114 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

理想沉澱池是用來分析顆粒在池內沉降與去除情形的理論模型。其基本假設為：

1. 水流穩定、均勻，呈水平流動，沒有短流、紊流或回流。
2. 顆粒進入池中時，均勻分布於進水斷面，且彼此不干擾。
3. 顆粒以固定沉降速度垂直下沉，到達池底後即被移除。
4. 池內沉澱不受絮凝、再懸浮等作用影響。

理想沉澱池的去除判準可由顆粒在池內的沉降時間推得。若池深為 $H$、池長為 $L$、水平流速為 $v_h$，則水流通過池子的時間為 $L/v_h$，顆粒在此期間的沉降距離為 $v_sL/v_h$。當此距離至少等於池深時，顆粒可沉至池底而被去除：

因為流量 $Q=v_hA_c$，其中 $A_c$ 為池子的垂直於水流方向的過水斷面積；池子的表面積 $A_s=LW$，且 $A_c=WH$，故：

因此臨界沉降速度為：

其中 $Q/A_s$ 稱為表面溢流率（surface overflow rate），亦稱表面負荷率。

解題方法

核心觀念

混凝是自來水處理中，先以混凝劑使水中膠體顆粒失去穩定，再經絮凝形成較大的絮體，供後續沉澱或過濾去除。天然水中的黏土、腐植質等細小顆粒常帶負電，彼此排斥而不易沉降；混凝劑水解後形成帶正電物種，可藉由電荷中和、吸附架橋及掃除混凝等作用，使顆粒聚集。

本題重點是指出影響混凝效果的操作與水質因素，並說明各因素改變時，對顆粒失穩及絮體形成的影響。

解題方法

作答時可依「水質條件、混凝劑條件、反應環境、操作條件」分類，選出四項代表因素；每項都要交代它如何影響混凝效果，而非只列名詞。

影響混凝作用的因素

一、水的 pH 值與鹼度

鋁鹽、鐵鹽等混凝劑在水中會水解，形成不同型態的水解物種及金屬氫氧化物絮體。pH 會影響水解反應、物種分布及氫氧化物沉澱的形成，因此每種混凝劑均有較適宜的操作 pH 範圍。

• pH 不適宜時，混凝劑可能無法形成有效的水解物種或氫氧化物絮體，降低電荷中和與掃除效果。
• 混凝劑水解會消耗水中鹼度；鹼度不足時，pH 容易下降，影響混凝反應，必要時須補充石灰或鹼劑。
• 適當控制 pH 與鹼度，有助於形成密實、易沉降的絮體。

二、混凝劑種類與投加量

不同混凝劑的水解特性、最佳 pH 範圍及所需劑量不同，應依原水水質選用適當種類與投加量。

• 劑量不足時，顆粒表面電荷未充分中和，膠體仍保持穩定，絮凝效果差。
• 劑量適當時，可促進電荷中和、吸附架橋或掃除混凝，使顆粒形成較大絮體。

核心觀念

本題考查都市污水處理廠剩餘污泥的循環利用。污泥含有有機質、氮磷等營養元素及一定熱值，經適當處理後，可轉化為能源、肥料或材料；重點是減少最終處置量，並讓污泥中的物質或能量重新進入利用流程。

可依污泥所含資源，分成「能源回收」與「物質回收」兩類作答。常見的再利用途徑包括能源化、燃料化、肥料化及材料化。

解題方法

題目要求說明「四種可行方案」，適合以污泥中可回收的有機能量、營養成分及無機固體為分類依據。每項方案須交代主要處理方式、產出物及再利用方向，並指出必要的品質或污染控制條件。

四種可行方案

一、厭氧消化產沼氣，回收能源

將污泥送入厭氧消化槽，由微生物分解有機物，產生以甲烷、二氧化碳為主的沼氣。沼氣經脫硫、除濕等處理後，可供鍋爐使用，或用於熱電共生發電；消化後污泥則可進一步脫水、乾燥或作其他再利用。

此法可同時降低污泥有機物與污泥量，並回收能源。設計與操作時須注意消化槽穩定性、沼氣安全及硫化氫等雜質處理。

二、乾燥或熱處理後製成燃料

污泥脫水、乾燥後可提高固形物比例與熱值，再製成固體燃料，供水泥窯、鍋爐等設施替代部分化石燃料；亦可與其他可燃物混燒或進行熱處理回收能量。

污泥含水率高時，乾燥耗能可能抵銷部分能源效益，因此宜評估熱源、運輸距離與替代燃料效益。燃燒或熱處理須控制空氣污染物，並妥善處理灰渣及可能累積的重金屬。

核心觀念

自來水消毒的目的，是降低或去除水中的病原性微生物，避免飲用水傳播疾病。消毒可採用氯、臭氧或紫外線等方式；實務上，氯消毒常用於自來水處理，因為操作成熟，且能在配水系統中維持一定的消毒餘效。

消毒與滅菌不同：消毒主要使病原微生物失去感染能力，不代表水中所有微生物都被完全消滅。氯消毒效果常以有效氯濃度與接觸時間的乘積表示：

其中 $C$ 為接觸期間的消毒劑有效濃度，$t$ 為接觸時間。相同條件下，較高的消毒劑濃度或較長的接觸時間，通常有助於提高消毒效果；但 $CT$ 並非脫離水質、病原種類等條件後仍可直接互換的固定指標。

解題方法：依處理流程說明消毒程序

1. 前處理與澄清：原水先經混凝、膠凝、沉澱及過濾，降低懸浮物與濁度。水中顆粒可能包覆微生物，也可能消耗消毒劑，因此良好前處理是有效消毒的基礎。

2. 投加消毒劑：於適當處理單元投加消毒劑，使其與水充分混合。氯消毒可使用氯氣、次氯酸鈉或次氯酸鈣；投加量須扣除水中有機物、還原性物質等所造成的氯需求，不能只看投加量。

3. 充分接觸：水流經接觸池或具有足夠接觸時間的單元，使消毒劑與微生物接觸。設計與操作時須留意水流短流，避免部分水量實際接觸時間不足。

4. 確認消毒效果與餘效：監測處理後的微生物指標及消毒劑餘量。氯消毒通常會保留適當的自由餘氯，以維持配水及輸水過程中的消毒保護；實際控制值應依適用法規與供水管理要求辦理。消毒劑餘量不能取代微生物檢驗。

氯加入水中後，會形成次氯酸與次氯酸根離子；兩者中次氯酸的消毒能力較強。氯消毒時，水中氨等含氮物質也會與氯反應形成結合餘氯；