115 年 國立中山大學環境工程研究所《環境工程概論（B）》

本題主要在探討非洲豬瘟防疫政策下，廚餘處理方式改變所帶來的環境衝擊。政策要求禁餵廚餘，導致原本可透過飼料再利用的廚餘，其流向轉變為「處理處置」。

核心觀念：

1. 政策影響下的廢棄物流向改變：從再利用轉向處理處置，會改變廢棄物的最終去處與處理方式。
2. 處理處置方式的環境衝擊：不同的處理方式（如掩埋、焚化、厭氧消化後作為肥料等）會產生不同的環境影響，包括溫室氣體排放、土壤污染、水污染、資源浪費等。
3. 環境衝擊的評估與改善策略：針對潛在的環境衝擊，提出具體可行的改善措施。

解題步驟：

1. 分析流向轉變：
   • 原流向（再利用）：廚餘 → 飼料化 → 養豬。此方式若管理不當（如未經高溫處理），可能傳播非洲豬瘟。
   • 新流向（處理處置）：廚餘 → 焚化、掩埋、厭氧消化、堆肥等。
2. 辨識主要環境衝擊：
   • 衝擊一：溫室氣體排放增加
     • 說明：若廚餘大量進入掩埋場，在厭氧分解過程中會產生大量甲烷（$CH_4$），甲烷是一種強效溫室氣體。若採用焚化，雖然可減少體積，但若能量回收效率不高，仍可能產生二次污染物及溫室氣體。相較於作為飼料（將有機物轉化為動物產品，間接儲存碳），直接處理（尤其是掩埋）更容易導致碳排放。
     • 關鍵性：廚餘為有機廢棄物，其分解是溫室氣體的重要來源。
   • 衝擊二：填埋場負擔加劇與潛在污染
     • 說明：原本可部分再利用的廚餘，現在全部進入廢棄物處理體系。若處理設施（如焚化爐、掩埋場）負荷不足，可能導致廚餘堆積、惡臭、病媒孳生，或被直接送往不合適的掩埋場，增加滲出水產生量，可能污染土壤和地下水。
     • 關鍵性：廚餘體積大、含水量高，若處理不當，會顯著增加廢棄物處理的難度與環境風險。
   • 其他潛在衝擊：
     • 資源浪費：放棄了將廚餘轉化為飼料或肥料的機會。
     • 處理成本增加：處理新的廢棄物來源需要額外設施與營運成本。
     • 惡臭與衛生問題：若處理不及時或方式不當。

本題旨在探討歐盟《包裝與包裝廢棄物規則》(PPWR)對台灣出口導向產業在包裝設計及回收責任(EPR)上的影響。PPWR的核心目標是促進包裝廢棄物的減量、回收再利用，並提高再生料的使用比例，以達成循環經濟。

核心觀念：

1. 歐盟 PPWR 的主要要求：減量、可回收設計、再生料使用比例、延伸生產者責任(EPR)。
2. 出口導向產業的挑戰：台灣出口至歐盟的產品，其包裝必須符合歐盟當地的法規要求。
3. 包裝設計的改變：為符合 PPWR，業者需調整包裝材料、結構與設計。
4. 回收責任(EPR)的實踐：業者需履行其在產品生命週期結束時的回收與處理責任。
5. 產業別的影響差異：不同產業（食品、日化、3C、電商）的產品特性與包裝需求不同，受到的影響也會有所差異。

解題步驟：

1. 理解 PPWR 的關鍵要求：
   • 包裝減量：減少包裝材料的使用量。
   • 可回收設計：確保包裝材料易於回收，並鼓勵使用單一材質或易於分離的複合材質。限制難以回收的包裝形式。
   • 再生料使用：設定強制性的再生塑料使用比例目標。
   • 延伸生產者責任 (EPR)：要求產品的生產者（進口商或品牌商）對其產品的包裝廢棄物負責，包括收集、回收、處理的費用與義務。
2. 分析對台灣出口導向產業的影響：
   • 整體影響：
     • 合規成本增加：業者需要投入更多資源進行包裝設計調整、符合再生料要求、支付 EPR 費用。
     • 供應鏈調整：可能需要尋找符合規範的包裝材料供應商，或自行開發回收體系。
     • 產品競爭力：符合 PPWR 的包裝將成為進入歐盟市場的必要條件，不符合者將面臨市場准入問題。
   • 產業別影響分析：
     • 食品業：
       • 包裝設計：食品包裝對安全、保鮮有嚴格要求，使用再生料需確保符合食品安全標準，這是一大挑戰。減量設計也需兼顧保護性。可能需要尋找更環保的替代材料（如紙質、生物可降解材料）。
       • EPR：食品包裝廢棄物量大，EPR 費用將顯著增加。
     • 日化業（如化妝品、清潔劑）：
       • 包裝設計：常使用塑膠瓶、軟管等，再生料使用比例目標將是重點。設計上需考量易於回收（如單一材質瓶身、易拆卸標籤）。
       • EPR：同樣面臨 EPR 費用的增加，尤其是有特殊泵頭、噴霧頭等複雜結構的包裝。
     • 3C 產業（電腦、通訊、消費性電子）：

本題考量的是在發現疑似有害事業廢棄物非法棄置於山坡地的緊急情況下，如何進行風險評估與初步調查，以制定後續的管理與整治計畫。

核心觀念：

1. 緊急應變原則：在污染事件發生時，首要任務是控制損害擴大，並快速評估風險。
2. 風險評估架構：污染源、污染途徑、暴露受體。
3. 場址調查的目的：釐清污染範圍、污染物種類與濃度、潛在暴露途徑與受體，以進行風險評估。
4. 緊急風險控管 (Emergency Risk Management)：優先保護人員與環境免受立即危害。
5. 第一階段場址調查 (Phase I Site Investigation)：初步了解場址狀況，收集必要資訊，用於風險評估與決策。

解題步驟：

1. 緊急風險控管 (Emergency Risk Management)：

   • 目的：立即阻止污染擴散，保護人員安全，並防止事態惡化。
   • 關鍵作法：
     • 現場封鎖與管制：立即劃定警戒區域，限制人員進入，設置明顯警示標誌，防止人員暴露於污染物或將污染物帶離現場。
     • 污染源控制：
       • 若棄置物正在擴散（如隨雨水沖刷），應立即採取圍堵措施，如設置沙包、防滲布、臨時截流溝，以防止污染物隨地表水或地下水進一步擴散。
       • 評估棄置物本身的穩定性，若有立即性的化學反應或燃燒風險，需通知消防或專業處理單位進行初步穩定化處理。
     • 人員安全防護：進入現場進行初步評估或處理的人員，必須穿戴適當的個人防護裝備(PPE)，如防護服、手套、呼吸器等，並接受專業指導。
     • 通報與資訊彙整：立即通報相關環保、消防、警察等主管機關，並開始彙整現場初步資訊（棄置物種類、數量、位置、周邊環境狀況）。
     • 初步環境監測：在安全前提下，對現場周邊空氣、地表水、土壤進行初步的快速監測，了解是否有即時的擴散跡象。

2. 第一階段場址調查 (Phase I Site Investigation)：

   • 目的：在緊急風險控管措施啟動後，系統性地收集場址的污染資訊，以進行初步風險評估，並作為後續更詳細調查與整治決策的基礎。
   • 關鍵作法：
     • 資料蒐集與歷史回顧：
       • 歷史照片與地圖：檢視過去的航空照片、地形圖，了解場址過去的土地利用歷史，判斷是否有潛在的污染源。
       • 地質與水文資料：蒐集場址周邊的地質鑽探資料、地下水位、水文地質特性（如水流方向、滲透係數），以預判污染擴散途徑。
       • 周邊環境敏感區調查：識別場址周邊的住宅區、學校、水源地（飲用水源、灌溉用水）、生態敏感區（濕地、森林）等，這些是潛在的暴露受體。
       • 棄置物初步辨識：根據現場觀察、目視判斷、可能採集的樣品（需小心處理），初步確認棄置物的種類（如鋁渣、飛灰、其他化學品），並估計其數量與分佈範圍。

本題主要探討我國淨零轉型策略中，「減碳共利」（Decarbonization Co-benefits）的概念，特別是減少溫室氣體排放（減碳）在實踐過程中，如何同時帶來「資源循環」與「改善空氣品質」的正面效益。

核心觀念：

1. 淨零轉型 (Net-zero Transition)：指在一定時間內，將人為溫室氣體排放量降至零。
2. 減碳共利 (Decarbonization Co-benefits)：指在追求減碳目標的同時，所伴隨產生的其他正面環境、社會或經濟效益。
3. 資源循環 (Resource Circulation)：指透過回收、再利用、再製造等方式，延長資源的使用壽命，減少原生資源的開採與廢棄物的產生，達到「循環經濟」的目標。
4. 空氣品質改善 (Air Quality Improvement)：指減少空氣污染物（如懸浮微粒 PM2.5、氮氧化物 NOx、硫氧化物 SOx、揮發性有機物 VOCs 等）的排放，提升空氣潔淨度，有益於人體健康與生態環境。
5. 偕同效益 (Synergistic Benefits)：指兩項或多項策略同時實施時，產生的效果大於各自獨立實施時效果的總和。

解題步驟：
首先，需要理解「減碳共利」的意涵，即減碳行動本身或其過程，能同時促進其他環境目標。題目要求從「資源循環」和「空氣品質改善」兩個面向，各舉三個例子來說明。

第一部分：減碳與資源循環的偕同效益

減碳的核心是減少能源消耗與化石燃料使用，並提高能源使用效率。資源循環則強調物料的有效再利用，減少廢棄物。兩者結合，能減少生產過程中的能源需求與廢棄物處理的環境負荷。

• 例子 1：發展再生能源（如太陽能、風力發電）
  • 減碳效益：取代燃燒化石燃料發電，大幅減少二氧化碳排放。
  • 資源循環效益：
    • 材料循環：太陽能板、風力發電機組的組件（如矽晶片、金屬、玻璃纖維）在壽命終結後，可透過回收再利用，減少對原生金屬、礦石等資源的需求。
    • 減少廢棄物：相較於傳統發電廠產生的爐渣、煤灰等廢棄物，再生能源的維護廢棄物較少，且其組件材質更易於回收再利用。
• 例子 2：推動循環經濟下的綠色製造與產品生命週期管理
  • 減碳效益：
    • 減少生產能耗：使用回收材料（如回收鋼鐵、塑膠、紙漿）製造新產品，其生產過程的能源消耗通常遠低於使用原生材料。例如，回收鋁的能耗僅為生產原生鋁的 5%。
    • 延長產品壽命：透過維修、再製造、共享等模式，延長產品使用壽命，減少頻繁製造新產品所帶來的碳排放。
  • 資源循環效益：
    • 物料循環：直接體現資源循環的原則，減少對原生資源的開採，降低廢棄物產生量。
    • 減少最終廢棄物：透過產品設計的優化（易拆解、易維修），使產品更容易進入回收再利用體系。
• 例子 3：廚餘厭氧消化產生沼氣發電與沼渣沼液再利用
  • 減碳效益：
    • 沼氣能源化：廚餘（高有機物廢棄物）若直接掩埋會產生大量甲烷（$CH_4$），甲烷是強效溫室氣體。透過厭氧消化產生沼氣（含甲烷），收集並用於發電或供熱，替代部分化石燃料，減少碳排放。
    • 減少運輸碳排：將廚餘處理在地（或區域性），減少長途運輸的碳排放。
  • 資源循環效益：
    • 物質循環：厭氧消化的沼渣沼液可作為優質有機肥料，回歸農田，實現廢棄物資源化，減少化學肥料的使用（化肥生產本身也消耗大量能源並產生碳排放）。

第二部分：減碳與改善空氣品質的偕同效益

減碳的主要行動之一是減少化石燃料的燃燒。燃燒化石燃料不僅產生二氧化碳，同時也會釋放其他空氣污染物，如 PM2.5、NOx、SOx、VOCs 等。因此，減碳措施往往能直接或間接改善空氣品質。

• 例子 1：發展電動運具（電動汽車、電動機車）與再生能源供電
  • 減碳效益：
    • 交通運輸減碳：電動運具運行時零碳排放，取代傳統燃油車，大幅降低交通部門的碳排放。
    • 電力結構減碳：若電動運具的電力來源為再生能源（太陽能、風電），則整體生命週期的碳足跡更低。

本題要求從環境工程的專業角度，闡述如何透過環工的知識與技術，實踐聯合國永續發展目標(SDGs)中的 SDG 6 (淨水與衛生)、SDG 7 (可負擔之永續能源) 和 SDG 13 (氣候行動)。

核心觀念：

1. 永續發展目標 (SDGs)：全球共同努力實現的 17 項目標，涵蓋經濟、社會、環境面向。
2. SDG 6 淨水與衛生 (Clean Water and Sanitation)：確保所有人都能獲得安全飲用水、衛生設施，並有效管理水資源。
3. SDG 7 可負擔之永續能源 (Affordable and Clean Energy)：確保所有人都能獲得負擔得起、可靠、永續的現代能源。
4. SDG 13 氣候行動 (Climate Action)：採取緊急行動應對氣候變遷及其影響。
5. 環境工程的專業範疇：水處理、廢水處理、空氣污染控制、廢棄物管理、環境監測、污染防治、資源回收、綠色能源技術、環境規劃與管理等。

解題步驟：
針對每一個 SDG，從環境工程的專業角度出發，列舉具體可行的實踐方式。

一、SDG 6：淨水與衛生 (Clean Water and Sanitation)

環境工程在水資源管理、水質保護、廢水處理和衛生設施方面扮演核心角色。

• 確保安全飲用水供應：
  • 淨水廠設計與操作：設計、建造與優化飲用水處理廠，採用混凝、沉澱、過濾、消毒等單元操作，去除水中污染物（如懸浮物、細菌、病毒、化學物質），確保飲用水符合國家標準。
  • 飲用水水質監測：建立完善的監測網絡，定期檢測供水系統各節點的水質，及早發現並處理污染事件。
  • 水源水質保護：透過集水區管理、污染源管制（如工業廢水、農業放流水、生活污水排放管制），保護飲用水源頭水質。
• 改善衛生設施與廢水處理：
  • 污水處理廠設計與操作：設計、建造與營運高效能的都市及工業污水處理廠，去除廢水中之有機物、懸浮固體、營養鹽（氮、磷）及病原體，防止水體污染。
  • 分散式處理系統：在缺乏集中式污水下水道系統的地區，推廣和技術輔導設置適當的分散式廢水處理設施（如化糞池、人工濕地、小型處理單元）。
  • 污泥處理與再利用：開發與應用污泥的減量化、穩定化、無害化及資源化技術（如厭氧消化、堆肥、焚化發電），減少對環境的衝擊。
• 水資源管理與永續利用：
  • 水循環再利用：推動回收水（如處理後的都市污水、工業冷卻水）用於非飲用目的（如工業冷卻、景觀用水、灌溉），節約寶貴的淡水資源。
  • 雨水收集與利用：設計與推廣雨水收集系統，用於補充地下水或非飲用用途。
  • 水文模擬與管理：利用環境工程的模擬工具，分析水文數據，制定科學的水資源調配與管理策略。

二、SDG 7：可負擔之永續能源 (Affordable and Clean Energy)

環境工程在推動潔淨能源、提高能源效率、減少能源生產過程的環境衝擊方面發揮作用。

• 推動再生能源發展：
  • 再生能源設施規劃與選址：利用環境影響評估、土地利用規劃等環工專業，進行太陽能、風力、生質能、地熱等再生能源設施的選址、環境影響分析與評估。
  • 再生能源技術應用：參與生質能（如沼氣發電、生質柴油）的處理技術開發與應用；研究廢棄物轉化能源（Waste-to-Energy, WTE）技術，如高效能焚化發電。
  • 環境衝擊減緩：針對再生能源設施（如風機噪音、景觀衝擊、太陽能板廢棄物處理）進行環境影響評估與減緩對策。
• 提升能源效率：
  • 工業節能診斷與改善：協助工業製程進行能源效率診斷，提出節能技術方案，減少能源消耗。

核心觀念

本題考查兩個平衡關係：

1. 亨利定律：氣相二氧化碳與溶解態二氧化碳達平衡時，

$$[CO_2(aq)] = K_H P_{CO_2}$$

2. 碳酸第一解離平衡：

$$H_2CO_3 \rightleftharpoons HCO_3^-+H^+$$

其平衡常數為：

$$K_{a1}=\frac{[HCO_3^-][H^+]}{[H_2CO_3]}$$

本題只提供 $K_H$ 與 $K_{a1}$，因此採用簡化模型，將溶解態 $CO_2$ 視為 $H_2CO_3$，並忽略海水原有鹼度、第二解離及碳酸鹽緩衝作用。

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解題方法

1. 將二氧化碳濃度換算為分壓

大氣中的二氧化碳濃度以 ppm 表示：

$$400\ \text{ppm}=400\times10^{-6}\ \text{atm}=4.00\times10^{-4}\ \text{atm}$$ $$500\ \text{ppm}=500\times10^{-6}\ \text{atm}=5.00\times10^{-4}\ \text{atm}$$

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2. 利用亨利定律求溶解態二氧化碳濃度

已知：

$$K_H=10^{-1.5}=3.162\times10^{-2}\ \text{M/atm}$$

當二氧化碳濃度為 $400$ ppm 時：

$$[H_2CO_3]_1\approx[CO_2(aq)]_1 =K_HP_{CO_2,1}$$ $$[H_2CO_3]_1 =(10^{-1.5})(4.00\times10^{-4}) =1.265\times10^{-5}\ \text{M}$$

當二氧化碳濃度為 $500$ ppm 時：

$$[H_2CO_3]_2 =(10^{-1.5})(5.00\times10^{-4}) =1.581\times10^{-5}\ \text{M}$$

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3. 由碳酸解離求氫離子濃度

設碳酸解離產生的氫離子濃度為 $x$，則：

$$[H^+]=[HCO_3^-]=x$$

由於 $K_{a1}=10^{-6.3}$ 很小，可近似認為未解離的碳酸濃度不變，因此：

$$K_{a1}\approx\frac{x^2}{[H_2CO_3]}$$

所以：

$$[H^+]\approx\sqrt{K_{a1}[H_2CO_3]}$$

核心觀念

本題利用亨利定律與碳酸第一解離平衡，建立大氣二氧化碳分壓與海水中氫離子濃度的關係。

亨利定律：

$$[CO_2(aq)] = K_H P_{CO_2}$$

碳酸第一解離平衡：

$$K_{a1}=\frac{[H^+][HCO_3^-]}{[H_2CO_3]}$$

題目未提供海水鹼度、總無機碳、第二解離常數及鹽度等資料，因此依題目給定條件，採用簡化模型，並以 $[H_2CO_3]\approx[CO_2(aq)]$ 表示水中溶解二氧化碳。

在此簡化系統中，電荷平衡可寫為：

$$[H^+] \approx [HCO_3^-]$$

因此：

$$K_{a1}=\frac{[H^+]^2}{[CO_2(aq)]}$$

整理得：

$$[H^+]=\sqrt{K_{a1}[CO_2(aq)]}$$

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解題方法

大氣中的二氧化碳濃度以莫耳分率表示，在總壓力為 $1$ atm 時，其分壓為：

$$P_{CO_2}=x_{CO_2}\times 1\ \text{atm}$$

1. 二氧化碳濃度為 400 ppm 時

$$P_{CO_2,1}=400\times10^{-6}\ \text{atm} =4.00\times10^{-4}\ \text{atm}$$

由亨利定律：

$$[CO_2(aq)]_1 =10^{-1.5}\times4.00\times10^{-4}$$ $$[CO_2(aq)]_1 =1.265\times10^{-5}\ \text{M}$$

碳酸第一解離常數為：

$$K_{a1}=10^{-6.3}=5.012\times10^{-7}$$

因此：

$$[H^+]_1 =\sqrt{(5.012\times10^{-7})(1.265\times10^{-5})}$$ $$[H^+]_1=2.518\times10^{-6}\ \text{M}$$

所以：

$$\mathrm{pH}_1=-\log[H^+]_1 =5.599$$

2. 二氧化碳濃度為 500 ppm 時

$$P_{CO_2,2}=500\times10^{-6}\ \text{atm} =5.00\times10^{-4}\ \text{atm}$$

由亨利定律：

$$[CO_2(aq)]_2 =10^{-1.5}\times5.00\times10^{-4}$$