110 中央印製廠分類職 環工工程員 環化及環微、廢棄物清理工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查水中或環境樣品之微生物「活菌定量」方法，重點在於：

1. 平板計數法的稀釋、培養與菌落計數原理。
2. 膜濾法利用濾膜截留微生物，再培養計數的原理。
3. 兩種方法的操作流程、計算公式、適用情況與限制。
4. 計數結果通常以菌落形成單位（colony forming unit, CFU）表示，而非直接等同於細胞數，因為一個菌落可能由單一細胞或細胞群形成。

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一、平板計數法

1. 定義與原理

平板計數法是將待測樣品經適當倍數稀釋後，取一定體積接種於固體培養基上，經適當溫度與時間培養，使可培養的活菌形成肉眼可見菌落，再依菌落數推算原樣品中的微生物濃度。

其基本假設為：

• 每一個可計數菌落源自一個活菌或一群彼此相連的活菌。
• 在適當稀釋倍數下，各菌落可彼此分離。
• 培養條件能使目標微生物生長。

因此結果以 CFU 表示，計算式為：

$$\text{CFU/mL} = \frac{\text{菌落數} \times \text{稀釋倍數}}{\text{接種體積（mL）}}$$

若樣品原本為固體，則可依樣品重量換算為 CFU/g。

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2. 操作方法

（1）樣品均質化

液體樣品直接混合均勻；固體或半固體樣品須先以無菌稀釋液製成均質懸液。

（2）系列稀釋

以無菌水、生理食鹽水或適當稀釋液進行十倍系列稀釋，例如：

$$10^{-1},\ 10^{-2},\ 10^{-3},\ 10^{-4}$$

每次稀釋均須充分混合，以降低微生物分布不均造成的誤差。

（3）接種平板

常見方式如下：

• 傾注平板法（pour plate）：將一定體積稀釋液加入無菌培養皿，再倒入融化且適當降溫的培養基，混合凝固後培養。
• 塗抹平板法（spread plate）：將一定體積稀釋液滴加於固體培養基表面，再用無菌塗布棒均勻塗抹。

每一稀釋倍數通常設置平行培養皿，以提高結果可靠性。

（4）培養與計數

依目標微生物選擇培養基、培養溫度、培養時間及需氧條件。培養完成後，計算符合計數範圍之平板菌落數。

通常選擇菌落數適中、菌落彼此分離的平板。一般平板計數常以約 $30\sim300$ 個菌落作為參考範圍，實際標準仍應依所採用的檢驗方法規定辦理。

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3. 計算示例

取 $10^{-4}$ 稀釋液 $1\ \text{mL}$ 接種，培養後計得 $86$ 個菌落，則：

$$\text{CFU/mL} = \frac{86 \times 10^{4}}{1} = 8.6\times10^{5}\ \text{CFU/mL}$$

若採用塗抹平板法，取樣體積為 $0.1\ \text{mL}$，同樣得到 $86$ 個菌落，則：

$$\text{CFU/mL} = \frac{86 \times 10^{4}}{0.1} = 8.6\times10^{6}\ \text{CFU/mL}$$

因為實際接種體積只有 $0.1\ \text{mL}$，換算回每毫升時須再除以 $0.1$。

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二、膜濾法

1. 定義與原理

膜濾法是使一定體積的液體樣品通過具有特定孔徑的無菌濾膜，利用濾膜截留樣品中的微生物，再將濾膜置於適當培養基上培養，使微生物在濾膜表面形成菌落，藉以計算樣品中的微生物數量。

水質微生物檢驗常使用孔徑約 $0.45\ \mu\text{m}$ 的膜濾器，以截留多數細菌。濾膜孔徑、材質及培養基應依目標微生物與標準方法選定。

膜濾法常用於微生物濃度較低、但可過濾較大體積樣品的情況。

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2. 操作方法

（1）裝置準備

使用無菌漏斗、濾膜、濾膜座及真空抽濾裝置。操作時須避免濾膜、漏斗及培養基受到污染。

（2）過濾樣品

量取已充分混合的樣品，通過無菌濾膜。若樣品中懸浮固體過多，容易造成濾膜堵塞，可先選擇較小體積、分次過濾，或依標準方法進行適當處理。

（3）轉移濾膜

核心觀念

本題考查硝化菌（nitrifying bacteria）的代謝方式、生長條件與污水處理中的生長特性。硝化作用是好氧自營性微生物將氨氮逐步氧化為硝酸鹽的過程，分為兩階段：

1. 氨氧化菌（AOB） 代表菌屬為 Nitrosomonas，將氨氮氧化為亞硝酸鹽：

$\mathrm{NH_4^+ + 1.5O_2 \rightarrow NO_2^- + 2H^+ + H_2O}$

2. 亞硝酸氧化菌（NOB） 代表菌屬為 Nitrobacter、Nitrospira，將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽：

$\mathrm{NO_2^- + 0.5O_2 \rightarrow NO_3^-}$

總反應可表示為：

$\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O}$

由於反應會產生氫離子，硝化作用會消耗水中鹼度，使 pH 降低。

解題方法

回答本題時，應依照「營養方式 → 生長速率 → 環境需求 → 污水處理意義」的順序說明，完整呈現硝化菌的生理與工程特性。

一、屬於好氧化能自營性微生物

硝化菌利用無機物氧化所釋放的能量生長，屬於化能自營性微生物（chemoautotroph）：

• AOB 利用氨氮或氨作為能源；
• NOB 利用亞硝酸鹽作為能源；
• 以二氧化碳或碳酸氫根作為主要碳源，合成細胞物質；
• 不以有機物作為主要能源，因此在有機碳濃度高的環境中，常受到異營菌競爭。

硝化菌需要分子氧作為電子受體，因此硝化作用必須在好氧條件下進行。

二、生長速度慢、產率低

硝化菌從氨氮與亞硝酸鹽氧化所獲得的能量有限，因此具有下列特徵：

• 生長速率較異營菌慢；
• 世代時間較長；
• 細胞合成速率低；
• 生物產率（cell yield）低，產生的剩餘污泥量相對較少；
• 容易因污泥流失而無法維持足夠菌量。

硝化菌的生長速率可用 Monod 模式表示：

$$\mu=\mu_{\max}\frac{S}{K_s+S}\frac{O_2}{K_O+O_2}$$

其中：

• $\mu$：硝化菌比生長速率；
• $\mu_{\max}$：最大比生長速率；
• $S$：氨氮或亞硝酸鹽濃度；
• $K_s$：半飽和常數；
• $O_2$：溶氧濃度；
• $K_O$：氧的半飽和常數。

在活性污泥系統中，若硝化菌的淨生長速率低於污泥排放造成的流失速率，硝化菌便會被洗出。因此，硝化系統通常需要較長的污泥齡（SRT），且硝化菌的污泥齡必須大於其最低固體停留時間。

三、對溶氧需求較高

硝化作用為耗氧反應，尤其氨氧化階段與亞硝酸氧化階段均需要氧氣。溶氧不足時：

• 氨氧化菌與亞硝酸氧化菌的生長速率下降；
• 氨氮氧化不完全；
• 亞硝酸鹽可能累積；
• 整體硝化效率降低。

一般工程操作會維持適當的好氧溶氧濃度，並考慮曝氣池內的傳氧效率與氨氮負荷。溶氧過低時，異營菌也會與硝化菌競爭氧氣，使硝化作用更容易受到抑制。

四、適宜中性至弱鹼性環境

硝化菌通常適合在接近中性至弱鹼性的環境中生長，常見適宜範圍約為：

$\mathrm{pH\ 7.0\sim 8.5}$

核心觀念

本題考查「活性污泥法的處理對象」以及「重金屬是否能被微生物分解」。

活性污泥法主要利用好氧微生物分解廢水中的可生物分解性有機物，例如醣類、蛋白質、脂肪及部分含氮有機物，使其轉化為二氧化碳、水、新生細胞及其他穩定物質。其主要功能可概念化表示為：

$$\text{有機物}+O_2 \rightarrow CO_2+H_2O+\text{新生污泥}$$

銅則屬於元素性重金屬，無法像有機物一樣被微生物「分解」或礦化。銅原子不會因活性污泥作用而消失，只可能發生形態轉換或由水相轉移至污泥相。

因此，必須區分：

• 分解（degradation）：污染物被微生物轉化為較簡單、穩定的物質。
• 去除（removal）：污染物從水相移出，但仍存在於污泥或其他介質中。

活性污泥法對銅至多具有部分去除作用，並不具有真正分解銅的能力。

解題方法

判斷本題可分成兩個層次：

一、判斷銅是否為可生物分解物質

銅是重金屬元素，不能被微生物分解成無害的碳、氮或其他元素。因此，以「活性污泥法分解銅」的說法並不正確。

即使廢水中的銅原本與有機物形成錯合物，微生物將有機配位基分解後，銅元素仍然存在，只是可能轉變為游離銅離子、氫氧化物、硫化物或吸附態銅。

二、判斷活性污泥是否可能去除銅

在活性污泥系統中，銅可能透過下列機制由水相移除：

1. 生物吸附（biosorption） 銅離子可吸附於微生物細胞表面、胞外聚合物及污泥絮體上。

2. 生物累積（bioaccumulation） 部分銅可進入微生物細胞內，累積於細胞或污泥中。

3. 化學沉澱及共沉澱 在適當的 pH、鹼度及硫化物等條件下，銅可能形成難溶化合物，例如氫氧化銅或硫化銅，並隨污泥絮體沉降。

4. 固液分離 已吸附、累積或沉澱於污泥中的銅，可藉由二沉池沉降而自水中移除。

若以水相濃度表示，其去除率可寫為：

核心觀念

本題考查《有害事業廢棄物認定標準》中，依廢棄物本身所具有的毒性、危險性或特殊危害特性，所認定的「有害特性認定之有害事業廢棄物」種類。

以命題當年（民國110年）法規為準，答題時列出法規所稱的有害特性類別即可；不必詳列所有判定濃度、溶出量或試驗方法。

解題方法

本題屬於法規記憶與分類題，作答方式如下：

1. 先掌握《有害事業廢棄物認定標準》所列的有害特性。
2. 從中列舉五種。
3. 為避免只寫名稱而失分，可在各類名稱後補充其主要危害意義。

五種有害事業廢棄物

一、毒性有害事業廢棄物

含有毒性物質，且其含量超過法規所定標準，足以對人體健康或環境造成危害者。

二、溶出毒性事業廢棄物

廢棄物經標準方法進行溶出試驗後，溶出液中所含有害物質濃度超過法定標準者。例如重金屬或其他有毒物質可能由廢棄物中溶出，造成土壤及地下水污染。

三、腐蝕性事業廢棄物

具有強酸性或強鹼性，足以腐蝕容器、設備或人體組織者。其判定通常與廢棄物的酸鹼性及腐蝕性試驗結果有關。

四、易燃性事業廢棄物

核心觀念

本題依據《廢棄物清理法》第 15 條第 2 項，考查「公告應回收廢棄物」的分類。命題當年（民國 110 年），公告應回收廢棄物項目區分為：

• 容器類
• 物品類

並細分為 13 類、33 項。題目要求列舉其中 5 類，因此只要寫出公告分類中的任 5 類即可。

解題方法

作答時應直接列出 5 個不同的公告回收廢棄物類別，並注意「類」與「項」的層級差異：

• 「廢容器類」屬於分類中的一類，不能只寫單一容器名稱作為完整答案。
• 「廢乾電池」、「廢輪胎」等，則可作為公告分類項目列舉。
• 為避免分類名稱不完整，宜採用法規及公告慣用的完整名稱。

解題技巧與常見陷阱

核心觀念

本題考查氧化還原反應的半反應式配平。半反應式配平原則如下：

1. 先配平除 $\mathrm{O}$、$\mathrm{H}$ 以外的元素。
2. 以 $\mathrm{H_2O}$ 配平氧原子。
3. 以 $\mathrm{H^+}$ 配平氫原子（酸性水溶液）。
4. 以電子 $\mathrm{e^-}$ 配平電荷。
5. 最後檢查原子數與總電荷是否相等。

題目未指定反應介質，以下採考試最常用的酸性水溶液條件配平。

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(1) $\mathrm{HOBr \rightarrow Br_2}$

氧化數判斷

在 $\mathrm{HOBr}$ 中，$\mathrm{H}$ 為 $+1$、$\mathrm{O}$ 為 $-2$，因此：

$$(+1)+(-2)+x=0$$ $$x=+1$$

溴由 $\mathrm{HOBr}$ 中的 $+1$ 價變為 $\mathrm{Br_2}$ 中的 $0$ 價，發生還原，每個溴原子得到 $1$ 個電子。

配平

先配平溴：

$$2\mathrm{HOBr}\rightarrow \mathrm{Br_2}$$

右側補 $\mathrm{H_2O}$ 配平氧：

$$2\mathrm{HOBr}\rightarrow \mathrm{Br_2}+\mathrm{H_2O}$$

此時右側有 $2$ 個氫，左側原有 $2$ 個氫，因此氫已平衡。為使電荷相等，左側加入 $2\mathrm{H^+}$ 與 $2\mathrm{e^-}$：

$$\boxed{2\mathrm{HOBr}+2\mathrm{H^+}+2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Br_2}+2\mathrm{H_2O}}$$

檢查電荷：左側 $+2-2=0$，右側為 $0$。

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(2) $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}\rightarrow Cr^{3+}}$

配平鉻原子

左側有 $2$ 個鉻，因此右側先寫成：

$$\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}\rightarrow 2\mathrm{Cr^{3+}}$$

以水配平氧

左側有 $7$ 個氧，右側加入 $7\mathrm{H_2O}$：

$$\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}\rightarrow 2\mathrm{Cr^{3+}}+7\mathrm{H_2O}$$

以氫離子配平氫

右側有 $14$ 個氫，左側加入 $14\mathrm{H^+}$：

$$\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}+14\mathrm{H^+ }\rightarrow 2\mathrm{Cr^{3+}}+7\mathrm{H_2O}$$

以電子配平電荷

左側電荷為：

$$-2+14=+12$$

右側電荷為：

$$2(+3)=+6$$

左側需加入 $6\mathrm{e^-}$，使總電荷降為 $+6$：

核心觀念

本題考查有害事業廢水中：

1. 氰化物的毒性控制與氧化破壞。
2. 六價鉻還原為三價鉻，再以氫氧化物沉澱去除。
3. 不同處理反應所需的適當 $\mathrm{pH}$ 條件。
4. 化學氧化還原與重金屬化學沉澱的連續操作原則。

氰化物廢水的重點是將具高度毒性的 $\mathrm{CN^-}$ 轉化為毒性較低的氰酸根 $\mathrm{CNO^-}$，再進一步分解、氧化。含鉻廢水的重點則是將高毒性、易移動的六價鉻 $\mathrm{Cr(VI)}$ 還原成三價鉻 $\mathrm{Cr(III)}$，再形成難溶的氫氧化鉻沉澱。

以命題當年（民國 110 年）法規為準；本題主要考查環境工程處理原理，無須援引特定法條數字。現行相關環保法規及放流水標準已歷經修正，實務操作仍應依現行規定辦理。

一、氰化物廢水處理原則

1. 先分流，避免與酸性廢水混合

氰化物廢水應單獨收集與處理，不可直接與酸性廢水混合。原因是：

$$\mathrm{CN^- + H^+ \rightleftharpoons HCN}$$

氰化氫 $\mathrm{HCN}$ 為揮發性且劇毒的氣體，當 $\mathrm{pH}$ 降低時，平衡向右移動，容易逸散造成中毒危害。

氰化氫的解離常數可表示為：

$$\mathrm{HCN \rightleftharpoons H^+ + CN^-}$$

其 $\mathrm{p}K_a$ 約為 $9.2$。因此，處理過程應維持鹼性，使氰化物主要以離子型態 $\mathrm{CN^-}$ 存在，降低 $\mathrm{HCN}$ 揮發風險。

2. 鹼性氯化氧化法

常用氧化劑包括氯氣、次氯酸鈉 $\mathrm{NaOCl}$ 或次氯酸鹽。實務上通常在強鹼性條件下進行，適宜的第一段反應條件約為：

$$\mathrm{pH}=10\sim 11$$

以次氯酸根 $\mathrm{OCl^-}$ 為例，氰離子先被氧化為氰酸根：

$$\mathrm{CN^- + OCl^- \rightarrow CNO^- + Cl^-}$$

此階段將氰化物由 $\mathrm{CN^-}$ 轉化為毒性較低、較不易揮發的氰酸根 $\mathrm{CNO^-}$。

接著，氰酸根再經水解或進一步氧化，轉化為二氧化碳、氮氣、氨氮或其他含氮氧化產物；在氯化氧化系統中，透過足量氧化劑及適當反應時間，可使氰酸根繼續分解。簡化表示如下：

$$\mathrm{CNO^- \rightarrow CO_2 + N\text{-}products}$$

因此，氰化物處理不能只看第一段「氰離子變成氰酸根」，還必須控制氧化劑投加量、反應時間及後續殘留氧化劑。

3. 反應後處理

氧化反應完成後，應檢測：

• 殘留氰化物。
• 殘留自由有效氯。
• 氨氮及其他含氮副產物。
• 出流水之 $\mathrm{pH}$。

若殘留自由氯過高，應以亞硫酸氫鈉、硫代硫酸鈉等還原劑進行脫氯，再排放或進入後續處理單元。

4. 氰化物處理的操作重點

• 全程保持鹼性，通常控制在 $\mathrm{pH}>10$。
• 不得先行酸化氰化物廢水。
• 氧化劑必須足量，但不可過量至造成嚴重殘氯。
• 金屬氰錯合物較穩定，所需氧化條件通常比游離氰化物更強。
• 氯化氧化法可能生成氯胺、氨氮等副產物，需配合後續處理與檢測。

二、含鉻廢水處理原則

1. 六價鉻先還原為三價鉻

六價鉻通常以鉻酸根 $\mathrm{CrO_4^{2-}}$ 或重鉻酸根 $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$ 形式存在，具有較高毒性及氧化性。處理時先加入還原劑，使：

$$\mathrm{Cr(VI)\rightarrow Cr(III)}$$

常用還原劑包括：

• 硫酸亞鐵 $\mathrm{FeSO_4}$。
• 亞硫酸氫鈉 $\mathrm{NaHSO_3}$。
• 偏亞硫酸鈉 $\mathrm{Na_2S_2O_5}$。
• 二氧化硫 $\mathrm{SO_2}$。

還原反應通常在酸性環境進行，適宜控制為：

核心觀念

本題考查水樣鹼度滴定及酚酞終點、甲基橙終點的判讀。

鹼度以 $\mathrm{CaCO_3}$ 表示時，常用換算關係為：

$$1\ \mathrm{meq/L}=50\ \mathrm{mg/L\ as\ CaCO_3}$$

設：

• $P$：酚酞鹼度
• $T$：總鹼度，即甲基橙鹼度

滴定至酚酞終點，主要中和：

• $\mathrm{OH^-}$
• $\mathrm{CO_3^{2-}}$ 的第一個氫離子

繼續滴定至甲基橙終點，則再中和：

• $\mathrm{CO_3^{2-}}$ 的第二個氫離子
• $\mathrm{HCO_3^-}$

因此，各鹼度成分可由 $P$ 與 $T$ 判定。

解題方法

水樣體積為 $200\ \mathrm{mL}=0.200\ \mathrm{L}$，酸液濃度為 $0.2\ \mathrm{N}$。

一、計算酚酞鹼度 $P$

酚酞終點所消耗酸量為 $20\ \mathrm{mL}=0.020\ \mathrm{L}$：

$$\text{酸當量}=0.2\times 0.020=0.004\ \mathrm{eq}$$

換算成水樣中的當量濃度：

$$P=\frac{0.004}{0.200} =0.020\ \mathrm{eq/L} =20\ \mathrm{meq/L}$$

以 $\mathrm{CaCO_3}$ 表示：

$$P=20\times 50 =1000\ \mathrm{mg/L\ as\ CaCO_3}$$

二、計算總鹼度 $T$

甲基橙終點共消耗酸量為 $25\ \mathrm{mL}=0.025\ \mathrm{L}$：

$$\text{酸當量}=0.2\times 0.025=0.005\ \mathrm{eq}$$

因此：

$$T=\frac{0.005}{0.200} =0.025\ \mathrm{eq/L} =25\ \mathrm{meq/L}$$

換算成 $\mathrm{CaCO_3}$：

$$T=25\times 50 =1250\ \mathrm{mg/L\ as\ CaCO_3}$$

三、判定鹼度組成

判斷條件為：

• $P<T/2$：只有 $\mathrm{CO_3^{2-}}$ 與 $\mathrm{HCO_3^-}$
• $P=T/2$：只有 $\mathrm{CO_3^{2-}}$
• $P>T/2$：有 $\mathrm{OH^-}$ 與 $\mathrm{CO_3^{2-}}$，沒有 $\mathrm{HCO_3^-}$

本題：

$$\frac{T}{2}=\frac{25}{2}=12.5\ \mathrm{meq/L}$$

因為：

$$P=20>12.5=\frac{T}{2}$$

所以水樣含有 $\mathrm{OH^-}$ 與 $\mathrm{CO_3^{2-}}$，不含 $\mathrm{HCO_3^-}$。

在 $P>T/2$ 的情況下：

$$\mathrm{OH^-}=2P-T$$ $$\mathrm{CO_3^{2-}}=2(T-P)$$