110 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《水污染防治法》之立法目的，以及第 2 條所規定的基本專用名詞。作答時應掌握兩個層次：

1. 立法目的：說明本法欲處理的環境問題，以及最終要保護的公共利益。
2. 名詞定義：區分「污染物」與「水污染」，並明確區分「廢水」與「污水」的來源。

以下均以命題當年，即民國 110 年之法規為準。現行法部分條文及相關事業分類規定曾有修正，但本題仍應依命題時法規內容作答。

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解題方法

本題屬於法規與名詞解釋題，宜採「法條原文＋白話說明＋概念區分」的方式作答：

• 立法目的部分，先寫出《水污染防治法》第 1 條的完整宗旨，再逐項解釋。
• 名詞定義部分，依序說明「污染物」「水污染」「廢水」「污水」，並特別指出前兩者是污染概念，後兩者是水的來源分類。

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(一) 制定《水污染防治法》的目的宗旨

依《水污染防治法》第 1 條規定：

為防治水污染，確保水資源之清潔，以維護生態系統，改善生活環境，增進國民健康，特制定本法。

其立法目的可分為下列五項：

1. 防治水污染

透過污染排放管制、事業排放許可、放流水標準、污染改善及違規處罰等制度，防止污染物進入河川、湖泊、水庫、海洋及地下水體，並降低既有污染所造成的危害。

2. 確保水資源之清潔

水資源具有飲用、農業、工業、生態及公共衛生等多重用途。法律藉由管制污染源，維持水體的水質，確保水資源不因污染而失去使用價值。

3. 維護生態系統

水污染可能造成水中溶氧降低、魚類死亡、藻類大量繁殖、生物累積及棲地破壞。因此，本法不僅保護人類用水，也在維護河川、湖泊、地下水及海洋等水域生態系統的完整性。

4. 改善生活環境

水體污染會造成惡臭、髒污、蚊蠅孳生及景觀破壞，影響居民居住品質。本法藉由污染防治與排放管制，改善人民日常生活所處的環境。

5. 增進國民健康

污染水體可能含有病原體、重金屬、有毒化學物質及其他危害人體健康的物質。防治水污染可降低飲用水、食品鏈及生活接觸所造成的健康風險。

得分關鍵

作答不可只寫「防止水污染、保護水資源」等概括語句，應完整列出：

「防治水污染」→「確保水資源清潔」→「維護生態系統」→「改善生活環境」→「增進國民健康」。

其中前兩項是直接管制目標，後三項是環境、生活及公共衛生上的最終保護目的。

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(二) 《水污染防治法》專用名詞定義

1. 污染物

依《水污染防治法》第 2 條規定：

污染物：指任何能直接或間接引起水污染之物質。

說明

污染物的判斷重點在於「能否直接或間接引起水污染」，不以其是否已造成實際污染為必要。因此，污染物不限於有毒物質，也可能包括：

• 有機物
• 懸浮固體
• 重金屬
• 酸、鹼
• 病原微生物
• 營養鹽
• 油脂
• 其他可能改變水體特性的物質

「直接」是指物質排入水體後立即造成污染；「間接」則是指物質經反應、分解、累積或轉化後，才造成水質惡化或危害。

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2. 水污染

依《水污染防治法》第 2 條規定：

水污染：指水因物質、生物或能量之介入，而變更水之化學、物理或生物特性，致影響正常用途或危害國民健康及生活環境。

構成要件

水污染的判斷可拆解為四個要素：

1. 有介入因素：包括物質、生物或能量。
2. 水的特性發生變更：可能是化學、物理或生物特性改變。

核心觀念

本題考查活性碳之吸附機制、吸附平衡及 adsorption isotherm（吸附等溫線）之建立與工程應用。答題應掌握三個核心：

1. 活性碳如何藉由表面特性與孔隙結構去除微量污染物。
2. 如何由實驗求得污染物在活性碳上的平衡吸附量。
3. 如何將等溫線轉換為粉末活性碳加藥量、粒狀活性碳濾床體積及操作壽命等設計參數。

本題為水處理工程原理題，無須引用特定法條；若涉及水質標準，應以命題當年民國 110 年之法規及標準為準。

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一、活性碳處理污染物的機制與原理

（一）活性碳的結構特性

活性碳通常由木材、椰殼、煤炭等含碳原料經碳化與活化製成，具有下列特性：

• 比表面積大，常具有大量微孔、介孔及大孔。
• 微孔提供主要吸附表面，介孔及大孔則有助於污染物擴散進入內部孔隙。
• 表面含有羥基、羧基、羰基等含氧官能基，使活性碳具有一定的極性與酸鹼特性。
• 具有疏水性，對許多疏水性有機污染物具有良好親和力。

因此，活性碳的去除能力不只取決於總表面積，也取決於孔徑分布、表面官能基、污染物分子大小及水中共存物質。

（二）吸附作用的主要機制

1. 物理吸附

物理吸附主要依靠凡得瓦力、疏水作用及孔隙填充作用，具有下列特徵：

• 吸附力相對較弱。
• 通常可逆，適合以加熱再生或其他方式脫附。
• 受孔隙大小、分子形狀及疏水性影響顯著。
• 常為水處理中活性碳去除有機微量污染物的主要機制。

當污染物由水相移入活性碳孔隙，且污染物與活性碳表面間的作用力大於污染物與水間的作用力時，污染物即被濃縮於活性碳表面或孔隙中。

2. 化學吸附

化學吸附係污染物與活性碳表面官能基產生化學鍵結、電子轉移或表面反應。其特徵為：

• 吸附選擇性較高。
• 吸附熱通常較大。
• 脫附及再生較困難。
• 在經氧化、改質或含金屬官能基的活性碳上較為明顯。

實際水處理中，物理吸附與化學吸附可能同時存在，不能將兩者截然分開。

3. 孔隙填充與分子篩作用

微孔可使污染物進入後形成孔隙填充；若污染物分子大小與孔徑相近，則會產生分子篩效果。孔徑過小時污染物無法進入，孔徑過大則單位體積內的吸附表面可能降低，因此活性碳孔徑應與目標污染物的分子大小相配合。

4. 芳香環間的 $\pi$–$\pi$ 作用

對含有芳香環的有機污染物，污染物與活性碳芳香結構間可能產生 $\pi$–$\pi$ 電子作用，增強吸附能力。

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（三）影響吸附效果的因素

1. 污染物濃度

污染物濃度越高，通常可提供較大的吸附驅動力，但活性碳的吸附位置有限，達到飽和後吸附量不再明顯增加。

2. 污染物的疏水性與分子大小

疏水性高、具有芳香環及適當分子大小的有機物，通常較容易被活性碳吸附。過大的分子可能無法進入微孔，過小的分子則可能與水保持較強作用。

3. pH 值與污染物電離狀態

有機酸、有機鹼等污染物的電離狀態會隨 pH 改變。一般而言，非離子型、疏水性的污染物較容易被活性碳吸附；帶電離子型污染物通常較不易被一般活性碳吸附，但仍受活性碳表面電荷與官能基影響。

4. 天然有機物競爭

原水中的天然有機物會佔據活性碳吸附位置，並阻塞微孔，造成目標污染物的吸附容量下降。使用純水所得的等溫線，通常會高估實際原水處理能力。

5. 溫度

物理吸附多為放熱反應，溫度升高時平衡吸附量可能下降；但溫度也會影響擴散速率與水的黏度，實際效果須由試驗確認。

6. 接觸時間與混合狀態

吸附需要一定時間達到平衡。混合不良、接觸時間不足或碳粒內部擴散受限，均會使實際去除量低於平衡等溫線預測值。

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二、adsorption isotherm 的意義

吸附等溫線是在固定溫度下，表示污染物平衡濃度與活性碳單位質量平衡吸附量之間關係的曲線。

定義：

• $C_0$：原水初始污染物濃度，通常以 $\mathrm{mg/L}$ 表示。
• $C_e$：達平衡時水中污染物濃度，$\mathrm{mg/L}$。
• $V$：水樣體積，$\mathrm{L}$。
• $M$：活性碳乾重，$\mathrm{g}$。
• $q_e$：活性碳平衡吸附量，$\mathrm{mg/g}$。

由污染物質量守恆：

$$q_e=\frac{(C_0-C_e)V}{M}$$

將不同活性碳投加量所得到的 $(C_e,q_e)$ 資料繪圖，即可建立吸附等溫線。

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三、吸附等溫線的建置方法

（一）實驗設計

1. 選定代表性原水與目標污染物，必要時分別測定單一污染物及混合污染物。
2. 配製數組相同體積的水樣，使各瓶具有相同的初始濃度 $C_0$。
3. 各水樣加入不同質量的活性碳，例如設置低、中、高數個投加量。
4. 在固定溫度、pH 及攪拌條件下混合。
5. 持續接觸至達到吸附平衡。
6. 分離活性碳與水樣，分析平衡水樣中的污染物濃度 $C_e$。
7. 依下式計算各組的平衡吸附量：

$$q_e=\frac{(C_0-C_e)V}{M}$$

8. 以 $C_e$ 為橫座標、$q_e$ 為縱座標繪製吸附等溫線，並以適當模型迴歸。

（二）平衡判定

不能只以固定接觸時間直接認定達到平衡，應進行時間試驗。當連續數個時間點的水中濃度變化很小，且達到預定穩定標準，才可視為平衡。

實驗中應注意：

• 活性碳需先乾燥、秤重，必要時進行預處理。
• 水樣與活性碳須充分混合。
• 過濾或離心時應避免活性碳微粒殘留於水樣。
• 分析方法的檢測極限必須低於目標控制濃度。
• 應設置空白組、重複組及無碳對照組。
• 原水試驗應保留天然有機物、離子強度及 pH 等實際水質條件。

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四、常用吸附等溫線模式

（一）Freundlich 等溫式

Freundlich 模式適用於非均質表面及多層吸附情形：

$$q_e=K_F C_e^{1/n}$$

取對數後：

$$\log q_e=\log K_F+\frac{1}{n}\log C_e$$

其中：

• $K_F$：吸附容量相關常數。
• $1/n$：吸附強度相關參數。

核心觀念

瓶杯試驗（Jar Test）是以小型、可控制的實驗，模擬自來水廠實際的「混凝—膠凝—沉澱」程序，其主要目的如下：

1. 決定混凝劑的最適種類與添加量 例如硫酸鋁、聚合氯化鋁（PAC）、三氯化鐵等，找出能有效去除濁度、色度及膠體物質的最佳劑量。

2. 決定最佳操作條件 包括原水適宜的 pH、快速混合強度與時間、慢速混合強度與時間、助凝劑種類及添加量等。

3. 評估處理效果與沉澱特性 觀察礬花（絮體）形成情形、大小、密實度、沉降速度及上澄液濁度，作為實際淨水場操作及加藥控制的依據。

混凝的基本原理是利用混凝劑水解產生的水解物、中和膠體表面電荷，並藉由吸附、架橋及網捕作用，使原本穩定分散的膠體顆粒形成較大的絮體，經沉澱去除。

瓶杯試驗的核心不是單純尋找「混凝劑用量最大」或「上澄液濁度最低」的條件，而是尋找兼具下列特性的經濟操作點：

• 上澄液濁度及色度低；
• 礬花形成快速、大小適中且結實；
• 沉降速度快；
• 混凝劑用量合理；
• 殘留鋁、鐵等金屬濃度符合飲用水處理要求；
• 污泥量及後續處理負荷適當。

解題方法

本題宜依「目的」與「程序」兩部分作答。目的說明瓶杯試驗要找出何種操作條件；程序則說明如何以不同加藥條件及相同混合、沉澱條件進行比較，最後選出最佳組合。

一、準備具代表性的原水樣品

取自來水廠進水處具有代表性的原水，採樣時應避免沉澱或取樣不均造成顆粒分布改變。測定並記錄原水的基本水質，例如：

• 濁度；
• 色度；
• pH；
• 鹼度；
• 水溫；
• 有機物或藻類等特殊污染情形。

若原水水質變化很大，應分別針對不同季節、降雨後及平常水質進行試驗，不能以單一次瓶杯試驗結果代表全年操作條件。

二、分裝於各試驗杯

將等量原水分裝於數個相同的試驗杯中，例如每杯取 $1,000\ \text{mL}$。各杯原水水質與體積必須相同，僅改變欲研究的條件，例如：

• 混凝劑劑量；
• 混凝劑種類；
• pH；
• 助凝劑劑量；
• 混合強度或混合時間。

若要研究最佳混凝劑劑量，可設定一系列由低至高的劑量，例如：

$$D_1,\ D_2,\ D_3,\ D_4,\ D_5,\ D_6$$

每杯加入不同劑量，其餘操作條件保持一致，才能將處理效果差異歸因於混凝劑劑量。

若使用濃度為 $C_s$ 的混凝劑原液，欲使試驗杯中達到劑量 $D$，試驗水量為 $V$，則原液添加體積為：

$$V_s=\frac{D V}{C_s}$$

其中各單位必須一致。例如 $D$ 以 $\text{mg/L}$ 表示時，$C_s$ 亦須換算為相同的質量濃度。

三、加入混凝劑並進行快速混合

將預定量的混凝劑迅速加入各試驗杯，同時啟動攪拌器，使混凝劑迅速且均勻分散於原水中。

快速混合的目的為：

• 使混凝劑充分分散；
• 促進混凝劑水解；
• 迅速中和膠體顆粒表面電荷；
• 使原水中的膠體失去穩定性。

快速混合通常採較高攪拌速度，實務上常以約 $100\sim200\ \text{rpm}$ 操作 $1\sim3$ 分鐘；實際數值應依設備及原水特性調整。若以速度梯度 $G$ 表示混合強度，則快速混合的 $G$ 值較高，並應與實際淨水場混合條件相近。

快速混合並非越強越好。攪拌過弱會使混凝劑分散不均；攪拌過強或時間過長，則可能使初生成的絮體遭到破壞。

四、進行慢速混合或膠凝

快速混合完成後，降低攪拌速度，進行慢速混合，使失去穩定性的微小顆粒彼此碰撞、吸附及聚集，逐漸形成較大的礬花。

慢速混合的目的為：

• 促進微粒碰撞；
• 使微小絮體逐漸成長；
• 形成密實且容易沉降的礬花。

慢速混合通常採約 $20\sim40\ \text{rpm}$ 操作 $15\sim30$ 分鐘。此階段應觀察：

• 礬花開始形成的時間；
• 礬花大小；
• 礬花是否均勻；
• 礬花是否鬆散；
• 攪拌停止後是否容易破碎。

慢速混合強度過低，顆粒碰撞機會不足；強度過高，則會造成絮體破碎。因此最佳條件是形成足夠大、結實且沉降性良好的礬花。

核心觀念

本題考查管渠輸水中的能量方程，以及水流通過管線時因摩擦與局部擾動所造成的水頭損失。

水流要在管線中持續流動，必須具有能量差，來源包括：

• 上游與下游的高程差；
• 水面或管內壓力差；
• 抽水機所提供的泵浦水頭；
• 下水道重力流中的管渠坡度。

水頭是單位重量流體所具有的機械能，常以公尺水柱表示。實際水流受黏滯性影響，機械能會因摩擦、紊流及局部渦流而轉變為內能，形成不可逆的水頭損失。

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外部能量被消耗的作用機制

1. 沿程摩擦損失

水流與管壁接觸時，因流體黏滯性及管壁粗糙度產生剪應力。靠近管壁的流體速度較低，流體各層間產生速度梯度，機械能因摩擦逐漸轉化為熱能。

沿程損失可用 Darcy–Weisbach 公式表示：

$$h_f=f\frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$$

其中：

• $h_f$：沿程水頭損失；
• $f$：Darcy 摩擦因子；
• $L$：管長；
• $D$：管徑；
• $V$：平均流速；
• $g$：重力加速度。

由公式可知，管線越長、管徑越小、流速越大，沿程損失越大。

2. 局部水頭損失

水流通過彎頭、閥門、三通、縮管、擴管、進水口及出水口時，流線產生分離、迴流及紊流，造成局部能量耗散。

局部損失為：

$$h_m=K\frac{V^2}{2g}$$

其中 $K$ 為局部損失係數。全管線總水頭損失為：

$$h_L=h_f+\sum h_m$$

3. 能量轉換的本質

能量並非消失，而是由可利用的機械能轉換為流體內能及紊流能，最後以熱的形式散失到環境中。此過程具有不可逆性，因此實際水流不可能完全按照理想流體的伯努力方程運動。

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基本能量方程

對管線上游斷面 1 與下游斷面 2，考慮抽水機所提供的水頭 $H_p$，能量方程為：

$$z_1+\frac{p_1}{\gamma} +\alpha_1\frac{V_1^2}{2g} +H_p = z_2+\frac{p_2}{\gamma} +\alpha_2\frac{V_2^2}{2g} +h_L$$

其中：

• $z$：高程水頭；
• $p/\gamma$：壓力水頭；
• $V^2/(2g)$：速度水頭；
• $\alpha$：動能修正係數；
• $H_p$：泵浦增加的水頭；
• $h_L$：總水頭損失；
• $\gamma=\rho g$：流體單位重量。

因此，所需外部水頭為：

$$H_p= \left( z_2+\frac{p_2}{\gamma}+\alpha_2\frac{V_2^2}{2g} \right) - \left( z_1+\frac{p_1}{\gamma}+\alpha_1\frac{V_1^2}{2g} \right) +h_L$$

此式表示：泵浦必須補足靜水頭差、壓力水頭差、速度水頭差及所有管路損失。

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自來水管線的外部能量計算

自來水輸送通常採滿管壓力流，工程計算步驟如下。

1. 決定設計流量

依供水區人口、用水量、尖峰係數、消防用水及未計量水量等資料，決定設計流量 $Q$。

若管徑為 $D$，平均流速為：

$$V=\frac{Q}{A} =\frac{4Q}{\pi D^2}$$

2. 計算沿程損失

可採 Darcy–Weisbach 公式：

$$h_f=f\frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$$

摩擦因子 $f$ 由雷諾數及相對粗糙度決定：

$$Re=\frac{VD}{\nu}$$

紊流時可依 Colebrook–White 關係式或適當近似式求取 $f$。

自來水工程也常採 Hazen–Williams 公式：

$$h_f = 10.67\frac{LQ^{1.852}}{C^{1.852}D^{4.87}}$$

式中採用 SI 單位時，$Q$ 為 $\mathrm{m^3/s}$，$D$ 為 m，$L$ 為 m，$C$ 為 Hazen–Williams 粗糙係數。

3. 計算局部損失

逐一列出管件及設備：

$$h_m=\sum K_i\frac{V_i^2}{2g}$$

若不同管段的管徑不同，各管段應使用其相對應的流速與損失係數。

4. 加入高程及壓力需求

若供水點高於取水點，需克服高程差；若末端仍須維持最低服務壓力，也必須加入所需壓力水頭。

因此泵浦總揚程通常為：

核心觀念

本題考查「再生水與自來水分流供水」及「防止交叉連接與回流污染」的給水系統設計。

中水道系統所供應的再生水，水質不等同於飲用水，因此必須將兩套系統視為不同水源：

• 自來水系統：供飲用、烹調、盥洗及其他人體直接接觸用途。
• 再生水系統：供沖廁、澆灌、景觀水體補充、清洗等非飲用用途；本題限定以沖廁為主。

設計重點不是單純增加管線，而是同時達成：

1. 再生水供水量足以支應非飲用需求。
2. 自來水與再生水管線完全分離。
3. 防止錯接、誤飲及回流污染。
4. 再生水不足時仍能維持必要的用水功能。

本題涉及的法規與技術原則，應以命題當年（民國 110 年）法規為準，包括《再生水資源發展條例》及其相關規定、《自來水法》、建築給排水設備相關規範，以及自來水用戶用水設備對防止交叉連接、回流污染的要求。現行法規及技術標準已可能修正，惟本題仍依民國 110 年命題時規範作答。

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解題方法

可從「水源分流、管線分離、用途限定、防錯接措施、供水備援」五個層次作答。

一、水源與用途分流

家戶應採用雙管制供水系統：

$$\text{自來水源} \rightarrow \text{自來水蓄水槽或加壓設備} \rightarrow \text{飲用水管線}$$ $$\text{再生水源} \rightarrow \text{再生水蓄水槽或加壓設備} \rightarrow \text{中水管線}$$

自來水管線供應飲用水龍頭、廚房、浴室盥洗設備及其他飲用水用途；再生水管線僅接至沖廁水箱或沖廁閥。

再生水系統不可供應飲水器、廚房水槽、洗臉盆、淋浴設備、浴缸及洗衣設備等可能造成飲用或人體接觸的用水點。

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二、採用獨立管路及獨立立管

家戶內應設置兩套相互獨立的配水管路：

• 自來水使用藍色或一般飲用水管線。
• 再生水使用不同於自來水的識別色，實務上常採紫色管線或紫色標識。
• 再生水管線應設置獨立立管、分區閥及必要的檢修閥。
• 管線、閥件、蓄水槽、泵浦及出水口均應有「再生水」「非飲用水」等清楚標示。

兩套管線不得以三通、跨接管、共用閥件或臨時軟管相互連通。再生水管線與自來水管線即使壓力不同，也不得利用壓差直接互相補水，因為壓力變化可能造成再生水倒流至自來水系統。

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三、使用端應設置專用出水設備

再生水應連接至專用沖廁設備，例如：

• 專用沖廁水箱。
• 專用沖廁閥。
• 防誤接的專用管件及接頭。
• 非飲用水標示及警語。
• 必要時採用不同規格或不可與自來水管件互接的接頭。

沖廁水箱的位置及管線配置，應避免使用者誤將再生水誤認為自來水。再生水出水口不得設置一般飲用水龍頭型式，也不得在廚房、飲水區或盥洗區設置可自由取用的再生水水栓。

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四、設置蓄水與加壓設備，以確保供水充裕

再生水由都市污水處理廠輸送至使用區域後，應依家戶需求設置再生水蓄水槽及加壓設備。基本配置如下：

$$\text{再生水進水管} \rightarrow \text{再生水蓄水槽} \rightarrow \text{加壓泵浦} \rightarrow \text{再生水立管} \rightarrow \text{沖廁設備}$$

蓄水槽容量應依每日沖廁用水量、尖峰使用量、再生水供水時段及供水穩定性決定。設計時應考慮：

• 家戶人口數。
• 每人每日沖廁次數。
• 每次沖廁水量。
• 再生水供應時間及供水壓力。
• 蓄水槽有效容量及安全裕度。
• 泵浦揚程與尖峰流量。

每日沖廁需求可概估為：

$$Q_d=N \times n \times V$$

其中：

• $Q_d$：每日沖廁用水量。
• $N$：使用人數。
• $n$：每人每日沖廁次數。
• $V$：每次沖廁用水量。

再生水系統應具有液位控制、溢流管、排水管、通氣管及檢修設施，並防止溢流水回流至供水管線或污染蓄水槽。

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五、再生水不足時的補充方式

為維持沖廁供水，當再生水供應中斷或蓄水量不足時，可由自來水補充再生水蓄水槽，但補充方式必須採取間接供水，不得使自來水管線與再生水管線直接相接。

較安全的配置為：

$$\text{自來水管} \rightarrow \text{浮球閥} \rightarrow \text{空氣間隙} \rightarrow \text{再生水蓄水槽} \rightarrow \text{沖廁管線}$$

自來水出水端與再生水蓄水槽最高水位之間應保留適當空氣間隙，使兩者在水力上完全隔離。如此即使再生水側發生負壓、管線破裂或回流，也不會將再生水吸入自來水系統。