109 年 國立清華大學分析與環境科學研究所《環境工程概論》

環境影響差異分析（Environmental Impact Assessment, EIA），又稱環境影響評估，是指在計畫或開發行為實施前，對其可能產生的環境影響進行預測、評估，並提出減輕或補償對策的過程。

執行環境影響差異分析的主要情況包括：

1. 計畫或開發行為的規模與性質可能對環境造成顯著影響時：例如大型基礎建設（高速公路、機場、水庫）、工業區開發、礦業開發、大規模土地利用變更等。
2. 計畫或開發行為可能對敏感性環境（如國家公園、自然保護區、濕地、海岸帶、歷史遺跡等）造成影響時：即使規模不大，若涉及敏感區域，也需要進行評估。

活性污泥法是處理有機廢水的一種生物處理方法，其核心是利用微生物（主要是細菌）的新陳代謝作用來分解和去除廢水中的有機污染物。其代謝過程通常可分為四個主要階段，對應微生物細胞量、氧總利用量、溶解性有機物濃度及氧利用率等參數的時間序列變化如下圖所示：

代謝過程的四個階段：

1. 遲滯期（Lag Phase）：

   • 微生物細胞量：極少增加，或維持穩定。新加入的微生物需要適應新的環境。
   • 溶解性有機物濃度：通常較高，但變化不大，因為微生物尚未大量繁殖。
   • 氧總利用量：很低。
   • 氧利用率：較低。

2. 對數期/指數期（Log Phase / Exponential Phase）：

   • 微生物細胞量：快速指數級增長。微生物開始大量繁殖，代謝活躍。
   • 溶解性有機物濃度：快速下降，因為微生物大量消耗有機物作為能源和細胞生長。
   • 氧總利用量：快速增加，因為微生物的代謝活動增強，需要更多氧氣。
   • 氧利用率：保持相對較高水平。

3. 穩定期（Stationary Phase）：

   • 微生物細胞量：增長趨於緩慢或停止，達到最大值。此時出生率約等於死亡率。
   • 溶解性有機物濃度：維持在較低水平，下降速度減緩，接近於零。
   • 氧總利用量：趨於穩定或緩慢下降，因為微生物的總體生長停止，但仍有維持和少量增殖的代謝需求。
   • 氧利用率：可能略有下降，或者維持在穩定水平。

4. 衰退期（Decline Phase / Death Phase）：

   • 微生物細胞量：開始下降。由於營養物質耗盡或有毒物質積累，部分微生物死亡。

生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand, BOD）是水體有機污染的重要指標。

英文全名：
Biochemical Oxygen Demand

定義：
生化需氧量是指在特定溫度（通常為攝氏20度）和特定時間（通常為5天，即BOD5）下，水中好氧性微生物分解有機污染物時，所消耗的溶解氧量。它反映了水中可生物降解的有機物質的含量。BOD值越高，表示水中可生物降解的有機污染物越多，水體所受的有機污染越嚴重，同時也會導致水中溶解氧含量下降，影響水生生物的生存。

實驗室培養曲線濃度變化與時間關係（簡圖）：

在攝氏20度恆溫環境下，連續培養10天的BOD曲線，通常會呈現以下趨勢：

1. 初期（約0-2天）：BOD值快速上升。這是因為水中存在大量易於生物分解的有機物，微生物的活性迅速增強，消耗大量溶解氧。
2. 中期（約2-5天）：BOD值上升速度減緩，但仍持續增加。此時，一些較難分解的有機物開始被分解，微生物的生長進入對數期。BOD5即在此階段測量。
3. 後期（約5-10天）：BOD值上升趨於平緩，逐漸接近飽和點。

微生物檢驗結果常用CFU和MPN這兩個單位來表示水中微生物的數量，它們分別代表不同的計數方法和意義。

CFU (Colony-Forming Unit)：

• 意義：CFU是指「菌落形成單位」。它是指在適當的培養基上，一個具有繁殖能力的微生物單元（可能是一個細菌細胞、一個細胞團或一個孢子）經過培養後，形成一個可見的菌落。
• 測量方法：通常透過將水樣稀釋後，取一定體積的稀釋液塗抹或傾注到含有營養物質的培養基平板上，然後在適當的溫度下培養一段時間。統計長出的菌落數，再根據稀釋倍數和取樣體積，計算出單位體積水樣中能夠形成菌落的單位數量。
• 局限性：一個菌落可能來自單一細胞，也可能來自細胞的聚集體，因此CFU的數量可能略低於實際活菌的數量。

MPN (Most Probable Number)：

• 意義：MPN是指「最可能數」。它是一種統計學上的估計方法，用於測定水中總菌數或特定指示菌（如大腸桿菌群）的數量。

水資源回收中心（例如都市污水處理廠）在排放處理後的水體（放流水）之前，需要確保其總生菌數（Total Bacterial Count）以及特定指示菌（如大腸桿菌群）的含量符合環保標準，以保護接收水體（河流、湖泊、海洋）的生態環境和人體健康。降低總生菌數的常用方法主要包括物理方法和化學方法。

以下是一些常用的方法及其優劣：

1. 消毒（Disinfection）

這是最直接、最常用的方法，旨在殺滅或滅活水中殘餘的微生物。

• a. 氯消毒 (Chlorination)

  • 原理：利用氯氣（Cl2）、次氯酸鈉（NaClO）或二氧化氯（ClO2）等氯化物作為氧化劑，破壞微生物的細胞結構和生化反應。
  • 優點：
    • 消毒效果好，殺菌譜廣，對細菌、病毒、原生動物等均有效。
    • 成本相對較低。
    • 具有殘留效應，能在管道中提供一定的二次消毒能力。
  • 缺點：
    • 可能產生消毒副產物（Disinfection By-products, DBPs），如三鹵甲烷（THMs），這些副產物可能對人體健康有害，並對環境造成影響。
    • 對 pH 值敏感，在鹼性條件下消毒效果下降。
    • 對氨氮（NH3）等物質有反應，消耗氯，影響消毒效率。
    • 高劑量或長時間接觸可能對水生生物造成毒性。

• b. 紫外線消毒 (Ultraviolet Radiation, UV)

  • 原理：利用特定波長的紫外線（通常為 254 nm）照射水體，破壞微生物的 DNA 和 RNA，使其失去繁殖能力。
  • 優點：
    • 消毒效果好，對細菌、病毒、寄生蟲卵等均有效。
    • 無化學藥劑殘留，不產生消毒副產物。
    • 對水體 pH 值和溫度不敏感。
    • 操作相對簡單。
  • 缺點：
    • 無殘留效應，消毒後若水體再次受到污染，則失去保護。
    • 對水中懸浮物（SS）和色度較敏感，懸浮物會遮蔽微生物，降低消毒效率。
    • 設備投資成本較高，需要定期維護（如燈管更換）。
    • 需確保水體清澈透明才能達到最佳效果。

• c. 臭氧消毒 (Ozonation)

  • 原理：臭氧（O3）是一種強氧化劑，能快速氧化破壞微生物的細胞壁和內部結構。
  • 優點：
    • 消毒能力強，殺菌譜廣，殺菌速度快。
    • 能有效去除水中的色、味、酚類等污染物，並有助於去除部分有機物。
    • 無氯消毒副產物的問題。

氯氣（Cl2）在水中加入氨氮（NH3）時，會發生一系列複雜的反應，生成氯胺（Chloramines），這是一個重要的消毒過程，但也可能產生不同的產物，其反應過程和產物受氯與氨的比例、pH值、溫度等因素影響。

三者連續性的反應：

當氯氣（Cl2）加入含有氨氮（NH3）的水中時，首先氯氣會與水反應生成次氯酸（HClO）和鹽酸（HCl）：

1. $Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HClO + HCl$

隨後，次氯酸（HClO）與氨（NH3）反應，生成一氯胺（Monochloramine, NH2Cl）：
2. $HClO + NH_3 \rightarrow NH_2Cl + H_2O$

如果氯的加入量繼續增加，或者反應時間足夠長，一氯胺（NH2Cl）會進一步與次氯酸（HClO）反應，生成二氯胺（Dichloramine, NHCl2）：
3. $NH_2Cl + HClO \rightarrow NHCl_2 + H_2O$

二氯胺（NHCl2）還可以與次氯酸（HClO）反應，生成三氯胺（Trichloramine, NCl3）：
4. $NHCl_2 + HClO \rightarrow NCl_3 + H_2O$

三氯胺（NCl3）是一種揮發性很強的氣體，具有刺激性氣味，通常在水中不穩定。

反應的總結：
這個過程稱為「氯胺化」（Chloramination）。在一般水中消毒的pH範圍（約6-8），主要會生成一氯胺和二氯胺。三氯胺的生成量通常較少，但其存在會導致明顯的氯味。

加氯量、需氯量與餘氯量濃度關係圖：

這個關係圖通常稱為「餘氯曲線」（Chlorine Residual Curve）或「加氯曲線」（Chlorination Curve）。它描述了隨著加氯量的增加，水中餘氯（包括結合性餘氯和游離性餘氯）濃度的變化。

圖的構成：

• 橫軸：加氯量（Chlorine Dose），例如 mg/L。
• 縱軸：餘氯濃度（Residual Chlorine Concentration），例如 mg/L。

圖的曲線描述：

1. 初期（低加氯量）：

   • 加入的氯會先與水中的還原性物質（如有機物、無機物、氨氮等）反應。
   • 此階段，餘氯濃度幾乎為零，或者非常低。這部分消耗的氯稱為「氯耗量」（Chlorine Demand）。

2. 氯耗量階段（Chlorine Demand Zone）：

   • 隨著加氯量的增加，氯與水中的還原性物質持續反應。
   • 餘氯濃度仍保持在較低水平，甚至接近零。

最佳可行控制技術（Best Available Control Technology, BACT）是指在經濟上可行且技術上可行的前提下，能夠最大程度減少空氣污染物排放的技術。BACT的選擇取決於具體的污染物、排放源、法規要求和經濟可行性。

以下針對揮發性有機物（VOCs）、粒狀污染物（PM）、氮氧化物（NOx）與硫氧化物（SOx）各舉兩項BACT技術設備：

1. 揮發性有機物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)

VOCs是許多工業製程、溶劑使用、燃料燃燒等過程的排放物，對空氣品質和人體健康有顯著影響。

• a. 蓄熱式焚化爐 (Regenerative Thermal Oxidizer, RTO)

  • 原理：利用陶瓷蓄熱體預熱進入焚化爐的廢氣，並在燃燒VOCs後將高溫氣體通過另一個陶瓷蓄熱體，回收熱能。
  • 優點：熱回收效率高，可達95%以上，降低運行成本；對低濃度VOCs效率高。
  • 應用：適用於中低濃度、大風量的VOCs處理，如印刷、塗裝、製藥、化工等行業。

• b. 活性碳吸附 (Activated Carbon Adsorption)

  • 原理：利用活性碳巨大的比表面積吸附VOCs分子。吸附飽和後，可透過加熱或吹掃再生，將VOCs脫附下來，再進行後續處理（如焚燒或冷凝回收）。
  • 優點：對中低濃度VOCs吸附效率高，可回收有機物；運行成本相對較低。
  • 應用：適用於溶劑回收、印刷、製藥、化工等行業。

2. 粒狀污染物 (Particulate Matter, PM)

PM包括懸浮在空氣中的固體或液體顆粒，對呼吸系統和心血管系統有害。

• a. 袋濾式集塵器 (Baghouse Filter / Fabric Filter)

  • 原理：廢氣通過由特殊纖維製成的濾袋，粒狀污染物被截留在濾袋表面或內部，乾淨氣體通過。濾袋定期進行清灰（如脈衝噴吹）以清除附著的粉塵。
  • 優點：對極細粒子的去除效率極高（可達99.9%以上）；適用範圍廣，可處理高溫、腐蝕性氣體。
  • 應用：火力發電廠、水泥廠、鋼鐵廠、垃圾焚化廠等。

• b. 靜電集塵器 (Electrostatic Precipitator, ESP)

  • 原理：廢氣通過高壓電暈放電區域，使顆粒物帶電，然後在電場力的作用下，帶電的顆粒物被吸附到集塵極板上。
  • 優點：處理風量大，阻力小，適用於大風量、高溫、高濕度的場合；運行成本相對較低（與袋濾相比）。
  • 應用：火力發電廠、水泥廠、鋼鐵廠等。

3. 氮氧化物 (Nitrogen Oxides, NOx)

NOx主要來自燃料燃燒過程，是形成光化學煙霧和酸雨的主要成分。

此題考驗的是含水層抽水試驗的計算，特別是針對自由含水層（承壓含水層的一種特殊情況，即水面與上覆土層之間有自由表面）的井流問題。我們可以使用Dupuit-Thiem公式來估算井的出水量。

已知條件：

• 井的直徑 $D = 0.5$ m，則井的半徑 $r_w = D/2 = 0.25$ m。
• 井的洩降值（水位下降量） $\Delta h = 5$ m。
• 不透水層上自由水面高度（初始水位） $H = 50$ m。
• 透水係數（水力傳導係數） $K = 0.5$ m/hr。
• 影響半徑（圓錐體 depresión 的範圍） $R = 230$ m。

公式：
對於自由含水層，Dupuit-Thiem公式的變形形式如下：
$Q = \frac{2 \pi K (H - h_w) (h_w - h_{inf})}{\ln(R/r_w)}$
其中：

• $Q$ 是井的出水量 (m³/hr)。
• $K$ 是透水係數 (m/hr)。
• $H$ 是初始水面高度 (m)。
• $h_w$ 是井底附近的水位高度 (m)。
• $h_{inf}$ 是影響半徑處的水位高度 (m)。

然而，題目中給的「洩降值為5公尺」和「自由水面高度為50公尺」，以及「影響半徑為230公尺」。
這裡需要釐清幾個概念：

1. 自由含水層的「洩降值」：在自由含水層中，水位下降的量通常是相對於初始自由水面。所以，如果初始水面高度是50公尺，洩降5公尺，那麼井底附近的水位高度 $h_w$ 應該是 $50 - 5 = 45$ m。
2. 影響半徑處的水位：題目給了「影響半徑為230公尺」，這通常意味著在這個半徑處，水位恢復到初始的水位，即 $h_{inf} = H = 50$ m。

所以，我們有：

• $K = 0.5$ m/hr
• $H = 50$ m
• $h_w = H - \Delta h = 50 - 5 = 45$ m
• $R = 230$ m
• $r_w = 0.25$ m

計算過程：

此題考驗對沉澱池設計參數的理解與計算，包括尺寸估算和停留時間（Detention Time）的檢核。

已知條件：

• 每日污水回收量（設計流量） $Q_{design} = 80,000$ CMD (Cubic Meters per Day)。
• 溢流率（Surface Overflow Rate, SOR） $SOR = 50$ CMD/m²。
• 沉澱池實際深度 $D_{actual} = 4$ m。
• 沉澱池有效水深 $D_{effective} = 3.5$ m。
• 沉澱池形狀：正方形。

計算步驟：

步驟 1：將每日流量轉換為每日每平方米的流量（即表面積）。
根據溢流率的定義，SOR 是指單位表面積上處理的流量。因此，沉澱池所需的總表面積 (A) 可以透過總流量除以溢流率得到：
$A = \frac{Q_{design}}{SOR}$
$A = \frac{80,000 \text{ CMD}}{50 \text{ CMD/m²}}$
$A = 1600 \text{ m²}$

步驟 2：計算正方形沉澱池的邊長。
由於沉澱池是正方形，其面積 $A = L^2$，其中 L 是邊長。
$L^2 = 1600 \text{ m²}$
$L = \sqrt{1600 \text{ m²}}$
$L = 40 \text{ m}$
所以，初步估算的沉澱池尺寸為 40 m × 40 m。

步驟 3：計算沉澱池的有效容積 (Volume)。
沉澱池的容積是其表面積乘以有效水深。
$V_{effective} = A \times D_{effective}$
$V_{effective} = 1600 \text{ m²} \times 3.5 \text{ m}$
$V_{effective} = 5600 \text{ m³}$

核心觀念

1. 三成分與四成分分析（Proximate Analysis）：

   • 垃圾三成分：水分（Moisture, $W$）、可燃份（Combustible matter, $V+FC$）、灰份（Ash, $A$），滿足： $$W + \text{可燃份} + A = 100\%$$
   • 垃圾四成分：水分（$W$）、揮發份（Volatile Matter, $VM$）、固定碳（Fixed Carbon, $FC$）、灰份（$A$），滿足： $$W + VM + FC + A = 100\%$$
   • 可燃份由揮發份與固定碳組成： $$\text{可燃份} = VM + FC$$

2. 發熱量定義（Calorific Value）：

   • 高位發熱量（Higher Heating Value, $H_h$ 或 $HHV$）：燃燒產物中的水分完全凝結為液態水時釋放的總熱量。
   • 低位發熱量（Lower Heating Value, $H_l$ 或 $LHV$）：燃燒產物中的水維持水蒸氣狀態時所釋放的有效淨熱量。
   • 兩者轉換關係為高位發熱量扣除水汽之凝結潛熱： $$H_l = H_h - \Delta H_{v}$$ （題目直接給定水之凝結熱為 $150\text{ kcal/kg}$ 廢棄物）。

3. 自主燃燒判定基準（自持燃燒條件）：

   • 在焚化爐運作實務與環境工程準則中，廢棄物在無須額外添加輔助燃料（如重油、天然氣）下維持穩定自燃的最低低位發熱量門檻通常為 $800 \sim 1,000\text{ kcal/kg}$（或依 Tanner 三角圖判定，低於 $800 \sim 1,000\text{ kcal/kg}$ 燃燒不穩定，低於 $1,000\text{ kcal/kg}$ 難以維持自燃）。一般以 $LHV \ge 1,000\text{ kcal/kg}$ 作為無須補充熱能之自持燃燒判定標準。

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解題方法

1. 求可燃份：

   $$\text{可燃份} = \text{揮發份} + \text{固定碳} = 20\% + 8\% = 28\%$$

2. 求灰份：
   根據總組成百分比守恆：

   $$\text{灰份} = 100\% - (\text{水分} + \text{固定碳} + \text{揮發份})$$

此題為名詞解釋題，共10個名詞，每題約佔3%（30%/10）。

1. Oligotrophic stage

• 中文譯名：貧營養階段 (或稱寡營養階段)
• 解釋：在生態學中，特別是水生生態學，Oligotrophic stage 指的是一個水體（如湖泊、河流）養分含量極低、生物生產力也較低的狀態。這類水體通常水質清澈，溶解氧含量高，但生物量（如藻類、浮游生物）較少。與之相對的是 Eutrophic stage (優養階段)，後者養分豐富，生物量極高，可能導致缺氧等問題。

2. Soundscape

• 中文譯名：聲景 (或稱聲音景觀)
• 解釋：Soundscape 指的是一個特定區域內所有聲音的總和，包括自然聲音（如鳥鳴、風聲、水流聲）、人為聲音（如交通聲、機械聲、人語聲）以及它們與環境的相互關係。它不僅是聲音的物理現象，也包含人們對這些聲音的主觀感知和意義。聲景研究是環境學、地理學、建築學、心理學等多學科的交叉領域。

3. Lower heating value (LHV)

• 中文譯名：低位發熱量
• 解釋：指燃料完全燃燒後，所釋放的熱量中，不包含燃燒產生的水蒸氣凝結成液態水時釋放的潛熱。它等於高位發熱量（HHV）減去水汽化潛熱。在實際應用中，由於燃燒產生的水蒸氣通常以氣態排出，因此低位發熱量更能反映實際可利用的熱能。

4. Phytoremediation

• 中文譯名：植物修復 (或稱植物淨化)
• 解釋：Phytoremediation 是一種利用植物（包括其根部微生物）來移除、轉化或穩定土壤、沉積物或水體中污染物（如重金屬、有機污染物）的環保技術。植物透過吸收、積累、揮發或降解等方式來淨化受污染的環境。

5. Secondary air pollutants

• 中文譯名：二次空氣污染物 (或稱次級空氣污染物)
• 解釋：Secondary air pollutants 是指在大氣中，由一次空氣污染物（Primary air pollutants，直接由排放源排放的污染物，如 SO2, CO, NOx）經過化學反應或光化學反應生成的污染物。例如，臭氧 (O3) 和過氧乙醯硝酸酯 (PAN) 是由 NOx 和 VOCs 在陽光作用下產生的二次污染物。

6. Pyrolysis

• 中文譯名：熱解 (或稱裂解)
• 解釋：Pyrolysis 是指在無氧或極少氧氣的條件下，有機物在高溫下分解成較小的分子，產生氣體、液體（如油）和固體（如炭）的過程。這是一種熱化學轉化過程，常應用於廢棄物處理（如垃圾、塑膠）和生物質轉化。

7. Anaerobic condition

• 中文譯名：厭氧條件 (或稱無氧條件)