113 高普考高考三級 環保行政 水污染與土壤污染防治 考古題詳解

核心觀念

本題考查地下水污染整治中兩種化學處理技術的氧化還原作用方向、適用污染物類別，以及常用藥劑。

• 現地化學氧化（ISCO）：將氧化劑注入地下水或污染區，使污染物失去電子、氧化分解，目標是降低毒性或轉化為較穩定的物質；有機污染物常可進一步礦化為二氧化碳、水及無機離子。
• 現地化學還原（ISCR）：將還原劑注入污染區，使污染物取得電子，改變其化學型態，進而降低毒性、移動性或持久性。

「現地」表示藥劑直接在污染場址的地下環境中施作，無須先將地下水抽出場外處理。兩種方法的選擇，須配合污染物的化學型態、地下水地球化學條件，以及藥劑能否有效與污染物接觸。

解題方法

先依污染物的氧化還原特性判斷處理方向，再列出藥劑：

1. 較易以氧化破壞的污染物，以 ISCO 為主，常見為石油系烴類及部分可氧化的有機污染物。
2. 可藉還原改變價態或脫去鹵素的污染物，以 ISCR 為主，常見為氯化有機溶劑及部分重金屬污染物。
3. 各列兩種常用藥劑，並說明其作用方向。

ISCO：作用機制、污染物與藥劑

作用機制

ISCO 將強氧化劑注入地下水污染區，氧化劑與污染物接觸後接受電子，使污染物被氧化。反應結果依污染物與場址條件而異，可能是污染物完全礦化，也可能是轉化為較小分子或毒性較低的產物。

常見施作藥劑包括過氧化氫、高錳酸鹽、過硫酸鹽及臭氧；實際選用須考量污染物反應性、土壤需求量、地下水酸鹼值及天然有機物等因素。

常見污染物類別

• 石油系烴類，例如汽油、柴油中的部分成分及 BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）。
• 部分多環芳香烴及其他可氧化有機污染物。
• 在適當反應條件下，也可處理部分農藥及其他有機污染物。

兩種常見化學品

1. 過氧化氫（H₂O₂）：可直接提供氧化能力；搭配亞鐵離子時可進行芬頓反應，產生反應性很強的羥基自由基。

核心觀念

生物促進工法（bio-stimulation）是向污染地下水或含水層添加電子供體、電子受體或其他限制性營養物質，刺激場址原有微生物的代謝活性，使其加速分解或轉化污染物。它與生物增強工法（bio-augmentation）不同：後者是另外引入特定微生物，前者主要是促進原有微生物作用。

本題考查的是地下水氧化還原序列與原位生物還原整治。地下水常依序消耗氧、硝酸鹽及較具氧化性的鐵等電子受體；環境逐漸轉為還原後，溶解態的六價鈾 $U(VI)$ 可被還原成溶解度較低的四價鈾 $U(IV)$，並形成沉澱或吸附於固相，降低地下水中溶解態鈾的濃度。

解題方法與場址整治策略

場址原本為好氧環境，且地下水含有高濃度硝酸鹽；兩者都會優先消耗還原性電子供體，延遲六價鈾的還原。因此，整治重點是提供可利用的電子供體，促使微生物依序消耗溶氧與硝酸鹽，再建立適合六價鈾還原的還原性環境。

工程師可將適當的有機電子供體注入含水層，例如乳酸鹽、乙酸鹽、糖蜜或其他可生物降解的碳源。微生物氧化電子供體時，先利用溶氧與硝酸鹽作為電子受體；待這些較優先的電子受體降低後，微生物活動會使環境轉為還原，並促進六價鈾還原為四價鈾。含水層中的鐵礦可參與鐵的氧化還原反應，三價鐵還原為二價鐵，亦可作為環境轉為還原的指標。

各項濃度的消退趨勢

整治期間各物質的典型變化如下：

1. 溶氧：先快速下降。 注入電子供體後，微生物優先利用溶氧進行有氧呼吸，因此溶氧濃度最先降低。
2. 硝酸鹽：接續下降。 溶氧耗盡後，微生物轉而利用硝酸鹽進行反硝化；硝酸鹽濃度隨之降低，並可能生成亞硝酸鹽、氮氣等產物。
3. **二價鐵：還原條件建立後上升。

核心觀念

加強型生物除磷（enhanced biological phosphorus removal, EBPR）的核心，是利用聚磷菌（polyphosphate-accumulating organisms, PAOs）在厭氧與好氧（或缺氧）環境交替時的代謝差異，使其先釋磷、再過量攝磷，並將富含磷的剩餘污泥排出系統，達到淨除磷。

本題重點有二：

1. 畫出能讓活性污泥依序經歷厭氧與好氧環境的處理流程。
2. 說明 PAO 如何利用揮發性脂肪酸（VFA）、細胞內聚羥基烷酸（PHA）、肝醣及聚磷，在兩種環境間交替代謝。

解題方法

先以傳統 A/O 生物除磷流程作答，標明厭氧槽、好氧槽、二級沉澱池、污泥回流與剩餘污泥排放；再按照污泥流經各槽的順序說明 PAO 的代謝變化。畫流程時，務必指出厭氧槽須避免氧及硝酸鹽進入，否則會削弱 PAO 在厭氧條件下攝取 VFA 的優勢。

處理流程單元配置

 ┌───────────────┐
進流水 → 前處理 → 厭氧槽 → 好氧槽 → 二級沉澱池 → 放流水
 ↑ │
 └────回流污泥──────┘
 │
 剩餘污泥排放

單元功能與操作要點：

• 厭氧槽：無溶氧，且應避免硝酸鹽、亞硝酸鹽帶入。進流水中的易分解有機物經發酵可形成 VFA，供 PAO 攝取。
• 好氧槽：供氧，使 PAO 氧化細胞內儲存的 PHA，取得能量進行生長、補充肝醣及過量攝磷。
• 二級沉澱池：分離處理水與活性污泥；部分污泥回流，以維持生物量及厭氧—好氧循環。
• 剩餘污泥排放：將富含細胞內聚磷的污泥排出，是系統實際移除磷的途徑。

若流程同時處理氮，可設置缺氧槽及硝化液回流；但須妥善配置，避免含硝酸鹽的回流液進入厭氧槽，干擾厭氧釋磷及 VFA 儲存。

除磷生化機制

1. 厭氧階段：攝取 VFA、釋出磷酸鹽

PAO 在厭氧環境中攝取 VFA，並將其轉化為細胞內儲存物 PHA。此時細胞所需能量主要來自聚磷水解及肝醣分解：

• 細胞內聚磷水解，提供能量，並使磷酸鹽釋放至混合液中。
• 肝醣分解也提供代謝所需能量與還原力。
• PAO 攝取 VFA，合成並儲存 PHA。

可用下列概念式表示：

核心觀念

本題考戴奧辛的物化特性如何影響土壤中的吸附與作物吸收。戴奧辛（PCDD/Fs）具有高疏水性、低水溶性、親脂性及高持久性，容易吸附在土壤有機質上。土壤有機質含量越高，戴奧辛越容易被土壤固相固定，進入土壤孔隙水的比例越低，作物根部可吸收的有效量通常越少。

戴奧辛在土壤與植物間的分配，可用下式表達其概念：

其中，$K_d$ 為土壤—水分配係數，$K_{oc}$ 為有機碳標準化分配係數，$f_{oc}$ 為土壤有機碳分率。一般而言，$f_{oc}$ 越高，戴奧辛越傾向留在土壤有機質中，土壤溶液中的可利用量越低。

解題方法

題目指出戴奧辛均勻散落於三處農地，三地都栽種芋頭。比較重點因此是土壤有機質比例，而不是污染源排放量或作物種類差異：

• 甲地有機質含量為 $0.5\%$，三地最低，戴奧辛吸附固定的能力相對較弱，根部可接觸並吸收的比例較高。
• 乙地有機質含量為 $5\%$，吸附固定能力居中，根部可利用的戴奧辛較甲地低。