115 年 國立臺灣大學環境工程研究所規劃與管理組《環境科學概論（B）》

此題旨在探討從廢棄礦坑中（重新）開採金屬可能帶來的潛在環境問題。這需要參照 Bao et al. 的文章，並從中歸納出相關的環境衝擊。

文章指出，開發環境友善技術以達成低碳未來，將需要大量的關鍵礦物與金屬，這預計會產生更多廢棄礦石與礦泥。這些廢棄物若處理不當，釋放受污染的水體，可能造成長期的環境損害與土地退化。從廢棄礦坑（包括廢棄水、礦石、礦坑本身）中回收資源，理論上可以滿足日益成長的需求，但必須謹慎規劃，避免加劇現有的環境問題。

潛在的環境問題包括：

1. 酸性礦山排水 (AMD) 與其他污染物的釋放：廢棄礦石暴露於水與氧氣下，會引發複雜的微生物反應，產生酸性、中性或鹽性的礦山排水。其中酸性礦山排水 (AMD) 尤其嚴重，可能持續數千年，導致水體pH值極低，造成魚類死亡、植被消失、地下水與地表水污染。即使是中性或鹽性的礦山排水，也可能對環境造成破壞。
2. 有毒金屬與類金屬的污染：礦山廢棄物中可能含有高濃度的有毒金屬與類金屬，這些物質會隨著水體擴散，污染河流、湖泊、土壤，並對生態系統（如魚類棲地）和人類健康造成威脅。

此題要求建立一個關於浸出池（leaching pond）中溶解銅（dissolved Cu）的質量平衡微分方程式。這需要結合堆浸法的概念，並進行系統定義、變數定義與假設說明。

核心觀念：質量平衡是指在一個系統中，物質的總量在特定時間段內保持不變，流入的量減去流出的量等於系統內量的變化。在此題中，我們關注的是溶解銅在浸出池中的質量變化。

(i) 系統圖與變數

我們可以將浸出池視為一個控制體積 (Control Volume, CV)。

系統圖：

      +-----------------------+
      |                       |
      |     Leaching Pond     |
      |                       |
----->|   (CV)                |----->
Fresh |   +---------------+   | Pregnant
Reagent |   | Dissolved Cu  |   | Leach
      |   | Accumulation  |   | Solution (PLS)
      |   +---------------+   |
----->|                       |----->
Waste |                       |
----------------------------------
      |                       |
      +-----------------------+

相關溪流與變數：

• 流入 (Inflow)：
  • 從堆浸墊 (heap-leaching pad) 流入浸出池的Pregnant Leach Solution (PLS)。PLS 攜帶溶解的銅。
  • 可能會有少量新鮮試劑（如酸）流入，但主要關注的是攜帶銅的液體。
• 流出 (Outflow)：
  • 從浸出池流出的Pregnant Leach Solution (PLS)，用於後續的銅回收。
  • 可能會有少量溢流或蒸發損失，但通常主要關注的是可回收的 PLS。
• 系統內變化 (Accumulation)：
  • 溶解銅在浸出池內的質量累積。

更詳細的系統圖與變數標示：

      +---------------------------------+
      |                                 |
      |         Leaching Pond (CV)      |
      |                                 |
      |  Inflow:                        |
      |  PLS_in (carrying dissolved Cu) |-----> Pregnant Leach Solution (PLS_out)
      |                                 |       for recovery
      |  Accumulation:                  |
      |  d(m_Cu_dissolved)/dt           |
      |                                 |
      +---------------------------------+
         ^
         |
         | PLS_in (from heap leaching)

(ii) 變數定義與單位

• $m_{Cu, dissolved}$：浸出池中溶解態銅的總質量。
  • 單位：公斤 (kg) 或 磅 (lb)。
• $t$：時間。
  • 單位：秒 (s)、分鐘 (min) 或 小時 (hr)。
• $Q_{in}$：流入浸出池的Pregnant Leach Solution (PLS) 的體積流量。
  • 單位：立方公尺每秒 ($m^3/s$) 或 公升每分鐘 ($L/min$)。
• $C_{Cu, in}$：流入PLS中溶解態銅的濃度。
  • 單位：公斤每立方公尺 ($kg/m^3$) 或 毫克每公升 ($mg/L$)。
• $Q_{out}$：流出浸出池的PLS的體積流量。
  • 單位：立方公尺每秒 ($m^3/s$) 或 公升每分鐘 ($L/min$)。
• $C_{Cu, out}$：流出PLS中溶解態銅的濃度。
  • 單位：公斤每立方公尺 ($kg/m^3$) 或 毫克每公升 ($mg/L$)。
• $R_{Cu, reaction}$：在浸出池內溶解銅的淨反應速率（生成或消耗）。在此情境下，浸出池主要是收集與儲存，銅的溶解主要發生在堆浸墊，因此此項可能為零或非常小。
  • 單位：公斤每秒 ($kg/s$)。
• $V_{pond}$：浸出池的體積。
  • 單位：立方公尺 ($m^3$)。

(iii) 假設與限制

假設 (Assumptions)：

1. 系統邊界明確：控制體積定義為浸出池本身。
2. 完全混合 (Complete Mixing)：假設浸出池內的液體是完全混合的，因此流入的銅濃度 $C_{Cu, in}$ 經過混合後，池內的銅濃度均勻為 $C_{Cu, out}$。

此題探討貧窮、糧食不均及人口過度增長這三個社會經濟因素對環境的衝擊。這三者之間常相互關聯，並共同加劇環境問題。

核心觀念：人口壓力、資源分配不均與經濟發展水準，是影響環境承載力的重要關鍵。

解題思路：逐一分析各因素對環境的影響，並說明其相互關聯性。

1. 貧窮 (Poverty) 對環境的衝擊：

貧窮人口為了生存，往往被迫採取對環境傷害較大的行為，形成「貧窮與環境惡化」的惡性循環。

• 過度開發自然資源：貧窮地區的居民可能依賴森林、土地、水源等自然資源維生，為了獲取基本生活所需（如燃料、食物、收入），可能過度砍伐森林（用於木柴、農地開墾）、過度放牧、過度捕撈、抽取地下水等，導致森林消失、土壤侵蝕、土地退化、水資源枯竭、生物多樣性喪失。
• 使用低效率、高污染的技術：例如，使用傳統的生物質燃料（木柴、糞便）作為能源，會造成嚴重的室內空氣污染和溫室氣體排放。缺乏資金進行廢棄物處理，可能導致生活垃圾和工業廢料隨意堆放或排放，污染土壤和水源。
• 對環境保護的無力感：貧窮人口的首要關切是生存，對長期的環境保護措施較難投入資源或關注，甚至可能因為短期經濟利益而犧牲環境。
• 健康問題惡化：惡劣的環境（如污染的水源、空氣）反過來又會加劇貧窮人口的健康問題，形成惡性循環。

2. 糧食不均 (Food Insecurity/Inequality) 對環境的衝擊：

糧食不均不僅指食物總量不足，也包括食物分配不均、獲取困難等問題。

• 農業生產的壓力：為了滿足不斷增長（或至少是基本）的糧食需求，農業生產可能被迫向極限環境擴張（如森林邊緣、脆弱的土地），或採用高強度、高耗能、高污染的耕作方式。這包括：
  • 大規模單一作物種植 (Monoculture)：減少生物多樣性，增加對農藥和化肥的依賴，導致土壤劣化、水體富營養化。
  • 過度使用化肥與農藥：化肥生產消耗能源且可能釋放氧化亞氮（$N_2O$，一種強效溫室氣體）；農藥殘留污染土壤、水源，危害生態系統和人類健康。
  • 土地利用變遷：為了擴大農地面積，可能砍伐森林、排乾濕地，破壞生態棲地，減少碳匯。
• 食物浪費：在糧食分配不均的同時，許多地區存在嚴重的食物浪費，從生產、運輸、儲存到消費端。

此題要求繪製自然界的氮循環圖，並整合指定的環境介質、氮源/匯、反應機制及氮物種。這是一個典型的環境科學概念題，需要對氮循環的各個環節有清晰的理解。

核心觀念：氮是生命必需的元素，但其在自然界中的循環涉及多種化學形態的轉化，並在不同環境介質中進行。人類活動顯著影響了氮循環的速率和平衡。

解題步驟：

1. 理解氮循環的關鍵過程：氮循環的核心是將大氣中惰性的氮氣 ($N_2$) 轉化為生物可利用的形式（如氨 $NH_3$ 和硝酸鹽 $NO_3^-$），然後在生物體內循環，最後再轉化回氮氣或氧化物釋放到大氣中。
2. 識別主要氮物種及其相互轉化：
   • $N_2$ (氮氣)：大氣中最主要的氮形態，約佔空氣的78%。惰性，需經「固氮」才能被生物利用。
   • $NH_3$ (氨) / $NH_4^+$ (銨離子)：由固氮作用產生，或由有機氮分解（氨化作用）產生。易溶於水，是植物可直接吸收的形式之一。
   • $NO_2^-$ (亞硝酸鹽)：由氨氧化（硝化作用的一部分）產生，但通常濃度很低，因為會快速被氧化成硝酸鹽。
   • $NO_3^-$ (硝酸鹽)：由亞硝酸鹽氧化（硝化作用的另一部分）產生，是植物最主要的可吸收氮源。
   • $NOx$ (氮氧化物)：包括 $NO$ 和 $NO_2$。主要由高溫燃燒（如火力電廠、汽機車）和微生物活動（如硝化、反硝化）產生。是酸雨和光化學煙霧的成分。
   • $N_2O$ (氧化亞氮)：一種強效溫室氣體。主要由微生物的反硝化作用和硝化作用產生，也與農業活動（化肥使用）和工業過程有關。
3. 整合環境介質：將大氣、土壤、水體（海洋、河川、湖泊）和地層納入圖中，標示氮物種在其中存在的形式。
4. 標示氮源與匯：
   • 主要氮源 (Source)：大氣 ($N_2$)、火山爆發（釋放含氮氣體）、肥料工廠（生產化肥）。
   • 主要氮匯 (Sink)：大氣 ($N_2$、$NOx$、$N_2O$)、海洋（吸收含氮物質）、沉積物（有機氮）。
   • 生物體 (植物、土壤微生物)：是氮循環中的重要環節，既是氮的吸收者（匯），也是轉化者。
5. 標示反應機制：
   • 固氮作用 (Nitrogen Fixation)：將 $N_2$ 轉化為 $NH_3$ (或 $NH_4^+$)。包括：
     • 大氣固氮：閃電、宇宙射線（高能反應）。
     • 生物固氮：固氮微生物（如根瘤菌、藍綠藻）將 $N_2$ 轉化為 $NH_3$。
     • 人為固氮：Haber-Bosch 法生產氨（肥料工廠）。
   • 氨化作用 (Ammonification)：有機氮（如蛋白質、核酸）分解為 $NH_3$ (或 $NH_4^+$)。由土壤微生物執行。
   • 硝化作用 (Nitrification)：由好氧細菌將 $NH_4^+$ 逐步氧化為 $NO_2^-$，再氧化為 $NO_3^-$。
     • $NH_4^+ \rightarrow NO_2^-$ (亞硝酸菌)
     • $NO_2^- \rightarrow NO_3^-$ (硝酸菌)
   • 反硝化作用 (Denitrification)：由厭氧細菌將 $NO_3^-$ 或 $NO_2^-$ 還原為 $N_2$ 或 $N_2O$ 氣體，釋放到大氣中。
   • 同化作用 (Assimilation)：植物吸收 $NH_4^+$ 或 $NO_3^-$，並將其轉化為有機氮化合物（如蛋白質、核酸）的過程。
   • 人為排放：火力電廠、汽機車燃燒化石燃料會產生 $NOx$。
6. 繪製圖形：
   • 使用方框或圓圈代表環境介質（大氣、土壤、水體）。
   • 使用箭頭表示物質的流動和轉化。
   • 在箭頭上標示反應機制和/或氮物種。
   • 明確標示氮源（如肥料工廠、火山）和氮匯（如釋放到大氣的$N_2$）。
   • 盡量包含所有指定的元素。

以下為氮循環圖的文字描述，實際繪製時需以圖形呈現：

氮循環圖（文字描述）

主要環境介質：

1. 大氣 (Atmosphere)：主要包含 $N_2$ (約78%)，也含有 $NOx$, $N_2O$。
2. 土壤 (Soil)：包含有機氮（動植物殘骸、微生物體）、$NH_4^+$, $NO_2^-$, $NO_3^-$。是固氮、硝化、反硝化、氨化作用的主要場所。
3. 水體 (Water Bodies)：海洋、河川、湖泊。溶解有 $NH_4^+$, $NO_2^-$, $NO_3^-$, $N_2$ 等。是水生生物固氮、硝化、反硝化、氨化作用的場所，也是氮的匯集地。
4. 地層 (Earth's Crust/Sediments)：有機物沉積，可能形成含氮沉積物。

主要氮物種與轉化路徑：

• 大氣中的 $N_2$：

  • 固氮作用 (Nitrogen Fixation)：
    • 大氣固氮 (閃電)：$N_2 \rightarrow NOx$ (在大氣中，再隨雨水進入土壤/水體形成 $HNO_3$ 或 $NO_3^-$)。
    • 生物固氮 (固氮微生物)：$N_2 \rightarrow NH_3$ (進入土壤/水體，形成 $NH_4^+$)。
    • 人為固氮 (肥料工廠)：$N_2 + H_2 \rightarrow NH_3$ (生產化肥，最終進入土壤/水體)。
  • 人為排放 (火力電廠, 汽機車)：燃燒過程產生 $NOx$。
  • 微生物活動：某些反硝化作用產生 $N_2O$ (大氣)。
  • 釋放：反硝化作用釋放 $N_2$ (大氣)。

• 土壤中的氮：

  • 有機氮：來自動植物殘骸、排泄物。
  • 氨化作用 (Ammonification) (微生物)：有機氮 $\rightarrow NH_3$ ($\rightarrow NH_4^+$ in water)。
  • 硝化作用 (Nitrification) (好氧微生物)：

此題結合圖表與背景知識，探討 DDT 使用與瘧疾病例的關聯，並延伸至 DDT 的環境衝擊及替代防治方法。

核心觀念：DDT 是一種有機氯殺蟲劑，曾廣泛用於控制傳播疾病的媒介（如蚊子）。然而，其環境持久性、生物累積性及對非目標生物的毒性，導致其使用受到限制。瘧疾則是由蚊子傳播的寄生蟲疾病，控制蚊子是關鍵防治手段之一。

解題步驟：

(1) 提出停用與再次使用 DDT 之可能原因

• 停用 DDT 的可能原因 (1996年)：

  • 環境與健康疑慮：DDT 是一種持久性有機污染物 (POPs)，難以降解，會在環境中長期存在，並在生物體內累積（生物累積性）。對野生動物（尤其是鳥類，影響鈣質代謝導致蛋殼變薄）和人類健康（潛在致癌性、內分泌干擾）的長期負面影響逐漸被證實和重視。
  • 抗藥性問題：長期、廣泛使用 DDT，導致蚊子等害蟲對 DDT 產生抗藥性，降低了其殺滅效果。
  • 國際公約與法規限制：許多國家和國際組織（如世界衛生組織 WHO）開始限制或禁止使用 DDT，例如《斯德哥爾摩公約》將 DDT 列為持久性有機污染物，要求逐步淘汰。
  • 開發替代品：隨著科學技術的發展，出現了其他種類的殺蟲劑，雖然可能成本較高或效果不如 DDT 初期，但環境與健康風險較低。

• 再次使用 DDT 的可能原因 (2001年)：

  • 瘧疾疫情的嚴峻性：從圖表可見，在 1996 年停用 DDT 後，瘧疾病例數在 1996 年至 2000 年間呈現明顯上升趨勢，尤其是在 2000 年左右達到高峰。這顯示了蚊媒疾病控制的迫切性，對傳統有效但有爭議的工具（如 DDT）的重新評估。
  • 成本效益考量：DDT 相較於許多新型殺蟲劑，成本較低，且對室內殘留噴灑 (Indoor Residual Spraying, IRS) 具有較好的效果，能有效降低室內蚊子數量，進而減少瘧疾傳播。在資源有限的地區，DDT 的低成本可能使其成為一種「最後手段」選項。
  • 特定情況下的使用：WHO 在特定情況下（如大規模瘧疾爆發、缺乏其他有效且可負擔的替代方案時）可能仍建議在嚴格監管下有限度地使用 DDT，主要用於室內殘留噴灑，以降低傳播率。

(2) 說明使用 DDT 對環境生態造成的負面衝擊

DDT 是一種有機氯殺蟲劑，其環境衝擊是多方面的：

• 持久性與環境累積：DDT 在環境中（土壤、水體、沉積物）分解非常緩慢，因此會長期存在，造成持續的污染。
• 生物累積性 (Bioaccumulation)：生物體（如藻類、魚類）會從環境中吸收 DDT，並在其體內累積，濃度隨著生物體內脂肪的累積而升高。
• 生物放大性 (Biomagnification)：DDT 的濃度會沿著食物鏈逐級升高。例如，小型魚類攝食含有 DDT 的藻類，DDT 在魚體內累積；大型魚類（如掠食性魚類）再吃下這些小型魚類，DDT 濃度會進一步升高；最終，頂級掠食者（如猛禽、人類）將承受最高濃度的 DDT。
• 對野生動物的毒性：
  • 鳥類：DDT 及其代謝物 (DDE) 會干擾鳥類的鈣質代謝，導致產下的蛋殼過薄，容易破裂，嚴重影響繁殖成功率，是導致某些猛禽數量急劇下降的主要原因之一（例如白頭海鵰）。
  • 魚類與無脊椎動物：高濃度的 DDT 對水生生物具有急性或慢性毒性，可能導致死亡、生長遲緩、繁殖能力下降。
  • 土壤生物：影響土壤微生物的活性，進而影響土壤肥力。