111 專技高考高等考試 環境工程技師 空氣污染與噪音工程 考古題詳解

核心觀念

本題評量固定污染源空氣污染物排放檢測數據處理、乾濕基排氣量轉換、法規活動強度定義及排放量推估模式。核心依據與公式如下：

1. 乾基與濕基排氣量換算： 煙道廢氣中常含有水蒸氣，我國法規《固定污染源空氣污染物排放標準》（以命題當年民國 111 年法規為準）明定污染物排放濃度係以標準狀態（$0^\circ\mathrm{C}$、$1\ \mathrm{atm}$，即 $\mathrm{Nm^3}$）之乾基體積為計算基準。乾基排氣量（$Q_d$）與濕基排氣量（$Q_w$）之換算公式為： $Q_d = Q_w \times (1 - X_w)$ 其中 $X_w$ 為廢氣中水分體積百分比（含濕分／濕度濃度）。

2. 活動強度（Activity Level / Activity Intensity）： 依我國《空氣污染防制費收費辦法》與空氣污染物排放清冊（TEDS）推估手冊之規範，活動強度指固定污染源運作之原（物）料使用量、燃料消耗量、產品產量或設備操作運轉時間等具代表性之指標量。本題檢測時之活動強度即為原料使用量。

3. 排放係數法與等比例推估： 在空氣污染防制設備（空氣逆洗式袋式集塵器）正常穩定操作且去除效率維持不變的前提下，污染物排放量（$E$）與原物料活動強度（$A$）成正比，即排放係數 $\mathrm{EF} = \frac{E}{A}$ 為常數： $E_{\text{design}} = E_{\text{test}} \times \left( \frac{A_{\text{design}}}{A_{\text{test}}} \right)$

4. 排氣濃度與年排放量計算：

• 排放濃度 $C = \frac{E}{Q_d}$
• 年排放量 $E_{\text{annual}} = E_{\text{design}} \times \text{年操作時數}$

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解題方法

(一) 估算廢氣乾基實測排氣量及活動強度

1. 廢氣乾基實測排氣量（$Q_d$）： 已知：

• 濕基實測排氣量 $Q_w = 260\ \mathrm{Nm^3/min}$
• 水分含量 $X_w = 1.5\% = 0.015$

代入乾濕基轉換公式： $Q_d = Q_w \times (1 - X_w) = 260\ \mathrm{Nm^3/min} \times (1 - 0.015) = 256.1\ \mathrm{Nm^3/min}$

換算為小時排氣量： $Q_d = 256.1\ \mathrm{Nm^3/min} \times 60\ \mathrm{min/hr} = 15,366\ \mathrm{Nm^3/hr}$

2. 活動強度（$A_{\text{test}}$）： 依固定污染源排放估算規定，檢測時之活動強度即為當時之操作原物料使用量： $A_{\text{test}} = 200\ \mathrm{kg/hr}\quad (\text{或 } 0.2\ \mathrm{公噸/小時})$

(補充衍生之排放係數)： 若依該活動強度推求防制設備後端之實際排放係數（$\mathrm{EF}$）： $\mathrm{EF} = \frac{0.05\ \mathrm{kg/hr}}{200\ \mathrm{kg/hr}} = 2.5 \times 10^{-4}\ \mathrm{kg\ 粒狀物 / kg\ 原料}\quad (0.25\ \mathrm{kg\ 粒狀物 / 公噸原料})$

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(二) 估算設計條件下之粒狀污染物排放濃度及年排放量

1. 設計條件下之小時排放量（$E_{\text{design}}$）： 設計原料使用量 $A_{\text{design}} = 250\ \mathrm{kg/hr}$，產能提升後小時排放量依活動強度等比例推估： $E_{\text{design}} = 0.05\ \mathrm{kg/hr} \times \frac{250\ \mathrm{kg/hr}}{200\ \mathrm{kg/hr}} = 0.0625\ \mathrm{kg/hr}$

核心觀念

本題考驗餐飲業油煙廢氣特性與靜電集塵器（Electrostatic Precipitator, EP）之工程設計計算，涵蓋三大核心觀念：

1. 燃燒與熱裂解污染物特性：木炭為生物質炭化燃料，其燃燒主要受局部缺氧影響產生不完全燃燒產物；此外，燒烤過程食材油脂滴落炭火高溫熱裂解（Pyrolysis）會生成油煙微粒、多環芳香族碳氫化合物（PAHs）及異味化合物。
2. 德意志－安德森方程式（Deutsch-Anderson Equation）：描述單區或平行板式靜電集塵器在完全混合假設下的顆粒物捕集效率： $\eta = 1 - \exp\left(-\frac{A \cdot W_e}{Q}\right)$ 式中：$\eta$ 為集塵效率（無因次）、$A$ 為總有效集塵極板面積（$\mathrm{m^2}$）、$W_e$ 為有效飄移速率（Drift velocity / Migration velocity, $\mathrm{m/min}$ 或 $\mathrm{m/s}$）、$Q$ 為處理廢氣體積流量（$\mathrm{m^3/min}$ 或 $\mathrm{m^3/s}$）。
3. 平行板式集塵極板之有效面積幾何關係：大型臥式平行板式靜電集塵器中，含塵氣流流通於極板之間的通道，除了最外側極板單面集塵外，內部極板兩面皆暴露於電場中捕集顆粒，故一般工程估算中極板多具備雙面有效集塵面積。

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解題方法

(一) 以木炭作為燒烤燃料所造成的空氣污染物特性

木炭燒烤產生的廢氣屬於「燃料燃燒」與「高溫食物熱裂解」之複合性污染，其特性如下：

1. 粒狀污染物（Particulate Matter, PM）與油煙氣膠：

• 碳煙（Soot）與灰分：木炭悶燒或劇烈燃燒時因局部供氧不足，釋出次微米級碳黑粒及少量灰分。
• 油煙微滴（Aerosol/Oil Mist）：肉品油脂滴入炭火（高溫達 $600\sim 800^\circ\mathrm{C}$）瞬間裂解、氣化，隨熱氣流冷卻後凝結為微細油滴，粒徑多集中於次微米至微米級（$\mathrm{PM_{2.5}}$ 為主），具有高黏性與低流動性。

2. 多環芳香族碳氫化合物（PAHs）及有害空氣污染物：

• 油脂與木炭有機質於高溫缺氧條件下重組反應生成苯芘（Benzo[a]pyrene）等多環芳香烴，強烈附著於細懸浮微粒表面，具顯著之致突變性與致癌性。

3. 氣狀污染物：

• 一氧化碳（$\mathrm{CO}$）：木炭多處於悶燒（Smoldering）或局部氧氣不足狀態，$\mathrm{CO}$ 生成濃度極高，為室內與排氣中主要之危險窒息性氣體。
• 揮發性有機物（VOCs）：包含醛類（如丙烯醛）、酮類、低分子脂肪酸及多種芳香族烴，具有強烈刺鼻特性。
• 硫氧化物（$\mathrm{SO_x}$）與氮氧化物（$\mathrm{NO_x}$）：木炭本體含硫量極低，故 $\mathrm{SO_x}$ 排放極微；$\mathrm{NO_x}$ 主要來自空氣中氮氣高溫氧化形成之熱力型（Thermal $\mathrm{NO_x}$），濃度一般不高。

4. 異味污染物（Odor）：

• 油脂受熱焦化裂解產生之雜環化合物、有機酸及脂肪醛散發高強度燒烤油煙氣味，易造成鄰近受體感官陳情。

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(二) 估算所需之極板面積

依題意，德意志－安德森方程式適用： $\eta = 1 - \exp\left(-\frac{A \cdot W_e}{Q}\right)$

1. 移項推導總集塵面積 $A$： $1 - \eta = \exp\left(-\frac{A \cdot W_e}{Q}\right)$ 兩邊取自然對數（$\ln$）： $\ln(1 - \eta) = -\frac{A \cdot W_e}{Q}$ $A = -\frac{Q}{W_e} \cdot \ln(1 - \eta)$

核心觀念

本題為典型的排氣脫硝工程設計計算題，旨在測驗考生對固定污染源 $\mathrm{NO_x}$ 控制技術中**選擇性觸媒還原法（Selective Catalytic Reduction, SCR）**之核心理論、反應機制、系統去除率及化學計量耗藥量之掌握程度。涉及重點如下：

1. SCR 作用原理與觸媒機制： 在適當操作溫度（通常為 $300^\circ\mathrm{C} \sim 400^\circ\mathrm{C}$）及含氧環境下，注入還原劑（如 $\mathrm{NH_3}$），藉由金屬氧化物觸媒（如 $\mathrm{V_2O_5-WO_3/TiO_2}$）選擇性地將 $\mathrm{NO_x}$ 還原為無害之 $\mathrm{N_2}$ 與 $\mathrm{H_2O}$。
2. 去除率（Removal Efficiency, $\eta$）： 依據進口與出口污染物體積濃度（$\mathrm{ppm}$）計算去除百分比： $\eta = \frac{C_{\text{in}} - C_{\text{out}}}{C_{\text{in}}} \times 100\%$
3. 理想氣體狀態方程式（Ideal Gas Law）： 煙道氣體在操作狀態（$T = 300^\circ\mathrm{C}$、$P = 1\ \mathrm{atm}$）下，需將體積流率換算為莫耳流率： $PV = nRT \implies \dot{n} = \frac{P \cdot Q}{R \cdot T}$
4. 氨氮化學計量當量比（Stoichiometric Ratio）： 煙道氣中 $\mathrm{NO_x}$ 絕大部分為 $\mathrm{NO}$（約 $90\%$），主反應之 $\mathrm{NH_3}/\mathrm{NO}$ 莫耳比為 $1:1$；當 $\mathrm{NO}$ 與 $\mathrm{NO_2}$ 共存時，遵循「快速 SCR 反應（Fast SCR）」，其整體 $\mathrm{NH_3}/\mathrm{NO_x}$ 消耗莫耳比亦為 $1:1$。在環境工程實務與國考標準計算中，理論氨氮比常取 $\mathrm{NH_3/NO_x} = 1.0$；若依獨立反應計量式個別考量 $\mathrm{NO_2}$，當量比則為 $1.1$。

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解題方法

(一) SCR 原理及反應式

1. 反應原理：

• 定義：選擇性觸媒還原法（Selective Catalytic Reduction, SCR）係於鍋爐下游煙道中注入氨氣（$\mathrm{NH_3}$）或尿素水溶液熱解產生之氨氣作為還原劑。
• 選擇性（Selective）意義：在含氧的燃燒廢氣中，還原劑不會優先被氧氣氧化，而是「選擇性」地與廢氣中的 $\mathrm{NO_x}$ 進行氧化還原反應，將其轉化為對人體與環境無害的氮氣（$\mathrm{N_2}$）及水蒸氣（$\mathrm{H_2O}$）。
• 觸媒與溫度視窗：常用觸媒為二氧化鈦載體附載五氧化二釩與三氧化鎢（$\mathrm{V_2O_5-WO_3/TiO_2}$），最適操作溫度區間為 $300^\circ\mathrm{C} \sim 400^\circ\mathrm{C}$。本題排氣溫度為 $300^\circ\mathrm{C}$，恰落於 SCR 活性最高之溫度視窗內。

2. 化學反應式：

• 主反應（Standard SCR，針對主要成分 $\mathrm{NO}$，反應佔比約 $90\%$）： $4\mathrm{NH_3} + 4\mathrm{NO} + \mathrm{O_2} \xrightarrow{\text{觸媒}} 4\mathrm{N_2} + 6\mathrm{H_2O}$ （莫耳計量比 $\mathrm{NH_3}/\mathrm{NO} = 1:1$）
• 快速反應（Fast SCR，當 $\mathrm{NO}$ 與 $\mathrm{NO_2}$ 等莫耳共存時，反應速率極快）： $4\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{NO} + 2\mathrm{NO_2} \xrightarrow{\text{觸媒}} 4\mathrm{N_2} + 6\mathrm{H_2O}$ （或簡化為 $2\mathrm{NH_3} + \mathrm{NO} + \mathrm{NO_2} \xrightarrow{\text{觸媒}} 2\mathrm{N_2} + 3\mathrm{H_2O}$，整體 $\mathrm{NH_3}/\mathrm{NO_x} = 1:1$）
• $\mathrm{NO_2}$ 單獨還原反應（Slow SCR）： $4\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{NO_2} + \mathrm{O_2} \xrightarrow{\text{觸媒}} 3\mathrm{N_2} + 6\mathrm{H_2O}$ （若在無氧條件下則為 $8\mathrm{NH_3} + 6\mathrm{NO_2} \xrightarrow{\text{觸媒}} 7\mathrm{N_2} + 12\mathrm{H_2O}$）
• 主要副反應（觸媒操作限制）：
• 高溫氧化副反應（溫度高於 $450^\circ\mathrm{C}$ 時氨被氧氣氧化，導致脫硝效率下降）： $4\mathrm{NH_3} + 5\mathrm{O_2} \rightarrow 4\mathrm{NO} + 6\mathrm{H_2O}$
• 低溫副產物生成（低於 $280^\circ\mathrm{C}$ 時，未反應之逃逸氨與煙氣中之 $\mathrm{SO_3}$ 反應生成酸性硫酸銨鹽，沉積阻塞觸媒孔隙）： $\mathrm{NH_3} + \mathrm{SO_3} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{NH_4HSO_4}\ (\text{硫酸氫銨})$

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(二) 計算 $\mathrm{NO_x}$ 去除率

1. 基本已知數據：

• 進口 $\mathrm{NO_x}$ 濃度 $C_{\text{in}} = 800\ \mathrm{ppm}$
• 要求排放標準 $C_{\text{out}} \le 85\ \mathrm{ppm}$

2. 去除率計算公式： $\eta = \frac{C_{\text{in}} - C_{\text{out}}}{C_{\text{in}}} \times 100\%$

3. 代入數值推導： $\eta = \frac{800\ \mathrm{ppm} - 85\ \mathrm{ppm}}{800\ \mathrm{ppm}} \times 100\% = \frac{715}{800} \times 100\% = 89.375\%$

因應法規要求排放濃度需降低至 $85\ \mathrm{ppm}$ 以下，去除率至少需達到 $89.38\%$（或 $89.375\%$）。

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(三) 計算所需之氨用量

1. 煙道氣體總莫耳流率（$\dot{n}_{\text{total}}$）計算：

• 煙氣流率 $Q = 6\times 10^4\ \mathrm{m^3/min}$
• 壓力 $P = 1\ \mathrm{atm}$
• 絕對溫度 $T = 300^\circ\mathrm{C} + 273.15 = 573.15\ \mathrm{K}$
• 理想氣體常數 $R = 0.08206\ \mathrm{atm\cdot L/(mol\cdot K)} = 0.08206\ \mathrm{atm\cdot m^3/(kmol\cdot K)}$

應用理想氣體方程式推導排氣總莫耳流率： $\dot{n}_{\text{total}} = \frac{P \cdot Q}{R \cdot T} = \frac{1\ \mathrm{atm} \times 60,000\ \mathrm{m^3/min}}{0.08206\ \mathrm{atm\cdot m^3/(kmol\cdot K)} \times 573.15\ \mathrm{K}} \approx 1,275.71\ \mathrm{kmol/min}$ （若取 $T = 573\ \mathrm{K}$ 及 $R = 0.082$，則 $\dot{n}_{\text{total}} = 1,276.98\ \mathrm{kmol/min}$）

2. 需去除之 $\mathrm{NO_x}$ 總量（$\Delta \dot{n}_{\mathrm{NO_x}}$）：

• 濃度降幅 $\Delta C = 800\ \mathrm{ppm} - 85\ \mathrm{ppm} = 715\ \mathrm{ppm} = 715 \times 10^{-6}\ \mathrm{mol/mol}$ $\Delta \dot{n}_{\mathrm{NO_x}} = \dot{n}_{\text{total}} \times \Delta C = 1,275.71\ \mathrm{kmol/min} \times 715 \times 10^{-6} \approx 0.9121\ \mathrm{kmol/min} = 912.13\ \mathrm{mol/min}$

3. 理論氨用量計算：

• 方法一：工程標準莫耳比法（$\mathrm{NH_3/NO_x} = 1.0$） 依據 SCR 主反應（$\mathrm{NO}$ 佔 $90\%$）與 Fast SCR 反應機制，去除 $1\ \mathrm{mol}$ 之 $\mathrm{NO_x}$ 理論上消耗 $1\ \mathrm{mol}$ 之 $\mathrm{NH_3}$：

核心觀念

本題評量環境工程與職業衛生領域中「環境噪音」與「作業環境噪音」之量測原理、策略規劃及量測儀器特性。

1. 法規基準（以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 作業環境噪音：依據《職業安全衛生設施規則》第 300 條、《勞工工作環境監測實施辦法》及《勞工作業場所容許暴露標準》。規範勞工 8 小時日時量平均音壓級（$\text{TWA}$）容許暴露基準為 $90\text{ dBA}$（採 $5\text{ dBA}$ 減半率），暴露劑量不超過 $100\%$，並於超過 $85\text{ dBA}$ 時應採取聽力保護措施。
• 環境噪音：依據當時《環境保護署》（現改制為《環境部》）之《噪音管制法》、《噪音管制標準》及《環境噪音測量方法》（NIEA P201 系列），規範管制區劃分、時段（早、日、晚、夜間）、均能音量（$L_{eq}$）、最大音量（$L_{\max}$）及低頻噪音（$20\sim 200\text{ Hz}$）標準。

2. 量測指標與原理：

• 等價連續音壓級（Equivalent Continuous Sound Level, $L_{eq}$）： $L_{eq} = 10 \log_{10} \left( \frac{1}{T} \int_0^T 10^{\frac{L_{pA}(t)}{10}} dt \right)$
• 個人暴露劑量（Dose, $D$）與 8 小時日時量平均音壓級（$\text{TWA}$）： $D = \left( \sum_{i=1}^n \frac{C_i}{T_i} \right) \times 100\%$ $\text{TWA} = 16.61 \log_{10} \left( \frac{D}{100} \right) + 90$ 其中 $C_i$ 為在特定音壓級下之暴露時間，$T_i$ 為該音壓級下之容許暴露時間。
• 頻譜分析原理：八音度頻帶（Octave Band）或 1/3 八音度頻帶，將複合聲音信號依中心頻率拆解，用於鑑別噪音成分（如純音、低頻）與工程防制降噪設計。

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解題方法

本題為專技高考技師等級之申論題，答題策略應區分「制度與工程層次」：

1. 子題(一)：應採對比式架構，分別就「噪音源面向（工程與法規遵循）」與「作業人員面向（勞工暴露與健康保護）」兩大主軸，從「監測目的」、「測點選定與佈設位置」、「操作條件與時機」、「評估指標」及「背景修正與干擾排除」五個維度切入，展現系統化分析能力。
2. 子題(二)：將三種儀器（噪音計、積分式噪音儀器、噪音頻譜分析儀）分別條列，清晰拆解為「量測功能（技術規格、訊號處理機制）」與「目的（在環境法規與作業衛生中的具體應用場景）」，避免功能與目的混為一談。

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選項分析

本題為申論試題，無選擇選項。閱卷評分關鍵在於「專業術語精準度」、「法規與工程實務對照之嚴謹度」及「結構條理化呈現」。

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解題技巧

1. 區分環境與作業衛生的評價指標：環境噪音重在受體點與周界的「環境均能音量（$L_{eq}$）」及「低頻噪音」；作業環境噪音重在勞工個人「暴露劑量（$\text{Dose}$）」與「時間加權平均（$\text{TWA}$）」。答題時切記不可將兩者混淆。
2. 儀器演進關係：普通噪音計（瞬間音壓值 $L_p$、動態特性 Fast/Slow） $\to$ 積分型噪音計（時域能量積分 $L_{eq}$、累積劑量） $\to$ 頻譜分析儀（頻域分解 Octave/FFT），此邏輯鏈有助於有系統地闡述儀器功能與目的之層次進階。
3. 避免遺漏「背景噪音修正」與「低頻噪音」：此二者為國家考試評分的高分關鍵詞彙，務必納入策略與功能說明中。

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【答案】

(一) 針對噪音源及作業人員於不同面向之噪音量測確認策略

噪音量測確認策略依評估對象與目的之不同，主要區分為「噪音源面向」與「作業人員面向」，兩者策略重點如下：

1. 噪音源面向量測確認策略（工程控制與排放管制導向）

• 量測目的：確認設備音功率位準（Sound Power Level, $L_w$）、掌握特定機具之聲音輻射特性、辨識主要噪音貢獻源，並作為噪音防制工程（隔音、吸音、消音）設計及廠界法定排放標準符合性之判定依據。
• 測點佈設位置：

• 近場／包絡法量測：依國際標準（如 ISO 3744/3746），於機械表面特定距離（如 $1\text{ m}$）設置多點包絡面，量測自由音場下之各方位音壓以推算音功率。
• 廠界／周界量測：設置於公私場所周界外 $1\sim 1.5\text{ m}$ 處，或陳情受體建築物外牆／開口處，評估逸散至外部環境之音量。

• 操作條件與運作時機：

• 機具運轉於正常最大負荷狀態或特定高噪製程工況下實施量測。
• 需區分各設備「單獨運轉」與「整體運轉」時之音量貢獻。

• 評估指標與背景修正：