108 年 國立清華大學分析與環境科學研究所《環境工程概論》

本題考驗考生對基礎環境工程學中，兩種常見的物質傳遞與分離機制的理解，分別是吸收 (absorption) 與吸附 (adsorption)。

核心觀念：

• 吸收 (Absorption)：指一種物質（溶質）溶解或進入另一種物質（溶劑）的總體積內。通常是氣體溶解於液體，或液體溶解於液體。
• 吸附 (Adsorption)：指一種物質（吸附質）附著於另一種物質（吸附劑）的表面。通常是氣體或液體分子附著在固體表面。

詳解：

• Absorption (吸收)：
  • 定義：吸收是利用一種物質（通常是液體，稱為吸收劑）將另一種物質（通常是氣體，稱為被吸收物）從混合物中分離出來的過程。被吸收物會溶解或擴散到吸收劑的整個體積中。
  • 實例：
    • 煙道氣脫硫 (Flue gas desulfurization, FGD) 中，利用水溶液吸收煙氣中的二氧化硫 (SO₂)。
    • 水中揮發性有機物 (VOCs) 的去除，可藉由液體吸收。
    • 洗滌塔 (Scrubber) 中，常利用液體吸收污染物。

本題考驗考生對環境工程領域中，水處理與材料科學相關的兩個重要現象的理解：腐蝕 (corrosion) 與空蝕 (cavitation)。這兩個現象都可能對水處理設備、管線等造成損害。

核心觀念：

• 腐蝕 (Corrosion)：金屬材料因化學或電化學作用而發生的損壞或變質。
• 空蝕 (Cavitation)：流體在低壓區域形成氣泡，隨後在壓力恢復區域氣泡破裂，產生衝擊波的現象。

詳解：

• Corrosion (腐蝕)：
  • 定義：金屬材料在與其周圍環境發生化學或電化學反應後，導致材料的性能發生變化，通常表現為金屬的損耗、鈍化、生成腐蝕產物等。在水處理系統中，金屬設備（如泵、閥門、管路、儲罐）容易受到腐蝕。
  • 機轉：
    • 電化學腐蝕 (Electrochemical Corrosion)：最常見的腐蝕形式，涉及陽極反應（金屬氧化）和陰極反應（如氧還原、氫離子還原）。例如，在有水和氧氣的環境中，鐵會發生氧化形成鐵鏽。
    • 化學腐蝕 (Chemical Corrosion)：金屬直接與腐蝕性介質（如酸、鹼、氧化劑）發生化學反應。
  • 影響因素：水質（pH、溶解氧、氯離子、硫酸根離子、硬度等）、溫度、流速、材料種類、電位差等。

本題考驗考生對噪音的基本概念，特別是針對噪音頻率範圍的區分，這在環境噪音管制與評估中是重要的考量。

核心觀念：

• 總頻率噪音 (Total Frequency Noise)：指涵蓋廣泛頻率範圍的噪音，通常是各種頻率成分的組合。
• 低頻率噪音 (Low Frequency Noise)：指頻率較低的噪音，通常定義在特定範圍內（如 20 Hz 至 200 Hz 或 250 Hz）。

詳解：

• Total Frequency Noise (總頻率噪音)：

  • 定義：這個術語通常用來描述一個聲音訊號或噪音來源，其能量分佈在一個較寬的頻率範圍內。它不像單音 (pure tone) 那樣只有單一頻率，而是包含多個頻率成分的組合。在環境噪音中，大部分的噪音都屬於總頻率噪音，例如交通噪音、機械設備噪音等，它們由許多不同頻率的聲音疊加而成。
  • 評估：在評估總頻率噪音時，通常會考慮其整體音量（如分貝 dB）、頻譜特性、以及對聽者可能產生的影響。
  • 舉例：背景噪音、交通噪音、施工噪音等。

• Low Frequency Noise (低頻率噪音)：

  • 定義：指頻率較低的聲音或噪音。在聲學和噪音管制領域，低頻率噪音的定義範圍可能略有不同，但一般常指頻率在 20 Hz 到 200 Hz 或 250 Hz 之間的聲音。

本題考驗考生對水處理過程中兩個關鍵概念的理解：生物淨化 (biological purification) 和澄清 (clarification)。前者是利用生物作用去除污染物，後者則是物理分離固體。

核心觀念：

• 生物淨化 (Biological Purification)：利用微生物（主要是細菌）的新陳代謝作用來分解、轉化或移除水中的有機污染物。
• 澄清 (Clarification)：利用物理方法（如沉澱、過濾）將水中懸浮的固體顆粒從水中分離出來，使水變得清澈的過程。

詳解：

• Biological Purification (生物淨化)：
  • 定義：生物淨化是廢水處理的核心技術之一，其基本原理是利用好氧或厭氧微生物的生命活動，將廢水中溶解性或膠態的有機物（BOD）轉化為無害的物質，如二氧化碳、水、硝酸鹽、甲烷等，或將其轉化為易於沉澱的生物固體（污泥）。
  • 主要類型：
    • 好氧處理 (Aerobic Treatment)：在有氧氣的條件下進行，微生物將有機物氧化分解。常見的系統包括：活性污泥法 (Activated Sludge Process)、生物濾池 (Trickling Filter)、生物膜反應器 (Bioreactor) 等。
    • 厭氧處理 (Anaerobic Treatment)：在無氧氣的條件下進行，微生物將有機物分解為甲烷 (CH₄) 和二氧化碳 (CO₂)。常見於污泥消化、高濃度有機廢水處理。

本題考驗考生對生態學和保育生物學中兩個重要概念的理解：瀕危物種 (endangered species) 和特有物種 (endemic species)。這兩個概念在環境影響評估和生物多樣性保育中至關重要。

核心觀念：

• 瀕危物種 (Endangered Species)：指在可預見的未來，面臨極高滅絕風險的物種。
• 特有物種 (Endemic Species)：指僅存在於特定地理區域的物種，在該區域以外的其他地方自然分佈。

詳解：

• Endangered Species (瀕危物種)：
  • 定義：根據國際自然保護聯盟 (IUCN) 的標準，瀕危物種是指那些在野外生存的機會極小，或在不久的將來極有可能滅絕的物種。牠們面臨的威脅可能來自棲息地喪失、過度捕獵、污染、外來入侵物種、氣候變遷等。
  • 分類：IUCN 紅皮書中將物種的滅絕風險分為不同等級，其中「瀕危 (Endangered, EN)」是僅次於「極危 (Critically Endangered, CR)」和「危及 (Vulnerable, VU)」的一個等級。
  • 保育意義：識別和保護瀕危物種是生物多樣性保育的核心目標之一，因為牠們的消失將對生態系統的穩定性和功能造成嚴重影響。

本題考驗考生對大氣科學與環境工程中兩種常見的懸浮粒子形態的理解：氣膠 (aerosol) 和霧 (mist)。兩者都是懸浮在氣體中的微小顆粒，但有其定義上的區別。

核心觀念：

• 氣膠 (Aerosol)：指懸浮在氣體（如空氣）中的固體或液體微粒的總稱。
• 霧 (Mist)：特指懸浮在空氣中的細小水滴。

詳解：

• Aerosol (氣膠)：
  • 定義：氣膠是一個廣泛的術語，泛指所有懸浮在氣體中的固體或液體微粒。這些微粒的尺寸範圍很廣，從奈米級到幾十微米不等。它們可以是天然產生的（如火山灰、花粉、海鹽粒子），也可以是人為產生的（如燃燒產生的煙塵、工業排放的顆粒物、汽車尾氣中的微粒）。
  • 組成：氣膠的組成非常多樣，可以包含無機物（如金屬氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽）、有機物（如碳氫化合物、多環芳香烴）、生物顆粒（如細菌、病毒、花粉）等。
  • 環境影響：氣膠是空氣污染的重要組成部分，對人體健康（呼吸系統疾病、心血管疾病）、氣候（影響輻射平衡、雲的形成）、能見度等方面都有顯著影響。

本題考驗考生對河川自淨作用的理解，特別是透過氧垂曲線 (Oxygen Sag Curve) 來解釋其主要機制。

核心觀念：

• 河川自淨作用 (Stream Self-Purification)：指河川在受到污染後，能透過物理、化學及生物等作用，將污染物分解、稀釋、沉降、揮發或轉化，使其水質逐漸恢復的自然能力。
• 氧垂曲線 (Oxygen Sag Curve)：描述污染源進入河川後，水中溶解氧 (DO) 濃度隨時間或距離下降（因微生物分解有機物消耗氧氣），然後再逐漸回升（因大氣溶解氧和植物光合作用）的曲線圖。

詳解：
河川自淨作用的機制：
河川自淨作用主要包含以下幾個過程：

1. 稀釋 (Dilution)：污染物進入河川後，會與較潔淨的河水混合，濃度降低。
2. 沉澱 (Sedimentation)：懸浮性污染物會因重力作用而沉降到河底。
3. 揮發 (Volatilization)：某些揮發性污染物（如部分有機物）會從水體表面逸散到大氣中。
4. 物理、化學反應 (Physical and Chemical Reactions)：如氧化還原、光化學反應等，可能轉化污染物。
5. 生物分解 (Biodegradation)：這是最重要的自淨機制。水中好氧微生物利用溶解氧分解有機污染物，將其轉化為無機物（如 CO₂, H₂O, NO₃⁻）。此過程會消耗溶解氧。
6. 大氣溶解氧 (Atmospheric Reaeration)：當水中溶解氧濃度低於大氣飽和濃度時，空氣中的氧氣會透過水面溶解進入水中，補充消耗的氧氣。
7. 植物光合作用 (Photosynthesis)：水生植物（如藻類）在有陽光時進行光合作用，釋放氧氣。

氧垂曲線的繪製與說明：

繪製氧垂曲線時，橫軸代表污染物進入河川後的距離或時間，縱軸代表水中溶解氧 (DO) 的濃度。

1. 污染源進入點 (Point of Pollution Entry)：假設在某一點（點 A）有污染源（如未處理的污水）排入河川。
2. 溶解氧下降 (DO Deficit)：在污染源進入點下游，好氧微生物開始大量分解有機污染物，消耗水中溶解氧。同時，大氣補充氧氣的速率（再曝氣速率）相對較慢。因此，溶解氧濃度開始快速下降。
3. 最低溶解氧點 (Critical Point, DOmin)：溶解氧下降到最低點（點 B），這個點稱為「臨界點」或「最低溶解氧點」。在這一點，氧氣消耗速率 (Deoxygenation Rate, k₁) 等於氧氣補充速率 (Reaeration Rate, k₂)。
4. 溶解氧回升 (DO Recovery)：過了臨界點之後，雖然仍有微生物分解有機物，但污染物的濃度已逐漸降低，加上大氣持續補充氧氣的速率（k₂）相對較快，溶解氧濃度開始回升。
5. 恢復至飽和濃度 (Recovery to Saturation)：最終，隨著距離污染源越來越遠，污染物被分解殆盡，河水中的溶解氧濃度逐漸恢復到接近大氣飽和溶解氧濃度（點 C）。

曲線圖說明：

• 曲線的起始點 (A) 是污染源排入點，其溶解氧濃度可能接近飽和值，但隨即開始下降。
• 曲線的最低點 (B) 是溶解氧最低的點，代表河川自淨能力受到最大考驗的區域，此區域水質最差，對水生生物影響最大。
• 曲線的終點 (C) 是溶解氧恢復到飽和值的點，代表河川的自淨作用基本完成。

圖例：

本題考驗考生對台灣現行空氣品質監測指標的認識，包括其組成參數、等級劃分及其對人體健康的影響。

核心觀念：

• 空氣品質指標 (Air Quality Index, AQI)：一種將多種空氣污染物濃度轉換為單一數值，並以簡單易懂的顏色和等級來呈現空氣品質狀況的指標，方便公眾了解。
• 主要污染物參數：AQI 是基於對幾種對人體健康影響較大且常見的空氣污染物的監測結果計算得出的。

詳解：
國內環保署現行空氣品質指標 (AQI) 所包含的指標參數：

台灣環保署現行 AQI 指標主要基於以下六種空氣污染物濃度計算：

1. 細懸浮微粒 (PM₂.₅)：直徑小於或等於 2.5 微米的顆粒物。
2. 懸浮微粒 (PM₁₀)：直徑小於或等於 10 微米的顆粒物。
3. 臭氧 (O₃)：地面臭氧，為光化學反應的產物。
4. 二氧化硫 (SO₂)：主要來自燃燒含硫燃料。
5. 二氧化氮 (NO₂)：主要來自交通工具燃燒及高溫燃燒過程。
6. 一氧化碳 (CO)：主要來自交通工具不完全燃燒。

AQI 的計算方式是分別計算每一種污染物對應的 AQI 值，然後取這些值中的最大值作為該測站當下的 AQI 值。

AQI 指數等級與人體健康影響：

台灣環保署將 AQI 劃分為以下五個等級，並搭配顏色和對應的健康影響說明：

本題考驗考生對噪音基本定義、傳遞要素及傳遞路徑的理解，這是噪音管制與評估的基礎。

核心觀念：

• 噪音 (Noise)：通常指任何使人感到不適、厭煩、干擾或有害的聲音。
• 噪音傳遞三要素：指產生、傳播和接收聲音的關鍵環節。
• 噪音傳遞路徑：指聲音從聲源傳播到接收者的途徑。

詳解：
1. 何謂噪音？
噪音是指任何不欲聽聞、不受歡迎、或對聽者造成生理或心理影響的聲音。在環境工程領域，更強調其對人類健康（如聽力損害、睡眠干擾、心血管影響）和生活品質的負面影響。其性質通常是隨機、無規律或音量過大。

2. 噪音傳遞三要素：
噪音的產生、傳播和接收是一個完整的鏈條，可分為以下三個要素：

• 聲源 (Source)：產生噪音的物體或現象。例如：交通工具（汽車、火車、飛機）、工業機械設備（泵、風機、衝床）、建築施工、人群喧嘩等。
• 傳播途徑 (Path)：聲音從聲源傳播到聽者之間的媒介或路徑。例如：空氣、建築結構、地面、水等。
• 接收者 (Receiver)：接收噪音的對象，通常是指人（聽者）。

3. 噪音傳遞路徑區分為哪兩種？
噪音從聲源傳播到接收者的路徑，主要可以區分為以下兩種：

• 空氣傳播途徑 (Airborne Path)：
  • 這是最常見的傳播途徑。聲音透過空氣作為介質，從聲源直接傳播到接收者的耳朵。

本題考驗考生對活性污泥法 (Activated Sludge Process) 中幾個關鍵操作指標的理解，並能寫出其簡易計算公式。這些指標對於控制活性污泥法的運行效果至關重要。

核心觀念：

• 活性污泥法：一種利用懸浮生長微生物（活性污泥）來去除廢水中溶解性及膠體有機污染物的生物處理方法。
• 操作指標：用於監測和評估活性污泥系統運行狀態的參數，幫助操作人員進行調整。

詳解：

1. F/M (Food-to-Microorganism Ratio, 食物與微生物比例)

• 定義：F/M 比是單位體積曝氣池中的有機負荷 (Food) 與單位體積活性污泥濃度 (Microorganism) 的比例。它反映了微生物可獲得的有機養分量，是控制微生物生長速率和曝氣池效率的重要指標。
• 簡易公式：
  $F/M = \frac{Q \cdot L_0}{V \cdot X}$
  其中：
  • $F$ (Food)：單位時間進入曝氣池的有機物負荷 (kg BOD/d)。通常以進流水 BOD₅ 濃度 ($L_0$, kg/m³) 乘以進流水流量 ($Q$, m³/d) 計算。
  • $M$ (Microorganism)：曝氣池中的活性污泥量 (kg MLSS)。通常以曝氣池容積 ($V$, m³) 乘以曝氣池內混合液懸浮固體濃度 ($X$, kg MLSS/m³) 計算。
  • $Q$：進流水流量 (m³/d)。
  • $L_0$：進流水 BOD₅ 濃度 (kg/m³ 或 mg/L)。
  • $V$：曝氣池容積 (m³)。
  • $X$：曝氣池混合液懸浮固體濃度 (MLSS, kg/m³ 或 mg/L)。
• 意義：
  • 高 F/M 比：微生物生長速率快，可能導致污泥膨脹、沉降性差。
  • 低 F/M 比：微生物生長緩慢，處理效率可能下降。
  • 適當的 F/M 比有助於維持良好的污泥沉降性與處理效果。

2. SVI (Sludge Volume Index, 污泥體積指數)

• 定義：SVI 是指每單位質量（通常是 1 克）的活性污泥在量筒中沉澱 30 分鐘後所佔的體積（毫升）。它用來衡量活性污泥的沉降性能。
• 簡易公式：
  $SVI = \frac{V_{30}}{X}$
  其中：
  • $V_{30}$：混合液在量筒中靜置 30 分鐘後的污泥體積 (mL)。
  • $X$：對應於 $V_{30}$ 的混合液懸浮固體濃度 (MLSS, g/L 或 mg/mL)。
• 意義：
  • 低 SVI 值（例如 50-150 mL/g）：表示污泥沉降性良好，易於與處理水分離。
  • 高 SVI 值（例如 > 200 mL/g）：表示污泥沉降性差，可能發生污泥膨脹 (Sludge Bulking)，導致二沉池出水懸浮物偏高。
  • SVI 值過低（例如 < 50 mL/g）有時也可能表示污泥過老，生物活性不足。

3. MCRT (Mean Cell Residence Time, 平均細胞停留時間) / SRT (Solids Retention Time, 固體停留時間)

本題考驗考生對污染物去除效率串聯計算的理解，特別是在空氣污染控制設備中。

核心觀念：

• 串聯處理 (Series Treatment)：當多個污染控制設備串聯使用時，總的污染物去除量是各設備去除量的累加，但污染物濃度是逐級降低的。
• 去除效率 (Removal Efficiency)：指設備去除污染物能力的百分比。

詳解：
設：

• 初始排放濃度 ($C_{in}$) = 320 mg/m³
• 目標排放濃度 ($C_{out}$) = 20 mg/m³
• 旋風集塵器 (Cyclone) 的去除效率 ($η_{cyclone}$) = 45% = 0.45
• 靜電集塵器 (ESP, Electrostatic Precipitator) 的去除效率 ($η_{ESP}$) = ?

計算步驟：

1. 計算旋風集塵器出口的污染物濃度：
   旋風集塵器去除 45% 的污染物，表示其餘 55% 的污染物會通過。
   旋風集塵器出口濃度 ($C_{cyclone\_out}$) = $C_{in} \times (1 - η_{cyclone})$
   $C_{cyclone\_out} = 320 \text{ mg/m³} \times (1 - 0.45)$
   $C_{cyclone\_out} = 320 \text{ mg/m³} \times 0.55$
   $C_{cyclone\_out} = 176 \text{ mg/m³}$

核心觀念

多個彼此獨立的施工機具同時運轉時，音量不能直接以分貝相加，必須先將各音量轉換為聲能比，再合成後轉回分貝。

聲級合成公式為：

為避免數值過大，可選取最大音量 $L_{\max}=89\ \mathrm{dB(A)}$ 作為基準：

解題方法

七個音源分別為：

以最大值 $89\ \mathrm{dB(A)}$ 為基準，計算各音源相對於最大音量的聲能比：

本題考驗考生對水力學中明渠流計算的掌握，需要運用曼寧公式 (Manning's Formula) 來計算平均流速和平均流量。

核心觀念：

• 明渠流 (Open Channel Flow)：指水流在有自由水面的渠道中流動，例如河流、水溝、水渠等。
• 曼寧公式 (Manning's Formula)：用於計算明渠平均流速的經驗公式，考慮了渠道的幾何形狀、糙率和坡度。
• 流量 (Discharge)：單位時間內通過渠道斷面的水量。

詳解：

已知條件：

• 渠道類型：混凝土矩形渠道
• 水力坡度 ($S$)：千分之一 = 1/1000 = 0.001
• 渠道寬度 ($B$)：2 公尺
• 有效深度 ($y$)：2 公尺 (此處假設有效深度即為水深)

計算步驟：

1. 計算水力半徑 (Hydraulic Radius, R)：
   對於矩形渠道，濕潤斷面積 ($A$) 和濕周 ($P$) 的計算如下：

   • 濕潤斷面積 $A = B \times y = 2 \text{ m} \times 2 \text{ m} = 4 \text{ m}^2$
   • 濕周 $P = B + 2y = 2 \text{ m} + 2 \times 2 \text{ m} = 2 \text{ m} + 4 \text{ m} = 6 \text{ m}$
   • 水力半徑 $R = \frac{A}{P} = \frac{4 \text{ m}^2}{6 \text{ m}} = \frac{2}{3} \text{ m} \approx 0.667 \text{ m}$

2. 確定曼寧糙率係數 (Manning's Roughness Coefficient, n)：

本題為上一題計算題的延續，但由於原卷題號只有一個，且題目內容相同，故視為同一題的詳細說明。若原卷有小題，則此處應為小題解答。在此，我們將再次審視並確認計算過程。

核心觀念：

• 明渠流計算，曼寧公式。

詳解：

已知條件：

• 渠道類型：混凝土矩形渠道
• 水力坡度 ($S$)：0.001
• 渠道寬度 ($B$)：2 m
• 水深 ($y$)：2 m

計算步驟：

1. 計算水力參數：
   • 濕潤斷面積 $A = B \times y = 2 \text{ m} \times 2 \text{ m} = 4 \text{ m}^2$
   • 濕周 $P = B + 2y = 2 \text{ m} + 2(2 \text{ m}) = 6 \text{ m}$
   • 水力半徑 $R = \frac{A}{P} = \frac{4 \text{ m}^2}{6 \text{ m}} = \frac{2}{3} \text{ m} \approx 0.667 \text{ m}$

本題考驗考生對台灣現行環境影響評估 (Environmental Impact Assessment, EIA) 流程的了解。環境影響評估是為了預測、識別、評估及減緩計畫或開發行為可能對環境產生的衝擊，是環境保護與永續發展的重要工具。

核心觀念：

• 環境影響評估 (EIA)：一種制度化的環境管理工具，旨在開發行為實施前，預測可能產生的環境影響，並提出對策。
• 流程：EIA 包含一系列有系統的步驟，從初步審查到環境差異分析。

詳解：
我國環境影響評估制度主要依據《環境影響評估法》及其施行細則、相關作業準則等規定。其流程大致可分為以下幾個主要階段：

1. 環評對象認定與類型劃分：

• 環評對象：所有開發計畫或經濟活動，若可能對環境造成影響者，皆應實施環評。
• 類型劃分：依據開發行為的規模、性質、潛在衝擊程度，將開發計畫分為「起動環評」(或稱「實質環評」) 和「簡易環評」(或稱「程序環評」)。
  • 起動環評 (Substantive EIA)：適用於規模較大、衝擊較顯著者，需進行較為詳盡的環境影響分析與評估。
  • 簡易環評 (Procedural EIA)：適用於規模較小、衝擊較輕微者，程序相對簡化。

2. 環評審查階段：

• A. 簡易環評流程：

  • 環評說明書 (Environmental Information Statement)：開發單位提交相關環境資料，說明計畫內容、可能影響及初步對策。
  • 審查 (Review)：環保主管機關（中央或地方）進行審查，可能召開審查會議。
  • 結論：審查通過、要求補正、或要求進入起動環評。

• B. 起動環評流程：

  • (a) 環境影響說明書 (Environmental Impact Statement, EIS)：開發單位提交一份較為詳盡的報告，內容包括：
    • 計畫概要及開發行為內容。
    • 環境現況調查（空氣、水、噪音、生態、地質、社會經濟、文化資產等）。
    • 環境影響預測與評估（正面及負面影響）。
    • 減輕或補償對策。
    • 替代方案之比較。