113 高普考高考二級 環境工程 環境工程與設計 考古題詳解

核心觀念

本題考查三種常用粒狀污染物控制設備的捕集機制，以及它們對不同粒徑粒子的去除能力。比較時須掌握：旋風集塵器利用慣性與離心作用、袋式集塵器利用濾材攔截與粉塵層過濾、靜電集塵器利用粒子帶電後受電場力移向集塵板。

粒狀污染物的去除效率定義為：

其中 $C_{\mathrm{in}}$ 與 $C_{\mathrm{out}}$ 分別為設備入口與出口的粒狀污染物濃度。實際效率會受粒徑分布、氣體流量、設備設計、操作條件及維護狀況影響，因此以下比較為一般性說明。

解題方法

依各設備的「粒子如何被移出氣流」說明工作原理，再比較捕集粒徑範圍、整體去除效率與操作特性。三種設備的主要機制不同，粒徑愈細時，慣性碰撞與離心作用通常愈不利；濾材攔截及靜電吸引則可有效處理細粒，但各自有壓降、清灰或操作條件等限制。

一、旋風集塵器

工作原理

含塵氣流以切向或渦旋方式進入集塵器，形成高速旋轉流。氣流中的粒子因密度較大、慣性較高，不易隨氣流改變方向，受離心作用甩向器壁；粒子沿壁面下降，進入底部集塵斗。淨化氣體則在中心形成向上的旋流，從上方出口排出。

去除效率與特性

旋風集塵器構造簡單、耐高溫、可處理高粉塵負荷，且沒有濾材或高壓電源。其主要限制是對細小粒子的捕集能力較弱；粒子愈大、密度愈高，愈容易因慣性與離心作用到達器壁。提高入口氣速或採用較小直徑的旋風器，可提升細粒捕集能力，但也會增加壓降及能耗。

因此，旋風集塵器常用於粗粒預除塵，或作為其他高效率集塵設備的前處理單元。

二、袋式集塵器

工作原理

含塵氣體通過纖維濾袋，粒子因慣性碰撞、攔截、擴散及重力沉降等作用，被濾材纖維捕集。操作一段時間後，濾袋表面形成粉塵層；粉塵層本身可進一步截留粒子，通常是袋式集塵器維持高效率的重要原因。清灰時以振動、反吹或脈衝噴吹等方式，使粉塵脫落並落入集塵斗。

去除效率與特性

袋式集塵器對細粒及次微米粒子通常具有很高的去除效率，且效率較不依賴粒子的導電性。主要限制包括濾袋材質須配合氣體溫度、腐蝕性與化學性質；濾袋會因粉塵累積而增加壓降，必須定期清灰。含水氣或黏性粉塵也可能造成濾袋堵塞或結塊。

核心觀念

快濾池去除懸浮固體（SS），主要靠濾料床中的深層過濾與截留作用。水流通過濾料孔隙時，SS 顆粒會因慣性碰撞、攔截、擴散等作用接觸濾料表面，再經吸附或黏附而留在濾床中。快濾池並非單純以濾料孔徑篩除所有顆粒；混凝後形成的絮體也會在濾床孔隙中被捕集。濾床截留的固體會隨運轉逐漸累積，因此需定期反沖洗。

計算時以 24 小時內進入快濾池的 SS 質量為基礎，乘以去除率求截留質量。反沖洗廢水中的 SS 質量，依質量守恆等於本次截留質量；再除以反沖洗水量，即得反沖洗廢水 SS 濃度。

解題方法

已知進流 SS 濃度 $C_0=100\ \mathrm{mg/L}$、處理流量 $Q=1{,}000\ \mathrm{CMD}$、操作時間 $t=24\ \mathrm{hr}=1\ \mathrm{day}$，去除率 $\eta=90\%=0.90$。

先求 24 小時處理水量：

利用 $1\ \mathrm{mg/L}=1\ \mathrm{g/m^3}$，進流 SS 總質量為：

快濾池截留的 SS 質量為進流總質量乘以去除率：

反沖洗用水量為總處理水量的 $5\%$：

核心觀念

本題考查非水相液體（NAPL）的密度分類，以及現地化學氧化法（ISCO）與現地透水性反應牆（PRB）的處理原理和適用情境。

• 比水重非水相液體（DNAPL）：密度大於水，進入地下後可向下移動，並可能累積在低透水層頂部或裂隙中，形成污染源。
• 比水輕非水相液體（LNAPL）：密度小於水，進入地下後傾向浮於地下水面附近。
• ISCO 是將氧化劑送入污染區，直接氧化污染物；PRB 則是設置可讓地下水流過的反應介質，讓溶解態污染物在流經時被去除。

解題方法

先用表中的密度判斷 DNAPL 與 LNAPL：水的密度約為 $1\ \mathrm{g/cm^3}$。再依污染物型態說明兩種整治技術如何作用於三氯乙烯（TCE）污染，以及在「範圍廣大、濃度不高」的情境下比較適用性。

污染物分類

因此，本題的 DNAPL 為三氯乙烯；苯與 MTBE 的密度均小於水，屬 LNAPL。密度用來判斷浮沉；溶解度、亨利定律常數與辛醇／水分配係數可補充說明污染物的溶解、揮發及分配特性，但不是此處 DNAPL／LNAPL 分類的直接判準。

ISCO 原理與應用

ISCO 將化學氧化劑注入地下污染區，使氧化劑與污染物接觸並發生氧化反應，以降低污染物質量與濃度。常用氧化劑包括高錳酸鹽、過硫酸鹽、過氧化氫，以及臭氧等；實際藥劑須依污染物、土壤與地下水條件選擇。

以 TCE 為例，氧化劑可破壞其分子結構，使其轉化為較低危害或可進一步處理的產物。對 DNAPL 源區而言，氧化劑若能接觸殘留或聚集的 TCE，可氧化部分污染物；但成效受到氧化劑能否送達源區、與污染物接觸的程度，以及土壤中其他還原性物質所造成的氧化劑消耗影響。TCE 若下移並聚集在低透水層上方，氧化劑不易均勻進入該處，便可能留下污染質量，使整治後仍有污染物持續溶出。

PRB 原理與應用

核心觀念

本題考查完全混合流反應器（CMFR）的穩態質量平衡。題目給定一階反應下的出流水濃度：

$C=\frac{C_0}{1+k\theta}$

其中 $C_0$ 為進流濃度、$C$ 為出流濃度、$k$ 為一階分解反應速率常數、$\theta$ 為水力停留時間。去除效率定義為「去除的污染物濃度占進流濃度的比例」。

解題方法

（一）污染物去除效率

去除效率 $\eta$ 為進、出流濃度差除以進流濃度：

$\eta=\frac{C_0-C}{C_0}=1-\frac{C}{C_0}$

將題目給定的 $C/C_0=1/(1+k\theta)$ 代入：

以百分率表示時，去除效率為 $\eta\times100\%$。此式假設 $C_0>0$、$k\geq0$ 且 $\theta\geq0$。

（二）穩態下進、出流濃度隨時間變化

進流濃度持續維持在 $C_0$，故進流濃度是固定值。穩態時出流濃度也維持在固定值 $C_0/(1+k\theta)$，低於或等於進流濃度。時間圖如下：

濃度
 ↑
C₀│進流 ───────────────────────────
 │
 │
 C │出流 ───────────────────────────
 │
 └──────────────────────────────→ 時間

其中出流水平線的位置為 $C=C_0/(1+k\theta)$。當 $k\theta>0$ 時，$C<C_0$；若 $k=0$ 或 $\theta=0$，則 $C=C_0$，兩線重合。此圖表示已處於穩態；若題意改為從啟動時刻觀察，則還須描述啟動期間的過渡變化。

（三）提高去除效率的方法及工程限制

由

$\eta=\frac{k\theta}{1+k\theta}$