114 地方特考三等 環境工程類科 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

鹼度是水中物質中和強酸的能力，常以當量濃度表示。本題採用題目給定的鹼度式：

各物種的係數代表每莫耳物質所提供的當量數：$\mathrm{HCO_3^-}$ 與 $\mathrm{OH^-}$ 各提供 $1$ 當量，$\mathrm{CO_3^{2-}}$ 提供 $2$ 當量；$\mathrm{H^+}$ 則消耗鹼度。

解題方法

已知 $\mathrm{pH}=10$，因此：

取 $K_w=1.0\times10^{-14}$，得：

又因為：

依第二階解離常數：

所以：

設 $x=[\mathrm{HCO_3^-}]$，則 $[\mathrm{CO_3^{2-}}]=0.469x$。代入總鹼度：

整理得：

核心觀念

本題考查葡萄糖完全好氧分解的化學計量關係，以及依反應莫耳比計算溶氧消耗量。完全分解時，葡萄糖中的碳生成二氧化碳、氫生成水，氧氣則作為氧化劑被消耗。

解題方法

（一）平衡反應方程式

先平衡碳、氫，再平衡氧：

• 葡萄糖含 $6$ 個碳原子，因此生成 $6\mathrm{CO_2}$。
• 葡萄糖含 $12$ 個氫原子，因此生成 $6\mathrm{H_2O}$。
• 生成物共有 $6\times 2+6\times 1=18$ 個氧原子；葡萄糖本身已有 $6$ 個氧原子，尚缺 $12$ 個氧原子，相當於 $6\mathrm{O_2}$。

因此反應式為：

（二）計算溶氧耗盡的水體積

由平衡反應式可知，$1$ 莫耳葡萄糖完全分解會消耗 $6$ 莫耳氧氣。

葡萄糖的莫耳質量為：

$18\ \mathrm{kg}=18{,}000\ \mathrm{g}$ 葡萄糖的莫耳數為：

所需氧氣莫耳數為：

換算為氧氣質量：

核心觀念

本題考查污水生物處理中，微生物如何分配有機物所含的能量，以及這種能量分配如何影響生物量生成。污泥產量主要來自微生物利用基質後合成的新細胞；若較多基質能量用於維持、代謝及取得能量，而較少用於細胞合成，則淨生物量產率較低。

比較厭氧與好氧處理時，可用觀念式表示污泥產量：

厭氧條件下沒有氧作為末端電子接受者；好氧條件下則以氧接受電子，通常可獲得較多能量並支持較多細胞合成。因此，厭氧處理的觀察生物量產率通常低於好氧處理。

解題方法：從基質能量去向比較

一、好氧代謝可取得較多能量，促進細胞合成

好氧異營菌將有機物氧化，電子經電子傳遞鏈移交給氧，氧還原為水。氧化還原反應可釋出大量能量，微生物以此合成 ATP，並用於維持生命活動及製造細胞物質。

概略表示如下：

在基質充足時，部分有機碳與能量會進入細胞合成；加上好氧菌增殖速度通常較快，便形成較多懸浮生物量。處理後，這些生物量經沉澱分離成為剩餘污泥。

二、厭氧代謝能量回收較少，細胞合成較少

厭氧條件下，微生物不能以氧作為末端電子接受者。厭氧消化菌群透過水解、酸化、產乙酸及產甲烷等階段分解有機物，最終將部分有機物轉化為甲烷與二氧化碳。

核心觀念

本題考查水中無機氮經生物處理轉為氮氣的兩段反應：硝化作用先將氨氮氧化為硝酸鹽氮，脫硝作用再將硝酸鹽氮還原為氮氣。硝化需氧，脫硝則在缺氧環境進行，並需有可利用的電子供體。

題目所稱三種無機氮物種為氨氮、亞硝酸鹽氮及硝酸鹽氮；反應式以氮元素的莫耳數配平，氨氮以 $\mathrm{NH_4^+}$ 表示。

解題方法：反應與所需環境

（一）硝化作用

硝化是自營性微生物在有氧條件下，將氨氮逐步氧化為硝酸鹽氮的過程，包含兩階段：

1. 氨氧化（亞硝化）：氨氮氧化為亞硝酸鹽氮。

2. 亞硝酸氧化（硝化）：亞硝酸鹽氮進一步氧化為硝酸鹽氮。

合併後的總反應為：

硝化作用所需環境與特性：

• 有氧：溶氧充足，作為氧化反應的電子受體。
• 適宜的 pH 與鹼度：反應產生 $\mathrm{H^+}$，會消耗鹼度並降低 pH；鹼度不足時，硝化會受抑制。
• 足夠的污泥停留時間：硝化菌生長較慢，需避免被過度淘洗。
• 適當溫度與低毒性環境：溫度過低、重金屬或其他抑制物質都可能降低硝化速率。

（二）脫硝作用

脫硝是異營性微生物在缺氧條件下，以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體，並以有機碳源作為電子供體，將氧化態氮逐步還原為氮氣。以甲醇為碳源時，常用的總反應式為：

脫硝反應通常依序經過：