109 地方特考四等 環境工程 水處理工程概要 考古題詳解

核心觀念

1. 法源依據： 依《飲用水管理條例》第 11 條第 1 項規定，飲用水水質應符合飲用水水質標準，該標準由中央主管機關定之（以命題當年民國 109 年法規為準，中央主管機關為行政院環境保護署；現行法中央主管機關已改制為環境部，但解題仍以命題當年為準）。
2. 科學與風險評估基礎： 飲用水水質標準之訂定並非單純取決於環境背景或單一毒理數值，而是採取「健康風險評估（Health Risk Assessment）」與「工程實務可行性」相互結合的決策系統。
3. 推導公式與理論基準：

• 非致癌物質（基於門檻效應）： $GV = \frac{\text{TDI} \times \text{bw} \times \text{RSC}}{\text{DWI}}$ 式中：$GV$ 為健康指引值（Guideline Value, $\text{mg/L}$）；$\text{TDI}$ 為每日耐受攝取量（Tolerable Daily Intake, $\text{mg/kg}\cdot\text{day}$）；$\text{bw}$ 為人體體重（成人通常以 $60\text{ kg}$ 計）；$\text{RSC}$ 為飲用水來源分配比率（Relative Source Contribution，一般取 $0.20$，即 $20\%$）；$\text{DWI}$ 為每日飲水量（Daily Water Intake，一般取 $2\text{ L/day}$）。
• 致癌物質（基於無門檻效應，以終生可接受風險 $10^{-5} \sim 10^{-6}$ 推導）： $C = \frac{R \times \text{bw}}{\text{SF} \times \text{DWI}}$ 式中：$C$ 為水質目標濃度（$\text{mg/L}$）；$R$ 為可接受致癌風險；$\text{SF}$ 為致癌斜率因子（Slope Factor, $(\text{mg/kg}\cdot\text{day})^{-1}$）。

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解題方法

本題為標準的制度法規與環境管理申論題，作答時必須劃分清楚兩大核心架構：

1. 系統流程（Process）：依循科學決策程序，從「項目初選與監測」$\rightarrow$「健康風險評估」$\rightarrow$「技術與經濟可行性評估」$\rightarrow$「法制作業與公眾溝通」四個先後接續的階段，展現嚴謹的邏輯鏈。
2. 考量要點（Considerations）：從「健康危害（毒理與暴露）」、「檢驗極限（MDL/LOQ）」、「淨水工程技術（BAT）」、「經濟成本衝擊」與「國際趨勢及感官特性」多維度展開，凸顯「管制值 $\ge$ 檢驗極限」且「管制值 $\ge$ 處理技術極限」的工程邊界考量。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，故無個別選項。閱卷評分關鍵在於能否將「行政程序與科學評估流程」層次化分明條列，並具體點出「檢驗極限」、「最佳可行控制技術（BAT）」及「飲水暴露分配比（RSC）」等專有名詞。若僅含糊回答「保護人民健康、參考國外標準」，將無法取得中高階分數。

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解題技巧

1. 口訣記憶「三可行一風險」： 訂定標準時，健康風險評估決定「理想目標值」，但最終法規值受限於三個實務面——驗得出來（檢驗分析可行性）、濾得掉（淨水技術可行性）、買得起（經濟效益與自來水成本可行性）。
2. 避開常見盲點： 切勿將「健康指引值（Guideline Value）」直接等同於「法規標準值（Standard Value）」。法規值必須大於或等於「方法偵測極限（MDL）/ 定量極限（LOQ）」及「最佳可行技術（BAT）出水極限」，否則將造成「無法檢驗稽查」或「淨水廠全面違規」的法規失效窘境。

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【答案】

一、行政院環境保護署訂定「飲用水水質標準」之系統流程

訂定或修訂飲用水水質標準遵循科學化、風險導向及程序正義之系統流程，主要分為以下四個階段：

核心觀念

本題評量自來水工程與水源工程中「水庫容積規劃」的核心水文學工具——累積流量曲線圖（Mass Curve，又稱波紋曲線或 Rippl Diagram）。

1. 基本水理平衡原理： 根據連續方程式（水資源質量平衡）： $\Delta S = \int (I - O) \, dt$ 其中 $\Delta S$ 為水庫蓄水量之變化量、$I$ 為入流量（Inflow rate）、$O$ 為出流量或計畫需水量（Outflow / Demand rate）。當出流量大於入流量（$O > I$）時，水庫蓄水量減少（$\Delta S < 0$），必須藉由水庫先前儲存之水量予以補充。

2. 幾何物理意義：

• 橫軸（$X$ 軸）為時間 $t$（通常以月或旬為單位）。
• 縱軸（$Y$ 軸）為自起算時間起的累積流量（Cumulative Volume, $V = \sum Q \cdot \Delta t$）。
• 累積入流曲線上任一點的切線斜率即為該時刻之瞬時入流率（$\frac{dV}{dt} = Q_{in}$）。
• 需水線（Demand line）之斜率即為計畫需水率（Draft rate, $Q_{out}$）。

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解題方法

一、「累積流量曲線圖」（Mass Curve）之定義

累積流量曲線圖係以連續時間為橫座標，以自某一觀測基準時間起算之累積入流總體積（Cumulative Inflow Volume）為縱座標，所繪製而成之單調遞增曲線（Monotonically increasing curve）。其斜率隨河川豐、枯水期而改變：豐水期入流量大，曲線陡峭；枯水期入流量小，曲線平緩。

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二、以「累積流量曲線圖」求蓄水庫蓄水容量之方法與步驟

求取水庫所需有效蓄水容量（Useful storage capacity），最經典之方法為 Rippl 法（切線法），具體步驟如下：

步驟一：整理水文歷史資料並計算累積入流量

蒐集水庫壩址過去長期（通常涵蓋歷史上最嚴苛枯水期紀錄）之連續流量資料（以月或旬為單位之平均流量 $Q_i$），計算各時段之入流體積 $V_i = Q_i \times \Delta t$，並依序計算累積入流體積： $\Sigma V_k = \sum_{i=1}^{k} V_i$

步驟二：繪製累積入流量曲線（Inflow Mass Curve）

以時間 $t$ 為橫軸，累積入流量 $\Sigma V$ 為縱軸，將計算所得各點描繪於座標紙上，連成平滑之「累積入流量曲線」。

步驟三：繪製計畫需水線（Draft / Demand Line）

依據自來水事業之計畫目標供水量（需水率 $Q_{demand}$），繪製累積需水線：

• 若為均勻需水（全年供水率固定），則需水線為一直線，其斜率即代表固定之供水率： $\text{斜率} = \frac{\Delta V_{demand}}{\Delta t} = Q_{demand}$
• 若需水量隨季節變動，則需水線為配合季節波動之曲線。

步驟四：於頂峰作平行需水線之切線

檢視累積入流曲線，在每次進入枯水期前的相對頂峰點（Peak / Crest，代表水庫滿水位狀態），繪製平行於計畫需水線之切線（切線斜率等於需水率）。此切線代表：自該滿庫時間點起，水庫依計畫需水率持續供水時的累積出流量。

步驟五：求取最大垂直落差（Maximum Deficit）

切線繪出後向右下方延伸，切線高於累積入流曲線之垂直距離，即代表「累積供水量大於累積入流量」的差額，亦即由水庫蓄水支應的缺水量（Deficit）。

• 沿切線向右尋找與入流曲線在下一個相對低谷點（Trough）處的最大垂直距離（Vertical distance, $S_i$）。
• 切線再次與入流曲線相交之點，代表入流量已回升，水庫重新蓄滿（Spill/Refill）。

核心觀念

本題考核環境工程（自來水與下水道工程）中「管渠水力學」的三大經典公式。考生須具備以下核心觀念：

1. 流態與驅動力分類：水流依驅動機制可分為「重力流（開渠／非滿管流）」與「壓力流（滿管受壓流）」。
2. 水頭損失與能量方程式：流體在管渠內流動時，黏滯力及壁面粗糙度造成的沿程水頭損失（Friction Head Loss, $h_f$）與能量坡降線（HGL / EGL）之計算。
3. 公式適用性與局限：

• 曼寧公式：適用於明渠流與重力流管渠（如雨水、污水下水道）。
• 赫岑－威廉公式：專用於常溫水之壓力管流（如自來水輸配水管網）。
• 達西－維斯巴哈公式：具備完整流體力學理論基礎，適用於任何牛頓流體與不同流態之壓力管流。

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解題方法

本題為申論題，答題架構應先列出「公式型態與參數定義」，接續說明「水力計算步驟」，最後具體闡明其在「輸水工程規劃設計」中之應用。

一、曼寧公式（Manning Formula）

1. 基本公式與參數定義 曼寧公式為經驗公式，廣泛應用於重力流（開渠及未滿管水路）： $V = \frac{1}{n} R^{2/3} S^{1/2}$ 流量型態： $Q = A \cdot V = \frac{1}{n} A R^{2/3} S^{1/2}$

• $V$：平均流速（$\text{m/s}$）
• $Q$：流量（$\text{m}^3\text{/s}$）
• $n$：曼寧粗糙係數（無因次或 $\text{s/m}^{1/3}$），管壁越粗糙 $n$ 值越大（如 PVC 管約 $0.009 \sim 0.010$，混凝土管約 $0.013$）
• $R$：水力半徑（$\text{m}$），定義為通水斷面積與潤周之比（$R = A/P$）
• $S$：水力坡降或管底坡度（$\text{m/m}$，無因次）
• $A$：水流通過之斷面積（$\text{m}^2$）

2. 水力計算與工程設計應用

• 下水道管渠斷面與坡度設計： 依計畫逕流量（雨水）或計畫最大時污水量（污水），設定容許流速範圍（污水管通常限制在 $0.6 \sim 3.0\text{ m/s}$，以防淤積及沖刷管壁），利用曼寧公式反算所需之管徑 $D$ 與敷設坡度 $S$。
• 非滿管水力特性分析（水力元素圖）： 重力流排水管平時未滿管流動，利用水力元素圖（Hydraulic Elements Diagram）計算水深比（$d/D$）對應之流速比（$v/V_{\text{full}}$）與流量比（$q/Q_{\text{full}}$），以檢核低流量時是否滿足最小自清流速（Self-cleansing velocity）。

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二、赫岑－威廉公式（Hazen-Williams Formula）

1. 基本公式與參數定義 適用於直徑大於 $50\text{ mm}$、常溫清水之圓形壓力管流：

• 流速式（SI制）： $V = 0.84935 \cdot C \cdot R^{0.63} S^{0.54}$
• 滿管圓管（$R = D/4$）之沿程水頭損失式： $h_f = 10.67 \cdot \frac{L \cdot Q^{1.852}}{C^{1.852} \cdot D^{4.87}}$
• $h_f$：沿程摩擦水頭損失（$\text{m}$）
• $L$：管線長度（$\text{m}$）
• $D$：管徑（$\text{m}$）
• $Q$：流量（$\text{m}^3\text{/s}$）
• $C$：赫岑－威廉粗糙係數，管壁越光滑 $C$ 值越高（新延性鑄鐵管約 $130 \sim 140$，老舊結垢管降至 $100$ 以下）
• $S$：摩擦坡降（$S = h_f / L$）

2. 水力計算與工程設計應用

• 自來水加壓輸配水管網平差： 公式形式為指數型單項式，計算簡便，為自來水配水管網水力分析（如 Hardy Cross 法、管網分析軟體 EPANET）之後端計算核心，用以求解各節點水壓與管段流量。
• 抽水機揚程（Head）與動力規格確定： 在長距離加壓輸水工程中，將設計流量代入公式求得管線沿程摩擦損失 $h_f$，加計局部水頭損失及靜揚程，即可決定抽水機之全揚程（Total Dynamic Head, TDH）與所需馬力。

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三、達西－維斯巴哈公式（Darcy-Weisbach Formula）

1. 基本公式與參數定義 具嚴格理論推導之物理基礎，為水力學中最泛用的壓力管流能量損失計算式： $h_f = f \cdot \frac{L}{D} \cdot \frac{V^2}{2g} = \frac{8 f L Q^2}{\pi^2 g D^5}$

• $h_f$：摩擦水頭損失（$\text{m}$）
• $f$：達西摩擦因子（Darcy friction factor，無因次）
• $g$：重力加速度（$9.81\text{ m/s}^2$）

核心觀念

本題評量環境工程「水處理工程」中**薄膜分離程序（Membrane Separation Processes）**之操作劣化機制與維護控制。核心考點涵蓋：

1. 薄膜積垢（Membrane Fouling）機制：區分「濃度極化（Concentration Polarization）」與各類不可逆或緩慢可逆之物理、化學、生物積垢成因。
2. 達西定律與阻抗串聯模式（Resistance-in-Series Model）： $J = \frac{\Delta P - \Delta \pi}{\mu \cdot (R_m + R_c + R_p + R_a)}$ 式中 $J$ 為水通量（Flux）、$\Delta P$ 為跨膜壓差（Transmembrane Pressure, TMP）、$\Delta \pi$ 為滲透壓差、$\mu$ 為流體黏滯係數、$R_m$ 為薄膜本身固有阻抗，其餘 $R_c$（濾餅阻抗）、$R_p$（孔隙阻塞阻抗）、$R_a$（吸附阻抗）皆屬於積垢引起之水力阻抗。
3. 水質與水量衝擊評估：針對定通量（Constant Flux）與定壓（Constant Pressure）操作模式下的產水量衰減機制，以及孔徑篩分效應與膜材化學侵蝕對產水水質之影響。
4. 薄膜清洗策略（Membrane Cleaning）：物理清洗（水力沖洗、氣提、反洗）與化學清洗（酸、鹼、氧化劑、螯合劑）之針對性反應原理與操作配置（如 CIP、CEB）。

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解題方法

本題為典型的「申論型成因與對策題」，答題架構應緊扣命題核心，分為三大主軸切入：

1. 成因分類化：不可籠統列舉，應按微觀反應型態系統性歸納為「懸浮與膠體顆粒阻塞」、「無機結垢」、「有機物吸附沉積」、「微生物生物膜生長」四大類，並輔以「濃度極化」之觸發背景。
2. 水量與水質影響分述：

• 水量層面：從水力阻抗增加探討定壓下的通量驟降，或定通量下的跨膜壓力（TMP）劇增與能耗上升。
• 水質層面：區分多孔膜（MF/UF）因次級濾餅層（Secondary cake layer）形成可能短暫增加截留率，與緻密膜（NF/RO）因濃度極化導致溶質穿透率（Salt passage）增加、導電度上升，以及生物膜分泌酸性物質破壞膜結構等後果。

3. 清洗對策精準化：對應前述成因，清晰劃分「物理清洗」與「化學清洗」，化學清洗必須精確寫出清洗藥劑種類、對應去除之積垢類型及反應機制。

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選項分析

本題為申論題型，無選擇題選項。國家考試閱卷評分要點與答題比重規劃如下：

• 第一部分：薄膜積垢形成原因（約佔 35%）：能否準確寫出粒狀物孔隙堵塞、無機鹽結晶析出（Scaling）、天然有機物吸附、生物膜與胞外聚合物（EPS）生成等四大機制。
• 第二部分：對水量與水質之影響（約佔 30%）：能否扣緊「通量衰減／TMP升高」與「截留率變化／溶質滲漏增加／膜材老化」雙向探討。
• 第三部分：積垢清洗方式（約佔 35%）：能否依序闡明物理清洗工法（水氣沖刷、反洗）與化學藥劑（無機垢用酸、有機垢用鹼、生物垢用氧化劑、金屬錯合物用螯合劑）之應用。

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解題技巧

1. 破題專有名詞精準：評閱委員重視專業術語，答題應直接寫出「跨膜壓差（TMP）」、「通量（Flux）」、「阻抗串聯模式」、「次生濾餅層（Cake layer）」、「胞外聚合物（EPS）」、「現地清洗（CIP）」等關鍵字。
2. 因果對稱性：化學清洗的藥劑配對不可混淆，牢記口訣「酸除無機、鹼溶有機、氯殺生物、螯合破網」：

• 碳酸鹽、金屬氧化物 $\rightarrow$ 用無機酸或有機酸（如檸檬酸、$\text{HCl}$）。
• 腐植酸、油脂、天然有機物 $\rightarrow$ 用強鹼（$\text{NaOH}$）。
• 活體細菌、黏泥 $\rightarrow$ 用氧化劑（$\text{NaOCl}$，需注意膜材耐氯性如聚醯胺膜限制）。
• 二價金屬交聯之有機膠體 $\rightarrow$ 用螯合劑（$\text{EDTA}$）。

3. 分點分項編號：切忌寫成大段落文字，採用一、(一)、1. 階層式列點，閱卷老師能於數秒內對照評分標準給出滿分。

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【答案】

一、薄膜積垢（Membrane Fouling）之形成原因

薄膜積垢係指進流水中的懸浮物、膠體、溶質或微生物，於膜表面堆積形成沉積層或深入膜孔隙內部形成堵塞，導致流體阻抗顯著增加的現象。其主要成因可歸納為下列四類：

1. 粒狀物與膠體阻塞（Particulate and Colloidal Fouling）： 進流水所含之懸浮固體（SS）、泥沙、黏土及矽質膠體，隨水流聚集於薄膜表面。顆粒粒徑小於膜孔徑時會引發「孔隙阻塞（Pore blocking）」；顆粒粒徑大於膜孔徑時則於膜面形成緻密的「濾餅層（Cake layer）」，大幅增加透水阻抗。

2. 無機鹽結垢（Scaling / Inorganic Fouling）： 在逆滲透（RO）或奈米過濾（NF）濃縮過程中，因水分子不斷透過薄膜，使濃縮側難溶性無機鹽類濃度急遽上升。當其離子活度積超過溶度積常數（$K_{sp}$）時，即在膜表面過飽和析出結晶沉澱。常見沉澱物包括碳酸鈣（$\text{CaCO}_3$）、硫酸鈣（$\text{CaSO}_4$）、硫酸鋇（$\text{BaSO}_4$）及矽酸鹽（$\text{SiO}_2$）等。

3. 有機物吸附沉積（Organic Fouling）： 原水中的天然有機物（NOM，如腐植酸、黃腐酸）、蛋白質、多醣類或油脂，藉由疏水性交互作用、氫鍵或凡得瓦力吸附於膜表面及孔壁，形成緻密凝膠層（Gel layer），使膜孔有效孔徑縮小。

核心觀念

本題考驗家庭污水處理廠「污泥處理系統」（Sludge Treatment & Disposal System）與「循環經濟／能資源化」（Waste-to-Resource / Waste-to-Energy）之核心架構。命題重點包括：

1. 處理與處置之定義分工：以民國 109 年《下水道工程設施標準》及《廢棄物清理法》之體系為準，「處理（Treatment）」著重於廠內減量、減容、穩定與無害化；「處置（Disposal）」著重於廠外最終去處（最終掩埋或資源化再利用）。
2. 標準污泥處理解決鏈：濃縮（減容）$\rightarrow$ 穩定／消化（減量、無害化）$\rightarrow$ 調質（破膠、改善脫水性）$\rightarrow$ 脫水（固液分離，形成餅狀）。
3. 生物污泥轉能資源化途徑：

• 能源化（Energy）：厭氧消化生質能（沼氣產熱發電）、熱裂解與氣化。
• 資源化（Resource）：好氧堆肥（有機肥）、高溫燒結建材化（輕質骨材／磚材）、營養鹽回收（鳥糞石結晶回收磷）。

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解題方法

本題採「雙核心結構法」切入，先以單元工序圖明確劃分「處理」與「處置」，再依「能」與「資」雙向鋪展生物污泥轉換機制：

1. 流程界定：以初沉污泥與二沉生物污泥之混合物為對象，按物化／生物程序繪製線條流程，分段剖析單元功能與操作目標。
2. 能資源原理推導：

• 能源轉換聚焦於「厭氧消化四階段生物化學反應」及沼氣利用方程式。
• 資源化聚焦於「有機物腐植化反應」、「化學受控結晶沈澱反應（Struvite）」及「高溫固相燒結晶化反應」，寫出關鍵化學式以展現專業度。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。答題重點在於不可混淆「處理」與「處置」的範圍，並精準列出轉化程序的化學與微生物學作用原理。

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解題技巧

1. 名詞辨析口訣：「廠內為處理、廠外為處置」。寫「處理」時鎖定減水與減有機物（濃縮 $\rightarrow$ 消化 $\rightarrow$ 調質 $\rightarrow$ 脫水）；寫「處置」時鎖定流向（掩埋、堆肥、焚化、建材化）。
2. 能資源黃金架構：回答能資源化切記兼顧「生質能（沼氣）」與「物料資源（磷、土壤改良劑、綠建材）」，缺一不可。
3. 化學反應式加分：寫出產甲烷反應式（如乙酸裂解：$\text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_4 + \text{CO}_2$）與鳥糞石沉澱平衡式，能使評分委員一目了然其化學原理。

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【答案】

一、家庭污水處理廠污泥「處理」與「處置」之主要流程

家庭污水處理廠產生之污泥主要包含初沉池之「初沉污泥」（含水率約 $97\sim98\%$）及二沉池之「生物活性污泥」（含水率約 $99\sim99.5\%$）。主要流程依功能區分為「處理階段」與「處置階段」：

[初沉污泥 + 二沉生物污泥]
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【處理階段】
 1. 濃縮（重力 / 浮除 / 機械） ────> 分離上澄液回流至水處理系統
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 2. 穩定 / 消化（中溫厭氧消化 / 好氧消化） ──> 產出沼氣（生質能）
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 3. 調質（添加高分子聚合物凝集劑 / 化學藥劑）
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 4. 脫水（帶式壓濾機 / 離心脫水機 / 板框壓濾機） ──> 濾液回流
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 [脫水污泥餅 (含水率約 75%～80%)]
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【處置階段】
 ├─ 土地利用：好氧堆肥化製成有機肥料、土壤改良劑
 ├─ 資源化利用：乾燥後作為輔助燃料、焚化灰渣燒結製成透水磚或輕質骨材
 ├─ 熱處理：乾燥、焚化（減量無害化後灰渣掩埋）
 └─ 最終處置：衛生掩埋（現行法規受掩埋容量限制，已極少作為主途徑）

(一) 污泥處理（Sludge Treatment）流程

處理之主要目標為減容（脫水）、穩定（分解易腐有機物）、無害化（殺菌）：

1. 濃縮（Thickening）：利用重力沉降（適用初沉污泥）、溶氣浮除（DAF，適用質輕之活性污泥）或機械濃縮旋轉帶／離心機，將含水率由 $99\%$ 降至約 $95\sim97\%$，體積縮減 $50\sim80\%$。
2. 穩定化（Stabilization / Digestion）：常採「中溫厭氧消化（Anaerobic Digestion）」（操作溫度約 $35 \pm 2 ^\circ\text{C}$，水力停留時間約 $15\sim20$ 天），使易腐敗之有機固體分解轉化，降低病原菌數量與惡臭氣體產生潛勢。
3. 調質（Conditioning）：於脫水前破壞膠體顆粒之雙電層及胞外聚合物（EPS）束縛，促成絮凝。通常添加陽離子型高分子聚電解質（Polymer）或無機混凝劑（如聚合氯化鋁、鐵鹽），大幅改善污泥比阻抗值（Specific Resistance to Filtration, SRF）。
4. 脫水（Dewatering）：使用帶式壓濾機（Belt Filter Press）、離心脫水機或板框壓濾機進行固液分離，將含水率降至 $75\sim80\%$ 形成「脫水污泥餅」，便於後續運輸與處置。

(二) 污泥處置（Sludge Disposal）流程

處置之核心為最終合法去處與循環再利用：

1. 土地施用／農業利用：經無害化及重金屬檢測合格後，透過堆肥化回饋農地、林地或公園綠化作為有機肥料。
2. 生質燃料化／焚化：經熱風乾燥降低含水率至 $30\%$ 以下，製成污泥固態衍生燃料（SRF/RDF）或送入焚化爐高溫氧化，殘渣體積僅剩原泥餅之 $5\sim10\%$。
3. 綠建材資源化：將污泥餅或乾燥污泥摻配黏土燒結為骨材，或將焚化灰渣作為水泥生料及製磚原料。