114 地方特考三等 環境工程類科 流體力學與水處理工程 考古題詳解

核心觀念

曼寧公式中的水力半徑為 $R=A/P$，其中 $A$ 是過水斷面積，$P$ 是濕周；滿流時仍不把水面寬度計入濕周。本題先由梯形尺寸求 $A$ 與 $P$，再代入曼寧公式求流量。

解題方法

圖示的水深 $3.5$ 公尺、兩側水平投影各 $5$ 公尺及斜邊長 $6$ 公尺，三項尺寸幾何上不完全相容；以下依水平投影計算斷面積，依圖示標示的斜邊長計算濕周。

梯形上底寬為：

過水斷面積：

濕周只計底部與兩側斜邊：

因此水力半徑為：

核心觀念

本題考查以能量方程式計算抽水機總揚程。水由吸水井水面流至混合池水面時，抽水機提供的揚程須克服兩水面間的高程差，以及管線摩擦與閥件、彎管等附屬設備的水頭損失。

兩端水面流速可視為零，因此：

其中 $h_{f,s}$、$h_{f,d}$ 分別為吸水管與出水管的摩擦損失，$h_m$ 為附屬設備損失。

解題方法

流量換算為 $Q=0.012\ \mathrm{m^3/s}$。各管段平均流速由 $V=Q/A$、$A=\pi D^2/4$ 計算，再代入 Darcy-Weisbach 公式。

吸水管，$D_s=0.35\ \mathrm{m}$、$L_s=20\ \mathrm{m}$：

出水管，$D_d=0.30\ \mathrm{m}$、$L_d=300\ \mathrm{m}$：

核心觀念

本題考查下水道中硫酸鹽的生物還原、硫化氫逸散，以及管線腐蝕。作答時要分清楚兩件事：污水中硫化物的生成量，以及硫化氫由水相逸散至管渠氣相的程度。

解題方法：依生成、逸散、腐蝕說明

一、硫化氫的生成

污水中的有機物沉積於管底，形成生物膜或污泥層。當管渠內溶氧不足，生物膜深處及沉積物中形成厭氧環境，硫酸鹽還原菌便利用有機物作為電子供體，將硫酸根還原成硫化物。以有機物簡化表示，可寫為：

此反應表示有機物被氧化，硫酸根則作為電子受體被還原。生成的溶解態硫化物包括分子態硫化氫 $\mathrm{H_2S}$ 與氫硫酸根 $\mathrm{HS^-}$，其比例受酸鹼平衡控制：

pH 降低時，分子態 $\mathrm{H_2S}$ 比例上升；此分子態硫化氫可由污水逸散至管渠氣相。

二、硫化氫的逸散與腐蝕

氣相硫化氫會造成臭味及人員中毒風險。硫化氫也可溶入管頂、井壁等潮濕表面的凝結水膜中，再被好氧硫氧化菌氧化成硫酸：

硫酸會侵蝕水泥混凝土等管材，使管壁劣化、腐蝕，縮短管線使用年限。

核心觀念

本題考「飲用水消毒劑的選擇原則」與常見消毒技術的優缺點。消毒的目的在於使病原微生物失活，降低水媒疾病風險；實務上並非追求完全滅菌，而是在原水特性、消毒效果、配水系統保護、成本及副產物等因素間取得平衡。

消毒效果常以微生物失活率或對數去除率表示：

其中 $N_0$ 為處理前微生物數，$N$ 為處理後微生物數。化學消毒常以濃度與接觸時間的乘積 $CT$ 評估；所需 $CT$ 會隨消毒劑種類、微生物種類、水溫、pH 及水質而變化。消毒是多重屏障的一環，濁度及懸浮物可能遮蔽微生物或消耗消毒劑，因此通常須先妥善處理原水，再進行消毒。

解題方法

可先列出優良消毒劑的理想條件，再以「化學消毒劑」及「物理消毒技術」分類舉例，說明各自適用情形與限制。作答重點是呈現選擇並無單一最佳解，必須依水源水質、微生物風險、配水管網、操作能力及法規要求整體評估。

優良消毒劑應具備的特性

1. 消毒效能佳：能快速且可靠地使具公共衛生重要性的病原微生物失活，並能涵蓋原水中主要微生物風險。
2. 作用範圍廣、效果穩定：在實際水處理條件下，對不同微生物及水質變動仍維持可預期的效果。
3. 具適當持續性：若能在配水管網中保有適量殘留，可抑制輸送過程中的再污染或微生物再生長。
4. 不造成不可接受的副產物：與天然有機物、溴離子、氨等水中成分反應後，不應產生超出管理要求的有害消毒副產物。
5. 不損害水的觀感與適飲性：在有效劑量下，不應造成明顯異味、異色或不良口感。
6. 對水質的干擾小：不應不必要地增加腐蝕、結垢或其他水質問題；操作劑量也須容易控制。
7. 安全、易操作且經濟：藥劑或設備容易取得、儲存與操作，運轉及維護成本合理，並可安全處理。
8. 效果容易監測：能以可靠的程序監控消毒劑投加量、接觸條件或處理效能，確保出水穩定。

上述是理想條件，實際選擇時常需取捨。例如，能形成管網殘留的消毒方式有利於持續保護，但化學消毒劑與水中物質反應時，也須注意副產物及用戶感受。

可選用的消毒劑或技術