115 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

本題考查「廢棄物燃燒特性分析」及其在焚化系統中的工程應用。回答時可依序掌握三件事：廢棄物含有哪些化學成分、如何用分析指標描述其燃燒性質，以及這些資料如何影響焚化爐設計、操作與污染防制。

化學組成常以兩種分析方式表示：

• 近似分析（proximate analysis）：測定水分、揮發分、固定碳及灰分，概括廢棄物的燃燒特性。
• 元素分析（ultimate analysis）：測定碳、氫、氧、氮、硫、氯等元素；另可分析灰分組成及特定金屬，評估理論空氣需求與污染物生成潛勢。

此外，熱值、灰熔融特性及元素在灰渣中的分布，也是焚化設計與控制的重要化學性質。

廢棄物主要化學組成及化學性質

1. 近似分析

• 水分（moisture）：廢棄物中水的含量。水分蒸發會消耗熱量，降低有效熱值，影響爐溫及燃燒穩定性。
• 揮發分（volatile matter）：廢棄物受熱分解、逸出的可燃性氣體與蒸氣。揮發分高，通常代表熱解氣體生成量大，需有足夠的二次空氣、混合與高溫燃燒空間。
• 固定碳（fixed carbon）：揮發分逸出後留在固體中的可燃碳質，主要於固相燃燒；其燃盡需要足夠停留時間及適當供氧。
• 灰分（ash）：燃燒後留下的無機殘渣。灰分增加會降低可燃物比例及熱值，並影響底渣、飛灰量及爐床排渣。

2. 元素分析

• 碳（C）與氫（H）：主要可燃元素，完全燃燒主要生成二氧化碳與水，並釋出熱量。
• 氧（O）：廢棄物本身所含的氧可降低外供理論氧量；其含量亦有助於判斷有機物的氧化程度與燃燒特性。
• 氮（N）：燃燒時可能形成燃料型氮氧化物；高溫下空氣中的氮亦可能形成熱力型氮氧化物。
• 硫（S）：燃燒後主要形成二氧化硫，部分可進一步形成三氧化硫，造成酸性氣體排放及腐蝕問題。
• 氯（Cl）：燃燒後可能形成氯化氫；氯亦與有機物及金屬存在交互作用，需納入酸性氣體、腐蝕與戴奧辛／呋喃生成控制的評估。
• 磷及其他無機元素：可能進入底渣或飛灰，影響灰渣性質與後續處理。
• 重金屬及揮發性金屬：如汞、鎘、鉛等，可能在高溫下揮發，冷卻時凝結或附著於飛灰，須評估其煙道分布及集塵、吸附需求。

3. 熱值及其他重要性質

• 高位熱值（HHV）與低位熱值（LHV）：表示廢棄物完全燃燒可釋出的熱量。含水量高時，水分蒸發會消耗熱量，因此低位熱值較能反映實際可用熱能。
• 灰熔融特性：灰分的軟化、熔融及流動溫度會影響結渣、黏灰、爐床排渣及鍋爐受熱面的操作。
• 灰分化學組成：矽、鈣、鐵、鈉、鉀等無機成分會影響灰熔點及灰渣性質；氯鹽、鹼金屬與重金屬亦可能增加腐蝕或污染控制需求。

解題方法

採用「成分分析 → 燃燒與熱平衡 → 爐體設計及操作 → 污染防制」的因果順序作答。這種寫法能把化學性質和工程用途直接連結，避免只列成分而未回答其重要性。

若元素分析以每公斤廢棄物的質量分率表示，令 $C、H、O、S$ 分別為碳、氫、氧、硫的質量分率，完全燃燒的理論氧需求可概略表示為：

核心觀念

本題考查廢水生物處理中微生物的種類與功能，重點是把「微生物群落」和「污染物去除機制」連結起來。生物處理並非由單一菌種完成，而是由細菌、古菌、真菌、藻類、原生動物及後生動物等共同作用；其中細菌通常是去除有機物及轉化氮、磷的主力，其他生物則參與分解、捕食、絮凝、澄清或特定污染物的轉化。

答題時，可依「主要微生物種類 → 所處理的污染物 → 所扮演的功能」逐類說明。無須援引特定法條或公式。

解題方法

先以污染物分類建立架構：有機物、氮、磷、硫化物及懸浮微粒；再說明各類微生物如何透過代謝、同化、捕食或絮凝作用去除污染物。以活性污泥為例，細菌代謝溶解性有機物並形成污泥絮體，原生動物攝食游離細菌及細小顆粒，兩者共同促進有機物去除與出流水澄清。

主要微生物種類及其角色

一、細菌：有機物去除與營養鹽轉化的主力

細菌種類繁多，會隨溶氧、氧化還原狀態、基質及污泥停留時間而改變。

• 異營菌：利用廢水中的可生物分解有機物作為碳源及能源，將其氧化成二氧化碳與水，並合成細胞物質；是活性污泥及生物膜處理中去除 BOD、可生物分解 COD 的主要微生物。
• 絮凝菌：產生胞外聚合物，使細菌及細小懸浮固體凝聚成污泥絮體，利於沉澱分離。絲狀菌適量存在可形成絮體骨架；過度增殖則易造成污泥膨化、沉降不良。
• 硝化菌：在好氧條件下進行硝化作用，將氨氮氧化為亞硝酸鹽，再氧化為硝酸鹽。傳統上以氨氧化菌及亞硝酸氧化菌說明此兩階段。
• 反硝化菌：在缺氧條件下，以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體，利用有機碳作為電子供體，將其還原為氮氣逸出，達到總氮去除。
• 聚磷菌（PAOs）：在生物除磷流程中，缺氧／厭氧階段釋出細胞內磷並攝取易分解有機物；後續好氧階段過量攝取磷，將磷累積於細胞內。將富磷污泥排出系統，才可使磷真正離開處理流程。
• 硫化物轉化菌：依環境條件進行硫化物氧化或硫酸鹽還原，可參與含硫廢水處理及厭氧系統中的硫循環；硫酸鹽還原也可能產生硫化氫，須留意臭味及腐蝕問題。
• 厭氧菌與產甲烷古菌：厭氧消化中，水解菌及酸化菌先將複雜有機物分解為較簡單的有機酸等中間產物；產甲烷古菌再將中間產物轉化為甲烷與二氧化碳，使有機物穩定化並回收沼氣。

二、古菌：厭氧消化及特殊氮轉化

核心觀念

本題考初沉池去除的懸浮固體質量，如何依污泥固體物濃度換算為每日污泥體積。先用流量與進流水 SS 濃度計算每日去除的固體質量，再除以污泥中固體物的質量濃度。

題目另提供揮發性與固定性固體物的含量及比重，可用來計算污泥固體物的混合比重；不過題目已直接給定污泥固體物濃度為 $5\%$，計算污泥體積時不需要再用固體比重換算。

解題方法

每日去除 SS 質量為：

先將流量換算為每日水量：

因為 $1\ \mathrm{mg/L}=1\ \mathrm{g/m^3}$，故進流水 SS 濃度可寫為：

每日去除的 SS 質量為：

核心觀念

本題考查粒狀污染物控制設備的選擇，需同時考量粉塵粒徑、廢氣溫度、處理效率、操作條件及後續處理需求。水泥窯排氣中的水泥粉塵細小，且排氣溫度高；在題目所列設備中，**靜電集塵器（Electrostatic Precipitator, ESP）**適合處理高溫、大風量的含塵氣體，對細微粒也有良好捕集能力。

解題方法

依「污染物特性與氣體條件」逐一比對設備：

1. 粒徑：細小粉塵較難以重力沉降或慣性碰撞捕集，應選擇能有效處理細微粒的設備。
2. 溫度：高溫排氣會限制濾布材質與操作溫度，也會增加氣體冷卻、增濕及腐蝕控制的需求。
3. 流量與壓損：水泥窯通常有大風量排氣，適合壓力損失較低、可連續處理大量氣體的設備。
4. 粉塵特性：粉塵比電阻、含濕量與化學組成會影響靜電集塵效率，設計時須據以調整設備操作條件。

靜電集塵器以高電壓使粉塵帶電，再由電場將其移向集塵板，具有處理高溫、大風量氣體及捕集細粒粉塵的優點，因此最符合題幹條件。

選項分析

(A) 文氏洗滌器（Venturi Scrubber）—不選

核心觀念

分貝是對數尺度，不能直接把各音量的 dB 數字相加。若各聲源互不相關，總音量以能量相加後再換算為分貝：

不同音量持續不同時間時，均能音量 $L_{\mathrm{eq}}$ 是該時段內聲音能量的時間平均，再換算為分貝：

其中 $t_i$ 是各音量持續時間，$T=\sum_i t_i$ 是總時段長度。

解題方法

（一）計算四個音量的總和

將各音量換算為相對於 $0\ \mathrm{dB}$ 的能量值，相加後取 $10\log_{10}$：