110 地方特考三等 環保行政 水污染與土壤污染防治 考古題詳解

核心觀念

本題考查水中氮素的組成與濃度換算：

$$\mathrm{TN} = \mathrm{TKN} + \mathrm{NO_2\text{-}N} + \mathrm{NO_3\text{-}N}$$

其中：

• $\mathrm{TN}$：總氮，包含有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮及硝酸鹽氮。
• $\mathrm{TKN}$：總凱氏氮，包含有機氮與氨氮。
• 有機氮濃度：

$$\mathrm{Organic\text{-}N} = \mathrm{TKN} - \mathrm{NH_3\text{-}N}$$

題目將氨以 $\mathrm{NH_3}$ 表示，而非 $\mathrm{NH_3\text{-}N}$，因此必須先將 $\mathrm{NH_3}$ 質量換算為氮元素質量。

解題方法

一、換算亞硝酸鹽氮單位

$$75.8\,\mathrm{\mu g/L} = \frac{75.8}{1000}\,\mathrm{mg/L} = 0.0758\,\mathrm{mg/L}$$

二、將 $\mathrm{NH_3}$ 換算為氨氮

分子量為：

$$\mathrm{NH_3}=14+3(1)=17$$

其中氮元素的分子量為 $14$，故：

$$\mathrm{NH_3\text{-}N} = 7.5\times\frac{14}{17} = 6.1765\,\mathrm{mg/L}$$

三、計算有機氮濃度

總凱氏氮包含有機氮與氨氮，因此：

$$\mathrm{Organic\text{-}N} = 8.5-6.1765 = 2.3235\,\mathrm{mg/L}$$

故有機氮濃度約為：

核心觀念

本題考查湖泊、水庫「優養化」的判定方法，以及卡爾森優養狀態指標（Carlson trophic state index, CTSI）的水質參數、計算方式與分級標準。

CTSI以三項能反映水庫營養狀態的指標為基礎：

1. 透明度（Secchi disk depth, SD）：單位為公尺（m）。
2. 葉綠素 $a$（Chlorophyll-$a$, Chl-$a$）：反映藻類生物量，單位通常為 $\mu g/L$。
3. 總磷（Total phosphorus, TP）：反映水體中藻類可利用的主要營養鹽，單位通常為 $\mu g/L$。

透明度越低，通常代表藻類或懸浮物越多，水體優養化程度越高；葉綠素 $a$ 與總磷濃度越高，也表示優養化程度越嚴重。

解題方法與公式

CTSI先分別將三項水質參數換算成卡爾森優養狀態指標，再取其平均值：

$$CTSI=\frac{TSI(SD)+TSI(Chl\text{-}a)+TSI(TP)}{3}$$

各項計算公式如下：

透明度：

$$TSI(SD)=60-14.41\ln(SD)$$

葉綠素 $a$：

$$TSI(Chl\text{-}a)=30.6+9.81\ln(Chl\text{-}a)$$

總磷：

$$TSI(TP)=4.15+14.42\ln(TP)$$

其中 $\ln$ 為自然對數，$SD$ 以公尺表示，$Chl$-$a$ 與 $TP$ 通常以 $\mu g/L$ 表示。

計算時應注意，透明度與優養化程度呈反向關係，因此透明度公式為負號；葉綠素 $a$ 及總磷則與優養化程度呈正向關係，因此公式為正號。

CTSI營養狀態分級

核心觀念

本題考查重金屬污染農田土壤之「土壤清洗法（soil washing）」原理，重點在於說明如何利用化學藥劑，使土壤顆粒表面或礦物結構中的重金屬脫附、溶解或形成可溶性錯合物，再與土壤固相分離，以降低污染土壤中的重金屬濃度。

以命題當年（民國110年）法規為準，污染農田土壤之整治應依《土壤及地下水污染整治法》及其授權訂定之土壤污染管制標準、土壤污染整治標準辦理。現行法規及標準內容已歷經修正，解題仍以命題當年規定為準。

重金屬在土壤中的存在型態，通常包括：

1. 溶解態或孔隙水中的重金屬。
2. 吸附於黏土、腐植質表面的交換態重金屬。
3. 與碳酸鹽、鐵錳氧化物結合的重金屬。
4. 與有機物形成錯合物的重金屬。
5. 進入礦物晶格或形成難溶沉澱的重金屬。

化學清洗法主要是將較易移動、吸附較弱或可被藥劑溶出的重金屬，轉移到液相中，再將清洗液與土壤分離。

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解題方法與處理流程

一、污染調查與土壤特性分析

施作前須先調查：

• 污染重金屬種類及濃度。
• 污染深度與水平分布。
• 土壤粒徑、黏土含量及有機質含量。
• 土壤酸鹼值、陽離子交換容量及碳酸鹽含量。
• 重金屬在不同土壤粒徑及化學形態中的分布。

重金屬常集中於細粒土壤，尤其是黏土及有機質含量較高的部分。因此，單純篩分即可先將部分污染物集中於細粒級，再配合化學清洗，可降低需要深度處理的土壤體積。

二、土壤挖除、破碎與篩分

農田污染整治多採挖除後之異位處理。其基本流程如下：

$$污染土壤 \rightarrow 挖除 \rightarrow 破碎及篩分 \rightarrow 化學清洗 \rightarrow 固液分離 \rightarrow 清洗土壤回填$$

粗粒砂礫通常吸附重金屬較少，可先分離並經檢測後回填；細粒土壤則因比表面積大、吸附能力強，通常是主要處理對象。

三、加入清洗藥劑

清洗藥劑依污染物種類及土壤特性選擇，常見包括：

1. 無機酸：如鹽酸、硫酸、硝酸或檸檬酸，用以降低土壤 pH，使重金屬溶解。
2. 螯合劑或錯合劑：如 EDTA、檸檬酸、草酸等，與金屬離子形成穩定錯合物。
3. 鹽類或離子交換藥劑：利用高濃度離子置換土壤交換位置上的重金屬。
4. 界面活性劑：改善污染物從土壤顆粒表面脫附的效果。
5. 氧化劑或還原劑：改變重金屬價態，使其轉變成較易溶解或較易被錯合的型態。

藥劑選擇須同時考量去除效率、土壤肥力、農作物安全及處理後廢液的處置問題。

四、重金屬脫附、溶解與錯合

1. 酸溶解作用

酸性藥劑可使土壤表面吸附位點被氫離子占據，促使重金屬脫附：

$$\text{Soil--M}^{2+}+2\text{H}^{+} \rightleftharpoons \text{Soil--H}_{2}+\text{M}^{2+}$$

酸也能溶解碳酸鹽沉澱，使其中的重金屬進入溶液。例如：

$$\text{MCO}_{3}+2\text{H}^{+} \rightarrow \text{M}^{2+}+\text{CO}_{2}+\text{H}_{2}\text{O}$$

其中 $\text{M}$ 可代表鉛、鎘、銅、鋅等金屬。

2. 螯合及錯合作用

以 EDTA 為例，EDTA 可與金屬離子形成穩定的水溶性錯合物：

$$\text{M}^{2+}+\text{Y}^{4-} \rightleftharpoons \text{MY}^{2-}$$

形成錯合物後，重金屬較不易重新吸附於土壤顆粒，便可隨清洗液移除。

3. 氧化還原作用

部分金屬的溶解度及吸附性受氧化態影響。例如鉻可能以三價鉻或六價鉻存在，兩者在毒性、移動性及吸附行為上不同。藉由氧化還原藥劑改變其價態，可提高後續溶解、錯合或分離效率，但必須防止產生毒性更高、移動性更強的形態。

五、固液分離與清洗液處理

清洗後須透過沉降、過濾、離心等方式分離土壤與清洗液。清洗液含有高濃度重金屬，不能直接排放，須經下列方式處理：

• 化學沉澱。
• 混凝及沉降。
• 離子交換。
• 吸附。
• 膜分離。
• 電化學回收。
• 螯合物破壞及金屬回收。

處理後的清洗液可視水質及藥劑性質予以回收再利用，濃縮後的含重金屬污泥則須依有害事業廢棄物相關規定處置。

六、清洗土壤的中和、調質與回填

核心觀念

現地化學氧化法（In-Situ Chemical Oxidation, ISCO）是將化學氧化劑直接注入受污染土壤或地下水層，在污染物所在位置進行氧化反應，使有機污染物分解、轉化或降低毒性與濃度的整治技術。

加油站污染物多來自汽油、柴油及地下儲槽洩漏，常見污染物包括：

• 苯、甲苯、乙苯、二甲苯（BTEX）
• 總石油碳氫化合物（TPH）
• 多環芳香烴（PAHs）
• 汽油添加劑及其他揮發性有機物

ISCO 的核心並非將污染土壤挖出處理，而是利用氧化劑在地下原位破壞污染物分子結構。

解題方法

本題應依「注入氧化劑—產生活性氧化物種—攻擊污染物—轉化為低危害物質」的流程說明。

一、氧化劑注入污染區

透過注入井、注射井、導溝或其他地下輸送方式，將適當濃度的氧化劑送入污染土壤及地下水中，使氧化劑與污染物充分接觸。

常用氧化劑包括：

1. 高錳酸鹽

例如高錳酸鉀（$KMnO_4$）及高錳酸鈉（$NaMnO_4$）。其主要透過直接氧化及電子轉移作用，氧化有機污染物；反應後通常形成二氧化錳（$MnO_2$）。

2. 過硫酸鹽

例如過硫酸鈉（$Na_2S_2O_8$）及過硫酸鉀（$K_2S_2O_8$）。活化後可產生硫酸根自由基：

$S_2O_8^{2-} \rightarrow 2SO_4^{\bullet -}$

硫酸根自由基具有高度氧化能力，能攻擊石油碳氫化合物及其他有機污染物。

3. 過氧化氫及芬頓反應

過氧化氫（$H_2O_2$）在亞鐵離子（$Fe^{2+}$）存在下，可產生羥基自由基：

$Fe^{2+}+H_2O_2\rightarrow Fe^{3+}+OH^-+OH^\bullet$

羥基自由基（$OH^\bullet$）反應性極高，可迅速破壞有機污染物的碳氫鍵及芳香環結構。

4. 臭氧

臭氧（$O_3$）可直接氧化污染物，也能在地下水環境中形成羥基自由基，促進有機污染物分解。

二、產生活性氧化物種

氧化劑進入地下環境後，可能透過直接氧化、催化分解、熱活化、鹼活化或金屬離子活化等方式，產生具高度反應性的氧化物種，例如：

• 羥基自由基（$OH^\bullet$）
• 硫酸根自由基（$SO_4^{\bullet -}$）
• 臭氧
• 過氧化氫及其他活性氧化物種

這些氧化物種會攻擊污染物分子，使其發生電子轉移、氫原子移除、芳香環開裂及碳鏈斷裂。

三、污染物被氧化分解

以一般有機污染物表示，其完全礦化反應可概括為：

$C_xH_yO_z+\text{氧化劑}\rightarrow CO_2+H_2O+\text{無機離子}+\text{熱能}$

以碳氫化合物為例：

$C_xH_y+\left(x+\frac{y}{4}\right)O_2\rightarrow xCO_2+\frac{y}{2}H_2O$