110 專技高考高等考試 環境工程技師 廢棄物工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查廢棄物的濕基三成分比例，以及由元素分析結果估算發熱量。三成分為水分、可燃物與不可燃物；高溫燃燒後的殘渣視為灰分，須併入不可燃物。計算發熱量時，先用 Dulong 公式求乾基高位發熱量，再扣除水分蒸發所需熱量，並將結果換算至原始濕廢棄物的質量基準。

解題方法

（一）濕基不可燃物比例

原始樣品重 $20\ \mathrm{kg}$，烘乾後重 $12\ \mathrm{kg}$，所以水分重為：

$$20-12=8\ \mathrm{kg}$$

乾基可燃物重 $10\ \mathrm{kg}$，因此原始乾基中另有 $12-10=2\ \mathrm{kg}$ 不可燃物。

取乾基可燃物 $100\ \mathrm{g}$ 燃燒後，剩餘灰分 $15\ \mathrm{g}$，灰分比例為 $15\%$。因此，$10\ \mathrm{kg}$ 乾基可燃物中所含灰分為：

$$10\times 0.15=1.5\ \mathrm{kg}$$

不可燃物總重為原有不可燃物加上灰分：

$$2+1.5=3.5\ \mathrm{kg}$$

換算成濕基比例：

$$\frac{3.5}{20}\times 100\%=17.5\%$$

（二）濕基三成分比例

燃燒樣品中非灰分部分占 $100\%-15\%=85\%$，故可燃物重為：

$$10\times 0.85=8.5\ \mathrm{kg}$$

以原始樣品 $20\ \mathrm{kg}$ 為基準：

• 水分：$\dfrac{8}{20}\times100\%=40.0\%$
• 可燃物：$\dfrac{8.5}{20}\times100\%=42.5\%$
• 不可燃物：$\dfrac{3.5}{20}\times100\%=17.5\%$

三者合計為 $100\%$。

（三）乾基高位發熱量與濕基低位發熱量

Dulong 公式以元素質量百分比計算乾基高位發熱量：

核心觀念

本題考查以元素守恆式進行生質廢棄物的化學計量分析：

• 好氧堆肥：先依原料與堆肥產品的質量，換算其化學式單位莫耳數，再以碳、氫、氮、硫、氧守恆求氧氣需求量。空氣含氧量以體積百分比 $21\%$ 計。
• 厭氧消化：以 Buswell 反應式推算甲烷產量。氮以氨表示、硫以硫化氫表示。
• 氣體體積採 $25^\circ\mathrm{C}$、$1\ \mathrm{atm}$，故理想氣體莫耳體積為 $\frac{RT}{P}=24.465\ \mathrm{m^3/kmol}.$

（一）好氧堆肥所需空氣量

1. 換算原料與堆肥產品的化學式單位

生質廢棄物化學式量為

$$M_{\mathrm{原料}} =50(12)+100(1)+40(16)+15(14)+5(32) =1710\ \mathrm{kg/kmol}.$$

因此 $34.2\ \mathrm{kg}$ 原料相當於

$$n_{\mathrm{原料}}=\frac{34.2}{1710}=0.020\ \mathrm{kmol} =20\ \mathrm{mol}.$$

堆肥產品 $C_{10}H_{20}O_6N$ 的化學式量為

$$M_{\mathrm{產品}}=10(12)+20(1)+6(16)+14=250\ \mathrm{kg/kmol}.$$

因此 $5\ \mathrm{kg}$ 產品亦為

$$n_{\mathrm{產品}}=\frac{5}{250}=0.020\ \mathrm{kmol} =20\ \mathrm{mol}.$$

以下以 $1\ \mathrm{mol}$ 原料搭配 $1\ \mathrm{mol}$ 堆肥產品列元素平衡。

2. 配平好氧反應式

假設未進入堆肥產品的碳生成 $CO_2$、氮生成 $NH_3$、硫生成 $H_2SO_4$，並以水平衡氫與氧，反應式可寫為

$$C_{50}H_{100}O_{40}N_{15}S_5 +aO_2 \rightarrow C_{10}H_{20}O_6N +40CO_2+14NH_3+5H_2SO_4+H_2O.$$

係數依序由元素平衡求得：

• 碳：原料有 $50$ 個碳，產品保留 $10$ 個，其餘 $40$ 個形成 $40CO_2$。
• 氮：原料有 $15$ 個氮，產品保留 $1$ 個，其餘 $14$ 個形成 $14NH_3$。
• 硫：$5$ 個硫形成 $5H_2SO_4$。
• 氫：左側有 $100$ 個氫；右側產品、氨與硫酸共含 $20+42+10=72$ 個氫，故另有 $28$ 個氫形成 $14H_2O$。

因此反應式中的水係數應為 $14$，即

$$C_{50}H_{100}O_{40}N_{15}S_5 +aO_2 \rightarrow C_{10}H_{20}O_6N +40CO_2+14NH_3+5H_2SO_4+14H_2O.$$

再由氧平衡計算 $a$。右側氧原子數為

$$6+40(2)+5(4)+14=120.$$

核心觀念

本題考的是既有都市垃圾焚化廠延役與升級時，如何以新一代設備改善燃燒穩定性、污染防制、能源回收及營運管理。作答不能只列出新設備名稱，還要說明它相較於傳統焚化廠改善了什麼效能。

垃圾焚化的基本目標，是在適當的溫度、停留時間及混合條件下，將可燃成分充分氧化，並妥善處理燃燒產生的煙氣與灰渣。焚化過程的熱能回收，可概括表示為：

$$垃圾化學能 \rightarrow 蒸汽熱能 \rightarrow 電能或熱能$$

因此，延役整備的核心方向可整理為四項：燃燒控制更精確、污染物去除更有效、能源利用率更高、設備與營運管理更可靠。

解題方法

依「垃圾進料與燃燒、煙氣處理、熱能回收、灰渣處理、智慧化營運」的流程分段作答。每一段都交代：

1. 新一代技術或設備的特色。
2. 與既有設備的差異。
3. 對應改善的效能。

例如，不能只寫「採用自動控制」，應進一步說明：利用爐溫、煙氣含氧量、蒸汽量等操作資料調整燃燒空氣與垃圾進料，使燃燒狀況較穩定，進而降低未完全燃燒及污染排放。

新一代焚化處理技術與設備重點

一、燃燒系統與自動控制升級

新一代焚化爐持續改良爐排、燃燒室及燃燒空氣配置，並加強垃圾混拌、進料與爐排運轉的控制。透過爐內多點溫度、煙氣含氧量及蒸汽量等操作訊號，配合自動控制或智慧化控制系統，調節垃圾投入量、一次與二次燃燒空氣及爐排速度。

相較於早期設備較依賴操作人員經驗，新系統能較即時地因應垃圾組成、含水率及熱值變化，讓燃燒溫度與供氧狀況較穩定。其效益包括：

• 提高燃燒穩定性及燃燒完全度。
• 降低一氧化碳、未燃碳及爐渣灼熱減量。
• 減少因燃燒波動造成的污染物排放與操作異常。
• 降低設備受到不穩定燃燒影響的機會。

二、煙氣污染防制設備整合與強化

新一代設備更重視污染物的分段去除與系統整合，常見技術包括：

• **氮氧化物控制：**以低氮燃燒、分級供氣降低生成量，並搭配選擇性非觸媒還原法（SNCR）或選擇性觸媒還原法（SCR）進一步去除氮氧化物。
• **酸性氣體控制：**採用乾式或半乾式洗煙設備，配合消石灰等反應劑去除氯化氫、二氧化硫等酸性氣體。
• **戴奧辛及重金屬控制：**噴注活性碳吸附戴奧辛及部分重金屬，再以袋式集塵器捕集吸附劑與飛灰。
• **粒狀污染物控制：**使用高效率集塵設備，減少粉塵及附著於粒狀物上的污染物排放。

相較於較早期設備，新一代系統強調各處理單元的搭配、反應劑投加控制及設備監測，可提升污染物去除效率與操作穩定性，並降低因單一單元效能波動而影響整體排放的風險。

三、廢熱回收與能源效率改善

新一代焚化廠改善廢熱鍋爐、蒸汽系統及汽輪發電設備，並強化積灰與腐蝕管理，以維持熱交換效率及設備可用率。廠內也可檢討蒸汽與電力的自用配置，並提升餘熱利用效益。

核心觀念

本題考查兩個相連的面向：一是如何讓廢棄物燃燒完全、穩定；二是燃燒條件如何影響戴奧辛、重金屬及氮氧化物（$\mathrm{NO_x}$）排放，以及如何從燃燒與後端煙氣處理兩方面控制。

焚化操作的基本原則可用「3T」概括：溫度（Temperature）、停留時間（Time）、混合與紊流（Turbulence）。實務上還須一併控制氧氣供應、廢棄物進料與熱值，以及爐床和燃燒負荷。燃燒效率常以二氧化碳與一氧化碳濃度表示：

$$\text{燃燒效率（\%）} = \frac{\mathrm{CO_2}}{\mathrm{CO_2}+\mathrm{CO}}\times 100$$

此指標反映氣相碳燃燒完全程度；對焚化爐整體運轉，還應觀察煙道$\mathrm{CO}$、爐渣未燃碳及燃燒穩定性。

法規部分，以下操作數值以命題當年（民國 110 年）《廢棄物焚化爐戴奧辛管制及排放標準》及《中小型廢棄物焚化爐戴奧辛管制及排放標準》為準。依當年標準，二次空氣注入口下游燃燒溫度一小時平均值不得低於 $850^\circ\mathrm{C}$；既存焚化爐燃燒氣體滯留時間至少 1 秒，新設焚化爐至少 2 秒；煙道出口$\mathrm{CO}$一小時動平均值低於 100 ppm，並以排氣含氧量 10% 為參考基準；排氣含氧量應達 6% 以上；集塵設備入口廢氣溫度，既存爐須低於 $280^\circ\mathrm{C}$，新設爐須低於 $200^\circ\mathrm{C}$。現行法規條文及數值已修正，作答本題仍依命題當年規定。

解題方法

先以「3T＋氧氣與進料控制」說明燃燒效率，再逐項分析污染物的生成與去除路徑：戴奧辛主要靠良好燃燒破壞、避免冷卻過程再生成及煙氣末端吸附去除；重金屬主要取決於廢棄物中的金屬含量、燃燒後的揮發與粒相分布，以及集塵與吸附；$\mathrm{NO_x}$則要兼顧燃燒生成與後端脫硝。如此可將操作參數與排放特性逐一連結。

（一）影響焚化燃燒效率的因素與操作控制

1. 溫度（Temperature）

溫度不足會使有機物氧化不完全，增加$\mathrm{CO}$、未燃碳及有機污染物；提高溫度有利於燃盡，但過高會增加熱力型$\mathrm{NO_x}$，並可能加劇設備熱負荷或灰分熔融問題。

**操作控制：**維持主燃燒區穩定高溫，確保二次空氣注入口下游的燃燒溫度符合至少 $850^\circ\mathrm{C}$ 的法規要求。實務上依爐型、廢棄物熱值及設計條件設定操作區間，避免溫度大幅波動；低熱值或含水率高的廢棄物，可透過均勻混燒、調整進料與輔助燃料維持爐溫。

2. 停留時間（Time）

燃燒氣體在高溫、含氧環境停留越充分，有機物越能完成氧化；停留時間不足，會使未燃氣體未及燃盡即離開高溫區。

**操作控制：**維持足夠的高溫氣體停留時間，並避免超負荷進料使煙氣量上升、有效停留時間縮短。按命題當年法規，既存爐至少 1 秒、新設爐至少 2 秒。

3. 混合與紊流（Turbulence）

即使平均溫度足夠，若燃燒氣體與空氣混合不均，局部仍會出現缺氧、低溫區，造成不完全燃燒。

**操作控制：**妥善配置與調整一次、二次空氣，使空氣能穿透爐床並與揮發性氣體充分混合；依煙氣$\mathrm{O_2}$與$\mathrm{CO}$變化調整風量及風量分配。避免只增加總風量卻未改善混合，因過量空氣會增加煙氣量、降低爐溫並縮短停留時間。

4. 氧氣供應與空氣分配

氧氣不足會提高$\mathrm{CO}$、未燃碳與有機物排放；過量空氣則會稀釋煙氣、降低爐溫，並可能增加熱損失及煙氣處理負荷。

**操作控制：**控制足夠但不過量的空氣，並合理分配爐床下方的一次風與爐膛上方的二次風。以$\mathrm{O_2}$監測判斷整體供氧情況，以$\mathrm{CO}$確認燃燒是否完全；兩者須搭配判讀，不能只以高$\mathrm{O_2}$推定燃燒良好。

5. 廢棄物性質與進料穩定性

含水率、熱值、粒徑、成分及進料量的波動，會改變著火、乾燥、揮發與燃盡速度。含水率高或低熱值廢棄物會降低爐溫；大塊或性質不均的廢棄物則容易造成燃燒不完全與爐床局部負荷不均。

核心觀念

本題考查土壤與地下水污染整治技術的分類、作用機制及場址適用性。作答時應先依「是否挖除或抽出污染介質」區分現地整治與離地處理，再依主要作用機制整理為物理、化學、生物、熱處理及阻隔控制等方法。

整治技術的選擇須同時考量污染物性質與濃度、污染深度與範圍、土壤粒徑與滲透性、地下水流向、場址使用情形、整治目標、工期及成本。地下水污染常須先控制污染源與污染團，並配合抽水、處理及監測；單純處理地下水，未必能消除土壤中的殘留污染源。

本題主要是技術原理與場址判斷題，無須引用特定法條。涉及法規時，應以命題當年（民國 110 年）法規為準。

解題方法

依下列順序作答，能完整回應題目要求：

1. 說明現地整治與離地處理的差異。
2. 分類列出主要技術，對每項說明原理、適用污染物或場址、優缺點及注意事項。
3. 最後指出技術選擇須依場址調查結果決定，並常採多種技術串聯或整合。

主要整治技術

一、土壤開挖與離地處理

**原理：**將污染土壤挖出後，運至場內處理設備或合格處理場所，再以洗滌、熱處理、化學處理或生物處理降低污染物濃度。

**適用對象：**污染範圍較小、污染土層較淺、需快速移除污染源的場址；常用於重金屬、石油烴及部分有機污染物。

**優點：**可直接移除污染土體，處理成效較容易確認，工期通常較現地長期整治短。

**缺點與注意事項：**開挖、運輸與處理費用高；施工會干擾土地使用，並須管制粉塵、揮發性氣體、逕流與污染土壤運輸。若污染深、範圍大或地下水位高，開挖難度增加，還須處理開挖後的地下水與回填問題。

二、土壤氣體抽除法（SVE）

**原理：**在不飽和土層設置抽氣井或管線，造成負壓，使土壤孔隙中的揮發性污染物轉入氣相後被抽出；抽出氣體再經活性碳吸附、熱氧化等設備處理。

**適用對象：**不飽和層中具有揮發性的有機污染物，例如汽油、部分溶劑；砂質、透氣性較高的土層通常較有利。

**優點：**可在地表下處理，減少開挖，設備相對簡單，對高揮發性污染物效果較佳。

**缺點與注意事項：**對低揮發性污染物、黏土或低滲透土層效果不佳；地下水位以下的污染不易直接處理。應防止抽氣造成污染氣體外逸，並監測抽氣井間的負壓、污染物濃度與尾氣處理效能。

三、生物通氣法（Bioventing）與生物整治

**原理：**生物通氣法向不飽和土層供應氧氣，並可補充氮、磷等營養鹽，以促進土壤中微生物分解污染物。其他生物整治方式則利用原生或添加的微生物，將可生物降解污染物轉化為較低危害物質。

**適用對象：**可生物降解的石油烴及部分有機物；污染物濃度、土壤含水率、氧氣與營養條件須適合微生物生長。

**優點：**可在現地處理，能源需求與土方搬運量通常較低，適合較大範圍、濃度不過高的污染。

**缺點與注意事項：**處理速度受溫度、含水率、氧氣、營養鹽及微生物特性影響；重金屬不能被微生物分解。須避免過度供氣造成揮發性污染物逸散，並定期監測污染物降解與環境條件。

四、地下水抽除處理（Pump-and-Treat）

**原理：**以抽水井抽取受污染地下水，經地面處理設備處理後排放或回注；常見處理單元包括活性碳吸附、氣提、化學氧化及沉澱等。

**適用對象：**溶解於地下水中的污染物，尤其是可由地面處理設備有效去除者；亦可用於控制污染團移動。

**優點：**技術成熟，可透過調整抽水量控制水力梯度，降低污染物向下游擴散的風險；處理流程與出流水質可監測。

**缺點與注意事項：**整治時間可能較長；土壤中的吸附污染物或非水相液體可持續溶出，使地下水濃度下降緩慢。須依地下水流向配置抽水井，監測抽水影響範圍、處理效率與回注水品質，並處理抽出水及產生的廢棄物。

五、雙相抽除法（DPE/MPE）與自由相回收

**原理：**透過抽除系統，同時回收地下水、土壤氣體及部分非水相液體污染物。對浮在地下水面上的輕質非水相液體，可設置適當抽除設備回收；對密度大於水、可能沉積於低處的重質非水相液體，須先掌握其分布再設計回收方式。

**適用對象：**有油品自由相、地下水溶解相及不飽和土層氣相污染物共存的場址，常用於石油類污染。

**優點：**可同時處理多種介質中的污染物，兼具污染源回收與地下水控制功能。

**缺點與注意事項：**效果受土壤滲透性、地下水位及污染物分布影響；若抽除設計不當，可能造成污染物擴散或將污染氣體帶至地表。須妥善分離並處理抽出的油、水、氣。

六、土壤沖洗與地下水洗除