111 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

本題評量自來水淨水程序中的「法規水質標準」與「混凝化學反應工程」之整合應用，核心觀念涵蓋：

1. 法規標準：依命題當年（民國 111 年）行政院環境保護署（現改制為環境部）訂定之《飲用水水質標準》第 3 條，總鋁（Total Aluminum）屬於「影響適意性、生活環境及感官物質」之管制項目，並定有特定製程之排除適用條款。（註：現行《飲用水水質標準》總鋁最大限值與排除適用規定維持相同標準）。
2. 鋁的水解與兩性溶解平衡：含鋁混凝劑水解生成的氫氧化鋁固體 $\text{Al(OH)}_3\text{(s)}$ 具兩性性質，其溶解度隨 $\text{pH}$ 呈 U 型分佈。偏酸時會水解生成陽離子態（如 $\text{Al}^{3+}$、$\text{Al(OH)}^{2+}$、$\text{Al(OH)}_2^+$），偏鹼時則形成可溶性鋁酸根（如 $\text{Al(OH)}_4^-$）。
3. 殘留鋁控制工程：透過控制最適混凝 $\text{pH}$、優化加藥量（Jar Test）、更換混凝劑種類（如預聚合鋁鹽 PAC 或鐵鹽），以及強化後續固液分離（沉澱與過濾）單元，避免溶解性鋁與懸浮性微膠羽穿透進入清水。

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解題方法

本題為「法規識記＋實務單元操作」之申論問答題，解題切入點分為四個層次：

1. 總鋁最大限值：精確引用法規法定限值數值及其單位（$\text{mg/L}$）。
2. 不適用之特殊條件：從「法規管制目的」切入，說明總鋁指標係為防杜人為投藥殘留，故排除「未添加含鋁混凝劑」之供水系統。
3. 清水中鋁的主要來源：從「化學平衡」與「單元操作」切入，指出天然原水背景鋁極低，主要來源為淨水場添加之鋁鹽混凝劑未完全析出或微膠羽未被濾除。
4. 降低清水中鋁的作法：提出具體工程手段並詳述反應機制，首選「精準調控 $\text{pH}$ 至最低溶解度區間」與「改用預聚合鋁鹽（PAC）／最佳化加藥劑量」，亦可輔以「添加高分子助凝劑」或「改採鐵鹽混凝劑」。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項；各配分爭點分析與完整論述詳見下方【答案】。

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解題技巧

1. 法規數值記憶竅門：

• 飲用水水質標準中的三價金屬適意性項目，總鐵與總鋁之最大限值皆為 $0.3\text{ mg/L}$，兩者可成對記憶。

2. 常見陷阱剖析：

• 陷阱一（混淆天然災害放寬條款）：考生易將「不適用條件」誤寫為天然災害（颱風、暴雨）原水高濁度之水質放寬條款。法規中天災放寬對象為「濁度（放寬至 $4\text{ NTU}$）」與「自由有效餘氯」，總鋁標準的例外條件專指「非使用含鋁混凝劑處理之供水系統」。
• 陷阱二（來源說明流於表面）：若僅回答「原水中的泥沙」，將無法得分。地表水中的鋁多為不溶性矽鋁酸鹽，清水的超標鋁 $90\%$ 以上來自淨水場所投加的「明礬」或「$\text{PAC}$」殘留。
• 陷阱三（作法缺乏化學機制）：說明降低作法時，若只寫「調整 $\text{pH}$」，分數有限；務必寫出「無定形氫氧化鋁在 $\text{pH } 6.0 \sim 7.5$ 溶解度最低」之原理。

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【答案】

一、臺灣飲用水水質標準中總鋁最大限值

依命題當年（民國 111 年）《飲用水水質標準》第 3 條規定，總鋁（以 $\text{Al}$ 計）之最大限值為 $0.3\text{ mg/L}$。

核心觀念

本題測驗水庫優養化對淨水處理程序的衝擊，以及因應新興微量有機污染物（藻臭與藻毒）之全流程防制工程技術。

1. 水質問題本質：

• 優養化與藻華（Algal Bloom）：水庫因蓄積過量氮（$\text{N}$）、磷（$\text{P}$）等營養鹽，卡森優養指數（$TSI > 50$）偏高，在日照充足與高水溫下促使藍綠菌（Cyanobacteria）大量繁殖。
• 藻臭物質：主要為土臭素（Geosmin）及 2-甲基異莰醇（2-Methylisoborneol, 2-MIB），屬飽和二環或三環醇類化合物，嗅覺閾值極低（約 $5 \sim 10\text{ ng/L}$），化學性質穩定，傳統混凝沉澱與快濾程序難以去除。
• 藻毒素（Cyanotoxins）：主要為微囊藻毒（Microcystins, 如 Microcystin-LR）、擬柱胞藻毒（Cylindrospermopsin）及解毒萱草毒（Anatoxins）。具肝毒性或神經毒性，存在於細胞內（胞內毒）或釋出於水體中（胞外毒）。

2. 法規標準：

• 以命題當年（民國 111 年）法規為準，依我國《飲用水水質標準》，微囊藻毒-LR（Microcystin-LR）之水質標準最大限值為 $0.001\text{ mg/L}$（即 $1.0\ \mu\text{g/L}$）。

3. 處理關鍵障礙：

• 藻細胞比重接近水（約 $1.01 \sim 1.03$）且表面帶負電，不易靠重力沉降。
• 若在前處理盲目採用「預氯化（Pre-chlorination）」，強氧化劑會破壞藻細胞壁導致溶胞（Lysis），使胞內之藻臭與藻毒瞬間釋出至水中，並大幅增加三鹵甲烷（THMs）等消毒副產物風險。

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解題方法

本題屬於工程策略型申論題，切入點應採取多重屏障策略（Multiple-Barrier Approach），由「水庫水源管理 $\to$ 淨水廠固液分離 $\to$ 吸附處理 $\to$ 進階氧化分解」依序鋪陳四項可行方案。

1. 水源與取水端調配：避開表層藻華繁殖層，從源頭降低原水藻類負荷。
2. 物理/化學固液分離最佳化：以氣浮技術完整移除活體藻細胞，防止細胞破裂。
3. 吸附技術：利用活性碳的多孔性吸附已溶出的微量藻臭與胞外藻毒。
4. 進階氧化程序（AOPs）：以強氧化自由基破壞化學結構穩定之藻臭分子與藻毒素雙鍵。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無固定選項。但在作答評估時，須釐清「可行方案」與「不建議採用方案」的工程界限：

• 傳統預氯化（不可行/不建議）：雖能殺藻，但會造成細胞破裂釋出高濃度胞內毒素與臭味，並衍生三鹵甲烷（THMs）與鹵乙酸（HAAs），屬防制陷阱。
• 單純傳統重力沉澱（效果有限）：藻類具浮力且帶負電，沉澱效率低，常造成濾池阻塞與穿透。
• 單純微濾膜（MF/UF）（具局限性）：僅能截留完整藻細胞，對已溶解的胞外游離微囊藻毒與小分子 Geosmin/2-MIB 無去除能力，必須搭配吸附或氧化程序。

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解題技巧

1. 架構分明：四項方案切忌集中在同一淨水單元。建議配置為「水庫/取水（源頭）＋ 浮除澄清（物化分離）＋ 活性碳（物理吸附）＋ 臭氧/進階氧化（化學破壞）」，層次宏觀且具工程實務說服力。

核心觀念

本題測驗「生物污水處理工程」中活性污泥法之基質降解動力學（Substrate Removal Kinetics）與完全混合反應槽（CSTR / CMAS）之質量平衡。

1. 擬一階反應動力學（Pseudo-First-Order Kinetics）： 當基質（COD）去除速率與水中基質濃度 $S$ 及微生物濃度 $X$（以 MLVSS 表示）均成正比時，其受質降解速率方程式表示為： $-r_{su} = k X S$

• $k$：擬一階降解速率常數，單位為 $\mathrm{L/(gVSS\cdot hr)}$
• $X$：活性污泥微生物濃度（MLVSS），單位為 $\mathrm{gVSS/L}$
• $S$：曝氣槽內（出流水）基質濃度，單位為 $\mathrm{mg/L}$
• $-r_{su}$：基質降解反應速率，單位為 $\mathrm{mg/(L\cdot hr)}$

2. 完全混合式活性污泥槽（CMAS / CSTR）之受質穩態質量平衡： 水處理工程慣例中，活性污泥曝氣槽未特別指定流況時，基本設計皆以「完全混合反應槽（CSTR）」為基準模式。在穩態（Steady State）條件下： $\text{累積項} = \text{流入項} - \text{流出項} + \text{反應項} = 0$ $0 = Q S_0 - Q S + r_{su} V$ $Q(S_0 - S) = (-r_{su}) V = k X S V$

3. 水力停留時間（Hydraulic Retention Time, $\mathrm{HRT}$ 或 $\theta$）定義： $\theta = \frac{V}{Q} = \frac{S_0 - S}{k X S}$

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解題方法

步驟一：整理已知條件並統一單位

• 廢水流量：$Q = 20{,}000\ \mathrm{m^3/d}$
• 進水 COD 濃度：$S_0 = 960\ \mathrm{mg/L}$
• 目標出水 COD 濃度：$S = 60\ \mathrm{mg/L}$
• 擬一階降解速率常數：$k = 0.5\ \mathrm{L/(gVSS\cdot hr)}$
• 活性污泥濃度（MLVSS）：$X = 2{,}500\ \mathrm{mg/L} = 2.5\ \mathrm{gVSS/L}$

步驟二：推導並計算水力停留時間（$\theta$）

在完全混合反應槽中，槽內基質濃度均勻一致，且等於出流水濃度 $S = 60\ \mathrm{mg/L}$。

依據受質穩態質量平衡式： $Q(S_0 - S) = k X S V$

整理可得水力停留時間 $\theta$（$\mathrm{hr}$）：

核心觀念

本題旨在測驗都市污水處理廠（WWTP）二級生物處理放流水之「高級處理技術」、「水資源再生循環利用途徑」及「工程與社會實務推動瓶頸」。

1. 法規依據（以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 《再生水資源發展條例》：規範再生水之開發、利用、水質標準及供水契約（現行法於民國 111 年 5 月修正公布，擴大強制使用再生水之開發案適用對象）。
• 《再生水水質標準》：明定不同用途之氫離子濃度指數（$\text{pH}$）、濁度（Turbidity）、總溶解固體量（TDS）、大腸桿菌群（Coliform groups）、生化需氧量（$\text{BOD}_5$）及氨氮（$\text{NH}_3\text{-N}$）等限值。

2. 水處理核心技術： 二級處理放流水一般仍含有微量有機物、懸浮微粒、氮磷營養鹽、溶解鹽類及病原微生物。欲將其轉化為再生水，必須搭配「三級處理」或「高級水處理程序」（Advanced Water Treatment），包含混凝沉澱、快濾、膜分離程序（微過濾 $\text{MF}$／超過濾 $\text{UF}$、逆滲透 $\text{RO}$）、高級氧化程序（$\text{AOPs}$）及消毒程序（紫外線 $\text{UV}$、臭氧 $\text{O}_3$、氯消毒）。
3. 再生水利用分級原則： 依據水質純度要求、人體暴露風險由高至低進行梯度利用（工業製程 $\rightarrow$ 生活雜用 $\rightarrow$ 景觀灌溉 $\rightarrow$ 地下水補注）。

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解題方法

本題為標準的環工申論題，答題架構應具備「系統性」與「對比性」：

1. 方案分類架構：從水質需求、用水對象與工程規模出發，挑選我國水利與環工實務最成熟、最具代表性的四項方案：

• 工業製程與冷卻用水（高水質需求、大水量、點源供應）。
• 市政生活次級雜用水（中水系統、分散供應、防錯接管）。
• 景觀維護與農業灌溉用水（中低水質需求、面源或車載、人體非直接接觸）。
• 間接地下水人工補注與河川生態基流量補注（環境水體回用、水文循環調節）。

2. 困難處剖析維度：每一方案之「困難處」必須切合該方案的工程特質，不可流於泛泛之談（如不可四個都只寫「成本高」），應分別從「水質與處理技術瓶頸」、「專管與管網輸送工程」、「濃縮廢液／二次污染」、「公眾心理與法規風險」深入作答。

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選項分析

本題為「申論題（非選擇題）」，無特定選項，答題關鍵在於分類之涵蓋面與論述深度。評分核心在於是否能將各處理技術程序（如 $\text{MF/UF+RO}$ 雙膜法、雙管系統）與其面臨的工程問題（膜阻塞、$\text{RO}$ 濃排液處理、交叉污染、土壤鹽鹼化、心理抗拒）精確對應。

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解題技巧

1. 破題對稱法：將試卷版面明確切割為四個主段落，每段落內均嚴格分為「(一) 方案說明與處理程序」與「(二) 執行上的困難處」，結構清晰易於閱卷評分。
2. 踩中關鍵詞（Keywords）：

• 工業用水：寫出「雙膜法（$\text{MF/UF+RO}$）」、「$\text{RO}$ 濃縮液（Brine/Concentrate）處置」、「積垢與結垢（Fouling/Scaling）」。
• 市政雜用：寫出「雙管系統（Dual Piping System）」、「交叉錯接（Cross-Connection）」、「輸送管網開挖成本」。
• 農業景觀：寫出「土壤鹽鹼化（Salinization）」、「重金屬／微量新興污染物（Contaminants of Emerging Concern, CECs）」、「大眾心理排斥感（Yuck Factor）」。
• 地下水補注：寫出「土壤含水層處理（SAT）」、「含水層阻塞」、「飲用水源污染顧慮」。

3. 避免常見陷阱：直接將再生水寫為「飲用水回用（Direct Potable Reuse）」，此方案在國內外現行法規與公眾接受度上均非優先可行方案，切勿列為四大主流方案之一。

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【答案】

一、方案一：工業冷卻與製程用水（工業用水再利用）

• 方案說明： 將都市二級放流水經過「砂濾／活性碳吸附」或「超過濾／微過濾（$\text{UF/MF}$）」去除懸浮微粒與膠體，再經「逆滲透（

核心觀念

本題旨在測驗考生對於現代都市污水處理廠（Water Resource Recovery Facility, WRRF）由傳統「末端污染物削減」轉型為「能資源循環中心」之工程實務與規劃概念。涉及的核心架構為**循環經濟（Circular Economy）與淨零碳排（Net Zero）**在下水道工程的落實，主要涵蓋四大面向：

1. 水資源循環（Water Reuse）：放流水高級處理與多用途再利用。
2. 生質能源化（Biomass to Energy）：有機污泥厭氧消化產沼氣與熱電共生。
3. 熱能回收（Sewage Thermal Energy）：管渠與放流水之熱泵空調應用。
4. 物料與營養鹽回收（Nutrient and Material Recovery）：氮、磷沉澱回收（如鳥糞石結晶技術）及污泥衍生綠色建材／有機肥料。

法規與政策依據包含《下水道法》、《再生水資源發展條例》（以命題當年民國 111 年為準；立法院於 111 年 5 月修正通過擴大強制使用再生水範圍）及國家淨零排放路徑規劃。

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解題方法

本題為標準的申論型觀念整合題。答題切入點應避免空泛口號，必須以具體工程單元、作用機制、產出產物與應用場域為主軸展開說明。 架構佈局依循「水、能、熱、肥／材」四大維度進行切分，確保四大方案各自獨立且涵蓋完整的能資源鏈結：

• 方案一（水）：污水放流水高級處理產製再生水。
• 方案二（能／化學能）：污泥厭氧消化產製沼氣並進行熱電共生（CHP）。
• 方案三（熱／物理能）：利用下水道管網或處理廠放流水溫差之污水源熱泵系統。
• 方案四（質／物料營養鹽）：富磷濃縮液產製鳥糞石（磷酸銨鎂）結晶肥料與污泥資源化。

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選項分析

本題為申論問答題，無選項設計。考生在選材組織時需注意：

• 不宜將同質性方案拆成兩題寫：例如將「污泥好氧堆肥」與「污泥燒結透水磚」分列為兩種方案，會被評分委員視為重複的「污泥固體資源化」，壓縮取分空間。
• 必須明確指出「具體設施／單元」：僅寫「將水回收」不給高分，必須點出前處理、UF/RO、消毒及配水專管；寫「沼氣發電」必須寫出厭氧消化槽、脫硫脫水淨化單元及熱電共生機組。

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解題技巧

1. 結構黃金公式：每個方案皆以「【方案名稱】 $\rightarrow$ 【工程技術與設施配置】 $\rightarrow$ 【產出與具體用途】」三段式陳述，版面工整且專業度高。
2. 化學式與專業名詞加分：適度寫出化學反應物質，例如鳥糞石（$\text{MgNH}_4\text{PO}_4 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$）、沼氣主成分（$\text{CH}_4$、$\text{CO}_2$），能展現工科考生的紮實背景。
3. 避開常見陷阱：題目限定「都市污水下水道相關設施規劃」，答題範圍應聚焦於污水收集管線與污水處理廠內，切勿偏題撰寫工業廢水專屬回收技術（如重金屬電解回收）。

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【答案】

都市污水下水道系統富含有機碳源、潛在熱能與無機營養鹽，在現代工程規劃中已由單純去除污染轉化為能資源回收中心（WRRF）。針對節能減碳及循環經濟目標，具體之四種可行方案說明如下：

一、 放流水高級處理產製再生水（水資源循環）

1. 設施規劃與技術流程： 於都市污水處理廠二級生物處理放流單元後端，增設高級淨水處理單元。常見配置為「砂濾／微過濾（MF）／超微過濾（UF）＋ 逆滲透膜（RO）＋ 紫外線（UV）或次氯酸鈉消毒」，並配套建設再生水儲槽、專用輸配水管網與加壓泵站。