110 高普考高考三級 環境工程 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

天然水體最主要的 pH 緩衝系統是碳酸—重碳酸鹽系統。二氧化碳溶入水後形成碳酸，碳酸再逐步解離；水中的重碳酸根可與酸、鹼反應，減緩 pH 變化。

解題方法與反應式

二氧化碳溶入水並形成碳酸：

碳酸為二元弱酸，分兩階段解離：

加入酸時，重碳酸根會消耗氫離子：

形成的碳酸可再轉為溶解態二氧化碳，並與氣相二氧化碳交換。加入鹼時，碳酸可中和氫氧根：

因此，碳酸、重碳酸根與碳酸根之間的平衡，以及它們和外加酸鹼的反應，可共同緩衝天然水體的 pH。

（二）水中飽和溶氧濃度

核心觀念

亨利定律以氣體分壓計算溶解濃度：

核心觀念

本題計算廢水中有機物完全氧化，以及氨氮硝化至硝酸鹽所需的理論氧量。題目給定有機物實驗式為 $\mathrm{CH_2O}$，可直接依化學計量式計算有機物需氧量；氨氮則依硝化反應計算氮需氧量。

解題方法

有機物完全氧化的反應式為：

每 $1$ 莫耳 $\mathrm{CH_2O}$（分子量 $30\ \mathrm{g/mol}$）需 $1$ 莫耳 $\mathrm{O_2}$（分子量 $32\ \mathrm{g/mol}$），因此有機物的理論需氧量為：

氨氮硝化至硝酸鹽的反應式為：

核心觀念

劑量－反應關係是健康風險評估中，用來描述外來物質暴露量與生物效應之間關係的基礎資料。解題須掌握劑量與反應的定義、NOAEL 與 ADI 的意義，以及由 ADI 推算飲用水濃度的質量平衡。

(一) 劑量與劑量－反應關係

劑量是生物體在一定期間內，經由特定暴露途徑所接受或吸收的毒物量。毒理學常以單位體重的每日劑量表示，例如 $\mathrm{mg\,kg^{-1}\,day^{-1}}$；評估時也須說明暴露途徑、頻率與期間。

劑量－反應關係是指毒物劑量與生物體反應之間的定量關係。反應可用個體反應的強度表示，也可用群體中發生某種效應的人數比例表示。一般而言，劑量增加時，效應發生率或嚴重程度也會增加；此關係可用於辨識閾值、推估安全劑量及評估健康風險。

(二) ADI、NOAEL 與兩者關係

**NOAEL（無可觀察不良效應劑量）**是動物試驗中，在特定試驗條件下，未觀察到不良效應的最高劑量，通常以 $\mathrm{mg\,kg^{-1}\,day^{-1}}$ 表示。NOAEL 來自試驗結果，適用範圍受試驗物種、試驗期間及觀察指標等條件限制。

**ADI（每日可接受攝取量）**是指人一生每天攝取而預期不致造成可察覺健康危害的物質量，通常以每公斤體重每日攝取量表示。ADI 是供人體風險管理使用的參考值。

ADI 通常由動物試驗的 NOAEL 除以不確定因子（或安全係數）訂定，以涵蓋動物外推至人體及人體個體差異等不確定性：

核心觀念

甲烷產生菌（methanogens）是嚴格厭氧古菌，需在無氧條件下生長，並利用特定基質產生甲烷。題目考查培養與計數設計是否符合甲烷產生菌的營養需求、生長條件及培養方法。

以氫營養型甲烷產生菌為例，碳酸氫根可提供無機碳，但甲烷生成還需要電子供體，例如氫氣：

因此，碳酸氫鈉可作為無機碳來源或緩衝劑，不能單獨視為足以支持甲烷生成的培養基。不同類群使用的基質不同，還需提供適當的電子供體或有機基質，例如氫氣、乙酸或甲酸。

解題方法

逐項檢查題目中的培養設計：碳源與基質是否完整、是否維持嚴格厭氧、溫度與培養時間是否合宜，以及平板法是否適用於目標菌的計數。

1. 只以碳酸氫鈉作為碳源：基質不完整。 碳酸氫鈉提供無機碳，但未提供氫氣等電子供體，也未說明提供乙酸、甲酸等其他甲烷生成基質。單靠碳酸氫鈉不能支持各類甲烷產生菌生長及產甲烷。

2. 以封口臘膜封板：無法確保嚴格厭氧。 甲烷產生菌對氧敏感，培養時須以厭氧培養基及適當的厭氧操作維持無氧環境，例如使用厭氧箱或經脫氧、還原處理的培養系統。封口臘膜只能封住平板邊緣，不能可靠地排除培養基與容器內原有的氧，也不能取代厭氧培養條件。

核心觀念

本題考的是水資源回收中心如何將污水中的氮轉成可從水中移除的氮氣，重點是硝化作用與脫硝作用的先後關係、反應條件及參與菌群。

一般生活污水中的氮包括有機氮與氨氮。有機氮經氨化作用轉為氨氮後，主要依序經歷：

硝化作用只是把氨氮氧化成硝酸鹽，氮仍留在水中；後續脫硝才將硝酸鹽還原為氮氣，逸散至大氣，達到總氮的實際移除。

解題方法：依序說明硝化與脫硝

一、硝化作用：好氧環境下氧化氨氮

在曝氣槽等好氧環境中，化學自營性硝化菌以無機碳（如二氧化碳或碳酸氫根）作為碳源，氧化氨氮取得能量。硝化分成兩步：

1. 氨氧化：氨氧化菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽。代表屬名為 Nitrosomonas。

$\mathrm{NH_4^+ + 1.5O_2 \rightarrow NO_2^- + 2H^+ + H_2O}$

2. 亞硝酸氧化：亞硝酸氧化菌將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。傳統代表屬名為 Nitrobacter。

$\mathrm{NO_2^- + 0.5O_2 \rightarrow NO_3^-}$

硝化作用會消耗溶氧並產生氫離子，可能降低水中溶氧與 pH；因此需維持足夠曝氣與適當鹼度。合併反應可寫為：

$\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O}$

二、脫硝作用：缺氧環境下還原硝酸鹽