113 年 國立臺灣大學環境工程研究所科學與工程丙組《環境工程概論》

此題主要在探討揮發性有機物 (VOCs) 與臭氧 (Ozone) 及細懸浮微粒 (PM2.5) 之間的關聯性。

核心觀念：
VOCs 是空氣污染物，在陽光照射下會與氮氧化物 (NOx) 發生光化學反應，生成臭氧 (O3)。同時，VOCs 也是 PM2.5 的前驅物之一，會透過氣相反應生成二次無機物或有機物，進而凝結形成 PM2.5。

詳解：

1. VOCs 與臭氧 (Ozone, O3) 的關係：
   • VOCs 主要來自移動污染源（如汽車、機車等燃燒過程）及其他工業活動。
   • 在陽光照射的條件下，VOCs 會與汽車排放的氮氧化物 (NOx) 發生一系列複雜的光化學反應。
   • 這些反應的最終產物之一是臭氧 (O3)。臭氧是一種二次污染物，本身並非直接排放，而是由一次污染物在大氣中轉化而來。
   • 因此，VOCs 的排放量越高，越容易在大氣中與 NOx 發生反應，生成更多的臭氧，尤其是在交通繁忙、日照充足的都會區，容易形成光化學煙霧。
   • 臭氧對人體呼吸系統有刺激作用，也會損害植物生長。

核心觀念

本題考查排放氣體的：

1. 濕基與乾基之間的換算。
2. 以氧氣濃度修正污染物濃度與排氣量。
3. 質量濃度與體積濃度 ppm 的換算。
4. 污染物排放率的計算。

已知：

• SO₂ 濃度：$200\ \mathrm{mg/m^3}$（濕基）
• 排氣濕度：$10\%$
• 濕基排氣量：$300\ \mathrm{Nm^3/min}$
• 排氣含氧量：$18\%$
• 參考氧氣濃度：$6\%$
• 溫度：$25^\circ\mathrm{C}$
• 壓力：$1\ \mathrm{atm}$
• SO₂ 分子量：$64.06\ \mathrm{g/mol}$

濕基中水蒸氣占 $10\%$，因此乾氣體占：

$$1-0.10=0.90$$

氧氣修正因子為：

$$F_{O_2} = \frac{21-O_{2,\mathrm{ref}}}{21-O_{2,\mathrm{meas}}} = \frac{21-6}{21-18} = \frac{15}{3} = 5$$

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解題方法

一、計算實際乾基排氣量

濕基排氣量中，乾氣體占 $90\%$，因此：

$$Q_{\mathrm{dry}} = Q_{\mathrm{wet}}(1-H)$$ $$Q_{\mathrm{dry}} = 300(1-0.10) = 270\ \mathrm{Nm^3/min}$$

所以實際乾基排氣量為：

$$\boxed{270\ \mathrm{Nm^3/min}}$$

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二、將 SO₂ 濃度換算為乾基濃度

原濃度為濕基濃度，換算成乾基時需除以乾氣體比例：

$$C_{\mathrm{dry}} = \frac{C_{\mathrm{wet}}}{1-H}$$ $$C_{\mathrm{dry}} = \frac{200}{0.90} = 222.22\ \mathrm{mg/m^3}$$

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三、計算氧氣修正後的 SO₂ 濃度

氧氣修正公式為：

$$C_{\mathrm{corr}} = C_{\mathrm{dry}} \frac{21-O_{2,\mathrm{ref}}}{21-O_{2,\mathrm{meas}}}$$

代入數值：

$$C_{\mathrm{corr}} = 222.22 \left( \frac{21-6}{21-18} \right)$$ $$C_{\mathrm{corr}} = 222.22\times 5 = 1111.11\ \mathrm{mg/m^3}$$

在 $25^\circ\mathrm{C}$、$1\ \mathrm{atm}$ 下，理想氣體莫耳體積為：

$$V_m = \frac{RT}{P} = 24.465\ \mathrm{L/mol}$$

質量濃度換算為 ppm 的公式為：

$$\mathrm{ppm} = \frac{C(\mathrm{mg/m^3})V_m(\mathrm{L/mol})}{MW(\mathrm{g/mol})}$$

因此：

$$\mathrm{SO_2\ ppm} = \frac{1111.11\times 24.465}{64.06}$$ $$\mathrm{SO_2\ ppm} \approx 424.3\ \mathrm{ppm}$$

氧氣修正後的 SO₂ 濃度為：

$$\boxed{約\ 424\ \mathrm{ppm}}$$

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四、計算氧氣修正後的乾基排氣量

此題分為兩部分，第一部分要求比較堆肥化 (Composting) 與厭氧消化 (Anaerobic Digestion) 的異同，第二部分則是一個化學計量計算題，估算特定有機物厭氧消化產生的沼氣量。

第一部分：堆肥化與厭氧消化之比較 (5 points)

核心觀念：
兩者皆為處理有機廢棄物的生物處理方法，但其反應環境（有氧 vs. 厭氧）及產物有所不同。

相似性 (Similarities)：

1. 目標： 兩者皆以分解有機物、降低廢棄物體積、穩定化有機物、並產生有價值的副產品（堆肥或沼氣）為目標。
2. 微生物作用： 兩者都依賴微生物（細菌、真菌等）的生化作用來分解有機質。
3. 有機質分解： 都會將複雜的有機物分解為較簡單的物質。
4. 減量與穩定化： 都能有效減少廢棄物的總量，並將其轉化為較穩定的狀態，減少惡臭與病原體。
5. 可產生肥料： 堆肥化最終產物是堆肥，可作為土壤改良劑；厭氧消化後的沼渣沼液也富含營養，可作為液肥或固體肥料。

差異性 (Differences)：

特徵	堆肥化 (Composting)	厭氧消化 (Anaerobic Digestion)
反應環境	好氧 (Aerobic)：需要充足的氧氣。	厭氧 (Anaerobic)：在無氧環境下進行。
主要微生物	好氧性細菌、真菌、放線菌等。	厭氧菌、兼性厭氧菌（如水解菌、產酸菌、產甲烷菌）。
主要產物	堆肥 (Compost)：穩定的固體有機物，可用於土壤改良。	沼氣 (Biogas)：主要成分為甲烷 (CH4) 和二氧化碳 (CO2)，可燃燒發電；沼渣沼液 (Digestate)：富含營養的肥料。
反應過程	主要為好氧氧化分解，產生 CO2、H2O、熱量。	主要為厭氧水解、酸化、甲烷化等步驟，產生 CH4、CO2、H2O、少量熱量。
處理速度	相對較快 (數週至數月)。	相對較慢 (數週至數月，但視條件而定)。
能量回收	主要為熱能釋放，難以有效回收。	可回收利用沼氣的化學能 (燃燒發電、供熱)。
惡臭控制	若操作不當（如缺氧）可能產生惡臭，但良好操作下惡臭較少。	厭氧環境下，產生的揮發性硫化物等惡臭物質較少。
投資成本	相對較低。	相對較高（需密閉反應器、氣體收集系統等）。
適用廢棄物	廣泛適用於含碳有機物，如廚餘、畜禽糞便、農業廢棄物、污泥等。	適用於高濃度有機廢棄物，特別是含水量較高的，如廚餘、畜禽糞便、沼渣、污水處理污泥等。

第二部分：厭氧消化產生的沼氣量計算 (5 points)

核心觀念：
利用化學計量學，根據反應物（有機廢棄物）的化學組成，推算產物（沼氣）的量。厭氧消化的基本反應是將有機物分解為甲烷 (CH4) 和二氧化碳 (CO2)。

好的，這是一份針對國立臺灣大學環境工程研究所 113 學年度入學考試「環境工程概論」科目第 4 題的詳解。

這題主要在考驗考生對於兩種重要的碳捕捉技術：生物能源碳捕捉利用與封存 (BECCUS) 和碳捕捉與封存 (CCS) 的理解，特別是它們之間的相似點與差異點。

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4. Bio-Energy Carbon Capture Utilization and Storage (BECCUS) and Carbon Capture and Storage (CCS) are both technologies aiming at capturing carbon dioxide to prevent it from entering the atmosphere. Please explain the similarities and differences between BECCUS and CCS technologies. (10 points)

解題過程：

本題要求說明 BECCUS 和 CCS 這兩種碳捕捉技術的相似點與差異點。首先，我們需要理解這兩種技術的核心目標，然後逐一分析它們在碳源、捕捉方式、利用與封存等方面可能存在的異同。

(a) 相似點 (Similarities)

BECCUS 和 CCS 的最主要相似點在於它們的最終目標都是為了減少大氣中二氧化碳的濃度，進而減緩氣候變遷。為達成此目標，兩者都涉及以下幾個共同的關鍵環節：

1. 二氧化碳捕捉 (Carbon Capture): 這是兩種技術的基礎。無論是從燃燒後的煙道氣中捕捉，或是從其他工業製程中捕捉，其目的都是將 CO₂ 從氣體混合物中分離出來。捕捉技術可能包括物理吸附、化學吸收、膜分離、低溫分離等。
2. 二氧化碳運輸 (Carbon Transport): 一旦 CO₂ 被捕捉，通常需要將其運輸到處理或封存的地點。運輸方式可能包括管道輸送、船舶運輸或卡車運輸。
3. 二氧化碳處理/利用/封存 (Carbon Utilization/Storage): 這是兩種技術的後續處理方式。
   • 封存 (Storage): 將捕捉到的 CO₂ 注入地質構造中，例如枯竭的油氣田、深部鹹水層或煤層，使其長期與大氣隔離。
   • 利用 (Utilization): 將捕捉到的 CO₂ 作為原料，用於生產其他產品，例如化學品、燃料、建材等。

總結來說，兩者都旨在從排放源或大氣中移除 CO₂，並透過運輸將其導向後續的處理（利用或封存），以達到減排的目的。

(b) 差異點 (Differences)

BECCUS 和 CCS 的主要差異點體現在它們的碳源以及**「生物能源」**這個關鍵字所代表的額外意義上。

1. 碳源 (Carbon Source):
   • CCS (Carbon Capture and Storage): 主要捕捉的是非生物來源的二氧化碳，例如來自燃燒化石燃料（煤、石油、天然氣）的發電廠、水泥廠、鋼鐵廠、煉油廠等工業製程的煙道氣，或是直接從空氣中捕捉 (Direct Air Capture, DAC)。這些來源的 CO₂ 通常被認為是「新增」進入碳循環的碳。