113 年 國立中山大學環境工程研究所《環境工程概論（B）》

此題主要在探討有害物質在土壤及地下水中的傳輸機制。核心觀念是理解污染物如何從源頭擴散並影響環境。

有害物質在地表下（主要指土壤和地下水環境）的傳輸機制主要有三大類：

1. 對流（Advection）

   • 機制： 污染物隨著流體（主要是地下水）的運動而移動。當地下水流動時，會將溶解或懸浮在其中的污染物一起帶走。
   • 作用： 這是污染物長距離傳輸最主要的機制。地下水流速越大，對流作用越強，污染物擴散的範圍也越廣。例如，工業廢水滲漏到地下水層後，會順著地下水流的方向形成污染物羽（plume），影響下游的取水口或生態系統。

2. 分散（Dispersion）

   • 機制： 污染物在流體中擴散的過程，包含分子擴散（diffusion）和機械混合（mechanical mixing）。
     • 分子擴散： 污染物分子從高濃度區域向低濃度區域移動的熱力學現象，即使在靜止的流體中也會發生。
     • 機械混合： 由於土壤孔隙的不規則性、流速的變化以及流線的分叉與匯合，污染物在流體運動過程中被拉伸、彎曲和混合，導致其在空間上逐漸擴散開來。
   • 作用： 分散作用會導致污染物羽在傳輸方向上變長、變寬，並降低污染物在羽中的濃度。它與對流作用共同決定了污染物在環境中的空間分布和濃度變化。

此題主要探討固體再生燃料（SRF）的定義、特性及其品質標準，這與廢棄物管理和資源回收利用的知識密切相關。

固體再生燃料（Solid Recovered Fuel, SRF）的定義：

固體再生燃料（SRF）係指將廢棄物（通常是工業廢棄物、商業廢棄物或部分都市固體廢棄物）經過物理、化學或生物處理後，所產製出的固體燃料。這些燃料的目標是替代傳統的化石燃料（如煤炭、石油），用於工業鍋爐、水泥窯或其他燃燒設備中產生能源。SRF 的製備過程旨在移除雜質（如玻璃、金屬、土壤），並將可燃性物質（如塑膠、紙張、紡織品、木材）濃縮、破碎、篩選，使其具有穩定的熱值、較低的灰分和水分含量，以及可控的粒徑和成分，以便安全、有效地燃燒。

SRF 的品質標準：

SRF 的品質標準會因不同的應用領域（如水泥窯、鍋爐）和各國的法規而有所差異，但通常會涵蓋以下幾個關鍵指標：

1. 熱值 (Calorific Value)：這是最重要的指標之一，表示燃料燃燒時能釋放多少能量。SRF 的熱值通常需達到一定的水平，以具備經濟效益並能有效取代傳統燃料。一般而言，SRF 的低位發熱量（Lower Heating Value, LHV）應高於 15 MJ/kg。
2. 水分含量 (Moisture Content)：水分含量越高，燃燒時需要消耗更多能量來蒸發水分，降低燃燒效率並可能增加煙氣排放。一般要求水分含量盡可能低，例如低於 10-15%。
3. 灰分含量 (Ash Content)：灰分是燃料燃燒後殘留的無機物，會造成爐膛結渣、磨損，並增加廢棄物處理量。SRF 的灰分含量應盡量低，通常要求低於 5-10%。

此題主要在探討廢棄物高溫處理（焚化與熱解）過程中涉及的化學反應類型，以及其代表性的反應式。核心觀念是理解有機物在高溫下的分解和轉化過程。

廢棄物在高溫處理（包括焚化和熱解）過程中，有機物會經歷一系列複雜的化學反應。這些反應可以大致歸納為以下四種類型：

1. 熱分解（Pyrolysis）

   • 機制： 在缺氧或低氧條件下，有機物受熱分解成較小的氣體、液體（焦油）和固體（炭渣）產物。這是焚化和熱解的起始階段。
   • 反應式： 這是非常複雜的過程，涉及大分子鏈的斷裂。一個簡化的表示方式（以纖維素為例）可以是：
     $\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5 \text{ (Cellulose)} \xrightarrow{\Delta, \text{無氧}} \text{氣體 (CO, CO}_2\text{, H}_2\text{, CH}_4\text{...)} + \text{液體 (焦油)} + \text{固體 (炭)}$
     更具體的分解產物包含 CO, CO$_2$, H$_2$, CH$_4$, 乙烯, 乙炔, 揮發性有機物, 酚類, 芳香烴等。

2. 氧化（Oxidation）/ 燃燒（Combustion）

   • 機制： 在有足夠氧氣的條件下，熱分解產生的揮發性氣體和炭渣與氧氣反應，釋放出大量的熱能，最終產物主要是二氧化碳和水。這是焚化過程中的主要放熱反應。
   • 反應式：
     • 完全燃燒（以碳和氫為例）：
       $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$
       $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$
     • 不完全燃燒（產生一氧化碳）：
       $2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}$

3. 還原（Reduction）

   • 機制： 在高溫和缺氧條件下，某些氧化物（如金屬氧化物、CO$_2$）可以被還原劑（如炭、CO、H$_2$）還原。在廢棄物處理中，這可能發生在炭渣的氣化或某些特定成分的轉化。
   • 反應式：
     • 炭的氣化反應（ Boudouard reaction）：

此題探討綠色採購政策在環境保護中的作用，特別是其對廢棄物減量和碳排放的影響。核心觀念是理解消費行為如何透過政策引導來促進永續發展。

**綠色採購政策（Green Procurement Policy）**是指政府或企業在採購過程中，優先選擇對環境影響較小的產品或服務。這類產品通常具有以下特點：生命週期環境影響較低、可回收、節能、無毒、使用再生材料等。

綠色採購政策對廢棄物減量和減少碳排放的影響體現在以下幾個方面：

對廢棄物減量的影響：

1. 鼓勵生產環保產品：當政府和企業成為環保產品的主要買家時，會向市場傳遞強烈的訊號，促使製造商投入研發和生產符合綠色標準的產品。這包括設計更耐用、易於維修、易於回收的產品，或使用更少包裝的產品。
2. 延長產品生命週期：綠色採購通常會優先考慮產品的耐用性、可維修性和可升級性。這意味著消費者購買的產品使用壽命更長，減少了因產品損壞或過時而產生的廢棄物。
3. 推動回收與再利用：綠色採購政策常包含對使用再生材料的產品的偏好，以及對產品回收體系的支援。這鼓勵了回收產業的發展，並使更多廢棄物能夠被重新利用，減少進入掩埋場或焚化爐的量。
4. 減少一次性用品的使用：某些綠色採購項目可能鼓勵使用可重複使用的物品（如環保杯、餐具），或限制一次性產品的採購，從源頭上減少廢棄物的產生。
5. 促進包裝減量：綠色採購政策會要求供應商盡量減少產品包裝，或採用可回收、可生物分解的包裝材料，直接減少了廢棄物中的包裝垃圾。

對減少碳排放的影響：

1. 節能產品的推廣：綠色採購通常會優先選擇能源效率高的產品（如節能家電、LED 照明、高效能辦公設備）。這些產品在使用過程中消耗更少的能源，從而減少了發電過程中產生的碳排放。

此題探討土壤在碳循環中的重要角色，以及污染物對土壤碳儲存能力的影響。這涉及土壤學、生態學及環境科學的綜合知識。

土壤作為碳儲存庫的作用：

土壤是地球上最大的陸地碳儲存庫，其儲存的碳量約為大氣碳量的兩倍，且遠超過所有植物和動物碳總量的總和。土壤碳主要以兩種形式存在：

1. 有機碳 (Soil Organic Carbon, SOC)：這是土壤中最重要的碳形式，主要來自於動植物殘體（如落葉、枯枝、動物遺骸）的分解產物，以及微生物的生物質。有機碳包括：

   • 未分解的有機物：如植物殘體、動物屍體。
   • 腐殖質 (Humus)：這是經過微生物分解和轉化的、較穩定的有機物質，結構複雜，顏色較深。腐殖質是土壤有機質的主要成分，對土壤的結構、肥力、保水保肥能力有重要影響。
   • 微生物生物質：土壤微生物（細菌、真菌等）本身也含有碳。

2. 無機碳 (Soil Inorganic Carbon, SIC)：主要以碳酸鹽（如鈣、鎂碳酸鹽）的形式存在於某些土壤中，尤其是在石灰岩地區或乾旱地區。

土壤碳儲存庫的作用：

• 調節大氣 CO$_2$ 濃度：土壤通過光合作用固定的碳，以及有機物的分解和轉化，在碳循環中扮演著關鍵角色。當植物通過光合作用將大氣中的 CO$_2$ 轉化為有機物，這些有機物死亡後進入土壤，一部分會被微生物分解釋放回大氣（呼吸作用），另一部分則轉化為穩定的腐殖質儲存在土壤中。土壤有機碳的儲存量對調節大氣 CO$_2$ 濃度、減緩全球暖化具有至關重要的作用。
• 維持土壤健康與生產力：土壤有機質是土壤肥力的基礎，它能改善土壤結構，提高保水保肥能力，促進土壤微生物的活性，為植物生長提供養分。健康、富含有機質的土壤具有更高的生產力。
• 支持生態系統功能：土壤碳儲存是維持陸地生態系統多樣性和功能的重要基礎。

土壤污染如何影響其碳儲存能力？

土壤污染會以多種方式嚴重影響土壤的碳儲存能力：

1. 改變土壤微生物群落結構與活性：
   • 毒性效應：許多污染物（如重金屬、農藥、多環芳香烴 PAH）對土壤微生物具有毒性，會殺死敏感的微生物，改變微生物的種群結構和多樣性。這會削弱微生物分解有機物和轉化碳的能力。