111 年 國立臺灣大學環境工程研究所科學與工程乙組《環境工程概論》

本題主要在考察環境工程領域中幾個重要名詞的定義及其環境意涵。

(a) Zero Carbon Emissions (零碳排放)

• 定義： 指一個實體（例如國家、企業、產品或活動）在特定時間尺度內，其活動所產生的溫室氣體淨排放量為零。這通常透過減少碳排放（如使用再生能源、提高能源效率）和透過碳補償（如植樹造林、碳捕捉與封存）來達成。
• 環境意涵： 零碳排放是應對氣候變遷、減緩全球暖化的關鍵目標。達成此目標有助於穩定全球氣溫，減少極端天氣事件的頻率與強度，保護生態系統，並降低海平面上升對沿海地區的威脅。在環境工程領域，這意味著能源系統、工業製程、交通運輸以及廢棄物處理等都需朝向低碳或零碳方向發展。

(b) Ammonia Stripping (氨氣剝離)

• 定義： 氨氣剝離是一種處理含氨廢水的方法，利用氣體（通常是空氣）與液體接觸，將溶解在水中的氨（$NH_3$）或銨離子（$NH_4^+$）轉移到氣體相中的過程。此過程通常在較高的 pH 值下進行，以將銨離子轉化為更易揮發的氨分子。
• 環境意涵：
  • 正面： 氨氣剝離能有效降低廢水中的氨氮濃度，防止氨氮對受納水體造成優養化和毒性影響，改善水質。

本題考驗對生化需氧量 (BOD) 動態模型及其參數的理解。

核心觀念： 稀釋水法測定的 BOD 曲線通常符合一級反應動力學，其數學模型為：
$L_t = L_0 e^{-k t}$
其中，$L_t$ 為時間 $t$ 時殘餘的生化需氧量 (mg/L)，$L_0$ 為最終需氧量 (Ultimate BOD, mg/L)，$k$ 為反應速率常數 (以自然對數 $e$ 為底，單位為 $day^{-1}$ 或 $hr^{-1}$)。
BOD5 是指在 5 天 (d) 內的 BOD 值。

解題步驟：

1. 理解題目給定的資訊：
   • BOD5 = 180 mg/L (即 $L_t$ 在 $t=5$ 天時的值)
   • Ultimate BOD ($L_0$) = 300 mg/L
   • 要求計算反應速率常數 $k$ (以 $e$ 為底)。

本題為典型的質量平衡問題，涉及反應器操作（進水、出水、體積變化）及污染物濃度變化。

核心觀念： 質量平衡的基本原理為「累積量 = 進入量 - 離開量 + 生成量 - 消耗量」。在此題中，我們關注的是有機廢棄物的質量，假設其在 tanks 內沒有生成或消耗（即未發生化學反應或生物分解），僅考慮進出水流帶入與帶出的量。

解題步驟：

1. 分析系統狀態與參數：

   • Tank 總容量：$V_{total} = 1000 \text{ m}^3$
   • 初始有機廢棄物質量：$M_0 = 20000 \text{ kg}$
   • 初始液體體積：Tank 半滿，故 $V_0 = \frac{1}{2} V_{total} = 500 \text{ m}^3$
   • 進水流率：$Q_{in} = 100 \text{ m}^3/\text{hr}$
   • 出水流率：$Q_{out} = 75 \text{ m}^3/\text{hr}$
   • 操作時間：$t = 8 \text{ hr}$
   • 假設有機廢棄物在水中均勻分佈。

2. 計算初始有機廢棄物濃度：
   初始濃度 $C_0 = \frac{M_0}{V_0} = \frac{20000 \text{ kg}}{500 \text{ m}^3} = 40 \text{ kg/m}^3$

3. 計算操作時間後的總體積變化：
   由於進水流率大於出水流率 ($Q_{in} > Q_{out}$)，tank 內的總體積會隨時間增加。
   體積淨增加率：$\Delta Q = Q_{in} - Q_{out} = 100 - 75 = 25 \text{ m}^3/\text{hr}$
   經過 8 小時後，體積增加量：$\Delta V = \Delta Q \times t = 25 \text{ m}^3/\text{hr} \times 8 \text{ hr} = 200 \text{ m}^3$
   8 小時後的總體積：$V_t = V_0 + \Delta V = 500 \text{ m}^3 + 200 \text{ m}^3 = 700 \text{ m}^3$
   （注意：700 m³ < 1000 m³，表示 tank 未溢出，此假設成立。）

4. 建立有機廢棄物質量的微分方程：
   設 $M(t)$ 為時間 $t$ 時 tank 內的有機廢棄物質量，$C(t)$ 為時間 $t$ 時的有機廢棄物濃度。
   $C(t) = \frac{M(t)}{V(t)}$
   其中 $V(t) = V_0 + (Q_{in} - Q_{out})t = 500 + 25t$。

   質量變化率：
   $\frac{dM}{dt} = (\text{進入質量率}) - (\text{離開質量率})$
   進入質量率：假設進水不含此有機廢棄物，故為 0。
   離開質量率：$Q_{out} \times C(t) = Q_{out} \times \frac{M(t)}{V(t)}$

本題要求結合圖片與文字說明，探討廢水處理與 COVID-19 病毒傳播的關係、風險及環境影響。

核心觀念： COVID-19 病毒可透過受感染者的糞便排出，進入廢水系統，並在廢水中存活一段時間。廢水處理廠的處理能力、廢水排放方式以及再利用，都可能影響病毒的傳播途徑與環境暴露風險。

論述要點：

1. 病毒進入廢水系統與傳播途徑：

   • 糞口傳播： COVID-19 病毒可透過受感染者的糞便排出，進入下水道系統。
   • 潛在傳播路徑：
     • 污水處理廠 (WWTPs)： 儘管大多數的廢水在已開發國家會被集中處理，但傳統的 WWTPs 可能無法完全去除病毒。高濃度的病毒進入廠內，可能導致排放的處理水仍帶有病毒。
     • 未經處理的廢水排放： 在衛生設施不完善的地區，未經處理的廢水（例如直接排放至河流、湖泊或土壤）會將病毒直接釋放到環境中，增加社區感染風險。
     • 氣溶膠傳播： 廢水處理過程中的機械攪動或噴濺，可能產生含有病毒的氣溶膠，透過呼吸道傳播。
     • 廢水再利用： 由於淡水資源短缺，許多地區會再利用處理過的廢水，用於地下水補注、景觀用水、灌溉農作物等。若廢水處理不完全，這些再利用途徑可能成為病毒傳播的新途徑，增加人群暴露風險。
     • 環境暴露： 處理過的廢水若未達安全標準，用於娛樂（如游泳池）或飲用水源，將直接威脅人體健康。

2. 風險與環境影響：

   • 公共衛生風險：
     • 社區傳播： 未經處理或處理不當的廢水，可能導致病毒在社區內透過糞口或氣溶膠途徑傳播，尤其是在衛生基

本題考驗對噪音計權曲線 (Weighting Curves) 的理解與計算，以及不同計權值 (dBA, dBD, dBF) 的意義。

核心觀念：
人耳對不同頻率的聲音敏感度不同，通常對中頻率（約 1-5 kHz）最敏感，對低頻和高頻較不敏感。計權曲線（如 A, B, C, D, G, Z 等）是對原始聲壓級 (SPL) 進行修正，以模擬人耳在不同頻率下的聽覺響度。

• A-計權 (A-weighting)： 最常用，模擬人耳在較低音量下的響度，對低頻聲音的衰減較大，對中頻率較為平坦。
• B-計權 (B-weighting)： 模擬中等音量下的響度，衰減曲線介於 A 和 C 之間。
• C-計權 (C-weighting)： 模擬較高音量下的響度，對低頻聲音的衰減較小，整體響度曲線較平坦。
• D-計權 (D-weighting)： 主要用於模擬飛機噪音，對高頻聲音的靈敏度較高。
• Z-計權 (Z-weighting)： 意為 Flat (平坦)，不做任何頻率修正，代表原始聲壓級。

計權後的聲壓級計算公式為：
$L_w = L_{SPL} + W(f)$
其中，$L_w$ 是計權後的聲壓級 (dB)，$L_{SPL}$ 是原始聲壓級 (dB)，$W(f)$ 是對應頻率 $f$ 的計權值 (dB)。

解題步驟：

1. 計算 dBA：
   dBA 是指 A-計權後的總聲壓級。計算方法是將各頻率下的 A-計權聲壓級（SPL + A-weighting）相加。
   首先計算各頻率點的 A-計權聲壓級：

   • 31.5 Hz: $70 + (-39) = 31 \text{ dB}$
   • 63 Hz: $85 + (-26) = 59 \text{ dB}$
   • 125 Hz: $80 + (-16) = 64 \text{ dB}$
   • 250 Hz: $75 + (-9) = 66 \text{ dB}$
   • 500 Hz: $75 + (-3) = 72 \text{ dB}$
   • 1000 Hz: $78 + 0 = 78 \text{ dB}$
   • 2000 Hz: $80 + 1 = 81 \text{ dB}$
   • 4000 Hz: $73 + 1 = 74 \text{ dB}$
   • 8000 Hz: $64 + (-1) = 63 \text{ dB}$

   將這些值以能量形式（或聲壓平方）相加，然後轉換回 dB。總聲壓級 $L_{eq}$ 的計算（能量平均）：
   $L_{eq} = 10 \log_{10} \left( \sum_{i=1}^{n} 10^{L_i/10} \right)$
   $L_{dBA} = 10 \log_{10} (10^{31/10} + 10^{59/10} + 10^{64/10} + 10^{66/10} + 10^{72/10} + 10^{78/10} + 10^{81/10} + 10^{74/10} + 10^{63/10})$
   $L_{dBA} = 10 \log_{10} (1.26 \times 10^3 + 7.94 \times 10^5 + 2.51 \times 10^6 + 3.98 \times 10^6 + 1.58 \times 10^7 + 6.31 \times 10^7 + 1.26 \times 10^8 + 2.51 \times 10^7 + 1.99 \times 10^6)$
   $L_{dBA} = 10 \log_{10} (2.15 \times 10^8)$
   $L_{dBA} \approx 10 \times (8.33)$
   $L_{dBA} \approx 83.3 \text{ dB}$

2. 計算 dBD：
   dBD 是指 D-計權後的總聲壓級。計算方法與 dBA 類似，但使用 D-計權值。
   首先計算各頻率點的 D-計權聲壓級：

   • 31.5 Hz: $70 + (-16) = 54 \text{ dB}$
   • 63 Hz: $85 + (-11) = 74 \text{ dB}$
   • 125 Hz: $80 + (-6) = 74 \text{ dB}$
   • 250 Hz: $75 + (-2) = 73 \text{ dB}$
   • 500 Hz: $75 + 0 = 75 \text{ dB}$
   • 1000 Hz: $78 + 0 = 78 \text{ dB}$
   • 2000 Hz: $80 + 8 = 88 \text{ dB}$

本題考驗對揮發性有機物 (VOCs) 的定義，以及其排放控制技術的認識。

核心觀念：
揮發性有機物 (VOCs) 是指在常溫常壓下，容易揮發成氣體的有機化合物。它們來源廣泛，是重要的空氣污染物，參與光化學反應，形成臭氧及細懸浮微粒 (PM2.5)。

定義 VOCs：
VOCs (Volatile Organic Compounds)，中文稱為揮發性有機物，是指在標準條件 (通常為 25°C，101.3 kPa) 下，沸點低於或等於 100°C，且在常壓下，蒸氣壓大於或等於 0.01 kPa 的有機化合物，或是其總有機揮發性有機物 (TVOC) 的質量濃度超過 240 mg/m³ 的有機物。簡單來說，就是指那些容易從液態或固態轉變成氣態的有機化合物。

VOCs 的來源包括：

• 工業製程： 溶劑使用（塗料、印刷、清潔）、石油化工、化學合成等。
• 交通運輸： 汽機車燃燒不完全、燃料揮發。
• 生活源： 建築材料、家具釋放的甲醛、苯等，清潔劑、殺蟲劑、化妝品。
• 生物源： 植物排放的萜烯類化合物。

VOCs 的環境影響：

• 形成臭氧 (O3)： 在陽光照射下，VOCs 和氮氧化物 (NOx) 會發生光化學反應，生成地面臭氧，是光化學煙霧的主要成分。
• 形成細懸浮微粒 (PM2.5)： VOCs 可以通過氣相反應生成二次有機氣溶膠，成為 PM2.5 的重要組成部分。
• 對人體健康的影響： 許多 VOCs 具有毒性、致癌性、致突變性，例如苯、甲醛、氯乙烯等，會對呼吸系統、神經系統等造成危害。
• 惡臭： 部分 VOCs 具有難聞的氣味。

三種 VOCs 排放控制方法及其工作機制：

1. 吸附法 (Adsorption)
   • 工作機制： 利用具有高表面積和吸附能力的吸附劑（如活性碳、沸石、矽膠等），將廢氣中的 VOCs 分子吸附在吸附劑表面。VOCs 分子與吸附劑表面產生物理或化學作用力而被捕獲。
   • 優點： 對於低濃度、大風量的 VOCs 排放較為經濟有效；吸附劑可再生重複使用。
   • 再生方式： 當吸附劑飽和後，可透過加熱（如蒸汽吹掃、熱空氣）或減壓的方式，將吸附的 VOCs 脫附出來，進行後續處理（如冷凝回收、焚燒）或直接排放（若濃度極低）。
   • 應用： 廣泛應用於溶劑回收、惡臭去除、工業廢氣處理。

本題考驗對戴奧辛 (Dioxins) 及其類似物的生成機制、環境傳輸、生物累積性、毒性，以及在焚化爐中的控制方法的理解。

核心觀念：
戴奧辛是一類有毒的有機化合物，具有持久性、生物累積性和致癌性。它們的生成與不完全燃燒過程密切相關，特別是在含氯有機物存在的情況下。

1. 戴奧辛的生成機制：

• 自然生成 (Natural Formation)：

  • 火山爆發和森林火災： 高溫燃燒過程，尤其是在有機物和氯源（如海鹽）同時存在時，可能產生少量戴奧辛。
  • 海洋生物過程： 某些海洋生物的代謝過程可能產生少量與戴奧辛結構相似的化合物。
  • 整體而言，自然生成的戴奧辛量遠低於人為產生量。

• 人為生成 (Unnatural/Anthropogenic Formation)：
  這是戴奧辛的主要來源。

  • 不完全燃燒過程：
    • 焚化爐 (Incinerators)： 尤其是未經妥善控制的垃圾焚化爐，是人為戴奧辛最重要的排放源之一。在 250°C 至 450°C 的溫度範圍內，氯源（如 PVC 塑膠、鹽）存在於有機物中，在還原性氣氛下，未完全燃燒的有機物（如碳微粒）會與氯結合，形成戴奧辛。
    • 工業製程： 氯化學品製造（如農藥、染料、紙漿漂白）、金屬冶煉（特別是銅、鋁）、水泥窯等。
    • 燃料燃燒： 燃燒含氯燃料、煤炭、木材等，若燃燒條件不佳，也可能生成。
  • 化學合成： 某些化學品（如氯酚類化合物）的合成過程中，可能作為副產物產生戴奧辛。
  • 廢棄物處理： 燃燒或高溫處理含氯的電子廢棄物、醫療廢棄物。

2. 環境傳輸與生物累積：
戴奧辛具有揮發性，可透過大氣長距離傳輸。由於其化學性質穩定且脂溶性高，不易在生物體內分解，會透過食物鏈逐級累積 (biomagnification)，對高階消費者（包括人類）造成健康風險。

3. 戴奧辛的毒性：
許多戴奧辛類物質被國際癌症研究中心 (IARC) 列為人類致癌物 (Group 1)，它們還可能引起內分泌干擾、免疫抑制、發育異常等多種健康問題。

4. 焚化爐中控制戴奧辛的三種方法：

• 方法一：優化燃燒條件 (Optimize Combustion Conditions)
  • 機制： 確保有機物完全燃燒，並避免在戴奧辛的「形成溫度窗口」（約 250-450°C）停留過久。
  • 具體措施：
    • 高溫燃燒： 在焚化爐的燃燒室維持高溫 (通常 > 850°C，甚至 1000-1200°C)，確保有機物徹底分解。

核心觀念

本題考查兩部分：

1. 焚化處理適用性判斷：主要依據廢棄物的含水率、可燃分及低位發熱量，判斷是否能維持自燃。
2. 堆肥混合計算：利用水分平衡求混合比例，再依各股廢棄物的碳、氮含量計算混合物的 $C/N$ 比。

題目中的元素組成與水分、灰分合計約為 $100\%$，因此以下皆以濕基計算。

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解題方法

一、判斷是否適合焚化

原有機廢棄物組成為：

• 含水率：$74.9\%$
• 灰分：$0.01\%$
• 可燃分：約 $25\%$

雖然灰分極低，但含水率高達 $74.9\%$，代表大量熱能必須先用來蒸發水分，且可燃分僅約四分之一，會使有效發熱量大幅降低。

以 Dulong 公式估算高位發熱量：

$$HHV=81C+342.5\left(H-\frac{O}{8}\right)+22.5S$$

其中 $C,H,O,S$ 為濕基質量百分比：

$$\begin{aligned} HHV &=81(12)+342.5\left(1.5-\frac{10.25}{8}\right)+22.5(0.05)\\ &\approx 1048\ \text{kcal/kg} \end{aligned}$$

僅蒸發原有水分所需熱量約為：

$$Q_{\text{water}}=0.749(600) \approx 449\ \text{kcal/kg}$$

再考慮煙氣升溫、爐體散熱及未完全燃燒等熱損失，實際可利用的淨熱值會更低。一般而言，含水率接近或超過 $70\%$、可燃分偏低的有機廢棄物，不利於維持焚化爐自燃。

因此，若直接焚化，通常需要添加輔助燃料或先進行脫水；單獨焚化並不經濟，也不適合作為主要處理方式。

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二、求兩種廢棄物的混合比例

令：

• 原有機廢棄物質量為 $x$
• 農業廢棄物質量為 $y$

混合物含水率須控制為 $49\%$，因此進行水分平衡：

$$0.749x+0.20y=0.49(x+y)$$

整理得：

$$0.749x+0.20y=0.49x+0.49y$$ $$0.259x=0.29y$$

因此：

$$\frac{y}{x}=\frac{0.259}{0.29}=0.893$$

所以混合質量比為：

$$\boxed{x:y=1:0.893}$$

亦可表示為：

$$\boxed{\text{原有機廢棄物}:\text{農業廢棄物}=1.12:1}$$

若以混合物總質量為基準，則：

$$\text{原有機廢棄物比例} =\frac{1}{1+0.893} =52.83\%$$