅菌、焚化) 後，再依廢棄物性質進行處理。

總結：
台灣的廢棄物分類體系，是基於廢棄物的來源 (家庭、事業、建築、醫療) 和其危害性 (一般、有害) 來劃分。其中，一般廢棄物強調源頭減量與回收再利用；有害事業廢棄物則有嚴格的管理與處理要求。

(2) 固體廢棄物熱處理方法：焚化、熱解、氣化 (8%)

熱處理是將固體廢棄物在高溫下進行化學轉化，以減容、減量、無害化，並可能回收能量或資源的方法。常見的三種熱處理方法如下：

a. 焚化 (Incineration)

• 定義：在充足的氧氣供應下，高溫燃燒廢棄物，使其轉化為灰渣、煙氣和熱能。
• 過程：廢棄物在焚化爐中被加熱至 800°C 至 1100°C 以上，有機物與氧氣反應，產生 CO$_2$、H$_2$O、灰渣及少量未完全燃燒的產物。
• 優點：
  • 減容減量效果顯著：可大幅減少廢棄物的體積和重量 (減容率可達 80-90%)。
  • 可回收能量：產生的熱能可發電 (垃圾發電)，符合能源回收趨勢。
  • 無害化：高溫可殺滅病原菌，分解有害物質。
• 缺點：