111 高普考高考三級 環境工程 廢棄物處理工程（包括相關法規） 考古題詳解

核心觀念

本題評量考生對我國廢棄物管制核心法規——《廢棄物清理法》第 2 條及其授權訂定之《有害事業廢棄物認定標準》（以命題當年民國 111 年法規為準；現行法已隨行政院組織改造，主管機關由行政院環境保護署修正為環境部）之熟悉程度。考點聚焦於兩大主軸：

1. 有害事業廢棄物之法定分類：毒性有害事業廢棄物、溶出毒性事業廢棄物、感染性事業廢棄物、特性有害事業廢棄物，以及其他經中央主管機關公告者。
2. 有害事業廢棄物之判定機制：包含「名錄列管判定（List-based Approach）」與「危害特性檢測判定（Characteristic-based Approach）」，涉及毒性成分、毒性特性溶出程序（Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP）、腐蝕性、易燃性、反應性與感染性之法定量化基準。

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解題方法

本題為標準之法規申論題，切入點應採「先分類、後判定；先名錄、後檢驗」之層級架構作答：

1. 破題界定分類體系：依據《有害事業廢棄物認定標準》第 2 條，精準列出四大法定類別及公告類別。
2. 深入剖析判定準則：將判定機制分為「名錄判定法」與「特性分析判定法」，並詳列各特性的具體物理化學指標（如 $\text{pH}$ 值、閃火點、溶出濃度等量化數據），展現專業技術法規的精確度。
3. 整合判定流程：說明實務上廢棄物之判定順序（名錄比對 $\rightarrow$ 特性檢驗 $\rightarrow$ 專案認定），使答題脈絡具備工程實務可行性。

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選項分析

本題為高考三級申論題，無單選或複選題選項。為利考生應試掌握答題完整度，針對申論題作答應涵蓋之「五大核心判定要件」進行內涵解析：

• 毒性有害事業廢棄物判定要件：含特定毒性化學物質成分且達列管濃度標準者（附表二），或屬公告之製程毒性廢棄物（附表一）。不可僅籠統回答「有毒」，必須強調成分與濃度門檻。
• 溶出毒性事業廢棄物（TCLP）判定要件：以模擬掩埋場酸性滲出水之溶出程序進行萃取，重金屬、揮發性有機物（VOCs）、半揮發性有機物（SVOCs）或農藥等溶出液濃度超過管制標準（附表四）者。
• 特性有害事業廢棄物判定要件：包含腐蝕性（$\text{pH} \le 2.0$ 或 $\text{pH} \ge 12.5$、鋼材腐蝕率）、易燃性（液體閃火點 $< 60^\circ\text{C}$ 等）、反應性（極不穩定、遇水劇烈反應、含硫/氰化物遇酸釋出毒氣等）。
• 感染性事業廢棄物判定要件：醫療機構、醫事檢驗所等事業產出之廢棄檢體、血液、病理廢棄物、感染性培養物及廢棄尖銳器具（附表五）。
• 其他公告或專項有害廢棄物判定要件：如戴奧辛總毒性當量濃度達 $1.0\text{ ng I-TEQ/g}$ 以上之廢棄物、多氯聯苯（PCB）廢棄物、石綿及其製品等。

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解題技巧

1. 作答記憶口訣：「毒、溶、感、特、公」（毒性、溶出毒性、感染性、特性、公告），以及特性中的「腐、燃、反」（腐蝕性、易燃性、反應性）。
2. 數字量化不可缺：申論給分關鍵在於法規門檻數值，如腐蝕性 $\text{pH} \le 2.0$ 或 $\text{pH} \ge 12.5$、鋼材腐蝕率 $> 6.35\text{ mm/year}$、易燃性閃火點 $< 60^\circ\text{C}$、戴奧辛 $> 1.0\text{ ng I-TEQ/g}$，寫出數據才能拿滿分。
3. 常見失分陷阱：

• 僅寫出定性描述，未寫出具體檢驗方法名稱（如 TCLP 毒性特性溶出程序）。
• 忽略混合五金廢料、戴奧辛與石綿等特殊有害廢棄物的獨立規範。
• 混淆「判定方式」與「分類」，答題時必須明確切分為「分類」與「判定」兩大部分作答。

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【答案】

依據我國《廢棄物清理法》第 2 條及《有害事業廢棄物認定標準》（以民國 111 年法規為準），有害事業廢棄物之分類與判定方式說明如下：

核心觀念

本題的核心在於「有害事業廢棄物安全管理」與「反應危害性評估」，涉及法規規範與化學工程安全：

1. 法規定義依據：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》第 2 條規範之「相容」與「不相容」法定定義。
2. 化學交互反應機制：不同化學組分廢棄物在貯存、輸送或混合時，可能因混合接觸產生熱力學非預期反應，包括強烈放熱（如強酸鹼中和）、氧化還原反應導致起火爆炸、酸鹼反應釋放劇毒/易燃氣體（如氰化物或硫化物遇酸），或腐蝕容器襯裡。
3. 安全工程目的：相容性分析旨在進行源頭危害辨識，作為廢棄物分類貯存、容器選擇、運送配伍及後續前處理/焚化調配（Waste Blending）的重要安全依據。

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解題方法

本題為典型的名詞定義與工程原理申論題，解題切入點分為兩大主軸：

1. 定義界定：

• 先正向定義「相容性」，再依據法規反向列舉「不相容」之法定危害反應要件（熱、火、爆、氣、害）。
• 輔以具體化學反應實例（例如：氰化物廢液遇酸產生劇毒氰化氫氣體），增加論述的工程深度與說服力。

2. 分析目的之系統化開展：

• 採「人身作業安全 $\to$ 硬體設施防護 $\to$ 製程處理優化 $\to$ 環境公害防治 $\to$ 法規合規管理」五大層次條列說明，展現架構化思維，避免片段碎裂的直覺式描述。

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選項分析

本題為高考三級之申論題，非選擇題，無選項需逐一辨析。子題權重與評分切入點如下：

• 子題一：廢棄物相容性定義（約佔 40% 分數）：評分重點在於是否寫出法規法定要件（不可僅用日常口語「混合後沒事」概括），必須明確列出放熱、燃燒、爆炸、釋出毒氣/易燃氣等關鍵反應。
• 子題二：進行廢棄物相容性分析之目的（約佔 60% 分數）：評分重點在於涵蓋面是否完整，除基本的防止火災爆炸等公安目的外，是否提及「廢棄物調配（Blending）」及「設施防蝕耐受性」是高分關鍵。

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解題技巧

1. 記憶口訣：不相容法定危害反應記住「熱、燃、爆、氣、損」：

• 熱：劇烈放熱反應。
• 燃：引發火災燃燒。
• 爆：引發爆炸或劇烈聚合。
• 氣：產生有毒氣體（Toxic gas）或易燃氣體（Flammable gas）。
• 損：腐蝕或損害容器、設施及包裝材質。

2. 答題加分關鍵：在定義後務必寫出 1～2 個典型反應式佐證，例如： $2\text{NaCN} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{HCN}\uparrow$ 此舉能展現扎實的環境化學實力，與一般純背法條的考生拉開差距。
3. 常見失分陷阱：

• 僅強調「廢棄物與廢棄物之間」的相容，遺漏了「廢棄物與容器／包裝材料」之間的相容性。
• 目的僅寫「預防工安事故」，未提及輔助後續處理（如焚化進料調配、固化中和評估）與預防二次污染。

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核心觀念

本題評量廢棄物熱處理（焚化）之燃燒品質指標與相關環境法規規範，核心架構涵蓋三大部分：

1. 灼燒減量（Loss on Ignition, LOI）之科學定義：評估殘渣中未燃盡可燃分（有機物）之化學分析方法與定量公式。
2. 工程與環境功能：自焚化爐燃燒效率、運轉控制（3T 原則：溫度 Temperature、滯留時間 Time、擾動 Turbulence）、底渣物理化學穩定性，以及後續資源化再利用之安全性切入。
3. 法規管制規範：以命題當年（民國 111 年）法規為準，引用《一般廢棄物回收清除處理辦法》及《事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準》中對焚化底渣灼燒減量之限值要求。

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解題方法

本題為標準申論題型，答題脈絡採「科學定義與測定公式 $\rightarrow$ 四大工程功能解析 $\rightarrow$ 現行法規條文與限值」層層開展，論述切入點如下：

一、焚化底渣灼燒減量之定義與計算公式

1. 定義： 灼燒減量（Loss on Ignition, LOI）係指廢棄物經高溫燃燒後所產生之底渣，在特定乾燥條件下去除水分後，置於高溫灰化爐中灼燒至恆重，其所減少之質量佔原乾燥底渣質量之百分比。此數值直接代表底渣中所殘留之「未燃有機物（未燃碳分）」含量。
2. 測定原理與標準方法： 依我國檢驗方法規範，底渣樣品先經 $105 \pm 5^\circ\text{C}$ 烘乾至恆重以去除水分，再置於高溫爐內以 $600 \pm 25^\circ\text{C}$ 灼燒 2 至 3 小時至恆重，使有機物完全氧化分解為氣體逸散，殘留者為不可燃之無機灰分。
3. 計算公式： $\text{LOI} (\%) = \frac{W_1 - W_2}{W_1 - W_0} \times 100\%$ 式中：

• $W_0$：空坩堝質量（$\text{g}$）
• $W_1$：坩堝與乾燥樣品之質量（$105^\circ\text{C}$ 乾燥至恆重後，$\text{g}$）
• $W_2$：坩堝與灼燒後殘渣之質量（$600^\circ\text{C}$ 灼燒至恆重後，$\text{g}$）

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二、焚化底渣灼燒減量之功能

1. 評估焚化爐燃燒效率與完全燃燒程度： 灼燒減量是判定固體廢棄物於燃燒室內是否達到完全燃燒（Complete Combustion）最客觀且直接的指標。LOI 越低，代表爐內燃燒效率越佳，廢棄物之體積減容比越高。
2. 提供操作參數回饋與製程控制基準： 運轉人員可藉由底渣 LOI 監測值，逆向診斷並調控燃燒條件，包含：

• 爐床移動推進速度（控制滯留時間 Time）。
• 一次空氣／二次空氣之配比與注入分佈（改善擾動 Turbulence 與氧氣充足度）。
• 主燃燒室操作溫度維持（燃燒溫度 Temperature）。

3. 確保底渣掩埋處置之環境安全性： 若底渣中殘留有機物偏高，進入掩埋場後易遭厭氧微生物分解產生惡臭氣體及有機酸；有機酸會降低掩埋滲出水之 $\text{pH}$ 值，進而大幅促成底渣中重金屬之溶出與遷移。低 LOI 可確保底渣具備良好的生物與化學穩定性。

核心觀念

本題評量廢棄物「中間處理」（含無害化、減容化、資源化）中四種重要物理、化學及熱處理技術的反應機構與工程原理。考生需精確掌握以下核心觀念與法規規範：

1. 固化與穩定化之本質區別與協同效應：

• 固化（Solidification）屬於「物理機制」（包覆、降低比表面積與透水性）。
• 穩定化（Stabilization）屬於「化學機制」（轉化為難溶態、低移動性、低毒性化合物）。
• 依據命題當年（民國 111 年）之《事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準》第 29 條，固化法處理後之固化物，其單軸向抗壓強度應在 $10\ \text{kg/cm}^2$（約 $0.98\ \text{MPa}$）以上，且毒性特性溶出程序（TCLP）溶出試驗必須符合法規標準。

2. 高壓液相氧化技術（濕式氧化法，Wet Air Oxidation, WAO）：

• 又稱 Zimpro 製程，利用高溫（$150 \sim 320\ ^\circ\text{C}$）與高壓（$2 \sim 20\ \text{MPa}$）維持水相不汽化，利用氧氣/空氣產生自由基，將高濃度難分解有機廢液或污泥直接礦化分解，省去高耗能的蒸發脫水步驟。

3. 熱處理中「熔融」與「熔煉」之功能導向差異：

• 熔融法（Melting / Vitrification）：以「無害化與安定封存」為主要目的。利用超過 $1,200\ ^\circ\text{C}$ 高溫破壞有機物，將灰渣、金屬等無機質熔融成岩漿態，驟冷後形成緻密的非晶質矽酸鹽玻璃質（Vitrified Slag），使重金屬鎖定於網狀結構中。
• 熔煉法（Smelting）：以「金屬資源回收提純」為主要目的。應用高溫火法冶金（Pyrometallurgy）原理，透過控制氧化還原電位、添加還原劑與助熔劑，在高溫熔融態下依比重與化學親和力將產物分相為「金屬相（或鋶相）」與「爐渣相」，分離並富集有價金屬。

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解題方法

本題為標準的比較型申論題，作答時切忌混淆或含糊帶過。建議採取「定義與反應機制 $\to$ 操作條件與工程特點 $\to$ 適用對象與最終產物特性」三層次架構分別闡述：

1. 固化／穩定化處理：拆解為「固化」與「穩定化」個別之機制，說明兩者如何結合使有害事業廢棄物達到物理強度及化學安定，並引申法規檢驗指標（TCLP、單軸向抗壓強度）。
2. 濕式氧化：強調「液相高溫高壓」環境、自由基氧化途徑，說明其免經相變脫水之節能特性與二次污染防制優勢（無粒狀物與戴奧辛問題）。
3. 熔融法：闡述無機網目形成物（Network Former，如 $\text{SiO}_2$）對重金屬的晶格包裹/固定原理，以及玻璃質急冷水淬的物理化學安定性。
4. 熔煉法：從冶金熱力學切入，說明金屬氧化物之還原反應，以及高溫液相下「比重差分離」（熔渣相浮於上、金屬/鋶相沉於下）之純化回收原理。
5. 綜合比較：文末以綜合比較表彙整處理標的、操作條件與機制差異，使評分委員一目了然。

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選項分析（申論題各子項剖析）

本題非選擇題，為申論問答題。以下針對題目所列之四項技術逐一進行深入剖析：

（一）固化／穩定化處理（Solidification / Stabilization, S/S）

1. 物理固化原理（Solidification）：

• 將水硬性固化劑（如波特蘭水泥、飛灰、高爐石粉）或熱塑性材料（如瀝青、聚乙烯）與廢棄物均勻混合。
• 固化劑與水發生水化反應生成水化矽酸鈣（C-S-H 凝膠）及鈣礬石（Ettringite）等水化結晶，將有害物質機械性包裹於固化體網狀孔隙內（包含微包覆 Microencapsulation 與巨包覆 Macroencapsulation）。
• 顯著降低固化體的孔隙率、透水性（通常透水係數 $k < 10^{-7}\ \text{cm/s}$）與幾何比表面積，大幅減緩外界水分滲透及有害物質之質量傳送溶出速率。

2. 化學穩定化原理（Stabilization）：

• 透過化學反應將廢棄物中具毒性、易溶出之離子轉換為熱力學更安定的不溶性型態。
• 機制包含：
• pH 調控與沉澱作用：利用鹼劑（$\text{Ca(OH)}_2$ 等）使重金屬轉化為溶解度積（$K_{sp}$）極低的重金屬氫氧化物沉澱，或添加硫化物、磷酸鹽形成溶解度極低的金屬硫化物（如 $\text{HgS}$）或磷酸鹽礦物（如磷灰石晶體結構）。
• 螯合作用：加入有機/無機高分子螯合劑，與重金屬離子形成穩定的配位錯合物。
• 晶格置換（Isomorphous Substitution）：重金屬離子（如 $\text{Pb}^{2+}, \text{Cd}^{2+}$）在高溫或水化晶體成長過程中，直接取代水泥水化礦物晶格中的 $\text{Ca}^{2+}$，固溶於結晶基質中。

（二）濕式氧化（Wet Air Oxidation, WAO）

1. 反應機制：

• 在高溫（$150 \sim 320\ ^\circ\text{C}$）及高壓（$2 \sim 20\ \text{MPa}$）條件下，將水相廢液置於反應器中，通入空氣或高純度氧氣作為氧化劑。
• 高壓主要用於克服水的飽和蒸氣壓，維持廢液在「全液相」狀態反應，避免水份汽化大量消耗蒸發潛熱。
• 高溫促使氧氣在液相中迅速溶解並裂解生成強氧化性自由基（如羥基自由基 $\text{OH}^\bullet$、氫過氧自由基 $\text{HO}_2^\bullet$）。
• 有機污染物經自由基鏈反應發生高溫液相氧化分解，依反應程度轉化： $\text{難分解大分子有機物} \xrightarrow{\text{氧化/裂解}} \text{低分子量有機酸（如乙酸）} \xrightarrow{\text{深度氧化}} \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$
• 廢液中之雜原子（N、S、P、Cl）分別被轉化為無害或安定的無機陰離子（如 $\text{NH}_4^+/\text{N}_2$、$\text{SO}_4^{2-}$、$\text{PO}_4^{3-}$、$\text{Cl}^-$），留於水相中。

（三）熔融法（Melting / Vitrification）

1. 高溫破壞與熔融機制：

• 將灰渣、脫水污泥等無機為主的固體廢棄物送入熔融爐（如電弧爐、電漿爐、表面熔融爐），加熱至灰渣熔點以上（通常為 $1,200 \sim 1,500\ ^\circ\text{C}$）。
• 在高溫下，殘餘有機物及微量毒性有機物（如戴奧辛）鍵結全數斷裂分解並燃盡。
• 易揮發性重金屬（如 $\text{Hg}, \text{Pb}, \text{Cd}$）氣化進入煙氣系統，藉由後續急冷及集塵設備捕集分離。

2. 玻璃質化安定機制（Vitrification）：

• 廢棄物中原本存在的酸性氧化物（如 $\text{SiO}_2$）作為「網目形成劑」（Network Former），鹼性氧化物（如 $\text{CaO}, \text{MgO}$）作為「網目修飾劑」（Network Modifier）。
• 不易揮發之重金屬（如 $\text{Cr}, \text{Ni}, \text{Cu}$）高溫下均勻互溶，被鑲嵌並封入矽酸鹽網狀晶格結構中。
• 液態熔渣自爐底引出後，經水淬（Water Quenching）或風冷急冷，由於冷卻速度極快，阻礙結晶析出，形成緻密的非晶質玻璃質水淬渣（Vitrified Slag）。該熔渣透水性近乎為零，耐候性強且重金屬溶出率遠低於法規標準。

（四）熔煉法（Smelting）

1. 火法冶金氧化還原機制：

• 屬於高溫熱化學分離回收技術，常用於金屬污泥、廢印刷電路板、觸媒等富含金屬廢棄物。
• 在還原爐中加入碳質還原劑（如焦炭、木炭）或通入還原性氣體（如 $\text{CO}, \text{H}_2$），利用埃靈漢圖（Ellingham Diagram）之自由能熱力學原理，使氧化物態的金屬在特定氧分壓與高溫（$1,100 \sim 1,400\ ^\circ\text{C}$）下被還原：

核心觀念

本題考驗廢棄物熱處理與燃燒熱力學之核心理論，主要涵蓋以下四項重要觀念與熱力學定義：

1. 定容反應熱與熱力學內能變化（$\Delta U$）： 在彈式熱卡計（Bomb Calorimeter）中，反應於固定體積下進行（$\Delta V = 0$），系統不對外作膨脹功（$W = 0$）。依據熱力學第一定律，此時所量測之反應釋熱量 $q_v$ 即等於系統的內能變化量 $\Delta U$： $q_v = \Delta U$
2. 焓（$H$）與內能（$U$）之熱力學關係式： 標準反應熱通常定義為定壓反應焓（$\Delta H^\circ$）。定壓焓變與定容內能變化之轉換關係式為： $\Delta H = \Delta U + \Delta(PV) \approx \Delta U + \Delta n_g R T$ 其中 $\Delta n_g$ 為反應前後純氣態產物與純氣態反應物之莫耳數差（凝結相體積忽略不計），$R$ 為理想氣體常數（$8.314\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}$），$T$ 為絕對溫度（$\mathrm{K}$）。
3. 燃燒化學計量平衡（Stoichiometry）： 需正確寫出廢棄物有機成分 $\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{18}$ 在足量氧氣下之完全燃燒方程式，精確求出氧氣需求量及產物氣體莫耳數。
4. 赫斯定律（Hess's Law）與產物水狀態轉換（高／低位發熱量轉換）： 熱卡計中水冷凝為液態水 $\mathrm{H}_2\mathrm{O}(l)$；而題目要求計算產物為水蒸氣 $\mathrm{H}_2\mathrm{O}(g)$ 時之反應熱。此轉換即為高位發熱量（HHV）與低位發熱量（LHV）之核心差異，需利用水的汽化熱 $\Delta H_{vap}$ 進行狀態校正。

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解題方法

步驟一：寫出燃燒化學反應方程式並平衡係數

以 1 莫耳廢棄物 $\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{18}$ 為基準：

• 碳平衡：生成 $10\ \mathrm{mol}\ \mathrm{CO}_2$
• 氫平衡：生成 $\frac{18}{2} = 9\ \mathrm{mol}\ \mathrm{H}_2\mathrm{O}$
• 氧平衡：需要 $10 + \frac{9}{2} = 14.5\ \mathrm{mol}\ \mathrm{O}_2$

反應一（熱卡計內實際反應，產物水為液態）： $\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{18}(l) + 14.5\,\mathrm{O}_2(g) \rightarrow 10\,\mathrm{CO}_2(g) + 9\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}(l)$

反應二（題目欲求目標反應，產物水為氣態）： $\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{18}(l) + 14.5\,\mathrm{O}_2(g) \rightarrow 10\,\mathrm{CO}_2(g) + 9\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}(g)$

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步驟二：計算莫耳分子量與定容燃燒內能變化量（$\Delta U_1$）

1. 計算 $\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{18}$ 之分子量 $M$： 取常用原子量 $\mathrm{C} = 12\ \mathrm{g/mol}$、$\mathrm{H} = 1\ \mathrm{g/mol}$： $M = 10 \times 12 + 18 \times 1 = 138\ \mathrm{g/mol}$ （若取精確原子量 $\mathrm{C} = 12.011$、$\mathrm{H} = 1.008$，則 $M = 138.25\ \mathrm{g/mol}$）

2. 求反應一之莫耳內能變化量 $\Delta U_1$： 題目敘述「測得所釋放的熱量為 $44000\ \mathrm{J/g}$」，放熱反應取負值： $q_v = -44000\ \mathrm{J/g}$ $\Delta U_1 = -44000\ \mathrm{J/g} \times 138\ \mathrm{g/mol} = -6,072,000\ \mathrm{J/mol} = -6072.0\ \mathrm{kJ/mol}$

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步驟三：計算反應一之標準反應熱（$\Delta H_1^\circ$）

由 $\Delta H = \Delta U + \Delta n_g R T$ 進行定容至定壓之修正：

• 溫度 $T = 25^\circ\mathrm{C} = 298.15\ \mathrm{K}$
• 氣體常數 $R = 8.314\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}$
• 反應一之氣體莫耳數變化量 $\Delta n_{g,1}$（反應物 $\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{18}$ 視為液態，產物水為液態，皆不計入）：