114 地方特考四等 環境工程類科 水處理工程概要 考古題詳解

114 年・地方特考・四等・環境工程類科
試題代碼 水處理工程概要

第 一 題30 分

一座工廠排放廢水中含有下列污染物成分，請分別舉出 2 種廢水處理設施適用的處理法／流程。（每小題 6 分，共 30 分）

(一) COD

(二) 苯酚

(三) NH4+\mathrm{NH_4^+}

(四) PO43−\mathrm{PO_4^{3-}}

(五) Zn\mathrm{Zn}、Cu\mathrm{Cu}、Cr3+\mathrm{Cr^{3+}}

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核心觀念

本題考查依污染物的性質，配對適用的水處理單元或流程。列舉時應說明污染物如何被去除：例如有機物經生物分解或氧化、氮磷經生物轉化或化學沉澱、金屬離子經沉澱或離子交換。每一小題列出兩種適用方法即可；實際選用仍須依濃度、水質及排放標準進行試驗與設計。

解題方法

先辨認污染物類型，再從相應的處理機制選擇流程：

  • COD、苯酚：有機物，考慮生物處理或物化氧化。
  • NH4+\mathrm{NH_4^+}：氨氮，考慮硝化等生物處理或離子交換。
  • PO43−\mathrm{PO_4^{3-}}：磷酸鹽，考慮化學沉澱或生物除磷。
  • Zn\mathrm{Zn}、Cu\mathrm{Cu}、Cr3+\mathrm{Cr^{3+}}：重金屬，考慮化學沉澱或吸附、離子交換等分離程序。

各污染物之適用處理法

（一）COD

COD（化學需氧量）表示水中可被化學氧化物質所需的氧化劑當量，常用來衡量水中有機物及部分還原性無機物的總體負荷。COD 並非單一污染物，因此處理法須依其可生物分解性及成分選擇。

  1. 活性污泥法：利用微生物分解可生物分解的有機物，降低廢水 COD；常見流程為初級沉澱後進入曝氣槽，再經二級沉澱。
  2. 混凝沉澱後接活性碳吸附：混凝沉澱先去除懸浮物及部分膠體有機物，再以活性碳吸附溶解性或較難生物分解的有機物，適合作為後續處理或深度處理。

（二）苯酚

苯酚屬於有機污染物，濃度適當且經馴化的微生物可將其分解；但高濃度苯酚具有抑制性，宜考慮均化、逐步馴化或前處理。

  1. 馴化活性污泥法：以馴化微生物逐步分解苯酚，進流濃度及負荷宜平穩控制，以減少毒性抑制。
  2. 臭氧氧化後接生物處理：臭氧先氧化苯酚並改變其分子結構，降低後續生物處理負荷；後段生物處理可進一步去除氧化產物及剩餘有機物。

（三）NH4+\mathrm{NH_4^+}

NH4+\mathrm{NH_4^+} 為銨離子，水處理上通常以氨氮形式管理。常見生物處理是先將氨氮硝化成硝酸鹽；若要去除總氮，還須搭配反硝化。

  1. 硝化—反硝化活性污泥流程：好氧段由硝化菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽、硝酸鹽；缺氧段再由反硝化菌將硝酸鹽還原成氮氣。此流程可去除氮，但須配置適當的碳源、曝氣及污泥停留時間。
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第 二 題30 分

一個工廠廢水進流量 1,000 CMD1{,}000\ \mathrm{CMD}，其容積 2,000 m32{,}000\ \mathrm{m^3} 曝氣槽處理 BOD 600 mg/L600\ \mathrm{mg/L}，因工廠製程量增加伴隨 BOD 容積負荷增加 0.2 kg-BOD/(m3⋅day)0.2\ \mathrm{kg\text{-}BOD/(m^3\cdot day)}，試問 BOD 容積負荷增加的曝氣槽容積應為多少？

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核心觀念

本題考曝氣槽的 BOD 容積負荷，也就是單位曝氣槽容積、單位時間內承受的 BOD 負荷：

Lv=QS0VL_v=\frac{Q S_0}{V}

其中 LvL_v 為 BOD 容積負荷（kg-BOD/(m3⋅day)\mathrm{kg\text{-}BOD/(m^3\cdot day)}）、QQ 為進流量、S0S_0 為進流水 BOD 濃度、VV 為曝氣槽容積。

題目所問的「BOD 容積負荷增加的曝氣槽容積」，是指負荷增加後，為維持原有容積負荷所需增加的槽體容積。

解題方法

先計算原有 BOD 質量負荷。因為 1 mg/L=0.001 kg/m31\ \mathrm{mg/L}=0.001\ \mathrm{kg/m^3}，所以：

S0=600 mg/L=0.6 kg/m3S_0=600\ \mathrm{mg/L}=0.6\ \mathrm{kg/m^3} 原有 BOD 負荷=QS0=1,000 m3/day×0.6 kg/m3=600 kg/day\text{原有 BOD 負荷} =Q S_0 =1{,}000\ \mathrm{m^3/day}\times0.6\ \mathrm{kg/m^3} =600\ \mathrm{kg/day}

原曝氣槽容積為 2,000 m32{,}000\ \mathrm{m^3}，因此原有容積負荷為：

Lv=600 kg/day2,000 m3=0.3 kg-BOD/(m3⋅day)L_v=\frac{600\ \mathrm{kg/day}}{2{,}000\ \mathrm{m^3}} =0.3\ \mathrm{kg\text{-}BOD/(m^3\cdot day)}

題目說容積負荷增加 0.2 kg-BOD/(m3⋅day)0.2\ \mathrm{kg\text{-}BOD/(m^3\cdot day)}，故增加的 BOD 負荷為：

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第 三 題20 分

請詳述活性污泥槽發生污泥膨化（Sludge Bulking）的 4 個原因及其對應的實際現象。

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核心觀念

污泥膨化（sludge bulking）是活性污泥沉降性變差、污泥絮體不易緊密沉降的現象，常見原因是絲狀菌過度增殖，或污泥絮體形成異常。膨化污泥沉降緩慢、體積膨鬆，容易造成二沉池污泥界面升高及放流水帶出懸浮固體。

可用污泥容積指數（SVI）觀察沉降性：

SVI=沉降 30 分鐘後污泥體積（mL/L）×1000混合液懸浮固體濃度（mg/L）\mathrm{SVI}=\frac{\text{沉降 30 分鐘後污泥體積（mL/L）}\times 1000} {\text{混合液懸浮固體濃度（mg/L）}}

SVI 偏高代表污泥沉降性不佳；實際判讀仍須搭配沉降試驗、顯微鏡觀察及操作數據。污泥膨化與反硝化造成的污泥上浮不同：前者主要是沉降性差、污泥鬆散；後者則是污泥沉降後因氮氣泡附著而上浮。

解題方法

本題要將「操作或進流水條件」連結到「菌相變化與現場可見現象」。作答時列出四種常見成因，並說明每種成因如何影響污泥絮體、沉降或放流水質。

四個原因及對應現象

一、溶氧不足

曝氣量不足、混合不良或有機負荷過高，會使活性污泥槽局部缺氧，促使部分絲狀菌相對占優勢。絲狀菌向絮體外伸展，妨礙絮體緊密聚集。

**實際現象：**顯微鏡下可見絲狀菌增多；污泥絮體鬆散、沉降緩慢，SVI 上升；二沉池污泥界面升高，出流水容易帶出懸浮固體。

二、食微比過低

食微比（F/M）過低常見於有機物負荷低、曝氣池污泥量過多或污泥停留時間過長。低基質環境會使部分絲狀菌相較於絮凝菌更具競爭優勢，導致絲狀菌伸出絮體並造成膨化。

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第 四 題20 分

請詳述甲烷厭氧醱酵反應過程的 4 個操作條件。

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核心觀念

甲烷厭氧醱酵是多種厭氧微生物共同作用，將有機物分解並轉化為甲烷與二氧化碳的生物處理程序。甲烷生成菌生長較慢，且對環境變化敏感，因此操作上須維持穩定的溫度、酸鹼與緩衝條件，並控制進料負荷及反應槽環境。

解題方法

題目要求「4 個操作條件」，可從反應環境、酸鹼平衡、進料與停留、槽內運轉四個面向作答，並說明各條件失控時對甲烷生成的影響。

四項操作條件

  1. 溫度穩定 甲烷醱酵常採中溫消化，約 30∼38∘C30\sim38^\circ\mathrm{C}，常用操作值約 35∘C35^\circ\mathrm{C}；亦可採高溫消化，約 50∼60∘C50\sim60^\circ\mathrm{C}。應依所採菌相維持適當溫度，避免溫度突然變動，因甲烷生成菌對溫度變化敏感，溫度失穩會降低產氣效率。

  2. 維持適當 pH 與鹼度 甲烷生成菌適合近中性環境，通常將 pH 控制在約 6.8∼7.56.8\sim7.5。醱酵過程若有機酸累積，pH 會下降並抑制甲烷生成；因此須維持足夠鹼度與緩衝能力，避免酸化。

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