109 專技高考高等考試 環境工程技師 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

BTEX 是四種單環芳香烴的合稱，名稱取自其英文縮寫：

• B（Benzene）：苯
• T（Toluene）：甲苯
• E（Ethylbenzene）：乙苯
• X（Xylenes）：二甲苯，包含鄰二甲苯、間二甲苯與對二甲苯

本題考查 BTEX 的基本定義，以及它們進入環境的主要來源與在空氣、水體、土壤及地下水中的傳輸與歸趨。BTEX 常見於石油及燃料相關污染，且具有揮發性與一定水溶性，因此可能在不同環境介質間移動。

解題方法

作答可依「是什麼 → 從哪裡來 → 如何流布」三個層次說明：

1. 先寫出 BTEX 四種化合物的全名及中文名稱。
2. 再整理其主要來源，分為石油燃料與煉製、儲運加油、工業溶劑使用，以及燃燒與汽機車排放等。
3. 最後依環境介質說明流布：揮發至空氣、溶入水中、吸附於土壤或有機質，並隨滲漏進入地下水；再補充生物降解與揮發等移除途徑。

主要產生來源

1. 石油及燃料相關來源

BTEX 天然存在於原油及部分石油餾分中，並存在於汽油等燃料。煉油、燃料調配、油品儲槽、輸油管線、加油站及油罐車裝卸等作業，均可能因逸散、洩漏或溢漏而使 BTEX 進入環境。地下油槽、管線腐蝕或破損造成的長期洩漏，尤其可能形成土壤與地下水污染。

2. 工業與商業使用

苯、甲苯、乙苯及二甲苯可用於化學製造、油漆與塗料、印刷、黏著劑、清潔劑及其他溶劑用途。製程排氣、廢水、廢棄物處理不當或儲存設備洩漏，皆可能造成排放。

3. 燃燒與交通排放

不完全燃燒及汽機車燃料蒸發會排放 BTEX。交通工具排氣、燃油蒸發、加油作業逸散，以及燃煤或其他有機物燃燒，均可成為空氣中的來源。

在環境中的流布與歸趨

1. 空氣

核心觀念

查普曼（Chapman）機制是用一組基本光化學反應，說明平流層中臭氧的生成與自然消耗。其核心是：氧分子受紫外線光解產生氧原子，氧原子再與氧分子結合生成臭氧；臭氧也會吸收紫外線而分解，並可與氧原子反應而消耗。

解題方法

依序寫出「氧分子光解、臭氧生成、臭氧光解、臭氧與氧原子反應」四個反應，並說明各反應的淨效果。反應式如下：

$$\mathrm{O_2 + h\nu \rightarrow 2O}$$

氧分子吸收短波紫外線後解離，產生氧原子。

$$\mathrm{O + O_2 + M \rightarrow O_3 + M}$$

氧原子與氧分子結合生成臭氧。$M$ 代表第三體，通常是氮氣或氧氣；它吸收反應中多餘的能量，使生成的臭氧穩定下來。

$$\mathrm{O_3 + h\nu \rightarrow O_2 + O}$$

臭氧吸收紫外線後光解，生成氧分子與氧原子。

$$\mathrm{O + O_3 \rightarrow 2O_2}$$

氧原子與臭氧反應，生成氧分子，是臭氧的另一條自然消耗途徑。

前三個反應中的臭氧光解會釋出氧原子，這些氧原子可再參與臭氧生成或消耗。若將臭氧生成與消耗的反應合併，可見臭氧與氧原子之間持續轉換，整體形成動態平衡。

核心觀念

本題考查硫化氫的氣液平衡、弱酸解離平衡與電荷平衡。亨利定律先求水中未解離的 $\mathrm{H_2S}$ 濃度；再由兩階段解離平衡及水的電荷平衡，求出 $\mathrm{HS^-}$、$\mathrm{S^{2-}}$ 等物種濃度。水中總硫為各含硫物種濃度的總和：

$$C_{\mathrm{total\,S}} =[\mathrm{H_2S}]+[\mathrm{HS^-}]+[\mathrm{S^{2-}}]$$

解題方法

依題目所給亨利常數的單位，採用 $[\mathrm{H_2S}]=K_{\mathrm{H_2S}}P_{\mathrm{H_2S}}$：

$$[\mathrm{H_2S}] =(0.1\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,atm^{-1}}) (3.15\times10^{-3}\,\mathrm{atm}) =3.15\times10^{-4}\,\mathrm{mol/L}$$

設 $h=[\mathrm{H^+}]$。第一階解離平衡為

$$K_{A1}=\frac{[\mathrm{HS^-}][\mathrm{H^+}]}{[\mathrm{H_2S}]}$$

因此

$$[\mathrm{HS^-}] =\frac{K_{A1}[\mathrm{H_2S}]}{h}$$

第二階解離平衡為

$$K_{A2}=\frac{[\mathrm{S^{2-}}][\mathrm{H^+}]}{[\mathrm{HS^-}]}$$

故

$$[\mathrm{S^{2-}}] =\frac{K_{A2}[\mathrm{HS^-}]}{h}$$

題目假設其他溶質可忽略，水溶液須滿足電荷平衡：

$$h=[\mathrm{OH^-}]+[\mathrm{HS^-}]+2[\mathrm{S^{2-}}], \qquad [\mathrm{OH^-}]=\frac{K_w}{h}$$

由於第一階解離是主要的產生 $\mathrm{H^+}$ 反應，而 $K_{A2}$ 很小，第二階解離可忽略至有效位數。此時電荷平衡近似為 $h=[\mathrm{HS^-}]$，代入第一階解離式：

$$h=\frac{K_{A1}[\mathrm{H_2S}]}{h}$$

核心觀念

本題考查氫氧化物的溶度積（$K_{sp}$）與金屬離子平衡濃度。對難溶氫氧化物：

$$\mathrm{M(OH)_n \rightleftharpoons M^{n+}+nOH^-}$$

其溶度積為：

$$K_{sp}=[\mathrm{M^{n+}}][\mathrm{OH^-}]^n$$

調高 pH 會提高 $\mathrm{OH^-}$ 濃度，使金屬離子平衡濃度降低。題目給定的錳濃度上限為 $0.01\,\mathrm{mg/L}$，先換算成莫耳濃度，再代入溶度積求所需 pH。

解題方法

錳的質量濃度上限換算為莫耳濃度：

$$[\mathrm{Mn}]_{\text{上限}} =\frac{0.01\,\mathrm{mg/L}\times 10^{-3}\,\mathrm{g/mg}} {54.94\,\mathrm{g/mol}} =1.82\times10^{-7}\,\mathrm{mol/L}$$

以下以各價態的溶解錳離子濃度不超過此上限，計算達到沉澱平衡所需的最低 pH。

一、錳以 $\mathrm{Mn^{2+}}$ 存在

$$K_{sp}=[\mathrm{Mn^{2+}}][\mathrm{OH^-}]^2$$

令 $[\mathrm{Mn^{2+}}]=1.82\times10^{-7}\,\mathrm{mol/L}$，則：

$$[\mathrm{OH^-}] =\sqrt{\frac{5.0\times10^{-15}}{1.82\times10^{-7}}} =1.66\times10^{-4}\,\mathrm{mol/L}$$ $$\mathrm{pOH}=-\log(1.66\times10^{-4})=3.78$$

於 $25^\circ\mathrm{C}$，$\mathrm{pH}+\mathrm{pOH}=14.00$，故：

$$\boxed{\mathrm{pH}=14.00-3.78=10.22}$$

因此，$\mathrm{Mn^{2+}}$ 的平衡濃度要降至 $0.01\,\mathrm{mg/L}$ 以下，pH 至少約為 $10.22$。

二、錳以 $\mathrm{Mn^{3+}}$ 存在

$$K_{sp}=[\mathrm{Mn^{3+}}][\mathrm{OH^-}]^3$$

令 $[\mathrm{Mn^{3+}}]=1.82\times10^{-7}\,\mathrm{mol/L}$，則：

$$[\mathrm{OH^-}] =\left(\frac{1.0\times10^{-36}}{1.82\times10^{-7}}\right)^{1/3} =1.76\times10^{-10}\,\mathrm{mol/L}$$ $$\mathrm{pOH}=-\log(1.76\times10^{-10})=9.75$$ $$\boxed{\mathrm{pH}=14.00-9.75=4.25}$$

因此，$\mathrm{Mn^{3+}}$ 的平衡濃度要降至 $0.01\,\mathrm{mg/L}$ 以下，pH 至少約為 $4.25$。

三、兩種價態等量存在時，沉澱中何者較多？

核心觀念

本題考查 PCR 檢測的品質控制與結果判讀。PCR 陽性不等於樣本中必然存在目標微生物：污染會造成假陽性；核酸萃取失敗、反應受抑制或試劑失效則會造成假陰性。因此，應以一組互相配合的檢測控制，確認結果可信。

解題方法

依污染或失敗可能發生的階段設置控制：先確認試劑與操作環境沒有污染，再確認萃取程序正常、PCR 反應能放大，以及樣本本身沒有抑制反應的物質。若要判定特定微生物是否存在，也須確認引子能辨識目標序列而不會誤認近緣生物。

檢測控制及其原因

1. 陽性控制（positive control） 使用已知含有目標序列的核酸模板，依相同 PCR 條件進行反應。陽性控制應產生預期大小或特徵的產物，證明引子、酵素、核苷酸、緩衝液及反應條件有效。若陽性控制未放大，表示該批反應或試劑可能失效，樣本陰性結果不能據以排除目標存在。

2. 無模板陰性控制（no-template control, NTC） 以無核酸酶水或相同溶液取代模板，其餘試劑與操作均相同。此控制若出現目標產物，表示反應試劑或加樣過程可能受到目標核酸、既有 PCR 產物或其他核酸污染，樣本陽性結果便不能排除假陽性。

3. 萃取空白控制（extraction blank／negative extraction control） 將不含目標核酸的空白材料，從核酸萃取步驟起與樣本一起處理，再進行 PCR。它可檢查採樣器材、萃取試劑、工作環境及萃取操作是否造成污染。若萃取空白出現目標產物，表示污染可能發生在萃取或更早階段；即使 NTC 陰性，樣本陽性仍須審慎判讀。

4. 內部擴增控制（internal amplification control, IAC） 在樣本反應中加入已知量、可與目標產物區分的控制模板，或使用經驗證的內部標的。

核心觀念

本題考查微生物利用有機物時，依基質是否能支持微生物生長所作的分類：有機物可作為主要基質，直接支持微生物生長；也可作為次要基質，只有在主要基質存在時才被轉化，此作用稱為共代謝（cometabolism）。

同一種有機物的角色會隨微生物種類、環境條件及濃度改變；某物質在一種情況下可作主要基質，在另一種情況下也可成為次要基質。

解題方法

先判斷有機物是否能供應微生物生長所需的碳源、能量或電子，再依其代謝結果分為主要基質利用與次要基質利用。答題時應交代兩者的生長關係、酵素作用與分解結果，並舉環境污染物的例子。

微生物代謝有機物的型式

一、主要基質利用（primary substrate utilization）

主要基質可被微生物作為生長基質利用，提供碳源、能量或電子。微生物藉由相關代謝途徑分解基質，產生能量並合成細胞物質，因此基質消耗通常與微生物生長相連。

在好氧條件下，有機物可被氧化，最終形成二氧化碳、水及細胞物質；在缺氧或厭氧條件下，則依電子受體與代謝途徑形成不同產物。若有機污染物本身可作為主要基質，微生物能以其支持生長並持續分解，污染物有機碳可進一步礦化為無機物。

二、次要基質利用（secondary substrate utilization）與共代謝

核心觀念

厭氧生物處理的鹼度，是水體中可中和酸的能力，主要來自碳酸氫根與碳酸根，常以 $\mathrm{mg/L}$（以 $\mathrm{CaCO_3}$ 計）表示。厭氧消化會產生揮發性脂肪酸（VFA）等酸性中間產物；鹼度則提供緩衝能力，使系統 pH 不致因酸累積而快速下降。

厭氧處理仰賴產酸菌與產甲烷菌協同作用。產酸菌將有機物轉成 VFA 等中間產物，產甲烷菌再將其轉化為甲烷與二氧化碳。產甲烷菌對 pH 變化較敏感；當 VFA 生成速度超過後續消耗速度，酸會累積並消耗鹼度，進而使 pH 降低，抑制產甲烷作用。

解題方法

作答時從「鹼度的緩衝功能」切入，再連結厭氧消化的產酸與產甲烷兩階段，說明監控鹼度的必要性：

1. 維持適宜 pH：鹼度中和消化過程產生的酸，抑制 pH 劇烈下降，維持產甲烷菌適宜的反應環境。
2. 及早發現酸累積：鹼度下降代表中和能力正在被消耗；若 VFA 持續累積，產甲烷菌可能無法及時轉化，系統將有酸化風險。