109 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

核心觀念

本題考查兩種以氧當量表示水中污染物的指標，以及如何用其比值評估污水的生物可分解性，作為處理流程規劃依據。

• BOD（生化需氧量）：水中可被微生物分解的物質，在指定時間與溫度下經生物氧化所消耗的溶氧量。一般所稱 BOD₅，是 $20^\circ\mathrm{C}$ 培養 5 日的測值。
• COD（化學需氧量）：水樣中可被強氧化劑化學氧化的物質所相當的氧量。COD 涵蓋可生物分解及難生物分解的可氧化物質，通常比 BOD₅ 大。
• $BOD_5/COD$ 比值：用來初步判斷廢水的生物可分解性，協助選擇及規劃生物處理或物化處理程序。

**法規基準：**檢驗方法以命題當年（民國 109 年）適用的環境檢驗方法為準；本題不涉及特定處理標準或法條數值。

解題方法

一、BOD 檢驗方法及原理

採稀釋培養法。將水樣稀釋至適當濃度，必要時加入菌種，置於密閉 BOD 瓶中，在 $20^\circ\mathrm{C}$、避光條件下培養 5 日；測定培養前後的溶氧（DO），由 DO 消耗量計算 BOD₅。

其原理是水樣中的好氧微生物分解氧化有機物時會消耗溶氧，故以培養期間的 DO 降低量代表生化需氧量。實務上需設稀釋水空白及菌種控制，並確保稀釋後溶氧消耗量與殘餘溶氧符合檢驗方法的有效範圍；若有硝化作用干擾，可使用硝化抑制劑測定碳化 BOD。

未植菌時，基本計算式為：

其中 $D_1$ 為稀釋水樣初始溶氧（mg/L），$D_2$ 為培養 5 日後溶氧（mg/L），$P$ 為稀釋水樣中原水樣所占體積分率。若有植菌，計算時須依檢驗方法扣除菌種造成的溶氧消耗。

**步驟整理：**水樣稀釋及必要的植菌 → 測初始 DO → $20^\circ\mathrm{C}$ 避光培養 5 日 → 測末期 DO → 依稀釋倍數與必要的植菌校正計算 BOD₅。

二、COD 檢驗方法及原理

民國 109 年常用方法為重鉻酸鉀迴流法。水樣加入已知且過量的重鉻酸鉀，在硫酸酸性條件下迴流，使水樣中可氧化物質與重鉻酸鉀反應；反應後以硫酸亞鐵銨滴定剩餘的重鉻酸鉀。以空白試驗與水樣所耗滴定劑量的差異，求出被水樣消耗的重鉻酸鉀量，再換算為氧當量，即為 COD。氯離子可能造成干擾，需依檢驗方法採取適當控制。

計算概念為：

核心觀念

本題考的是以「多種屏障措施」（multiple-barrier approach）管理公共給水風險，並說明如何因應氣候變遷帶來的水質與水量衝擊。核心理念是：從集水區到用戶端，沿供水鏈設置多道相互補強的預防、處理及監測措施，使單一道措施失效時，其他措施仍能降低污染或供水中斷的風險。

多種屏障措施不等於在淨水場內增加多道處理單元，也不只著重末端消毒；它涵蓋水源保護、取水與處理、配水與儲存、操作管理及緊急應變。其管理方式與世界衛生組織所倡議的「飲用水水質安全計畫」（Water Safety Plan, WSP）相通，透過危害辨識、風險評估、控制措施、監測及持續改善，確保供水安全與穩定。

氣候變遷可能使枯旱與豪雨、洪水、颱風等極端事件加劇，造成水源短缺、原水濁度或有機物升高、鹽化、藻類增生及污染物沖刷；也可能影響取水設施、淨水場、電力與輸配水系統。因此，防護目標須同時涵蓋水質安全、水量充足、供水韌性與長期永續性。

解題方法

依「水源至用戶」的供水鏈分層作答，再補充貫穿各層的風險管理與永續措施。每一層說明氣候風險如何影響該環節，以及可採取何種屏障，便能完整回答題目所問的「理念與作為」。

多種屏障措施的理念與作為

一、水源與集水區保護

此為第一道屏障，目的在源頭減少污染與水量風險，降低後續處理負荷。

• 劃設及管理水源保護區，管制可能污染水源的土地利用、排放與開發行為。
• 監測集水區土地利用、污染源及水文變化，建立洪水、枯旱、土石流與污染事件的預警機制。
• 保護森林、濕地及河岸緩衝帶，降低逕流與泥砂輸入，維持水源涵養。
• 規劃多元水源，例如不同流域水源、地下水、蓄水設施或再生水，以降低單一水源受旱災或污染事件影響的風險。

二、取水與原水管理

此層確保在原水條件劇烈變化時，仍能安全取水並調整操作。

• 加強原水水質、水量及水文監測，掌握濁度、藻類、有機物、鹽度及污染物變化。
• 設置或維護原水調蓄設施，以調節豐枯水期水量並降低短期原水品質波動。
• 建立異常水質預警、取水口切換或暫停取水程序，避免高污染原水直接進入淨水場。
• 預先訂定不同原水情境的操作方案，並透過跨機關通報及集水區協調，及早處理污染事件。

三、淨水處理屏障

此層透過適當且可調整的處理程序去除污染物，避免將安全完全寄託在單一處理單元。

• 維持混凝、沉澱、過濾及消毒等單元的正常功能，依原水濁度、有機物及藻類變化調整操作。
• 視原水特性採用粉末活性碳、臭氧、活性碳或其他適當處理程序，以因應異味、藻類代謝物及有機污染物等問題。
• 強化處理單元的備援能力、維修管理與操作人員訓練，避免極端事件或設備故障導致整體處理失效。

核心觀念

總溶解固體物（TDS）是水中溶解性物質的總量，主要包括鈣、鎂、鈉、鉀等陽離子，以及氯離子、硫酸根、碳酸氫根等陰離子；也可能包含少量溶解性非離子物質。電透析、離子交換與逆滲透都可降低水中溶解鹽類，但三者的分離機制不同：

• 電透析：以直流電場驅動離子穿過選擇性離子交換膜。
• 離子交換：以交換樹脂上的離子置換水中的目標離子。
• 逆滲透：以高於滲透壓的壓力，使水穿過半透膜，並將溶解物留在濃縮水側。

本題為處理單元原理與應用的申論題，沒有選項，也沒有指定水質或操作條件，無須進行數值計算。法規部分以命題當年（民國 109 年）法規為準；本題所問為處理原理與應用，無須援引特定法條。

解題方法

依「分離驅動力、分離介質、處理結果、適用場合」逐一說明三種方法，再比較其特性。作答時要指出它們如何把水中離子與水分分開，並說明主要用途；只列設備名稱，或只寫「去除鹽分」，不足以完整回答。

一、電透析（Electrodialysis）

原理

電透析設備在陽極與陰極之間交替排列陽離子交換膜及陰離子交換膜，形成多個水流隔室。施加直流電場後：

• 陽離子向陰極移動，可穿過陽離子交換膜，但受到陰離子交換膜阻擋。
• 陰離子向陽極移動，可穿過陰離子交換膜，但受到陽離子交換膜阻擋。

因此，部分隔室中的離子移出，形成淡水室；相鄰隔室則累積離子，形成濃縮水室。原水中的離子由淡水室轉移至濃縮水室，淡水側的 TDS 因而降低。

電透析分離的是帶電離子，對未解離的有機物及其他非離子溶解物去除能力有限。膜面結垢、污染及濃縮水排放，都是設計與操作時須考量的問題。

應用

• 使鹹水或半鹹水淡化，降低水中溶解鹽類。
• 用於含鹽地下水、工業製程水及部分廢水的脫鹽或離子回收。
• 特別適合鹽度中等、以溶解離子為主要處理對象的水源；對高鹽度水，電耗與經濟性須審慎評估。

二、離子交換（Ion exchange）

原理

離子交換樹脂帶有可交換的固定官能基及對應的可移動反離子。水流經樹脂床時，水中的離子與樹脂上的離子進行可逆交換；例如，鈉型陽離子交換樹脂可用鈉離子交換水中的鈣、鎂離子：

其中 $R$ 表示樹脂。鈣、鎂被樹脂捕捉，鈉離子進入水中，這是軟化，可降低硬度，但不代表等量降低 TDS。若要降低溶解性鹽類，常以陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂串聯或混床操作，分別移除陽離子與陰離子，以製取低礦物質水。

核心觀念

濾料的篩分析結果可用「累計通過率—篩網孔徑」關係表示。兩個常用粒徑指標為：

• 有效粒徑 $D_{10}$：累計通過率為 $10\%$ 時所對應的粒徑，亦即約有 $10\%$ 的濾料重量比此粒徑細。
• 均一係數 $UC$：$60\%$ 通過粒徑與 $10\%$ 通過粒徑之比。

$D_{10}$ 表示濾料細粒端的粒徑特徵；$UC$ 則表示粒徑分布的寬窄。$UC$ 越接近 $1$，粒徑越集中、分布越均勻。

解題方法

先將各篩網孔徑依大小排列，並記錄各篩網的累計通過率，再由粒徑分布曲線讀取 $D_{10}$ 與 $D_{60}$：

1. 橫軸標示篩網孔徑，通常採對數刻度；縱軸標示累計通過率，採一般線性刻度。
2. 在縱軸找出 $10\%$，讀取曲線對應的粒徑，即為 $D_{10}$。
3. 在縱軸找出 $60\%$，讀取曲線對應的粒徑，即為 $D_{60}$。
4. 將兩者代入 $UC=D_{60}/D_{10}$。

若目標通過率落在兩個篩網數據之間，可於半對數圖上內插。設兩相鄰數據為 $(d_1,P_1)$、$(d_2,P_2)$，目標通過率為 $P$，則：

例如，若曲線讀得 $D_{10}=0.40\ \mathrm{mm}$、$D_{60}=0.64\ \mathrm{mm}$，則：

三種濾料的特性與功能

以下為常見典型範圍；實際規格仍應以濾料篩分析結果及設計條件為準。

核心觀念

本題考查生物污泥穩定化的兩種方式：好氧消化與厭氧消化。兩者都利用微生物分解污泥中的可生物分解有機物，以降低揮發性固體、臭味及腐敗性，並改善污泥後續處理與處置條件；主要差別在於好氧消化需供氧，厭氧消化則在無氧環境下產生沼氣。

題目未指定採用的設計規範或設計條件，因此以下列出常用的工程設計範圍。設計值須依污泥性質、溫度、設備形式及採用的規範調整。本題屬工程原理與設計準則題，無特定法條需適用；法規如有涉及，應以命題當年（民國 109 年）規定為準。

一、好氧消化

原理

將污泥置於曝氣槽內，使微生物在有氧條件下氧化污泥中的有機物。易分解的有機物消耗後，微生物會進一步利用自身細胞物質作為能量來源，發生內源呼吸，使生物量及揮發性固體減少。其概念可簡化表示為：

好氧消化常用於剩餘活性污泥，也可處理混合污泥。其優點是流程較簡單、設備容易操作，通常不需設置沼氣收集系統；缺點是曝氣耗能較高，且污泥中的有機物能源以二氧化碳及熱的形式散失。

設計準則

1. 污泥停留時間（SRT） 以污泥停留時間控制消化程度。常用設計範圍約為 15～20 日；水溫較低或要求較高揮發性固體去除率時，須採較長停留時間。

2. 揮發性固體去除率 設計目標通常以揮發性固體（VS）減量表示，常見目標約為 38% 或以上。VS 去除率愈高，通常代表污泥穩定化程度愈佳。

3. 溶氧與曝氣 曝氣量須同時提供微生物所需氧氣並維持污泥混合，槽內溶氧常控制在約 1～2 mg/L 以上，避免局部缺氧及沉積。

4. 溫度與 pH 消化速率受溫度影響，低溫時需較長 SRT。操作 pH 通常維持在接近中性、約 6.5～8.0 的範圍，以利微生物活動。

5. 混合與槽體配置 應確保污泥與氧氣充分接觸，避免短流、沉積或死角。可採機械攪拌或曝氣混合，並配置足夠槽容積及污泥排放設施。

二、厭氧消化

原理

厭氧消化是在無氧條件下，由不同功能的微生物分階段分解污泥有機物，主要包括：

1. 水解：複雜有機物分解為較小分子。
2. 酸化及產酸：小分子轉化為揮發性脂肪酸等中間產物。
3. 產乙酸：中間產物轉化為乙酸、氫及二氧化碳。
4. 產甲烷：產甲烷菌將乙酸或氫與二氧化碳轉化為甲烷及二氧化碳。

整體反應可概念化表示為：

厭氧消化能降低污泥中有機固體，並回收含甲烷的沼氣；但其微生物系統較敏感，對溫度、pH、毒性物質及負荷變動的控制要求較高。