110 公務人員升官等薦任 環保技術 環境污染防治技術 考古題詳解

核心觀念

本題考查燃燒設備中氮氧化物（$NO_x$）的生成來源，以及如何依生成機制選擇控制技術。$NO_x$主要包括一氧化氮（$NO$）與二氧化氮（$NO_2$）；燃燒時通常先生成以$NO$為主的氮氧化物，排入較低溫的煙道後，部分$NO$再氧化為$NO_2$。

氣電共生系統常以天然氣燃氣渦輪機發電，再利用渦輪機排氣供熱或導入熱回收鍋爐。天然氣含氮量低，因此燃燒排氣的$NO_x$主要來自空氣中的氮氣，尤其是高溫燃燒形成的熱力型$NO_x$。若鍋爐另設燃燒器補燃，補燃燃燒也會產生$NO_x$。

解題方法

作答時先依氮的來源分類生成機制，再將每一類與有效的控制手段配對。核心判斷是：燃燒區的溫度、氧氣濃度與高溫停留時間，會影響熱力型$NO_x$；燃料所含氮分則影響燃料型$NO_x$。因此，控制方法可分為燃燒前段的生成抑制，以及燃燒後段的煙氣脫硝。

一、熱力型$NO_x$（thermal $NO_x$）

燃燒溫度高時，空氣中的氮氣與氧氣反應生成$NO$。常以擴展 Zeldovich 機制表示：

熱力型$NO_x$對燃燒溫度特別敏感；高溫區越熱、停留時間越長，生成量通常越大。燃氣渦輪機燃燒溫度高，因此熱力型$NO_x$通常是主要來源。

對應防制技術：

• 低$NO_x$燃燒器（LNB）及分段燃燒：分段供應燃料或空氣，降低局部高溫與富氧狀態；後段再補入空氣完成燃燒。
• 煙氣再循環（FGR）：將部分低氧煙氣送回燃燒區，稀釋氧氣並降低火焰溫度。
• 燃氣渦輪機低$NO_x$燃燒器：採稀薄預混、均勻混合等設計，降低局部火焰峰值溫度；常見概念包括乾式低排放（DLE）或乾式低$NO_x$（DLN）燃燒技術。
• 蒸汽或水注入：以稀釋及吸熱降低燃燒溫度，可用於部分燃氣渦輪機；須考量效率、設備與水質等限制。

二、快速型$NO_x$（prompt $NO_x$）

快速型$NO_x$主要在火焰前緣生成。碳氫燃料裂解產生的烴基自由基（如$CH$）與空氣中的氮氣反應，形成含氮中間物，再進一步氧化成$NO$。其生成速度快，發生區域接近火焰前緣；在碳氫燃料燃燒中通常不是主要來源，但在局部富燃料條件下較值得注意。

對應防制技術：

核心觀念

本題考查沉澱池的三項水力操作參數：水力停留時間、溢流率（表面負荷率）及出水堰負荷。三者分別描述污水在池內停留多久、每單位池面積承受多少流量，以及每單位出水堰長度排出多少流量。

設：

• $Q$：通過沉澱池的流量
• $V$：沉澱池有效水體積
• $A_s$：沉澱池有效表面積
• $L_w$：出水堰有效總長度

計算時須讓流量與尺寸單位一致，並依平均流量或尖峰流量等設計條件選用相應的 $Q$。

解題方法與公式

一、水力停留時間

水力停留時間（hydraulic detention time, $t$）是池內有效水體積除以流量：

若池體為長方形，水深均勻，則 $V=LWH$；若為圓形池，則 $V=\frac{\pi D^2}{4}H$。計算所得時間單位取決於 $V$ 與 $Q$ 的單位，例如 $V$ 用 $\mathrm{m^3}$、$Q$ 用 $\mathrm{m^3/h}$，則 $t$ 為小時。

此值為名目停留時間，代表以池體積及流量推算的平均時間；實際水流若有短流、死水區或混合不均，實際停留情形會與名目值不同。

二、溢流率（表面負荷率）

溢流率（overflow rate，亦稱 surface overflow rate 或 surface loading rate）為流量除以沉澱池有效水平表面積：

常用單位為 $\mathrm{m^3/(m^2\cdot d)}$，亦可簡寫為 $\mathrm{m/d}$。它表示單位沉澱表面積所承受的水量；數值愈大，水力負荷愈高，細小懸浮物較不易沉降。

對等深的長方形池，若 $V=A_sH$，則：

因此，名目停留時間、池深與溢流率具有上述關係；此關係以幾何尺寸與流量定義的名目值為準。

三、出水堰負荷

出水堰負荷（weir loading rate，亦稱 weir overflow rate）為流量除以出水堰的有效總長度：

核心觀念

本題考查廢棄物的三成分分析：水分、灰分與可燃分。三者通常以原始濕樣重量為基準，彼此相加為 $100\%$：

其中，水分是樣品乾燥前後的重量差；灰分是樣品經高溫灼燒後留下的殘渣；可燃分通常不直接測量，而以總量扣除水分與灰分計算。

以命題當年（民國 110 年）適用的「廢棄物中灰分、可燃分測定方法（NIEA R205.01C）」為例，方法依據為《廢棄物清理法》第 75 條。以下測定條件與計算式依該方法說明。

解題方法

先以代表性樣品測定三成分，再從各成分的高低推論對焚化熱平衡、燃燒狀況及灰渣處理的影響。分析時須注意：可燃分高通常有利於提供燃燒熱，但實際焚化表現仍會受廢棄物組成、粒徑、供氧及爐體操作條件影響。

1. 水分測定

將廢棄物樣品粉碎至粒徑小於 $1\ \mathrm{mm}$，稱取約 $5\sim10\ \mathrm{g}$ 樣品，記錄烘乾前樣品重量 $W_1$。將樣品置於 $105\pm5^\circ\mathrm{C}$ 烘箱中乾燥，冷卻後稱重；重複乾燥與稱重，直到達到恆重，記錄烘乾後樣品重量 $W_2$。

水分高低會影響焚化時的熱量需求：水分蒸發會消耗熱能，使爐內溫度下降。

2. 灰分測定

將烘乾後的樣品置於 $800\pm50^\circ\mathrm{C}$ 高溫爐中灼燒約 3 小時，冷卻後稱量灰化殘渣重量 $W_3$。

灰分是灼燒後的殘留物，不代表一定都是完全惰性的礦物質；但在三成分分析中，它反映樣品中非水分、非可燃分所占比例。

3. 可燃分計算

可燃分由總量扣除水分與灰分求得：

4. 重量計算的注意事項

$W_1$、$W_2$、$W_3$ 均指樣品本身重量，不含坩鍋重量；若實驗記錄的是「坩鍋加樣品」總重量，須先扣除坩鍋皮重，再代入公式。三成分分析以原始濕樣重量為基準，因此公式中的分母是烘乾前重量 $W_1$。

三成分高低對焚化的影響

核心觀念

現地化學氧化技術（in-situ chemical oxidation，ISCO）是將化學氧化劑送入受污染土壤或地下水的原位處理技術，利用氧化還原反應破壞污染物分子，使其轉化為危害較低或可接受的物質。理想情況下，有機污染物可進一步礦化為二氧化碳、水及無機離子；實際產物則依污染物種類、氧化劑及反應條件而異。

ISCO 常用於處理可被氧化的有機污染物，例如石油碳氫化合物、氯化有機溶劑及部分多環芳香烴。常用氧化劑包括高錳酸鹽、過硫酸鹽、過氧化氫（常搭配亞鐵離子形成 Fenton 反應），以及臭氧。氧化劑可經注入井、直接推進注入或其他布水方式送入地下，使其與污染物接觸並反應。

解題方法

本題分成兩部分作答：先說明「氧化劑如何破壞污染物」，再依整治流程整理「哪些條件會影響氧化劑輸送、接觸與反應」。評估效能時，可用下列概念掌握：

此式用來整理影響因素，並非定量設計公式。氧化劑即使反應能力強，若無法均勻送達污染區，或先被土壤中的其他物質消耗，污染物去除效果仍會受限。

整治原理

氧化劑接受電子，使污染物被氧化；污染物失去電子或其分子結構遭破壞，進而降低毒性、移動性或危害性。各氧化劑的反應機制有所不同：

• 高錳酸鹽：以較具選擇性的氧化反應破壞可氧化有機物，反應後形成錳氧化物等產物。
• 過硫酸鹽：可直接氧化污染物；經活化後可形成硫酸根自由基，增強對多種有機物的氧化能力。
• 過氧化氫／Fenton 反應：在亞鐵離子等條件下產生羥基自由基，氧化能力強，但反應速率快，需注意藥劑在地下的傳輸與作用範圍。
• 臭氧：可直接氧化污染物，也可在適當條件下產生自由基參與氧化。

ISCO 的處理效果仰賴氧化劑到達污染區，並與污染物充分接觸。若污染物吸附於土壤、存在於低滲透性區域，或以獨立相液體存在，氧化劑便不易充分接觸，處理可能不完全。反應產物與氧化劑本身亦須納入評估，避免造成次生污染或不利的地下水化學變化。

影響整治效能的因素

一、污染物特性

• 污染物是否容易被所選氧化劑氧化，決定反應可行性及速度。
• 污染物濃度、種類及混合情形會影響藥劑需求與反應競爭。
• 污染物的溶解度、吸附性及存在型態（溶解相、吸附相或獨立相）會影響氧化劑與污染物的接觸。
• 污染源若持續釋出污染物，或污染物由土壤顆粒與低滲透區域緩慢釋出，會造成整治後濃度回升。

二、土壤及地下水地質條件