107 高普考普通考試 環境工程 水處理工程概要 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗考生對我國自來水淨水處理後端法規指標——《飲用水水質標準》中「消毒副產物」（Disinfection By-Products, DBPs）法規管制項目、化學組成及管制限值的掌握程度（以命題當年民國 107 年法規為準；現行法規於此四項管制項目與限值均維持一致）。

淨水工程中為控制水中致病微生物，常添加氯系消毒劑（液氯、次氯酸鈉、次氯酸鈣）、二氧化氯（$\text{ClO}_2$）或臭氧（$\text{O}_3$）。消毒劑氧化水體時，會與水中的天然有機物（Natural Organic Matter, NOM，如腐植酸、黃腐酸）或天然無機離子（如溴離子 $\text{Br}^-$）產生反應，衍生出具致癌性、致突變性或器官毒性之副產物。依《飲用水水質標準》第三條規定，化學性標準之「影響健康物質」中，明文設立「消毒副產物」獨立類別進行嚴格管制。

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解題方法

本題為法規記憶與工程水質指標整合題，作答時應採「層次化條列」鋪陳：

1. 鎖定法規類別：依據《飲用水水質標準》，明確劃分出消毒副產物的四大管制項目。
2. 標明標準數值與法定單位：我國飲用水標準數值法定單位一律為 $\text{mg/L}$（毫克／公升），作答時不可缺漏或誤植為 $\mu\text{g/L}$。
3. 展開總量管制之子成分：

• 「總三鹵甲烷（TTHMs）」非單一化合物，而是由 4 種三鹵甲烷化合物濃度加總計算。
• 「鹵乙酸（HAA5）」亦為複合指標，為 5 種常見鹵乙酸化合物濃度之總和。 展開子成分能向閱卷委員展現完整的環境化學背景知識。

4. 註記消毒機制與副產物成因：說明各副產物所對應之消毒程序（氯消毒衍生有機副產物；臭氧及二氧化氯衍生無機副產物），確立水處理工程之學理邏輯。

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選項分析

本題為非選擇題（申論問答題）。針對考生在水處理實務法規中極易混淆之項目，進行逐一辨析：

1. 自由有效餘氯與結合有效餘氯：

• 自由有效餘氯管制限值為 $0.2 \sim 1.0\text{ mg/L}$，結合有效餘氯管制限值為 $0.2 \sim 2.0\text{ mg/L}$。
• 兩者在法規中獨立列於「有效餘氯」分類，用途是確保配水管網具備持續抑菌能力，屬於「消毒劑殘留量」，並非消毒副產物，切勿混入此題作答。

2. 揮發性有機物（VOCs，如三氯乙烯、四氯化碳、苯）：

• 雖同屬含鹵有機化合物，但其來源為工業溶劑或地下水污染，法規歸類於「揮發性有機物」，非消毒副產物。

3. 無機鹽類健康影響物質（如硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮）：

• 來源主要為農業施肥、禽畜廢水滲漏，法規歸類於「無機鹽類」，非消毒副產物。

4. 溴酸鹽與亞氯酸鹽之特殊歸類：

• 兩者雖為無機含氧酸鹽，但在淨水程序中分別因「臭氧氧化含溴原水」及「二氧化氯消毒還原」而產生，因此法規將其專門歸入「消毒副產物」管制，而非一般無機鹽類。

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解題技巧

1. 四分法記憶矩陣： 管制項目共 4 項，分為「2 種有機鹵化副產物」與「2 種無機氧化副產物」：

• 有機鹵化副產物（氯消毒產生）：

核心觀念

本題測驗理想沉澱池之沉澱理論（Camp 沉澱理論，第 I 型自由沉降），核心觀念與公式如下：

1. 溢流率（表面負荷率, Surface Overflow Rate, $v_0$）之定義 理想水平流沉澱池中，溢流率定義為單位池表面積所承受之進水流量： $v_0 = \frac{Q}{A}$ 在物理意義上，$v_0$ 代表能被沉澱池 $100\%$ 完全截留去除之最小顆粒沉降速度（又稱臨界沉降速度, Critical Settling Velocity）。

2. 單一粒徑顆粒之去除率（$R_i$） 若懸浮顆粒均勻分佈於進水斷面，則其去除率取決於顆粒自身沉降速度（$v_s$）與沉澱池設計溢流率（$v_0$）之比值：

• 當 $v_{s,i} \ge v_0$ 時，不論顆粒由池水垂直深度何處進入，均可在流出前沉降至池底，故去除率為： $R_i = 100\%$
• 當 $v_{s,i} < v_0$ 時，僅有進入池底上方部分深度的顆粒可沉降去除，其去除率為幾何沉降比例： $R_i = \frac{v_{s,i}}{v_0} \times 100\%$

3. 混合粒徑顆粒之總重量去除率（$R_T$） 若進流廢水由多種不同粒徑或不同沉降速度的顆粒組成，其總重量去除率為各顆粒重量佔比（$w_i$）與其個別去除率（$R_i$）之加權總和： $R_T = \sum_{i=1}^{n} (w_i \times R_i)$

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解題方法

步驟一：單位統一換算

沉澱池設計溢流率為： $v_0 = 25\ \mathrm{m^3/(m^2 \cdot day)} = 25\ \mathrm{m/day}$

顆粒沉降速度單位為 $\mathrm{mm/s}$。利用單位換算關係式： $1\ \mathrm{mm/s} = 10^{-3}\ \mathrm{m/s} \times 86{,}400\ \mathrm{s/day} = 86.4\ \mathrm{m/day}$

將五種顆粒之沉降速度換算為 $\mathrm{m/day}$：

• 第 1 種顆粒：$v_{s1} = 0.1\ \mathrm{mm/s} \times 86.4 = 8.64\ \mathrm{m/day}$
• 第 2 種顆粒：$v_{s2} = 0.2\ \mathrm{mm/s} \times 86.4 = 17.28\ \mathrm{m/day}$
• 第 3 種顆粒：$v_{s3} = 0.3\ \mathrm{mm/s} \times 86.4 = 25.92\ \mathrm{m/day}$
• 第 4 種顆粒：$v_{s4} = 0.5\ \mathrm{mm/s} \times 86.4 = 43.20\ \mathrm{m/day}$
• 第 5 種顆粒：$v_{s5} = 0.7\ \mathrm{mm/s} \times 86.4 = 60.48\ \mathrm{m/day}$

(註：亦可將 $v_0$ 換算為 $\mathrm{mm/s}$：$v_0 = \frac{25\ \mathrm{m}}{86{,}400\ \mathrm{s}} = \frac{25{,}000\ \mathrm{mm}}{86{,}400\ \mathrm{s}} = \frac{125}{432}\ \mathrm{mm/s} \approx 0.2894\ \mathrm{mm/s}$)

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步驟二：計算各顆粒之預期去除率

將各顆粒的沉降速度 $v_{si}$ 與臨界沉降速度 $v_0 = 25\ \mathrm{m/day}$ 進行比較：

1. 第 1 種顆粒（$v_{s1} = 8.64\ \mathrm{m/day} < v_0$）： $R_1 = \frac{v_{s1}}{v_0} \times 100\% = \frac{8.64}{25} \times 100\% = 34.56\%$

2. 第 2 種顆粒（$v_{s2} = 17.28\ \mathrm{m/day} < v_0$）： $R_2 = \frac{v_{s2}}{v_0} \times 100\% = \frac{17.28}{25} \times 100\% = 69.12\%$

核心觀念

本題評量廢水生物處理（特別是「活性污泥法」）中最關鍵的固液分離指標與操作障礙，核心觀念包含：

1. 污泥容積指標（Sludge Volume Index, SVI）之定義與量測：瞭解混合液懸浮固體沉降後單位乾重所佔之體積，掌握標準 $30$ 分鐘沉降試驗（$SV_{30}$）及 $MLSS$ 之測定與公式推導。
2. 污泥膨化（Sludge Bulking）之機制與成因：理解活性污泥沉降性能惡化、絮體鬆散不實之生物學成因，區分「絲狀菌膨化（Filamentous Bulking）」與「非絲狀菌／黏性膨化（Non-filamentous / Viscous Bulking）」。
3. $SVI$ 數值對沉降性之判斷基準：掌握 $SVI$ 正常運轉區間與膨化臨界閾值，建立二次沉澱池固液分離效能之判斷依據。

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解題方法

本題為典型的申論簡答題，作答時切入點應緊扣題意四大問：① SVI 定義、② 污泥膨化定義、③ SVI 量測方法與公式、④ SVI 與膨化之關聯準則。解題架構條列如下：

一、污泥容積指標（SVI）之定義

污泥容積指標（Sludge Volume Index, SVI）係指曝氣池混合液在 $1\text{ L}$ 量筒中經過 $30$ 分鐘靜置沉降後，每一公克（$\text{g}$）活性污泥乾重所佔有的沉降體積（$\text{mL}$）。

• 物理意義：用以量化評估活性污泥之「沉降性（Settleability）」與「壓縮性（Compactibility）」，為二次沉澱池運轉狀況之關鍵指標。
• 單位：$\text{mL/g}$。

二、污泥膨化（Sludge Bulking）現象之定義

污泥膨化係指活性污泥因絮體結構鬆散、含水率過高，導致沉降速度極度緩慢且壓縮性能極差，污泥界面無法在二次沉澱池內有效下降，造成泥位上升並隨放流水流失（Sludge Carryover）之操作故障現象。依成因主要分為兩類：

1. 絲狀菌膨化（Filamentous Bulking）：

• 成因：絲狀菌（如 Sphaerotilus natans、Type 021N 等）過度增生，其絲狀菌體自菌膠團內部伸出，相互架橋阻礙污泥顆粒貼近與沉降。
• 常見誘因：曝氣池溶氧（DO）過低、營養鹽比例失衡（BOD:N:P 偏離 100:5:1）、有機負荷過高或過低、pH 偏酸或進水含有高濃度硫化物。

2. 非絲狀菌膨化／黏性膨化（Viscous / Zoogloeal Bulking）：

• 成因：菌膠團菌在特定異常環境下分泌大量親水性胞外聚合物（EPS），使污泥顆粒包覆大量結合水，整體密度下降，絮體呈現黏稠且無法壓縮。
• 常見誘因：嚴重缺乏氮（N）或磷（P）、高負荷且低水溫環境。

三、污泥容積指標之量測方法

$SVI$ 的量測需結合「30分鐘沉降試驗（$SV_{30}$）」與「混合液懸浮固體物（$MLSS$）」兩項檢驗步驟：

1. 量測步驟：

• 步驟一（採樣）：自曝氣池出流端採集具代表性之均勻活性污泥混合液。
• 步驟二（沉降試驗）：取 $1000\text{ mL}$（$1\text{ L}$）混合液迅速倒入 $1000\text{ mL}$ 標準量筒中，充分混合後靜置，記錄在室溫下靜置沉降 $30$ 分鐘時，底部污泥層所佔有的體積 $SV_{30}$（單位：$\text{mL/L}$）。
• 步驟三（固體濃度測定）：另取相同之均勻混合液樣品，依標準檢驗方法以玻璃纖維濾紙過濾、於 $103 \sim 105^\circ\text{C}$ 烘乾秤重，測得混合液懸浮固體物濃度 $MLSS$（單位：$\text{mg/L}$）。

2. 計算公式： $SVI = \frac{SV_{30} \times 1000}{MLSS}$

• $SVI$：污泥容積指標（$\text{mL/g}$）。
• $SV_{30}$：混合液靜置 $30$ 分鐘後之污泥沉降體積（$\text{mL/L}$）。
• $MLSS$：混合液懸浮固體濃度（$\text{mg/L}$）。
• $1000$：單位換算常數（將 $\text{mg}$ 換算為 $\text{g}$，即 $1000\text{ mg} = 1\text{ g}$）。 (註：若 $SV_{30}$ 以百分比表示，即 $SV_{30}(\%) = \frac{SV_{30}\text{ (mL)}}{1000\text{ mL}} \times 100\%$，則公式改寫為 $SVI = \frac{SV_{30} (\%) \times 10{,}000}{MLSS (\text{mg/L})}$)。

四、污泥膨化現象與污泥容積指標之間的關係

$SVI$ 的數值高低直接反映活性污泥的沉降特性及膨化程度：

核心觀念 本題測驗環境工程中「污泥處理與處置」單元的核心基石——污泥厭氧消化（Anaerobic Digestion）。考點涵蓋兩大面向：

1. 反應機制與微生物原理：大分子有機物在缺氧/無氧環境下，經多族群微生物（水解菌、產酸發酵菌、互營產乙酸菌、產甲烷古菌）接力代謝轉化為氣態產物的生化歷程，包含各階段的限速特性、熱力學互營平衡（Syntrophy）及最適環境條件（如 pH、溫度、氫分壓）。
2. 消化產物之三相分布：有機物分解轉化後的物質不滅分布，包括氣相（生質能源／沼氣）、液相（消化上澄液）及固相（穩定化污泥／生質固體）。

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解題方法 申論題答題切入架構應掌握「階層分明、條理化」原則：

• 第一部分（反應機制與原理）：採用產業界與學術界標準的「四階段反應模式」（或三階段綜合模式），依序說明「水解作用 $\rightarrow$ 酸化作用 $\rightarrow$ 產乙酸作用 $\rightarrow$ 產甲烷作用」之微生物功能、基質轉化途徑與關鍵化學反應式，並補充產甲烷古菌對環境因子的敏感性與限速步驟判斷。
• 第二部分（消化後的產物）：採用「氣相、液相、固相」三相分類法全面盤點，避免只寫出甲烷而遺漏水相高濃度氮磷與固相熟化腐植土。

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選項分析 本題為高普考申論題（非選擇題），無個別選項可供比對。閱卷評分重點在於：

1. 能否清楚繪製或列出微生物階層分解途徑，並寫出產甲烷的主要生化反應式。
2. 能否指出「乙酸營養型」與「氫還原型」兩大甲烷生成途徑的比重差異。
3. 產物分析是否跳脫傳統僅答「沼氣」之單一面向，完整論及高濃度上澄液回流負荷及脫水固相再利用價值。

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解題技巧

1. 口訣記憶法：反應階段記「水、酸、乙、甲」（水解、產酸、產乙酸、產甲烷）；產物記「氣、液、固」三相。
2. 常見陷阱與扣分點：

• 污泥厭氧消化的限速步驟（Rate-limiting step）是「水解作用」（因污泥含有大量懸浮固體與微生物細胞壁）；若是溶解性高濃度廢水，限速步驟則為「產甲烷作用」。兩者不可混淆。
• 產乙酸菌將丙酸、丁酸轉化為乙酸的反應，在標準狀態下自由能變化量 $\Delta G^\circ > 0$（非自發），必須依賴嗜氫產甲烷菌迅速消耗 $\text{H}_2$，使氫分壓維持在極低水準（$< 10^{-4}\text{ atm}$），反應方能順利向前推動，此機制稱為「種間氫轉移（Interspecies Hydrogen Transfer）」。

3. 酸化（Sour Digester）警訊：產酸菌生長速率快且耐酸，產甲烷菌生長緩慢且對 pH 極為敏感（最適 pH 為 $6.8 \sim 7.2$）。若有機負荷過高，揮發性脂肪酸（VFA）累積會導致 pH 驟降，抑制產甲烷菌，使消化槽失衡酸敗。

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【答案】

一、厭氧污泥消化的反應機制與原理

厭氧污泥消化是在無分子態氧（$\text{O}_2$）的密閉環境中，利用複雜的厭氧微生物菌群將污泥中的高分子有機物分解、穩定化，並轉化為甲烷與二氧化碳的生物化學歷程。反應機制依序可分為四個主要階段：

1. 水解階段（Hydrolysis）

• 反應機制：初沉池與二沉池污泥富含不溶性高分子有機物（蛋白質、碳水化合物、脂質）及微生物細胞壁。此類物質無法直接穿透細胞膜，須由兼性與專性厭氧細菌向胞外分泌水解酵素（如蛋白酶、澱粉酶、纖維素酶、脂肪酶），將多聚體分解為可溶性單體或二聚體（胺基酸、單醣、甘油及長鏈脂肪酸）。
• 特點：在固體污泥消化過程中，因胞外酵素對細胞壁與固體顆粒的分解速度較慢，水解階段通常為整體反應的限速步驟（Rate-limiting step）。

2. 酸化／發酵階段（Acidogenesis）

• 反應機制：可溶性小分子被產酸發酵菌（Acidogens）攝入細胞內，進行發酵與厭氧降解，生成短鏈揮發性脂肪酸（VFAs，如丙酸、丁酸、戊酸等）、醇類、乳酸，並伴隨生成氨氮、硫化氫、二氧化碳及氫氣。
• 特點：產酸菌多屬兼性厭氧菌，繁殖速率快（世代時間短）、對環境耐受力高。

3. 產乙酸階段（Acetogenesis）

• 反應機制：包含產乙酸菌將長鏈脂肪酸與醇類氧化轉化為乙酸、$\text{H}_2$ 及 $\text{CO}_2$。
• 丙酸轉化反應式： $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{CO}_2 + 3\text{H}_2$