112 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》

本題主要在探討三個重要的環境工程名詞及其環境意涵。

(1) Bioconcentration Factor (BCF)
【名詞解釋】生物濃縮因子（Bioconcentration Factor, BCF）是指水生生物體內某種化學物質的濃度與其所處水體中該化學物質濃度的比值。它是一個無因次的比值，用來衡量生物體吸收環境中化學物質的能力。BCF 值越高，表示該物質在生物體內的累積程度越高。
【環境意涵】BCF 是評估化學物質生態毒性風險的重要指標。高 BCF 值的物質容易在食物鏈中累積（生物放大，biomagnification），對高階消費者（包括人類）構成潛在健康威脅。例如，持久性有機污染物（POPs）常具有高 BCF 值。因此，在環境保護和風險評估中，BCF 是篩選和管制有毒化學物質的關鍵參數。

(2) Zero Liquid Discharge (ZLD)
【名詞解釋】零液體排放（Zero Liquid Discharge, ZLD）是一種水資源管理策略，旨在透過一連串的廢水處理、回收及再利用技術，使工業或區域的廢水排放量趨近於零。其最終目標是最大程度地回收水資源，並將濃縮的污染物固化處理，以實現「零排放」。
【環境意涵】ZLD 策略對於水資源匱乏的地區或對水質要求極高的產業（如半導體、製藥業）至關重要。它能顯著減少對外部水源的依賴，降低廢水對環境的污染負荷，並可能回收其中的有價值物質。

本題考驗溶解度平衡（solubility equilibrium）的觀念，計算固體鹽類在水中溶解達平衡時，特定離子的濃度。

【核心觀念】
固體鹽類在水中的溶解度受到其溶度積（Solubility Product, K$_{sp}$）的限制。當固體鹽類與其離子在水中達到飽和狀態時，固體溶解速率與離子沉澱速率相等，此時達到動態平衡。

【解題步驟】

1. 寫出溶解平衡反應式與溶度積常數表達式：
   題目已提供：
   AlPO$_4$(s) $\rightleftharpoons$ Al$^{3+}$ + PO$_4^{3-}$
   $K_{sp}$ = [Al$^{3+}$][PO$_4^{3-}$] = 10$^{-22}$

2. 定義溶解度與離子濃度：
   假設 AlPO$_4$ 在純水中的溶解度為 $S$ mol/L。
   根據反應式，每溶解 1 莫耳的 AlPO$_4$，會產生 1 莫耳的 Al$^{3+}$ 和 1 莫耳的 PO$_4^{3-}$。
   因此，在平衡時，
   [Al$^{3+}$] = $S$ mol/L
   [PO$_4^{3-}$] = $S$ mol/L

3. 利用溶度積常數計算溶解度 $S$：
   將離子濃度代入 $K_{sp}$ 表達式：
   $K_{sp}$ = ($S$)($S$) = $S^2$
   $S^2$ = 10$^{-22}$
   $S$ = $\sqrt{10^{-22}}$ = 10$^{-11}$ mol/L

4. 計算 PO$_4^{3-}$ 的莫耳濃度：
   由於 [PO$_4^{3-}$] = $S$，所以 PO$_4^{3-}$ 的莫耳濃度為 10$^{-11}$ mol/L。

5. 將莫耳濃度轉換為毫克/升 (mg/L)：
   需要 AlPO$_4$ 的分子量。
   原子量：Al ≈ 26.98 g/mol, P ≈ 30.97 g/mol, O ≈ 16.00 g/mol
   AlPO$_4$ 的分子量 = 26.98 + 30.97 + (4 × 16.00) = 26.98 + 30.97 + 64.00 = 121.95 g/mol

   由於 AlPO$_4$ 的溶解度為 $S$ = 10$^{-11}$ mol/L，
   PO$_4^{3-}$ 的濃度（以質量計）= ( PO$_4^{3-}$ 的莫耳濃度 ) × ( PO$_4^{3-}$ 的莫耳質量 )
   然而，題目要求的是「PO$_4^{3-}$ 的濃度」，這通常是指離子的質量濃度。
   若題目問的是「AlPO$_4$ 的濃度」，則直接用 AlPO$_4$ 的分子量。

本題考驗毒理學中的劑量-反應關係（Dose-Response Relationship）及半數致死劑量（Median Lethal Dose, LD50）的觀念。

【核心觀念】
劑量-反應曲線描述了生物體暴露於某種化學物質的劑量與其產生的反應（例如毒性效應、死亡率）之間的關係。通常，劑量越高，反應越強烈。半數致死劑量 (LD50) 是衡量化學物質急性毒性的一個常用指標。

【繪製劑量-反應曲線】
一個典型的劑量-反應曲線（特別是針對死亡率而言）通常呈現 S 型（sigmoid curve），尤其是在使用對數座標表示劑量時。

1. 座標軸：

   • 橫軸 (X 軸)：劑量 (Dose)，通常以對數尺度表示（log(Dose)），單位可能是 mg/kg 體重、mg/L 等。
   • 縱軸 (Y 軸)：反應（Response），例如死亡率 (%)、某種生物指標的變化百分比。

2. 曲線形狀：

   • 當劑量很低時，反應很弱或沒有反應。
   • 隨著劑量增加，反應強度逐漸增強。
   • 在某個劑量範圍內，反應強度增加最快。
   • 當劑量達到一定程度後，反應趨於飽和，即使劑量繼續增加，反應強度也不再顯著增加。
   • 對於死亡率而言，曲線從 0% 上升到 100%。

   【Typical Dose-Response Curve (Mortality)**】

核心觀念

CMBR（completely mixed batch reactor，完全混合批次反應槽）以批次接觸時間控制污染物降解。假設：

• 進流水量為 $Q=0.10\ \mathrm{m^3/s}$
• 進流濃度為 $C_0=30\ \mathrm{mg/L}$
• 目標濃度為 $C=5\ \mathrm{mg/L}$
• 批次處理期間槽內完全混合，污染物僅因反應降解
• 反應完成後排出，再進行下一批次

槽體積由下式決定：

$$V=Q\theta$$

其中 $\theta$ 為達到目標濃度所需的反應時間。

先將流量換算為每日流量：

$$Q=0.10\ \mathrm{m^3/s}\times 86400\ \mathrm{s/day} =8640\ \mathrm{m^3/day}$$

由於題目要求「小於 $5\ \mathrm{mg/L}$」，設計最小體積時以臨界值 $C=5\ \mathrm{mg/L}$ 計算。

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解題方法一：零階反應

零階衰減速率為常數：

$$-\frac{dC}{dt}=k_0$$

積分得：

$$C=C_0-k_0t$$

因此所需反應時間為：

$$\theta=\frac{C_0-C}{k_0}$$

代入 $k_0=0.80\ \mathrm{mg\,L^{-1}\,day^{-1}}$：

$$\theta =\frac{30-5}{0.80} =31.25\ \mathrm{day}$$

所需反應槽體積：

$$V=Q\theta =8640\times31.25 =270000\ \mathrm{m^3}$$

因此：

$$\boxed{V=2.70\times10^5\ \mathrm{m^3}}$$

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解題方法二：一階反應

一階衰減速率與污染物濃度成正比：

$$-\frac{dC}{dt}=k_1C$$

積分得：

本題分為兩部分，第一部分考驗基礎廢水處理單元（初級與二級處理）的區別，第二部分則要求設計一個將都市次級處理後的放流水，進一步處理至高科技產業用水標準的流程。

(1) 初級與二級廢水處理的區別 (Primary vs. Secondary Wastewater Treatment)

【核心觀念】
都市廢水處理通常包含初級、二級和高級處理。初級和二級處理是去除廢水中污染物最基本的兩個階段。

• 初級處理 (Primary Treatment)

  • 目的： 主要去除廢水中較大的懸浮固體（TSS, Total Suspended Solids）和部分溶解性有機物。
  • 主要操作單元：
    • 攔污栅 (Screening)： 去除大塊雜物，如樹枝、塑膠袋等。
    • 沉砂池 (Grit Chamber)： 去除較重的無機顆粒，如砂石。
    • 沉澱池 (Primary Sedimentation Tank / Clarifier)： 透過重力沉降，使較大的懸浮固體沉澱下來，形成初級污泥（primary sludge）。
  • 去除效率： 通常可去除 50-65% 的懸浮固體，25-35% 的生化需氧量（BOD, Biochemical Oxygen Demand）。
  • 產生的污泥： 初級污泥。

• 二級處理 (Secondary Treatment)

  • 目的： 主要去除初級處理後殘留的溶解性及膠體性有機物，並透過生物方法將其轉化為較穩定的物質。
  • 主要操作單元：
    • 生物處理單元 (Biological Treatment)： 利用微生物（好氧或厭氧）分解有機物。常見方法包括：
      • 活性污泥法 (Activated Sludge Process)
      • 生物濾池 (Trickling Filter)
      • 生物膜反應器 (Bioreactor)
      • 穩定塘 (Stabilization Pond)
    • 二次沉澱池 (Secondary Sedimentation Tank / Clarifier)： 將生物處理過程中產生的生物質（活性污泥）與處理後的水分離。
  • 去除效率： 在初級處理的基礎上，可額外去除 85-95% 的 BOD 和懸浮固體。
  • 產生的污泥： 次級污泥（secondary sludge 或 waste activated sludge, WAS）。

【總結區別】

特徵	初級處理 (Primary Treatment)	二級處理 (Secondary Treatment)
主要目標	去除較大懸浮固體、部分溶解性有機物	去除溶解性及膠體性有機物，生物分解污染物
主要方法	物理方法（沉澱、篩選）	生物方法（活性污泥、生物濾池等）
去除率	TSS 約 50-65%, BOD 約 25-35%	TSS 約 85-95% (總計), BOD 約 85-95% (總計)
產生的污泥	初級污泥 (Primary Sludge)	次級污泥 (Secondary Sludge / WAS)
進流水	未經處理的原廢水 (Raw Wastewater)	初級處理後的廢水 (Primary Effluent)
出流水	初級處理放流水 (Primary Effluent)	二級處理放流水 (Secondary Effluent)

(2) 次級放流水至高科技產業用水標準的水質淨化流程

【核心觀念】
高科技產業（如半導體、電子製造業）對用水的水質要求極高，通常需要達到超純水（Ultrapure Water, UPW）的標準，其污染物含量需在 ppb (parts per billion) 或 ppt (parts per trillion) 等級。這意味著需要去除絕大多數的懸浮固體、溶解性鹽類、有機物、細菌、病毒等。

本題旨在探討環境工程領域中三個重要的永續發展相關概念：永續發展、綠色化學與循環經濟。

(1) 永續發展 (Sustainable Development)

• 定義： 永續發展是指「既能滿足當代的需要，又不損害後代滿足其需要的能力的發展」。這個定義最早由布倫特蘭委員會（Brundtland Commission）在 1987 年的報告《我們共同的未來》（Our Common Future）中提出。
• 核心理念： 永續發展強調發展必須在經濟、社會和環境三個面向之間取得平衡。這三個面向被稱為「永續發展的三大支柱」或「三重底線」（Triple Bottom Line）：
  1. 經濟永續 (Economic Sustainability)： 追求經濟成長和效率，確保資源能夠持續產生經濟效益，並能支持長期的經濟活動。
  2. 社會永續 (Social Sustainability)： 關注社會公平、公正、包容性，確保所有人都享有基本權利和機會，促進社區福祉，維護社會穩定。
  3. 環境永續 (Environmental Sustainability)： 保護自然資源和生態系統，減少污染和廢棄物，減緩氣候變遷，確保地球的承載能力不被破壞，供後代使用。
• 環境工程的關聯： 環境工程在實現永續發展中扮演關鍵角色，例如：開發潔淨生產技術、設計廢棄物處理與資源回收系統、推動再生能源應用、改善水質與空氣品質、進行環境影響評估等，都是為了平衡經濟發展與環境保護的需求。

(2) 綠色化學 (Green Chemistry)

• 定義： 綠色化學（也稱為永續化學）是一門化學學科，旨在設計、製造和應用化學產品及過程，以減少或消除有害物質的使用和產生。它關注化學活動對人類健康和環境的影響。
• 十二項綠色化學原則 (12 Principles of Green Chemistry)： 美國化學家 Paul Anastas 和 John Warner 提出了綠色化學的十二項原則，是指導綠色化學實踐的核心：
  1. 預防廢棄物 (Prevention)： 預防勝於處理。
  2. 原子經濟 (Atom Economy)： 設計合成方法，使最終產品中的所有原子都來自起始原料，最大化原子利用率。
  3. 較低毒性化學合成 (Less Toxic Synthesis)： 設計使用或產生對人類和環境毒性最低的物質。
  4. 設計更安全的化學品 (Designing Safer Chemicals)： 設計具有有效功能但毒性極小的化學品。
  5. 更安全的溶劑與輔助物 (Safer Solvents and Auxiliaries)： 避免使用或盡量減少使用溶劑、分離劑等輔助物質。
  6. 能源效率設計 (Design for Energy Efficiency)： 盡量在室溫和常壓下進行化學反應，減少能源消耗。
  7. 使用再生原料 (Use of Renewable Feedstocks)： 盡量使用可再生資源（如生物質）作為原料，而非消耗性資源（如石油）。
  8. 減少衍生物 (Reduce Derivatives)： 避免不必要的衍生步驟（如保護基團的使用），因為這些步驟會產生額外廢棄物。

本題考驗對現代廢棄物掩埋場（Landfill）不同類型的理解，特別是衛生掩埋場、密封掩埋場和穩定化掩埋場之間的區別。這三種名詞有時會相互重疊或用於描述掩埋場的不同階段或設計重點。

【核心觀念】
隨著環保意識的提高，傳統的開放式或未經處理的垃圾填埋場已逐漸被淘汰，取而代之的是更環保、更安全的設計。衛生掩埋場、密封掩埋場和穩定化掩埋場都代表了更先進的廢棄物處理技術，但它們側重的重點和技術細節有所不同。

1. 衛生掩埋場 (Sanitary Landfill)

• 定義： 衛生掩埋場是現代廢棄物處理的標準方法，其設計和操作旨在最大限度地減少對環境和健康的危害。它是一種受嚴格監管的設施，用於安全地處置非回收利用的固體廢棄物。
• 關鍵特徵：
  • 選址： 選擇遠離水源、人口密集區，且地質條件穩定的地點。
  • 襯墊系統 (Liner System)： 底部鋪設一層或多層防水材料（如黏土、高密度聚乙烯 HDPE 膜），以防止滲濾液（leachate）滲入土壤和地下水。
  • 滲濾液收集與處理系統 (Leachate Collection and Treatment System)： 鋪設管道收集滲濾液，並將其導出進行處理，以防止污染環境。
  • 氣體收集系統 (Gas Collection System)： 掩埋過程中會產生沼氣（主要為甲烷和二氧化碳），需收集起來。這些氣體可以透過燃燒（焚化）來減少溫室效應，或進一步回收利用（如發電）。
  • 覆蓋 (Daily Cover)： 每天掩埋廢棄物後，會覆蓋一層土壤或替代材料，以防止風吹揚塵、減少異味、防止動物棲息和雨水滲入。
  • 監測 (Monitoring)： 定期監測地下水、地表水和空氣品質，以及掩埋場的穩定性。
• 目標： 控制污染物擴散，保護地下水和空氣品質，減少對周圍環境的影響。

2. 密封掩埋場 (Sealed Landfill)

• 定義： 「密封掩埋場」這個術語通常用來強調掩埋場的「封閉性」和「防止污染物擴散」的設計。它可能與衛生掩埋場的許多特徵重疊，特別是強調了對滲濾液和氣體的嚴格控制。
• 關鍵特徵：
  • 強調封閉性： 嚴格的襯墊系統、完善的滲濾液收集系統，以及最終的封頂覆蓋（final cover）。
  • 最終封頂 (Final Capping)： 在掩埋場達到設計容量並關閉後，會鋪設一層複雜的覆蓋系統，通常包括多層材料（如黏土、土工膜、排水層、植被層），以最大限度地減少雨水滲入，並防止氣體逸出。
  • 可能用於特定廢棄物： 有時「密封掩埋場」也可能指專門處理具有高毒性或危險性的廢棄物（如有害廢棄物）的掩埋場，其封閉要求極高。
• 與衛生掩埋場的關係： 一個設計良好的衛生掩埋場，其最終封頂和嚴格的滲濾液/氣體管理，使其可以被視為一種「密封掩埋場」。這個詞更側重於「封閉」這個物理狀態和功能。

3. 穩定化掩埋場 (Stabilized Landfill)

• 定義： 「穩定化掩埋場」則側重於掩埋場內廢棄物的「穩定性」處理。這意味著在填埋前或填埋過程中，對廢棄物進行處理，以降低其生物活性、化學反應性或物理不穩定性，從而減少後續的滲濾液產生量、沼氣產生量，並提高掩埋場的長期穩定性。
• 關鍵特徵：
  • 預處理 (Pre-treatment)： 在填埋前對廢棄物進行處理，例如：

本題考驗對氮氧化物 (NOx) 控制技術的理解，特別是選擇性催化還原 (SCR) 和非選擇性催化還原 (SNCR) 這兩種常見的還原方法，以及它們的化學反應。

【核心觀念】
氮氧化物 (NOx)，主要是 NO 和 NO₂，是燃燒過程中的主要空氣污染物之一，會導致酸雨、光化學煙霧和呼吸系統疾病。控制 NOx 的方法主要有兩種：一是「燃燒前控制」（如使用低 NOx 燃燒器），二是「燃燒後控制」。SCR 和 SNCR 都是屬於燃燒後控制的技術，它們利用還原劑（通常是氨 NH₃ 或尿素）將 NOx 還原成無害的氮氣 (N₂)。

1. 選擇性催化還原 (Selective Catalytic Reduction, SCR)

• 定義： SCR 是一種在催化劑存在下，利用還原劑（通常是氨 NH₃）將煙氣中的 NOx 選性地還原成 N₂ 和 H₂O 的技術。
• 操作條件：
  • 溫度範圍： 通常在 300°C 至 450°C 之間。這個溫度範圍對催化劑的活性和 NOx 的還原效率至關重要。
  • 催化劑： 常用催化劑包括貴金屬（如鉑 Pt）、金屬氧化物（如氧化釩 V₂O₅ 负载於二氧化鈦 TiO₂ 或氧化鎢 WO₃）或沸石（zeolite）。催化劑的選擇取決於操作溫度和煙氣成分。
  • 還原劑： 通常使用氨 (NH₃)。氨可以以氣態或尿素水溶液的形式注入，在高溫下分解產生氨。
• 選擇性 (Selectivity)： SCR 的關鍵在於其「選擇性」。在適當的溫度和催化劑下，氨主要與 NOx 反應生成 N₂ 和 H₂O。
• 化學反應式：
  • 標準 SCR 反應 (NH₃ 為還原劑)：
    • 4NO + 4NH₃ + O₂ $\rightarrow$ 4N₂ + 6H₂O (當煙氣中有 O₂ 時)
    • 2NO + 2NH₃ $\rightarrow$ 2N₂ + 3H₂O (無 O₂ 時)
    • 6NO₂ + 8NH₃ $\rightarrow$ 7N₂ + 12H₂O
    • NO + NO₂ + 2NH₃ $\rightarrow$ 2N₂ + 3H₂O
  • 副反應：
    • 如果氨過量，或溫度過高，可能會產生過量的氨，並與 SO₂ 反應生成硫酸銨 (NH₄)₂SO₄ 和硫酸氫銨 NH₄HSO₄，這些物質會沉積在設備表面，造成堵塞和腐蝕（飛灰結垢，fouling and plugging）。
    • 若溫度過低，氨可能與 SO₃ 反應生成硫酸氫銨。
• 優點： NOx 轉化效率高（可達 90% 以上），選擇性好，副反應相對較少（在優化條件下）。
• 缺點： 需要催化劑（成本較高），需要額外的反應器空間，溫度窗口較窄。

2. 非選擇性催化還原 (Non-Selective Catalytic Reduction, SNCR)

• 定義： SNCR 也是利用還原劑（通常是氨 NH₃ 或尿素）將 NOx 還原成 N₂ 和 H₂O，但它不需要催化劑，反應發生在較高的溫度下。
• 操作條件：
  • 溫度範圍： 通常在 850°C 至 1100°C 之間。這是燃燒爐內部的溫度範圍。
  • 還原劑： 氨 (NH₃) 或尿素。
  • 無催化劑： 反應直接在煙氣的高溫下發生。
• 非選擇性 (Non-Selective)： SNCR 的「非選擇性」是指，在較高的溫度下，氨不僅與 NOx 反應，還可能與燃燒過程中的氧氣 (O₂) 反應，生成氮氧化物 (NOx) 或氮氣 (N₂)，這使得反應的選擇性不如 SCR。
• 化學反應式：
  • 主要反應 (NH₃ 為還原劑)：

本題考驗對燃煤鍋爐排放量的計算，以及減緩二氧化碳排放的策略。

(1) 計算燃煤鍋爐的二氧化碳年排放量

【核心觀念】
計算氣體排放量需要知道排放氣體的流量、濃度以及操作時間。此處的排放率已給定，但需將其轉換為標準狀況下的體積流量，並考慮其濃度。CO₂ 排放量計算為：
排放量 = 排放氣體體積流量 × 氣體濃度 × 操作時間

【解題步驟】

1. 轉換單位：

   • 體積流量： 題目給定排放率為 2,000 m³/min，是在 150°C 的溫度下。氣體體積會隨溫度變化，因此需要將其轉換到標準狀況（STP, Standard Temperature and Pressure）下的體積流量，或直接在給定溫度下計算。通常，排放量計算會轉換到標準狀況（如 0°C, 1 atm 或 25°C, 1 atm）。這裡我們選擇轉換到標準狀況 0°C (273.15 K) 和 1 atm (101.325 kPa)。

     • 給定溫度 $T_1 = 150^\circ C = 150 + 273.15 = 423.15$ K
     • 給定壓力 $P_1$ (假設為略高於大氣壓，但通常排放率已包含此影響，或假設為大氣壓)
     • 標準狀況溫度 $T_2 = 0^\circ C = 273.15$ K
     • 標準狀況壓力 $P_2 = 1$ atm = 101.325 kPa

     根據理想氣體定律 $PV=nRT$，在相同莫耳數下，$V \propto T/P$。假設壓力不變（或影響不大），則 $V_2/V_1 = T_2/T_1$。
     標準狀況下的體積流量 $Q_{STP} = Q_{actual} \times \frac{T_{standard}}{T_{actual}}$
     $Q_{STP} = 2000 \text{ m}^3/\text{min} \times \frac{273.15 \text{ K}}{423.15 \text{ K}}$
     $Q_{STP} \approx 2000 \times 0.6455 \text{ m}^3/\text{min} \approx 1291 \text{ m}^3/\text{min}$

   • CO₂ 濃度： 題目給定 CO₂ 濃度為 12%。這通常是指體積百分比 (volume percent, vol%)。
     $C_{CO_2} = 12\% = 0.12$ (體積比)

   • 操作時間： 題目要求計算年排放量。
     1 年 = 365 天 = 365 × 24 小時 = 365 × 24 × 60 分鐘 = 525,600 分鐘。

2. 計算 CO₂ 的體積流量 (標準狀況)：
   CO₂ 在標準狀況下的體積流量 = $Q_{STP} \times C_{CO_2}$
   $= 1291 \text{ m}^3/\text{min} \times 0.12$
   $= 154.92 \text{ m}^3/\text{min}$ (標準狀況下)

3. 計算年排放量：
   年排放量 = (CO₂ 在標準狀況下的體積流量) × (年總分鐘數)
   $= 154.92 \text{ m}^3/\text{min} \times 525,600 \text{ min/year}$
   $\approx 8.144 \times 10^7 \text{ m}^3/\text{year}$ (標準狀況下)

   注意事項：

   • 如果題目要求以質量計算，則需要知道 CO₂ 在標準狀況下的密度。
     CO₂ 的莫耳質量 $M_{CO_2} \approx 12.01 + 2 \times 16.00 = 44.01$ g/mol。
     在標準狀況 (0°C, 1 atm) 下，理想氣體的莫耳體積約為 22.4 L/mol = 0.0224 m³/mol。
     CO₂ 的密度 $\rho_{CO_2} = \frac{M_{CO_2}}{V_m} = \frac{44.01 \text{ g/mol}}{0.0224 \text{ m}^3/\text{mol}} \approx 1965$ g/m³ = 1.965 kg/m³。
     年排放質量 = $(8.144 \times 10^7 \text{ m}^3/\text{year}) \times (1.965 \text{ kg/m}^3)$
     $\approx 1.60 \times 10^8$ kg/year = 160,000 噸/年。