110 中央印製廠分類職 環工工程員 環境管理與空污防制... 考古題詳解

核心觀念

本題考查氮氧化物（$NO_x$）與碳氫化合物（$HC$，現多稱揮發性有機物 VOCs）在日光作用下，形成臭氧與其他二次污染物的光化學反應循環，亦即光化學煙霧的形成機制。

主要觀念包括：

1. $NO_2$ 吸收紫外光後光解，產生氧原子。
2. 氧原子與氧分子反應生成臭氧 $O_3$。
3. 碳氫化合物被氫氧自由基 $\cdot OH$ 或其他自由基氧化，形成有機過氧自由基。
4. 有機過氧自由基及氫過氧自由基將 $NO$ 氧化為 $NO_2$，使 $NO_2$ 持續光解並生成更多臭氧。
5. 反應過程亦可生成醛類、酮類、過氧乙醯硝酸酯（PAN）等二次污染物。

光化學煙霧的關鍵不只是 $NO_x$ 或碳氫化合物單獨存在，而是兩者在強日照下共同作用。

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解題方法

繪圖時應分成兩個相互連接的循環：

• 臭氧生成循環： $NO_2$ 光解 $\rightarrow O$ 原子生成 $\rightarrow O_3$ 生成。
• 碳氫化合物自由基循環： $HC$ 氧化產生 $\mathrm{RO_2\cdot}$、$\mathrm{HO_2\cdot}$，再將 $NO$ 轉化為 $NO_2$。

其中，碳氫化合物的作用是促進 $NO$ 轉變為 $NO_2$，使 $NO_2$ 能不斷光解產生臭氧。

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一、氮氧化物的基本臭氧循環

1. 二氧化氮光解

二氧化氮吸收波長小於約 $430\ \mathrm{nm}$ 的日光：

$$NO_2+h\nu \rightarrow NO+O(^3P)$$

其中：

• $h\nu$：光能；
• $O(^3P)$：基態氧原子。

2. 氧原子生成臭氧

氧原子與氧分子在第三體 $M$ 存在下反應：

$$O(^3P)+O_2+M\rightarrow O_3+M$$

$M$ 通常可視為空氣中的氮分子或氧分子，作用是吸收反應所釋放的能量，使臭氧分子保持穩定。

3. 臭氧氧化一氧化氮

生成的臭氧可氧化一氧化氮：

$$NO+O_3\rightarrow NO_2+O_2$$

將上述三式合併，可得：

$$NO_2+h\nu\rightarrow NO+O$$ $$O+O_2+M\rightarrow O_3+M$$ $$NO+O_3\rightarrow NO_2+O_2$$

其總反應為：

$$O_2+h\nu\rightarrow O_3$$

但在沒有碳氫化合物參與時，臭氧生成與臭氧消耗會迅速達到光穩態，臭氧不易大量累積。

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二、碳氫化合物參與的自由基循環

碳氫化合物本身通常不會直接大量生成臭氧，而是透過自由基反應，使 $NO$ 不必消耗臭氧即可轉化為 $NO_2$。

以一般碳氫化合物 $RH$ 表示：

1. 碳氫化合物被氫氧自由基攻擊

$$RH+\cdot OH\rightarrow R\cdot+H_2O$$

其中：

• $RH$：碳氫化合物；
• $\cdot OH$：氫氧自由基；
• $R\cdot$：有機自由基。

2. 有機自由基與氧氣反應

$$R\cdot+O_2\rightarrow RO_2\cdot$$

生成有機過氧自由基 $\mathrm{RO_2\cdot}$。

3. 有機過氧自由基氧化一氧化氮

$$RO_2\cdot+NO\rightarrow RO\cdot+NO_2$$

此反應的關鍵在於：$NO$ 被氧化成 $NO_2$，但沒有消耗 $O_3$。

生成的 $NO_2$ 可再接受日光照射：

$$NO_2+h\nu\rightarrow NO+O$$ $$O+O_2+M\rightarrow O_3+M$$

因此，碳氫化合物使 $NO$ 快速轉變成 $NO_2$，進而造成臭氧累積。

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三、醛類與氫過氧自由基的循環

有機氧自由基 $\mathrm{RO\cdot}$ 可繼續與氧氣反應，生成醛類、酮類及氫過氧自由基：

$$RO\cdot+O_2\rightarrow R'CHO+\mathrm{HO_2\cdot}$$

其中 $R'CHO$ 可代表醛類，例如甲醛、乙醛等。

氫過氧自由基再將一氧化氮氧化為二氧化氮：

$$\mathrm{HO_2\cdot}+NO\rightarrow \cdot OH+NO_2$$

此反應同時具有兩項作用：

• 生成 $NO_2$，促進臭氧生成；
• 再生 $\cdot OH$，使自由基反應得以延續。

因此，$\cdot OH$、$\mathrm{RO_2\cdot}$ 與 $\mathrm{HO_2\cdot}$ 形成連鎖反應。

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核心觀念

本題考查「逸散性污染（fugitive emission）」的定義，以及粒狀污染物、氣態污染物常見的逸散性污染源。

以命題當年（民國 110 年）法規為準，逸散性污染的判斷重點有二：

1. 污染物不是經由煙囪、排氣管或其他固定排放管道排放。
2. 污染物因設備洩漏、物料裝卸、堆置、輸送、破碎、風蝕等作業，直接散逸至周遭大氣。

因此，逸散性污染不僅包括氣體洩漏，也包括堆置場、道路及物料處理過程所產生的粒狀污染物。

現行法規如有修正，解題仍以民國 110 年命題時點為準。

解題方法

作答時先寫出完整定義，再依污染物型態分成：

• 粒狀污染物逸散源
• 氣態污染物逸散源

每類列舉 3 項，並簡要說明污染物如何逸散，即可完整對應配分。

（a）逸散性污染之定義【5分】

逸散性污染係指固定污染源在製程操作、原物料堆置、輸送、裝卸、設備操作或設備洩漏等過程中，污染物未經由煙囪、排氣管或其他指定排放管道收集排放，而直接散逸至大氣環境的污染。

其主要特徵如下：

1. 非管道排放：污染物不是由單一、明確的排放管道排出。
2. 排放位置分散：污染可能發生於堆置場、輸送設備、裝卸區、儲槽、閥件、法蘭、泵浦等多個位置。
3. 不易直接收集：因污染源分散且排放量隨操作狀況、風速、物料特性及設備密閉程度變化，通常較難以傳統煙囪控制方式處理。
4. 污染型態多元：可包括粉塵、飛散性粒狀物、揮發性有機物及其他氣態污染物。

（b）逸散性污染源舉例【10分】

1. 粒狀污染物逸散源

（1）原物料堆置場

煤、砂石、礦石、水泥原料、粉體等物料露天堆置時，受風力吹蝕會產生粉塵，形成逸散性粒狀污染。

（2）物料裝卸及輸送作業

砂石、煤、粉粒體等物料在裝車、卸料、落料、輸送帶轉運及抓斗作業時，因物料撞擊、落差及擾動而產生粉塵。

（3）廠區道路及車輛行駛揚塵

運輸車輛在未鋪面道路或積塵路面行駛時，車輪擾動路面粉塵，產生道路揚塵；車輛進出也可能將物料帶出廠區，增加粒狀污染逸散。

其他可接受例子包括破碎、篩分、研磨作業，以及露天開挖、回填與土石堆置作業。

核心觀念

本題考查微粒通過纖維、濾材或其他收集介質時，因粒徑、慣性及布朗運動不同而被捕集的三種主要機制：

1. 慣性碰撞（inertial impaction）
2. 直接攔截（direct interception）
3. 擴散（diffusion）

三種機制通常同時存在，但所占主導地位會隨粒徑與流速而改變。粗粒徑微粒以慣性碰撞為主，較大但慣性不足以直接撞擊的微粒以攔截為主，極細微粒則以布朗擴散為主。

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一、慣性碰撞

當含塵氣流繞過纖維、濾材或障礙物時，氣流會因流線彎曲而改變方向。微粒具有質量與慣性，無法完全隨著氣流流線轉彎，因而偏離流線撞擊收集體而被捕集。

其主要特徵如下：

• 主要作用於粒徑較大的微粒。
• 微粒密度越大、粒徑越大、氣流速度越高，慣性越強，捕集效率越高。
• 微粒一旦撞擊纖維，會因黏附力、表面作用力而停留在收集體上。

微粒的慣性可用鬆弛時間表示：

$$\tau_p=\frac{\rho_p d_p^2 C_c}{18\mu}$$

其中：

• $\tau_p$：微粒鬆弛時間
• $\rho_p$：微粒密度
• $d_p$：微粒直徑
• $C_c$：Cunningham 修正因子
• $\mu$：流體黏度

常用無因次參數為 Stokes 數：

$$Stk=\frac{\tau_p U}{D_c}$$

其中：

• $U$：流體特徵速度
• $D_c$：收集體或纖維的特徵尺寸

$Stk$ 越大，微粒越不易隨流線轉彎，慣性碰撞效率越高。

**判斷重點：**大粒徑、高密度、高流速均有利於慣性碰撞。

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二、直接攔截

直接攔截是指微粒雖能大致沿著氣流流線前進，但其中心流線距離纖維表面太近，導致微粒本身的外緣接觸纖維而被捕集。

直接攔截與慣性碰撞的差異在於：

• 慣性碰撞：微粒偏離原有流線，直接撞上收集體。
• 直接攔截：微粒仍沿流線前進，但微粒半徑範圍與收集體發生幾何重疊。

若以纖維直徑 $d_f$ 表示，常用攔截參數為：

$$R=\frac{d_p}{d_f}$$

其中：

• $d_p$：微粒直徑
• $d_f$：纖維直徑

$R$ 越大，微粒相對於纖維的尺寸越大，直接攔截機率越高。

直接攔截通常作用於中等粒徑微粒。微粒不須具備足夠慣性，只要其尺寸相對於流線與纖維足夠大，即可因幾何接觸而被捕集。

**判斷重點：**直接攔截的核心是「尺寸幾何關係」，不是微粒因慣性偏轉。

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三、擴散

核心觀念

本題考查「管道廢氣中粒狀污染物的控制設備」及其集塵原理。粒狀物包括粉塵、煙霧、霧滴、飛灰等，控制設備主要利用下列物理特性使粒狀物與氣流分離：

• 重力沉降
• 慣性碰撞
• 離心力
• 靜電吸引
• 濾材截留
• 液滴捕集與洗滌

設備選擇須考量粒徑、濃度、氣體溫度、含水率、污染物腐蝕性、允許壓降及所要求的去除效率。一般而言，細粒徑粒狀物較難去除，需採用袋式集塵器或電氣集塵器等高效率設備。

粒狀物去除效率可用下式表示：

$$\eta=\frac{C_{\text{in}}-C_{\text{out}}}{C_{\text{in}}}\times 100\%$$

其中，$C_{\text{in}}$ 為設備入口粒狀物濃度，$C_{\text{out}}$ 為出口濃度。

解題方法

本題要求「列舉三種設備及其原理」，答題時應採取「設備名稱＋主要分離機制＋操作說明」的方式。只列設備名稱而未說明原理，內容不完整；只寫「過濾」或「沉降」等單一詞語，也不足以呈現設備作用方式。

可從下列設備中任選三種作答：

1. 旋風集塵器
2. 靜電集塵器
3. 袋式集塵器
4. 濕式洗滌器

以下列出四種完整原理，考試時選寫其中三種即可。

空污控制設備及其原理

一、旋風集塵器（Cyclone Collector）

含塵氣流以切線方向高速進入圓筒形或錐形集塵器內部，形成旋轉氣流。粒狀物受到離心力作用，被甩向器壁，沿壁面向下沉降至集塵斗；較潔淨的氣體則由中央向上旋出。

其主要原理為：

• 離心力分離
• 粗粒徑粒狀物因質量較大，較容易被甩向器壁
• 依靠重力使粒狀物落入集塵斗

旋風集塵器構造簡單、耐高溫、維護容易，適合處理高濃度及較粗粒徑粉塵，也常作為袋式集塵器或電氣集塵器的前級設備，以降低後端負荷。其對極細粒狀物的去除效率通常較低，且提高氣流速度雖有助於集塵，卻會增加壓力損失。

二、靜電集塵器（Electrostatic Precipitator, ESP）

含塵氣體通過高電壓放電電極時，氣體產生電離作用，粒狀物因碰撞離子而帶電。帶電粒狀物在電場作用下，受到靜電力吸引，移向接地或帶相反電性的集塵電極，附著於電極表面。藉由振打、刮除或水洗方式，使粉塵脫離集塵電極並落入集塵斗。

其主要原理為：

1. 高電壓電極產生電暈放電。
2. 粒狀物接受離子而帶電。
3. 帶電粒狀物受電場力作用移向集塵板。
4. 集塵板上的粉塵經振打或清洗後收集。

靜電集塵器壓降通常較低，適合大型鍋爐、燃燒設備及高流量廢氣處理，對細粒狀物也具有良好去除能力。但其效率會受到粉塵比電阻、氣體溫度、含塵濃度及電場操作條件影響。粉塵比電阻過高或過低，都可能造成集塵效率下降。

三、袋式集塵器（Fabric Filter／Baghouse）

核心觀念

本題考查水處理及空氣污染控制中常見的「混凝—膠凝」程序，重點在於區分：

• 混凝（coagulation）：使原本穩定分散於水中的膠體微粒失去穩定性。
• 膠凝（flocculation）：使已失去穩定性的微粒彼此碰撞、聚集，形成較大的絮體。

兩者通常連續進行，先混凝，後膠凝，合稱混凝沉澱的前處理程序。

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一、混凝的意義與作用

水中許多膠體粒子粒徑極小，表面帶有相同電荷，彼此產生靜電斥力，且受到布朗運動影響，不易自行沉降。

混凝的主要目的，是破壞膠體粒子的穩定狀態，使粒子間的斥力降低，促使粒子具備互相接近、碰撞及聚集的條件。

常用混凝劑包括：

• 硫酸鋁
• 聚合氯化鋁（PAC）
• 氯化鐵
• 硫酸鐵
• 高分子混凝劑

混凝的主要機制包括：

1. 電荷中和：混凝劑水解產生帶正電的物種，中和膠體粒子的負電荷。
2. 雙電層壓縮：增加水中離子濃度，使膠體表面的電雙層厚度減少，降低粒子間斥力。
3. 吸附架橋：高分子物質同時吸附多個粒子，使粒子彼此連結。
4. 網捕作用：混凝劑形成氫氧化鋁或氫氧化鐵等沉澱物，將膠體粒子包覆、捕捉於其中。

混凝所需的是快速、充分的瞬間混合，使混凝劑迅速且均勻分散於整個水體中，通常稱為快速混合。

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二、膠凝的意義與作用

膠凝是混凝後的後續程序。當膠體粒子已經失去穩定性後，藉由緩慢攪拌，使粒子有適當機會互相碰撞並聚集，逐漸形成較大、較密實的絮體。

膠凝的主要目的，是：

• 增加粒子碰撞機會
• 促進微粒聚集
• 形成大而具沉降性的絮體
• 提高後續沉澱及固液分離效率

膠凝所需的是緩慢、溫和的攪拌。攪拌太弱，粒子碰撞機會不足；攪拌太強，已形成的絮體會被剪切破壞。

膠凝常使用機械式攪拌器，也可利用水力方式造成適當紊流。其控制重點通常包括攪拌強度、停留時間及絮體大小。

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三、混凝與膠凝的比較

比較項目	混凝	膠凝
英文	Coagulation	Flocculation
主要目的	破壞膠體穩定性	促使粒子聚集成絮體
作用對象	穩定分散的膠體微粒	已經失去穩定性的微粒

核心觀念

水中氨氮主要以游離氨 $NH_3$ 與銨離子 $NH_4^+$ 兩種形態存在：

$$NH_4^+ \rightleftharpoons NH_3+H^+$$

兩者比例受 pH 與溫度影響。pH 升高、溫度升高時，游離氨比例增加；其中 $NH_3$ 具有毒性，且可藉曝氣逸散。因此，氨氮去除技術可依原理分為：

1. 利用微生物氧化、還原的生物處理。
2. 利用化學氧化破壞氨氮的化學處理。
3. 利用酸鹼平衡提高 $NH_3$ 比例，再以氣提去除的物理化學處理。

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解題方法

本題要求說明三種技術，作答時應針對每一種技術交代：

• 去除原理。
• 主要反應或操作方式。
• 適用條件。
• 優點與限制。

以下列出三種具代表性的氨氮去除技術。

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一、生物硝化—反硝化法

1. 去除原理

此法利用微生物將氨氮先氧化成硝酸鹽，再將硝酸鹽還原成氮氣逸散，以達到總氮及氨氮去除的目的。

硝化作用通常分為兩階段：

第一階段由氨氧化菌將銨離子氧化為亞硝酸鹽：

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

第二階段由硝酸氧化菌將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽：

$$NO_2^-+0.5O_2 \rightarrow NO_3^-$$

合併可表示為：

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

硝化作用會消耗溶解氧及鹼度，並產生氫離子，使 pH 降低。

在缺氧環境中，反硝化菌以有機碳作為電子供體，將硝酸鹽還原為氮氣：

$$NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow N_2 \uparrow$$

氮氣逸散至大氣後，即完成氮的去除。

2. 操作方式

典型流程為：

$$\text{好氧硝化槽} \rightarrow \text{缺氧反硝化槽} \rightarrow \text{沉澱或固液分離}$$

在硝化槽中須維持足夠的溶解氧、污泥齡及適當溫度；在反硝化槽中須維持缺氧條件，並提供足夠的有機碳源。

3. 優點與限制

優點包括：

• 運轉成本相對低。
• 可處理大量水量。
• 氨氮可轉化為氮氣，污染物不只是轉移。
• 可與活性污泥、氧化溝、SBR、MBR等程序結合。

限制包括：

• 硝化菌生長速度慢，需較長污泥齡。
• 低溫、低 pH、毒性物質會抑制硝化作用。
• 硝化需要較高的曝氣量。
• 反硝化通常需要適當碳源。

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二、折點加氯法

1. 去除原理

折點加氯法係利用氯與水中氨氮反應，形成氯胺，並在足量加氯後進一步氧化分解，使氨氮轉化為氮氣或其他含氮中間產物，最終達到氨氮去除效果。

主要反應可簡化表示為：

$$NH_3+HOCl \rightarrow NH_2Cl+H_2O$$

生成的一氯胺可繼續與次氯酸反應，形成二氯胺、三氯胺及其他中間物。當氯量持續增加時，氯胺被破壞，餘氯濃度先下降；超過某一加氯量後，餘氯開始增加，此轉折點稱為「折點」。

在折點附近，氨氮已大幅去除，故稱為折點加氯。

2. 操作方式

實際操作須控制：

• 加氯量。
• 接觸時間。
• pH。
• 水溫。
• 氨氮濃度。
• 氯需求量及餘氯濃度。

加氯不足時，容易形成氯胺，氨氮去除不完全；加氯過量時，會增加藥劑成本，並可能產生消毒副產物。處理後通常須進行脫氯，以避免餘氯排放造成水生生物毒害。

3. 優點與限制

優點包括：

• 反應速度快。
• 占地面積小。
• 適合緊急處理或水量變化較大的場合。
• 同時具有消毒效果。

限制包括：

核心觀念

活性污泥法屬於污水處理的「二級處理」，主要去除可生物分解的有機物及部分懸浮固體，但二級處理水通常仍含有：

• 殘留懸浮固體及濁度
• 病原微生物
• 氮、磷等營養鹽
• 色度、臭味及微量有機污染物

因此，若要將活性污泥法出流水製成再生水，須依再利用用途增加三級處理或高級處理單元。生活雜用、工業冷卻、沖廁及景觀用水等用途，通常須特別重視懸浮固體、濁度、微生物及特定污染物去除。

解題方法

本題要求列舉三種「可接續於活性污泥法後」的再生水處理單元。作答時應掌握三個處理功能：

1. 先去除殘留懸浮固體及濁度。
2. 再去除溶解性有機物、色度或微量污染物。
3. 最後進行消毒，降低病原微生物風險。

下列三種單元均可作為活性污泥法後的再生水處理單元：

一、混凝—膠凝—沉澱單元

原理與功能

在二級處理出流水中投加混凝劑，例如硫酸鋁、氯化鐵或聚合氯化鋁，使細小膠體及難以自然沉降的懸浮物失去穩定性，經膠凝形成較大的絮體，再藉沉澱去除。

主要去除對象包括：

• 殘留懸浮固體
• 膠體物質
• 部分磷
• 部分有機物及濁度

若使用鐵鹽或鋁鹽進行化學除磷，可使磷酸根形成難溶性沉澱，其概念可表示為：

$$\mathrm{Al^{3+}+PO_4^{3-}\rightarrow AlPO_4(s)}$$

實際操作中常形成氫氧化鋁或氫氧化鐵絮體，並透過吸附、網捕作用共同去除磷及有機物。

設置意義

此單元可降低後續過濾或膜處理的負荷，避免濾材快速堵塞，也能使出流水濁度較穩定。

二、砂濾或多介質過濾單元

原理與功能

砂濾及多介質過濾是利用濾材的攔截、沉積及吸附作用，去除水中細小懸浮固體與殘餘絮體。常見濾材包括：

• 石英砂
• 無煙煤
• 石榴石
• 其他多層濾材

主要去除對象包括：

• 細小懸浮固體
• 殘留活性污泥絮體
• 濁度
• 部分附著於顆粒上的微生物及有機物

過濾單元常設於混凝沉澱後，也可作為消毒前的前處理。由於水中懸浮顆粒會包覆微生物，先降低濁度可提升後續消毒效率。

設置意義

砂濾可使再生水外觀及濁度改善，並保護後續紫外線、臭氧或膜處理設備。若濁度過高，紫外線穿透率降低，消毒效果會受到影響。

三、消毒單元

原理與功能

消毒是再生水處理不可缺少的單元，目的在於降低細菌、病毒及其他病原微生物造成的健康風險。常用方法包括：

• 加氯消毒
• 次氯酸鈉消毒
• 紫外線消毒
• 臭氧消毒

核心觀念

本題考查《環境影響評估法》所定「環境影響評估」的法律定義，以及環評制度的核心精神：在開發行為或政府政策實施前，先以科學、客觀、綜合的方法評估其可能造成的環境影響，並提出環境管理及減輕不利影響的措施，接受主管機關審查與監督。

以命題當年（民國110年）法規為準，《環境影響評估法》第4條第2款所稱環境影響評估，係指：

開發行為或政府政策對環境之影響，於事前以科學、客觀、綜合之調查、預測、分析及評定，提出環境管理計畫，並經主管機關審查及監督之程序。

解題方法

作答時應依法律定義的順序，掌握以下六項要素：

1. 評估對象：開發行為或政府政策。
2. 評估時點：於實施前事先進行。
3. 評估方法：以科學、客觀、綜合的方法。
4. 評估內容：進行調查、預測、分析及評定。
5. 管理成果：提出環境管理計畫。
6. 行政程序：接受主管機關審查及監督。

因此，本題不可只回答「評估開發案對環境的影響」，還必須包含「事前性」、「科學客觀綜合性」、「環境管理計畫」及「主管機關審查監督」等內容，答案才完整。

完整說明

環境影響評估是一種預防性的環境管理制度，目的在於開發行為或政府政策尚未實施前，即預先掌握其對自然環境、生活環境及社會環境可能造成的影響，並比較可行方案，規劃避免、減輕或補救不利環境影響的措施。