110 地方特考四等 環保技術 環境科學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查煤炭由「開採、運輸、燃燒至廢棄物處理」全生命週期所造成的污染物與環境問題。作答應同時掌握：

1. 煤炭燃燒產生的空氣污染物。
2. 煤炭造成的溫室氣體排放。
3. 煤炭開採、燃燒及灰渣處理所衍生的水污染、土壤污染、生態破壞與公共衛生問題。
4. 污染物的形成原因、環境轉化及危害。

煤炭含有碳、氫、氧、硫、氮及少量金屬元素。完全燃燒的主要反應為：

$$\mathrm{C+O_2\rightarrow CO_2}$$ $$\mathrm{H_2+\frac{1}{2}O_2\rightarrow H_2O}$$

但實際燃燒常因氧氣不足、燃燒溫度及煤質差異，產生多種副產物與污染物。

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解題方法

可依「污染物種類」及「環境問題」兩大部分作答，再以煤炭生命週期補充開採與灰渣問題。每一類污染物應寫出：

「污染物名稱 → 形成來源 → 環境或健康危害」。

此種寫法能完整呈現環境科學的因果關係，避免只列名詞而缺少說明。

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一、煤炭能源利用所產生的污染物

1. 溫室氣體

（1）二氧化碳 $CO_2$

二氧化碳是煤炭燃燒最主要的溫室氣體。煤炭含碳量高，燃燒後大部分碳轉化為二氧化碳：

$$\mathrm{C+O_2\rightarrow CO_2}$$

$CO_2$會吸收地表放出的紅外線，增強溫室效應，造成全球平均溫度上升，並引起海平面上升、冰雪消融、極端高溫、乾旱、強降雨及生態系統改變等問題。

（2）甲烷 $CH_4$

煤礦開採過程會釋放煤層甲烷。甲烷雖排放量低於二氧化碳，但單位質量的暖化效應較強，也具有爆炸危險。

（3）氧化亞氮 $N_2O$

燃燒過程可產生少量氧化亞氮。$N_2O$具有溫室效應，也會參與平流層臭氧層破壞。

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2. 硫氧化物

煤炭中的硫燃燒後主要形成二氧化硫 $SO_2$，部分進一步氧化為三氧化硫 $SO_3$：

$$\mathrm{S+O_2\rightarrow SO_2}$$ $$\mathrm{2SO_2+O_2\rightarrow 2SO_3}$$

在大氣中，硫氧化物可轉化為硫酸及硫酸鹽微粒：

$$\mathrm{SO_3+H_2O\rightarrow H_2SO_4}$$

主要影響包括：

• 形成酸雨，使湖泊、河川及土壤酸化。
• 造成森林衰退及農作物傷害。
• 腐蝕建築物、金屬及文化資產。
• 形成硫酸鹽細懸浮微粒，增加呼吸及心血管疾病風險。
• 造成能見度降低。

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3. 氮氧化物

氮氧化物主要包括一氧化氮 $NO$ 與二氧化氮 $NO_2$，來源包括燃料中氮的氧化及高溫燃燒時空氣中氮氣的氧化：

$$\mathrm{N_2+O_2\rightarrow 2NO}$$ $$\mathrm{2NO+O_2\rightarrow 2NO_2}$$

氮氧化物會：

• 參與光化學煙霧形成。
• 形成硝酸及硝酸鹽，造成酸沉降。
• 刺激呼吸道，增加氣喘及肺部疾病。
• 與細懸浮微粒形成有關。
• 造成水體優養化。
• 參與對流層臭氧生成。

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4. 粒狀污染物

煤炭燃燒會產生飛灰、底灰及未完全燃燒的碳粒。排放至大氣中的粒狀物包括：

• $PM_{10}$
• $PM_{2.5}$
• 煤煙及黑碳
• 飛灰
• 硫酸鹽與硝酸鹽微粒

其中 $PM_{2.5}$粒徑小，可深入肺泡並進入血液循環，增加慢性呼吸疾病、心血管疾病及肺癌風險。黑碳具有吸收太陽輻射的能力，也會加速冰雪表面融化。

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5. 一氧化碳 $CO$

燃燒不完全時產生一氧化碳：

$$\mathrm{2C+O_2\rightarrow 2CO}$$

一氧化碳會與血紅素結合，降低血液攜氧能力，造成頭痛、缺氧，嚴重時可導致昏迷及死亡。

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6. 揮發性有機物與多環芳香烴

煤炭不完全燃燒或熱分解時，可釋放揮發性有機物、苯、甲苯及多環芳香烴等物質。部分多環芳香烴具有致癌性，也可能造成神經毒性、生殖毒性及長期環境累積。

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7. 重金屬及其他有毒物質

煤炭所含微量元素會在燃燒時進入飛灰、底灰或煙道氣中，重要污染物包括：

• 汞 $Hg$
• 砷 $As$
• 鉛 $Pb$
• 鎘 $Cd$
• 鉻 $Cr$
• 硒 $Se$

汞可經大氣長距離傳輸並沉降至水體，在水生生態系統中轉化為甲基汞，經食物鏈生物累積與生物放大，危害魚類、鳥類及人體神經系統。砷、鉛、鎘等則可能造成致癌、腎臟損傷、神經毒性及生殖危害。

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8. 放射性物質

核心觀念

本題考查水污染來源的分類，以及點源污染、非點源污染對水體造成污染的主要途徑與貢獻來源。

判斷核心在於「污染物是否能由明確、可辨識的排放位置集中排入水體」：

• 點源污染（point source pollution）：污染物經由可辨識的單一排放口、管線、渠道或其他集中輸送設施排入河川、湖泊、地下水或海洋。
• 非點源污染（non-point source pollution）：污染物來源分散，通常隨降雨逕流、地表沖刷、地下滲流或大氣沉降，從廣大區域以分散方式進入水體，無法歸責於單一排放口。

本題涉及法規時，以命題當年（民國 110 年）法規為準。我國水污染防治制度主要依《水污染防治法》及其相關管制規定，對事業排放、污水下水道系統、放流水標準、排放許可及污染防治設備加以管理。法律管制上較容易掌握具有固定排放口的污染源；非點源污染則常須結合土地利用管理、逕流控制及流域治理。

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解題方法

作答可採「定義—來源—污染物—影響—治理」的方式：

1. 先說明點源與非點源的判斷標準。
2. 分別列出主要貢獻來源。
3. 說明各來源所帶入的主要污染物。
4. 比較兩者在排放型態、監測方式及治理策略上的差異。
5. 以流域整體治理作結，指出兩者通常同時存在，不能只治理其中一類。

污染量可用下式表示：

$$\text{污染負荷量}=\text{污染物濃度}\times\text{流量}$$

若濃度以 $\text{mg/L}$、流量以 $\text{m}^3/\text{day}$ 表示，則：

$$\text{污染負荷量（kg/day）} =C\（\text{mg/L}\）\times Q\（\text{m}^3/\text{day}\）\times 10^{-3}$$

此式可用來比較不同污染源對水體的實際貢獻。污染物濃度很高但流量很小的排放口，與濃度較低但流量很大的逕流來源，均須考量其總污染負荷。

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一、點源污染及其主要貢獻來源

（一）都市生活污水及污水下水道系統

家庭、集合住宅、商業區及公共設施所產生的生活污水，通常含有：

• 有機物，造成生化需氧量（BOD）及化學需氧量（COD）增加；
• 懸浮固體及沉積性固體；
• 氮、磷等營養鹽；
• 病原菌、病毒及寄生蟲卵；
• 清潔劑、油脂及家庭化學物質。

未經妥善處理的生活污水排入水體，會消耗水中溶氧、造成優養化，並提高水媒傳染病風險。污水經由污水下水道系統及污水處理廠集中排放時，屬典型點源污染。

（二）工業廢水

工業廢水是點源污染的重要來源，污染特性依產業類別而異，主要包括：

• 電鍍、金屬加工業：鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛、氰化物及酸鹼物質；
• 石化、化學工業：有機溶劑、毒性有機物、油類及高濃度有機污染物；
• 食品及屠宰業：高濃度有機物、油脂及懸浮固體；
• 紡織、染整業：色度、染料、界面活性劑及高鹽分；
• 造紙業：懸浮固體、木質纖維及有機物；
• 電子業：重金屬、酸鹼、溶劑及特殊化學物質；
• 發電及製程冷卻：高溫廢水，造成熱污染。

工業排放通常具有排放口明確、污染物濃度高、毒性及變化性大的特徵，是水污染防治法規及放流水標準的主要管制對象。

（三）畜牧業及養殖業廢水

畜牧業排水含有大量糞尿、飼料殘渣及洗滌水，主要污染物包括：

• 高濃度 BOD、COD；
• 氨氮及有機氮；
• 磷及其他營養鹽；
• 懸浮固體；
• 病原微生物；
• 臭味物質。

水產養殖業則可能排放殘餌、魚蝦排泄物、藥物、消毒劑及高濃度營養鹽。若由養殖場排水口集中排放，屬點源污染；若污染物隨養殖區域水體及降雨逕流分散進入河川，也可能呈現非點源特性。

（四）都市雨水排水及特定排放口

都市排水系統、工業區排水渠道、礦區排水口及營建工地的固定排水口，若污染水體經由明確管線或排水口集中排出，亦屬點源污染。

其污染物可能包括：

• 泥砂及懸浮固體；
• 油脂及燃料；
• 重金屬；
• 有機污染物；
• 垃圾及病原微生物。

因此，污染是否為點源，取決於排放途徑是否集中且可辨識，不是單純依照污染規模判斷。

（五）掩埋場滲出水及礦坑排水

掩埋場滲出水可能含有高濃度有機物、氨氮、重金屬、溶解性鹽類及難分解有機物。若透過收集系統及固定排放口排出，屬點源污染。

礦坑排水可能具有低 pH 值、硫酸鹽、鐵、錳及其他重金屬。若由礦區排水口排入河川，亦可列為點源污染。

（六）船舶、港區及石油設施

船舶污水、壓艙水、港區排水、油品儲運設施洩漏及船舶事故，可能造成油污染、生活污水污染、重金屬及有機毒物污染。只要污染物由特定設施或明確排放位置進入水體，即具有點源污染特性。

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二、非點源污染及其主要貢獻來源

（一）農業地表逕流

農業是非點源污染最重要的來源之一。降雨沖刷農田時，會將肥料、農藥、土壤及畜禽糞肥帶入排水溝、河川、水庫及地下水。

主要污染物包括：

• 氮、磷等營養鹽；
• 農藥及其代謝物；
• 土壤顆粒及懸浮固體；
• 畜禽糞肥中的有機物及病原菌；
• 鹽分及灌溉回歸水中的溶解性物質。

氮、磷大量進入水體會造成藻類大量繁殖，形成優養化。藻類死亡分解時會消耗溶氧，造成缺氧甚至魚類死亡。

（二）畜牧及農村地區分散性污染

小型畜牧場、散養家畜、農村聚落化糞池滲漏及露天堆置糞肥，若沒有單一集中排放口，污染物會隨雨水或地下滲流分散進入水體。

其污染物主要為有機物、氨氮、磷、病原微生物及懸浮固體。此類來源雖然單一規模可能不大，但在流域內累積後，仍可形成重要污染負荷。

（三）都市地表逕流

降雨沖刷道路、停車場、屋頂、工業區地面及商業區地表時，會將累積於地面的污染物帶入排水系統。

主要污染物包括：

核心觀念

本題考查「再生能源」的基本定義、判斷特徵及主要種類，並涉及我國《再生能源發展條例》的法定分類。作答應先界定再生能源，再依自然來源分項舉例，最後補充其與化石燃料、核能的區別。

法規內容以命題當年（民國110年）為準。

再生能源的定義

再生能源是指取自自然界，能在相對短的時間內藉由自然循環或持續補充而恢復，供人類反覆利用，且不會因人類正常使用而在可預見期間內耗竭的能源。

其主要判斷特徵如下：

1. 來源具有自然補充性：能源來源可由太陽輻射、自然水循環、生物生長、地球內部熱能或海洋運動持續補充。
2. 具有永續利用特性：在合理開發及環境承載能力範圍內，可長期使用。
3. 不是以「是否完全無污染」作為唯一判準：再生能源通常可降低溫室氣體及空氣污染排放，但其開發仍可能造成土地利用、生態、水文或景觀等環境影響。
4. 重點在能源來源能否自然再生：能源轉換設備本身，例如太陽能板、風力機組，並不是再生能源；真正的再生能源是太陽能、風能、水能等自然能源。

依民國110年《再生能源發展條例》的法定概念，再生能源包括太陽能、生質能、地熱能、海洋能、風力、非抽蓄式水力，以及其他經中央主管機關認定的能源。

再生能源種類

一、太陽能

太陽能是來自太陽輻射的能源，主要利用方式包括：

• 太陽光電：利用光電效應將光能轉換為電能。
• 太陽熱能：利用太陽輻射加熱水或其他工作流體，供熱水、乾燥或發電使用。

太陽能具有資源分布廣、運轉時污染排放低等特性，但其發電量受日照、天候及晝夜變化影響。

二、風力能

風力能是利用空氣流動所具有的動能，藉由風力機葉片轉動，帶動發電機產生電力。風力發電可分為陸域風力與離岸風力。

風力發電的主要限制包括風速變動、噪音、景觀、鳥類及蝙蝠生態影響，以及電力併網與輸電問題。

三、水力能

水力能是利用水位差或水流所具有的位能、動能發電，包括河川水力及其他非抽蓄式水力發電。

水力能源雖源自自然水循環，具有再生性，但水庫與大型水力設施可能造成土地淹沒、河川水文改變、魚類洄游阻隔及生態環境影響。

須特別注意，依法規分類，非抽蓄式水力屬於再生能源；抽蓄水力主要是利用電力將水抽至高處儲能，再放水發電，具有儲能及調度功能，不宜直接視為自然能源來源。

四、生質能

生質能是由生物質所產生的能源，來源包括：

• 農林業剩餘物，例如稻稈、木屑、農業廢棄物。
• 畜牧業沼氣。
• 都市有機廢棄物。
• 能源作物。
• 廢水處理產生的污泥氣或沼氣。

生質能可透過直接燃燒、氣化、厭氧消化、發酵等方式轉換為熱能、電能或燃料，例如沼氣、生質柴油及酒精燃料。

生質能是否具有環境效益，取決於原料來源、土地利用、運輸距離、燃燒排放及整體生命週期。若大量砍伐天然森林作為燃料，不能逕以「生質能」之名認定為環境上完全無害。

五、地熱能

地熱能是利用地球內部熱能，包括地下熱水、蒸汽及高溫岩層等資源，可供直接加熱或發電使用。

地熱發電具有供電較穩定、受晝夜及天候影響較小的優點，但可能涉及井址開發、地層影響、硫化氫等氣體、地下水管理及地熱資源衰減問題。

六、海洋能

海洋能是利用海洋自然運動或海水熱力差所產生的能源，包括：

核心觀念

本題考查「酸雨的形成機制」及「酸性沉降對環境與人體健康的影響」。

酸雨屬於酸性沉降中的「濕沉降」，指酸性物質溶於雨、雪、霧、雹等降水後沉降至地面；酸性沉降另包括氣體或粒狀物直接沉降的「乾沉降」。

天然未受污染的雨水，因吸收大氣中的二氧化碳形成碳酸，雨水本身呈弱酸性，平衡式為：

$$\mathrm{CO_2+H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3}$$

其 pH 約為 $5.6$。當大氣中的硫氧化物與氮氧化物經氧化、溶解及反應，形成硫酸與硝酸，使降水酸度明顯增加，通常將 pH 低於 $5.6$ 的降水稱為酸雨。

本題不涉及特定法條，作答重點在於污染物轉化反應、酸性沉降分類，以及環境與健康危害的完整說明。

解題方法

作答可依序採用「污染來源與化學轉化 → 酸雨形成 → 環境危害 → 人體健康危害」四個層次。

一、硫氧化物形成硫酸

二氧化硫主要來自燃燒含硫燃料，例如燃煤、燃油及金屬冶煉。二氧化硫在大氣中可被氧化成三氧化硫：

$$\mathrm{2SO_2+O_2\rightarrow 2SO_3}$$

三氧化硫與水反應形成硫酸：

$$\mathrm{SO_3+H_2O\rightarrow H_2SO_4}$$

實際大氣中，二氧化硫也可先溶於雲滴或雨滴，再經過氧化形成硫酸根及硫酸。重要氧化劑包括氫氧自由基、臭氧及過氧化氫。

二、氮氧化物形成硝酸

氮氧化物主要包括一氧化氮與二氧化氮，來源為汽機車、火力發電及工業高溫燃燒。

一氧化氮可被大氣中的臭氧或氧氣氧化為二氧化氮：

$$\mathrm{2NO+O_2\rightarrow 2NO_2}$$

二氧化氮再與氫氧自由基反應形成硝酸：

$$\mathrm{NO_2+OH\cdot\rightarrow HNO_3}$$

硝酸可溶於雲滴及雨滴，形成硝酸根與氫離子，使降水酸化：

$$\mathrm{HNO_3\rightarrow H^++NO_3^-}$$

硫酸的解離也會增加氫離子濃度：

$$\mathrm{H_2SO_4\rightarrow 2H^++SO_4^{2-}}$$

因此酸雨的酸性主要來自硫酸與硝酸，其中硫氧化物提供硫酸來源，氮氧化物提供硝酸來源。

三、酸性物質隨降水沉降

酸性物質可存在於氣相、液相或粒相：

1. 氣態污染物溶於雲滴及雨滴，形成濕沉降。
2. 硫酸鹽、硝酸鹽等細粒徑懸浮微粒被降水捕集後沉降。
3. 二氧化硫、二氧化氮及酸性粒狀物直接沉降至地表，則屬乾沉降。

因此，酸雨是酸性沉降的一部分，不能將酸雨與所有酸性沉降完全視為同義詞。

對環境的危害

一、水體酸化及水生生物死亡

酸性物質進入湖泊、河川及水庫後，會降低水體 pH。當水體緩衝能力不足時，魚類、兩生類、甲殼類及水生微生物會受到影響。

酸化可能造成：

• 魚卵及幼魚發育失敗。
• 魚類繁殖率降低、死亡率增加。
• 水生生物種類與數量減少。
• 水體食物鏈及生態系結構改變。

酸雨亦會使土壤及岩石中的鋁溶出，形成可溶性鋁離子。鋁離子對魚類鰓部及水生生物具有毒性，會加重酸化造成的生態危害。

二、土壤酸化及植物營養失衡

酸性沉降會增加土壤中的氫離子濃度，使土壤 pH 降低。土壤酸化後可能產生：

• 鈣、鎂、鉀等鹼性陽離子被淋洗流失。
• 土壤肥力下降。
• 鋁、錳等金屬溶出增加，造成植物根部毒害。
• 土壤微生物活性及分解作用改變。
• 植物吸收養分的能力降低。

森林及農作物可能出現葉片傷害、根系生長受阻、抗旱及抗病能力降低，長期會造成生長衰退與生產力下降。

三、森林及自然生態系受損

森林對酸性沉降通常較敏感，因為樹冠可攔截較多污染物，且山區降水量較大。酸雨會使樹木根系受損、養分流失，並削弱其抵抗乾旱、寒害、病蟲害及其他環境壓力的能力。

酸雨也可能改變物種競爭關係，使耐酸物種增加、敏感物種減少，造成生物多樣性下降。

四、建築物、金屬及文化資產腐蝕