112 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

本題考查一般廢棄物焚化廠的完整處理鏈：廢棄物進場與前處理、焚化、熱能回收、煙氣污染防制，以及底渣與飛灰等最終固體物的處理與再利用。作答時應同時交代污染物的來源、型態及相對應的防制設施，並區分焚化後不同固體殘渣的性質。

以下若涉及法規，以命題當年（民國 112 年）法規為準。

解題方法

依物料與污染物流向分成四段說明：

1. 廢棄物進廠至入爐：說明收受、貯存、供料與燃燒設備。
2. 焚化與熱能回收：說明燃燒控制及鍋爐回收熱能。
3. 煙氣與污染物防制：按污染物種類配對防制設備。
4. 最終固體殘渣：區分底渣與飛灰，說明性質、概略產量及再利用方式。

一、一般廢棄物焚化設施與流程

一般廢棄物焚化廠常採機械爐排式焚化爐，典型流程如下：

垃圾車進場與地磅計量 → 卸料平台 → 垃圾貯坑 → 抓斗混合與供料 → 爐排焚化爐 → 鍋爐回收熱能 → 煙氣處理 → 引風機與煙囪排放。

垃圾進場後先秤重並檢查，再卸入密閉垃圾貯坑。貯坑保持負壓，抽取空氣作為燃燒空氣，以降低臭氣外逸；抓斗可混合垃圾，使組成與熱值較均勻，再投入焚化爐。爐內依序完成乾燥、著火、燃燒及燃盡，燃燒溫度、停留時間及混合狀況均須適當控制，以確保有機物充分破壞並降低不完全燃燒產物。

高溫煙氣通過鍋爐產生蒸汽，可供發電或供熱。鍋爐出口煙氣再進入污染防制系統，經處理後由引風機送至煙囪排放；爐底排出底渣，煙氣處理設備則截留飛灰及反應產物。

二、污染物種類、型態與防制設施

核心觀念

本題重點是把一般廢棄物的元素分析結果，轉換為掩埋場中有機物厭氧分解的理論甲烷產量，再據以評估沼氣回收系統的產氣規模與逐年回收量。需先區分：

• 元素分析描述廢棄物乾基中碳、氫、氧、氮、硫及灰分等組成。
• 理論沼氣產量由有機物元素組成推估，代表完全厭氧分解的化學計量上限。
• 實際回收量還要考慮可分解有機物比例、分解速率、掩埋操作條件及集氣效率；理論產量不等於可收集產量。

元素分析常以乾基表示，主要項目為碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）及灰分（ash）。水分通常另以含水率分析，不列入乾基元素百分比；若樣品含有機氯等其他元素，也可依分析目的增列。

分析項目與原理

1. 碳、氫：將乾燥、均質樣品在過量氧氣中燃燒，使碳轉化為二氧化碳、氫轉化為水，再以儀器量測燃燒產物，換算樣品中的碳、氫含量。
2. 氮：常見方法為凱氏氮法或元素分析儀燃燒法。凱氏法將有機氮消化轉為銨態氮，再經蒸餾、滴定定量；燃燒法則將含氮化合物轉為氮氧化物，經還原及儀器偵測換算。
3. 硫：可將樣品燃燒，使硫轉為二氧化硫，再以儀器偵測定量；亦可採適用的化學分析方法。
4. 氧：可直接以高溫熱裂解或相關儀器分析，也常由差減法估算。乾基差減法為：

差減所得氧會承受其他項目測定誤差的累積，解讀時應注意。 5. 灰分：將樣品在規定條件下灼燒，去除可燃有機物，以灼燒後殘留物重量占乾燥樣品重量的比例表示。灰分是無機殘留物的操作性指標，不等同於單一化學元素。

分析時應先將樣品乾燥、破碎及混合均勻，並清楚標示乾基或濕基。以濕基結果直接套用理論產氣公式，會把水分誤當成有機元素而造成錯誤。

解題方法：由元素組成推估理論產氣量

把可生物分解有機物的平均組成寫為：

厭氧分解的化學計量式為：

這是以 Buswell 化學計量關係表示的理論式。元素分析可提供 $a,b,c,d$ 的相對比例，進而計算理論甲烷與二氧化碳產量。硫若納入計量式，還須考慮其厭氧轉化產物及硫化氫；一般估算常先用 C、H、O、N 推估主要甲烷與二氧化碳，再另行評估含硫氣體。

若已知各元素質量百分比，可先以 $100\ \mathrm{kg}$ 乾基可分解有機物為基準，換算各元素莫耳數：

再將其化為最簡莫耳比，得到 $C_aH_bO_cN_d$，代入化學計量式。若元素分析是針對整體廢棄物，須先扣除灰分，並估計其中真正可生物分解的有機物比例；灰分及難分解有機物不能全部視為可產氣基質。

定性用途：掩埋場沼氣回收設計與操作

元素分析可用來判斷：

• 有機物的產氣潛勢：碳、氫含量及其相對於氧的比例，反映有機物還原程度及理論甲烷生成潛力。一般而言，可分解有機碳越多，潛在甲烷產量越高。

核心觀念

本題考查高密度聚乙烯（HDPE）不透水襯墊的拉伸應力—應變關係，以及山谷型掩埋場底部與邊坡的襯墊配置和力學安全設計。題目所稱「高密度聚乙烯布」，工程上通常稱為 HDPE 地工膜；它屬於柔性阻水材料，可隨基底變形而產生一定程度的拉伸變形。

拉伸應力與應變定義如下：

其中 $F$ 為拉力、$A_0$ 為原始截面積、$L_0$ 為原始標距、$\Delta L$ 為標距伸長量。地工膜通常以單位寬度的拉力表示其拉伸強度；設計時須確認採用的試驗方法、膜厚與材料規格一致。

降伏應力 $\sigma_y$ 是材料由主要彈性變形進入顯著塑性變形時的應力。達到降伏後，即使應力增加不多，材料仍可能持續產生較大的應變；進一步拉伸則可能發生應變硬化，最後破裂。HDPE 地工膜的實際曲線會受配方、厚度、溫度及試驗條件影響，示意圖應表達其典型特徵，而非作為特定產品的設計數據。

解題方法

本題可分為兩部分作答：

1. 先以材料拉伸曲線說明初始彈性區、降伏與降伏後的延伸行為，並標示應力、應變及降伏應力。
2. 再依山谷型掩埋場的幾何形狀，說明襯墊如何連續覆蓋谷底及邊坡，並以邊坡拉力、允許變形、降伏安全餘裕及界面穩定性作為設計檢核依據。

應力、應變與降伏應力關係

典型 HDPE 地工膜受拉時，應力—應變關係可概略分為下列階段：

• 初始近線性彈性區：應力隨應變增加，曲線斜率代表材料的拉伸剛度；卸載後大致可恢復原狀。
• 降伏點：應力達到降伏應力 $\sigma_y$，材料開始產生明顯的永久變形。降伏應變記為 $\varepsilon_y$。
• 降伏後延伸與應變硬化區：材料可在較大應變下繼續承受拉力；拉伸至極限後破裂。不能因為降伏後仍可伸長，就把降伏後的變形當作正常設計餘裕。

拉伸應力 σ
 ↑
 │ 破裂
 │ ×
 │ ／
 │ 應變硬化 ／
 │ ／
σy │ ●───────────
 │ ／ 降伏後延伸
 │ ／
 │ ／
 │ ／ 初始近線性彈性區
 │ ／
 └─────┴────────────────────────→ 拉伸應變 ε
 εy
 降伏應變

圖中 $\sigma_y$ 為降伏應力，$\varepsilon_y$ 為降伏應變。降伏後曲線形狀及破裂應變須以實際產品試驗資料為準。

谷底與邊坡的襯墊配置

山谷型堆置場的襯墊系統應形成連續的阻水面，從谷底延伸至兩側邊坡，並在坡頂以錨定溝或其他核定方式固定。

核心觀念

本題考兩種檢測指標：TCLP 以規定的酸性萃取程序，評估事業廢棄物中有害成分的溶出性，供判定是否屬溶出毒性事業廢棄物；底渣灼燒減量則以高溫灼燒前後的質量差，估算焚化底渣中可灼失物質的比例。

以下法規與程序均以命題當年（民國 112 年）為準。法規依據為《有害事業廢棄物認定標準》第 4 條及附表四；檢測方法分別為「事業廢棄物毒性特性溶出程序」（NIEA R201）與「焚化灰渣之灼燒減量檢測方法」（NIEA R216.02C）。

（一）毒性特性溶出程序（TCLP）

目的與判定原則

TCLP 是用標準化萃取條件，測定廢棄物中的有害成分進入液相的濃度。依《有害事業廢棄物認定標準》第 4 條，事業廢棄物依其原物料、製程及成分特性選定分析項目後，萃出液中任一管制成分濃度超過附表四標準，即屬溶出毒性事業廢棄物。

TCLP 測的是規定試驗條件下的溶出濃度，不是廢棄物中的總含量，也不直接等同於實際掩埋場中的長期溶出濃度。

操作規範與步驟

1. **均質與固液分離：**樣品均勻化後，依方法進行固液分離並測定乾固體含量。乾固體含量低於 $0.5\%$ 時，濾液可視為 TCLP 萃出液；達到或超過 $0.5\%$ 時，固相須視測定項目進行後續萃取。
2. **粒徑處理：**必要時將固體減小至可通過 $9.5\ \mathrm{mm}$ 篩網，或符合方法所列表面積條件；揮發性成分應避免因破碎、研磨及曝氣而逸散。
3. **選擇萃取液：**以試劑水與樣品混合、攪拌後測定 pH。通常初測 pH 小於 $5.0$ 使用萃取液 A；大於 $5.0$ 時，先加入鹽酸、加熱並冷卻，再測 pH，依結果選用萃取液 A 或 B。A 液約為 pH $4.93$，B 液約為 pH $2.88$；判斷接近 pH 5 的樣品須依方法規定追加樣品確認。
4. **計算萃取液用量：**以乾固體量為基準，使萃取液與乾固體的重量比為 $20:1$。若樣品重量為 $W_s$，乾固體含量為 $S\%$，則：

$W_e=20\times\frac{S}{100}\times W_s$

其中 $W_e$ 為萃取液重量。例：取 $100\ \mathrm{g}$ 樣品，乾固體含量為 $40\%$，則乾固體為 $40\ \mathrm{g}$，應加萃取液 $800\ \mathrm{g}$。 5. **萃取：**將萃取液加入樣品並密封，以每分鐘 $30\pm2$ 轉旋轉 $18\pm2$ 小時；室溫維持 $23\pm2^\circ\mathrm{C}$。 6. **過濾與分析：**萃取完成後過濾，依分析項目適當保存萃出液並測定有害成分濃度，再與《有害事業廢棄物認定標準》附表四的溶出標準比較。揮發性成分使用零空間萃取器（ZHE）程序，以減少揮發損失。

計算式與判定