109 地方特考三等 環境工程 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

本題考查標準反應 Gibbs 自由能、平衡常數與反應商，以及氣體溶解的溫度效應。使用的關係式為：

其中 $R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$。氣體的活度以分壓除以標準壓力表示，水溶液中稀薄物種的活度以濃度除以標準濃度表示；以下計算採常用近似，將活度以分壓（標準壓力為 $1\ \mathrm{atm}$）及濃度（標準濃度為 $1\ \mathrm{M}$）代入。

題目反應式的化學計量

題目列出的 $\mathrm{O_2(g)+HS^-\rightleftharpoons SO_4^{2-}+H^+}$ 未配平氧原子。硫化氫氧化成硫酸根的配平反應應為：

以下第（二）題依此配平反應計算。第（一）題的 $\Delta G^\circ$ 數值不受此修正影響，因為表列 $G^\circ_{\mathrm{O_2(g)}}=0$。

（一）標準狀態下的 Gibbs Free Energy

以配平後反應計算：

負值表示在標準狀態下，反應朝生成物方向進行具有熱力學上的有利性。

（二）水中 $\mathrm{HS^-}$ 的平衡濃度

先由 $pH=8$ 得：

由第（一）題的 $\Delta G^\circ=-756.65\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$，在 $T=298.15\ \mathrm{K}$ 下：

配平反應的反應商為：

核心觀念

自由基是含有一個或多個未成對電子的原子、分子或離子，通常以「$\cdot$」標示。未成對電子使自由基反應性高，常透過奪氫、加成或電子轉移等反應參與大氣化學。

本題重點是列舉常見的大氣自由基，並說明其中一種的生成來源。答題時宜選用環境化學中具代表性的自由基，並以反應式交代其來源。

解題方法

可從大氣光化學與污染物氧化反應來整理例子，列出五種常見自由基，例如：

• 氫氧自由基 $\mathrm{OH\cdot}$
• 氫過氧自由基 $\mathrm{HO_2\cdot}$
• 一氧化氮自由基 $\mathrm{NO\cdot}$
• 二氧化氮自由基 $\mathrm{NO_2\cdot}$
• 氯自由基 $\mathrm{Cl\cdot}$

其中，$\mathrm{OH\cdot}$ 是大氣中重要的氧化劑之一。其一項主要生成途徑為臭氧吸收紫外光後光解，生成激發態氧原子；激發態氧原子再與水蒸氣反應形成氫氧自由基：

核心觀念

本題考查混凝與消毒藥劑的水解、解離反應，以及反應前後對水中氫離子濃度的影響。$pH=-\log[H^+]$；產生 $H^+$ 會使 $pH$ 降低，消耗 $H^+$ 或產生 $OH^-$ 則會使 $pH$ 上升。

明礬通常以硫酸鋁 $\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot18H_2O}$ 表示；加氯則以氯氣 $\mathrm{Cl_2}$ 為例說明。實際變化幅度會受原水鹼度、藥劑劑量及反應條件影響，但反應方向可由化學式判斷。

解題方法

一、加明礬混凝：$pH$ 降低

明礬溶於水後，鋁離子水解並形成氫氧化鋁膠羽。水解過程會釋出氫離子：

因此，加明礬會消耗水中的鹼度並產生酸性，通常使混凝水的 $pH$ 下降。以硫酸鋁水合物表示，總反應可寫成：

水中碳酸氫根可中和所產生的氫離子：

故鹼度愈低，明礬混凝造成的 $pH$ 下降通常愈明顯。

二、加氯消毒：以氯氣加氯時，$pH$ 降低

氯氣溶於水後形成次氯酸與氫離子：

核心觀念

本題考的是生物除氮與生物除磷併用時，主要菌群對氧化還原環境、電子受體及有機碳源的需求差異，以及如何用流程配置與操作條件兼顧三者。

• 硝化菌：以氨氧化菌及亞硝酸氧化菌為主，在好氧條件下將氨氮氧化為硝酸鹽氮，需有足夠溶氧、污泥齡及鹼度。硝化反應會消耗氧與鹼度。
• 脫硝菌：在缺氧條件下，以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，利用有機碳作電子供體，將其還原為氮氣。若可利用碳源不足，脫硝會受限。
• 磷蓄積菌（PAO）：在厭氧環境攝取揮發性脂肪酸（VFA）並儲存為細胞內聚羥基烷酸（PHA），同時分解聚磷、釋出磷；之後在好氧環境氧化PHA、攝取磷並合成聚磷，最後藉由排放剩餘污泥移除磷。
• 反硝化磷蓄積菌（DPAO）：部分PAO可在缺氧環境以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，氧化先前儲存的PHA並攝取磷，兼具脫硝與除磷功能。

解題方法：先辨識三種菌群的環境與資源衝突

依序檢視「厭氧吸碳釋磷、缺氧脫硝、好氧硝化與攝磷」三種反應，再把菌群需求安排在不同槽段，並控制回流，避免氧或硝酸鹽帶入不適合的槽區。

1. 厭氧區：PAO需要碳源，但硝酸鹽會造成競爭

厭氧區應維持無溶氧、無硝酸鹽及無亞硝酸鹽，讓PAO能優先利用進流水中的VFA。若含硝酸鹽的內回流液或回流污泥進入厭氧區，脫硝菌會以硝酸鹽為電子受體，消耗有機碳；溶氧帶入也會使有機碳被一般好氧異營菌消耗。兩者都會減少PAO可利用的VFA，降低厭氧釋磷與後續攝磷能力。

因此，設計上要避免好氧槽出流水或含硝酸鹽混合液直接回流至厭氧區；通常在厭氧區前設置缺氧區，或妥善安排回流點與回流量，以降低回流帶入的硝酸鹽及溶氧。

2. 缺氧區：脫硝菌和PAO競爭碳源，DPAO可協同除氮除磷

一般脫硝菌須利用有機碳進行脫硝，若與PAO同在缺氧區，便會競爭可利用碳源。進水可生物分解碳源不足時，常出現脫硝不完全或生物除磷不佳。

核心觀念

本題考污泥中溫厭氧消化的甲烷生成途徑，以及參與產甲烷作用的古菌屬名。甲烷菌是專性厭氧的古菌，主要利用兩類基質生成甲烷：

1. 乙酸裂解型：將乙酸分解為甲烷與二氧化碳。
2. 氫營養型（還原二氧化碳型）：以氫氣作為電子供體，還原二氧化碳生成甲烷。

解題方法

依甲烷生成所用的基質與電子供體，分成兩類說明，並各自寫出代表性反應式：

一、乙酸裂解型

乙酸先活化為乙醯輔酶 A，再經由乙酸裂解途徑生成甲烷與二氧化碳。總反應可表示為：

乙酸的甲基碳被還原成甲烷；羧基碳則氧化成二氧化碳。

二、氫營養型（還原二氧化碳型）

氫氣提供電子，將二氧化碳還原成甲烷：

此途徑中，二氧化碳是碳源與電子受體，氫氣則為電子供體。

核心觀念

本題考微生物計數的兩種常用方法：多管發酵法與膜濾法。兩者皆用來估計水樣中可培養的指標微生物數量；多管發酵法依各稀釋度試管的陽性、陰性組合查表估算「最可能數」（Most Probable Number, MPN），膜濾法則將定量水樣通過濾膜後培養，直接計算濾膜上的菌落數，通常以菌落形成單位表示。

解題方法

作答時依序說明兩種方法的取樣與處理、培養判讀、結果表示，並指出多管發酵法是統計估計，膜濾法是計數濾膜上的菌落。

一、多管發酵法

1. 將水樣以無菌方式作系列稀釋，依預定稀釋度分組接種至含適當培養液的多支試管。每一稀釋度通常設多支平行試管；如採用大體積接種，培養液的濃度與用量須配合，使接種後培養條件適當。
2. 在規定溫度及時間下培養，觀察是否有指標反應。例如大腸菌群檢驗可依培養液的混濁、產酸或產氣等現象判定初步陽性，並按檢驗程序進行確認試驗。
3. 記錄各稀釋度陽性試管數，形成陽性組合；依試管配置及組合查 MPN 表，或使用相應統計公式，估算原水樣中的菌數。
4. 結果通常表示為每 $100\ \mathrm{mL}$ 的 MPN，例如 $\mathrm{MPN}/100\ \mathrm{mL}$。

MPN 是依微生物在各試管中的隨機分布及陽性反應機率作出的統計估計值，不是直接數出的菌落數。

二、膜濾法

1. 取定量水樣，以無菌操作通過無菌濾膜；常用孔徑為 $0.45\ \mu\mathrm{m}$，使目標微生物留在濾膜上。