111 高普考普通考試 環保技術 環境污染防治技術概要 考古題詳解

核心觀念

本題為環境污染防治技術與環境毒理學之經典名詞解釋題，旨在評量考生對環境化學品宿命、物理性公害量測、廢棄物法規管制標準及生物急毒性評估之基本專業素養。涉及的核心觀念如下：

1. 持久性生物累積性毒性物質（PBTs）：跨介質環境宿命、難分解性、親脂性與生物放大作用（Biomagnification）。
2. 聲音壓力位準（SPL）：人耳聽覺對數感應特性、有效音壓（RMS）與基準音壓之比值運算。
3. 溶出毒性事業廢棄物：以命題當年（民國 111 年）之《有害事業廢棄物認定標準》為準，以毒性特性溶出程序（TCLP）模擬掩埋溶出情境之法規管制標準。
4. 半數致死濃度（$LC_{50}$）：環境毒理學受體暴露濃度與急性致死率之量化關係，及其與半數致死劑量（$LD_{50}$）之範疇區分。
5. 環境蓄積（Environmental Accumulation）：質量平衡中「輸入負荷大於環境自然降解／自淨速率」時，污染物在非生物環境介質（土壤、底泥、地下水等）中的留存現象。

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解題方法

本題每小題配分為 5 分，作答策略應採「高普考標準申論三段結構」：

• 明確定義：點出中英文全稱、核心定義與關鍵物理／化學／毒理意涵。
• 機制／公式／法規標準：列出定量數學式、化學物理指標（如半衰期、$\log K_{ow}$）、法規程序（如 TCLP）。
• 實務環境意義或實例：說明該指標在污染防治、環境監測與工程風險評估中的應用。

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各小題深入解析

(一) 持久性生物累積性污染物（Persistent Bio-accumulative Toxins, PBTs）

1. 定義： 指同時具備高環境持久性（Persistence）、**高生物累積性（Bioaccumulation）及毒性（Toxicity）**的一類化學物質。其化學性質極為穩定，進入環境後難以藉由光解、水解或微生物降解消除，並能經由食物鏈逐級向上轉移並放大濃度，對生態系統與人體健康造成長期的潛在危害。
2. 核心判斷指標與特徵：

• 持久性（P）：在大氣、水體或土壤沉積物中的半衰期長（例如土壤或沉積物中半衰期大於 6 個月）。
• 生物累積性（B）：通常具有高度親脂性，其辛醇-水分配係數對數值 $\log K_{ow} \ge 5$，或生物濃縮係數 $BCF \ge 5000$，易蓄積於生物體的脂肪組織中，並產生生物放大作用（Biomagnification）。
• 毒性（T）：對水生生物具有低濃度急／慢性毒性，或對哺乳動物具有致癌性、畸胎性、突變性（致三突）或內分泌干擾性（環境荷爾蒙）。

3. 實例： 如多氯聯苯（PCBs）、戴奧辛（PCDD/Fs）、滴滴涕（DDT）及全氟／多氟烷基物質（PFAS）。此類物質多被列入聯合國《斯德哥爾摩公約》之持久性有機污染物（POPs）進行全球性管制。

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(二) 聲音壓力位準（Sound Pressure Level, SPL / $L_p$）

1. 定義： 聲音壓力位準是衡量聲音強度的物理量，為音波在介質中傳播時產生的**有效音壓（Root-Mean-Square Sound Pressure, $P_{rms}$）相對於人耳聽覺基準音壓（$P_0$）**比值的常用對數之 20 倍，單位為分貝（Decibel, dB）。
2. 數學公式： $SPL = 20 \log_{10} \left( \frac{P_{rms}}{P_0} \right) \quad (\text{dB})$ 或表為： $SPL = 10 \log_{10} \left( \frac{P_{rms}^2}{P_0^2} \right) \quad (\text{dB})$

• $P_{rms}$：測得之聲音有效音壓，單位為帕斯卡（$\text{Pa}$）。
• $P_0$：空氣中人耳於 $1000\ \text{Hz}$ 時剛剛能聽到的閾值音壓（基準音壓），法定標準值固定為 $20\ \mu\text{Pa} = 2 \times 10^{-5}\ \text{Pa}$。

3. 物理與工程意義：

• 人耳能感受的音壓範圍極廣（$2 \times 10^{-5}\ \text{Pa}$ 至 $20\ \text{Pa}$ 以上，跨越六個數量級），且人耳對聲音響度的生理感受近似對數線性反應；採用對數分貝標度可將龐大的數值壓縮至 $0 \sim 120\ \text{dB}$ 實用區間，便於噪音防制工程分析與量測評估。

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(三) 溶出毒性事業廢棄物

1. 法規定義（以命題當年民國 111 年法規為準）： 依據我國《有害事業廢棄物認定標準》第 4 條規定，溶出毒性事業廢棄物係指事業廢棄物經**毒性特性溶出程序（Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP）**萃取後，其萃取液中含有之重金屬或特定有害有機物質濃度，超過法規明定之「溶出標準限值」者。（現行法法規架構亦同）
2. 核心檢測原理與管制目的：

• TCLP 程序原理：藉由特定 pH 值（如醋酸水溶液）之萃取液進行連續 18 小時震盪翻轉萃取，模擬廢棄物若進入衛生掩埋場或一般處置場所時，在酸性腐植酸與酸雨滲出水淋溶環境下，其內部有害物質滲漏至地下水或土壤的潛在釋放能力。
• 判定基準：著重檢測萃取液之「溶出濃度」（單位為 $\text{mg/L}$），而非廢棄物本體之「全量分析含量」（$\text{mg/kg}$）。

3. 常見管制項目：

核心觀念

本題評量環境工程中「污泥處理與處置」單元之**脫水機質量平衡（Mass Balance）與固體物回收效率（Solids Recovery Rate, $R$）**計算。

1. 固體回收率（Recovery Rate, $R$）定義： 脫水設備截留於脫水泥餅中的固體質量佔進流總固體質量的百分比： $R = \frac{\text{泥餅中固體質量速率}}{\text{進流污泥固體質量速率}} \times 100\% = \frac{\dot{M}_{s,c}}{\dot{M}_{s,f}} \times 100\%$
2. 總質量與固體質量平衡： 在穩定操作狀態下，進流質量等於出流質量總和（泥餅＋濾液）。

• 總質量平衡：$\dot{M}_f = \dot{M}_c + \dot{M}_e$（在密度假設皆為 $1.0\ \mathrm{kg/L}$ 下，等同體積流量平衡 $Q_f = Q_c + Q_e$）
• 固體物平衡：$Q_f \cdot S_f = Q_c \cdot S_c + Q_e \cdot S_e$

3. 濃度單位一致性： 污泥密度假設為 $1.0$，即 $1.0\ \mathrm{kg/L} = 1,000\ \mathrm{g/L} = 10^6\ \mathrm{mg/L}$。 重量百分比（$\%$）與容積濃度（$\mathrm{mg/L}$）之轉換關係為： $1\% = 10,000\ \mathrm{mg/L}$

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解題方法

步驟一：統一單位與已知條件整理

• 污泥密度：$\rho = 1.0\ \mathrm{kg/L}$
• 進流污泥流量：$Q_f = 50\ \mathrm{L/min}$
• 進流固體含量：$S_f = 1.5\% = 0.015$（相當於 $15,000\ \mathrm{mg/L}$）
• 脫水泥餅固體含量：$S_c = 23\% = 0.23$（相當於 $230,000\ \mathrm{mg/L}$）
• 濾液固體濃度：$S_e = 350\ \mathrm{mg/L} = \frac{350}{10^6} \times 100\% = 0.035\% = 0.00035$

步驟二：建立系統質量平衡方程式

設脫水泥餅流量為 $Q_c$（$\mathrm{L/min}$），濾液流量為 $Q_e$（$\mathrm{L/min}$）。

1. 總流量平衡： $Q_e = Q_f - Q_c = 50 - Q_c$
2. 固體物質量平衡： $Q_f \cdot S_f = Q_c \cdot S_c + Q_e \cdot S_e$ 將 $Q_e = Q_f - Q_c$ 代入上式： $Q_f \cdot S_f = Q_c \cdot S_c + (Q_f - Q_c) \cdot S_e$ 整理求泥餅流量 $Q_c$： $Q_f (S_f - S_e) = Q_c (S_c - S_e)$ $Q_c = Q_f \times \frac{S_f - S_e}{S_c - S_e}$

步驟三：計算泥餅與濾液流量

代入數值：

核心觀念

本題測驗固定污染源「燃燒後脫硫技術」（Post-combustion Desulfurization），即煙道排煙脫硫（Flue Gas Desulfurization, 簡稱 FGD）的技術分類、物理化學吸收機制與工程應用特性。

1. 基本定義與去除對象： 煙道氣中所含之硫氧化物（$\text{SO}_x$），主要成分為二氧化硫（$\text{SO}_2$，約佔 95% 以上）及少量三氧化硫（$\text{SO}_3$）。FGD 技術係利用鹼性吸收劑與酸性氣體（$\text{SO}_2$）進行氣液或氣固酸鹼中和反應，將氣態硫化物轉化為固態或液態硫酸鹽／亞硫酸鹽化合物予以脫除。
2. 質傳與化學原理： 涵蓋雙膜理論（Two-Film Theory）之氣液質傳、酸鹼中和溶解平衡、水解解離，以及亞硫酸鹽強制氧化為硫酸鹽（石膏）之氧化還原反應。
3. 相關法規（以命題當年民國 111 年法規為準）： 涉及《空氣污染防制法》第 20 條授權訂定之《固定污染源空氣污染物排放標準》及《電力設施空氣污染物排放標準》，大型燃煤電廠與工業鍋爐為符合嚴格之 $\text{SO}_x$ 排放限值（例如新設燃煤電廠排放標準常要求低於 25 ppm），FGD 為最普遍採行之最佳可行控制技術（BACT）。

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解題方法

本題為 25 分的典型申論題，評分著重於「分類完整性」、「反應原理深度（需寫出正確化學反應式）」與「各技術實務優缺點比較」。解題切入點如下：

1. 破題架構確立：國際與台灣環保工程實務上，最標準且清晰的分類維度為「吸收劑與廢氣接觸時的相態及最終產物型態」，劃分為濕式（Wet）、**半乾式（Semi-dry）與乾式（Dry）**三大類。
2. 機理解析：每一大類挑選最關鍵、出題率最高的代表性技術，條列化寫出操作程序、核心化學反應式與副產物去向。
3. 綜合比較收尾：以系統化對照（脫硫效率、水耗、結垢問題、副產物處置），展現答題的廣度與深度。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題。試卷評分標準主要在於：

1. 技術分類架構（8 分）：能否完整涵蓋濕式、半乾式與乾式三大主流類別，而非僅單一描述石灰石法。
2. 反應原理與化學方程式（10 分）：能否準確寫出酸鹼中和、水解、沉澱及氧化反應平衡式。
3. 工程特性與實務評價（7 分）：能否說明結垢、水污染、廢棄物產生量及脫硫效率等工程實務關鍵差異。

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解題技巧

1. 化學式務必完整平衡：閱卷委員極度重視化學式正確性，尤其是「石灰石石膏法」的吸收、中和與氧化三步驟，寫出石膏分子式（$\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$）為得分亮點。
2. 避免混淆燃燒階段：切勿將「燃燒前脫煤硫」或「燃燒中流體化床（FBC）添加石灰石」寫入煙道脫硫，兩者非屬煙道（燃燒後）防制技術。
3. 關鍵字精準打擊：作答必須帶出高頻專有名詞，如「雙鹼法防止結垢」、「噴霧乾燥吸收器（SDA）」、「袋濾機除塵協同反應」、「強制氧化（Forced Oxidation）」。

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【答案】

一、煙道脫硫技術之基本原理

煙道排煙脫硫（Flue Gas Desulfurization, FGD）係利用 $\text{SO}_2$ 屬酸性氣體之特性，於排煙管道導入鹼性吸收劑（如鈣基、鈉基、氨基等），藉由氣液或氣固接觸質傳，進行酸鹼中和與氧化還原反應，將氣態 $\text{SO}_2$ 固定為固態亞硫酸鹽或硫酸鹽化合物，最後由集塵設備或沉澱槽分離去除。

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二、煙道脫硫之技術種類及其反應原理

依吸收劑導入之狀態及反應生成物之乾燥程度，主要可分為三大類：

（一）濕式脫硫技術（Wet FGD）

吸收劑以水溶液或懸浮漿液型態注入，反應於氣液介面完成，脫硫生成物呈濕漿狀，脫硫效率最高（通常 $> 90\text{–}98\%$）。

1. 石灰石／石灰石膏洗滌法（Limestone/Lime-Gypsum Process）

• 原理：利用研磨之石灰石（$\text{CaCO}_3$）或生石灰水化後之熟石灰（$\text{Ca(OH)}_2$）配製成懸浮漿液，於洗滌塔內逆流噴淋接觸煙道氣。$\text{SO}_2$ 溶於水生成亞硫酸，再與鈣離子反應生成亞硫酸鈣；洗滌塔底槽導入壓縮空氣進行強制氧化，生成化學性質穩定的二水石膏。
• 主要反應方程式：
• 氣體吸收水解： $\text{SO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{SO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HSO}_3^-$
• 石灰石中和反應： $\text{CaCO}_3\text{(s)} + 2\text{H}^+ + \text{HSO}_3^- \rightarrow \text{Ca}^{2+} + \text{HSO}_3^- + \text{CO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O}$
• 沉澱反應： $\text{Ca}^{2+} + \text{SO}_3^{2-} + \frac{1}{2}\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CaSO}_3 \cdot \frac{1}{2}\text{H}_2\text{O}\text{(s)}$
• 強制氧化生成石膏： $\text{CaSO}_3 \cdot \frac{1}{2}\text{H}_2\text{O} + \frac{1}{2}\text{O}_2 + \frac{3}{2}\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}\text{(s)}$
• 特點：技術成熟、運轉穩定，副產物石膏可再利用於建材水泥；缺點為用水量大、易造成噴嘴結垢（Scaling）及腐蝕，且產生脫硫廢水需二級處理。

2. 雙鹼法（Dual Alkali Process）

• 原理：為克服鈣基洗滌塔內部結垢問題，第一階段於吸收塔內以可溶性高、反應速率快之鈉基鹼液（$\text{NaOH}$ 或 $\text{Na}_2\text{SO}_3$）吸收 $\text{SO}_2$；第二階段將吸收廢液排至塔外反應槽，加入石灰／消石灰使鈉基吸收劑再生，沉澱出鈣硫化合物，再生後鈉液循環使用。
• 主要反應方程式：
• 塔內吸收反應： $2\text{NaOH} + \text{SO}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O}$

核心觀念

本題測驗空氣污染檢測中「高量空氣採樣法（High Volume Method）」之重量分析原理與基本質量濃度計算，涉及以下核心定義與公式：

1. 捕集微粒質量（$\Delta M$）： 依據重量分析法，微粒淨重為採樣後濾紙總重（$W_2$）減去採樣前空白濾紙重（$W_1$）： $\Delta M = W_2 - W_1$
2. 平均採樣流量（$\bar{Q}$）： 空氣採樣過程中，隨著濾紙上微粒附著增加、阻力上升，流量會隨時間遞減。依環境檢驗標準方法（如我國環境檢驗標準方法 NIEA A201 系列規範），採樣期間流量變化視為線性遞減，平均流量以起始流量（$Q_1$）與結束流量（$Q_2$）之算術平均值表示： $\bar{Q} = \frac{Q_1 + Q_2}{2}$
3. 總採樣空氣體積（$V$）： 總體積為平均採樣流量乘以採樣時間（$t$）： $V = \bar{Q} \times t$
4. 懸浮微粒濃度（$C$）： 濃度定義為捕集微粒質量與總採樣體積之比值，空氣品質標準與常規工程表示通常以 $\mu\mathrm{g}/\mathrm{m}^3$ 或 $\mathrm{mg}/\mathrm{m}^3$ 為單位： $C = \frac{\Delta M}{V}$

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解題方法

步驟一：計算濾紙捕集的懸浮微粒淨質量（$\Delta M$）

• 初始濾紙重 $W_1 = 10.5\ \mathrm{g}$
• 採樣後濾紙重 $W_2 = 10.61\ \mathrm{g}$ $\Delta M = 10.61\ \mathrm{g} - 10.5\ \mathrm{g} = 0.11\ \mathrm{g}$ 進行單位換算： $\Delta M = 0.11\ \mathrm{g} = 110\ \mathrm{mg} = 110{,}000\ \mu\mathrm{g}$

步驟二：計算平均採樣流量（$\bar{Q}$）

• 起始流量 $Q_1 = 30\ \mathrm{L/s}$
• 結束流量 $Q_2 = 26\ \mathrm{L/s}$ $\bar{Q} = \frac{30\ \mathrm{L/s} + 26\ \mathrm{L/s}}{2} = 28\ \mathrm{L/s}$

步驟三：計算總採樣空氣體積（$V$）

• 採樣時間 $t = 24\ \mathrm{hr} = 24 \times 3{,}600\ \mathrm{s} = 86{,}400\ \mathrm{s}$
• 體積單位換算：$1\ \mathrm{m}^3 = 1{,}000\ \mathrm{L}$