112 地方特考四等 環境工程類科 水處理工程概要 考古題詳解

核心觀念

總三鹵甲烷（TTHM）是加氯消毒時，游離氯與原水中的天然有機物（NOM）、藻類及其代謝產物等前驅物反應所形成的消毒副產物。常見的四種三鹵甲烷為氯仿、溴二氯甲烷、二溴氯甲烷及溴仿；總三鹵甲烷為四者濃度總和：

生成量會受有機物種類與濃度、氯投加量、接觸時間、pH、溫度及溴離子濃度等影響。控制重點是先降低進入加氯階段的消毒副產物前驅物，再妥善安排消毒方式與操作條件。

解題方法

本題已指出原水有機物與藻類偏高，且清水池加氯後 TTHM 超標，因此應由「前驅物去除」、「避免不必要的前段加氯」、「調整消毒操作」三方面提出措施。單純降低氯量雖可減少副產物生成，仍須確保病原微生物的消毒效果與清水中的必要餘氯。

可行的淨水廠操作流程及單元調整

1. 將主要加氯點移至較後段，減少氯與前驅物的接觸

若淨水廠目前在原水端或混凝前預氯，應檢討是否取消或降低預氯量，避免氯在有機物與藻類尚未去除前，就開始長時間反應。可採用下列流程：

先經混凝、沉澱及過濾去除部分有機物與藻類，再加氯，可減少可與氯反應的前驅物。若因原水水質或設備需求必須預氧化，宜評估減少氯預氧化，並確認替代氧化方式不會帶來其他副產物問題。

2. 加強混凝與前驅物去除

調整混凝劑種類、投加量、混凝 pH、快速混合與膠羽形成條件，提升溶解性及顆粒性有機物的去除；沉澱與過濾也應維持良好操作，避免藻類或有機物穿透。必要時採用加強混凝，以提高天然有機物前驅物的去除率。

投加量與 pH 應依原水水質及試驗結果調整，不能只一味增加混凝劑，以免造成殘餘金屬、污泥量或後續處理負荷增加。

3. 增設或強化吸附處理

核心觀念

杯瓶實驗（jar test）是以小型燒杯模擬淨水廠的混凝、膠羽形成及沉澱程序，利用同一批原水比較不同操作條件，找出適合的混凝劑種類與加藥量，並據以調整實廠操作。它也能評估原水水質變動對處理效果的影響。

混凝的目的，是使原水中不易沉降的微細懸浮物與膠體失去穩定性，彼此碰撞、聚集成較大且可沉降的膠羽。操作條件包括混凝劑種類及劑量、混合強度與時間、助凝劑、pH與鹼度，以及膠羽沉澱表現等。

解題方法與進行方式

以同一批、具代表性的原水進行平行試驗，控制各燒杯的攪拌及沉澱條件一致，只改變要比較的參數，例如混凝劑劑量或pH。依序觀察膠羽形成與沉澱效果，再以處理水水質及操作表現選出適當條件。

典型步驟如下：

1. 採取原水並測定初始水質：記錄濁度、pH、鹼度、溫度、色度等資料；原水應充分混合，使各燒杯具有可比性。
2. 分裝原水：將相同體積的原水加入數個燒杯，置於杯瓶試驗攪拌器上。
3. 加入混凝劑：各杯加入不同劑量的混凝劑；若要比較不同藥劑或pH，應另設相應試驗組。
4. 快速混合：以較高攪拌強度短時間混合，使藥劑迅速分散並與膠體接觸。
5. 慢速混合：降低攪拌強度，使已脫穩的微粒碰撞、聚集並長成膠羽；攪拌須避免剪碎膠羽。
6. 靜置沉澱：停止攪拌，讓膠羽沉降；在一致的沉澱時間與取樣位置採集上澄液。
7. 評估結果並選定條件：比較上澄液濁度、色度、pH等水質，以及膠羽大小、密實度、沉降速度與殘留微細膠羽情形，選出處理效果良好且操作合宜的條件。

快速混合與慢速混合的時間、轉速或速度梯度，應依試驗設備及淨水廠操作條件設定；實驗重點是使各杯在可比較的混合、沉澱條件下進行。

可決定的重要參數

• 混凝劑種類與劑量：例如鋁鹽、鐵鹽或其他適用混凝劑；藉由不同劑量組比較，找出能有效降低處理水濁度且膠羽沉降良好的加藥條件。

核心觀念

本題考活性污泥系統的污泥產量控制與污泥最終處置。活性污泥分解有機物時，微生物會增殖形成生物污泥；此外，進流水中的惰性懸浮固體也會進入污泥。因此，污泥減量有兩個方向：一是降低生物合成或促進污泥分解，二是將污泥轉化為能源、肥料或材料等資源。

常以污泥產率表示生物污泥生成量：

延長污泥齡、促進細胞衰亡與內源呼吸，可降低觀察污泥產率；但各技術對惰性固體的去除能力不同，不能將「減少生物污泥生成」等同於「消除所有污泥」。

解題方法

可依「源頭減量—污泥處理減量—資源化利用」三階段作答，並簡述各方法的原理、適用性及限制。如此能同時回應題目所問的污泥減量與再利用，也能呈現污泥處理流程的完整性。

一、生物污泥減量方法

1. 延長污泥齡與提高固體停留時間

提高污泥齡，使微生物在系統內停留較久，增加內源呼吸及細胞衰亡，降低每單位有機物去除量所生成的淨污泥。可透過降低排泥量、增加生物處理槽容積或採用較長污泥齡操作達成。

此法操作簡單，亦有利於硝化；但污泥齡過高會增加曝氣與槽體需求，且仍會產生惰性固體及衰亡後的殘餘污泥。

2. 強化內源代謝或調整生物處理操作

透過較長曝氣、較低食微比及較長污泥齡，使微生物消耗自身細胞物質維持代謝，降低淨生物污泥產量。此法須兼顧出流水水質、能耗與處理設施容量，不宜只為減泥而無限制延長曝氣。

3. 生物捕食與食物鏈延伸

利用原生動物、後生動物等捕食細菌，使有機物沿食物鏈轉移，部分碳以二氧化碳等形式釋出，降低污泥累積。其減量效果受生物相、溫度及操作條件影響，較適合作為生物處理系統的輔助措施。

4. 污泥裂解後回流生物處理系統

核心觀念

本題考查 $pH$ 與氫離子濃度的關係，以及酸鹼中和的莫耳數計算：

在題目假設忽略其他緩衝鹽類影響下，先由初始 $pH$ 求出水中氫離子莫耳數，再以氫氧化鈉提供的氫氧根中和。調整至 $pH=7.0$ 時，酸鹼恰好中和。

解題方法

將 $1$ 噸水視為約 $1{,}000\ \mathrm{L}$。初始水樣 $pH=5.0$，因此：

調整至 $pH=7.0$，目標氫離子濃度為：

需由氫氧根中和的氫離子莫耳數為：