112 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

1. 選擇性觸媒還原法（Selective Catalytic Reduction, SCR）反應原理與化學計量比： SCR 是利用添加還原劑（通常為氨氣 $NH_3$ 或尿素），在觸媒（如 $V_2O_5-WO_3/TiO_2$）與適當溫度（通常為 $300\ ^\circ\mathrm{C}\sim 400\ ^\circ\mathrm{C}$）作用下，將排氣中的 $NO_x$ 還原為無害的 $N_2$ 與 $H_2O$。主要反應式如下： $4NO + 4NH_3 + O_2 \xrightarrow{\text{Catalyst}} 4N_2 + 6H_2O$ $NO + NO_2 + 2NH_3 \xrightarrow{\text{Catalyst}} 2N_2 + 3H_2O$ $6NO_2 + 8NH_3 \xrightarrow{\text{Catalyst}} 7N_2 + 12H_2O$ 由於燃燒煙道氣中的 $NO_x$ 絕大部分為 $NO$（約佔 $90\%\sim 95\%$ 以上），且「快速 SCR 反應（Fast SCR）」中 $NO$ 與 $NO_2$ 等莫耳反應時其 $NH_3/NO_x$ 莫耳比亦為 $1:1$。在工程理論計算與國家考試慣例上，還原每莫耳之 $NO_x$ 所需之理論氨添加量莫耳比為： $\frac{\text{moles of } NH_3}{\text{moles of } NO_x} = 1.0$

2. 污染去除效率公式： $\eta = \frac{C_{in} - C_{out}}{C_{in}} \times 100\%$ 其中 $C_{in}$ 為進口濃度，$C_{out}$ 為出口濃度。

3. 理想氣體狀態方程式與氣體莫耳流率： $PV = nRT \implies \dot{n} = \frac{P \cdot Q}{R \cdot T}$ 其中：

• 壓力 $P = 1\ \mathrm{atm}$
• 溫度 $T = 300\ ^\circ\mathrm{C} = 573.15\ \mathrm{K}$
• 氣體常數 $R = 0.08206\ \mathrm{atm\cdot m^3 / (kmol\cdot K)}$
• $Q$ 為實際氣體體積流率（$\mathrm{m^3/min}$）

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解題方法

1. 計算 SCR 程序的去除效率

由去除效率定義代入已知濃度：

• 入口 $NO_x$ 濃度 $C_{in} = 500\ \mathrm{ppmv}$
• 出口 $NO_x$ 濃度 $C_{out} = 100\ \mathrm{ppmv}$

$\eta = \frac{500\ \mathrm{ppmv} - 100\ \mathrm{ppmv}}{500\ \mathrm{ppmv}} \times 100\% = \frac{400}{500} \times 100\% = 80\%$

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2. 計算所需添加還原劑氨（$NH_3$）的劑量

步驟一：計算去除之 $NO_x$ 體積流率 煙道氣在操作條件（$1\ \mathrm{atm}, 300\ ^\circ\mathrm{C}$）下的實際總體積流率為 $Q = 50{,}000\ \mathrm{CMM} = 50{,}000\ \mathrm{m^3/min}$。 被去除的 $NO_x$ 濃度差為： $\Delta C = C_{in} - C_{out} = 500 - 100 = 400\ \mathrm{ppmv} = 400 \times 10^{-6}\ \mathrm{m^3/m^3}$ 去除之 $NO_x$ 實際體積流率 $Q_{NO_x}$： $Q_{NO_x} = 50{,}000\ \mathrm{m^3/min} \times (400 \times 10^{-6}) = 20\ \mathrm{m^3/min}$

步驟二：換算為莫耳流率（$\mathrm{kmol/min}$ 與 $\mathrm{kmol/hr}$） 煙道氣溫度 $T = 300 + 273.15 = 573.15\ \mathrm{K}$，壓力 $P = 1\ \mathrm{atm}$。

核心觀念

本題考查污水處理中混凝沉降程序之污泥產量質量平衡（Mass Balance）計算，核心包含以下四大觀念與公式：

1. 每日污泥乾固體總量（Dry Solids Mass, $M_{\text{total}}$）來源： 混凝沉降產生的乾固體由兩大部分組成：

• 廢水中被去除的懸浮固體（Suspended Solids, SS）：$M_{\mathrm{SS}}$
• 添加之化學混凝劑（明礬）水解反應生成之金屬氫氧化物沉澱物 $\mathrm{Al(OH)_3}$：$M_{\mathrm{chem}}$ $M_{\text{total}} = M_{\mathrm{SS}} + M_{\mathrm{chem}}$

2. 明礬水解反應之化學計量關係： 明礬（$\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot14H_2O}$）於水中與鹼度反應生成不溶性的氫氧化鋁沉澱： $\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot14H_2O} + 3\mathrm{Ca(HCO_3)_2} \rightarrow 2\mathrm{Al(OH)_3}\downarrow + 3\mathrm{CaSO_4} + 14\mathrm{H_2O} + 6\mathrm{CO_2}$ 每 $1\ \mathrm{mol}$ 明礬完全反應可產生 $2\ \mathrm{mol}$ 之 $\mathrm{Al(OH)_3}$。

3. 濕污泥質量與固體含量關係： 污泥固體含量（含固率 $P_s$）為乾固體質量佔濕污泥總質量的百分比： $M_{\text{sludge}} = \frac{M_{\text{total}}}{P_s}$

4. 污泥體積與比重關係： 題目所給「污泥比重 $2.6$」在工程實務與環境工程學理中係指污泥乾固體之比重（Specific Gravity of Solids, $S_s = 2.6$）。含固率僅 $1.05\%$ 的濕污泥其整體比重（$S_{\text{sludge}}$）由固體與水共同構成： $\frac{1}{S_{\text{sludge}}} = \frac{P_s}{S_s} + \frac{P_w}{S_w}$ 亦即總體積為固體體積與水體積之和： $V_{\text{sludge}} = V_s + V_w = \frac{M_{\text{total}}}{\rho_w \times S_s} + \frac{M_{\text{water}}}{\rho_w}$ （其中 $\rho_w = 1{,}000\ \mathrm{kg/m^3}$，$S_w = 1.0$）

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解題方法

步驟一：計算每日去除的懸浮固體質量（$M_{\mathrm{SS}}$）

• 進水流量 $Q = 4{,}000\ \mathrm{m^3/day}$
• 去除的懸浮固體濃度差 $\Delta \mathrm{SS} = 50\ \mathrm{mg/L} - 10\ \mathrm{mg/L} = 40\ \mathrm{mg/L} = 40\ \mathrm{g/m^3}$

$M_{\mathrm{SS}} = Q \times \Delta \mathrm{SS} = 4{,}000\ \mathrm{m^3/day} \times 40\ \mathrm{g/m^3} \times 10^{-3}\ \mathrm{kg/g} = 160\ \mathrm{kg/day}$

步驟二：計算明礬水解產生的化學污泥乾重（$M_{\mathrm{chem}}$）

1. 計算分子量：

• 明礬 $\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot14H_2O}$： $\mathrm{MW} = 27 \times 2 + (32 + 16 \times 4) \times 3 + 14 \times (1 \times 2 + 16) = 54 + 288 + 252 = 594\ \mathrm{g/mol}$
• 氫氧化鋁 $\mathrm{Al(OH)_3}$： $\mathrm{MW} = 27 + (16 + 1) \times 3 = 78\ \mathrm{g/mol}$

2. 化學計量質量轉換比： $1\ \mathrm{mol}$ 明礬（$594\ \mathrm{g}$）生成 $2\ \mathrm{mol}\ \mathrm{Al(OH)_3}$（$2 \times 78 = 156\ \mathrm{g}$），生成比為： $\frac{2 \times 78}{594} = \frac{156}{594} \approx 0.2626\ \mathrm{g\text{-}Al(OH)_3 / g\text{-}Alum}$

3. 每日明礬添加總量： $M_{\text{Alum}} = 4{,}000\ \mathrm{m^3/day} \times 30\ \mathrm{g/m^3} \times 10^{-3}\ \mathrm{kg/g} = 120\ \mathrm{kg/day}$

4. 產生的 $\mathrm{Al(OH)_3}$ 乾固體質量：

核心觀念

本題評量考生對「廢轉能」（Waste to Energy, WtE）在循環經濟與資源化架構下的技術分類，以及對應多介質（氣、水、固）二次衍生污染物的防治工程整合能力。

1. 廢轉能（WtE）之範疇：非僅限於傳統大型垃圾焚化發電，現代環保技術已拓展至「熱化學轉化」（氣化、熱裂解、固體再生燃料 SRF）與「生物化學轉化」（厭氧消化產沼發電）。
2. 二次污染物生成與防治原理：轉能過程伴隨熱力反應與生化降解，衍生酸性氣體（$\text{SO}_x$、$\text{HCl}$）、氮氧化物（$\text{NO}_x$）、重金屬、戴奧辛（PCDD/Fs）、洗滌廢水與高危害性飛灰／反應生成物。控制策略著重「源頭前處理、燃燒製程控制（如 3T 原則）、管末多重物化處理與殘渣穩定化」。
3. 相關法規標準依據：以命題當年（民國 112 年）法規為準，涉及《廢棄物清理法》、《空氣污染防制法》、《廢棄物焚化爐空氣污染物排放標準》、《固體再生燃料製造技術指引與品質規範》及《水污染防治法》。

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解題方法

本題為典型兩階段評分之申論題，採「雙核心對稱架構」鋪陳：

1. 第一部分：廢轉能之資源化再利用技術：按熱化學與生化兩大主軸分類，條列「焚化發電」、「固體再生燃料（SRF）」、「氣化／熱裂解（Gasification/Pyrolysis）」及「生質能厭氧消化（Anaerobic Digestion）」，闡述各技術之轉能機制與能源產物。
2. 第二部分：衍生污染物之控制技術：按介質分為「空氣污染物」、「固體衍生廢棄物（灰渣）」與「水污染物」三大面向，對應特定污染物列出最佳可行控制技術（BACT），特別詳述戴奧辛與飛灰之處理關鍵。

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選項分析

本題為公職高考三級申論題，非選擇題，無選項分析。

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解題技巧

1. 切入維度完整性：考生常將 WtE 窄化為「垃圾焚化爐」，易痛失分數。作答務必涵蓋近年政策推動重點「SRF」與「廚餘／污泥厭氧發酵產沼」，方能顯現補教名師評閱所重視的技術廣度。
2. 答題配對技巧：污染控制切忌籠統寫「過濾、沉澱」，應採用專業工程術語（如 SNCR/SCR、3T、半乾式洗滌塔、急冷區間、螯合穩定化），並標明目標污染物（如：活性碳噴入針對戴奧辛與揮發性汞）。
3. 常見陷阱：忽略「燃燒飛灰」屬於有害事業廢棄物。若漏寫飛灰固化或螯合穩定化，直接寫掩埋，會被閱卷委員視為觀念有重大缺失。

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【答案】

一、廢棄物轉製能源（WtE）之廢棄物資源化再利用技術

廢轉能（Waste to Energy, WtE）係指將具熱值或含有機質之廢棄物，透過熱化學或生物化學轉換為電能、熱能或合成燃料之資源化技術，主要包含以下四類：

1. 直接燃燒發電（Incineration with Energy Recovery）

• 技術原理：將非有害生活垃圾或事業廢棄物送入機械爐床或流體化床焚化爐，在高溫（$850^\circ\text{C}\sim 1050^\circ\text{C}$）下完全燃燒，產生之高溫煙氣經廢熱鍋爐回收熱能，產生高壓過熱蒸氣推動汽輪發電機（Steam Turbine Generator）發電。
• 資源化成果：將廢棄物體積縮減達 $90\%$ 以上，並轉化為電能與蒸氣（汽電共生）。

2. 固體再生燃料技術（Solid Recovered Fuel, SRF）

• 技術原理：將具適燃性之無害廢棄物（如廢塑膠、廢橡膠、廢木材、廢紙等），經均質化前處理製程（包括粗破碎、磁選／風選去除非可燃物與氯源、細破碎、乾燥、擠壓造粒），製成符合品質規範（規範熱值、氯含量、重金屬含量）之均質燃料棒或顆粒。
• 資源化成果：替代煤炭投入工業專用鍋爐或水泥窯進行混燒發電，大幅降低化石燃料依賴。

3. 熱裂解與氣化技術（Pyrolysis & Gasification）

• 熱裂解（Pyrolysis）：在無氧或極低氧環境下加熱（$400^\circ\text{C}\sim 800^\circ\text{C}$），促使有機廢棄物發生熱裂解反應，產出裂解油、熱解氣（主要為 $\text{CH}_4$、$\text{CO}$、$H_2$）及固態炭黑（可純化再利用）。
• 氣化（Gasification）：在缺氧（次化學計量比空氣或純氧、水蒸氣）條件下加熱（$>800^\circ\text{C}$），將有機物轉化為可燃性合成氣（Syngas，主要成分為 $\text{CO}$ 與 $\text{H}_2$），經脫硫除塵後直接送入燃氣渦輪機或內燃機進行複循環發電。

核心觀念

本題評量地下水受污染現址（現地）整治技術（In-situ Groundwater Remediation）中「透水性反應牆」（Permeable Reactive Barriers, PRB）之核心學理與工程實務。 PRB 為一種「被動式（Passive）」現地地下水污染整治技術，係在受污染地下水水羽（Plume）流動之路徑下游，垂直於水流方向開挖設置一具高透水性的槽溝，並回填特定活性反應介質（Reactive Media）。受污染地下水在天然水力坡降（Hydraulic Gradient）驅動下流經此反應槽體，使污染物在槽體內透過還原、沉澱、吸附或生物降解等物理、化學或生物作用轉化為無害物質或被固相截留，使下游流出之水質符合地下水污染管制標準。

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解題方法

本題為高普考環境工程與環境污染防治技術中極具代表性的申論題。解題架構採「三層次對應論述」：

1. 除污原理：依「化學還原」、「化學沉澱與共沉澱」、「吸附與離子交換」、「生物轉化/降解」四大機制分項闡述，並列出代表性反應介質及反應機制。
2. 適用污染物對象：對應前述機制，具體條列含氯有機溶劑、重金屬與類金屬、無機陰離子及石油碳氫化合物等污染物類別與代表物種。
3. 限制因素：從水力學條件（繞流與停留時間）、地質與深度條件（施工限制與底流）、材料物理化學衰減（結垢、鈍化、生物堵塞）及污染源控制（無法處理 DNAPL 源區）四大工程維度完整分析。

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解題技巧

1. 答題結構化：申論題評分重點在於結構完整與條列清晰，建議分大項、細項並以黑體字標註關鍵詞（如：零價鐵、還原脫氯、水力傳導度、繞流、鈍化）。
2. 記憶口訣：

• 四大除污機制：「還、沉、吸、生」（還原、沉澱、吸附、生物）。
• 限制因素四大主軸：「水、地、物、源」（水力繞流、地質深度、物質堵塞與鈍化、源頭無法根除）。

3. 常見失分陷阱：

• 誤將 PRB 寫為主動抽水處理（Pump-and-Treat）系統；PRB 核心特徵為利用天然水力坡降流經的被動式處理，不需外加動力。
• 忽略水力學匹配：反應牆透水係數（Hydraulic Conductivity, $K$）必須高於周遭含水層（通常需 $K_{\text{wall}} \ge 2 \sim 10 \times K_{\text{aquifer}}$），否則水流將自兩側或底部繞流（Bypass）。
• 未提及反應可能產生高毒性中間產物（如 PCE/TCE 不完全脫氯生成氯乙烯 VC）。

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【答案】

一、透水性反應牆（PRB）之除污原理

PRB 之基本除污機制取決於所填充之反應介質性質，主要包含以下四種物理、化學及生物作用：

1. 化學還原作用（Chemical Reduction）：

• 反應介質：最廣泛使用零價鐵（Zero-Valent Iron, $\text{Fe}^0$ 或微米/奈米級雙金屬如 $\text{Fe/Pd}$）。
• 反應機制：
• 還原脫氯（Reductive Dechlorination）：$\text{Fe}^0$ 作為電子提供者，提供電子將含氯有機溶劑（如 PCE、TCE）逐步還原脫氯，最終轉化為無害之乙烯（Ethene）或乙烷（Ethane）： $\text{Fe}^0 + \text{RCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{RH} + \text{Cl}^- + \text{OH}^-$
• 重金屬價態還原：將高毒性、高移動性之氧化態重金屬還原為低毒性、低移動性形態，如將六價鉻 $\text{Cr(VI)}$ 還原為三價鉻 $\text{Cr(III)}$。

2. 化學沉澱與共沉澱作用（Chemical Precipitation and Co-precipitation）：

• 反應介質：石灰（$\text{Ca(OH)}_2$、$\text{CaCO}_3$）、氫氧化鐵、磷灰石（Hydroxyapatite, HAP）、硫酸鹽或硫化物供體。
• 反應機制：調整牆內 $\text{pH}$ 值或釋出陰離子（如 $\text{PO}_4^{3-}$、$\text{S}^{2-}$、$\text{CO}_3^{2-}$），使溶解性金屬陽離子生成難溶性氫氧化物、金屬磷酸鹽或金屬硫化物沉澱；或藉由鐵氧化物水合膠體產生共沉澱包覆，將金屬固定於牆體固相中。

3. 物理與化學吸附／離子交換作用（Adsorption and Ion Exchange）：

• 反應介質：粒狀活性碳（GAC）、天然沸石（Zeolite）、黏土礦物（如膨潤土）、骨炭等。
• 反應機制：利用介質之高比表面積孔隙吸附疏水性有機物，或利用帶負電之礦物晶格與水相中之重金屬陽離子（如 $\text{Pb}^{2+}$、$\text{Cd}^{2+}$）及放射性核種進行離子交換，截留於壁體內部。