111 高普考普通考試 環境工程 廢棄物處理工程概要 考古題詳解

核心觀念

本題評量環境工程中「固體廢棄物前處理與資源回收」的核心單元操作——物理分選技術（Physical Separation Processes）。

物理分選的本質為利用廢棄物各組分間固有的物理或界面化學性質差異，在特定外加力場或流體介質中產生相異的運動軌跡或相分離現象，以達到純化與回收之目的。本題涉及之四種技術及其所依據的物性差異如下：

1. 磁力分選：依據物質之磁化率（Magnetic Susceptibility）與磁性強度差異。
2. 重液分選：依據物質之**真密度／比重（Density / Specific Gravity）**相對於介質密度的差異。
3. 靜電分選：依據物質之導電度（Electrical Conductivity）與表面荷電行為差異。
4. 浮除分離：依據物質顆粒表面之**潤濕性（Wettability，即親水性與疏水性）**差異。

解題方法

本題為標準的公職考試（高普考）申論題型。作答時切忌僅以一句話帶過，應針對各項技術採取「核心物性 $\rightarrow$ 作用機制與受力平衡 $\rightarrow$ 操作設備與實務應用」之三層次結構展開說明，以展現答題深度並精確取得配分。

1. 磁力分選：重點在於磁場梯度產生之磁吸力與競爭力（重力、離心力、慣性力）之消長。
2. 重液分選：重點在於阿基米德浮力原理，說明介質密度需介於輕重組分之間（$\rho_{\text{light}} < \rho_{\text{medium}} < \rho_{\text{heavy}}$）。
3. 靜電分選：重點在於電暈放電（Corona Discharge）使粒子帶電後，導體能迅速將電荷傳導至接地滾筒而脫落，非導體則因鏡像力（靜電力）吸附於滾筒。
4. 浮除分離：重點在於氣泡與固體表面接觸角（Contact Angle）之關係，透過表面張力使疏水性物質隨氣泡上升浮起，親水性物質留於底層。

解題技巧

1. 名詞辨析陷阱（防失分關鍵）：

• 磁力分選 $\neq$ 渦電流分選：磁力分選針對鐵磁性金屬（Ferrous metals，如鐵、鎳）；若題目提及非鐵金屬（如鋁、銅）的感應排斥分選，則為渦電流分選（Eddy Current Separation）。
• 浮除分離 $\neq$ 浮沉重力分選：浮除（Flotation）係利用「表面張力／氣泡附著」，即使密度大於液體的顆粒亦可藉由氣泡浮起；沉浮分選（Sink-float）純粹依靠「密度差異」。混淆兩者將導致嚴重失分。

2. 版面配置技巧：

• 採小標題條列式作答，每項技術均單獨成段。
• 標記關鍵專有名詞與物理符號（如磁化率 $\chi$、密度 $\rho$、接觸角 $\theta$），能顯著提高閱卷老師給分的明確度。

【答案】

廢棄物物理分選技術旨在利用廢棄物組分間固有物理或化學界面特性的差異，施加特定場力以達成組分分離。茲將磁力分選、重液分選、靜電分選及浮除分離之基本原理分別說明如下：

一、磁力分選（Magnetic Separation）

1. 基本原理： 利用不同物質在磁場中**磁化率（Magnetic Susceptibility, $\chi$）**之差異進行分離。物質置於非均勻磁場中時，會受到磁場梯度所產生的磁引力作用： $F_m = \frac{\chi}{\mu_0} \cdot V \cdot B \cdot \frac{dB}{dx}$ （其中 $\chi$ 為磁化率、$V$ 為顆粒體積、$B$ 為磁通密度、$\frac{dB}{dx}$ 為磁場梯度、$\mu_0$ 為真空磁導率）。
2. 作用機制：

• 鐵磁性物質（Ferromagnetic Materials）：如鐵、鈷、鎳及含鐵廢金屬，具有極高之正磁化率，受強大磁引力吸引，克服重力、離心力或慣性力而被吸附至集磁表面。

核心觀念

本題評量廢棄物燃燒工程之三成分物料平衡（Proximate Analysis）、物理組成與化學組成之乾濕基轉換，以及焚化灰渣之灼燒減量（Ignition Loss, $IL$）計算。

1. 三成分（濕基，As-received base / Wet basis）： 廢棄物總重由水分（$W$）、可燃分（$V$）及灰分（$A$）組成： $W + V + A = 100\%$
2. 乾基（Dry basis）組成： 廢棄物去除水分後之乾燥固體總重，由乾基可燃物與乾基不可燃物組成： $\text{乾基重量} = \text{總重} \times (1 - W)$
3. 可燃物、可燃分與純灰分之關係：

• 可燃物（Combustible matter）：物理組成中可燃性質之固體物質（如紙類、塑膠、廚餘等）。
• 可燃分（Combustible fraction / Volatiles）：可燃物於燃燒時真正能氣化燃燒之有機成分。
• 純灰分（Inherent ash）：可燃物內部所含之不可燃礦物質成分，燃燒後殘留為灰分。 $\text{乾基可燃物} = \text{可燃分} + \text{純灰分}$ $\text{總灰分} = \text{乾基不可燃物} + \text{純灰分}$

4. 灰渣灼燒減量（Ignition Loss, $IL$）： 灰渣乾燥後於高溫（通常為 $600 \pm 25^\circ\text{C}$）灼燒至恆重，其減少的重量即為未完全燃燒之有機物（未燃分 $U$）。灼燒減量定義為未燃分占「乾灰渣總重」之百分比： $IL = \frac{\text{未燃分重量}}{\text{乾灰渣總重}} \times 100\% = \frac{U}{\text{不可燃物} + \text{純灰分} + U} \times 100\%$ 法規備註：以命題當年（民國 111 年）法規為準，依《一般廢棄物回收清除處理辦法》第 28 條規定，大型焚化廠底渣之灼燒減量應在 7% 以下。
5. 濕灰渣重量換算： $W_{\text{濕灰}} = \frac{W_{\text{乾灰}}}{1 - \text{含水率}}$

解題方法

以題目基準之 100 公斤廢棄物 進行質量平衡推導：

步驟一：基本成分重量拆解

• 水分重：$100\text{ kg} \times 50\% = 50\text{ kg}$
• 乾基總重：$100\text{ kg} - 50\text{ kg} = 50\text{ kg}$
• 乾基可燃物重：$50\text{ kg} \times 84\% = 42\text{ kg}$
• 乾基不可燃物重：$50\text{ kg} \times 16\% = 8\text{ kg}$
• 三成分之可燃分重：$100\text{ kg} \times 40\% = 40\text{ kg}$
• 三成分之總灰分重： $A = 100\% - 50\% - 40\% = 10\% \implies 100\text{ kg} \times 10\% = 10\text{ kg}$

(一) 計算可燃分中未燃分為多少公斤

1. 乾灰渣之組成分析： 燃燒後排出之乾灰渣，包含廢棄物原本之無機惰性成分（總灰分 $A = 10\text{ kg}$，含不可燃物 8 公斤與純灰分 2 公斤），以及未完全燃燒而殘留於灰中的有機碳（未燃分 $U$）。 $\text{乾灰渣總重} = A + U = 10 + U\text{ (kg)}$
2. 依灼燒減量公式列式求解： 已知實際量得灰渣灼燒減量 $IL = 16.7\%$（即 $\frac{1}{6} \approx 0.1667$）： $IL = \frac{U}{10 + U} = 0.167$ $U = 0.167 \times (10 + U)$ $U = 1.67 + 0.167 U$ $(1 - 0.167) U = 1.67$

核心觀念

1. 循環經濟（Circular Economy）定義與核心原則：有別於傳統「開採－製造－使用－拋棄」之單向線性經濟（Linear Economy），循環經濟師法自然生態系的物質循環，強調「搖籃到搖籃（Cradle to Cradle, C2C）」理念。國際通用架構（如艾倫·麥克阿瑟基金會，Ellen MacArthur Foundation）將循環路徑區分為「技術循環（Technical Cycle）」與「生物循環（Biological Cycle）」，並依循三大核心原則：

• 消除廢棄物與污染（Eliminate waste and pollution）。
• 循環產品與材料（Circulate products and materials at their highest value）。
• 促進自然再生（Regenerate nature）。

2. 生質廢棄物之生物循環與階梯式利用（Cascading Use）：生質（農業）廢棄物本質屬可被生物分解之有機碳源與養分載體，其物料流著重於「生物循環」，依據附加價值與物質能階進行多階層、階梯式梯級轉化，最終將碳與氮、磷、鉀等礦物養分安全回饋生物圈。
3. 相關法規與政策綱領（以命題當年民國 111 年為準）：我國依行政院《循環經濟推動方案》及行政院農業委員會（現農業部）推動之「農業資源循環利用計畫」，配合《廢棄物清理法》與《資源回收再利用法》之源頭減量與資源化政策，將農糧剩餘資材、畜禽糞便、林業剩餘物等視為「副產物」與「生質資源」，推動能資源化整合物料流。

解題方法 本題為國家考試標準的觀念申論題，答題架構應區分為兩大主軸：

1. 第一部分（循環經濟定義與本質）：先對比線性經濟之缺點，明確定義循環經濟的封閉式迴路特徵，點出 EMF 蝴蝶圖之兩大循環架構及核心目標（資源效益極大化、環境衝擊極小化）。
2. 第二部分（生質廢棄物之物料流模式）：以「生物循環」為切入點，採用「階梯式利用（Cascading Utilization）」路徑展開物料流模式。由最高價值之生物精煉提取高值物料，次之為材料化與飼料化，再次之為生質能源化轉化，最終透過堆肥與沼渣沼液還田達成土壤養分循環，並以清楚的層級流程圖呈現物料流進出關係。

選項分析 本題為申論問答題，無選擇題選項。國家考試閱卷給分之關鍵評判構面如下：

• 概念界定完整度：能否精準區分線性與循環經濟之差異，並提及封閉迴路、搖籃到搖籃及生物/技術雙循環架構（掌握基礎分）。
• 物料流路徑多樣性與層次性：若僅回答「做堆肥」或「焚化發電」，僅能獲得少數分數；若能展現「高值化提取 $\rightarrow$ 物料再利用 $\rightarrow$ 生化/熱化學能源化 $\rightarrow$ 養分回田再生」的完整梯級物料流，方為高分關鍵。
• 環境工程技術整合：能否融入厭氧消化、好氧堆肥、熱裂解、生質柴油/生質氣體化、固體再生燃料（SRF）等廢棄物處理專業技術詞彙。

解題技巧

1. 善用層級化架構答題：物料流模式切忌寫成散彈槍式的條列，應按「高附加價值化 $\rightarrow$ 物質循環化 $\rightarrow$ 能源循環化 $\rightarrow$ 生態回饋化」由高階至低階層次鋪陳。
2. 繪製文字流程示意：在答卷上繪製結構清晰的物料流向圖（輸入 $\rightarrow$ 處理技術 $\rightarrow$ 輸出產物 $\rightarrow$ 回饋環境），閱卷老師可在數秒內掌握邏輯核心。
3. 避免常見陷阱：

• 避免將生質廢棄物套入「技術循環」（如拆解、翻新、零件回收），生質廢棄物屬於「生物循環」。
• 避免將最終手段（如直接焚化填埋）列為循環經濟模式，若涉及能源回收，應強調高效率熱能/電能轉換或生質炭留碳於地。

【答案】

一、循環經濟之定義與核心內涵

1. 基本定義 循環經濟（Circular Economy）是一種具有修復性（Restorative）與再生性（Regenerative）的經濟發展模式。其旨在顛覆傳統「開採（Take）－製造（Make）－使用（Use）－丟棄（Dispose）」之線性單向經濟，將資源流動建構成封閉式循環迴路（Closed-loop cycle），追求「搖籃到搖籃（Cradle to Cradle）」的物質循環境界。

核心觀念

本題旨在測驗衛生掩埋場之**「容積規劃與容量計算」**（Landfill Capacity Planning）。主要涵蓋以下核心觀念與定義公式：

1. 垃圾產生總量推估： 依據服務人口數、每人每日清運量及計畫年限，推算掩埋場在目標年限內累積收受之垃圾總重量 $W$： $W = P \times q \times 365 \times T$ 其中 $P$ 為計畫人口數（人）、$q$ 為每人每日垃圾清運量（$\mathrm{kg/(人\cdot日)}$）、$T$ 為計畫目標年數（年）。
2. 壓實與體積減少率（Volume Reduction Rate, $R$）： 垃圾進入掩埋場經壓實機具滾壓後，孔隙率降低、密度增加、體積縮減。未壓實之垃圾容積為 $V_0 = \frac{W}{\gamma}$，經壓實後之垃圾實質佔用容積 $V_w$ 為： $V_w = V_0 \times (1 - R)$ 其中 $\gamma$ 為垃圾單位容積重（$\mathrm{kg/m^3}$），$R$ 為體積減少率。
3. 覆土因素（Cover Factor, $F_c$）： 衛生掩埋作業需定期進行日覆土、中間覆土及最終覆土以防臭味、病媒與雨水滲入。工程慣用之「覆土因素 $F_c$」定義為掩埋總容積（含垃圾與覆土）對壓實後垃圾容積之比值： $F_c = \frac{V_t}{V_w} = \frac{V_w + V_s}{V_w} = 1 + \frac{V_s}{V_w}$ 故：

• 計畫掩埋總量：$V_t = V_w \times F_c$
• 覆土總容量：$V_s = V_t - V_w = V_w \times (F_c - 1)$

解題方法

本題為標準的工程計算申論題，求解邏輯循序展開如下：

步驟一：計算計畫目標年（10 年）之垃圾清運總重量 $W$

已知條件：

• 計畫平均清運人口 $P = 200,000\ \text{人}$
• 計畫平均每人每日清運量 $q = 1.0\ \mathrm{kg/(人\cdot日)}$
• 計畫目標年 $T = 10\ \text{年}$（工程常規以每年 365 日計，總日數為 3,650 日）

$W = 200,000\ \text{人} \times 1.0\ \mathrm{kg/(人\cdot日)} \times 365\ \text{日/年} \times 10\ \text{年} = 7.3 \times 10^8\ \mathrm{kg}$

步驟二：計算未壓實前之垃圾原始體積 $V_0$

已知單位容積重 $\gamma = 257\ \mathrm{kg/m^3}$： $V_0 = \frac{W}{\gamma} = \frac{730,000,000\ \mathrm{kg}}{257\ \mathrm{kg/m^3}} \approx 2,840,466.93\ \mathrm{m^3}$

核心觀念

本題考查衛生掩埋場底部黏土不透水層（阻隔層）之滲流計算，核心理論為多孔介質滲流之達西定律（Darcy's Law）及垂直滲流水頭差定義：

1. 達西定律（Darcy's Law）： $Q = k \cdot i \cdot A \quad \text{或} \quad q = \frac{Q}{A} = k \cdot i$ 其中 $Q$ 為滲透流量（$\mathrm{m^3/d}$）、$q$ 為單位面積滲流量（通量，$\mathrm{m^3\,m^{-2}\,d^{-1}}$ 或 $\mathrm{m/d}$）、$k$ 為水力傳導係數（透水係數，$\mathrm{m/d}$）、$i$ 為水力坡降（無因次）、$A$ 為滲流截面積（$\mathrm{m^2}$）。
2. 水力坡降（Hydraulic Gradient, $i$）之定義： $i = \frac{\Delta H}{L}$ 垂直向下滲流時，總水頭差 $\Delta H$ 包含「壓力水頭差」與「位置水頭（位能）差」。
3. 相關法規標準（背景補充）： 以命題當年（民國 111 年）法規為準，依《事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準》與《一般廢棄物衛生掩埋場設置規範》，掩埋場底層黏土阻隔層通常規定厚度須在 $60\ \mathrm{cm}$ 以上且透水係數須小於 $10^{-7}\ \mathrm{cm/s}$，本題為針對其厚度設計原理之水力計算題。

解題方法

題目未直接提供掩埋場底面積 $A$，依環境工程水力計算慣例，取單位底面積 $A = 1\ \mathrm{m^2}$（即滲流量限制視為每平方公尺 $0.002\ \mathrm{m^3\,m^{-2}\,d^{-1}}$）進行設計計算。

步驟一：定義水頭與基準面

設黏土層鋪設厚度為 $d$（$\mathrm{m}$），滲流路徑長度 $L = d$。 選取黏土層底面為基準面（$z = 0$）：

• 黏土層頂部（Point 1）：
• 位置水頭 $z_1 = d$
• 壓力水頭 $h_1 = 60\ \mathrm{cm} = 0.6\ \mathrm{m}$（滲出液水位）
• 頂部總水頭 $H_1 = z_1 + h_1 = d + 0.6\ \mathrm{m}$
• 黏土層底部（Point 2）：
• 題意指示「掩埋場底部有水位」，即底面緊鄰水面（地下水位或排水面），壓力水頭為 0，且基準面設於底面（$z_2 = 0$）
• 底部總水頭 $H_2 = z_2 + h_2 = 0 + 0 = 0\ \mathrm{m}$

步驟二：推導水力坡降 $i$

總水頭差 $\Delta H$ 為： $\Delta H = H_1 - H_2 = (d + 0.6) - 0 = d + 0.6\ \mathrm{m}$

故水力坡降為： $i = \frac{\Delta H}{L} = \frac{d + 0.6}{d} = 1 + \frac{0.6}{d}$