113 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》

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)。

這題考的核心觀念是碳捕捉、利用與封存（CCUS）技術中的兩種重要方法：生物能源碳捕捉利用與封存（BECCUS）以及傳統的碳捕捉與封存（CCS）。考生需要理解這兩種技術的目標、運作機制，並能比較它們之間的異同。

解題過程

本題要求說明 BECCUS 和 CCS 技術的相似點與差異點。這兩種技術的共同目標都是捕捉二氧化碳（CO2），以減少其排放至大氣中，進而減緩氣候變遷。然而，它們在 CO2 的來源、捕捉方式、以及後續的利用或封存途徑上存在顯著差異。

相似點：

1. 共同目標： 兩者最根本的相似之處在於其核心目標——減少大氣中的 CO2 濃度。它們都是為了緩解全球暖化和氣候變遷而開發的減碳技術。
2. 碳捕捉階段： 在捕捉 CO2 的階段，兩者都涉及將 CO2 從排放源（如工業製程、發電廠）或空氣中分離出來的過程。捕捉技術可能包含吸收法（如胺液吸收）、吸附法（如固體吸附劑）、膜分離法等，這些技術在 BECCUS 和 CCS 中都可能被應用。
3. 封存的可能性： 兩者都包含將捕捉到的 CO2 進行封存（Storage）的選項。封存通常是將 CO2 注射到地質構造中，例如枯竭的油氣田、鹽水層或煤層，使其長期與大氣隔離。

差異點：

1. CO2 的來源與捕捉方式：

   • CCS (Carbon Capture and Storage)： 主要針對點狀排放源（point sources）的 CO2 進行捕捉，例如燃燒化石燃料的發電廠、水泥廠、鋼鐵廠等工業製程。這些排放源的 CO2 濃度相對較高，捕捉效率和經濟性較佳。
   • BECCUS (Bio-Energy with Carbon Capture and Utilization/Storage)： 結合了生物能源生產和碳捕捉。其核心是利用生物質（biomass）作為燃料來發電或生產其他能源。生物質在生長過程中會吸收大氣中的 CO2，當其燃燒或轉化為能源時，產生的 CO2 可以被捕捉。由於生物質的生長過程吸收了 CO2，因此如果能有效捕捉並封存或利用這些燃燒產生的 CO2，整個過程理論上可以實現負碳排放（negative emissions）。BECCUS 的捕捉對象是生物質轉化過程中的 CO2，其來源是生物質本身。

2. 利用（Utilization）的差異：

   • CCS： 主要強調將捕捉到的 CO2 封存（Storage）起來，其利用（Utilization）選項相對較少，且通常是為了提高封存的經濟性，例如用於強化石油採收（EOR）。
   • BECCUS： 在名稱中就包含了「利用」（Utilization）。BECCUS 不僅可以將捕捉到的 CO2 封存，還可以將其利用於多種用途，例如：
     • 生產合成燃料（如甲烷、甲醇）。