110 地方特考三等 環保技術 環境科學 考古題詳解

一、碳循環（carbon cycle）

核心觀念

碳循環是指碳元素在大氣圈、生物圈、水圈、土壤與岩石圈之間，透過生物作用、化學作用與地質作用進行移動與轉換的循環系統。

主要碳庫包括：

• 大氣中的二氧化碳與甲烷。
• 植物、動物與微生物體內的有機碳。
• 土壤與沉積物中的有機碳。
• 海洋中的溶解無機碳。
• 化石燃料與碳酸鹽岩中的長期儲存碳。

解題方法

作答時依「碳的儲存場所」與「碳的轉移過程」說明：

1. 光合作用：植物吸收大氣中的二氧化碳，合成有機物。

$6CO_2+6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6+6O_2$

2. 呼吸作用：植物、動物與微生物分解有機物，釋放二氧化碳。

3. 分解作用：分解者分解生物遺體與排遺，使碳返回土壤、大氣或水體。

4. 燃燒作用：森林火災及化石燃料燃燒，使有機碳快速轉化為大氣中的二氧化碳。

5. 海氣交換：大氣二氧化碳溶入海水，海洋中的碳也可重新釋放至大氣。

6. 沉積與地質作用：碳經沉積、成岩作用形成碳酸鹽岩；地殼運動與火山作用則使碳重新進入大氣。

人類燃燒煤、石油、天然氣及砍伐森林，會將長期儲存的碳快速釋放，造成大氣二氧化碳濃度上升，並加劇溫室效應。

解題技巧

碳循環不可只寫「二氧化碳被植物吸收、再由呼吸作用釋放」。完整答案應同時涵蓋：

• 短期生物碳循環：光合作用、呼吸、分解。
• 長期地質碳循環：沉積、岩石形成、火山作用。
• 人為干擾：化石燃料燃燒與土地利用變化。

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二、入侵生物（invasive species）

核心觀念

入侵生物是指原非該地區原生分布的外來生物，經人為或自然方式進入新環境後，能夠建立穩定族群、快速擴散，並對原生生態系、生物多樣性、農林漁業、公共衛生或經濟活動造成不利影響。

其判斷重點包括：

1. 外來性：原本不屬於當地自然分布範圍。
2. 建立族群：能在當地繁殖並維持族群。
3. 擴散能力：能持續擴張分布範圍。
4. 造成危害：對生態、經濟或健康產生負面影響。

常見例子包括福壽螺、琵琶鼠、埃及聖𩶘、銀合歡及小花蔓澤蘭。

解題方法

作答時應先區分三個概念：

• 外來種：只表示物種來源非當地原生，不必然造成危害。
• 歸化種：外來生物已能在當地自然繁殖並維持族群。
• 入侵生物：外來生物進一步大量擴散並造成明確危害。

入侵生物造成的影響主要有：

• 與原生種競爭食物、棲地與繁殖資源。
• 捕食原生種，使原生族群數量下降。
• 攜帶病原體或寄生蟲。
• 改變棲地結構、營養循環與食物網。
• 造成農業損失、公共衛生問題及防治成本增加。

防治原則以「預防優先」為核心，包括邊境檢疫、輸入管制、早期發現、快速移除及持續監測。族群已廣泛建立後，則採取機械移除、化學防治、生物防治及棲地復育等綜合管理措施。

解題技巧

判斷入侵生物時，不能只看「是否為外來種」，還要確認「是否造成危害」。外來種不等於入侵種；本地原生種數量異常增加，也不屬於典型的外來入侵生物。

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三、水足跡（water footprint）

核心觀念

水足跡是指個人、社會、企業或國家在消費產品與服務的過程中，直接與間接使用及污染的淡水總量。其目的在於呈現產品或活動背後的用水需求，以及水資源消耗對水環境造成的影響。

水足跡通常分為三類：

1. 藍水足跡（blue water footprint） 來自地表水與地下水的消耗量，例如河川、湖泊、水庫及地下水供灌溉、工業或民生使用後，未在同一時間與同一地點回到水體的部分。

2. 綠水足跡（green water footprint） 來自土壤中的雨水，主要指作物吸收並經蒸散作用消耗的雨水。

3. 灰水足跡（grey water footprint） 將污染物稀釋至符合既定水質標準所需的理論水量，用以表示水污染程度。

解題方法

水足跡不只計算家庭直接用水，也包括供應鏈中的間接用水。例如飲用一杯咖啡，不只計入沖泡用水，還包括咖啡栽培、加工、運輸等階段的用水。

灰水足跡可用下式表示：

$WF_{\text{grey}}=\frac{L}{C_{\max}-C_{\text{nat}}}$

其中：

• $L$：污染物負荷量。
• $C_{\max}$：水質標準所允許的最高濃度。
• $C_{\text{nat}}$：受納水體的自然背景濃度。

水足跡分析應依照「生命週期」切入，從原料生產、製造、運輸、使用到廢棄處理，計算各階段的直接用水、間接用水與污染稀釋需求。

解題技巧

水足跡與傳統「用水量」不同，關鍵在於：

• 不只計算直接用水。
• 必須納入虛擬水及供應鏈用水。
• 綠水是雨水在土壤中的利用。
• 藍水是地表水與地下水的消耗。
• 灰水不是實際排放水量，而是污染物達到水質標準所需的理論稀釋水量。

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四、能量金字塔（energy pyramid）

核心觀念

核心觀念

本題考查光化學煙霧的：

1. 分類與主要污染物。
2. 生成所需的污染源與氣象條件。
3. 氮氧化物（$NO_x$）與揮發性有機物（VOCs）在陽光下的光化學反應。
4. 二次污染物對人體、植物、能見度及材料的危害。

光化學煙霧是由氮氧化物與揮發性有機物在強烈日光照射下，經一連串光化學反應生成臭氧、過氧醯硝酸酯（PAN）、醛類及二次細懸浮微粒等污染物所形成的煙霧。其本質屬於「氧化性煙霧」及「二次污染」。

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一、光化學煙霧的種類

（一）還原型煙霧

還原型煙霧又稱倫敦型煙霧（London smog）或硫酸煙霧，主要發生於寒冷、潮濕、低風速且常有逆溫的環境。

主要污染物包括：

• $SO_2$
• 煙塵及粒狀物
• 硫酸霧
• 一氧化碳（$CO$）

其污染物以燃煤及其他燃料燃燒產物為主，具有還原性，常造成嚴重能見度降低及呼吸道危害。

（二）氧化型煙霧

氧化型煙霧又稱洛杉磯型煙霧（Los Angeles smog），即通常所稱的光化學煙霧。

主要污染物包括：

• 臭氧（$O_3$）
• PAN
• 醛類，如甲醛、丙烯醛
• 過氧化物
• 二次有機氣膠及其他二次粒狀污染物

其主要前驅物為：

• 氮氧化物（$NO_x$）
• 揮發性有機物（VOCs）

形成條件為強烈日光、高溫、低風速、空氣滯留及都市交通污染集中。光化學煙霧具有強氧化性，對人體及植物的傷害通常比單純一次污染更複雜。

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二、光化學煙霧的生成條件

光化學煙霧形成通常需要下列條件共同配合：

1. 污染物來源

主要來源為汽機車及工業燃燒排放，包含：

• 車輛排放的氮氧化物。
• 汽油蒸發及不完全燃燒產生的VOCs。
• 石化工業、印刷、塗裝及溶劑使用排放的有機物。

2. 強烈日光

波長約 $300\sim 430\ \mathrm{nm}$ 的紫外光及可見光，可促使二氧化氮分解，啟動光化學反應。

3. 高溫與低風速

高溫可加速反應及有機物揮發；低風速則使污染物在都市上空累積。

4. 逆溫及地形封閉

逆溫層會抑制垂直擴散，山谷或盆地地形則容易使污染物滯留，增加臭氧及其他氧化劑濃度。

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三、光化學煙霧的生成機制

（一）二氧化氮的光解

氮氧化物中的二氧化氮吸收日光後發生光解：

$$NO_2+h\nu \rightarrow NO+O$$

生成的氧原子再與氧分子反應：

$$O+O_2+M\rightarrow O_3+M$$

其中 $M$ 為第三體分子，主要作用是吸收反應過程中的多餘能量。

因此，$NO_2$ 的光解可直接促成臭氧生成。

（二）臭氧的消耗反應

生成的臭氧可與一氧化氮反應：

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

在只有 $NO_x$ 而缺乏VOCs的條件下，臭氧會因上述反應被消耗，難以大量累積。此反應稱為臭氧滴定作用（ozone titration）。

（三）VOCs促進臭氧累積

VOCs在日光及大氣自由基作用下，被羥基自由基（$OH\cdot$）氧化：

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

有機自由基進一步與氧氣反應：

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

過氧有機自由基可將一氧化氮氧化為二氧化氮：

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

此反應不會消耗臭氧，卻會增加 $NO_2$ 濃度，使 $NO_2$ 持續光解並生成更多臭氧。

另一重要反應為：

$$HO_2\cdot+NO\rightarrow OH\cdot+NO_2$$

因此，VOCs透過自由基循環，使$NO$轉化為$NO_2$，阻止$NO$大量消耗臭氧，造成臭氧在下風處累積。

（四）PAN及醛類的形成

含醛類的VOCs經氧化後，可生成醯基過氧自由基：

核心觀念

河川自淨作用（self-purification）是指污染物排入河川後，經由河川自身的稀釋、沉降、氧化、分解、轉化及生物攝取等作用，使污染物濃度降低、水質逐步恢復的自然過程。

河川自淨並非污染物憑空消失，而是污染物在水體中發生下列變化：

1. 污染物被稀釋、分散或沉降。
2. 有機物被微生物分解及氧化。
3. 溶氧被消耗，並由大氣復氧及水生植物光合作用補充。
4. 氮、磷等營養鹽經硝化、反硝化、吸收及沉澱等作用轉化。
5. 部分污染物被吸附於懸浮固體或河床底泥。
6. 病原微生物因日照、溫度、沉降及自然死亡而減少。

河川自淨能力受到流量、流速、河寬、水深、溫度、紊流程度、河床狀況、污染負荷及污染物種類等因素影響。自淨能力有一定限度，若污染負荷超過河川承受能力，仍會造成嚴重缺氧、魚類死亡及生態系失衡。

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解題方法：依「物理—化學—生物」三層次說明

本題適合以三類作用作為主架構，再以「有機物分解與溶氧變化」說明整體運作機制。

一、物理性自淨作用

1. 稀釋與分散

污染排入河川後，會與河川水混合，使污染物濃度降低。河川流量越大，對污染物的稀釋能力通常越強。

污染物與河水完全混合後，可用質量守恆表示：

$$C_m=\frac{Q_rC_r+Q_wC_w}{Q_r+Q_w}$$

其中：

• $C_m$：混合後污染物濃度；
• $Q_r$：河川流量；
• $C_r$：污染前河水污染物濃度；
• $Q_w$：廢水流量；
• $C_w$：廢水污染物濃度。

若污染前河川水質良好，且污染物負荷為 $L$，則混合後濃度可近似為：

$$C_m=\frac{L}{Q_r+Q_w}$$

稀釋只會降低水中濃度，不代表污染物總量消失，因此不能單獨視為真正的污染削減。

2. 沉降與再懸浮

懸浮固體、附著於顆粒上的磷、重金屬及部分有機污染物，會因重力作用沉降至河床底泥，使水柱中的濃度降低。

沉降效果與下列因素有關：

• 顆粒粒徑及密度；
• 河川流速；
• 水深；
• 紊流程度；
• 河床坡度及底質特性。

沉積於底泥的污染物並未完全消失，洪水、河床擾動或流速增加時，仍可能再懸浮而重新進入水體。

3. 擴散與混合

污染物會隨水流輸送，並因紊流、渦流及分子擴散而在縱向、橫向及垂向分散。流速適中且紊流良好的河段，通常較容易使污染物均勻混合。

4. 揮發與逸散

具有揮發性的污染物，例如部分有機溶劑及氨，在水面與大氣交界處可能逸散至空氣中。此作用可降低水中污染物濃度，但污染物只是轉移至大氣，並不等同於完全無害化。

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二、化學性自淨作用

1. 氧化還原反應

河川中有機物及還原性物質會與溶氧反應。例如有機物可概略表示為：

$$\text{有機物}+O_2\rightarrow CO_2+H_2O+\text{新生物質}$$

硫化物、亞鐵離子及亞硫酸鹽等還原性物質，也會消耗溶氧並被氧化。

2. 酸鹼中和與緩衝作用

酸性、鹼性廢水進入河川後，會與河水中的碳酸氫鹽、碳酸鹽及其他鹼性或酸性物質反應，使 pH 值趨於穩定。

天然水體的碳酸鹽緩衝系統可表示為：

$$CO_2+H_2O\rightleftharpoons H_2CO_3$$ $$H_2CO_3\rightleftharpoons H^++HCO_3^-$$ $$HCO_3^-\rightleftharpoons H^++CO_3^{2-}$$

緩衝作用可減輕 pH 劇烈變化，但若酸鹼負荷過大，仍會造成水生生物傷害。

3. 沉澱、吸附與離子交換

金屬離子及磷酸鹽可因 pH、氧化還原條件改變而形成難溶物沉澱；污染物也可被黏土、有機質及底泥吸附。

例如磷酸鹽可與鈣、鐵、鋁形成難溶化合物，降低水中溶解態磷的濃度。此作用具有延緩污染物移動的效果，但底泥環境改變時，污染物仍可能重新釋出。

4. 氮循環中的轉化

含氮有機物及氨氮可先經礦化作用，再由硝化細菌氧化：

$$NH_4^++1.5O_2\rightarrow NO_2^-+2H^++H_2O$$ $$NO_2^-+0.5O_2\rightarrow NO_3^-$$

硝化作用會消耗溶氧，並產生酸性，使鹼度下降。缺氧環境下，硝酸鹽可經反硝化作用還原為氮氣：

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

反硝化可將氮以氮氣形式移出水體，但需要適當的缺氧條件及可利用有機碳源。

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三、生物性自淨作用

1. 微生物分解有機物

異營性微生物利用有機物作為能源及碳源，將複雜有機物分解為較簡單的無機物及新生物質。此過程是河川自淨的核心作用之一。

有機物分解可用一階反應近似：

$$\frac{dL}{dt}=-k_1L$$

積分後：

$$L_t=L_0e^{-k_1t}$$

其中：

• $L_0$：初始剩餘有機物量；
• $L_t$：經過時間 $t$ 後的剩餘有機物量；
• $k_1$：有機物去除或脫氧速率常數；
• $t$：污染物在河川中的停留時間。

河川流速越快，污染物通過河段的時間越短；若微生物分解速率不足，污染物尚未充分分解即流出該河段。

2. 生化需氧量與溶氧消耗

有機物分解所需的氧量稱為生化需氧量（BOD）。BOD 越高，代表水中可被微生物分解的有機物越多，對溶氧的消耗越大。

核心觀念

本題比較兩種由廢棄物製成的燃料：

• 廢棄物衍生燃料（Refuse Derived Fuel, RDF）：將都市垃圾或其他可燃性廢棄物，經破碎、分選、乾燥、混合、成型等處理後製成的燃料。其重點在於「由廢棄物衍生而來」及「提高燃燒利用價值」。
• 固體回收燃料（Solid Recovered Fuel, SRF）：由非有害廢棄物中回收可燃部分，經較嚴格且標準化的分選、加工與品質控制後製成的固體燃料。其重點在於「資源回收」及「符合燃料品質規格」。

兩者都以廢棄物中的可燃成分作為原料，但 RDF 是較廣義的傳統用語；SRF 則強調經標準化製程及品質分級後，具有穩定燃料特性的產品。

解題方法

本題屬於比較題，宜依下列面向作答：

1. 名稱與基本定義。
2. 原料來源。
3. 製造流程與處理程度。
4. 品質控制項目。
5. 燃料特性與使用場所。
6. 環境風險及資源化意義。

答題時不可只寫「RDF 是垃圾燃料、SRF 是回收燃料」，應指出兩者在規格化、品質穩定性及管理目的上的差異。

RDF 的特性

1. 原料來源

RDF 主要以都市固體廢棄物中的可燃部分為原料，例如紙類、塑膠、木材、紡織品及其他有機可燃物，也可使用部分事業廢棄物。

2. 製造方式

典型流程包括：

• 破碎或撕碎；
• 篩分；
• 磁選去除鐵金屬；
• 風選或密度分選；
• 去除玻璃、土砂、金屬及其他不可燃物；
• 乾燥、混合；
• 製成碎片、薄片、粒狀或柱狀燃料。

RDF 可依加工程度分成不同型態，例如：

• RDF-1：未加工的都市垃圾；
• RDF-2：粗破碎垃圾；
• RDF-3：經分選、破碎後的碎片燃料；
• RDF-4：粉末狀燃料；
• RDF-5：壓製成型燃料；
• RDF-6：液化衍生燃料；
• RDF-7：氣化衍生燃料。

考試上最常強調的是 RDF-3 碎片型及 RDF-5 成型型燃料。

3. 品質特性

RDF 的品質受原始垃圾組成及處理技術影響較大，常見控制項目包括：

• 低位發熱量；
• 含水率；
• 灰分；
• 粒徑；
• 氯含量；
• 硫含量；
• 重金屬；
• 燃燒穩定性。

若分選及乾燥不充分，RDF 可能有含水率高、灰分高、發熱量不穩定、氯含量偏高等問題。

4. 利用方式

RDF 可作為水泥窯、工業鍋爐、都市垃圾焚化系統或其他適當燃燒設備的輔助燃料。使用時必須搭配適當的污染防制設備，以控制粒狀污染物、酸性氣體、氮氧化物、重金屬及戴奧辛等污染物。

SRF 的特性

1. 原料來源

SRF 主要由非有害廢棄物中回收的可燃部分製成，原料可包括：

• 都市垃圾中的可燃物；
• 商業及工業廢棄物；
• 廢塑膠；
• 廢紙；
• 廢木材；
• 廢紡織物；
• 分選後的高熱值可燃殘餘物。

SRF 不以所有垃圾直接燃燒為目的，而是先將可回收物及不適燃物盡量分離，再取得品質較穩定的可燃物。

2. 製造方式

SRF 製程通常包括：

• 源頭分類或前端分選；
• 破碎；
• 篩分；
• 磁選、渦電流分選；
• 風選及近紅外線分選；
• 去除玻璃、土砂、金屬及含氯、含重金屬等不適當物質；
• 乾燥及均質化；
• 粒化、壓塊或其他成型處理；
• 品質檢測與批次管理。

相較於一般 RDF，SRF 更重視原料控制、製程穩定及最終產品的品質保證。

3. 品質分級

SRF 的核心精神是以明確指標進行分級，常見指標包括：

• 淨熱值或低位發熱量；
• 氯含量；
• 汞含量及其他重金屬；
• 含水率；
• 灰分；
• 粒徑及均質性。