115 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，總共佔 30% 分數，包含 (A) 至 (F) 六個名詞。每個名詞的解釋深度與完整度將影響分數。以下為各名詞的詳解：

(A) Leachate (滲濾液)：
滲濾液是指雨水或地表水滲入垃圾掩埋場或堆肥場等廢棄物堆中，與廢棄物發生物理、化學及生物作用後所產生之液體。其成分複雜，包含溶解的有機物、無機鹽類、重金屬、氨氮、以及各種病原體等。滲濾液具有高濃度、高污染性，若未經妥善處理而排放，將嚴重污染土壤與地下水。控制滲濾液的產生與收集處理是廢棄物掩埋場重要的環境課題。

(B) Biological oxygen demand (BOD) (生化需氧量)：
生化需氧量是指在特定溫度（通常為 20°C）與時間（通常為 5 天，記為 BOD5）下，水中微生物分解有機污染物時所需消耗的溶解氧量。BOD 是衡量水體有機污染程度的重要指標。BOD 值越高，表示水中可被微生物分解的有機物越多，代表水體受有機污染的程度越嚴重，也代表微生物分解時會消耗更多的溶解氧，可能導致水生生物缺氧死亡。

(C) Sludge retention time (SRT) (污泥停留時間)：
污泥停留時間（或稱固體停留時間，SRT）是指在生物處理系統中，單位微生物固體在系統內平均停留的時間。它是一個重要的操作參數，影響著系統處理效能、出水水質以及微生物族群的演替。SRT 的計算公式為：
$SRT = \frac{M}{Q_w X_w + Q_e X_e}$
其中：
$M$ 為系統中的總懸浮固體量 (kg)
$Q_w$ 為排泥量 (m³/d)
$X_w$ 為排泥中的懸浮固體濃度 (kg/m³)
$Q_e$ 為溢流（出水）量 (m³/d)
$X_e$ 為出水中的懸浮固體濃度 (kg/m³)
在活性污泥法中，較長的 SRT 有助於硝化作用的進行，並能培養出較穩定的微生物族群，提高對有機物的去除效率。

此題考驗對下水道中「冠狀腐蝕」（Crown Corrosion）機制的理解，需要繪製示意圖並包含相關的化學反應、條件及微生物。冠狀腐蝕是指下水道頂部（拱頂處）發生的腐蝕現象，與一般底部腐蝕不同，是較為特殊且嚴重的問題。

核心觀念： 冠狀腐蝕主要是由硫化物氧化產生的硫酸所引起，而此過程涉及厭氧菌與好氧菌的協同作用，以及硫化物氣體的釋放與凝結。

詳解與示意圖說明：

示意圖應包含以下要素：

1. 下水道結構： 描繪下水道的拱頂、側壁和底部。
2. 廢水層： 顯示下水道內流動的廢水，其底部可能存在厭氧或缺氧區。
3. 氣相空間： 描繪廢水上方、下水道頂部的氣體空間。
4. 微生物群落： 標示不同區域的微生物種類。
5. 腐蝕區域： 標示拱頂處的腐蝕點。

過程與反應：

1. 硫化物產生 (厭氧環境)： 在下水道底部的沉積物或廢水中，如果存在有機硫化物，在缺氧或厭氧條件下，硫酸鹽還原菌 (Sulfate-Reducing Bacteria, SRB)，如 Desulfovibrio spp.，會將硫酸鹽 ($SO_4^{2-}$) 還原成硫化物 ($H_2S$)：
   $SO_4^{2-} + 2CH_2O \xrightarrow{SRB} H_2S + 2HCO_3^-$
   (其中 $CH_2O$ 代表有機物作為電子供體)

2. 硫化氫氣體釋放： 產生的硫化氫 ($H_2S$) 是一種無色、有毒、易揮發的氣體，會從廢水中逸出，進入下水道的氣相空間。

3. 硫化物氧化 (好氧環境)： 在下水道的氣相空間，特別是潮濕的拱頂表面，存在著含硫的微生物，如硫氧化菌 (Sulfur-Oxidizing Bacteria, SOB)。這些細菌在有氧氣的條件下，會將逸出的硫化氫 ($H_2S$) 或其他硫化物氧化成亞硫酸 ($H_2SO_3$)，進一步氧化為硫酸 ($H_2SO_4$)。

此題考驗對燃煤電廠空氣污染物控制設備及其操作順序的理解。燃煤電廠會產生三種主要的空氣污染物：懸浮物（粉塵）、硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）。控制這些污染物的設備通常會按照特定的順序安裝，以達到最佳的處理效果並保護後續設備。

核心觀念： 控制設備的順序是基於污染物特性、設備功能以及對後續設備的保護考量。通常先移除固體顆粒物，再處理氣體污染物，且較敏感的設備會被安置在污染物濃度較低的下游。

典型控制設備順序與理由：

典型的控制設備順序通常是：
鍋爐 (Boiler) → 靜電集塵器 (Electrostatic Precipitator, ESP) / 袋式集塵器 (Baghouse Filter) → 煙氣脫硫設備 (Flue Gas Desulfurization, FGD) → 選擇性觸媒還原設備 (Selective Catalytic Reduction, SCR) 或 選擇性非觸媒還原設備 (Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)

理由說明：

1. 鍋爐 (Boiler)： 燃燒煤炭產生高溫煙氣，其中含有粉塵、SOx、NOx、CO2 等。

2. 靜電集塵器 (ESP) 或 袋式集塵器 (Baghouse Filter)：

   • 目的： 主要用於去除煙氣中的懸浮物（煤灰、飛灰）。ESP 利用靜電吸附原理，適用於處理大量煙氣和較細的顆粒物。袋式集塵器利用濾袋進行物理過濾，效率更高，尤其適合處理 PM2.5。
   • 為何在此位置： 粉塵顆粒物是固體，在煙氣進入其他氣體處理設備之前移除，有幾個重要原因：
     • 保護後續設備： 飛灰會堵塞或損壞 FGD 和 SCR/SNCR 設備中的觸媒或填料，降低其效率並增加維護成本。ESP/Baghouse 能有效降低煙氣中的粉塵負荷。
     • 提高 FGD/SCR 效率： 粉塵會吸附 SOx 和 NOx，移除粉塵可以讓 FGD 和 SCR/SNCR 更有效地處理目標氣體污染物。
     • 煤灰回收： 收集到的飛灰本身可能具有商業價值，可以作為水泥添加劑等。

此題考驗對逆滲透 (Reverse Osmosis, RO) 系統操作原理及相關參數計算的理解。題目給定了進流水量、進水鹽度、水回收率以及鹽截留率，要求繪製示意圖、描述原理，並計算純水流量、濃水流量及其鹽濃度。

核心觀念： 逆滲透是利用壓力克服水的滲透壓，使水分子通過半透膜，而將鹽分和其他溶質截留，從而達到脫鹽的目的。

(a) 逆滲透 (RO) 的基本原理與示意圖 (6%)

示意圖應包含：

1. 進水 (Feed)： 標示進流水流量 ($Q_f$) 和鹽濃度 ($C_f$)。
2. 半透膜 (Semi-permeable membrane)： 這是 RO 系統的核心部件，只允許水分子通過。
3. 壓力源 (High Pressure Pump)： 提供足夠的壓力（高於滲透壓）驅動水分子從高鹽度側向低鹽度側移動。
4. 純水 (Permeate)： 標示產生的純水流量 ($Q_p$) 和鹽濃度 ($C_p$)。
5. 濃水 (Brine/Concentrate)： 標示未被透出的濃水流量 ($Q_s$) 和鹽濃度 ($C_b$)。
6. 箭頭指示： 表示水分子通過膜，鹽分被截留。

基本原理描述：
逆滲透是一種利用半透膜的分離技術。當一個半透膜（僅允許溶劑，如水分子通過，但阻止溶質，如鹽分子通過）將兩種不同濃度的溶液隔開時，溶劑會自發地從低濃度溶液向高濃度溶液移動，這種現象稱為滲透。為了克服滲透壓並使水從高濃度溶液（如海水）移動到低濃度溶液（如淡水），需要施加一個大於滲透壓的壓力到高濃度溶液側。在 RO 系統中，高壓泵提供足夠的壓力，迫使水分子通過 RO 膜，而鹽分和其他較大的分子則被膜截留，從而產生純水（滲透水）和濃縮的廢液（濃水）。

(b) 純水流量 ($Q_p$) 和其鹽濃度 ($C_p$) 的計算 (7%)

已知條件：

• 進流水流量 ($Q_f$) = 100 m³/hr
• 進水鹽度 ($C_f$) = 35,000 mg/L
• 水回收率 (Recovery Rate, RR) = 40% = 0.4
• 鹽截留率 (Salt Rejection, $R$) = 99% = 0.99

水回收率的定義：
水回收率是指產生的純水流量佔進流水流量的比例。
$RR = \frac{Q_p}{Q_f}$

計算純水流量 ($Q_p$)：
$Q_p = RR \times Q_f = 0.4 \times 100 \, m^3/hr = 40 \, m^3/hr$

純水鹽濃度 ($C_p$)：
RO 膜的鹽截留率 (R) 定義為：
$R = \frac{C_f - C_{permeate}}{C_f}$
其中 $C_{permeate}$ 是滲透水的鹽濃度，即 $C_p$。
$R = \frac{C_f - C_p}{C_f}$
題目給定的鹽截留率是 99%，這通常是指對進水鹽度而言。
$0.99 = \frac{35,000 \, mg/L - C_p}{35,000 \, mg/L}$
$0.99 \times 35,000 = 35,000 - C_p$
$34,650 = 35,000 - C_p$
$C_p = 35,000 - 34,650 = 350 \, mg/L$
注意： 題目敘述「水回收率的 40% (meaning 40% of the water is pure)」和「鹽移除率 99%」的措辭可能引起混淆。通常，水回收率是指產生的純水佔進水量的比例。鹽截留率 99% 是指進入系統的鹽分有 99% 被截留下來，而只有 1% 進入了純水。因此，純水的鹽濃度應該是進水鹽度的 1%。

此題考驗對重金屬化學沉澱原理、溶度積 (Ksp) 計算，以及毒性特性溶出程序 (TCLP) 的理解。題目中給定了重金屬的初始濃度、目標殘留濃度、沉澱劑、沉澱物的溶度積和金屬的原子量，並要求計算所需氫氧離子濃度，以及描述 TCLP 測試的原理。

核心觀念：

1. 化學沉澱： 利用化學反應使溶解狀態的重金屬轉化為不溶性的固體沉澱物，以便於從水中分離。
2. 溶度積 (Ksp)： 難溶性鹽類在飽和溶液中的離子濃度乘積，是一個常數，用於判斷沉澱是否生成或溶解。
3. TCLP 測試： 美國環保署 (EPA) 制定的測試方法，用於模擬廢棄物在特定條件下的溶出行為，以判斷其是否為有害廢棄物。

(a) 計算所需氫氧離子濃度 [OH-] (10%)

已知條件：

• 初始 $Cd^{2+}$ 濃度 = 35 mg/L
• 目標殘留 $Cd^{2+}$ 濃度 = 0.1 mg/L
• 沉澱物：$Cd(OH)_2(s)$
• 溶度積：$K_{sp} = [Cd^{2+}][OH^-]^2 = 2.5 \times 10^{-14}$
• Cd 原子量 = 112.5 g/mol

步驟：

1. 轉換單位： 將目標殘留 $Cd^{2+}$ 濃度從 mg/L 轉換為 mol/L。
   首先，將 mg/L 轉換為 g/L：
   目標殘留 $Cd^{2+}$ 濃度 = $0.1 \, mg/L = 0.1 \times 10^{-3} \, g/L = 1 \times 10^{-4} \, g/L$
   接著，將 g/L 轉換為 mol/L：
   $[Cd^{2+}]_{residual} = \frac{1 \times 10^{-4} \, g/L}{112.5 \, g/mol} \approx 8.89 \times 10^{-7} \, mol/L$

2. 應用溶度積 (Ksp) 公式：
   沉澱反應為：$Cd(OH)_2(s) \rightleftharpoons Cd^{2+} + 2OH^-$
   其溶度積為：$K_{sp} = [Cd^{2+}][OH^-]^2$
   我們已知 $K_{sp}$ 和目標殘留的 $[Cd^{2+}]_ {residual}$，可以計算出所需的 $[OH^-]$。
   $2.5 \times 10^{-14} = (8.89 \times 10^{-7} \, mol/L) \times [OH^-]^2$
   $[OH^-]^2 = \frac{2.5 \times 10^{-14}}{8.89 \times 10^{-7}}$
   $[OH^-]^2 \approx 2.81 \times 10^{-8} \, (mol/L)^2$
   $[OH^-] = \sqrt{2.81 \times 10^{-8}} \, mol/L \approx 1.68 \times 10^{-4} \, mol/L$

3. 確認沉澱劑： 題目提到使用 $Ca(OH)_2$ 作為鹼性劑。$Ca(OH)_2$ 在水中會解離出 $Ca^{2+}$ 和 $OH^-$。所以，要達到目標的 $[OH^-]$ 濃度，需要加入足夠量的 $Ca(OH)_2$。