114 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

本題考查湖泊、水庫的季節性熱分層與翻轉，以及水體混合狀態如何改變溶氧、營養鹽與氧化還原條件，進而影響微生物的分布與代謝。

水的密度受溫度影響：淡水在約 $4^\circ\mathrm{C}$ 時密度最大。水面受日照升溫後密度變小，較輕的暖水浮在上層；深層水溫較低、密度較大，因而形成穩定分層。溫躍層是水溫隨深度快速下降的區域，也是上下層交換受到抑制的界面。

解題方法

依序從「季節溫度與密度變化 → 水體混合狀態 → 化學與微生物效應」說明。先交代分層、翻轉的成因，再分別比較分層期與翻轉期的水質及微生物變化，即可完整作答。

季節性分層與翻轉的原因

• **夏季分層：**表層水受日照加熱，形成較暖、較輕的表水層；深層水較冷、較重，兩者間形成溫躍層。密度差抑制垂直混合，表層與底層逐漸隔離。
• **冬季分層：**寒冷地區的表層水冷卻至接近或低於 $4^\circ\mathrm{C}$，密度較低，甚至結冰，浮於較暖且接近 $4^\circ\mathrm{C}$ 的深層水之上，形成逆溫分層。此現象主要適用於冬季水面可冷卻至低於 $4^\circ\mathrm{C}$ 的地區。
• **春、秋季翻轉：**表層與深層水溫逐漸接近，密度差縮小；風力等外力可使水柱上下混合，將深層水帶至表層、表層水帶至深層。此時稱為全湖混合或翻轉。

對環境化學的影響

分層期間

1. **溶氧垂直分布差異加大：**表層與大氣接觸，且藻類行光合作用，可補充溶氧；深層與表層隔離，底泥及有機物分解持續耗氧，容易形成低溶氧或缺氧環境。
2. **底泥還原與物質釋出：**底層缺氧時，氧化還原電位下降，鐵、錳的氧化物可能還原溶解，使吸附或共沉澱的磷釋出至水中；氨氮、硫化物及甲烷等還原性物質也可能累積。
3. **營養鹽與代謝產物累積：**上下層交換受阻，深層分解所釋出的營養鹽不易補充至表層，深層的二氧化碳及分解產物亦易累積；表層則可能因藻類攝取而呈現營養鹽降低。

核心觀念

本題考查臺灣河川污染指數（River Pollution Index, RPI）的組成、計算及其作為綜合水質指標的意義，並比較以單一生化需氧量（BOD）評估河川水質的優缺點。

RPI 是由四項水質參數換算污染點數後取平均的綜合指標：

$$\mathrm{RPI}=\frac{1}{4}\sum_{i=1}^{4}S_i$$

其中 $S_i$ 為各水質項目的污染點數，RPI 範圍為 1 至 10；數值愈高，表示污染程度愈嚴重。四項參數及其代表意義如下：

• 溶氧量（DO）：反映水體供氧與耗氧的平衡，以及水生生物可利用的氧量。DO 愈低，通常代表水體受污染或耗氧作用愈強，因此在 RPI 中，DO 越低，污染點數越高。
• 生化需氧量（BOD₅）：在規定試驗條件下，微生物分解水中可生物分解有機物所消耗的氧量。BOD₅ 愈高，通常表示可分解有機物負荷愈高。
• 懸浮固體（SS）：水中懸浮顆粒物的濃度，可反映泥砂、沖刷、排水或其他懸浮物負荷；過高會使水體混濁，並可能影響水生生物及河床環境。
• 氨氮（NH₃-N）：反映水中氨態氮負荷，常與生活污水、畜牧廢水及有機氮分解有關；氨氮也可能造成水生生物毒性，並在硝化過程中消耗氧氣。

各參數先依濃度或 DO 所屬級距給予點數，再取四項點數的平均。污染程度分為未（稍）受污染、輕度污染、中度污染及嚴重污染；一般判讀界線為：RPI $\leq 2.0$、$2.0<\mathrm{RPI}\leq3.0$、$3.0<\mathrm{RPI}\leq6.0$、$\mathrm{RPI}>6.0$。

解題方法

作答時先說明 RPI 不是單看某一項濃度，而是把四項指標各自換算成污染點數後平均。接著逐項交代它所代表的污染面向，尤其指出 DO 與其餘三項的判讀方向不同：DO 低代表污染點數升高；BOD₅、SS 及氨氮高則代表污染點數升高。

再比較「改用 BOD 作為單一指標」的利弊。比較重點不是只說 BOD 有代表性，而是說明它適合代表哪一類污染、單一參數又會漏掉哪些水質訊息。

以 BOD 作為單一指標的利弊

優點：

核心觀念

大氣污染討論中的氮氧化物（$NO_x$），通常指一氧化氮（$NO$）與二氧化氮（$NO_2$）的總稱。兩者可在大氣中互相轉化，並進一步形成硝酸、硝酸鹽粒子等含氮污染物。

$NO_x$ 的來源可分為人為來源與自然來源。說明環境效應時，應由 $NO_x$ 的大氣反應連結到光化學煙霧、酸沉降、細懸浮微粒及氮沉降等結果。

解題方法

作答時先交代 $NO_x$ 的定義，再按來源說明生成反應，最後用反應式串起環境效應。燃燒高溫生成 $NO$、$NO$ 氧化成 $NO_2$，是說明人為排放與後續大氣化學反應的主軸。

來源與生成反應

人為來源

1. 高溫燃燒的熱力型 $NO_x$ 車輛引擎、火力電廠、工業鍋爐等燃燒設備中的高溫，使空氣中的氮氣與氧氣反應生成 $NO$：

$\mathrm{N_2+O_2 \rightleftharpoons 2NO}$

排出的 $NO$ 接著與氧氣反應，形成 $NO_2$：

$\mathrm{2NO+O_2 \rightarrow 2NO_2}$

2. 燃料型 $NO_x$ 煤、重油等燃料若含有含氮化合物，燃燒時燃料氮可被氧化成 $NO$ 或 $NO_2$。其實際產物比例受燃料組成、燃燒溫度及空燃比等條件影響。

3. 快速型 $NO_x$ 燃燒過程中，燃料中的烴類自由基可與空氣中的氮氣反應，形成含氮中間物，再轉化為 $NO$。此途徑在火焰前緣等區域發生。

自然來源

1. 雷擊 雷擊放電產生極高溫，使大氣中的氮氣與氧氣反應：

$\mathrm{N_2+O_2 \rightarrow 2NO}$

生成的 $NO$ 後續可氧化為 $NO_2$。

2. 土壤微生物作用 土壤中的硝化與反硝化作用會釋放含氮氣體。以硝化作用的總反應為例：

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

硝化、反硝化過程可伴隨 $NO$ 等含氮氣體的生成與釋放。

3. 野火與生物質燃燒 野火燃燒植物及土壤有機物時，會排放 $NO_x$；燃燒溫度及生物質中的氮含量會影響排放量。

主要環境效應

1. 光化學煙霧與近地面臭氧

日光使 $NO_2$ 光解，生成 $NO$ 與氧原子；氧原子再與氧氣結合形成臭氧：

核心觀念

本題考查地表水日夜水質變化與微生物代謝的關係、消毒策略，以及以餘氯衰減資料判定反應級數並計算速率常數與半衰期。

藻類及水生植物白天進行光合作用，消耗水中溶解二氧化碳，使碳酸平衡往二氧化碳補充方向移動，氫離子濃度降低，pH 上升；夜間光合作用停止，藻類、植物與微生物仍持續呼吸及分解有機物，釋出二氧化碳，使 pH 下降。

餘氯衰減通常以反應級數模型分析。若為一級反應：

$$\ln\left(\frac{C_t}{C_0}\right)=-kt$$

其中 $C_0$、$C_t$ 分別為起始與時間 $t$ 的餘氯濃度，$k$ 為一級反應速率常數，單位為時間的倒數；半衰期為：

$$t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}$$

解題方法

（一）pH 日夜震盪與消毒策略

白天，浮游藻類及水生植物吸收溶解無機碳進行光合作用：

$$\mathrm{CO_2+H_2O \rightarrow (CH_2O)+O_2}$$

水中 $\mathrm{CO_2}$ 減少，碳酸平衡隨之改變：

$$\mathrm{CO_2+H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$$

二氧化碳被消耗後，平衡向左移動，氫離子濃度降低，因此 pH 上升。藻類生長旺盛、水體停留時間長或鹼度較高時，白天 pH 可升至 8～9。

夜間無光，光合作用停止；藻類、植物與異營微生物仍進行呼吸作用及有機物分解，消耗氧氣並釋出二氧化碳。二氧化碳溶於水形成碳酸、增加氫離子，故 pH 下降至 6～7。

適合採用先混凝、過濾，再以氯胺維持管網消毒的策略，並以足夠接觸時間確保消毒效果。藻類旺盛造成的有機物與細胞碎片應先透過混凝、沉澱及過濾降低，避免直接加氯使有機物形成較多消毒副產物。氯胺消毒力較自由氯弱、反應較慢，但餘效較持久，適合作為後段管網維持消毒的方式。操作上應監測原水 pH、藻類、有機物及餘氯，並依實際水質調整藥劑量與接觸時間。

核心觀念

本題考查過硫酸根活化生成硫酸根自由基的化學計量，以及氧化壬烷時的電子、原子平衡與理想氣體定律。題目未提供污染物實際種類與用量，以下依反應式所示，以壬烷 $\mathrm{C_9H_{20}}$ 為完全氧化對象；並假設生成的氣體全部留在整治井內，井內氣體體積等於井的幾何容積。

解題方法

1. 平衡過硫酸根生成自由基的反應

過硫酸根中的兩個硫原子各形成一個硫酸根自由基，因此：

$$\mathrm{S_2O_8^{2-} \rightarrow 2SO_4^{-\cdot}}$$

每 $1$ mol $\mathrm{S_2O_8^{2-}}$ 生成 $2$ mol $\mathrm{SO_4^{-\cdot}}$。

過硫酸鈉摩爾質量為：

$$M_{\mathrm{Na_2S_2O_8}} =2(22.99)+2(32.06)+8(16.00) \approx 238.10\ \mathrm{g/mol}$$

因此，$200\ \mathrm{kg}$ 過硫酸鈉的莫爾數為：

$$n_{\mathrm{S_2O_8^{2-}}} =\frac{200{,}000\ \mathrm{g}}{238.10\ \mathrm{g/mol}} \approx 839.98\ \mathrm{mol}$$

生成的硫酸根自由基莫爾數為：

$$n_{\mathrm{SO_4^{-\cdot}}} =2(839.98) \approx 1.680\times10^3\ \mathrm{mol}$$

2. 平衡硫酸根自由基氧化壬烷的反應

以壬烷完全氧化為二氧化碳，平衡後為：

$$\mathrm{76SO_4^{-\cdot}+C_9H_{20}+56H_2O \rightarrow 9CO_2+76H^++76SO_4^{2-}}$$

此式中的自由基與壬烷莫耳比為 $76:1$。因此，壬烷完全反應時，每 $1$ mol 硫酸根自由基生成 $1$ mol $\mathrm{H^+}$，並生成 $\frac{9}{76}$ mol $\mathrm{CO_2}$。

題目指定自由基與油品立即完全反應而消耗完，故：

$$n_{\mathrm{H^+}}=1.680\times10^3\ \mathrm{mol}$$ $$n_{\mathrm{CO_2}} =\frac{9}{76}(1.680\times10^3) \approx 198.9\ \mathrm{mol}$$