111 高普考高考三級 環保技術 環境污染防治技術 考古題詳解

核心觀念

本題評量環境污染防治技術中「大氣環境學」、「空氣污染防制法規」及「氣候變遷因應」之基礎核心定義。各小題涉及之核心知識點如下：

1. 乾絕熱遞減率（DALR）：大氣熱力學、乾空氣塊絕熱垂直運動與大氣穩定度判別原理。
2. 二次污染物：大氣化學反應、前驅物光化學轉換與氣膠生成機制。
3. 溫室氣體密集度：碳排放與經濟產出（或產品產能）之相對指標、碳脫鉤（Decoupling）分析。
4. 空氣品質指標（AQI）：空氣品質監測、分級副指標計算原理（取最大值法）與健康風險分級傳達。
5. 有害空氣污染物（HAPs）：具致癌性與急慢性毒性之空氣毒物定義、健康風險評估機制，以及以命題當年（民國 111 年）法規為準之《空氣污染防制法》與《固定污染源有害空氣污染物排放標準》。

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解題方法

針對「名詞解釋（每小題 5 分）」題型，評分標準著重在「定義精準度」、「物理／化學／數學公式與法源依據」、「實務運作或環境意涵」與「實例舉證」四個維度。解題切入架構為：

• (一) 乾絕熱遞減率：給予精確熱力學定義 $\to$ 推導數值公式（常數值） $\to$ 說明其在大氣穩定度及煙流擴散之判定用途。
• (二) 二次污染物：定義與一次污染物之區隔 $\to$ 反應機制（光化學、氣相／液相氧化） $\to$ 條列代表性物種與防治難點。
• (三) 溫室氣體密集度：數學表達式 $\to$ 分子與分母物理意義 $\to$ 國家經濟及產業碳效率管理之政策意涵。
• (四) 空氣品質指標：指標整合原理（最大副指標值法） $\to$ 列管污染物項目 $\to$ 分級顏色與健康防護提示。
• (五) 有害空氣污染物：健康危害特徵 $\to$ 法規列管依據（命題當年民國 111 年環保署管制物種） $\to$ 管制對策（MACT、風險評估）。

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申論詳解

(一) 乾絕熱遞減率（Dry Adiabatic Lapse Rate, DALR, 常記為 $\Gamma_d$）

1. 定義： 指未飽和（相對濕度未達 100%）之空氣塊，在大氣中垂直升降時，因與周遭環境無熱量交換（絕熱過程），僅因外界氣壓隨高度改變而膨脹或壓縮，所產生之溫度隨高度增加而遞減的變化率。
2. 數值與理論公式： 由熱力學第一定律與流體靜力平衡方程式（Hydrostatic equation）推導： $\Gamma_d = -\frac{dT}{dz} = \frac{g}{C_p}$ 式中：

• $g$ 為重力加速度（約 $9.81\text{ m/s}^2$）
• $C_p$ 為乾空氣定壓比熱（約 $1004.5\text{ J}/(\text{kg}\cdot\text{K})$） 計算可得乾絕熱遞減率約為 $0.98\ ^\circ\text{C}/100\text{ m}$，實務工程計算常取 $1.0\ ^\circ\text{C}/100\text{ m}$（或 $9.8\ ^\circ\text{C/km}$）。

3. 環境工程意涵： 乾絕熱遞減率 $\Gamma_d$ 與環境大氣垂直溫度遞減率（Environmental Lapse Rate, ELR，記為 $\Gamma$）之比較，是大氣穩定度判斷之基準：

• 當 $\Gamma > \Gamma_d$：超絕熱（Superadiabatic），大氣處於不穩定狀態，對流旺盛，有利於污染物垂直稀釋擴散（如波浪型煙流 Loop）。
• 當 $\Gamma = \Gamma_d$：中性（Neutral），煙流呈錐型（Coning）。
• 當 $\Gamma < \Gamma_d$：大氣處於穩定狀態，垂直擴散受抑制（如扇型煙流 Fanning；若遇逆溫 $\Gamma < 0$，則極易發生嚴重空污累積）。

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(二) 二次污染物（Secondary Pollutant）

1. 定義： 由污染源直接排放之化學物質稱為一次污染物（Primary pollutants）；而一次污染物進入大氣後，與大氣中既有成分（如氧氣、水氣、自由基）或其他污染物，經由化學反應、光化學反應或物理凝結機制轉化衍生生成之新污染物，稱為二次污染物。
2. 生成機制與代表性物質：

• 光化學氧化物：揮發性有機物（VOCs）與氮氧化物（$\text{NO}_x$）在陽光紫外線（$h\nu$）照射下進行光化學鏈反應，生成臭氧（$\text{O}_3$）及過氧硝酸乙醯酯（PAN），此即光化學煙霧（Photochemical smog）。
• 二次無機氣膠：氣態前驅物經氣相／液相氧化轉化為微粒，如二氧化硫（$\text{SO}_2$）氧化成硫酸根（$\text{SO}_4^{2-}$）、二氧化氮（$\text{NO}_2$）氧化成硝酸根（$\text{NO}_3^-$），並與氨氣（$\text{NH}_3$）中和生成硫酸銨與硝酸銨微粒。
• 二次有機氣膠（SOA）：VOCs（如甲苯、萜烯類）經羥基自由基（$\cdot\text{OH}$）等氧化生成低揮發性有機物，凝結形成之微細懸浮微粒（$\text{PM}_{2.5}$ 之主要成分）。

3. 防治特性： 二次污染物非由排氣煙囪直接排出，往往於背風側或下游下風處累積，具有區域性污染特徵；防治對策必須自源頭同時削減其「前驅物」（如 VOCs、$\text{NO}_x$、$\text{SO}_x$），控制難度顯著高於一次污染物。

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(三) 溫室氣體密集度（Greenhouse Gas Intensity）

1. 定義與公式： 指單位經濟產出（或單位產量）所排放之溫室氣體總量，用以衡量經濟活動、特定產業或企業實體之「碳排放效率」（Carbon Efficiency）。其計算公式為： $\text{溫室氣體密集度} = \frac{\text{溫室氣體總排放量（公噸 }\text{CO}_2\text{e）}}{\text{經濟產出指標（如實質 GDP、營業額、或產品實體產量）}}$
2. 核心內涵與應用範疇：

• 國家層級（總體經濟）：以 $\text{CO}_2\text{e} / \text{GDP}$ 計量。

核心觀念

1. 好氧微生物之營養需求平衡（Nutrient Requirements）： 活性污泥法中，微生物進行異營性生長代謝需要足量的巨量營養元素。傳統教科書與實務上常稱之「碳：氮：磷（$\mathrm{C:N:P}$）$= 100:5:1$」，其本質為**可生化分解之有機基質（以 $\mathrm{BOD_5}$ 為代表）：總凱氏氮（$\mathrm{TKN}$）：總磷（$\mathrm{TP}$）**之質量比值。
2. 有機碳分析指標：

• $\mathrm{BOD_5}$（五日生化需氧量）：代表微生物代謝所能利用之有機碳氧當量。
• $\mathrm{TOC}$（總有機碳）：測定水樣中有機碳之直接元素碳含量。
• $\mathrm{COD}$（化學需氧量）：以化學強氧化劑測定之總有機物氧當量。

3. 微生物合成代謝與化學計量（Stoichiometry & Yield Coefficient）：

• 細胞增殖關係式：$\Delta X = Y \times \Delta S$（其中 $\Delta X$ 為生物合成量，$Y$ 為微生物產率係數，$\Delta S$ 為基質消耗量）。
• 微生物細胞經驗化學式通常表示為 $\mathrm{C_5H_7O_2N}$，其分子量為 $113\ \mathrm{g/mol}$，細胞內含氮重量百分比約為 $12.4\%$。

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解題方法

(一) 碳的分析方法及其單位說明

在環境工程與活性污泥實務中，文獻所稱之「碳：氮：磷 $= 100:5:1$」中的「碳」，主要代表生物可分解之有機碳源（基質），實務上最普遍以 $\mathrm{BOD_5}$ 測定；若從純元素碳之化學定量角度，則以 $\mathrm{TOC}$ 分析。答題時宜將這兩種代表性指標之原理與單位完整列出：

1. 生化需氧量（$\mathrm{BOD_5}$）—— 實務與工程文獻之最主要指標

• 分析原理： 依據標準檢驗方法（溶氧瓶檢稀釋法），取適當稀釋並植種之水樣，注入五日生化需氧量培養瓶中，於 $20 \pm 1^\circ\mathrm{C}$ 避光培養 5 天。測定培養前之初始溶氧（$\mathrm{DO_0}$）及培養 5 天後之殘餘溶氧（$\mathrm{DO_5}$），以兩者之消耗差值計算： $\mathrm{BOD_5} = \frac{\mathrm{DO_0} - \mathrm{DO_5}}{P}$ （式中 $P$ 為水樣稀釋體積分率）。
• 測定單位： $\mathrm{mg/L}$（或 $\mathrm{g/m^3}$），其實質物理意義為毫克氧當量/公升（$\mathrm{mg\ O_2/L}$）。

2. 總有機碳（$\mathrm{TOC}$）—— 嚴格化學定義之有機碳指標

• 分析原理： 依據標準高溫催化燃燒或低溫紫外光-過硫酸鹽氧化法。水樣先經加酸酸化（$\mathrm{pH} < 2$）並以無碳氣體曝氣驅除無機碳（$\mathrm{IC}$，如 $\mathrm{CO_3^{2-}}$、$\mathrm{HCO_3^-}$），接著注入 $680^\circ\mathrm{C} \sim 950^\circ\mathrm{C}$ 的燃燒管中，在催化劑輔助下將有機碳完全氧化轉化為 $\mathrm{CO_2}$，最後藉由**非分散紅外線光度計（NDIR）**定量產生之 $\mathrm{CO_2}$ 氣體吸收強度。
• 測定單位： $\mathrm{mg/L}$，其實質物理意義為毫克碳/公升（$\mathrm{mg\ C/L}$）。

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(二) 碳：氮比值大約為 $100 : 5$ 之推導與證明

1. 計算分子量

• 基質（葡萄糖 $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$）： $\mathrm{MW_{substrate}} = 6 \times 12 + 12 \times 1 + 6 \times 16 = 180\ \mathrm{g/mol}$
• 微生物細胞（$\mathrm{C_5H_7O_2N}$）： $\mathrm{MW_{biomass}} = 5 \times 12 + 7 \times 1 + 2 \times 16 + 14 = 113\ \mathrm{g/mol}$

核心觀念

本題為環境污染防治技術中「有害廢棄物焚化處理」的經典質量平衡與處理效率計算題，核心重點包含：

1. 破壞去除效率（Destruction and Removal Efficiency, DRE）定義： 焚化設施對特定有害物質的處理效率，係指進入系統之目標物質質量流率與未破壞而排出系統之目標物質質量流率之間的差值佔進料之百分比： $\eta = \frac{W_{\text{in}} - W_{\text{out}}}{W_{\text{in}}} \times 100\%$ 其中：

• $W_{\text{in}}$：單位時間進入焚化爐的 PCB 質量（$\mathrm{kg/hr}$）。
• $W_{\text{out}}$：單位時間排出焚化系統的 PCB 總質量（包含煙囪排放氣體、底渣及飛灰等）。

2. 多氯聯苯（PCBs）法規排放要求（背景延伸）： 以命題當年（民國 111 年）之《事業廢棄物焚化處理設施容許排放標準》為準，有害事業廢棄物焚化爐處理含多氯聯苯之廢棄物時，其破壞去除效率（DRE）法定標準通常要求應達 $99.9999\%$（即俗稱的「6 個 9」）以上。本題計算旨在考查工程實務上之質量守恆與效率量測。

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解題方法

本題計算採用「穩態質量平衡法（Steady-State Mass Balance）」，分為三大步驟推導：

步驟一：計算進料中 PCB 之質量流率（$W_{\text{in}}$）

廢溶劑進料速度為 $120\ \mathrm{kg/hr}$，PCB 重量百分率為 $23\%$： $W_{\text{in}} = 120\ \mathrm{kg/hr} \times 23\% = 120 \times 0.23 = 27.6\ \mathrm{kg/hr}$

步驟二：計算排放系統中 PCB 之總排出流率（$W_{\text{out}}$）

1. 煙囪氣相排出量（$W_{\text{gas}}$）：

• 煙囪氣體排氣量：$Q = 45\ \mathrm{m^3/min} = 45 \times 60\ \mathrm{m^3/hr} = 2,700\ \mathrm{m^3/hr}$
• 煙囪氣體 PCB 濃度：$C = 0.02\ \mathrm{g/m^3}$
• 煙囪每小時 PCB 排放質量： $W_{\text{gas}} = Q \times C = 2,700\ \mathrm{m^3/hr} \times 0.02\ \mathrm{g/m^3} = 54\ \mathrm{g/hr}$
• 轉換為與進料相同之質量單位（$\mathrm{kg/hr}$）：

核心觀念

本題考查環境化學與環境毒物學中**持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants，簡稱 POPs）**的環境歸宿（Environmental Fate）與危害特徵。其法源與國際規範依據為聯合國環境規劃署（UNEP）通過之《斯德哥爾摩公約》（Stockholm Convention on POPs）。公約界定 POPs 為具備在環境中長期殘留、經由食物鏈生物蓄積、透過大氣長程遷移，並對人體與生態系產生有害影響之碳基化合物。環境化學上常用半衰期（$t_{1/2}$）、辛醇-水分配係數（$\log K_{ow}$）、生物濃縮係數（$\text{BCF}$）及蒸氣壓等參數予以量化評估。

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解題方法

本題為 25 分之典型申論題，評分標準在於「四大特性之定義、微觀化學機制、宏觀環境歸宿指標，以及代表性污染物質實例」之完整度。解題切入點如下：

1. 破題定義：簡述 POPs 之國際公約源流與典型代表物（如有機氯農藥 DDT、工業化學品 PCBs、非蓄意衍生化合物戴奧辛等）。
2. 分項詳述四大特性：依序闡明「環境持久性（Persistence）」、「生物蓄積性（Bioaccumulation）」、「長程環境傳輸性（Long-range Environmental Transport）」及「毒性（Toxicity）」。每一項皆須包含機制成因、物理化學指標／判別標準及環境生態後果。
3. 結論收尾：點出防治策略（源頭減量、最佳可行技術 BAT 與最佳環境作業 BEP）。

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解題技巧

1. 四字口訣記憶：「持、蓄、遷、毒」（持久、蓄積、長程遷移、毒性）。
2. 避免空洞描述：若僅寫出名詞而無化學與物理機制，難以拿到 20 分以上高分。關鍵給分詞彙務必精確作答：

• 持久性 $\rightarrow$ 強共價鍵（如 C-Cl 鍵）、芳香環結構、耐光解／水解／生物代謝。
• 生物蓄積性 $\rightarrow$ 高親脂性、低水溶性、高 $\log K_{ow}$、食物鏈生物放大作用（Biomagnification）。
• 長程傳輸性 $\rightarrow$ 半揮發性（SVOCs）、大氣對流、蚱蜢效應（Grasshopper Effect）／全球蒸餾效應（Global Distillation）。
• 毒性 $\rightarrow$ 內分泌干擾（環境荷爾蒙）、致癌、致畸、生殖發育毒性。

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【答案】

一、前言 持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants, POPs）係指廣泛存在於環境中，具有高化學穩定性且不易受自然環境分解之含碳有機化合物。聯合國於 2001 年簽署《斯德哥爾摩公約》（我國亦制定《持久性有機污染物環境荷爾蒙管理計畫》配合推推管制，以命題當年民國 111 年規範為準），其列管物質（如 DDT、多氯聯苯 PCBs、戴奧辛 PCDD/Fs 等）共同具備以下四大環境行為與毒理特性：

二、持久性有機污染物（POPs）之四大特性

(一) 環境持久性（Persistence）

1. 化學機制：POPs 多具高度鹵化（主要為氯化）之芳香烴或穩定環狀結構，其分子內碳－鹵鍵（如 $\text{C}-\text{Cl}$）鍵能極高，對自然界之光化學氧化（Photolysis）、水解反應（Hydrolysis）及微生物生物降解（Biodegradation）具有極強抵抗力。