107 地方特考三等 環境工程 廢棄物處理工程(包括相關法規) 考古題詳解
第 一 題25 分
利用燃燒彈筒熱量計(Bomb Calorimeter)分析垃圾樣品發熱量的過程中,水當量為何?如何求得?(10 分)
一般廢棄物樣品如何檢測其灰分?說明其分析方法,以及由各成分乾基灰分計算垃圾樣品濕基灰分的方法。(15 分)
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核心觀念
本題涵蓋廢棄物「熱值分析」與「三成分(水分、可燃分、灰分)分析」兩大物理化學特性檢測核心,依命題當年(民國 107 年)行政院環境保護署(現已改制為環境部)公告之標準檢驗方法與廢棄物燃燒工程理論為基礎:
- 燃燒彈筒熱量計(Bomb Calorimeter)水當量(Water Equivalent):
- 定義:在量熱系統中,除量熱用水外,包含金屬彈筒、內筒容器、攪拌器及溫度計等組件亦會吸收燃燒釋出的熱量。水當量即為「將熱量計系統所有吸熱組件之熱容量,換算成相當於水吸熱之等效質量()」,或直接定義為「該量熱計系統溫度每升高 所需吸收之總熱量(熱容量,單位通常為 或 )」。
- 標定原理:利用已知標準燃燒熱之物質(通常為分析級「苯甲酸」,Benzoic Acid),在純氧環境下完全燃燒,量測系統溫升並扣除引線與酸生成熱校正值,藉由熱平衡方程式反推求得水當量。
- 一般廢棄物灰分(Ash Content)檢測與基底轉換:
- 灰分分析方法:依廢棄物檢測標準方法(如 NIEA R205),將樣品於 烘乾除去水分後,取乾基樣品置於高溫高溫爐(Muffle Furnace)中,在 下完全灰化灼燒至恆重,殘留之不可燃無機物即為灰分。
- 基底轉換原理(乾基轉濕基):三成分(水分 、可燃分 、灰分 )滿足 (濕基),乾基條件下則為 。各成分乾基灰分必須先還原為各成分在「整體垃圾濕基」下的質量貢獻分率,加總後即得整體垃圾之濕基灰分。
解題方法
一、燃燒彈筒熱量計之水當量定義與求得方式(10 分)
- 水當量之定義: 燃燒彈筒熱量計由內筒水、高壓金屬彈筒、不銹鋼內筒、攪拌葉片及精密溫度感測器等構成。樣品燃燒所釋放之總熱量會被「內筒注入之水」與「金屬及各配件」共同吸收。
- 若以質量表示:將所有吸收熱量的金屬器材組件之熱容量,折算為具有相同吸熱能力的水質量(),此等效質量稱為水當量(Water Equivalent, )。
- 若以有效熱容量表示:系統溫度每升高 所需之熱量,記為系統熱容量(Calorimeter Heat Capacity, ,單位 或 )。若內筒注入質量為 的水(比熱約為 ),則總熱容量 。
- 水當量之求得步驟(校正程序 Calibration):
- 標準物質:採用具熱值標準認證之高純度「苯甲酸」(Benzoic Acid, ),其標準高位發熱量 (或 )。
- 實驗步驟:
- 精稱經乾燥壓錠之標準苯甲酸粉末,記錄質量 (通常約 )。
- 將試樣置於燃燒坩堝內,連接已知發熱量之鎳鉻合金點火絲(量測長度或質量),並於彈筒底加入少量蒸餾水(吸收燃燒生成的酸性氣體)。
- 旋緊彈筒,充入高純度氧氣(純度 )至 。
- 將彈筒置入注入精確定量水(質量 )之內筒中,置於絕熱外夾套內,啟動攪拌馬達。
- 記錄起始水溫 ,通電點火燃燒,記錄燃燒過程中水溫變化至最高溫 。
- 經冷卻校正(如 Dickson 或 Regnault-Pfaundler 校正法)扣除輻射熱損失,計算出真實溫升 。
- 燃燒結束後,取出彈筒排氣開啟,用蒸餾水沖洗內壁並以 氫氧化鈉標準溶液滴定洗滌液,測定硝酸生成量;同時量測未燃點火絲殘長,以計算副反應產生的校正熱量。
- 計算方程式: 系統總放熱量等於總吸熱量: 式中:
- :苯甲酸樣品質量()。
- :苯甲酸之高位發熱量()。
- :點火絲燃燒放熱校正值(),。
- :生成酸(主要為硝酸)之形成熱校正值(),由鹼滴定體積換算。
- :內筒注入之水量()。
- :經輻射冷卻校正後之實際溫升()。
- :熱量計組件之水當量()。
整理即可求得水當量 : (若以系統總熱容量 表示,則 )
二、一般廢棄物樣品灰分檢測方法與濕基灰分計算(15 分)
- 灰分分析方法(依我國環保署標準檢驗方法):
- 原理:樣品於高溫高溫爐(Muffle Furnace)內通入充足空氣,加熱至 ,使有機物完全氧化燃燒揮發(包括碳、氫、氧、氮、硫之氧化物逸散),殘留之非揮發性無機礦物質(金屬氧化物、矽酸鹽、硫酸鹽等)即為灰分。
- 檢驗步驟:
- 瓷坩堝預處理至恆重:取耐高溫瓷坩堝,置於 高溫爐中灼燒 小時,取出置於乾燥器(Desiccator)中冷卻至室溫,以分析天平精密稱重至恆重,記為 ()。
- 樣品製備與秤取:將廢棄物樣品依物理組成均質化破碎,經 烘乾除去水分後,取代表性乾燥樣品置入坩堝中,精密稱重(樣品+坩堝重),記為 ();樣品乾重為 。
- 低溫碳化(預燒):先於電熱板或抽風櫃內以低溫緩慢加熱炭化,防止樣品揮發分劇烈逸出或燃燒噴濺造成質量損失。
- 高溫灰化:將炭化後之樣品移入高溫爐,維持 灼燒 小時,直至有機物完全消失、無黑色碳粒殘存。
- 冷卻與恆重:關閉電源降溫後,將坩堝夾入乾燥器中冷卻至室溫,精稱重量。重複「灼燒 30 分鐘 冷卻 稱重」程序,直至前後兩次稱重差異小於規定值(通常為 ),記最後恆重為 ()。
- 乾基灰分()計算式:
第 二 題15 分
堆肥法適合處理哪些種類的廢棄物?不適合處理哪些廢棄物?其原因為何?(6 分)
曝氣靜置堆法(Aerated static pile)如何操作?如何控制臭味?(4 分)
腐熟堆肥具有哪些特性?(5 分)
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核心觀念
本題測驗環境工程類科於「有機廢棄物生物處理」之核心學理與實務操作,涵蓋以下關鍵觀念:
- 堆肥生物轉化原理與基質適應性:微生物好氧分解需要合適的基質化學組成(如碳氮比 、水分、孔隙度),且不可含有生物毒性或難分解物質。
- 曝氣靜置堆法(Aerated Static Pile, ASP)技術特點:利用多孔通風管強制送風/抽氣以提供氧氣與散熱,免除傳統條堆法(Windrow)的人工翻堆需求,並藉由負壓吸氣及表面覆蓋層(Biofilter)有效捕集並控制臭氣。
- 堆肥腐熟度(Compost Maturity and Stability)指標:包含物理性狀(色、香、質地)、生物化學穩定度(呼吸活性、 比、硝化程度)與植物生長安全性(消除植物毒性、病原菌去活化、種子發芽指數 )。涉及標準以命題當年(民國 107 年)行政院農業委員會(現農業部)公告之「肥料種類品目及規格」與環保法規為依據。
解題方法
本題為標準的「三段式論述申論題」,回答切入點應精準切中閱卷評分指標:
- 第一子題:採「對比法」結構化陳述。先明確列出「適合類別」與「不適合類別」,接著從「基質物化生特性(生物分解性、營養配比、微生物耐受性)」深入剖析原因,切忌僅列舉廢棄物名稱而未交代生物分解學理。
- 第二子題:拆解為「系統操作流程」與「臭氣控制機制」兩大部分。操作面應詳述混合調配、管網鋪設、強制通風(正壓/負壓切換)之機制;臭味控制則著重於負壓抽氣集中處理與表面保護層的生物過濾機制。
- 第三子題:從「物理性狀」、「化學指標」、「生物/毒理指標」三大面向條列腐熟堆肥之特徵,並帶入定量數據(如發芽指數 、 等)以展現專業度。
選項分析
本題為申論題,無選擇題選項。各子題評分結構如下:
- 子題一(6 分):適合處理與不適合處理之廢棄物各佔 1.5 分,相應原因各佔 1.5 分。
- 子題二(4 分):操作方式佔 2 分,臭味控制技術佔 2 分。
- 子題三(5 分):物理特性(1 分)、化學特性(2 分)、生物與安全性(2 分)。
解題技巧
- 層次分明:答題時務必使用一、(一)、1.、(1) 結構標號,並將關鍵詞(如「木質纖維素」、「正負壓通風」、「種子發芽指數」、「二次發熱」)置於每段前段或粗體強調,方便閱卷老師迅速給分。
- 定量指標強化說服力:回答腐熟度時,避免僅用「顏色變深」、「沒有臭味」等空泛形容詞,應輔以工程參數(如溫度回降至室溫 、、水分 )。
- 法規提示:涉及肥料檢驗標準時,以命題當年(民國 107 年)農委會之「肥料種類品目及規格」為依據;現行農委會已於民國 112 年改制升格為農業部,相關法規之主管機關名稱已隨之修正,解題仍以學理與命題當年標準為主。
【答案】
一、堆肥法適合與不適合處理之廢棄物種類及原因(6 分)
(一) 適合處理之廢棄物種類與原因
- 種類:
- 農業廢棄物:禽畜糞便(牛糞、豬糞、雞糞)、稻草、蔗渣、落葉、果菜殘渣。
- 都市及民生廢棄物:家戶廚餘(生熟廚餘)、市場有機垃圾。
- 事業有機廢棄物與生物污泥:食品加工業廢棄物(果渣、酒糟、豆渣)、家庭污水或食品廠廢水處理產生之二級生物脫水污泥。
- 原因:
- 含有豐富的易生物降解有機物(揮發性固體,Volatile Solids, VS),能作為好氧微生物生長代謝所需之碳源與能源。
- 原料經適當調配後,能滿足好氧發酵之最適條件(初始碳氮比 、含水率 、具良好孔隙度與通氣性)。
- 不含或僅含極微量微生物毒性物質,發酵過程能透過自發產熱達到 以上之衛生殺菌條件。
(二) 不適合處理之廢棄物種類與原因
- 種類:
- 惰性與不可降解無機物:塑膠製品、金屬、玻璃、營建土石廢棄物。
- 難降解高分子與木質物:未經前處理碎化的大型硬木、橡膠、合成樹脂、高濃度木質素。
- 有害事業廢棄物與受污染污泥:重金屬超標之工業污泥(如電鍍污泥)、含毒性有機污染物(如農藥殘留、多氯聯苯 PCBs、有機溶劑)。
- 感染性廢棄物:醫療機構產生之病理性或傳染性廢棄物。
- 極高油脂或極高鹽分廢棄物:未調配之純動植物油脂、屠宰廢棄物純油脂、高鹽醃漬殘渣。
- 原因:
- 酵素無法水解:微生物缺乏降解塑膠、金屬、合成聚合物之酵素系統,進入系統僅增加體積並破壞成品品質。
- 微生物毒害與生態毒性累積:重金屬與持久性有機污染物會毒害微生物抑制發酵;且重金屬無法被生物分解,殘留於成品中將違反肥料法規,施入農田會引發食物鏈生物濃縮毒性。
第 三 題15 分
何謂熱解法(Pyrolysis)與氣化法(Gasification)?(10 分)
兩種技術的產物性質有何差別?(5 分)
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核心觀念
本題評量廢棄物熱處理單元中「熱化學轉換技術」(Thermochemical Conversion Technologies)之基本學理與工程應用。核心觀念包括:
- 反應氣氛與當量比(Equivalence Ratio, ER):以空氣過剩率或化學計量氧氣需求區分燃燒()、氣化(,次化學計量缺氧反應)與熱解(,絕氧反應)。
- 熱力學反應機制:熱解為高溫吸熱之熱分解及熱裂解反應;氣化為部分氧化放熱與多相還原吸熱共存之複合平衡反應。
- 產物相態分布與化學能轉化:熱解產物涵蓋固、液、氣三相(焦炭、熱解油、熱解氣);氣化產物則以氣相之一氧化碳()與氫氣()為主的合成氣(Syngas)為主。
解題方法
本題為標準的觀念比較型申論題,答題架構應具備邏輯層次與對稱性:
- 定義界定(第一小題,10 分):
- 採「反應環境(氧氣存在與否)」、「操作溫度區間」、「反應機制(吸/放熱、斷鍵重組)」、「能量轉換目標」四個向度,分別對熱解與氣化給予精確之工程定義,並列出代表性化學反應式。
- 產物性質比較(第二小題,5 分):
- 採用「結構化比較表」配合說明,切入維度須包含:主產物型態與產率分布、氣體化學成分、熱值高低、焦炭/殘渣性質及工程利用方向,展現系統化歸納能力。
解題技巧
- 定量參數強化論述:定義熱解與氣化時,務必寫出「當量比()」與「操作溫度範圍」,這能使答題立體化,避免流於空泛的文字白話敘述。
- 反應方程式佐證:寫氣化時,列舉碳與氣化劑的水煤氣反應(Water-gas reaction)、布杜瓦反應(Boudouard reaction)及水煤氣轉移反應(Water-gas shift reaction),可證明對化學反應機制的掌握度。
- 常見失分陷阱:
- 誤將氣化當成純吸熱或純燃燒反應(氣化本質為欠氧狀態下的「部分氧化+還原」)。
- 忽略氣化劑種類(空氣 vs. 純氧/水蒸氣)對產物氣體熱值的巨大影響(空氣氣化因含大量 ,熱值僅約 ;純氧或水蒸氣氣化可達 )。
【答案】
一、何謂熱解法(Pyrolysis)與氣化法(Gasification)
1. 熱解法(Pyrolysis)
- 定義:在完全隔絕氧氣(絕氧或惰性氣體環境,當量比 )的條件下,外加熱能將固體有機廢棄物加熱至 ,利用熱能截斷有機高分子之化學鍵,使其發生熱解與裂解反應,轉化為氣相、液相及固相產物的熱化學程序。
- 反應本質:純吸熱反應(Endothermic process)。廢棄物中的大分子有機物裂解為低分子量化合物與不凝結氣體,同時伴隨縮聚反應生成焦炭。
- 代表通式:
2. 氣化法(Gasification)
- 定義:在次化學計量之微氧或缺氧環境(當量比 )及高溫條件(通常為 )下,通入氣化劑(空氣、純氧、水蒸氣或二氧化碳),使廢棄物中的有機碳素進行部分氧化(不完全燃燒)與吸熱還原重組,將固態碳氫化合物高度轉化為以一氧化碳()與氫氣()為主的低分子量可燃氣體(合成氣,
第 四 題25 分
衛生掩埋場接受事業廢棄物進場有哪些要求?(5 分)
何種廢棄物進入衛生掩埋場需要獨立分區掩埋?獨立分區掩埋應如何設置?(10 分)
雙層阻水設施(Double liner)應如何設置?(10 分)
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核心觀念
本題考查事業廢棄物最終處置之法規規範與土木衛生工程技術,法規依據以命題當年(民國 107 年)施行之《廢棄物清理法》及《事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準》(以下簡稱《設施標準》)為準(註:該標準後續於民國 110 年與 112 年歷經修正,現行法條項次略有調整,但技術精神與防護標準維持一致,解題仍以命題當年法規為準)。核心概念包含:
- 衛生掩埋進場管制限值:物化特性限制(含水率、有害物質溶出標準 TCLP)、禁止進場物性(易燃、易爆、液態)與進場聯單稽核。
- 獨立分區掩埋(Monofill / Compartmentalized Landfilling):適用於性質特殊、具潛在危害或易飛散之廢棄物(如固化飛灰、石綿、重金屬污泥),藉由實體隔障、獨立排水與特殊覆土防止互抗干擾。
- 雙層阻水設施(Double Liner System):由主阻水層、副阻水層、滲出水收集導排系統(LCRS)與滲漏偵測導排系統(LDRS)交替構成之地工防護斷面,其透水係數必須符合 等工程防滲要求。
解題方法
本題為標準的環境工程實務申論題,總分為 25 分,採層次結構法作答:
- 子題一(5 分):從「廢棄物性質限制(物化條件)」與「行政管制查核(聯單程序)」雙軌切入,明確點出一般事業廢棄物與有害事業廢棄物經中間處理符合標準者方得進場。
- 子題二(10 分):題目具雙重問句,依序拆解為「列舉法定適用對象」與「土木設施設置規範(隔堤、防塵、標示、滲出水分流)」,展現對《設施標準》法條與現場實務之掌握。
- 子題三(10 分):依照地工斷面「由上而下(Top-Down)」系統化陳述雙層阻水層次,說明各層材料規格(HDPE 厚度、壓實黏土層厚度及透水係數),並突出兩層阻水膜之間的「滲漏偵測與收集系統(LDRS)」,展現工程圖學與防滲原理。
選項分析
本題為申論題型,無選項分析。在評分標準上,各子題的得分焦點如下:
- 子題一評分關鍵:須寫出「有害廢棄物須先經中間處理符合溶出標準」、「不得為流體/含水率管制()」及「進場聯單比對與檢測」。
- 子題二評分關鍵:前半段漏列「安定化/固化物」或「石綿廢棄物」將大幅失分;後半段必須提及「實體隔堤構造」與「專屬標示/滲出水隔離」。
- 子題三評分關鍵:若僅寫兩層塑膠布而遺漏夾在中間的「滲漏偵測及導排層(LDRS)」,無法拿到 8 分以上;必須交代主阻水層(Primary Liner)與副阻水層(Secondary Liner)的工程參數(如 、HDPE 厚度 )。
解題技巧
- 口訣記憶法:
- 獨立分區對象記口訣:「灰、綿、泥」(焚化飛灰固化物、石綿及製品、有害污泥固化物)。
- 雙層阻水構造由上而下記五層:「主排 主阻 偵排 副阻 壓實黏土」。
- 條理化排版:採用條列式並搭配工程規格數據(厚度、滲透係數),閱卷委員能在短時間內勾稽關鍵名詞。
- 避開常見陷阱:許多考生誤以為雙層阻水只是「鋪設兩層 HDPE 膜」,忽略了兩層膜之間必須設置「透水導排與監測井」,否則若外層破損將無法即時查知。
【答案】
一、衛生掩埋場接受事業廢棄物進場之要求(5 分)
依據命題當年《事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準》及相關掩埋作業規範,事業廢棄物進入衛生掩埋場應符合下列要求:
- 廢棄物種類限制:
- 限於可進行衛生掩埋之一般事業廢棄物,或有害事業廢棄物經中間處理(如固化法、穩定化法等)後,經溶出毒性事業廢棄物溶出程序(TCLP)檢驗低於溶出標準者。
- 嚴禁未經處理之有害事業廢棄物、易燃性、反應性、感染性、放射性及醫療廢棄物進場。
- 物理性狀限制:
- 廢棄物不得呈液態或流體狀態;固體廢棄物之含水率原則上應低於 。
- 固化處理後之固化物,其單軸抗壓強度應符合法規規定(通常須達 以上),以確保掩埋體結構穩定。
- 管理管制與查驗程序:
- 許可核准:進場前應取得主管機關或該掩埋場核發之同意進場證明文件。
- 申報聯單稽核:隨車檢附中央主管機關規定之事業廢棄物遞送聯單(網路申報聯單),並於入口地磅處過磅確認數量與來源。
- 檢驗與抽查機制:實施進場目視檢查、放射性門檢及定期/隨機抽樣檢驗(如 TCLP、水分測定);若發現與申報不符或夾雜違禁物,應予退運並通報主管機關。
二、須獨立分區掩埋之廢棄物種類及其設置方式(10 分)
第 五 題20 分
廢棄物公告為應回收,係基於哪些理由?(10 分)
行政院環境保護署公告應回收之一般廢棄物,除了紙容器、塑膠類、電子電器物品、資訊物品之外,還有哪些項目?請寫出十項物品。(10 分)
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核心觀念
本題以命題當年(民國 107 年)之《廢棄物清理法》及行政院環境保護署(現已改制為「環境部」)法規公告為準。涉及之核心觀念與法條如下:
- 應回收廢棄物之法定公告理由: 依《廢棄物清理法》第 15 條第 1 項,物品或其包裝、容器經食用或使用後,足以產生特定性質之一之一般廢棄物,致有嚴重污染環境之虞者,由中央主管機關公告為應回收廢棄物。法律明定之四大理由為:不易清除處理、含長期不易腐化成分、含有害物質成分、具回收再利用價值。
- 公告應回收廢棄物之範疇與品項: 依《廢棄物清理法》第 15 條第 2 項授權公告之「應回收廢棄物」,實務上主要區分為「容器類」與「物品類」。主管機關針對製造、輸入業者課以回收清除處理費(資源回收管理基金制度,四合一回收架構),進行逆向回收與妥善處理。
解題方法
- 第一子題(公告理由,10 分):
- 本題屬於純法條背誦題,必須準確援引《廢棄物清理法》第 15 條第 1 項之條文文字。
- 作答時除了完整條列法定的四大要件外,宜配合簡要的環境工程實務意涵(如二次污染防制、資源循環等)加以闡述,以充實卷面厚度。
- 第二子題(列舉十項物品,10 分):
- 審題時務必扣除題幹已排除的四大類:紙容器、塑膠類、電子電器物品(四機、電風扇等)、資訊物品(主機、筆電、顯示器等)。
- 從法規其餘涵蓋之「容器類」與「特定物品類」中,精準寫出 10 項公告之法定名稱,切忌混淆為一般由清潔隊常態回收但非列管繳費之傳統垃圾(如舊衣、生廚餘)。
選項分析
本題為申論題,無選擇題選項。但考生在審題與排除範圍時應注意:
- 題幹已排除項目:
- 紙容器(如鋁箔包、紙餐具等)
- 塑膠類(如 PET、PVC、PP、PE、PS、生物可分解塑膠容器及塑膠平板容器等)
- 電子電器物品(如電視機、洗衣機、電冰箱、冷暖氣機、電風扇等)
- 資訊物品(如筆記型電腦、桌上型電腦主機、顯示器、印表機、鍵盤等)
- 不可填寫之非公告項目:
- 一般未公告繳費之資源物(如舊衣、廚餘、一般非容器之純玻璃/純金屬廢料),若寫入此處將無法獲取分數。