114 高普考高考二級 環境工程 環境化學與環境微生物學 考古題詳解

核心觀念

生化需氧量（BOD）是水中可生物分解物質在一定培養條件下，經微生物氧化分解所消耗的溶氧量。常見的五日生化需氧量（BOD₅）主要反映異營性微生物分解有機物的耗氧量，稱為碳化需氧量（CBOD）。

實驗避光並加入硝化抑制劑，是為了排除其他會改變溶氧的反應，使測得的耗氧量主要代表有機物的生物分解。

解題方法

從兩種可能干擾溶氧測定的微生物代謝反應切入：

一、避光：抑制光合作用產氧

若培養瓶受光，藻類及其他光合微生物會進行光合作用，利用二氧化碳和水合成有機物並釋出氧氣：

同時，水中微生物分解有機物會消耗氧氣。光合作用所產生的氧會抵銷部分耗氧，使培養前後的溶氧差變小，造成 BOD 測值偏低。因此，BOD 培養須避光，以避免光合作用產氧干擾。

二、加入硝化抑制劑：排除硝化作用耗氧

核心觀念

本題考查化學混凝中膠體顆粒失去穩定、彼此聚集形成絮體的機制。水中細小懸浮物與膠體常帶有同號電荷，顆粒間的靜電排斥使其不易碰撞黏結。混凝劑加入後，可透過電性中和、電雙層壓縮、吸附架橋及沉澱絆除等作用，降低顆粒穩定性並促進絮凝。四種作用可同時發生，實際主導機制取決於混凝劑種類、劑量、pH、水質及混合條件。

解題方法

依序說明各機制如何改變顆粒表面電性或提供聚集途徑，再指出生成絮體如何利於後續沉澱或過濾。須注意「混凝」主要是使膠體脫穩，「絮凝」則是脫穩後顆粒碰撞、聚集成較大絮體。

四種混凝作用

一、電性中和

膠體表面常帶負電，周圍會吸引帶相反電荷的離子，形成電雙層。加入帶正電的混凝劑水解物或金屬離子後，正電物種吸附於膠體表面，抵銷其負電荷，使表面電位及 ζ 電位降低，顆粒間靜電排斥減弱，因而容易碰撞聚集。

電性中和通常發生於混凝劑劑量適當時；劑量過高可能使顆粒表面電荷反轉，重新形成排斥而造成再穩定化。因此混凝劑並非愈多愈好。

二、電雙層壓縮

膠體表面的電荷會使溶液中的反離子聚集，形成電雙層。增加水中電解質或離子濃度，可使擴散層中的電荷受到屏蔽，並壓縮電雙層厚度，縮短顆粒周圍靜電作用的有效距離。

核心觀念

本題比較的重點是有機碳源的可生物分解性與存在形式如何影響厭氧消化的水解、酸化及產甲烷速率。厭氧消化大致經過水解、酸化、產乙酸及產甲烷等階段；產甲烷菌生長較慢，對 pH、氨氮、鹽分及有機負荷變動也較敏感。因此，基質若容易分解，前段酸化速度可能快於產甲烷速度，造成揮發性脂肪酸（VFA）累積與 pH 下降。

比較甲烷潛勢時，應以相同的有機物基準比較，例如每單位 COD 或揮發性固體（VS）的甲烷產量；若只比較每公升廢水產氣量，還會受到進流水濃度影響。

解題方法

逐一判斷兩種原料的有機物型態、分解速率及可能的限制因素，再推論甲烷生成速率、操作穩定性與前處理需求。

核心觀念

本題考查 Langmuir 吸附等溫式的實驗設計與線性化。式中，$x/m$ 是單位活性碳的吸附量，$c$ 是吸附平衡時溶液中的污染物濃度；$a$ 與 $b$ 為待求吸附常數。

實驗須在固定溫度、溶液條件及活性碳性質下，取得多組平衡濃度 $c$ 與吸附量 $x/m$，再以適當繪圖求出 $a$、$b$。

解題方法

1. 配製一系列不同初始濃度的污染物溶液，分別加入已知重量 $m$ 的活性碳。在相同溫度與操作條件下充分混合，直到達到吸附平衡。
2. 分離活性碳，測定各瓶平衡液中的污染物濃度 $c$。若各瓶溶液體積均為 $V$、初始濃度為 $C_0$，且吸附是污染物的唯一去除途徑，則由質量平衡計算：

因此，每組實驗可算出吸附量 $x/m$。 3. 將 Langmuir 式取倒數並整理：