109 地方特考四等 環境工程 空氣污染與噪音控制技術概要 考古題詳解

核心觀念

1. 氮氧化物（$\mathrm{NO_x}$）生成機制：燃燒過程中所產生的氮氧化物（以 $\mathrm{NO}$ 與 $\mathrm{NO_2}$ 為主）主要依反應物來源與溫度條件區分為三大機制：

• 熱力型（Thermal $\mathrm{NO_x}$）：空氣中的氮氣在高溫下氧化生成，遵循澤爾多維奇機制（Zeldovich Mechanism）。
• 燃料型（Fuel $\mathrm{NO_x}$）：燃料中所含之有機氮化合物在裂解過程中被氧化生成。
• 瞬間型（Prompt $\mathrm{NO_x}$）：燃燒初期火焰前端富燃區，碳氫自由基與氮分子反應生成含氮前驅物後再氧化。

2. $\mathrm{NO_x}$ 環境危害：涵蓋對流層臭氧與光化學煙霧前驅物、酸沉降（酸雨）、衍生性二次細懸浮微粒（$\mathrm{PM_{2.5}}$，如硝酸銨）、水體優養化等。
3. 選擇性觸媒還原技術（SCR）之反應計量與去除率：

• 去除效率公式：$\eta = \frac{C_{\text{in}} - C_{\text{out}}}{C_{\text{in}}} \times 100\%$。
• 工業燃燒排氣（富氧環境）下 SCR 之主反應化學計量比： $4\mathrm{NO} + 4\mathrm{NH_3} + \mathrm{O_2} \rightarrow 4\mathrm{N_2} + 6\mathrm{H_2O}$ 化學計量比為 $\mathrm{NH_3} : \mathrm{NO} = 1 : 1$（莫耳比）。
• 理想氣體狀態方程式：$PV = nRT$，排氣體積換算必須使用操作狀態之溫度（$320^\circ\mathrm{C}$）與壓力（$1\ \mathrm{atm}$）。

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解題方法

(一) $\mathrm{NO_x}$ 之生成機制及其對環境造成之影響

1. $\mathrm{NO_x}$ 生成機制

燃燒源排放之 $\mathrm{NO_x}$ 中，$\mathrm{NO}$ 佔 $90\%\sim 95\%$ 以上，其生成途徑主要有三種：

• 熱力型 $\mathrm{NO_x}$（Thermal $\mathrm{NO_x}$）：
• 機制：高溫燃燒時，引進燃燒之空氣中的氮氣（$\mathrm{N_2}$）與氧氣（$\mathrm{O_2}$）解離並反應生成。此機制遵循延伸的澤爾多維奇反應式（Extended Zeldovich Mechanism）： $\mathrm{N_2 + O \rightleftharpoons NO + N}$ $\mathrm{N + O_2 \rightleftharpoons NO + O}$ $\mathrm{N + OH \rightleftharpoons NO + H}$
• 特徵：反應活化能極高，對溫度極為敏感。通常在燃燒溫度大於 $1{,}300^\circ\mathrm{C}$（約 $1{,}600\ \mathrm{K}$）時反應速率呈指數級上升；高氧分壓與高停留時間亦會大幅促進其生成。
• 燃料型 $\mathrm{NO_x}$（Fuel $\mathrm{NO_x}$）：
• 機制：煤炭或重油等燃料中鍵結之有機氮化合物（如吡啶、喹啉等），在燃燒加熱時裂解並揮發釋放出揮發性含氮自由基（如 $\mathrm{HCN}$、$\mathrm{NH_i}$），隨後與含氧自由基反應氧化生成 $\mathrm{NO}$；部分殘留於焦炭（Char）表面者則經異相氧化反應生成。
• 特徵：活化能較低，於 $600\sim 800^\circ\mathrm{C}$ 低溫即可生成，受溫度影響程度低於熱力型，主要取決於燃料含氮量及局部空燃比（氧氣濃度）。在燃煤鍋爐中，燃料型 $\mathrm{NO_x}$ 通常佔總排放量的 $60\%\sim 80\%$。
• 瞬間型 $\mathrm{NO_x}$（Prompt $\mathrm{NO_x}$）：
• 機制：遵循費尼摩爾機制（Fenimore Mechanism）。主要發生在燃燒初期之火焰前端（Flame Front）及富燃（Fuel-rich）區，碳氫化合物裂解所產生的烴類自由基（如 $\mathrm{CH}$、$\mathrm{CH_2}$）破壞空氣中 $\mathrm{N_2}$ 的參鍵，形成 $\mathrm{HCN}$ 或 $\mathrm{CN}$，隨後於極短時間內快速被氧化為 $\mathrm{NO}$。
• 特徵：活化能低、反應時間在數毫秒內。一般燃燒條件下生成量較少（佔比通常低於 $5\%$），但在低溫、富燃且使用低氮燃料時相對顯著。

2. $\mathrm{NO_x}$ 對環境之影響

• 衍生光化學煙霧與地表高濃度臭氧（$\mathrm{O_3}$）： 大氣中的 $\mathrm{NO_2}$ 吸收日光紫外線（$h\nu$）光解產生氧原子，與 $\mathrm{O_2}$ 結合成對流層臭氧： $\mathrm{NO_2} + h\nu \rightarrow \mathrm{NO} + \mathrm{O}$ $\mathrm{O} + \mathrm{O_2} + \mathrm{M} \rightarrow \mathrm{O_3} + \mathrm{M}$ $\mathrm{NO_x}$ 與揮發性有機物（VOCs）在大氣中進行複雜的光化學反應，產生過氧乙醯硝酸酯（PAN）等刺激性光化學氧化劑，降低大氣能見度，並損害人體呼吸道及植物葉片葉肉組織。
• 造成酸雨（酸沉降）： $\mathrm{NO_2}$ 在大氣中經由氫氧自由基（$\cdot\mathrm{OH}$）均相氧化或雲水中之非均相氧化反應轉化為硝酸（$\mathrm{HNO_3}$）： $\mathrm{NO_2} + \cdot\mathrm{OH} \rightarrow \mathrm{HNO_3}$ 硝酸隨降水降落地表形成硝酸型酸雨（$\mathrm{pH} < 5.0$），造成土壤酸化、礦物質淋溶流失、湖泊水體酸化，並腐蝕金屬構造物與石造文化資產。
• 生成二次無機細懸浮微粒（$\mathrm{PM_{2.5}}$）： 氣態硝酸可與大氣中的鹼性氣體（如農牧活動釋出之氨氣 $\mathrm{NH_3}$）反應生成硝酸銨（$\mathrm{NH_4NO_3}$）二次氣膠微粒： $\mathrm{HNO_3(g)} + \mathrm{NH_{3(g)}} \rightleftharpoons \mathrm{NH_4NO_{3(s, aq)}}$ 硝酸鹽是台灣及各都會區秋冬霾害細懸浮微粒的主要組成成分之一，顯著影響視程並危害心血管系統。
• 水體優養化（Eutrophication）： 經由大氣乾濕沉降落入水庫、河川及近海之氮氧化物與硝酸鹽，提供過量之活性氮（Reactive Nitrogen），促使水體中藻類與浮游生物異常暴發（如藻華現象），消耗水中溶氧導致水生物窒息死亡。

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(二) 去除效率與每日需氨量計算

1. 所需去除效率計算

已知：

• 入口 $\mathrm{NO}$ 濃度 $C_{\text{in}} = 300\ \mathrm{ppm}$
• 排放標準（出口濃度） $C_{\text{out}} = 50\ \mathrm{ppm}$

去除效率公式為： $\eta = \frac{C_{\text{in}} - C_{\text{out}}}{C_{\text{in}}} \times 100\% = \frac{300 - 50}{300} \times 100\% = \frac{250}{300} \times 100\% \approx 83.33\%$

2. SCR 反應化學計量比

在鍋爐含氧煙氣條件下，選擇性觸媒還原反應主要遵循以下標準計量式： $4\mathrm{NO} + 4\mathrm{NH_3} + \mathrm{O_2} \rightarrow 4\mathrm{N_2} + 6\mathrm{H_2O}$ 因此，理論反應計量莫耳比為： $\frac{\text{莫耳數}\ \mathrm{NH_3}}{\text{莫耳數}\ \mathrm{NO}} = \frac{4}{4} = 1$ 即去除 $1\ \mathrm{mole}$ 之 $\mathrm{NO}$ 理論上需要消耗 $1\ \mathrm{mole}$ 之 $\mathrm{NH_3}$。

3. 每日需去除之 $\mathrm{NO}$ 莫耳數推導

排氣條件：

• 壓力 $P = 1\ \mathrm{atm}$
• 溫度 $T = 320^\circ\mathrm{C} = 320 + 273 = 593\ \mathrm{K}$
• 氣體常數 $R = 0.082\ \mathrm{atm\cdot L/(mole\cdot K)}$
• 排氣量 $Q = 1{,}200\ \mathrm{m^3/min}$

每日排氣總體積 $V_{\text{total}}$： $V_{\text{total}} = 1{,}200\ \mathrm{m^3/min} \times 60\ \mathrm{min/hr} \times 24\ \mathrm{hr/day} = 1{,}728{,}000\ \mathrm{m^3/day}$

核心觀念

1. 排氣含氧量校正（Oxygen Correction）： 依據《固定污染源空氣污染物排放標準》，為杜絕事業單位於排放管道中摻配新鮮空氣進行「稀釋排放」以規避管制標準，法規規定粒狀污染物濃度須校正至指定之基準含氧量（本題為 $6\%$）。其校正公式為： $C = \frac{21 - O_s}{21 - O_m} \times C_m$

• $C$：校正後之污染物濃度（$\mathrm{mg/Nm^3}$）
• $C_m$：實測排氣之污染物濃度（$\mathrm{mg/Nm^3}$）
• $O_s$：法規指定之基準含氧百分率（$\%$）
• $O_m$：實測排氣含氧百分率（$\%$）
• $21$：環境新鮮空氣中氧氣之容積百分比（$\%$）

2. 氣體濃度單位換算（質量濃度與體積比濃度）： 大氣環境中氣狀污染物換算依理想氣體狀態方程式（$PV = nRT$）： 在溫度 $T\ (\mathrm{K})$、壓力 $P = 1\ \mathrm{atm}$ 下，理想氣體莫耳體積為 $V_m = \frac{RT}{P} = 22.4 \times \frac{T}{273}\ \mathrm{L/mol}$（或 $\mathrm{m^3/kmol}$）。 體積混合比濃度（$\mathrm{ppb}$）與質量濃度（$\mathrm{\mu g/m^3}$）之關係式為： $C_{\mathrm{ppb}} = C_{\mathrm{\mu g/m^3}} \times \frac{V_m}{M}$ 其中臭氧（$\mathrm{O_3}$）分子量 $M = 16 \times 3 = 48\ \mathrm{g/mol}$。

3. 法規標準判定依據： 以命題當年（民國 109 年）法規為準，依當時《空氣品質標準》規定，臭氧（$\mathrm{O_3}$）之小時平均值標準為 $120\ \mathrm{ppb}$（$0.12\ \mathrm{ppm}$）。 （現行法規已於民國 113 年修正，臭氧小時平均值標準已加嚴為 $100\ \mathrm{ppb}$，解題仍以命題當年為準）。

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解題方法

(一) 粒狀物含氧校正濃度計算

1. 已知數據：

• 實測粒狀物濃度 $C_m = 20\ \mathrm{mg/Nm^3}$
• 實測排氣含氧量 $O_m = 13.5\%$
• 基準含氧量 $O_s = 6\%$

2. 計算推導： 將上述數值代入排氣含氧校正公式： $C = \frac{21 - 6}{21 - 13.5} \times 20$ $C = \frac{15}{7.5} \times 20 = 2 \times 20 = 40\ \mathrm{mg/Nm^3}$

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(二) 臭氧濃度單位換算與符合性判定

1. 已知數據與狀態設定：

• 現場氣溫 $t = 37^\circ\mathrm{C}$，絕對溫度 $T = 273 + 37 = 310\ \mathrm{K}$
• 現場壓力（題目未特別指明時，按標準大氣壓計）$P = 1\ \mathrm{atm}$
• 實測小時臭氧濃度 $C_{\mathrm{\mu g/m^3}} = 204\ \mathrm{\mu g/m^3}$
• 臭氧（$\mathrm{O_3}$）分子量 $M = 48\ \mathrm{g/mol}$

2. 計算現場條件下之氣體莫耳體積 $V_m$：

核心觀念

本題為空氣污染防制設備中「靜電集塵器（Electrostatic Precipitator, ESP）」之經典核心試題，涵蓋「定性原理說明」與「定量公式計算」兩大範疇：

1. 除塵物理機制：靜電集塵器的運作本質為利用高壓靜電場使氣體介質游離，微粒獲得電荷後受庫倫靜電力驅使遷移至集塵板，並以機械方式清除。
2. 戴奇－安德森方程式（Deutsch-Anderson Equation）：描述單區或平行板式靜電集塵器理論除塵效率之基礎公式： $\eta = 1 - \exp\left(-\frac{A \cdot w}{Q}\right) = 1 - \exp(-\mathrm{SCA} \cdot w)$ 其中：

• $\eta$：集塵效率（Fractional or total collection efficiency, $-$）
• $A$：總集塵板面積（Total collection plate area, $\mathrm{m^2}$）
• $Q$：排氣體積流量（Gas flow rate, $\mathrm{m^3/min}$ 或 $\mathrm{m^3/s}$）
• $w$：微粒有效飄移速度（Effective migration velocity 或 Drift velocity, $\mathrm{m/min}$ 或 $\mathrm{m/s}$）
• $\mathrm{SCA}$：比收集面積（Specific Collection Area, $A/Q$）

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解題方法

(一) 靜電集塵器（ESP）之除塵原理與影響效率之參數

1. 除塵原理（四大連續物理歷程）

靜電集塵器的集塵過程可分為四個循序發生的物理階段：

• 氣體電離（電暈放電，Corona Discharge）： 放電極（陰極，通常為細金屬線）施加數萬伏特（$30 \sim 100\ \mathrm{kV}$）之直流負高壓，在電極周圍產生極強電場，促使周遭氣體分子游離化，產生大量自由電子與正負離子，形成淡藍色的電暈區。
• 微粒荷電（Particle Charging）： 含塵氣體通過電暈放電區時，微粒與負離子碰撞並附著電荷。荷電機制分為兩類：
• 電場帶電（Field Charging）：主要適用於粒徑較大之粗微粒（$d_p > 1.0\ \mu\mathrm{m}$），微粒在電場線彎曲處攔截離子而帶電。
• 擴散帶電（Diffusion Charging）：主要適用於粒徑較小之細微粒（$d_p < 0.2\ \mu\mathrm{m}$），依靠熱運動擴散碰撞而帶電。
• 微粒遷移與捕集（Particle Migration and Collection）： 帶負電之微粒在庫倫靜電力（Coulombic force）作用下，跨越氣流流線向接地之正極板（集塵極板）定向加速遷移。微粒接觸集塵板後釋放電荷，並藉凡得瓦力與殘餘靜電力附著於板壁上。
• 敲打振落與清除（Rapping and Dust Removal）： 集塵板表面之粉塵層累積至特定厚度後，啟動機械敲打（Rapping）或水洗裝置，使粉塵層成片剝落掉入底部灰斗（Hopper），由排灰系統排出，避免粉塵再度揚起。

2. 影響除塵效率之參數

依據 Deutsch-Anderson 方程式及工程實務，影響參數可歸納為三大類：

• 設計與操作參數：

• 比收集面積（SCA）：$\mathrm{SCA} = A/Q$。SCA 越大，微粒在電場中的滯留沉降面積越充裕，集塵效率越高。
• 電場強度與施加電壓（Electric Field Strength, $E$）：微粒帶電量及移動庫倫力皆與電場強度平方成正比。電壓越高，有效飄移速度 $w$ 越大，效率越高。
• 處理氣流流速與均勻度（Gas Velocity and Distribution）：斷面流速過高（通常應小於 $1.5 \sim 2.0\ \mathrm{m/s}$）會引發氣流吹蝕與粉塵二次飛揚（Re-entrainment）；氣流分佈不均則會導致局部電場過載與短流，嚴重降低整體效率。

• 粉塵物化特性：

• 粉塵比電阻（Dust Resistivity）：
• 最適範圍：$10^4 \sim 10^{10}\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$。
• 比電阻過高（$> 10^{10}\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$）：粉塵不易釋放電荷，在集塵板形成絕緣絕壓層，極易擊穿氣體誘發「逆電暈（Back Corona）」，劇烈破壞主電場並促使效率驟降。
• 比電阻過低（$< 10^4\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$）：微粒碰板後電荷瞬間流失並帶同種感應電荷，遭受板壁斥力排斥而重返氣流，造成嚴重的「二次飛揚」。
• 微粒粒徑分佈（Particle Size Distribution）：粒徑介於 $0.1 \sim 1.0\ \mu\mathrm{m}$ 的次微米微粒介於電場帶電與擴散帶電之交界，帶電量最低，為靜電集塵器的穿透效率谷底區（最難捕集區）。

• 氣體性質：

• 廢氣溫度與濕度：溫度提高會增加氣體黏度（$\mu$），降低微粒飄移速度；提高濕度或添加調節劑（如 $\mathrm{SO_3}$）可大幅降低粉塵比電阻，有助於集塵穩定性。

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(二) 比收集面積（SCA）與總收集板面積（A）計算

1. 已知條件與單位檢驗

• 排氣量：$Q = 600\ \mathrm{m^3/min}$
• 微粒去除效率：$\eta = 99.5\% = 0.995$
• 穿透率：$P = 1 - \eta = 1 - 0.995 = 0.005$
• 微粒平均飄移速度：$w = 3.8\ \mathrm{m/min}$

2. 計算比收集面積（SCA）

根據 Deutsch-Anderson 方程式： $\eta = 1 - \exp(-\mathrm{SCA} \cdot w)$ $1 - \eta = \exp(-\mathrm{SCA} \cdot w)$

核心觀念

本題涵蓋「法規規範」與「物理量計算」兩大核心面向：

1. 航空噪音防制區之土地使用管制原則（法規題）： 依據《噪音管制法》第 15 條（以命題當年民國 109 年法規為準，現行條文亦同），主管機關對各級航空噪音防制區既有土地使用與開發之檢討、規劃，係採取「依噪音級別逐級加嚴限制敏感土地使用」及「兼顧既有權益（擴建、改建附帶防音設施）」之管制精神。
2. 日夜音量（Day-Night Average Sound Level, $L_{dn}$ 或 DNL）之定義與計算（計算題）： 日夜音量係評估環境噪音（特別是航空噪音）對人體全天干擾程度之能量均能音量指標。

• 時段劃分：全日 24 小時劃分為「晝間」（07:00–22:00，共 15 小時）與「夜間」（22:00–翌日 07:00，共 9 小時）。
• 夜間加權：考量人體在夜間休息睡眠時對噪音之敏感度增加，夜間時段所測得之均能音量須加上 $10\text{ dB}$ 之懲罰加權（Penalty）。
• 計算公式： $L_{dn} = 10 \log_{10} \left[ \frac{1}{24} \left( \sum_{i \in \text{day}} t_i \cdot 10^{\frac{L_i}{10}} + \sum_{j \in \text{night}} t_j \cdot 10^{\frac{L_j + 10}{10}} \right) \right]$ 式中，$t_i$ 與 $t_j$ 分別為晝間、夜間各區段之時間長度（小時），$L_i$ 與 $L_j$ 為對應時段之等效音量（$\text{dBA}$）。

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解題方法

(一) 航空噪音防制區土地使用規劃原則

依據《噪音管制法》第 15 條規定（以命題當年民國 109 年法規為準，迄今本條文內容維持不變；僅主管機關於民國 112 年隨中央行政機關改制由「行政院環境保護署」改為「環境部」），直轄市、縣（市）主管機關應依各級航空噪音防制區，檢討、規劃各該防制區之既有土地使用及開發計畫；其規劃原則如下：

1. 第一級航空噪音防制區： 不得新建學校、圖書館及醫療機構。
2. 第二級航空噪音防制區： 不得新建學校、圖書館、醫療機構及以居住為目的之建築物。
3. 第三級航空噪音防制區： 不得新建學校、圖書館、醫療機構及以居住為目的之建築物，並限制既有土地之使用及開發。
4. 例外放寬與防音設施規範： 前述各級防制區內之學校、圖書館、醫療機構及以居住為目的之建築物，若因「擴建」或「改建」，且「具有防音設施」者，不在此限。該防音設施標準，應符合中央主管機關之規定。

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(二) 日夜音量（DNL）數值計算

步驟一：時段分類與時數彙整

依 DNL 定義，劃分全日 24 小時之晝間（07:00–22:00，計 15 小時）與夜間（22:00–07:00，計 9 小時）：

時段	時間區間	時數 $t$（$\text{h}$）	實測音量 $L$（$\text{dBA}$）	加權音量 $L'$（$\text{dBA}$）
夜間 1	00:00–05:00	$5$	$71$	$71 + 10 = 81$
夜間 2	05:00–07:00	$2$	$81$	$81 + 10 = 91$
晝間 1	07:00–15:00	$8$	$89$	$89$
晝間 2	15:00–22:00	$7$	$88$	$88$
夜間 3	22:00–24:00	$2$	$83$	$83 + 10 = 93$

• 晝間總時數：$8 + 7 = 15\text{ 小時}$
• 夜間總時數：$5 + 2 + 2 = 9\text{ 小時}$
• 全日總時數：$15 + 9 = 24\text{ 小時}$

步驟二：計算各時段之聲能量加權累計值

將各時段之時數與聲能指數相乘： $\sum_{k=1}^5 \left( t_k \cdot 10^{\frac{L_k'}{10}} \right) = 5 \times 10^{8.1} + 2 \times 10^{9.1} + 8 \times 10^{8.9} + 7 \times 10^{8.8} + 2 \times 10^{9.3}$