115 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》

此題主要考量廚餘（food waste）進入掩埋場後，在厭氧分解過程中會產生的主要氣體。廚餘含有高有機質，在掩埋場的厭氧條件下，會進行厭氧消化（anaerobic digestion）。

厭氧消化過程主要會產生沼氣（biogas），其主要成分是甲烷（$CH_4$）和二氧化碳（$CO_2$）。此外，還有少量的硫化氫（$H_2S$）等其他氣體。

選項分析：
A. 碳氧化物（Carbon monoxide, CO）：在不完全燃燒時產生，掩埋場厭氧分解較少產生。

此題考查掩埋場滲漏液（Leachate）的特性。滲漏液是垃圾（包括廚餘）在掩埋場內，經過雨水滲入、有機物分解、化學反應等過程所產生的液體。

滲漏液的特性取決於掩埋場內垃圾的種類、分解階段、含水量等。廚餘的加入，會增加有機物的含量，加速分解過程。

選項分析：
A. 化學惰性流體，無需處理：錯誤。滲漏液含有大量污染物，必須經過處理。
B. 經過廢棄物層過濾處理後的水：部分正確，廢棄物層確實有吸附和過濾作用，但滲漏液仍含有大量溶解和懸浮污染物，並非「處理後的水」。
C. 高 pH 值、富含溶解氧的液體：錯誤。初期分解階段可能偏酸，後期穩定階段 pH 可能升高，但溶解氧通常很低，因為有機物分解會消耗氧氣。
D. 低 pH 值、高 BOD5 和溶解重金屬的液體：正確。

此題考查高鹽分（NaCl）對滲漏液生物處理的影響，特別是硝化作用。

滲漏液中的高鹽分，特別是 NaCl，會對微生物產生毒性作用。其中，硝化菌（nitrifying bacteria）對鹽分特別敏感。

選項分析：
A. 高鹽度會使微生物細胞脫水，特別是破壞移除氨氮所需的敏感硝化過程。正確。高鹽度會增加溶液的滲透壓，導致微生物細胞內的水分流失（脫水），影響細胞的正常代謝和生長。硝化作用（將氨氮轉化為硝酸鹽）是由亞硝化菌（如 Nitrosomonas）和硝化菌（如 Nitrobacter）負責，這些菌的生理活性對環境條件（如鹽度）非常敏感。高鹽度會顯著抑制硝化菌的活性，降低氨氮的去除效率。
B. 鹽增加水中溶解氧的溶解度。錯誤。

此題考查優養化（Eutrophication）的關鍵限制性營養素。

優養化是指水體中氮（N）和磷（P）等營養鹽濃度過高，導致藻類和水生植物過度生長，進而引發一系列生態問題（如水體缺氧、生物死亡等）。

在大多數淡水系統中，磷（P）通常是限制性營養素（limiting nutrient）。這意味著，即使氮（N）的供應量充足，只要磷的供應量不足，藻類的生長就會受到限制。因此，控制水體中的磷含量是減緩優養化的關鍵。

此題考查環境荷爾蒙（Environmental hormones）或稱內分泌干擾物（Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs）的性質。

內分泌干擾物是指外源性化學物質，它們可以干擾生物體的內分泌系統，進而對生物體、後代、種群或物種產生不利影響。

選項分析：
A. 二噁英（Dioxin）、鄰苯二甲酸酯（phthalates）和雙酚 A（bisphenol A）都是內分泌干擾物的例子。正確。這些都是常見的環境荷爾蒙。
B. 它們傾向於在生物體脂肪組織中生物累積。正確。許多內分泌干擾物是脂溶性的，容易在生物體的脂肪組織中累積，並通過食物鏈傳遞（生物放大）。

此題考查 PFOA (全氟辛酸) 在河流環境中的存在形式，需要根據其 pKa 值和環境 pH 值來判斷。

PFOA 是一種全氟化合物，其化學結構包含一個長的全氟碳鏈和一個羧酸基團（-COOH）。羧酸基團具有酸性，可以解離出氫離子（$H^+$），形成羧酸根離子（-COO$^-$）。

判斷物質在水溶液中存在的形式，主要依據 Henderson-Hasselbalch 方程式：
pH = pKa + log([A$^-$]/[HA])
其中，HA 代表質子化形式（protonated form），A$^-$ 代表去質子化形式（deprotonated form）。

• 如果 pH < pKa，則 HA (質子化形式) 佔優勢。
• 如果 pH > pKa，則 A$^-$ (去質子化形式) 佔優勢。
• 如果 pH = pKa，則 [A$^-$] = [HA]，即質子化和去質子化形式各佔一半。

此題要求根據特定污染物（低水溶性、高 Log Kow > 5、低 Henry's Law Constant $K_H$、分子量 300-500）的物化性質，提出兩種有效的去除技術，並解釋其原理。

污染物的主要物化性質分析：

1. 低水溶性 (Low water solubility)：表示污染物在水中溶解度不高，不易透過水相傳質去除。
2. 高辛醇-水分配係數 (High Log Kow > 5)：表示污染物具有高度親脂性（lipophilic），容易從水中轉移到有機相（如生物組織、土壤或吸附劑的有機質部分）。這也意味著污染物容易吸附在固體表面。
3. 低 Henry's Law Constant ($K_H$)：Henry's Law Constant ($K_H = \frac{C_{gas}}{C_{water}}$) 描述物質從水相進入氣相的趨勢。低 $K_H$ 表示污染物不易從水中揮發到空氣中，因此氣提（air stripping）等揮發性去除技術效果不佳。
4. 分子量 300-500：屬於較大的分子，這可能影響某些物理過程（如過濾），但對於吸附或化學反應影響相對較小。

基於以上性質，我們需要尋找能夠利用其親脂性、低水溶性或不易揮發性來去除的技術。

推薦的兩種去除技術及其原理：

技術一：活性炭吸附 (Activated Carbon Adsorption)

• 原理與物化性質關聯：

  • 高 Log Kow (> 5)：這是活性炭吸附的關鍵依據。高 Log Kow 表明污染物具有強烈的親脂性，會傾向於從水中轉移到高表面積、多孔隙的吸附劑（如活性炭）的疏水性表面。活性炭具有巨大的比表面積和豐富的微孔、中孔結構，可以提供大量的吸附位點，有效吸附這些親脂性污染物。
  • 低水溶性：低水溶性與高 Log Kow 相關聯，共同指向污染物在水中的濃度相對較低，但一旦進入水體，由於其親脂性，更容易被吸附劑捕捉，而不是繼續溶解在水中。
  • 低 $K_H$：低 Henry's Law Constant 表示污染物不易揮發，因此吸附是比揮發更有效的去除方式。
  • 分子量 300-500：雖然分子量較大，但對於活性炭的吸附能力，主要是表面積和孔隙結構起決定性作用。只要孔徑適合，較大分子量的污染物也能被吸附。

• 詳細說明：活性炭吸附是去除水中疏水性有機污染物（如許多農藥、多氯聯苯、PAHs 等）的常用且有效的方法。活性炭的吸附機制主要是物理吸附（范德華力）和化學吸附。對於高 Log Kow 的污染物，物理吸附作用顯著。污染物分子從水相擴散到活性炭表面，並被吸附在孔隙中。

技術二：高級氧化程序 (Advanced Oxidation Processes, AOPs)

• 原理與物化性質關聯：
  • 低水溶性 & 高 Log Kow：雖然 AOPs 主要通過強氧化劑（如羥基自由基, $OH^\cdot$）將污染物分解為較小的、無害的物質，但對於難以透過生物法或一

此題考查高溫條件下厭氧消化系統的穩定性限制因素。

厭氧消化（Anaerobic Digestion, AD）是一個複雜的多階段生物過程，涉及多種微生物群落，包括水解菌、酸化菌、產甲烷菌等。高溫（熱帶型，Thermophilic，約 50-60°C）條件下，微生物的代謝速率通常會加快，但系統的穩定性也可能面臨挑戰。

選項分析：
A. 有機物負荷降低 (Decrease in organic loading)：降低有機物負荷通常會增加系統的穩定性，因為微生物有更多時間處理有機物，減少酸積累的風險。所以這不是限制穩定性的因素。
B. 揮發性脂肪酸 (VFAs) 的積累 (Accumulation of volatile fatty acids (VFAs))：這是厭氧消化系統不穩定的典型指標。在厭氧消化過程中，水解菌和酸化菌將複雜有機物轉化為 VFAs（如乙酸、丙酸、丁酸等），然後產甲烷菌將 VFAs 轉化為甲烷和二氧化碳。

此題考查營養鹽輸入模式（pulse loading vs. steady loading）對優養化風險的影響。

優養化是指水體中營養鹽（主要是氮和磷）過量，導致藻類過度生長。影響優養化風險的因素包括營養鹽的總量、輸入頻率、輸入強度、水體的停留時間、水體類型（湖泊、河流）等。

當營養鹽的輸入從長期穩定負荷轉變為短時、高強度的脈衝式負荷時，情況會有所不同。

選項分析：
A. 湖泊和河流對峰值濃度反應相似，因為峰值濃度。錯誤。湖泊和河流的響應機制和脆弱性不同。
B. 河流由於流速較快，比湖泊更容易受到優養化影響。錯誤。雖然流速會影響營養鹽的稀釋和傳輸，但通常情況下，湖泊因其較長的停留時間，更容易累積營養鹽並發生優養化。
C. 湖泊由於停留時間長，更容易發生優養化。正確。

此題考查有機污染物在不同 pH 值下的離子化狀態，以及其對非離子態比例的影響。污染物毒性主要與其非離子態相關，因此判斷非離子態的比例非常重要。

我們需要根據污染物的 pKa 值、水體 pH 值以及 pH 和 pKa 的關係，來估算非離子態的比例。

污染物為弱酸，其解離反應為：
$HA \rightleftharpoons H^+ + A^-$
其中 HA 是非離子態（質子化形式），A$^-$ 是離子態（去質子化形式）。

根據 Henderson-Hasselbalch 方程式：
pH = pKa + log([A$^-$]/[HA])

令 $f_{non-ionized}$ 為非離子態（HA）的比例， $f_{ionized}$ 為離子態（A$^-$）的比例。
$f_{non-ionized} = \frac{[HA]}{[HA] + [A^-]}$
$f_{ionized} = \frac{[A^-]}{[HA] + [A^-]}$
$f_{non-ionized} + f_{ionized} = 1$

由 pH = pKa + log([A$^-$]/[HA])，可得：
log([A$^-$]/[HA]) = pH - pKa
$\frac{[A^-]}{[HA]} = 10^{(pH - pKa)}$

我們要求的是非離子態的比例 $f_{non-ionized}$。
$f_{non-ionized} = \frac{[HA]}{[HA] + [A^-]} = \frac{1}{1 + \frac{[A^-]}{[HA]}} = \frac{1}{1 + 10^{(pH - pKa)}}$

此題考查 pKa 數值報告為範圍而非單一值時，代表的參數不確定性原因。

pKa 是弱酸或弱鹼解離常數的衡量標準，它是一個物質的固有性質。然而，在實際研究中，測量得到的 pKa 值可能存在差異，並被報告為一個範圍。

選項分析：
A. 水樣採集過程中的測量誤差。測量誤差確實會影響實驗結果，包括 pKa 的測定，但這通常是實驗操作層面的誤差，不一定是「不同研究」報告 pKa 範圍的主要原因。
B. 污染物濃度的時間波動。污染物濃度本身不直接影響其 pKa 值，pKa 是酸鹼解離的平衡常數。濃度波動可能影響其他環境參數的測量，但對 pKa 本身的影響較小。
C. 有限的數據導致 pKa 估計不確定。正確。

核心觀念

本題考查固定河段控制體積（control volume）的污染物質量平衡，以及各傳輸、反應機制的相對重要性。

對固定河段而言，污染物質量平衡可表示為：

$$\frac{dM}{dt} = \text{輸入} - \text{輸出} - \text{反應損失}$$

其中主要項目包括：

• 上游水流帶入；
• 工廠點源排放；
• 河段與周圍介質間的滲漏或交換；
• 下游水流帶出；
• 生物降解或化學轉化。

判斷某項是否「不可忽略」，必須比較其通量或反應時間尺度與河段水力停留時間。

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解題方法

本題可分成兩類判斷：

1. 只要是河段邊界上的水流或污染物通量，就應納入控制體積質量平衡。
2. 反應項則要比較污染物半衰期與河水停留時間。

污染物若符合一階衰減，其反應速率常數為：

$$k=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}$$

在河段平均水力停留時間 $\theta$ 內，污染物的剩餘比例為：

$$\frac{C}{C_0}=e^{-k\theta}$$

題目給出：

• 污染物半衰期：數個月至數年；
• 河段水力停留時間：數小時。

因此：

$$\theta \ll t_{1/2}$$

也就是：

$$k\theta=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}\theta \ll 1$$

反應造成的濃度降低約為：

$$1-e^{-k\theta}\approx k\theta$$

其比例極小，所以在本題條件下，生物降解或化學轉化相對於水力輸送可視為不顯著。

另一方面，題目特別指出河流與周圍介質具有水力連通性，因此河水向含水層等介質滲漏，或周圍介質與河流交換的污染物通量，不能直接忽略。

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選項分析

A. Upstream inflow：正確

上游流入是河段控制體積的主要輸入項。上游水流會攜帶污染物進入所選河段，其質量通量可寫為：

$$\dot{M}_{\text{in}}=Q_{\text{in}}C_{\text{in}}$$

其中 $Q_{\text{in}}$ 為上游流量，$C_{\text{in}}$ 為上游污染物濃度。只要河段有上游來水，此項就必須納入質量平衡。

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B. Point-source discharge：正確

工廠排放是題目明確指定的點源輸入。若工廠排放流量為 $Q_p$、污染物濃度為 $C_p$，其污染物輸入通量為：

$$\dot{M}_{p}=Q_pC_p$$

此題考查「優先污染物」（priority pollutants）的分類標準，即使其濃度低於監管限值。

優先污染物通常是指那些對環境和人體健康具有潛在嚴重危害的物質，即使在較低濃度下也可能引起關注。

選項分析：
A. 低劑量或長期效應 (Low-dose or long-term effects)：正確。許多優先污染物（如一些內分泌干擾物、致癌物、致突變物）即使在極低濃度下，長期暴露也可能導致嚴重的健康問題（如生殖毒性、發育異常、癌症等）。這使得它們的監管標準不應僅基於急性毒性，而需考慮長期效應。
B. 基於急性毒性的現有標準 (Existing standards based on acute toxicity)：錯誤。如果僅基於急性毒性制定標準，那麼一些具有慢性毒性或內分泌干擾作用的污染物，即使濃度低於急性毒性限值，也可能產生危害。優先污染物之所以被列為「優先」，正是因為它們的危害可能超越急性毒性。
C. 分析測量不確定性 (Analytical measurement uncertainty)：錯誤。分析測量的不確定性是指測量結果的可靠性，它會影響我們對污染物濃度的準確判斷，但不直接成為將某物質列為優先污染物的理由。雖然精確的測量對於監管很重要，但污染物本身的危害性才是分類的基礎。