112 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

本題考的是大氣中二氧化碳、硫酸鹽與硝酸鹽溶入雲滴或雨滴後，如何改變降水酸鹼性，以及酸性降水對環境造成的影響。大氣氣體溶液是氣體與液態水接觸形成的溶液；雲滴、霧滴與雨滴可吸收氣體及氣膠中的成分，成為大氣污染物進入地表的重要途徑。

解題方法

依序說明各成分溶於水後的化學作用，再統整其環境效應：

1. 二氧化碳：形成天然弱酸背景 二氧化碳溶於水並與水達成平衡，形成碳酸及其解離離子：

$\mathrm{CO_2(g)\rightleftharpoons CO_2(aq)}$

因此，未受其他污染物顯著影響的雨水也不是中性；與大氣二氧化碳平衡的雨水，其 pH 約為 5.6。二氧化碳主要建立降水的天然弱酸背景。

2. 硫酸鹽：與硫酸及酸性沉降相關 硫酸鹽進入水滴後，呈現硫酸氫根、硫酸根等形態；其來源可包括二氧化硫在大氣中的氧化及後續溶入水滴。二氧化硫氧化生成硫酸的代表反應為：

核心觀念

本題考查水體的氧化還原狀態、微生物分解作用，以及磷酸鹽、碳酸鹽在底泥中的沉澱形成。

判斷時可先看各底泥物質的化學特性：

• $\mathrm{FeS}$ 是還原性、難溶的硫化物，常在缺氧且有硫化物的環境中生成。
• $\mathrm{Ca_5OH(PO_4)_3}$ 是磷酸鈣礦物（羥基磷灰石），可由水體中的磷酸鹽與鈣離子形成。
• $\mathrm{Fe(OH)_3}$ 是鐵的氧化態沉澱，常由亞鐵離子遇氧氧化後生成。
• $\mathrm{CaCO_3}$ 可由碳酸鹽與鈣離子沉澱形成；家庭污水排入硬水時，污水中的磷酸鹽可促進鈣鹽沉澱，題目將此現象對應於碳酸鈣底泥。

解題方法

先以鐵的氧化還原反應判斷甲、乙，再以含磷物質與光合作用判斷丙，最後以硬水中的鈣離子判斷丁。

1. 厭氧水體曝氧：形成 $\mathrm{Fe(OH)_3}$。 厭氧底泥中常有可溶性的亞鐵離子 $\mathrm{Fe^{2+}}$。水體曝氧後，亞鐵被氧化為三價鐵，並水解沉澱： $\mathrm{4Fe^{2+}+O_2+10H_2O\rightarrow 4Fe(OH)_3(s)+8H^+}$ 因此甲對應 (3)。

2. 好氧環境轉為厭氧環境：形成 $\mathrm{FeS}$。 轉為厭氧後，硫酸鹽還原菌可將硫酸鹽還原為硫化物；硫化物再與亞鐵離子結合，生成難溶的硫化亞鐵：

核心觀念

本題考查土壤氮的有效性與氮循環。土壤中的氮雖然總量不低，但大多存在於有機物或難以被植物直接吸收的型態；能直接供植物吸收的氮，主要是銨離子（$\mathrm{NH_4^+}$）與硝酸根離子（$\mathrm{NO_3^-}$）。

植物也能利用部分低分子有機氮，例如胺基酸；不過有機氮通常須先經微生物分解與礦化，轉為無機氮，才能持續供應植物。

解題方法

作答可依序說明「土壤氮為何缺乏」、「植物可利用氮的來源與型態」，最後比較何者供應較穩定。須區分土壤中的氮總量與植物可利用氮量：前者可能豐富，後者則受有機氮分解、微生物作用及氮的流失影響。

一、土壤氮常有缺乏現象的原因

土壤氮常呈現缺乏，主要是因為氮素供應與損失之間不易維持平衡：

1. **多數土壤氮為有機態，不能立即被植物吸收。**植物殘體、腐植質及土壤生物體中的氮，須經微生物分解、氨化等作用，逐步轉為無機態氮，才較容易供植物利用。
2. **有效氮容易流失。**硝酸根易隨水分淋洗至根系以外；在缺氧環境中，硝酸根又可經反硝化作用轉為氮氣或氧化亞氮逸散。
3. **氮素會被微生物暫時固定。**微生物分解高碳氮比的有機物時，會吸收土壤無機氮合成細胞物質，使植物短期可利用的氮減少。
4. **氮循環的供應速率受環境限制。**溫度、水分、通氣及有機質分解狀況會影響氮的礦化與硝化；條件不利時，無機氮補充較慢。

因此，土壤氮缺乏的重點不是土壤完全沒有氮，而是能及時供植物吸收的有效氮不足。

二、植物利用的有機氮及無機氮來源

核心觀念

曝氣池的 pH 下降，表示微生物代謝或水中反應產生了酸性物質，或消耗了水體中的鹼度，使水體抵抗 pH 變化的能力降低。本題重點是連結活性污泥的生物反應與酸鹼平衡，尤其是硝化作用產酸及有機物氧化生成二氧化碳。

解題方法

可從微生物代謝產物與鹼度變化兩方面說明：

1. 硝化作用消耗鹼度並產生氫離子 當曝氣池內有足夠溶氧，硝化菌會將氨氮氧化為硝酸鹽。總反應可表示為：

$\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O}$

每氧化 1 mol 氨氮，約產生 2 mol $\mathrm{H^+}$。氫離子會降低 pH；同時硝化作用消耗鹼度，使系統的緩衝能力下降，因此 pH 更容易降低。

2. 有機物氧化生成二氧化碳 異營性微生物分解有機物時，會將部分有機碳氧化成 $\mathrm{CO_2}$。二氧化碳溶於水後形成碳酸平衡：