107 地方特考四等 環境工程 廢棄物處理工程概要 考古題詳解

核心觀念

大型垃圾焚化廠之操作營運兼具「廢棄物衛生處理」與「生質能源回收（Waste-to-Energy, WtE）」雙重目標。評估一座大型現代化垃圾焚化爐的營運效能，主要由四大核心維度切入：

1. 處理與運轉可靠度：設備妥善率、稼動狀態與處理能量平衡。
2. 燃燒與減量無害化：爐內燃燒完全度（Combustion Efficiency）及固體廢棄物減容／減量成效。
3. 能源回收利用率：蒸汽產生與渦輪發電機轉換效能。
4. 環境保護與法規合規性：煙道廢氣、飛灰底渣穩定化及二次污染防治符合法定標準之程度。

相關法規依據（以命題當年民國 107 年法規為準）：

• 《一般廢棄物焚化廠受託操作營運管理規範》
• 《廢棄物焚化爐空氣污染物排放標準》
• 《一般廢棄物回收清除處理辦法》

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解題方法

本題屬申論題型，作答切入點應避免雜亂條列單一數值，應將指標項目「模組化、系統化」，依據工程管理與質量／能量平衡邏輯分為四大構面：

1. 運轉與處理效能指標（評估機械與產能）
2. 燃燒與減量效能指標（評估爐膛熱力燃燒與消減量）
3. 能源回收效能指標（評估熱能轉電能之熱力效率）
4. 環保與安全管制指標（評估排放合規性與耗材控制）

針對每一項指標，均嚴格依題目要求給出「定義」及「用途／實務判斷準則」，使閱卷委員能一目了然其工程代表性。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無選項分析。

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解題技巧

1. 答題架構口訣：掌握「運、燃、能、環」（運轉、燃燒、能源、環保），各列 2 至 3 個指標，內容即完整均衡，絕不漏項。
2. 常犯陷阱：

• 誤將「單純的排氣標準濃度」全部抄一遍，卻忽略了焚化廠首要考核的是「運轉時數（運轉率）」與「燃燒完全度（灼燒減量）」。
• 混淆「運轉率」與「負荷率」：前者為時間維度（設備開動時數），後者為處理量維度（處理廢棄物噸數是否達額定能力）。

3. 數據佐證加分項：若能適度帶出工程常規數值（例如：底渣灼燒減量需小於 $5\%$、運轉率通常大於 $85\%$、發電效率約 $18\% \sim 25\%$），更能展現考生的專業深度。

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【答案】

大型垃圾焚化廠（機械爐排式焚化爐）之操作營運效能，主要由「運轉與處理」、「燃燒與減量」、「能源回收」及「環境保護」四大範疇進行綜合評估。各項關鍵指標之定義與用途說明如下：

一、 運轉與處理效能指標

1. 運轉率（稼動率，Availability / Operation Rate）

• 定義：評估期間內（通常為全年度），焚化爐實際點火運轉之時數占日曆總時數之百分比。 $\text{運轉率 (\%)} = \frac{\text{全期實際運轉時數 (hr)}}{\text{全期日曆總時數 (8,760 hr)}} \times 100\%$
• 用途：評估設備之妥善率、機械可靠度、預防保養品質及非計畫性停爐（破管、跳電等）之控制成效。大型焚化爐之年運轉率一般應維持在 $85\%$ 以上。

2. 負荷率（處理容量利用率，Capacity Utilization Factor / Load Factor）

• 定義：實際垃圾處理總量與該時段內額定設計處理容量之比率。 $\text{負荷率 (\%)} = \frac{\text{實際垃圾處理量 (ton)}}{\text{設計日處理量 (ton/day)} \times \text{實際運轉天數 (day)}} \times 100\%$
• 用途：評估焚化爐是否充分發揮設計產能，反映進廠垃圾發熱量與爐體設計熱負荷（Design Thermal Load）之匹配程度，可防範超溫運轉或低負荷不完全燃燒。

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二、 燃燒與減量效能指標

1. 底渣灼燒減量（Loss on Ignition, LOI）

• 定義：爐床排出之乾燥底渣，於 $600 \pm 25^\circ\text{C}$ 下灼燒約 3 小時後，所減少之重量占原試樣乾重之百分比（代表殘留未燃燼之有機物含量）。 $\text{LOI (\%)} = \frac{W_1 - W_2}{W_1} \times 100\%$ （式中 $W_1$ 為灼燒前乾重，$W_2$ 為灼燒後重）。
• 用途：為判斷爐內燃燒完全度最直接之品管指標。

核心觀念 本題旨在評量考生對「廢棄物資源化與能源化（Waste-to-Energy, WtE）」技術體系的通盤瞭解與系統化比較能力。命題核心架構奠基於熱力學燃燒工程、熱化學轉化反應動力學，以及厭氧生物代謝途徑。涉及的關鍵概念與法規背景如下：

1. 轉換途徑分類：

• 熱化學轉換（Thermochemical Conversion）：利用高溫熱能改變廢棄物分子化學結構，包含焚化（直接燃燒）、氣化（欠氧反應）、熱裂解（無氧分解）以及固體回收/衍生燃料（SRF/RDF）均質燃燒。
• 生物化學轉換（Biochemical Conversion）：利用微生物在厭氧環境下降解易腐有機物，主要為生質廢棄物厭氧消化（Anaerobic Digestion）與衛生掩埋場沼氣（Landfill Gas, LFG）回收。

2. 關鍵熱力學與化學參數：

• 空氣當量比（Equivalence Ratio, $\text{ER} = \lambda$）：有氧焚化（$\lambda > 1$）、欠氧氣化（$0.2 < \lambda < 0.4$）、無氧裂解（$\lambda = 0$）。
• 低位發熱量（Lower Heating Value, LHV）與水分含率對能源轉換效率之熱平衡支配。
• 厭氧降解四階段反應動力學：水解（Hydrolysis）$\to$ 酸化（Acidogenesis）$\to$ 乙酸生成（Acetogenesis）$\to$ 甲烷生成（Methanogenesis）。

3. 法規依據（以命題當年民國 107 年為準）：

• 《廢棄物清理法》資源化與減量原則。
• 《再生能源發展條例》將廢棄物處理產製之電能及生質能納入推廣與躉購範疇。（現行法已修正再生能源發展條例關於一般廢棄物與事業廢棄物生質能之認定規範，並由環境部訂定「固體再生燃料製造技術指引與品質規範」強化料源流向管制）。

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解題方法

1. 邏輯架構化切入：廢棄物能源化技術繁多，作答切忌雜亂平鋪。應以「熱化學轉換」與「生物化學轉換」為骨幹進行二元劃分，精選出最具代表性的五大技術：焚化發電、氣化技術、熱裂解技術、固體再生燃料（SRF/RDF），以及厭氧消化沼氣發電。
2. 標準化維度解析：每一種技術皆嚴格依題目所要求的「反應原理」、「操作特性」、「優點」、「缺點」四個維度逐一詳述，確保無一遺漏。
3. 矩陣式總結比較：論述完畢後，構築「廢棄物能源化技術綜合比較表」，將氧氣需求、反應溫度、主要能源產物、發電效率及限制條件量化對比，展現專業答題深度。

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選項分析 本題為申論題，非選擇題，故無個別選項分析。閱卷評分之關鍵要點在於各技術系統性比較的精準度與全面性：

• 考生若僅回答「傳統焚化」，評分將嚴重偏低，因其僅為熱化學轉換之一種。
• 必須清晰區分「氣化（欠氧）」與「熱裂解（完全隔絕氧氣）」在熱力學及化學計量條件上的本質差異。
• 需納入「生物化學法（厭氧消化）」，方能完整涵蓋針對高含水率有機廢棄物（如廚餘、有機污泥）的能源化途徑。

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解題技巧

1. 氧氣梯度記憶法：熱化學反應依供氧量由多到少依序為：焚化（過量空氣，$\lambda > 1$）$\to$ 氣化（部分供氧，$\lambda \approx 0.2 \sim 0.4$）$\to$ 熱裂解（無氧，$\lambda = 0$）。
2. 物性分流選配原則：高熱值、低水分廢棄物（如塑膠、橡膠、廢紙）優先適用「熱化學轉換」；低熱值、高水分廢棄物（如廚餘、禽畜糞尿、下水污泥）優先適用「厭氧生物化學轉換」，免除龐大的乾燥蒸發能耗。
3. 盲點防範：

• 焚化發電效率多落在 $18\% \sim 25\%$，受限於尾氣中高濃度的氯化氫（$\text{HCl}$）造成鍋爐過熱器管壁的「高溫氯腐蝕」，導致蒸氣溫度無法大幅拉高（通常限制在 $400^\circ\text{C}$ 以下）。
• 熱裂解為吸熱反應（Endothermic），需外加能量驅動；焚化為完全放熱反應（Exothermic）。

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【答案】

一、廢棄物能源化技術分類與原理

廢棄物能源化（Waste-to-Energy, WtE）係指透過物理、熱化學或生物化學途徑，將廢棄物中蘊含的化學能轉化為電能、熱能或可儲存運輸之二次燃料（氣體、液體、固體）。主要技術分類與原理分述如下：

（一）熱化學轉換技術

1. 焚化發電技術（Incineration with Energy Recovery）

• 原理：廢棄物在充足的氧化劑條件下（過剩空氣率 $\lambda = 1.4 \sim 1.8$）進行高溫氧化燃燒反應，有機碳、氫轉化為二氧化碳（$\text{CO}_2$）與水蒸氣（$\text{H}_2\text{O}$），反應完全放熱。高溫燃氣經由熱水/蒸氣鍋爐進行熱交換，產生高壓過熱蒸氣，驅動蒸汽渦輪發電機（Rankine Cycle）發電。
• 操作特性：爐溫通常維持在 $850^\circ\text{C} \sim 1050^\circ\text{C}$，煙氣滯留時間大於 2 秒以抑制戴奧辛前驅物；需配置大規模後端煙氣洗滌與脫酸、袋濾式集塵（除塵/除重金屬）及觸媒脫硝（SCR/SNCR）設備。
• 優點：技術發展極為成熟、商業運轉實績最多；減容效果最高（體積減少約 90%，重量減少約 75%~80%）；可連續大規模處理混合家戶垃圾。
• 缺點：發電效率相對較低（受限於高溫管壁氯腐蝕，蒸氣溫度多限制在 $400^\circ\text{C}$ 以下，整體淨電效率僅約 $18\% \sim 25\%$）；產生有害飛灰及底渣二次廢棄物；民眾鄰避效應（NIMBY）強烈。

2. 氣化發電技術（Gasification）

• 原理：廢棄物在欠氧（次化學計量，空氣當量比 $\lambda \approx 0.2 \sim 0.4$）環境下，與氣化劑（空氣、純氧或水蒸氣）於高溫下進行不完全氧化與重組反應。主要化學反應包括布多反應（Boudouard reaction: $\text{C} + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{CO}$）、水氣移轉反應（Water-gas shift: $\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2$）及甲烷化反應，產出以一氧化碳（$\text{CO}$）與氫氣（$\text{H}_2$）為主的合成氣（Syngas）。
• 操作特性：反應溫度高達 $800^\circ\text{C} \sim 1200^\circ\text{C}$。產出之合成氣需經過精密除塵、除酸及裂解去除焦油（Tar）之淨化單元，方可引入燃氣渦輪機或內燃發電機運轉。
• 優點：發電效率高（若結合氣渦輪機與蒸氣渦輪機之複循環發電 IGCC，發電效率可達 $35\% \sim 40\%$）；還原性氣氛下戴奧辛與氮氧化物（$\text{NO}_x$）生成量遠低於傳統焚化；合成氣除發電外，亦具備合成化學品（如甲醇、氫氣）之彈性。
• 缺點：進料要求高，廢棄物需事先進行嚴密破碎與均質化分選；焦油冷凝易造成管線與機組堵塞腐蝕，系統穩定度與維護門檻高；建置與操作成本昂貴。

3. 熱裂解技術（Pyrolysis）

• 原理：在完全隔絕氧氣（無氧，$\lambda = 0$）的惰性環境下，由外部輸入熱能（吸熱反應），使高分子有機物斷鍵分解為低分子化合物。依升溫速率與滯留時間不同，產物分為：液態熱裂解油（Bio-oil）、可燃氣體（$\text{CO}, \text{CH}_4, \text{H}_2$）以及固態炭黑（Char）。
• 操作特性：操作溫度多介於 $400^\circ\text{C} \sim 800^\circ\text{C}$。可依需求調控操作條件：快速裂解（高溫、短滯留時間）以產油為主；

核心觀念

本題旨在測驗考生對於垃圾焚化底渣與飛灰之區別管制、有害事業廢棄物中間處理後最終處置法規，以及衛生掩埋場工程設計與營運管理的整合理解。 法規基準：本題以命題當年（民國 107 年）之《事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準》及相關廢棄物清理法規為準（現行法規雖歷經數次文字修訂與再利用規範擴充，但專區掩埋、TCLP 溶出合格、單軸抗壓強度與防水滲出水管控等核心工程原則仍維持一致）。

1. 法規定位與處置方式： 都市垃圾焚化廠飛灰屬「有害事業廢棄物」（常含有超標重金屬如鉛、鎘及戴奧辛）。經水泥固化或藥劑穩定化中間處理後，其毒性特性溶出程序（TCLP）檢驗結果必須低於法規標準，且單軸抗壓強度達標後，得以​「衛生掩埋法」​處置。
2. 專區掩埋（Monofill）原則： 飛灰固化／穩定化物嚴禁與未處理之有害廢棄物或易產酸之一般生活垃圾（生廚餘、酸性有機物）混雜掩埋，必須採專屬獨立掩埋場或於掩埋場內設置獨立分區。
3. 重要工程參數與公式：

• 單軸抗壓強度（Unconfined Compressive Strength, $q_u$）：固化物經養生（通常為 28 天）後，單軸抗壓強度須不小於 $10\text{ kg/cm}^2$（約 $0.98\text{ MPa}$ 或 $100\text{ psi}$），確保具備足夠結構強度承受重機具輾壓與上層覆土載重。
• 滲透係數（Permeability, $k$）：掩埋場底層阻水層黏土之透水係數需 $k \le 10^{-7}\text{ cm/s}$。
• 水力平衡（Water Balance Equation）： $I = P - R - ET$ 式中 $I$ 為入滲量（產生滲出水之主因）、$P$ 為降雨量、$R$ 為地表逕流量、$ET$ 為蒸發散量。管控重點在於藉由覆蓋降低 $I$。

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解題方法

本題為標準的雙子題申論題（第一問：掩埋方法；第二問：注意管控事項）。答題切入點應採「法規標準 $\rightarrow$ 場體工程配置 $\rightarrow$ 營運全流程管制」之架構鋪陳：

1. 掩埋方法破題：明確指出依規定採「衛生掩埋法」，並強調「獨立分區」或「專用掩埋」之技術細節。
2. 管控事項分類：切勿雜亂條列，應依工程生命週期分為四個構面作答：

• 進場前端品質管制（TCLP 檢測、抗壓強度、固化塊外觀與配比）。
• 場體結構與防滲工程（底層雙層防滲、滲透係數、滲出水收集網）。
• 現場鋪築與防雨營運作業（鋪排方式、分層壓實、防雨遮棚或防水布、防止破壞襯墊）。
• 滲出水處理與環境監測（防範酸溶出、滲出水重金屬處理、地下水監測井）。

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選項分析

本題為申論題型，無選項。考場閱卷評分重點分佈如下：

• 掩埋方法判定（配分約 25%）：能否精確點出「衛生掩埋法」及「獨立分區／專用掩埋場」，並指出其免於採「封閉掩埋」的前提是通過 TCLP。
• 進場指標管制（配分約 25%）：是否寫出關鍵法規數值，特別是「單軸抗壓強度 $\ge 10\text{ kg/cm}^2$」與「TCLP 重金屬溶出低於有害標準」。
• 場體設施與營運管制（配分約 25%）：是否包含防滲襯墊（HDPE膜）、滲出水收集與處理。
• 環境與水質監測（配分約 25%）：是否論及防雨截流、酸性環境預防（防止重金屬再度溶出）、地下水監測井配置。

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解題技巧

1. 名詞勿混淆陷阱：

• 考生最常犯的錯誤是將其寫成「封閉掩埋法」（封閉掩埋係用於未經中間處理或毒性無法降低之有害廢棄物，成本極高且需鋼筋混凝土槽體）。飛灰「固化物經檢驗低於 TCLP」後，法規准予採「衛生掩埋法」。
• 亦不可答「安定掩埋法」，安定掩埋法僅適用於無機性、不會產生滲出水或發酵氣體之廢棄物（如磚瓦石塊）。

核心觀念

本題旨在測驗考生對於​「資源循環與有害事業廢棄物資源化」​中，針對含高價值及稀有金屬廢棄物（如廢電子電器 E-waste、印刷電路板 PCB、廢觸媒、鋰離子電池、電鍍污泥等）之回收冶煉工程技術體系的掌握度。

核心技術體系與涉及之化工／冶金基本原理包括：

1. 物理/機械前處理分選技術（Physical/Mechanical Separation）：利用密度、導電性、導磁性等物性差異進行解離與富集。
2. 火法冶金技術（Pyrometallurgy）：利用高溫熱化學反應（氧化、還原、熔融、熔煉、造渣、揮發）分離金屬。
3. 濕法冶金技術（Hydrometallurgy）：利用酸、鹼或配位劑將金屬溶出，再藉由化學沉澱、溶劑萃取（SX）、離子交換（IX）或電析（EW）等單元操作進行分離提純。
4. 生物冶金／生物浸出技術（Biohydrometallurgy / Bioleaching）：利用特定微生物（如鐵硫氧化菌）之代謝活動氧化不溶性金屬硫化物或利用生物代謝酸溶出金屬。

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解題方法

本題為典型的「比較型申論題」，若僅以條列式文字平鋪直敘，難以凸顯技術架構與工程層次。作答切入點應採取「系統性分類 $\rightarrow$ 逐項深度闡述（原理、操作特性、優缺點） $\rightarrow$ 綜合比較表統整」之架構：

1. 劃分體系：首先說明回收流程通常需先經「物理前處理」，核心提取技術則分為「火法冶金」、「濕法冶金」及綠色新興之「生物冶金」三大主軸。
2. 細緻剖析：針對上述技術分別論述其物理化學原理、實際廠場操作條件（如溫度、pH值、停留時間、試劑消耗），並客觀剖析其技術與環境優缺點（如能耗、二次污染控制、回收率與純度）。
3. 矩陣歸納：於文末以工程特性矩陣表對比，使閱卷委員能一目了然評分。

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選項分析（技術核心機制深度剖析）

本題非選擇題，依題旨針對四大核心技術機制進行深度剖析：

1. 物理分選技術（前處理技術）

• 機制剖析：包含破碎（Crushing/Shredding）、磁選（分離鐵磁性金屬）、渦電流分選（Eddy Current Separation，利用高頻交變磁場誘發非鐵金屬產生渦電流斥力，分離鋁、銅）、靜電分選與比重選別（風力、搖床）。
• 角色定位：不可直接獲得高純度金屬，但為後續化學冶煉提供解離、縮體積、提高品位之關鍵步驟。

2. 火法冶金技術（Pyrometallurgy）

• 機制剖析：將廢料置於高溫爐（如反射爐、高爐、轉爐、電弧爐）中，在 $1,000 \sim 1,500^\circ\mathrm{C}$ 下進行高溫熔煉（Smelting）。利用不同金屬與氧的親和力差異形成金屬相（高密度底層，如粗銅、貴金屬鈀/金/銀合金相）與爐渣相（Slag，氧化物與雜質浮於表層），再藉重力分相分離。
• 關鍵單元：焚化/焙燒（脫除有機塑膠、碳化物）$\rightarrow$ 熔煉造渣 $\rightarrow$ 精煉（電解精煉或吹煉）。

3. 濕法冶金技術（Hydrometallurgy）

• 機制剖析：在常壓或加壓環境下（常溫至 $100^\circ\mathrm{C}$ 左右），以無機酸（$\mathrm{H_2SO_4}$、$\mathrm{HCl}$、$\mathrm{HNO_3}$、王水）或鹼性溶液（$\mathrm{NH_3}$/$\mathrm{NH_4^+}$、$\mathrm{NaOH}$），並搭配氧化劑（如 $\mathrm{H_2O_2}$）將固相金屬浸出（Leaching）至水溶液中成為離子相： $\mathrm{M^0 + 2H^+ + [O] \rightarrow M^{2+} + H_2O}$
• 分離提純：透過溶劑萃取（Solvent Extraction, SX）、螯合型離子交換樹脂（Ion Exchange, IX）逐步富集目標稀貴金屬離子，最後以化學還原沉澱或電析（Electrowinning, EW）得到高純度金屬單質。

4. 生物冶金技術（Biohydrometallurgy）

• 機制剖析：利用化學自營性微生物（如 Acidithiobacillus ferrooxidans、Acidithiobacillus thiooxidans），利用其將 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 氧化為 $\mathrm{Fe^{3+}}$，或將單質硫/還原態硫氧化為 $\mathrm{H_2SO_4}$，透過間接或直接生物氧化作用將廢料中之金屬轉化為水溶性硫酸鹽浸出。

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解題技巧

1. 掌握工業專有名詞：申論時務必帶出國際標準術語，如「渦電流分選（Eddy Current）」、「溶劑萃取（Solvent Extraction）」、「電析（Electrowinning）」、「熔煉造渣（Smelting and Slagging）」，此為獲取高分的關鍵。
2. 避開常見評估陷阱：

• 勿通篇僅回答「成本高」或「成本低」。火法冶金是「初設建廠成本極高、但單位處理量大」，濕法冶金是「試劑耗損與廢水處理營運成本高」。
• 討論缺點時務必扣合環境二次污染：火法須強調「戴奧辛（Dioxins）、酸性氣體、重金屬揚塵」；濕法須強調「大量酸性/重金屬化學廢水與中和污泥」；生物法則為「浸出反應速率極慢、菌種耐受度限制」。

3. 黃金版面配置：先條列各技術之「原理 $\rightarrow$ 操作特性 $\rightarrow$ 優缺點」，最後附上「綜合比較表」，結構嚴謹且易於批改。

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【答案】

稀有金屬與有價金屬廢棄物（如廢電子零組件、廢電池、廢觸媒等）之回收處理技術，實務上常以物理前處理分選為基礎，並以火法冶金、濕法冶金及生物冶金為三大主要提取分離技術。各項技術之原理、操作特性及優缺點說明如下：

一、 物理／機械分選技術（前處理）

1. 原理：利用廢棄物各組分間之物理性質差異（如尺寸、磁性、電導率、比重、表面摩擦力），透過破碎機破壞物料間之機械結合後，施以外加物理場（重力場、磁場、電場）達成組分解離與分離。
2. 操作特性：

• 常溫常壓乾式或濕式操作。