110 公務人員升官等薦任 環境工程 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

本題考查土壤與地下水有機污染的三種生物復育方式，以及 DNAPL 的物理化學特性與在地層中的移動行為。作答時先說明生物復育如何利用微生物分解污染物，再從比重、溶解度與地層非均質性說明 DNAPL 的傳輸特徵。

本題不涉及特定法條或計算公式。

解題方法

(一) 生物刺激、生物放大與自然衰減

三者的區別，在於是否增加營養或電子受體、是否額外加入微生物，以及是否仰賴現地既有的自然作用。

• 生物刺激（Biostimulation）：調整受污染場址的環境條件，促進原有微生物分解污染物。例如補充氮、磷等營養鹽，或供給氧氣、硝酸鹽等電子受體；厭氧污染物降解也可透過提供適當電子供體來促進。其核心是「刺激原地微生物」，不是另行接種微生物。
• 生物放大（Bioaugmentation）：將具有特定污染物降解能力的微生物菌種或菌群加入場址，使污染物能被更有效分解。通常仍須配合適宜的氧化還原條件、營養鹽、酸鹼度及溫度；若外加菌種無法存活、競爭或接觸污染物，處理效果會受限。
• 自然衰減（Natural attenuation）：不主動添加微生物或改變場址條件，而是依靠現地自然發生的生物降解，以及稀釋、揮發、吸附、擴散等作用，使污染物濃度、質量、毒性或移動性降低。若以微生物降解為主，常稱自然生物衰減。須以監測資料確認污染羽流未擴大、污染物確有衰減，並確保不致危害受體；自然衰減不等於放任污染。

(二) DNAPL 的特性與傳輸

DNAPL 是密度大於水、且與水不互溶或僅微量互溶的有機液體。其傳輸可分成由重力驅動的下移，以及受地層差異控制的側向移動與殘留。

• 比重特性：DNAPL 的比重通常大於 $1$，因此比水重。若以純液體形式進入地下，會受重力作用向下穿過未飽和帶，並可穿越地下水面繼續向下移動。
• 親疏水性：DNAPL 通常具有疏水性，與水不互溶或只有有限溶解度；

核心觀念

本題考查自然界氮循環中的固氮作用與硝化作用，以及生活污水中氮的型態、處理目標與生物脫氮流程。氮在水中常以有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮及硝酸鹽氮等型態存在；污水處理時，通常先將有機氮轉為氨氮，再經硝化作用轉成硝酸鹽，最後以反硝化作用轉成氮氣排放。

解題方法

先依氮循環定義說明固氮與硝化，再從生活污水的含氮型態出發，安排「氨化 → 硝化 → 反硝化」的處理程序。這個流程能把污水中的各類含氮物逐步轉成可由微生物去除的氮氣。

（一）固氮作用、硝化作用

1. 固氮作用（nitrogen fixation）

大氣中的氮氣 $N_2$ 化學性質穩定，多數生物不能直接利用。固氮作用是固氮微生物將大氣氮氣還原成氨或銨離子，使氮進入生物可利用的氮庫：

$$N_2 \longrightarrow NH_3 \rightleftharpoons NH_4^+$$

自然界常見的固氮者包括根瘤菌、自由生活固氮菌及部分藍綠菌（藍菌）。固氮酶參與此反應，需消耗能量；其中根瘤菌與豆科植物共生，是常見的生物固氮例子。

2. 硝化作用（nitrification）

硝化作用是在有氧條件下，由化能自營性微生物將氨氮逐步氧化為硝酸鹽氮，分為兩階段：

$$NH_4^+ + 1.5O_2 \longrightarrow NO_2^- + 2H^+ + H_2O$$ $$NO_2^- + 0.5O_2 \longrightarrow NO_3^-$$

第一階段由氨氧化微生物進行，第二階段由亞硝酸氧化微生物進行。總反應可寫為：

$$NH_4^+ + 2O_2 \longrightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O$$

硝化會消耗氧氣並產生氫離子，因此有耗氧及降低水體鹼度、使 pH 下降的效果。

（二）生活污水的含氮成分與處理程序

1. 主要含氮成分

生活污水中的氮主要包括：

• 有機氮：如蛋白質、尿素及其分解產物。
• 氨氮：包括游離氨 $NH_3$ 與銨離子 $NH_4^+$；尿液中的尿素經水解後會形成氨氮。
• 亞硝酸鹽氮及硝酸鹽氮：通常在污水中所占比例較小；經硝化處理後，氮會主要轉為硝酸鹽氮。

2. 處理目標

若目標是降低排放水中的總氮，應使污水中的含氮物最後轉成氮氣 $N_2$，再由水中逸散至大氣。若只經硝化，氨氮雖轉為硝酸鹽，總氮並未因此真正去除；需再接續反硝化。

3. 合理的生物處理轉換程序

核心觀念

本題考「糞便污染指標微生物」應具備哪些理想特性。指標微生物本身通常不是要直接檢出所有腸道病原體，而是利用容易檢測的微生物，推估水體是否受到糞便污染，以及腸道病原體可能存在的風險。

題目已列出兩項條件：適用於各類水體；有腸道致病性微生物存在時，指標微生物也須存在。除此之外，還應考量指標微生物是否能可靠反映污染、能否在環境中維持代表性，以及是否容易檢驗。

解題方法

由「指標」的功能切入：理想的指標微生物應能反映糞便污染及病原體存在的可能性，並且可以穩定、快速地檢出。因此可從四個面向整理：

1. 與污染的關聯性：是否能代表糞便污染及病原體存在。
2. 環境中的行為：是否具有代表性，是否會在自然水體中自行繁殖。
3. 檢驗與操作：是否容易採樣、培養、鑑定及定量。
4. 安全與適用性：是否安全，且能廣泛應用於不同水體。

除題示條件外的選擇要件

1. 無腸道病原體時，指標微生物也應不存在或極少 指標微生物應能反映污染來源，避免在沒有糞便污染時仍普遍檢出，造成錯誤警訊。

2. 在糞便中數量充足，且通常比病原體更容易檢出 腸道病原體可能只以低濃度或間歇性方式出現；指標微生物若在糞便中數量較多，可提高檢出污染的機會。

核心觀念

本題考查的是近地面臭氧（$O_3$）的光化學生成機制。臭氧不是直接由汽機車排放的主要污染物，而是由氮氧化物（$NO_x=NO+NO_2$）與揮發性有機物（VOCs）在陽光照射下反應生成的二次污染物。

解題方法

依序說明「$NO_2$ 光解形成臭氧」與「VOCs 氧化使臭氧累積」兩個階段，並指出只有氮氧化物參與時，臭氧生成與消耗會形成光穩態；VOCs 的作用則是促進 $NO$ 轉化為 $NO_2$，使臭氧不再被等量消耗，因而淨生成並累積。

臭氧生成機制

一、氮氧化物的光化學循環

日光中的紫外線使二氧化氮光解：

$$NO_2+h\nu \rightarrow NO+O$$

生成的氧原子與氧氣結合，形成臭氧：

$$O+O_2+M\rightarrow O_3+M$$

其中 $h\nu$ 表示光能；$M$ 為空氣中的第三體分子（如 $N_2$、$O_2$），負責帶走反應多餘能量。生成的臭氧又可與一氧化氮反應：

$$O_3+NO\rightarrow NO_2+O_2$$

這三個反應組成 $NO$、$NO_2$ 與 $O_3$ 的光化學循環。在沒有其他反應介入時，臭氧生成與消耗大致相抵，因此僅有 $NO_x$ 與日光，不足以造成臭氧持續淨累積。

二、VOCs 氧化促進臭氧淨生成

VOCs 在日光及大氣氧化劑作用下，會形成有機過氧自由基，例如 $RO_2\cdot$、$HO_2\cdot$。這些自由基可將 $NO$ 氧化為 $NO_2$，且過程不消耗臭氧：

核心觀念

水中總硬度主要由鈣、鎂離子造成，以 $\mathrm{mg/L}$ as $\mathrm{CaCO_3}$ 表示時，先將鈣、鎂濃度換算成以碳酸鈣計的當量濃度，再相加：

$$\text{總硬度} =\left[\mathrm{Ca^{2+}}\right]\frac{50}{\text{Ca 的當量重}} +\left[\mathrm{Mg^{2+}}\right]\frac{50}{\text{Mg 的當量重}}$$

其中 $\mathrm{CaCO_3}$ 的分子量為 $100\ \mathrm{g/mol}$，價數為 2，當量重為 $100/2=50\ \mathrm{g/eq}$。鈣、鎂離子的當量重分別為其原子量除以 2。

碳酸鹽硬度是總硬度與總鹼度兩者的較小值；非碳酸鹽硬度則為總硬度扣除碳酸鹽硬度。此題的總鹼度以題給的 $\mathrm{HCO_3^-}$ 濃度計算。

解題方法

先分別換算鈣、鎂硬度：

$$\begin{aligned} \text{鈣硬度} &=60\ \mathrm{mg/L}\times\frac{50}{40/2}\\ &=150\ \mathrm{mg/L\ as\ CaCO_3} \end{aligned}$$ $$\begin{aligned} \text{鎂硬度} &=18.3\ \mathrm{mg/L}\times\frac{50}{24.4/2}\\ &=75\ \mathrm{mg/L\ as\ CaCO_3} \end{aligned}$$

因此總硬度為：

核心觀念

本題考查自來水管網在停水與復水期間的水力完整性及微生物水質變化。停水不代表水一定受污染；但供水中斷會使管內壓力降低或消失，若同時存在外部污染源與管線缺陷，污染物便可能進入配水管網，並隨復水流至用戶端。

污染物進入管線的風險，可用三項條件掌握：

$$\text{外部污染源存在} +\text{管線有可進入路徑} +\text{管內壓力低於外部壓力} \longrightarrow \text{污染物可能侵入}$$

污染源可包括污水、受污染地下水或積水；進入路徑可包括破管、裂縫、腐蝕孔洞、漏水接頭及交叉連接。管內形成低壓或負壓時，可能引發外水滲入或虹吸回流。

解題方法

以「停水造成的管網變化」及「復水時用戶端的污染途徑」分層作答，涵蓋管線外部侵入、管網內沉積物與生物膜釋出，以及建築物內部管線或水塔的污染風險。題目不是要求計算，而是要列出能使微生物污染風險升高的因素，並交代其作用機制。

可能增加污染風險的因素

1. 管網低壓或負壓 停水、抽水設備故障、管線破裂或復水操作造成水壓驟降時，管內壓力可能低於周圍地下水或積水壓力，使外部水體經管線缺陷滲入。

2. 老舊、破損或漏水的管線 管線裂縫、腐蝕孔洞、鬆脫接頭及施工損傷提供污染物進入路徑。若周遭有滲漏污水管、污水溝或受污染土壤，風險更高。

3. 污水管與自來水管相鄰或交叉連接 自來水管與污水管距離過近、交叉連接，或閥件配置不當，會增加污水在低壓時進入供水管線的機會。

4. 用戶端倒流或虹吸回流 停水時若水龍頭仍開啟，且出水口浸入水槽、桶槽或其他受污染液體，低壓可能將污染液體吸回供水管線。缺乏防倒流裝置時，風險較高。