111 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

本題旨在測驗環境工程技術人員對於一般廢棄物（生活垃圾）性質掌握之基本功，涉及廢棄物採樣代表性、前處理程序、以及後續作為資源回收、焚化處理或衛生掩埋設計所需之物理、化學參數。

依據命題當年（民國 111 年）行政院環境保護署（現已改制為環境部）公告之相關檢測規範（如《一般廢棄物（垃圾）採樣方法》（NIEA R107）、《一般廢棄物（垃圾）物理組成分析方法》（NIEA R108）等）：

1. 採樣與代表性：廢棄物具有高度不均質性，需透過具有統計代表性之取樣策略（分層隨機抽樣）與標準縮分方法（四分法），取得足以代表母體之分析樣品。
2. 物理組成：指廢棄物未經化學轉化前之宏觀物理型態，包含堆積密度（視密度）及手工分類（紙類、塑膠、廚餘等）之各類重量百分比。
3. 化學組成：評估廢棄物燃燒特性、腐蝕性與能源回收潛力之微觀組成，包含三成分（水分、可燃分、灰分）、元素分析（C、H、O、N、S、Cl）及發熱量（高／低位發熱量）。

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解題方法

本題屬申論架構題，評分重點在於「流程的邏輯順序」與「項目的完整度」。解題應切入為兩大主軸：

1. 採樣分析流程：應依時間與實驗室前處理先後順序鋪陳——「現場採樣 $\to$ 測定視密度 $\to$ 縮分 $\to$ 物理手工分選 $\to$ 烘乾／研磨 $\to$ 化學分析」。
2. 分析項目：嚴格劃分「物理組成」與「化學組成」，切忌將物理分類與化學三成分混為一談，並將關鍵參數（如視密度、低位發熱量 $LHV$）列出，展現工程應用之深度。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無選項可供逐一分析。考生應注意閱卷委員在此題常扣分的盲點：

• 概念混淆：將「物理組成（廚餘、紙類、塑膠等分類）」誤寫為「化學三成分（水分、可燃分、灰分）」。
• 流程斷裂：僅寫實驗室檢驗，忽略現場採樣、車輛隨機抽檢及關鍵的「四分法縮分」前處理過程。

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解題技巧

1. 流程記憶口訣：「採 $\to$ 密 $\to$ 縮 $\to$ 選 $\to$ 乾 $\to$ 化」（採樣 $\to$ 視密度 $\to$ 四分縮分 $\to$ 物理手選 $\to$ 烘乾研磨 $\to$ 化學測定）。
2. 低位發熱量公式補充亮點：若能順手寫出杜隆公式（Dulong formula）或低位發熱量轉換式，可大幅提升申論題卷面專業度： $LHV = HHV - 600 \times (9H + W)$ （式中 $HHV$ 為高位發熱量，$H$ 為氫含量分率，$W$ 為水分含量分率，600 為水之蒸發潛熱 $\text{kcal/kg}$）。
3. 法規標記：本題依據命題當年（民國 111 年）行政院環境保護署公告之廢棄物檢測標準方法撰寫。

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【答案】

進行一般廢棄物之物理化學組成分析時，其採樣分析標準流程與分析項目詳述如下：

一、採樣與分析流程

一般廢棄物組成複雜且不均質，採樣與前處理流程依標準規範依序包含下列步驟：

[垃圾車或貯坑採樣] 
 │
 ▼
[測定視密度 (bulk density)]
 │
 ▼
[四分法 (Quartering) 縮分樣品]
 │
 ▼
[物理組成手工分類 (手選分級)] ──> [計算各類別濕基重量百分比]
 │
 ▼
[樣品乾燥 (105°C 烘乾，測定水分)]
 │
 ▼
[粉碎、均質化與研磨過篩 (通過 60 mesh)]
 │
 ▼
[化學組成實驗室分析 (三成分、元素、發熱量)]

1. 現場採樣（Sampling）：

• 於垃圾清運車輛進場（傾倒瞬間）或垃圾貯坑中，採取分層隨機抽樣。
• 每部清運車均勻抽取多點，混合成代表該批次之原始總樣（通常採集 100 kg 以上）。

2. 視密度測定（Bulk Density Determination）：

核心觀念

本題測驗廢棄物焚化程序中主要毒性有機污染物——**多氯二苯駢戴奧辛與多氯二苯駢喃（PCDD/Fs，通稱戴奧辛）**之形成機制與工程控制技術。核心評分依據涵蓋：

1. 生成機制：原生未燃攜帶（Thermal Carryover）、高溫氣相反應、非均相催化前驅物合成（Precursor Coupling），以及低溫非均相「從頭合成」（De Novo Synthesis）。
2. 燃燒控制指標（3T＋O 原則）：溫度（Temperature）、時間（Time）、擾動（Turbulence）與過剩氧（Oxygen）。
3. 相關管制法規（以命題當年民國 111 年法規為準）：依據《廢棄物焚化爐戴奧辛管制及排放標準》及相關焚化廠操作規範，大型焚化爐燃燒室出口中心溫度應維持 $850^\circ\text{C}$ 以上，排氣滯留時間在 2 秒以上，新設大型焚化爐排放標準為 $0.1\text{ ng-I-TEQ/Nm}^3$。

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解題方法

本題為標準結構型申論題，答題架構應分為兩大主軸：

1. 生成原因與機制剖析：從「化學成分來源（碳源、氯源、氧源、金屬觸媒）」切入，再按「高溫區未完全燃燒」與「低溫區煙道催化合成」兩大反應區段，詳述前驅物合成與 De Novo 合成。
2. 控制方法與操作條件彙整：採「三道防線（燃燒前源頭管制、燃燒中最佳化操作、燃燒後防制與急冷）」條列呈現，並具體標記溫度、滯留時間、化學吸附劑等關鍵量化操作參數，展現工程實務深度。

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選項分析

本題為申論題，無選擇題選項。作答時應以標題化、條列化呈現各項機制與控制手段，切忌雜亂無章的長篇大論。

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解題技巧

1. 記憶口訣「3T＋O＋急冷＋活性碳」：燃燒中靠 3T＋O 破壞前驅物；燃燒後靠「急冷（避開 $250 \sim 400^\circ\text{C}$ 溫區）」與「活性碳噴入＋袋濾式集塵器」進行物理捕集與化學吸附。
2. 精確鎖定反應溫區：

• 燃燒分解區：$\ge 850^\circ\text{C}$（滯留時間 $\ge 2\text{ s}$）。
• 戴奧辛再合成危險溫區（De Novo 與前驅物催化）：$200 \sim 450^\circ\text{C}$（反應最旺盛峰值約在 $300^\circ\text{C}$ 左右）。
• 袋濾器與吸附操作溫區：$< 200^\circ\text{C}$（一般控制在 $140 \sim 170^\circ\text{C}$）。

3. 常見陷阱提醒：

• 勿將「前驅物合成」與「De Novo 合成」混為一談。De Novo 的核心碳源是殘留未燃燒完全的「殘碳／碳黑」，並非氣相芳香族分子。
• 靜電集塵器（ESP）若操作於高溫（$> 200^\circ\text{C}$），反而會因飛灰滯留而成為戴奧辛合成的反應器，此為歷屆考題常出現的負面例證。

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【答案】

一、廢棄物焚化過程戴奧辛之生成原因與機制

戴奧辛（PCDD/Fs）之形成必須具備碳（Carbon）、氯（Chlorine）、氧（Oxygen）及催化活性金屬（如銅 $\text{Cu}$、鐵 $\text{Fe}$），其主要成因與機制可分為以下四種途徑：

1. 進料既有物未完全分解（Thermal Carryover）

• 廢棄物中本身含有微量戴奧辛成分。
• 若燃燒室溫度不足、擾動不良或混合不均，未經破壞的戴奧辛直接隨煙氣排出。

2. 高溫氣相前驅物均相合成機制（Homogeneous Gas-phase Reaction）

• 反應溫區：約 $500 \sim 800^\circ\text{C}$。
• 機制：廢棄物燃燒產生的含氯芳香族前驅物，如氯酚類（Chlorophenols, CPs）、氯苯類（Chlorobenzenes, CBs）及多氯聯苯（PCBs），在高溫氣相中經自由基反應縮合生成 PCDD/Fs。此途徑在焚化爐正常高溫完全燃燒時產量相對較少。

3. 非均相催化前驅物合成（Heterogeneous Catalytic Condensation）

• 反應溫區：約 $200 \sim 400^\circ\text{C}$。
• 機制：氯酚、氯苯等前驅物吸附於飛灰表面，在飛灰所含過渡金屬（特別是二價銅離子 $\text{Cu}^{2+}$）催化作用下，經 Ullmann 縮合等化學反應迅速轉化為 PCDD/Fs。

4. 低溫從頭合成機制（De Novo Synthesis）

核心觀念

本題評量廢棄物「生物處理技術（Biological Treatment）」的兩大核心主軸：好氧堆肥（Aerobic Composting）與厭氧消化（Anaerobic Digestion）。

1. 生化反應機制：

• 好氧反應：以分子氧（$\text{O}_2$）作為終端電子受體，微生物透過異化代謝將有機物氧化分解為穩定之腐植質，並釋放大量反應熱（放熱反應）。
• 厭氧反應：在無分子氧（$\text{O}_2$）與結合氧（如 $\text{NO}_3^-$、$\text{SO}_4^{2-}$）環境下，歷經水解（Hydrolysis）、酸化（Acidogenesis）、乙酸化（Acetogenesis）及甲烷化（Methanogenesis）四階段，主要將有機碳轉化為含高化學能之氣態甲烷（$\text{CH}_4$）。

2. 質能平衡與熱力學差異：好氧堆肥能量主要以顯熱（反應熱）散失；厭氧消化能量則保留於富含能量之甲烷氣體中（生質能源化）。
3. 相關工程指標與規範：碳氮比（$C/N$ 比，最適宜約 $25 \sim 35$）、含水率（好氧堆肥約 $50\% \sim 65\%$；濕式厭氧消化常 $> 85\%$）、溫度控制（好氧堆肥達 $55^\circ\text{C}$ 以上維持數天以確保病原菌及雜草種子滅活，符合《肥料管理法》及廢棄物再利用衛生標準）。

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解題方法

本題為典型的「比較型」申論題，若採純文字流水帳敘述，閱卷委員難以迅速給分。建議採用「三段論法＋對照表格」架構作答：

1. 第一部分（差異比較）：利用結構化比較表，從反應機制、電子受體、環境條件（含水率、$C/N$、溫度）、反應週期、佔地面積等工程操作因子切入，建立對比清晰的骨架。
2. 第二部分（主要產物）：以質量流向及產物型態分類（氣態、固態、液態），詳列好氧產物（腐植土、$\text{CO}_2$、反應熱）與厭氧產物（沼氣、沼渣、沼液）及其資源化用途。
3. 第三部分（優缺點評析）：採「對稱式論述」，分別從技術門檻、能源效益、環境衝擊（臭味、廢水）與產品去化管道四大維度深入剖析兩者之優劣。

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解題技巧

1. 關鍵得分詞（Buzzwords）不可缺：

• 好氧堆肥：腐熟度、病原菌滅活、嗜熱菌階段、翻堆／強制通氣、供氧量。
• 厭氧消化：四階段反應、產酸菌與產甲烷菌平衡、揮發性脂肪酸（VFA）累積／酸化抑制、沼氣脫硫、沼渣沼液資源化。

2. 化學計量通式加分項：在考卷上寫出生化反應之通式，能有效展現環境工程科學底蘊：

• 好氧代表式： $\text{C}_a\text{H}_b\text{O}_c\text{N}_d + \left(a + \frac{b}{4} - \frac{c}{2} - \frac{3d}{4}\right)\text{O}_2 \rightarrow a\text{CO}_2 + \left(\frac{b - 3d}{2}\right)\text{H}_2\text{O} + d\text{NH}_3 + \Delta H$
• 厭氧代表式（Buswell 方程式）： $\text{C}_n\text{H}_a\text{O}_b + \left(n - \frac{a}{4} - \frac{b}{2}\right)\text{H}_2\text{O} \rightarrow \left(\frac{n}{2} + \frac{a}{8} - \frac{b}{4}\right)\text{CH}_4 + \left(\frac{n}{2} - \frac{a}{8} + \frac{b}{4}\right)\text{CO}_2$

3. 常見陷阱：

• 誤將好氧反應產物寫為「無臭味」：堆肥若通氣不足轉為局部厭氧，極易散發硫醇或氨臭。
• 漏提「沼液沼渣」：厭氧消化不只產生沼氣，未處理的沼液具有極高 COD 與氨氮，去化困難是其關鍵缺點。

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【答案】

一、好氧堆肥與厭氧消化之核心差異

比較項目	好氧堆肥（Aerobic Composting）	厭氧消化（Anaerobic Digestion）
生化環境與電子受體	需氧環境，以分子氧（$\text{O}_2$）為終端電子受體	絕對無氧環境，以有機物中間產物或碳酸鹽等為受體
主要微生物系統	好氧性細菌、放線菌、真菌（由中溫菌轉為嗜熱菌）	水解菌、產酸菌、乙酸生成菌、產甲烷古菌（共生菌群）

核心觀念

本題考查廢棄物前處理與資源回收系統中的物理與機械分選技術（Mechanical / Physical Separation Technologies）。其核心概念在於利用固體廢棄物各組分間固有的「物理特性差異」（如幾何尺寸、密度、終端沉降速度、磁導率、導電度、表面光譜反射等），施加外加能量或物理場，使不同物質達成相分離（Phase separation）或物料富集。

答題關鍵在於全面涵蓋廢棄物處理工程中主流的六大單元操作，並針對題目明列的三大維度：分選原理（物理機制與作用力）、分選介質（流體或力場環境）、**適用分選對象（回收目標物）**逐項嚴謹對應。

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解題方法

本題為標準的觀念性申論問答題。解題策略採「綜整總表先發制人＋分項細節條理闡述」的作法：

1. 綜整架構：先以清晰的綜合對照表彙整六大主流技術（篩選、風選、磁選、渦電流分選、浮沉分選、光學感測分選），便於閱卷委員在短時間內核對得分要點。
2. 內涵闡釋：進一步針對各項技術，詳列分選原理的控制方程式或作用力關係（例如終端沉降速度、勞侖茲力等）、操作介質與代表性分選對象，展現專業技術深度。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。

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解題技巧

1. 物性與技術精準對應：

• 幾何粒徑差 $\rightarrow$ 篩選
• 流體力學沉降差（密度與形狀） $\rightarrow$ 風力分選（空氣介質）、浮沉分選（水或重液介質）
• 磁化率差（鐵磁性） $\rightarrow$ 磁選
• 電導率／密度比值差 $\rightarrow$ 渦電流分選（專門回收非鐵金屬，不可與磁選混淆）
• 光譜吸收特性差 $\rightarrow$ 光學感測分選

2. 常見盲點警示：

• 磁選 vs. 渦電流分選：磁選依靠靜磁場吸引鐵金屬（磁吸力）；渦電流分選依靠交變高頻磁場感應出反向磁場而產生推斥力（勞侖茲排斥力），用於鋁、銅等導電但非鐵磁性金屬。
• 分選介質切勿漏填：許多考生只寫原理而漏答「介質」，風選之介質為「空氣」，重力/浮沉分選之介質為「水」或「重液（如磁鐵礦懸浮液）」，篩選與磁選通常於「無介質（空氣大氣環境）」下進行。

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【答案】

資源回收常見之分選技術、分選原理、介質與適用對象說明如下：

一、 常見分選技術綜合對照表

分選技術	分選原理（物性依據）	分選介質	適用分選對象
1. 篩選技術<br>(Screening)	粒徑尺寸差異：顆粒小於篩網孔徑者透篩（篩下物），大於孔徑者截留（篩上物）。	大氣（空氣，無特定流體介質）	堆肥前粗分、破裂垃圾尺寸分級、玻璃碎片、有機細料。
2. 風力分選<br>(Air Classification)	空氣動力特性差異：利用顆粒在上升氣流中之**終端沉降速度（$v_t$）**與密度差異達成輕重分離。	空氣（氣流）	分離輕質可燃物（廢紙、塑膠袋、薄膜）與重質無機物（金屬、玻璃、土石）。
3. 磁力分選<br>(Magnetic Separation)	磁化率差異：利用磁場對強磁性物質施加之磁吸引力克服重力與離心力。	空氣（無流體介質）	鐵金屬（鐵罐、鍍錫鐵皮、廢鋼鐵、含鐵磁性雜質）。
4. 渦電流分選<br>(Eddy Current Separation)	導電度與交變磁場交互作用：高頻交變磁場在導體內部感應出渦電流，產生反向磁場而遭受斥力（排斥作用）。	空氣（無流體介質）	非鐵金屬（鋁罐、廢鋁門窗屑、銅、黃銅、鋅、鎂）。
5. 浮沉分選<br>(Sink-Float Separation)	密度差異（浮力原理）：利用顆粒密度相對於液體介質密度（$\rho$）的高低，產生浮起（$\rho < \rho_{介質}$）或沉降（$\rho > \rho_{介質}$）。	水（純水 $\rho = 1.0\text{ g/cm}^3$）或重液（如重晶石、磁鐵礦調配之懸浮液）	塑膠材質分選（PP、PE 浮於水；PET、PVC 沉於水）；灰渣中鋁金屬與重金屬分離。
6. 光學感測分選<br>(Optical / Sensor Sorting)	光學光譜吸收／反射特性差異：以近紅外光（NIR）、可見光（VIS）或X射線（XRT/XRF）照射物質，經光譜感應識別後藉壓縮空氣噴嘴精確剔除。	空氣（以高壓壓縮空氣脈衝作為吹射執行機構）	廢塑膠瓶材質細分（PET瓶、HDPE瓶）、廢玻璃顏色分色（透明、綠色、棕色）、廢印刷電路板。

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二、 各分選技術詳細內容說明

1. 篩選技術（Screening）

• 分選原理：以機械震動、旋轉帶動物料通過特定孔徑之篩面。

核心觀念

1. 塑膠材質分類體系： 依據國際塑膠工業協會（SPI）及我國廢棄物管制標準，廢塑膠材質主要依據高分子化學結構與物性分為 1 至 7 類辨識標誌碼；工程分類上則區分為「熱塑性塑膠（Thermoplastics）」與「熱固性塑膠（Thermosetting plastics）」。相關管制與公告以命題當年（民國 111 年）行政院環境保護署（現改制為環境部）之《廢棄物清理法》第 15 條及「應回收廢棄物」公告規格為準。
2. 資源化四級階層技術（Four-Tier Recycling Framework）： 依據廢棄物資源化階層，廢塑膠回收技術主要包含：

• 一級／二級：物理／機械回收（Mechanical/Physical Recycling）——清潔、熔融、物理造粒再製。
• 三級：化學／原料回收（Chemical/Feedstock Recycling）——解聚、熱裂解（Pyrolysis）、氣化（Gasification）轉化為單體或燃料油。
• 四級：能源回收（Energy Recovery）——直接焚化產能或加工為固體再生燃料（SRF/RDF-5）。

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解題方法

本題屬標準技術申論題，答題架構應條理分明、分層論述：

1. 材質分類：先列出 1～7 類國際標準分類代碼，詳述其化學全名、縮寫及常見民生製品，並以工程高分子特徵（熱塑／熱固）作補充定性。
2. 回收技術分類與優缺點評析：將回收技術歸納為「機械（物理）回收」、「化學（原料）回收」與「能源回收」三大範疇，分別說明其「技術機制」、「主要優點」與「主要缺點（含環境/工程限制）」。
3. 法規標註：文末標明法規基期（民國 111 年主管機關為行政院環境保護署，現已改制為環境部）。

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選項分析

本題為四等特考之申論問答題，無選擇題選項。評分要點與配分著眼點剖析如下：

• 子題一（材質分類，約佔 30% 配分）：若僅寫出代號（1~7）而未寫出中英文全名與用途，將被嚴重扣分；漏列第 7 類（Other）為常見失分點。
• 子題二（回收技術，約佔 35% 配分）：需完整涵蓋物理、化學與能源回收三大支柱，若僅回答傳統的熔融再製造粒，無法取得完整分數。
• 子題三（優缺點比較，約佔 35% 配分）：需緊扣「材料降解（Downcycling）」、「二次污染（如 PVC 燃燒產生 $\text{HCl}$ 與戴奧辛）」、「能源消耗」與「經濟可行性」進行實質技術對比。

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解題技巧

1. 材質代碼記憶口訣： 「寶、高、聚、低、丙、苯、他」

• 1 寶特瓶（PET）
• 2 高密度聚乙烯（HDPE）
• 3 聚氯乙烯（PVC）
• 4 低密度聚乙烯（LDPE）
• 5 聚丙烯（PP）
• 6 聚苯乙烯（PS）
• 7 其他類（OTHER）

2. 答題關鍵扣合點：

• 談到 PVC（3號）時，必須提及回收與熱處理時釋出氯化氫（$\text{HCl}$）造成設備腐蝕與戴奧辛（PCDD/Fs）生成風險。
• 談到機械回收時，必須點出高分子重複加熱導致的「降級回收（Downcycling）」。
• 談到化學回收時，對應現行循環經濟政策與熱裂解油產製技術。
• 談到能源回收時，務必帶入固體再生燃料（SRF, Solid Recovered Fuel）名詞。

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【答案】

一、廢塑膠材質分類體系

我國現行廢塑膠資源回收辨識碼係依據國際塑膠工業協會（SPI）標準，共區分為 7 大類別：

1. 第 1 類：PET（聚乙烯對苯二甲酸酯，Polyethylene Terephthalate）

• 特性：質輕、透明度高、耐酸鹼、阻氣性佳。
• 常見用途：寶特瓶、碳酸飲料瓶、食用油瓶、薄板包裝。

2. 第 2 類：HDPE（高密度聚乙烯，High-Density Polyethylene）

• 特性：結晶度高、硬度與耐磨性佳、耐化學腐蝕、熔點約 $130^\circ\text{C}$。
• 常見用途：鮮奶瓶、清潔劑瓶、半硬質塑膠箱、耐壓管材。

3. 第 3 類：PVC（聚氯乙烯，Polyvinyl Chloride）

• 特性：含氯高分子（約含 $56.8\%$ 氯原子），可添加塑化劑調控軟硬度，阻燃性佳但熱穩定性較差。
• 常見用途：水管、雨衣、保鮮膜、建材、電線被覆層。

4. 第 4 類：LDPE（低密度聚乙烯，Low-Density Polyethylene）