107 地方特考三等 環境工程 水處理工程(包括相關法規) 考古題詳解

107 年・地方特考・三等・環境工程
試題代碼 水處理工程(包括相關法規)

第 一 題20 分

依《水污染防治法》第 73 條之規定,違反《水污染防治法》所稱之情節重大者,係指何項情形之一者?(最少列舉 5 項情形)

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核心觀念

本題測驗《水污染防治法》中對於違法行為「情節重大」之法定構成要件。本題以命題當年(民國 107 年)之《水污染防治法》第 73 條規定為評分基準(後續該條文未有實質修正,僅中央主管機關於民國 112 年隨行政院組織改造改制為環境部,現行法規仍適用相同要件)。

在《水污染防治法》體系中,「情節重大」為裁處極重行政罰(如命停工、停業、撤銷或廢止排放許可證/文件、處以法定最高額罰鍰)的核心法律構成要件。立法者為避免不確定法律概念過度模糊,於第 73 條明文列舉該當「情節重大」之具體情事,涵蓋非法偷排、惡意注入地下水、超標併存重大危害、累犯及受保護水源區受侵犯等樣態。


解題方法

本題為法規記憶與精確列舉題,要求「最少列舉 5 項情形」。在國家考試之評分標準下,若僅以個人口語簡述,極易因漏掉法定「加重要件」(如特定數值門檻、限制區域)而被扣分。

標準作答策略為:

  1. 引述法源基礎:開門見山點出《水污染防治法》第 73 條。
  2. 體系化條列:依法律條文款次精準列出,建議直接列出 6~8 項(或完整款次),展現考生法規熟稔度,確保答題容錯率。
  3. 明確寫出關鍵要件:包含污染主體、違法行為、法定數值(如日排放量、pH\text{pH} 值、處理容量)、特定區域等關鍵字。

選項分析

本題為申論/簡答題,並無選擇題選項。閱卷重點在於考生答出之項目是否具備法定嚴格要件,各要件得分關鍵分析如下:

  1. 未經許可排放廢(污)水:不可僅寫「未經許可排放」,必須同時具備「含有害健康物質」、「超過放流水標準」或「排於自來水水質水量/飲用水水源水質保護區」三者之一,方屬情節重大。
  2. 惡意規避檢查之行為:「繞流排放」與「廢(污)水注入地下水體」屬惡意重大違規,只要該當即構成情節重大,無須另行證明污染程度。
  3. 超標加重型:排放廢水超過放流水標準時,需合併特定嚴重條件(含有害健康物質、pH<2\text{pH} < 2 或 pH>11\text{pH} > 11、日排放量超過 1,000 m31,000\text{ m}^3 之一)。
  4. 累犯型:法定要件為「一年內經二次限期改善」仍繼續違反規定,非三次或不限時間。
  5. 工業區專用下水道系統:同時符合「排放超標」及「處理容量達每日 2,000 m32,000\text{ m}^3 以上」。

解題技巧

記憶《水污染防治法》第 73 條情節重大時,可採「違法行為光譜」分類記憶,不易漏項:

  • 「偷排類」(惡性最重):無證排(伴隨毒物/超標/水源保護區)、繞流排放、注入地下水體。
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第 二 題20 分

某一傳統產業為妥善處理作業廢水,規劃下列廢水處理單元:

⑴曝氣池;⑵攔污柵;⑶活性碳吸附;⑷沉砂池;⑸最初沉澱池;⑹加氯消毒;⑺最終沉澱池;⑻慢混池;⑼快混池;⑽放流池。

(一)如何安排廢水處理單元流程配置較為合理且較有效率?

(二)請依各處理單元之功能,論述規劃此流程配置之關鍵概念和理由。

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核心觀念

本題評量環境工程中「水處理工程(含工業廢水處理)」之核心能力——廢水處理單元程序之系統化整合與串聯邏輯。解題所需之核心理論與法規基準包含:

  1. 處理層級遞進原則:水處理流程遵循「預處理(物理) →\rightarrow 一級處理(化學混凝/物理沉澱) →\rightarrow 二級處理(好氧生物) →\rightarrow 三級/高級處理(物理吸附) →\rightarrow 消毒與排放」之階層架構。
  2. 粒徑去除順序:水質淨化程序依標的物粒徑「由粗至細、由大至小」逐步去除(粗大漂浮物 →\rightarrow 砂粒 →\rightarrow 懸浮固體/膠體 →\rightarrow 溶解性可生物降解有機物 →\rightarrow 難分解有機物與微量污染物 →\rightarrow 微生物病原體)。
  3. 固液分離之因果配套:水混和凝集程序(快混池、慢混池)所形成之化學膠羽,後端必須銜接沉澱單元;好氧生物活性污泥系統亦必須具備最終沉澱分離與污泥迴流機制。
  4. 化學相容性與防護原則:高濃度懸浮固體不可直接進入多孔性吸附介質(避免堵塞);強氧化性氯劑不可置於活性碳前端(避免活性碳被氧化破壞及產生鹵化副產物)。
  5. 法規基準:依命題當年(民國 107 年)之《水污染防治法》與《放流水標準》,傳統產業廢水放流前需確保生化需氧量(BOD\text{BOD})、化學需氧量(COD\text{COD})、懸浮固體(SS\text{SS})及大腸桿菌群等指標符合法規管制標準。

解題方法

解析本題需採取「功能分類與功能因果串聯法」進行架構切入:

  1. 單元性質分類:
  • 預處理單元:⑵ 攔污柵、⑷ 沉砂池。
  • 化學混凝單元:⑼ 快混池、⑻ 慢混池。
  • 固液分離沉澱單元:⑸ 最初沉澱池、⑺ 最終沉澱池。
  • 生物處理單元:⑴ 曝氣池。
  • 高級處理與消毒單元:⑶ 活性碳吸附、⑹ 加氯消毒、⑽ 放流池。
  1. 因果關係推理:
  • 題目僅提供「最初沉澱池」與「最終沉澱池」各一座。生物曝氣池 ⑴ 之後必須緊接 ⑺ 最終沉澱池以進行固液分離與污泥迴流;因此,化學混凝單元(⑼ 快混池 →\rightarrow ⑻ 慢混池)產生的化學膠羽,勢必引入 ⑸ 最初沉澱池去除。此一配置即為典型的「化學混凝初沉(一級化學物理處理)」,能有效保護後續生物單元免受重金屬、高色度或難分解膠體物質之毒害或負荷衝擊。
  • ⑶ 活性碳吸附槽之進流水 SS\text{SS} 必須極低,否則易造成微孔與濾床物理性堵塞,故必須置於二級終沉池之後;且加氯消毒 ⑹ 若置於活性碳之前,游離氯會將活性碳表面氧化損耗,並降低吸附能力,故順序必須為「活性碳吸附 →\rightarrow 加氯消毒 →\rightarrow 放流池」。

單元功能與配置分析

針對題目給定之 10 個處理單元,逐一論述其功能定位及於整體流程中之配置理由:

  • ⑵ 攔污柵(Bar Screen):
  • 功能:利用金屬柵條攔截廢水中粗大漂浮物、布屑、塑膠等大型雜物。
  • 配置理由:作為全廠第一道防線,可防止後續管渠、閥門及抽水機發生阻塞或機械葉輪磨損損壞。
  • ⑷ 沉砂池(Grit Chamber):
  • 功能:藉由控制水平流速,利用重力沉降分離比重約 2.652.65、粒徑大於 0.2 mm0.2\,\text{mm} 之無機砂粒及粗顆粒。
  • 配置理由:置於攔污柵之後、快混池之前,可避免砂礫沈積於管線、反應池中,並防止高速攪拌機械與污泥泵浦磨損。
  • ⑼ 快混池(Rapid Mixing Basin):
  • 功能:投加化學混凝劑(如明礬、PAC\text{PAC} 或鐵鹽),經由高轉速劇烈攪拌(速度梯度 GG 值通常介於 700∼1000 s−1700 \sim 1000\,\text{s}^{-1}),在數十秒內完成水解產物之擴散與膠體表面電荷中和(去穩定化作用,Destabilization)。
  • 配置理由:設置於沉砂池後,必須在水流進入慢混池前瞬間完成化學藥劑均勻混合。
  • ⑻ 慢混池(Flocculation Basin):
  • 功能:投加助凝劑(如高分子聚合物),利用低速溫和攪拌(GG 值約 20∼70 s−120 \sim 70\,\text{s}^{-1}),增加去穩定微膠羽相互碰撞機率,聚集成粗大、密實且易沉降之膠羽(Flocs)。
  • 配置理由:緊接於快混池之後,並直通最初沉澱池,流道應避免劇烈剪力破壞已形成之膠羽。
  • ⑸ 最初沉澱池(Primary Sedimentation Basin):
  • 功能:利用重力沉降去除快混/慢混形成之化學膠羽及廢水中可沉降性懸浮物,大幅削減 SS\text{SS} 及不溶性 COD\text{COD}。
  • 配置理由:傳統產業廢水常含高濃度膠體、重金屬或難生物降解之非溶性有機物。經由化學混凝沉澱預先去除,可減輕後續好氧生物處理之負荷,並避免毒性物質抑制微生物活性。
  • ⑴ 曝氣池(Aeration Basin):
  • 功能:好氧活性污泥法之核心。藉由機械曝氣或擴散曝氣提供足量溶解氧(DO\text{DO}),利用懸浮微生物將水中溶解性有機物(溶性 BOD\text{BOD}、COD\text{COD})氧化分解為 CO2\text{CO}_2、H2O\text{H}_2\text{O},並合成為微生物細胞體。
  • 配置理由:置於初沉池後,在進水懸浮固體與毒性已大幅削減的狀態下進行二級生化代謝反應。
  • ⑺ 最終沉澱池(Final / Secondary Sedimentation Basin):
  • 功能:進行活性污泥與生物處理水之固液分離。上澄液進入後續高級處理單元,底部沉降之活性污泥則大部分迴流至曝氣池,以維持池內所需之混合液懸浮固體濃度(MLSS\text{MLSS}),剩餘部分作為廢棄活性污泥(WAS\text{WAS})排出。
  • 配置理由:緊接於曝氣池後,為維持活性污泥系統連續運轉不可或缺之單元。
  • ⑶ 活性碳吸附(Activated Carbon Adsorption):
  • 功能:利用粒狀活性碳(GAC\text{GAC})高比表面積之多孔結構,吸附經二級生化處理後殘留之微量難分解有機物(Refractory Organics)、合成洗滌劑、色素及微量毒性化合物。
  • 配置理由:必須設置於最終沉澱池之後,確保進水低 SS\text{SS},防止碳床孔隙快速受污泥堵塞;同時需置於加氯消毒之前,避免活性碳遭餘氯氧化消耗。
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第 三 題20 分

為妥善處理國內畜牧業所產生之畜牧廢水,請依下列考量面向,論述可行的處理流程和可能遭遇的問題或瓶頸:

(一)依畜牧廢水處理面向。

(二)依畜牧廢水資源化面向。

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核心觀念

本題測驗畜牧廢水(主要以養豬廢水為代表)的質能特性、傳統末端防制工程與現代循環經濟資源化的技術差異。涉及核心觀念與法規包含:

  1. 水質特性:高懸浮固體(SSSS)、高生化需氧量(BOD5BOD_5)、高化學需氧量(CODCOD)、高氨氮(NH3-NNH_3\text{-}N)、碳氮比(C/NC/N)失衡,以及飼料添加劑衍生之重金屬(銅 CuCu、鋅 ZnZn)。
  2. 三段式處理原理:固液分離(物理)→\rightarrow 厭氧醱酵(生物分解產生 CH4CH_4 與 CO2CO_2)→\rightarrow 好氧處理(生物氧化與硝化)。
  3. 相關法規(以命題當年民國 107 年法規為準):
  • 《水污染防治法》及《放流水標準》(民國 106 年 12 月 25 日修正發布之放流水標準,已加嚴畜牧業氨氮管制,分階段施行)。
  • 《水污染防治措施及檢測申報管理辦法》第十章「沼液沼渣農地肥分使用」專章規範。 (現行法規提醒:環保署與農委會已分別改制升格為「環境部」與「農業部」,後續法規亦持續推動簡政便民與資源化擴大施灌政策,解題仍以命題當年脈絡為主。)

解題方法

本題屬「申論論述題」,解答切入重點在於架構清晰、單元功能明確,並結合工程實務上的痛點深入剖析:

  1. 依畜牧廢水處理面向:以傳統符合放流水標準的「三段式廢水處理系統」為骨幹,說明各處理單元程序;瓶頸著重於高氨氮去除困難、碳源不足、固液分離不全及維護成本。
  2. 依畜牧廢水資源化面向:分為「能源化(沼氣發電/供熱)」、「肥分化(沼液沼渣農地利用、固相堆肥)」及「水資源化(中水回用)」三大軸線;瓶頸著重於硫化氫腐蝕、產銷季節不對稱、槽車運輸成本、土壤重金屬蓄積疑慮及農民接受度。

選項分析

本題為非選擇題(申論題),無選項分析。答題關鍵在於分項清楚對應題意(一)與(二),並依「處理流程」與「問題/瓶頸」並行陳述。


解題技巧

  1. 破題骨架:答題時務必分別點出「流程」與「瓶頸」,不可混在一起寫,善用項目符號條列。
  2. 專業術語必備:寫出「三段式畜牧廢水處理」、「紅泥膠被(紅泥塑料)厭氧槽」、「C/NC/N 比失衡」、「生物脫硫」、「沼液沼渣農地肥分使用」。
  3. 切中實務痛點:寫出厭氧消化後碳源大幅下降導致後續好氧反硝化碳源不足、硫化氫(H2SH_2S)對發電機組的強酸腐蝕,以及微量元素(CuCu、ZnZn)在農地長期累積的環保風險。

【答案】

(一)依畜牧廢水處理面向

1. 可行處理流程:三段式畜牧廢水處理系統

  • 第一段:固液分離(物理前處理)
  • 流程:利用振動篩網、迴轉式固液分離機或刮板式分離機,於廢水進入處理單元前端去除豬糞、殘餌及粗大懸浮顆粒。
  • 功能:大幅削減廢水中的 SSSS(去除率約 50%~70%)與非溶解性有機物,降低後續管線阻塞機率並減輕發酵槽負荷。
  • 第二段:厭氧發酵處理(生物厭氧消化)
  • 流程:多採用紅泥膠被(紅泥塑料,RMP)厭氧發酵槽或上向流厭氧污泥床(UASB),水力停留時間(HRTHRT)通常需 10 日以上。
  • 功能:在厭氧條件下經水解、酸化與甲烷化作用,將大量有機物轉化為甲烷(CH4CH_4)與二氧化碳(CO2CO_2),可去除 80% 以上的 BOD5BOD_5 與 CODCOD。
  • 第三段:好氧曝氣處理及沉澱(生物好氧氧化)
  • 流程:經厭氧消化後的出水,導入活性污泥曝氣池或接觸曝氣池,最後經沉澱池進行固液分離後放流。
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第 四 題20 分

某一事業廢水量為 3200 m3/day3200\ \mathrm{m^3/day},污泥迴流至曝氣槽進流管線,污泥迴流比為 25%25\%,進流 BOD5\mathrm{BOD_5} 為 250 mg/L250\ \mathrm{mg/L},出流 BOD5\mathrm{BOD_5} 為 10 mg/L10\ \mathrm{mg/L},曝氣槽體積為 1200 m31200\ \mathrm{m^3},曝氣槽內溶氧為 0.5 mg/L0.5\ \mathrm{mg/L},混合液 1 公升經量筒沉降 30 分鐘時,其污泥體積為 550 mL,MLSS\mathrm{MLSS} 值為 2500 mg/L2500\ \mathrm{mg/L},迴流污泥濃度為 12000 mg/L12000\ \mathrm{mg/L},由迴流污泥管線廢棄污泥流量為 40 m3/day40\ \mathrm{m^3/day}。

(一)計算食微比(F/MF/M)和污泥容積指數(SVI\mathrm{SVI})值。

(二)計算曝氣槽水力停留時間(HRT\mathrm{HRT})和平均細胞停留時間(MCRT\mathrm{MCRT})。

(三)判斷上述參數(F/MF/M、SVI\mathrm{SVI} 值、溶氧、活性污泥濃度)是否落在活性污泥法合理的參數操作範圍?

(四)承問題(三),若否,可能會造成的操作問題及可行的解決方法?

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核心觀念

本題評量活性污泥法(Activated Sludge Process, ASP)之設計與操作控制核心參數,涵蓋四大構面:

  1. 食微比(F/MF/M 比,Food to Microorganism Ratio):代表單位質量之微生物在單位時間內所能分得之有機物負荷,公式為: F/M=Q⋅S0V⋅XF/M = \frac{Q \cdot S_0}{V \cdot X} 式中 QQ 為進流水量(m3/day\mathrm{m^3/day})、S0S_0 為進流有機物濃度(mg/L\mathrm{mg/L} 或 g/m3\mathrm{g/m^3})、VV 為曝氣槽體積(m3\mathrm{m^3})、XX 為活性污泥懸浮固體物濃度(MLSS\mathrm{MLSS},mg/L\mathrm{mg/L})。
  2. 污泥容積指數(SVI\mathrm{SVI},Sludge Volume Index):評估活性污泥沉降性與壓縮性之指標,定義為曝氣槽混合液經 30 分鐘靜置沉降後,每克乾燥活性污泥所佔之體積(mL/g\mathrm{mL/g}): SVI=SV30 (mL/L)×1000 (mg/g)MLSS (mg/L)=SV30 (%)×10000MLSS (mg/L)\mathrm{SVI} = \frac{\mathrm{SV_{30}}\ (\mathrm{mL/L}) \times 1000\ (\mathrm{mg/g})}{\mathrm{MLSS}\ (\mathrm{mg/L})} = \frac{\mathrm{SV_{30}}\ (\%) \times 10000}{\mathrm{MLSS}\ (\mathrm{mg/L})}
  3. 水力停留時間(HRT\mathrm{HRT},Hydraulic Retention Time):廢水在曝氣槽內之平均滯留時間,傳統活性污泥法計算以進流水量 QQ 為基準(不計迴流污泥量): HRT=θ=VQ\mathrm{HRT} = \theta = \frac{V}{Q}
  4. 平均細胞停留時間(MCRT\mathrm{MCRT},Mean Cell Residence Time)/污泥齡(θc\theta_c):微生物細胞在系統內之平均滯留天數。由系統質量平衡推導: MCRT=θc=V⋅XQw⋅Xr+(Q−Qw)⋅Xe\mathrm{MCRT} = \theta_c = \frac{V \cdot X}{Q_w \cdot X_r + (Q - Q_w) \cdot X_e} 式中 QwQ_w 為廢棄污泥量、XrX_r 為廢棄污泥濃度(自迴流管線排放則 Xr=RASX_r = \mathrm{RAS} 濃度)、XeX_e 為出流水懸浮固體濃度。
  5. 活性污泥操作異常診斷:低溶氧環境(DO<1.0 mg/L\mathrm{DO} < 1.0\ \mathrm{mg/L})有利於絲狀菌(Filamentous bacteria)競爭生長,將引發絲狀菌性污泥膨脹(Filamentous Bulking),使 SVI\mathrm{SVI} 大幅攀升(>150 mL/g> 150\ \mathrm{mL/g}),進而導致固液分離失效。

解題方法

(一)計算食微比(F/MF/M)與污泥容積指數(SVI\mathrm{SVI})

  1. 食微比(F/MF/M): 代入題目給定之數值:Q=3200 m3/dayQ = 3200\ \mathrm{m^3/day},S0=250 mg/LS_0 = 250\ \mathrm{mg/L},V=1200 m3V = 1200\ \mathrm{m^3},X=2500 mg/LX = 2500\ \mathrm{mg/L}。 F/M=3200 m3/day×250 mg/L1200 m3×2500 mg/L=800,000 kg BOD5/day3,000,000 kg MLSS≈0.267 kg BOD5/(kg MLSS⋅day)F/M = \frac{3200\ \mathrm{m^3/day} \times 250\ \mathrm{mg/L}}{1200\ \mathrm{m^3} \times 2500\ \mathrm{mg/L}} = \frac{800{,}000\ \mathrm{kg\ BOD_5/day}}{3{,}000{,}000\ \mathrm{kg\ MLSS}} \approx 0.267\ \mathrm{kg\ BOD_5/(kg\ MLSS \cdot day)}

  2. 污泥容積指數(SVI\mathrm{SVI}): 混合液 1 公升沉降 30 分鐘之污泥體積 SV30=550 mL/L\mathrm{SV_{30}} = 550\ \mathrm{mL/L},MLSS=2500 mg/L\mathrm{MLSS} = 2500\ \mathrm{mg/L}。 SVI=550 mL/L×1000 mg/g2500 mg/L=220 mL/g\mathrm{SVI} = \frac{550\ \mathrm{mL/L} \times 1000\ \mathrm{mg/g}}{2500\ \mathrm{mg/L}} = 220\ \mathrm{mL/g}


(二)計算曝氣槽水力停留時間(HRT\mathrm{HRT})與平均細胞停留時間(MCRT\mathrm{MCRT})

  1. 水力停留時間(HRT\mathrm{HRT}): HRT=VQ=1200 m33200 m3/day=0.375 day=0.375×24 hr=9.0 hr\mathrm{HRT} = \frac{V}{Q} = \frac{1200\ \mathrm{m^3}}{3200\ \mathrm{m^3/day}} = 0.375\ \mathrm{day} = 0.375 \times 24\ \mathrm{hr} = 9.0\ \mathrm{hr}

  2. 平均細胞停留時間(MCRT\mathrm{MCRT}): 廢棄污泥由迴流污泥管線抽出,故廢棄污泥濃度即為迴流污泥濃度 Xr=12000 mg/LX_r = 12000\ \mathrm{mg/L},Qw=40 m3/dayQ_w = 40\ \mathrm{m^3/day}。 題目未給定出流水懸浮固體濃度(XeX_e),依國家考試常規假設二沉池固液分離良好且出流水帶走之微量固體可忽略(Xe≈0X_e \approx 0): MCRT=θc=V⋅XQw⋅Xr=1200 m3×2500 mg/L40 m3/day×12000 mg/L=3,000,000480,000=6.25 days\mathrm{MCRT} = \theta_c = \frac{V \cdot X}{Q_w \cdot X_r} = \frac{1200\ \mathrm{m^3} \times 2500\ \mathrm{mg/L}}{40\ \mathrm{m^3/day} \times 12000\ \mathrm{mg/L}} = \frac{3{,}000{,}000}{480{,}000} = 6.25\ \mathrm{days}


(三)判斷各參數是否落在活性污泥法合理的參數操作範圍

將本系統操作數值與傳統活性污泥法(Conventional Activated Sludge)之標準設計與運轉經驗範圍進行對比:

操作參數實際運轉數值傳統活性污泥法合理範圍判定結果
食微比(F/MF/M)0.267 day−10.267\ \mathrm{day^{-1}}0.2∼0.5 kg BOD5/(kg MLSS⋅d)0.2 \sim 0.5\ \mathrm{kg\ BOD_5/(kg\ MLSS \cdot d)}合理(落在適當基質負荷區間)
污泥容積指數(SVI\mathrm{SVI})220 mL/g220\ \mathrm{mL/g}50∼150 mL/g50 \sim 150\ \mathrm{mL/g}(以 <100∼150< 100\sim 150 為佳)不合理(嚴重偏高,代表污泥膨脹)
曝氣槽溶氧(DO\mathrm{DO})0.5 mg/L0.5\ \mathrm{mg/L}1.5∼2.0 mg/L1.5 \sim 2.0\ \mathrm{mg/L}(至少 ≥1.0∼2.0\ge 1.0\sim 2.0)不合理(嚴重不足,易引發低溶氧性絲狀菌滋生)
活性污泥濃度(MLSS\mathrm{MLSS})2500 mg/L2500\ \mathrm{mg/L}1500∼3000 mg/L1500 \sim 3000\ \mathrm{mg/L}合理(維持於標準生物量水準)
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第 五 題20 分

針對流量為 3000 m3/day3000\ \mathrm{m^3/day} 之三級處理放流水,使用逆滲透單元去除水中礦物質,以利水資源回收再利用。有關操作數據如下:

進流溶解性固體濃度為 3000 mg/L3000\ \mathrm{mg/L},出流溶解性固體濃度為 200 mg/L200\ \mathrm{mg/L},水通量率係數(water flux rate coefficient)為 2.0×10−8 s/m2.0\times10^{-8}\ \mathrm{s/m},水回收率(water recovery rate)為 85%85\%,進流水與出流水壓力差為 2750 kPa2750\ \mathrm{kPa}(2750×103 kg/(m⋅s2)2750\times10^3\ \mathrm{kg/(m\cdot s^2)}),進流水與出流水之滲透壓差為 250 kPa250\ \mathrm{kPa}(250×103 kg/(m⋅s2)250\times10^3\ \mathrm{kg/(m\cdot s^2)})。

(一)計算所需逆滲透膜面積(m2\mathrm{m^2})。

(二)計算溶解性固體去除率(%)。

(三)計算截留液(retentate)濃度(mg/L\mathrm{mg/L})。

(四)列舉 3 項控制薄膜污堵(membrane fouling)的方法。

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核心觀念

本題評量逆滲透(Reverse Osmosis, RO)膜分離單元之基本設計、操作質量平衡以及薄膜污堵(Membrane Fouling)防制策略,涵蓋四大核心觀念:

  1. 水通量方程式(Water Flux Equation): 逆滲透產水通量受有效驅動壓(Net Driving Pressure)控制,符合溶解—擴散模型(Solution-Diffusion Model): Jw=kw(ΔP−Δπ)J_w = k_w (\Delta P - \Delta \pi) 其中 JwJ_w 為質量水通量(kg/(m2⋅s)\mathrm{kg/(m^2\cdot s)})、kwk_w 為水通量率係數(s/m\mathrm{s/m})、ΔP\Delta P 為跨膜水力壓力差(kPa\mathrm{kPa} 或 kg/(m⋅s2)\mathrm{kg/(m\cdot s^2)})、Δπ\Delta \pi 為滲透壓差(kPa\mathrm{kPa})。 由質量通量換算為體積通量 FwF_w(m3/(m2⋅s)\mathrm{m^3/(m^2\cdot s)} 或 m/s\mathrm{m/s})時,須除以純水密度 ρw≈1000 kg/m3\rho_w \approx 1000\ \mathrm{kg/m^3}: Fw=JwρwF_w = \frac{J_w}{\rho_w} 膜面積 AmA_m 則由出水(產水)流量 QpQ_p 與體積水通量 FwF_w 之比值決定: Am=QpFwA_m = \frac{Q_p}{F_w}

  2. 水回收率(Water Recovery Rate, rr): 產水流量與進水流量的比值: r=QpQf×100%  ⟹  Qp=r⋅Qfr = \frac{Q_p}{Q_f} \times 100\% \implies Q_p = r \cdot Q_f

  3. 溶質去除率(Salt Rejection / Removal Efficiency, RR): 進水濃度(CfC_f)與產水濃度(CpC_p)之差相對於進水濃度的百分比: R=Cf−CpCf×100%R = \frac{C_f - C_p}{C_f} \times 100\%

  4. 系統總體質量平衡(Mass Balance): 穩定狀態下,逆滲透系統無累積項,水體積流量與溶質質量均守恆:

  • 水平衡:Qf=Qp+QrQ_f = Q_p + Q_r(QrQ_r 為截留液/濃縮液流量)
  • 溶質平衡:QfCf=QpCp+QrCrQ_f C_f = Q_p C_p + Q_r C_r(CrC_r 為截留液濃度)
  1. 薄膜污堵控制機制: 薄膜污堵包含無機結垢(Scaling)、膠體/懸浮顆粒沉積(Colloidal Fouling)、有機物吸附(Organic Fouling)及微生物滋生(Biofouling)。控制手段著重於適當的前處理、水力剪切控制及定期化學清洗。

解題方法

(一)計算所需逆滲透膜面積(m2\mathrm{m^2})

  1. 計算產水流量 QpQ_p: 由進水流量 Qf=3000 m3/dayQ_f = 3000\ \mathrm{m^3/day} 與水回收率 r=85%=0.85r = 85\% = 0.85: Qp=Qf×r=3000 m3/day×0.85=2550 m3/dayQ_p = Q_f \times r = 3000\ \mathrm{m^3/day} \times 0.85 = 2550\ \mathrm{m^3/day} 將時間單位換算為秒(s\mathrm{s}): Qp=2550 m3/day86400 s/day=17576 m3/s≈0.029514 m3/sQ_p = \frac{2550\ \mathrm{m^3/day}}{86400\ \mathrm{s/day}} = \frac{17}{576}\ \mathrm{m^3/s} \approx 0.029514\ \mathrm{m^3/s}

  2. 計算水通量(Water Flux): 題目給定有效驅動壓為水力壓差扣除滲透壓差: ΔPnet=ΔP−Δπ=2750 kPa−250 kPa=2500 kPa=2500×103 kg/(m⋅s2)\Delta P_{\text{net}} = \Delta P - \Delta \pi = 2750\ \mathrm{kPa} - 250\ \mathrm{kPa} = 2500\ \mathrm{kPa} = 2500 \times 10^3\ \mathrm{kg/(m\cdot s^2)} 質量水通量 JwJ_w: Jw=kw⋅ΔPnet=(2.0×10−8 s/m)×(2.5×106 kg/(m⋅s2))=0.05 kg/(m2⋅s)J_w = k_w \cdot \Delta P_{\text{net}} = (2.0 \times 10^{-8}\ \mathrm{s/m}) \times (2.5 \times 10^6\ \mathrm{kg/(m\cdot s^2)}) = 0.05\ \mathrm{kg/(m^2\cdot s)} 取水密度 ρw=1000 kg/m3\rho_w = 1000\ \mathrm{kg/m^3},換算為體積水通量 FwF_w: Fw=Jwρw=0.05 kg/(m2⋅s)1000 kg/m3=5.0×10−5 m3/(m2⋅s)=5.0×10−5 m/sF_w = \frac{J_w}{\rho_w} = \frac{0.05\ \mathrm{kg/(m^2\cdot s)}}{1000\ \mathrm{kg/m^3}} = 5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m^3/(m^2\cdot s)} = 5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m/s} (若以日通量計,Fw=5.0×10−5 m/s×86400 s/day=4.32 m3/(m2⋅day)F_w = 5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m/s} \times 86400\ \mathrm{s/day} = 4.32\ \mathrm{m^3/(m^2\cdot day)})

  3. 計算所需薄膜面積 AmA_m: Am=QpFw=2550 m3/day4.32 m/day=0.029514 m3/s5.0×10−5 m/s≈590.28 m2A_m = \frac{Q_p}{F_w} = \frac{2550\ \mathrm{m^3/day}}{4.32\ \mathrm{m/day}} = \frac{0.029514\ \mathrm{m^3/s}}{5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m/s}} \approx 590.28\ \mathrm{m^2}


(二)計算溶解性固體去除率(%)

依據去除率定義式,代入進流水濃度 Cf=3000 mg/LC_f = 3000\ \mathrm{mg/L} 與出流水(產水)濃度 Cp=200 mg/LC_p = 200\ \mathrm{mg/L}: R=Cf−CpCf×100%=3000 mg/L−200 mg/L3000 mg/L×100%=28003000×100%≈93.33%R = \frac{C_f - C_p}{C_f} \times 100\% = \frac{3000\ \mathrm{mg/L} - 200\ \mathrm{mg/L}}{3000\ \mathrm{mg/L}} \times 100\% = \frac{2800}{3000} \times 100\% \approx 93.33\%


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