114 高普考高考二級 環境工程 環工單元操作 考古題詳解
第 一 題25 分
某工廠欲使用活性碳吸附廢水中的酚污染物，先在實驗室利用一上流式填充床反應器（upflow packed-bed reactor）進行活性碳吸附測試。進流的酚濃度為 ，管柱內活性碳填充量為 。測試數據和所繪製貫穿曲線圖如下：
| 時間（min） | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 出流體積（L） | 0 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 出流濃度（mg/L） | 0 | 5.5 | 15 | 25 | 36 | 48 | 65 | 80 | 94 | 100 | 100 |
(一) 請利用貫穿曲線圖估算貫穿點（breakthrough point）及耗竭點（exhaustion point）之累計出流體積？（10 分）
(二) 請計算活性碳所能吸附之酚量及單位活性碳所能吸附之酚量？（15 分）
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核心觀念
貫穿曲線以出流相對濃度 對累計出流體積作圖。常用操作定義為：
- 貫穿點：
- 耗竭點：
活性碳吸附的酚量，可由進流水酚量扣除出流水酚量求得：
其中 ， 是出流濃度， 是累計出流體積。
解題方法
（一）由表中數據內插貫穿點與耗竭點：
貫穿點落在 時 與 時 之間。線性內插：
耗竭點落在 時 與 時 之間：
因此，貫穿點約為 ，耗竭點約為 。
（二）出流體積每增加 ，以相鄰出流濃度的平均值估計該區間的出流水酚量。由 至 ，各區間平均出流濃度依序為：
出流水酚量為：
第 二 題25 分
某工程人員欲設計一添加多元氯化鋁（PAC）混凝劑之沉澱池，先在實驗室利用沉降管進行混凝沉澱特性測試。在沉降管之不同深度及不同時間取樣，藉由各樣品 SS 濃度，計算各取樣口在不同取樣時間之顆粒去除率，再繪製停留時間與顆粒去除率及溢流率與顆粒去除率關係圖，測試結果如下圖所示：
(一) 若設計沉澱池去除率為 ，請說明相對應之水力停留時間（hr）和溢流率（m/day）？（10 分）
(二) 若設計進流處理水量為 ，沉澱池去除率為 ，請計算沉澱池之體積（）和表面積（）？（15 分）
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核心觀念
本題利用沉降管試驗結果，從圖上讀取達到指定顆粒去除率所需的水力停留時間與溢流率，再依沉澱池設計關係式計算體積與表面積：
其中 為水力停留時間、 為沉澱池體積、 為進流水量、 為溢流率、 為沉澱池表面積。
解題方法
（一）由圖讀取停留時間與溢流率
以顆粒去除率 為基準，分別從兩張圖讀值：
- 左圖「停留時間－去除率」：去除率 對應停留時間約為 。
- 右圖「溢流率－去除率」：去除率 對應溢流率約為 。
將停留時間換算為小時：
（二）計算沉澱池體積與表面積
已知進流水量 。
體積由 求得。先將停留時間換算為日：
第 三 題25 分
請說明：
(一) 環工單元操作常用的反應器類型，並說明各類型反應器之特性。（15 分）
(二) 前述各類型反應器在水處理單元之實際運用。（10 分）
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核心觀念
本題考查反應器的流況理想化分類，以及流況如何影響污染物在反應器內的停留時間、混合程度與處理效果。常用分類包括完全混合流反應器（CMFR／CSTR）、活塞流反應器（PFR）、批次反應器（batch reactor），以及介於完全混合與活塞流之間的分散流反應器。實際水處理設施常由多槽串聯或不同流況組合而成。
反應器分類常以水力特性說明；若污染物在反應器內發生反應，則以反應動力學描述其濃度變化。題目未指定反應級數，因此本題著重各類型的流況、特性與水處理應用。
解題方法
先依「是否連續進出水」及「槽內混合程度」分類，再用理想流況的濃度分布與停留時間說明特性，最後把各類型對應到水處理單元。作答時須區分反應器型式與處理單元功能：例如曝氣池是處理單元，而其水力流況可設計成完全混合或活塞流。
（一）常用反應器類型與特性
1. 批次反應器（Batch reactor）
反應期間不進料、不出料，將一定量的水與反應物加入槽內，混合並反應至預定時間後再排出。理想批次槽內濃度均勻，但濃度會隨時間改變；其操作程序為進料、反應、排出，屬間歇操作。
- 優點：操作彈性大，容易控制反應時間與反應條件，適合小水量或水質、水量變化大的處理。
- 限制：進出料具有間歇性，處理量受槽體與操作週期限制，較不適合大型連續水處理。
2. 完全混合流反應器（CMFR／CSTR）
連續進水、連續出水，並藉由攪拌使槽內迅速且充分混合。理想狀況下，槽內各處濃度相同，且等於出流水濃度；流入水一進槽即與槽內水混合，因此槽內濃度會立即受到進流水變化影響。
- 優點：槽內濃度與水質均勻，操作穩定，適合需要持續混合、供氧或均化的程序。
- 限制：部分水可能較快流出，污染物也可能因混合而降低反應物濃度；對多數反應而言，單槽完全混合的處理效果通常不如相同容積的理想活塞流反應器。
- 多槽串聯時，整體流況逐漸接近活塞流。
3. 活塞流反應器（PFR）
連續進水、連續出水，水體沿流向推進；理想狀況下，流向上沒有縱向混合，各流體微元依序通過反應器，具有相同停留時間。濃度沿反應器長度逐步變化，出流水是各流體微元反應後的結果。
- 優點：污染物可沿流向持續反應，對許多反應而言，在相同平均停留時間及容積下，處理效果優於單槽完全混合流。
- 限制：對短流、死角與流量分布不均較敏感；若反應器內混合不足，也可能造成局部濃度或供氧不均。
- 實際設備通常只能近似活塞流，難以完全達到理想條件。
第 四 題25 分
薄膜分離單元為海水淡化和產製再生水重要的處理單元之一。薄膜單元操作測試數據如下：
- 進料液（feed）之總溶解固體物（TDS）濃度為 。
- 進料液流量為 。
- 滲透（permeate）液 TDS 濃度為 。
- 滲透液流量為 。
(一) 請計算薄膜單元對 TDS 之去除率？（5 分）
(二) 請計算薄膜單元之水回收率？（5 分）
(三) 請計算截留液（retentate）之 TDS 濃度？（15 分）
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核心觀念
本題考薄膜單元的三個基本量：溶質去除率、水回收率，以及截留液濃度。進料流量分成滲透液與截留液，因此須先用流量平衡求出截留液流量，再用 TDS 質量平衡求其濃度。
TDS 去除率以進料中的溶質量為基準；水回收率以進料水量為基準：
解題方法
令進料、滲透液、截留液分別以 、、 表示。流量平衡為：
因此截留液流量為：
（一）TDS 去除率
進料與滲透液的 TDS 質量流率分別為：
故 TDS 去除率為：