108 年 國立中山大學環境工程研究所乙組《環境工程概論》

本題主要在測試學生對於溫室效應氣體的認知。溫室效應是指大氣層中的溫室氣體吸收並再輻射地球表面發出的長波輻射，從而使地球表面溫度升高的現象。主要的溫室氣體包括水蒸氣 ($H_2O$)、二氧化碳 ($CO_2$)、甲烷 ($CH_4$)、氧化亞氮 ($N_2O$)、氟氯碳化物 (CFCs) 等。其中，二氧化碳和甲烷是人類活動（如燃燒化石燃料、農業活動、工業製程等）最主要的兩種溫室氣體排放來源，對增強溫室效應的貢獻最大。水蒸氣雖然是含量最多的溫室氣體，但其濃度主要受溫度影響，相對較少受人類直接排放控制。

本題考驗學生對於重金屬污染土壤修復技術的選擇。重金屬污染土壤的特點是重金屬在環境中不易降解，且其毒性會對生態系統和人體健康造成長期危害。因此，修復技術的選擇需要針對重金屬的特性。

各選項技術分析：
(A) 土壤蒸氣抽離 (Soil-vapor extraction, SVE)：主要用於去除土壤中的揮發性有機物 (VOCs)，對於非揮發性的重金屬無效。
(B) 固化/穩定化 (Solidification/Stabilization, S/S)：此技術是將污染物質與固化劑（如水泥、飛灰、石灰等）混合，形成穩定、低滲透性的固體基質，以降低重金屬的溶解度、遷移性及生物可用性。

核心觀念

本題考查工業煙道中硫氧化物，尤其是二氧化硫（$SO_2$）的控制方法。

$SO_2$ 屬於氣態污染物，主要來自煤炭、重油等含硫燃料燃燒：

控制氣態污染物常利用吸收、吸附、冷凝或化學反應等方法。其中，濕式洗滌器以水或鹼性溶液與煙氣接觸，使$SO_2$溶入液相，並進一步被中和固定：

若使用石灰水或石灰石漿液，則可發生中和反應：

因此，噴水設備可透過氣液接觸降低煙道氣中的$SO_2$濃度；實務上通常使用具鹼性的吸收液，以提升去除效率。

解題方法

先判斷各選項所對應的污染物控制原理：

• $SO_2$ 是氣態污染物，應採用能使氣體溶解、吸收或反應的控制設備。
• 紙濾器與靜電集塵器主要去除粒狀污染物。
• 加熱器不具備吸收或固定$SO_2$的功能。
• 噴水器可形成氣液接觸，讓$SO_2$進入水相，因此符合氣態污染物控制原理。

故正確選項為（A）。

選項分析

（A）water sprayers：正確

噴水器可將水霧或水滴與煙氣充分接觸，利用$SO_2$的水溶性，使其由氣相轉移至液相，達到濕式洗滌與吸收的效果。

本題考驗學生對環境風險評估 (Environmental Risk Assessment, ERA) 核心目標的理解。環境風險評估是一個系統性的過程，旨在識別、分析和評估特定活動（如工程項目、化學品使用、政策制定等）對人類健康和生態系統可能造成的潛在不利影響。

各選項分析：
(A) 確定環境專案可能的人類健康風險：這只是環境風險評估的一部分，ERA 也包含對生態系統的風險評估。
(B) 持續評估和監測與環境專案相關的環境問題：這是環境監測 (Environmental Monitoring) 和環境影響後續評估 (Post-project Environmental Monitoring) 的範疇，而非 ERA 的核心目標。ERA 主要是在專案規劃或實施前進行的預評估。

本題考驗學生對污染物在大氣中長距離傳輸特性的理解。污染物在大氣中進行長距離傳輸，意味著它能夠在大氣中停留足夠長的時間並被風吹送到遠處。這與污染物的物理化學性質密切相關。

各選項分析：
(A) 具水溶性 (be water soluble)：水溶性高的物質容易與大氣中的水蒸氣結合，形成液滴或被雨水沖刷而沉降，反而不利於長距離傳輸（除非形成氣溶膠）。
(B) 沸點高 (have a high boiling point)：沸點高的物質通常在常溫下不易揮發，更可能是固態或液態，不利於以氣態形式進入大氣並長距離傳輸。
(C) 在常溫下為氣體 (be a gas at room temperature)：氣態污染物是最容易在大氣中進行長距離傳輸的。

本題再次考驗學生對環境風險評估 (Environmental Risk Assessment, ERA) 核心目標的理解，特別是針對一個化學加工廠釋放污染物的案例。ERA 的核心在於識別、分析和評估潛在的危害。

各選項分析：
(A) 產品的有利特性：這是產品行銷或技術評估的範疇，與風險評估無關。
(B) 與污染物暴露相關的人類健康影響的立法要求：立法要求是風險管理 (Risk Management) 和法規遵循的考量，ERA 的目的是提供科學基礎來告知這些要求，而不是本身

本題為一數值計算題，旨在測試學生對污染物去除效率計算的理解。題目給定燃燒煤炭產生汞的量，以及洗滌器（Scrubber）對重金屬顆粒物的去除效率，要求計算有洗滌器存在時，燃燒特定量煤炭所排放的汞質量。

已知條件：

1. 燃燒 1 噸 (1000 kg) 煤炭，在無洗滌器時，產生 500 mg 的汞顆粒物。
2. 洗滌器可以去除 45% 的重金屬顆粒物。
3. 題目計算對象為燃燒 25 噸煤炭。

計算步驟：

1. 計算無洗滌器時，燃燒 25 噸煤炭產生的總汞質量：
   每噸煤炭產生 500 mg 汞。
   所以，25 噸煤炭產生總汞質量 = 25 噸 * 500 mg/噸 = 12500 mg。

本題考驗學生對生命週期分析 (Life Cycle Analysis, LCA) 在生質乙醇 (Bioethanol) 生產中的應用的理解。生命週期分析是一種系統性的評估方法，用於評估產品或服務在其整個生命週期（從原材料獲取、生產、運輸、使用到最終廢棄）中所產生的環境影響。

題幹指出，生質乙醇的碳中和爭議之一在於「生命週期成本」的考量。這暗示了 LCA 應涵蓋生產和使用的整個過程，而不僅僅是單一環節。

各選項分析：
(A) 評估生質乙醇生產對動物和人類繁殖模式的影響：這過於狹隘，LCA 的範圍更廣，通常不只關注繁殖模式。

本題考驗學生對環境污染物與健康影響之間關係的理解，特別是多種污染物或環境因素共同作用時的現象。題目描述了兩種情況：

1. 生質乙醇燃燒產生醛類化學物質，這些物質會導致光化學煙霧。
2. 在春天，當光化學煙霧和花粉（另一種環境刺激物）同時存在時，哮喘的發生率會顯著升高。

這種現象表明，單獨的污染物或刺激物可能產生一定的影響，但當它們同時存在時，其共同作用產生的影響（在此例中是哮喘發病率的升高）比單獨作用的總和更大，或者說它們增強了彼此的作用。

各選項分析：
(A) 持久性 (Persistence)：指污染物在環境中不易分解，能夠長期存在。這與題幹描述的污染物協同作用導致的健康影響無關。
(B) 生物累積 (Bioaccumulation)：指污染物在生物體內隨著時間的推移而累積。

本題旨在探討社群和環境利益團體在辯論生質乙醇作為汽油添加劑使用時所扮演的主要角色。這些團體通常關注環境永續性和公共利益。

各選項分析：
(A) 進行生命週期分析 (produce a Life Cycle Analysis)：LCA 通常是由專業機構或研究人員進行的科學評估，利益團體可能會引用 LCA 的結果，但 LCA 的生產不是他們的主要角色。
(B) 維護石化公司的獲利能力 (maintain the profitability of petro-chemical companies)：這是石化公司的目標，而非環境利益團體的目標。環境利益團體通常會質疑或批評對環境不利的產業行為。

本題考驗學生對不同環境評估和管理工具的理解，特別是針對一家大型手機公司對其生產技術（包括原材料提取、能源消耗、生產、運輸和使用）進行調查。

各選項分析：
(A) 法規框架 (Regulatory framework)：法規框架是指政府為規範環境行為而制定的法律、條例和標準。公司的內部調查不屬於法規框架本身。
(B) 環境影響評估 (Environmental Impact Assessment, EIA)：EIA 通常是對特定擬議計畫（如新工廠建設、重大工程項目）在實施前可能對環境造成的影響進行預測和評估。雖然該公司的調查包含對生產過程的評估，但 EIA 的重點通常是針對一個「擬議的」或「已確定的」專案，而這裡描述的是對現有「生產技術」的「調查」。

本題考驗學生對環境管理工具的理解，特別是針對一家手機公司提出的「手機回收計畫」，該計畫包含對處置方法的風險研究，並旨在防止有毒重金屬進入土壤。

各選項分析：
(A) 法規框架 (Regulatory framework)：法規框架是政府制定的法律和規定，公司制定的回收計畫不是法規框架本身。
(B) 環境影響評估 (Environmental Impact Assessment, EIA)：EIA 主要評估擬議專案對環境的預期影響。雖然回收計畫的處置風險研究與 EIA 有關聯，但 EIA 通常是對一個「新專案」的評估。這裡的描述更偏向於一個具體的管理措施。

本題考驗學生對火力發電廠能量轉換過程的理解。題目描述了火力發電廠的運作流程：煤炭燃燒產生蒸汽，蒸汽驅動渦輪機，渦輪機帶動發電機產生電力。圖一（假設顯示了這個過程）會進一步說明各階段的能量轉換。

根據能量轉換的基本原理：

1. 煤炭燃燒： 煤炭內部儲存的是化學能（一種潛能）。燃燒過程將化學能轉化為熱能。
2. 熱能轉化為蒸汽的動能： 高溫蒸汽具有很高的熱能，這些熱能使水分子快速運動，產生壓力，推動渦輪機。因此，熱能在此轉化為機械能（動能）。
3. 渦輪機的機械能轉化為發電機的電能： 渦輪機的旋轉（動能）帶動發電機中的轉子，通過電磁感應原理，將機械能轉化為電能。

題目問的是「發電廠的運作」是一個能量轉換的例子。我們需要看哪個選項最能概括這個過程。

本題要求計算火力發電廠從煤炭到電能的總能量轉換效率。題目中提到圖一顯示了各個步驟的效率。雖然圖一的內容在此無法直接顯示，但根據一般火力發電廠的知識，我們可以推斷其效率範圍。

火力發電廠的能量轉換過程包含多個步驟，每個步驟都有能量損失。典型的效率如下：

1. 鍋爐效率： 將煤炭的化學能轉化為蒸汽的熱能，效率約為 85%-90%。
2. 渦輪機效率： 將蒸汽的熱能轉化為機械能（動能），效率約為 40%-50%。
3. 發電機效率： 將機械能轉化為電能，效率約為 95%-98%。

總效率是各步驟效率的乘積。假設我們取中間值：
總效率 ≈ 鍋爐效率 × 渦輪機效率 × 發電機效率
總效率 ≈ 0.88 × 0.45 × 0.97 ≈ 0.3834，即約 38.34%。

然而，題目提供的選項中，沒有接近 38% 的數字。這表示圖一中提供的效率數字可能與一般值有所不同，或者題目預設的效率是基於圖一的。

我們檢查選項：
(A) 26%
(B) 30%
(C) 95%
(D) 89%

選項 (C) 95% 和 (D) 89% 顯然是單一設備（如發電機或鍋爐）的效率，而非整個系統的總效率。
選項 (A) 26% 和 (B) 30% 屬於較低的範圍。

在實際的火力發電廠中，由於熱力學的限制（如卡諾循環效率）和設備本身的損失，總能量轉換效率通常不高。現代大型火力發電廠的淨電能效率（從煤炭到輸送到電網的電能）一般在 30% 到 45% 之間。

如果圖一提供的效率數字是：

• 鍋爐：約 85-90%
• 渦輪機：約 40-50%
• 發電機：約 95-98%

本題考驗學生對不同燃料（天然氣 vs. 煤炭）環境影響的比較，以及環保主義者為何建議改用天然氣發電。

各選項分析：
(A) 可再生性：天然氣（主要成分是甲烷）是化石燃料，與煤炭一樣，其形成需要數百萬年，因此不可再生。只有生物質燃料（如生質乙醇）才是可再生的。此選項錯誤。
(B) 可用性和開採難易度：雖然天然氣的開採技術不斷進步，但煤炭儲量仍然非常豐富，且在許多地區開採歷史悠久，技術成熟。哪種「更容易」開採和「更易取得」取決於具體地區和技術，但這不是環保主義者建議改用的主要原因。
(C) 每單位能源產生的污染較少：這是環保主義者建議改用天然氣的主要原因之一。

本題為一典型的生化需氧量 (Biochemical Oxygen Demand, BOD) 計算題，包含計算五日生化需氧量 (BOD5) 和極限生化需氧量 (Ultimate BOD, $L_0$)。

已知條件：

• 稀釋用水量：295 mL
• 原始水樣體積：5 mL
• BOD 瓶總體積：300 mL
• 初始溶氧量 (DO_initial)：7.9 mg/L
• 五日後溶氧量 (DO_final)：4.5 mg/L
• 曝氣常數 (deoxygenation rate constant, k)：0.013 day⁻¹ (底數為 10)

計算步驟：

(a) 計算五日生化需氧量 (BOD5)

BOD 的計算公式為：
$BOD = \frac{(DO_{initial} - DO_{final}) \times V_{total}}{V_{sample}}$
其中：

• $DO_{initial}$ 為初始溶氧量 (mg/L)
• $DO_{final}$ 為最終溶氧量 (mg/L)
• $V_{total}$ 為 BOD 瓶的總體積 (mL)
• $V_{sample}$ 為加入的原始水樣體積 (mL)

首先，計算稀釋倍數 (Dilution Factor, DF)。
稀釋倍數 = $\frac{V_{total}}{V_{sample}} = \frac{300 \text{ mL}}{5 \text{ mL}} = 60$

然後，代入公式計算 BOD5：
$BOD_5 = \frac{(7.9 \text{ mg/L} - 4.5 \text{ mg/L}) \times 60}{1}$
$BOD_5 = (3.4 \text{ mg/L}) \times 60$
$BOD_5 = 204 \text{ mg/L}$

檢查：

• 計算出的 BOD 值是否合理？ 204 mg/L 對於某些高污染廢水是可能的。
• 溶氧量變化是否足夠？ 7.9 - 4.5 = 3.4 mg/L，這是微生物消耗的氧氣量。
• 稀釋倍數是否正確？ 300/5 = 60，正確。

結果：
五日生化需氧量 (BOD5) 為 204 mg/L。

本題考驗學生對不同污染物在缺氧（無氧）環境下生物降解性的理解。題目描述的場景是：場址受到多種化學污染物污染，且位於垃圾掩埋場的下游，垃圾滲濾液的有機物降解已耗盡地下水中的溶解氧，形成無氧或極低氧的環境。

生物降解的條件對污染物種類和環境條件（如氧氣是否存在）非常敏感。

• 好氧降解 (Aerobic biodegradation)： 在有氧氣存在的環境下進行，大多數有機物都可以被好氧菌有效降解。
• 厭氧降解 (Anaerobic biodegradation)： 在無氧環境下進行，某些特定的有機物可以被厭氧菌或兼性厭氧菌降解，但降解速率通常較慢，且降解途徑和產物可能不同。

我們來分析題目中列出的污染物：

1. 硝酸鹽 (Nitrate, $NO_3^-$)： 硝酸鹽本身是無機物，但它可以作為厭氧菌的電子接受體，參與硝化作用 (denitrification)，將硝酸鹽還原成氮氣 ($N_2$)。這個過程本身是生物轉化，但不是有機物的「降解」。若地下水中有機物被厭氧菌分解，硝酸鹽可能會被還原。
2. 四氯乙烯 (Perchloroethylene, PCE, $C_2Cl_4$)： 這是一種氯化溶劑，屬於揮發性有機化合物 (VOCs) 中的鹵代烴。PCE 在厭氧條件下可以發生還原脫氯 (reductive dechlorination) 過程，逐步轉化為三氯乙烯 (TCE)、二氯乙烯 (DCE) 等，最終可能完全脫氯。因此，PCE 在缺氧環境下是可能被生物降解的。
3. 四氯化碳 (Carbon tetrachloride, CTC, $CCl_4$)： 這也是一種氯化溶劑，與 PCE 類似，在厭氧條件下可以發生還原脫氯反應，被生物降解。
4. 苯 (Benzene, $C_6H_6$)： 苯是一種芳香烴，是石油烴的主要成分之一。苯在好氧條件下可以被有效降解。在厭氧條件下，苯的降解較為困難，但並非不可能，某些厭氧菌群可以降解苯，但速率通常較慢。
5. 甲苯 (Toluene, $C_7H_8$)： 甲苯也是一種芳香烴，與苯類似，在好氧條件下易於降解。在厭氧條件下，甲苯的降解也相對困難，但有厭氧降解途徑。
6. 石油烴 (Petroleum hydrocarbons)： 這是一類複雜的混合物，包含烷烴、環烷烴、芳香烴等。其中許多成分（如烷烴）在好氧條件下易於降解。在厭氧條件下，長鏈烷烴的降解可能發生，但速率較慢。芳香烴的厭氧降解也存在。

本題要求描述兩種用於控制揮發性有機化合物 (Volatile Organic Compounds, VOCs) 排放的工程控制方法，並為每種方法列出兩個優點和兩個限制。VOCs 是常見的空氣污染物，會導致光化學煙霧、臭氧層破壞，並對人體健康有害。

以下是兩種常見的 VOCs 控制工程方法：

方法一：熱力焚化 (Thermal Oxidation / Incineration)

熱力焚化是利用高溫（通常 700-1200°C）將 VOCs 與空氣或氧氣完全燃燒，轉化為二氧化碳 ($CO_2$) 和水 ($H_2O$)。

• 優點 (Advantages)：

  1. 高去除效率： 在適當的溫度和停留時間下，可以達到很高的 VOCs 去除效率（通常 > 98%）。
  2. 適用範圍廣： 適用於處理高濃度、高流量的 VOCs 氣流，且對大多數有機化合物都有效。

• 限制 (Limitations)：

  1. 高能源消耗： 需要高溫操作，因此能源消耗較大，運行成本較高（除非有熱回收系統）。
  2. 可能產生二次污染物： 如果燃燒不完全或氣流中含有氮，可能產生氮氧化物 ($NO_x$)。若 VOCs 中含有鹵素（如氯、溴），則可能產生酸性氣體（如 HCl）或戴奧辛。

方法二：活性碳吸附 (Activated Carbon Adsorption)

活性碳具有極大的比表面積和吸附能力，可以將氣流中的 VOCs 分子物理性吸附在其表面。吸附飽和後，可通過再生（如加熱、吹掃或蒸汽吹掃）來回收 VOCs 或將其脫附，活性碳可重複使用。

• 優點 (Advantages)：
  1. 低能源消耗： 相較於熱力焚化，常溫吸附操作的能源消耗較低。

本題為情境題，要求以高雄市政府環保局長的身份，提出改善空氣品質的策略，並針對興建「愛情摩天輪」可能造成的環境問題提出預防措施。

(a) 改善高雄市空氣品質的策略或政策 (Strategies or policies for improving air quality in Kaohsiung City)

高雄市面臨嚴重的空氣污染問題，主要來源包括工業排放（煉油、石化、鋼鐵等）、交通運輸、逸散性污染源（如營建工地、揚塵）等。作為環保局長，我會採取多面向的綜合策略：

1. 強化工業污染源管制：

   • 嚴格排放標準： 檢討並提高煉油、石化、鋼鐵、水泥等重點產業的污染物排放標準（如 PM2.5, $SO_x$, $NO_x$, VOCs），並加強稽查與執法。
   • 推動製程改善與污染防治設備升級： 補助或輔導企業導入最佳可行控制技術 (BACT)，如高效集塵設備、脫硫脫硝設備、VOCs 處理設備等。
   • 限制燃料使用： 逐步淘汰高污染燃料（如高硫煤、重油），鼓勵使用低污染或潔淨能源（如天然氣、再生能源）。
   • 實施總量管制： 對重點污染源實施總量管制計畫，並建立排放交易機制（若可行）。

2. 改善交通污染：

   • 推動電動化載具： 鼓勵購買電動汽車、電動機車，並擴大充電基礎設施。
   • 提升大眾運輸系統： 擴展捷運、輕軌網絡，提高公車路線覆蓋率與班次，鼓勵民眾搭乘。
   • 限制高污染車輛進入特定區域： 實施低排放區 (Low Emission Zone)，限制老舊柴油車等進入市中心。
   • 加強車輛排放管制： 提高定檢標準，嚴格取締未達標車輛。

3. 控制逸散性污染源：

   • 加強營建工地管理： 要求工地採取嚴格的防塵措施（如灑水、圍籬、覆蓋等），並加強稽查。
   • 綠化與植被覆蓋： 增加城市綠地面積，推廣屋頂綠化、垂直綠化，利用植被吸附污染物並減少揚塵。
   • 道路洗掃與揚塵抑制： 加強道路清潔，定期進行洗掃作業，減少道路揚塵。

4. 強化監測與資訊公開：

   • 擴充監測網絡： 增加空氣品質監測站點，特別是在污染熱點區域，並導入更多元化的監測技術（如移動監測）。
   • 即時資訊揭露與預警： 建立完善的空氣品質監測資訊系統，即時發布空氣品質預報和警報，並提供個人防護建議。
   • 提升公眾意識與參與： 透過教育宣導、公民參與平台，讓民眾了解空氣污染的影響，並鼓勵其參與環保行動。

5. 區域聯防與合作：

   • 加強與鄰近縣市的合作： 共同制定區域空氣污染防治計畫，協調管制措施，共同應對跨區域污染物傳輸。