109 年 國立臺北大學自然資源與環境管理研究所甲組《環境科學與工程概論》

這題主要在探討全球暖化現象，包含其成因（溫室氣體）、影響（環境破壞）以及應對策略中的風險評估重要性。

(1) 引致氣候變遷的溫室氣體有哪些？

氣候變遷，特別是全球暖化，主要是由於大氣中溫室氣體濃度增加，吸收並再輻射地表釋放的紅外線輻射，導致地球表面溫度上升。主要的溫室氣體包括：

• 二氧化碳 (Carbon Dioxide, CO$_2$): 這是最主要的溫室氣體，主要來自化石燃料（煤、石油、天然氣）的燃燒，以及森林砍伐、土地利用改變等。
• 甲烷 (Methane, CH$_4$): 來自天然氣洩漏、農業活動（如稻作、反芻動物消化）、垃圾掩埋場的厭氧分解等。其暖化潛勢（Global Warming Potential, GWP）遠高於二氧化碳，但在大氣中的壽命較短。
• 氧化亞氮 (Nitrous Oxide, N$_2$O): 主要來自農業活動（如氮肥的使用）、工業製程、化石燃料燃燒以及生物質燃燒。
• 氟化氣體 (Fluorinated Gases): 這是一類人為製造的氣體，包括氫氟碳化物 (HFCs)、全氟碳化物 (PFCs)、六氟化硫 (SF$_6$) 和三氟化氮 (NF$_3$)。它們的暖化潛勢非常高，且在大氣中壽命極長，常被用於製冷劑、發泡劑、滅火劑等。
• 水蒸氣 (Water Vapor, H$_2$O): 水蒸氣本身是地球上含量最多的溫室氣體，對自然溫室效應貢獻最大。然而，其在大氣中的濃度主要受溫度控制，因此通常不被視為「人為」驅動氣候變遷的主要因素，而是作為一種「反饋」機制。當其他溫室氣體導致溫度升高時，蒸發量增加，大氣中的水蒸氣也隨之增加，進一步加劇暖化。

【答案】
引致氣候變遷的主要溫室氣體包括二氧化碳 (CO$_2$)、甲烷 (CH$_4$)、氧化亞氮 (N$_2$O) 以及氟化氣體 (HFCs, PFCs, SF$_6$, NF$_3$)。水蒸氣 (H$_2$O) 雖是重要的溫室氣體，但其濃度主要受溫度影響，常被視為氣候變遷的反饋機制。

(2) 各別的溫室氣體排放會引致何種環境破壞？

不同溫室氣體除了對全球平均溫度有貢獻外，其排放也會引發一系列的環境破壞，這些破壞可能因氣體的特性（如暖化潛勢、大氣壽命、化學反應性）而有所差異。

• 二氧化碳 (CO$_2$):

  • 全球暖化: 這是最直接的影響，導致全球平均氣溫上升。
  • 海平面上升: 暖化導致海水熱膨脹以及冰川、冰蓋融化，進而使海平面上升，威脅沿海地區。
  • 極端天氣事件: 暖化改變大氣環流模式，可能導致更頻繁、更強烈的熱浪、乾旱、洪水、風暴等。
  • 海洋酸化: 大約有四分之一的人為 CO$_2$ 被海洋吸收，這會降低海水的 pH 值，導致海洋酸化。海洋酸化嚴重影響珊瑚礁、貝類等鈣化生物的生存，破壞海洋生態系統。
  • 生態系統改變: 溫度和降雨模式的改變會影響植物生長、物種分佈，可能導致生物多樣性喪失、生態失衡。

• 甲烷 (CH$_4$):

  • 全球暖化: CH$_4$ 的暖化潛勢在 20 年內是 CO$_2$ 的 80 倍，在 100 年內是 CO$_2$ 的 25 倍。雖然其在大氣中壽命較短（約 12 年），但其短期內的強烈暖化效應不容忽視。
  • 空氣污染: CH$_4$ 在大氣中會與其他污染物（如氮氧化物）反應，生成對流層臭氧，而對流層臭氧是一種有害的空氣污染物，會損害人體健康和農作物。

• 氧化亞氮 (N$_2$O):

  • 全球暖化: N$_2$O 的暖化潛勢在 100 年內是 CO$_2$ 的 265 倍，且在大氣中壽命長達 114 年。
  • 臭氧層破壞: N$_2$O 是平流層臭氧消耗的主要化學物質之一。在平流層，N$_2$O 會分解產生氮氧化物，這些氮氧化物會催化臭氧的分解。

這題主要在考察學生對於美國資源保護暨資源回收法（RCRA）中「有害物質」定義的理解。要能掌握 RCRA 如何界定何謂有害物質，以及這些定義的特性。

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詳解：

美國資源保護暨資源回收法（Resource Conservation and Recovery Act, RCRA）是美國管理有害廢棄物的重要法規。該法案對於「有害物質」（hazardous substance）的定義，是為了能有效識別、追蹤與管理可能對人類健康與環境造成危害的物質。RCRA 的定義方式具有以下幾個關鍵特性：

(a) 基於危害特性（Hazardous Characteristics）的定義：
RCRA 首先定義了四種有害廢棄物的特性，任何符合其中一種特性的廢棄物，即被視為有害廢棄物。這四種特性分別是：

• 易燃性（Ignitability）： 指廢棄物具有容易燃燒的特性，例如閃點低於特定標準的液體、非液體但可能在常溫下自燃的固體、或是易燃的壓縮氣體等。
• 腐蝕性（Corrosivity）： 指廢棄物具有腐蝕金屬或對生物組織造成嚴重傷害的特性，例如 pH 值小於或等於 2，或大於或等於 12.5 的水溶液，或是能腐蝕鋼材的液體。
• 反應性（Reactivity）： 指廢棄物在正常處理條件下，可能產生爆炸、有毒氣體、蒸氣或煙霧，或是與水劇烈反應的特性。
• 毒性（Toxicity）： 指廢棄物在被處理或暴露於環境中時，可能釋放出有毒的污染物，超過特定標準。這通常透過「毒性特性溶出程序」（Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP）來判定。

(b) 基於特定物質列表（Listed Wastes）的定義：
除了基於危害特性的定義外，RCRA 也列舉了一系列特定製程或特定來源的有害廢棄物，稱為「列表廢棄物」（Listed Wastes）。

好的，各位同學，我們來解析這道關於「產業共生」與「循環經濟」的題目。這題主要考驗大家對產業共生計畫的理解，以及如何將其與循環經濟的核心理念連結。

題目核心觀念

本題的核心觀念在於理解英國的國家級產業共生計畫（NISP）如何實踐「循環經濟」的理念。重點在於說明產業共生如何透過將企業生產過程中的廢棄物和排放物視為高價值的資源，進而達成「零廢棄」、「零排放」的目標，最終實現經濟與環境的雙贏。

解題過程

要回答這題，我們需要從以下幾個面向來闡述：

1. 產業共生的定義與目標： 首先，要明確產業共生（Industrial Symbiosis）的定義。它是一種企業間的合作模式，透過共享資源、副產品、廢棄物和能源，來提高整體資源利用效率，減少對環境的衝擊。NISP 的目標就是促進這種合作，將原本被視為廢棄物的物質，轉化為其他產業的生產原料或能源。

2. 循環經濟的理念： 接著，需要連結「循環經濟」（Circular Economy）的核心理念。循環經濟與傳統的線性經濟（線性經濟：生產-使用-丟棄）不同，它強調的是資源的「閉環」利用。其核心原則包括：

   • 設計產品以延長使用壽命： 產品應易於維修、升級和回收。
   • 最大化資源利用： 盡可能重複使用、修復、再製造和回收產品及零件。
   • 消除廢棄物與污染： 從設計源頭就避免產生廢棄物，並將廢棄物視為資源。
   • 再生自然系統： 確保資源的循環能夠支持生態系統的健康。

3. NISP 如何實踐循環經濟： 題目中提到 NISP 的關鍵在於「企業產銷過程中產出的廢棄物、排放物均是高經濟價值的資源，因此零廢棄、零排放的系統思維能夠共創經濟與環境雙贏」。這正是產業共生與循環經濟連結的關鍵點。我們可以透過具體的案例來闡述：

   • 廢棄物轉化為原料： 例如，一家工廠的燃煤鍋爐產生的飛灰（fly ash），可以作為水泥或建築材料的添加劑；另一家企業的製糖廢渣（bagasse），可以作為發電廠的燃料或生產生物塑膠的原料。
   • 排放物再利用： 例如，一家化工廠的廢熱，可以被附近的溫室或住宅區用來供暖；另一家工廠的二氧化碳排放，可以被藻類養殖場用來促進藻類生長，進而生產生物燃料或飼料。
   • 水資源循環： 工業用水經過處理後，可以回用於其他生產流程或作為景觀用水。
   • 能源共享： 企業間可以共享能源設施，例如利用工業製程中的餘熱發電。

4. 案例說明（舉例）： 為了讓說明更具體，可以舉出一些 NISP 或其他類似的產業共生案例。例如：

   • Kalundborg 產業共生園區（丹麥）： 這是全球最著名的產業共生案例之一。該園區內的電力公司將其鍋爐產生的蒸汽和硫磺賣給附近的煉油廠，煉油廠的硫磺廢料則被磷肥廠用來生產磷酸，而磷肥廠的廢水則被電力公司用來冷卻。此外，發電廠的飛灰也被用於建築業。

好的，這題是關於衛生掩埋場的規劃與興建，核心觀念在於如何透過工程設計與材料選擇，確保掩埋場在營運過程中能有效處理廢棄物，同時將對環境的衝擊降至最低，並符合法規要求。這需要從廢棄物的特性、場址選擇、結構設計、滲漏防治、氣體收集、廢水處理、監測系統等多個面向進行綜合考量。

以下為衛生掩埋場在工程及設備材料上的考量與準備詳解：

一、 工程規劃與設計考量

在規劃與興建一座衛生掩埋場時，工程上的考量主要圍繞著廢棄物的安全處置、環境保護以及長期穩定性。

• 場址選擇 (Site Selection)：
  • 考量： 選擇合適的場址是首要步驟，需考量地質條件（避免斷層、溶洞）、水文地質（遠離主要水源、地下水位）、土地可用性、距離居民區的遠近（減少噪音、異味、交通影響）、交通便利性（方便廢棄物運輸）、周邊環境敏感性（如保護區、濕地）以及法規限制。
  • 為什麼： 良好的地質條件可以減少滲漏的風險，遠離水源可以保護飲用水源，靠近居民區會引發社會抗議與環境問題，交通不便則增加營運成本。
• 掩埋場單元設計 (Cell Design)：
  • 考量： 衛生掩埋場通常會分區分層進行掩埋，稱為「單元」或「單元格」。設計時需考量單元的尺寸、形狀、坡度、覆蓋方式等。
  • 為什麼： 合理的單元設計有助於廢棄物的穩定壓實，方便後續操作，並能有效控制滲漏液和沼氣的產生與收集。
• 滲漏防治系統 (Liner System)：
  • 考量： 這是衛生掩埋場最重要的安全屏障之一。通常包含多層結構，例如：
    • 黏土層 (Clay Liner)： 位於底部，利用黏土的低滲透性來阻擋滲漏液。
    • 高密度聚乙烯 (HDPE) 襯墊 (Geomembrane)： 鋪設在黏土層上方，提供極低的滲透係數，是主要的防滲層。
    • 排水層 (Drainage Layer)： 鋪設在襯墊上方，通常使用碎石或土工織物，用於收集滲漏液並將其導至收集系統。
    • 保護層 (Protective Layer)： 鋪設在排水層上方，保護襯墊免受上方廢棄物或操作機具的損壞。
  • 為什麼： 滲漏液是掩埋場中最具污染性的物質，若未有效阻隔，將嚴重污染土壤和地下水。多層結構提供冗餘保護，提高系統的可靠性。
• 滲漏液收集與處理系統 (Leachate Collection and Treatment System)：
  • 考量： 收集系統需能有效收集滲漏液，並將其導至處理設施。管線材料需耐腐蝕，設計需考慮坡度與壓力。處理設施則需根據滲漏液的成分進行處理，使其達到排放標準或可回收利用。
  • 為什麼： 未經處理的滲漏液對環境危害極大，必須妥善收集並處理。
• 沼氣收集系統 (Landfill Gas Collection System)：
  • 考量： 廢棄物在厭氧分解過程中會產生沼氣（主要成分為甲烷和二氧化碳）。需設置垂直或水平的氣體收集井，並連接到收集管網，將沼氣導出。收集到的沼氣可進行燃燒處理（以減少甲烷的溫室效應）或進一步回收利用（如發電）。
  • 為什麼： 甲烷是強效溫室氣體，收集並處理沼氣有助於減緩氣候變遷。同時，防止沼氣累積過多也避免了爆炸的風險。
• 覆蓋系統 (Cover System)：
  • 考量： 每日掩埋作業結束後，需用一層覆蓋材料（如土壤、塑膠布或再生材料）覆蓋當日產生的廢棄物，稱為「日覆蓋」。當掩埋單元達到設計容量或停止使用後，則需進行「最終覆蓋」，通常包含多層結構，如土壤層、滲漏液收集層、植被層等。

好的，這題是關於垃圾焚化廠的規劃，主要考驗學生對於焚化廠建置過程中，在工程技術與設備材料方面需要考量的完整性與細節。這題的配分佔比高達 $25\%$，代表出題老師希望看到學生能從系統性、全面性的角度來思考一個大型環保工程的建置。

以下是針對「五、如果今天要規劃的是垃圾焚化廠，請問又有哪些工程及設備材料需要考慮及準備？（$25\%$）」的詳解：

規劃一座垃圾焚化廠是一個複雜的系統工程，需要考量從垃圾的接收、處理、能源回收、廢棄物處理到環境監測等各個環節。因此，在工程與設備材料的準備上，必須涵蓋以下幾個主要面向：

(a) 廠址選擇與土木工程考量

在選擇焚化廠的廠址時，需要考量多項因素，以確保其營運的穩定性、安全性及對周遭環境的影響最小化。

• 地理條件與地質穩定性： 廠址應選擇地質條件良好、不易發生土壤液化或崩塌的區域。這關係到焚化廠主體結構（如焚化爐、煙囪、廢熱鍋Dealing鍋爐等）的基礎穩定性。
• 交通便利性： 需考量垃圾運輸車輛及飛灰、底渣等處理物運輸的便利性。鄰近主要道路或有專用聯絡道是必要的。
• 距離住宅區與敏感區域： 應與住宅區、學校、醫院、水源保護區等保持適當距離，以降低噪音、異味及潛在的空氣污染影響。
• 基礎設施： 需考量電力、水源、排水系統等基礎設施的可及性。
• 土木工程材料：
  • 鋼筋混凝土 (Reinforced Concrete)： 用於建造焚化廠主體結構、基礎、煙囪、儲存設施等。需要高強度、耐腐蝕的混凝土配比。
  • 鋼結構 (Steel Structures)： 用於支撐鍋爐、管道、輔助設備等，需要耐高溫、耐腐蝕的鋼材。
  • 隔音材料： 在廠房周邊或關鍵設備區域使用，以降低營運噪音。
  • 防滲漏材料： 用於垃圾儲坑、飛灰處理區等，防止污染物滲入土壤和地下水。

(b) 垃圾處理系統工程與設備

這是焚化廠的核心部分，負責將垃圾轉化為能源並處理殘餘物。

• 垃圾接收與儲存系統：
  • 垃圾坑 (Tipping Hall/Bunker)： 採用鋼筋混凝土建造，具備良好的通風系統（負壓設計，將異味空氣導入焚化爐燃燒）及防滲漏措施。
  • 抓斗起重機 (Grapple Crane)： 用於抓取、混合垃圾，並將垃圾投入焚化爐。需要堅固耐用、操作精準的設備。
  • 秤重設備 (Weighbridge)： 記錄進廠垃圾的重量，作為營運管理與收費的依據。
• 焚化爐 (Incinerator)：
  • 爐體結構： 通常採用耐高溫的耐火磚（如氧化鋁磚、碳化矽磚等）砌築，外層輔以鋼結構支撐。
  • 燃燒技術： 選擇合適的焚化技術，如層燃爐 (Grate Incinerator)、流體化床爐 (Fluidized Bed Incinerator) 等，需考量垃圾的特性與處理量。
  • 輔助燃燒器 (Auxiliary Burners)： 確保垃圾在低熱值時仍能穩定燃燒，通常使用天然氣或燃油。
• 廢熱鍋爐 (Waste Heat Boiler)：
  • 材料： 使用耐高溫、耐腐蝕的鍋爐鋼管（如不鏽鋼、鎳基合金等），以吸收焚化產生的熱能產生蒸汽。
  • 結構： 設計需能承受高溫高壓的蒸汽，並有效傳熱。
• 汽輪發電機組 (Steam Turbine and Generator)：
  • 材料： 汽輪機葉片、轉子等需使用高強度、耐高溫的合金鋼。
  • 功能： 將鍋爐產生的蒸汽轉換為電能，實現能源回收。

(c) 空氣污染防治設備 (Air Pollution Control Devices, APCDs)

這是確保焚化廠符合環保法規的關鍵設備，用於處理焚化產生的煙氣。

• 鍋爐除塵設備：
  • 旋風集塵器 (Cyclones)： 初步去除較大的粒狀物。
  • 袋濾式集塵器 (Baghouse/Fabric Filters)： 使用特殊纖維製成的濾袋，高效去除細懸浮微粒 (PM)。