112 地方特考三等 環境工程類科 空氣污染與噪音控制技術（包括相關法規） 考古題詳解

核心觀念

本題考查我國空氣品質不良的兩項主要指標污染物：細懸浮微粒（PM₂.₅）與臭氧（O₃）。答題時要分清楚「空氣品質指標」與「污染物本身」：空氣品質指標（AQI）是將臭氧、PM₂.₅、PM₁₀、一氧化碳、二氧化硫及二氧化氮等污染物濃度換算為副指標，再以最大副指標作為該測站當日 AQI。

依命題當年（民國112年）的空氣品質標準，PM₂.₅年平均值為 $15\ \mu\text{g/m}^3$、24小時值為 $35\ \mu\text{g/m}^3$；臭氧標準包括8小時值 $0.060\ \text{ppm}$ 及1小時值 $0.12\ \text{ppm}$。本題並非選擇題，無須逐項分析選項。

解題方法

分別依「污染物特性與來源」、「歷年變化趨勢」、「生成機制」說明兩種污染物，並點出它們的差異：PM₂.₅是細粒徑粒狀污染物，兼有一次排放與二次生成；臭氧則是二次污染物，主要由氮氧化物（NOₓ）與揮發性有機物（VOCs）在日照下進行光化學反應生成。

一、細懸浮微粒（PM₂.₅）

**污染物特性與來源：**PM₂.₅指空氣動力學直徑小於或等於 $2.5\ \mu\text{m}$ 的懸浮微粒。它可以由燃燒、柴油車排氣、工業製程及露天燃燒等直接排放，也可以由氣態前驅物在大氣中反應形成。二次無機粒子的主要成分包括硫酸鹽、硝酸鹽及銨鹽；二次有機氣膠則由VOCs氧化後生成。

**歷年趨勢：**近年空氣污染防制措施推動後，PM₂.₅整體呈下降趨勢。全國年平均濃度由民國105年的約 $20\ \mu\text{g/m}^3$ 降至112年的 $13.7\ \mu\text{g/m}^3$，已低於命題當年的年平均標準。不過，112年年平均濃度較111年上升約 $1.4\ \mu\text{g/m}^3$，顯示年際變化仍受氣象、降雨及境外污染傳輸影響；中南部在秋冬季仍較容易出現高濃度事件。

**生成機制：**一次粒子由污染源直接排入大氣；二次粒子則由氣態污染物轉化而成。例如，二氧化硫氧化形成硫酸，再與氨反應生成硫酸銨；氮氧化物經氧化形成硝酸，再與氨反應生成硝酸銨：

此外，VOCs可經大氣氧化反應形成低揮發性有機物，凝結或進入粒子相而形成二次有機氣膠。秋冬季風速較弱、混合層較低時，污染物不易擴散；

核心觀念

串聯處理設備的總處理效率，不能直接把各設備的效率相加。第一道設備去除部分污染物後，第二道設備再處理剩餘部分，因此須以污染物的穿透率計算。

處理效率與穿透率的關係為：

解題方法

設新增設備的處理效率為 $\eta_2$。既有設備效率為 $60\%$，其穿透率為：

也就是既有設備處理後，尚有 $40\%$ 污染物進入新增設備。串聯後的總穿透率為兩設備穿透率相乘，因此總處理效率為：

核心觀念

燃燒過程中的氮氧化物（$NO_x$）主要包括一氧化氮（$NO$）與二氧化氮（$NO_2$）。生成機制可分為熱力型（thermal NO）、燃料型（fuel NO）及瞬間型（prompt NO）。題目另要求整理影響生成量的因素，並說明如何從燃燒條件與燃料特性降低生成。

解題方法

作答時先依氮的來源區分三種機制：空氣中的氮、燃料中的含氮化合物，以及燃燒初期的烴類自由基反應。接著以「溫度、氧濃度、反應時間、燃料含氮量」整理影響因素，再列出對應的抑制措施。

三種氮氧化物生成機制

1. 熱力型氮氧化物（Thermal NO） 空氣中的氮氣在高溫下被氧化，主要反應可用擴展 Zeldovich 機制表示：

$\mathrm{N_2 + O \rightleftharpoons NO + N}$ $\mathrm{N + O_2 \rightleftharpoons NO + O}$ $\mathrm{N + OH \rightleftharpoons NO + H}$

熱力型生成對燃燒溫度特別敏感；高溫使反應速率大幅增加，且高溫區停留時間越長，生成量通常越多。

2. 燃料型氮氧化物（Fuel NO） 燃料中的含氮成分（如煤或重油中的有機氮）在燃燒時分解、氧化，經由中間含氮物種生成 $NO$。其中一部分燃料氮會轉成 $NO$，另一部分則可能在還原性條件下轉成 $N_2$。其生成量與燃料氮含量、燃料氮的化學型態及局部氧化還原條件有關；在一般鍋爐燃燒條件下，燃料氮是重要的 $NO_x$ 來源。

3. 瞬間型氮氧化物（Prompt NO） 火焰前緣的富燃料區中，烴類自由基（如 $CH$）與空氣中的 $N_2$ 反應，形成 HCN、N 等含氮中間物種，後續再氧化成 $NO$。

核心觀念

本題考查溫室氣體的二氧化碳當量（$CO_2$-e）計算。不同溫室氣體的全球暖化潛勢（GWP）不同，須將各氣體濃度乘以題目指定的 GWP，再加總換算為二氧化碳當量：

其中 $C_i$ 為氣體濃度，GWP 為相對於二氧化碳的全球暖化潛勢。題目指定 IPCC 第四版係數：$CO_2=1$、$CH_4=25$、$N_2O=298$。

解題方法

依各氣體濃度分別換算：

各項貢獻為：

核心觀念

分貝是對數尺度，兩個噪音源的分貝值不能直接相加或相減，必須先換算成與聲能成正比的量，再進行能量相加或相減。若兩個噪音源互不相關，其合成音量級為

本題已知兩源同時運轉的總音量級，以及關閉其中一源後剩下的音量級，因此以聲能量相減求出被關閉噪音源的音量級。

解題方法

設關閉後仍在運轉的噪音源音量級為 $L_1=63\ \mathrm{dB}$，被關閉噪音源音量級為 $L_2$，兩源同時運轉的總音量級為 $L_{\mathrm{總}}=67\ \mathrm{dB}$。

先將總音量級換算成相對聲能量：

移項求被關閉噪音源的相對聲能量：