112 高普考高考二級 環保技術 水處理技術 考古題詳解

核心觀念

本題考查傳統快濾池淨水廠的完整處理流程，以及各單元去除污染物的目的與原理。作答時應按水流順序說明，並交代前後單元的配合：先去除粗大物與砂粒，再以混凝、沉澱降低濁度及膠羽負荷，最後由快濾池截留細微顆粒，並以消毒確保飲水衛生。

傳統快濾流程可概括為：

$$\text{取水} \rightarrow \text{攔污} \rightarrow \text{抽水與導水} \rightarrow \text{混凝劑投加及快速混合} \rightarrow \text{膠凝} \rightarrow \text{沉澱} \rightarrow \text{快濾} \rightarrow \text{消毒} \rightarrow \text{清水池} \rightarrow \text{送配水}$$

實際廠內配置會因水源水質與設計而異；例如取水口前可設攔污柵，原水也可先經曝氣或預氧化，但傳統快濾的核心處理單元為混凝、膠凝、沉澱、快濾及消毒。

解題方法與各單元功用、原理

一、取水、攔污與原水輸送

由河川、水庫或其他水源取水，攔污柵或粗細篩網先攔除樹枝、垃圾、水草等大型漂浮物，避免堵塞取水設備及後續管線。抽水設備將原水輸送至淨水場；此階段以物理攔截及輸送為主，並非主要去除溶解性污染物。

二、混凝劑投加與快速混合

原水加入混凝劑，常見者包括鋁鹽、鐵鹽及高分子混凝劑。天然水中的黏土、膠體及部分有機物通常帶有電荷，顆粒間因靜電排斥而不易自行沉降。

混凝劑水解後可透過電荷中和、壓縮雙電層、吸附架橋及掃除混凝等作用，使膠體脫穩並形成微小絮體。快速混合槽以短時間、高強度攪拌，使藥劑迅速且均勻分散；混合不足會造成藥劑分布不均，過度或不當的攪拌則可能影響後續絮體形成。

三、膠凝（絮凝）

膠凝池採較緩和、較長時間的攪拌，使已脫穩的微粒彼此碰撞、聚集，逐步形成較大、較重且易沉降的絮體。攪拌強度須兼顧碰撞機會與絮體完整性；過強會打碎絮體，過弱則不利於顆粒聚集。

混凝著重於使膠體脫穩，膠凝則著重於讓脫穩顆粒碰撞成長，兩者功能不同。

四、沉澱

核心觀念

本題考查污水抽水機的機組數量配置、單機流量、管徑初選，以及水力馬力、軸馬力和電動機實際馬力的換算。抽水機總數為 10 台，含 1 台備用，因此正常運轉為 9 台；設計污水量應由 9 台分擔。

題目未提供抽水機效率、電動機傳動效率及管內設計流速，故以下採常用初設假設：抽水機效率 $\eta_p=75\%$、傳動效率 $\eta_d=95\%$，並以管內流速 $v=1.5\ \mathrm{m/s}$ 初選口徑。實際設計仍須依泵浦性能曲線與管路條件確認。

解題方法

1. 計算每台運轉抽水機的流量

$1\ \mathrm{CMM}=1\ \mathrm{m^3/min}$，總設計流量為：

$$Q_T=300\ \mathrm{m^3/min} =\frac{300}{60}=5.00\ \mathrm{m^3/s}$$

9 台同時運轉時，每台分擔：

$$Q_p=\frac{Q_T}{9} =\frac{5.00}{9} =0.5556\ \mathrm{m^3/s}$$

亦即每台約 $33.33\ \mathrm{m^3/min}$。

2. 初選抽水機口徑

以連續方程式 $Q=Av$ 計算管徑：

$$A=\frac{Q_p}{v} =\frac{0.5556}{1.5} =0.3704\ \mathrm{m^2}$$

圓管直徑為：

$$D=\sqrt{\frac{4A}{\pi}} =\sqrt{\frac{4(0.3704)}{\pi}} \approx0.687\ \mathrm{m}$$

因此初選口徑約為 $0.69\ \mathrm{m}$，工程上可採標稱口徑 $700\ \mathrm{mm}$。此為依假設流速估算的初選值，最終口徑須配合泵浦型式、吸入條件及管路損失確認。

3. 計算理論馬力（水力馬力）

以水的單位重 $\gamma=9{,}810\ \mathrm{N/m^3}$、揚程 $H=8\ \mathrm{m}$ 計算，每台抽水機的水力功率：

$$P_w=\gamma Q_pH =9{,}810(0.5556)(8) \approx43{,}600\ \mathrm{W} =43.6\ \mathrm{kW}$$

換算馬力，採 $1\ \mathrm{hp}=0.746\ \mathrm{kW}$：

$$P_w=\frac{43.6}{0.746} \approx58.4\ \mathrm{hp}$$

核心觀念

初沉池的三項水力設計指標為水力停留時間、水平流速及溢流率。三座池體相同且並聯運轉時，總設計水量平均分配至各池：

$$Q_{\text{單池}}=\frac{20{,}000}{3} =6{,}666.7\ \mathrm{m^3/d}$$

單池平面面積為 $L\times W$，池容積為 $L\times W\times D$。計算時須統一流量單位；$1\ \mathrm{d}=24\ \mathrm{h}$，$1\ \mathrm{m^3}=1{,}000\ \mathrm{L}$。

解題方法

1. 水力停留時間

單池容積：

$$V=40\times10\times3.5=1{,}400\ \mathrm{m^3}$$

因此：

$$t=\frac{V}{Q_{\text{單池}}} =\frac{1{,}400}{6{,}666.7}\ \mathrm{d} =0.21\ \mathrm{d}$$ $$t=0.21\times24=5.04\ \mathrm{h}$$

2. 水平流速

水平流速以單池流量除以垂直於水流方向的橫斷面積計算。此處橫斷面積為池寬乘水深：

$$A_c=10\times3.5=35\ \mathrm{m^2}$$

換算單池流量：

$$Q_{\text{單池}}=\frac{6{,}666.7}{86{,}400} =0.07716\ \mathrm{m^3/s}$$

故：

$$v_h=\frac{Q_{\text{單池}}}{A_c} =\frac{0.07716}{35} =0.00220\ \mathrm{m/s}$$

3. 溢流率

溢流率為每日流量除以池面積，採水平投影面積 $L\times W$：

核心觀念

本題以新竹臨時海水淡化模組為背景，核心在於說明薄膜如何截留污染物，以及如何控制進水、操作條件與膜面污染，讓出水水質良好且系統穩定。海水淡化通常以**逆滲透（RO）**為核心；實際處理流程還須配合前處理與後處理。

薄膜分離可依膜孔徑與操作壓力分為微過濾（MF）、超過濾（UF）、奈米過濾（NF）及逆滲透（RO）。MF、UF主要去除懸浮物、膠體及微生物；NF可去除部分溶解性有機物與多價離子；RO則可進一步去除溶解鹽類及多數小分子溶質。

薄膜去除污染物的主要機制

1. 篩分與尺寸排阻 污染物的有效粒徑大於膜孔徑時，會被膜截留。MF、UF主要依此機制去除懸浮固體、膠體、細菌及部分病毒。孔徑較小的膜可截留較小物質，但通常需要較高操作壓力。

2. 溶解—擴散機制 RO膜屬緻密選擇層，並非單純靠孔洞篩分。水與溶質先分配進入膜材料，再以不同速率擴散穿膜；水分子較容易透過，鹽類及其他溶質則受到較強阻隔。施加的壓力差克服滲透壓差，使水由高鹽度側流向低鹽度側。

RO的淨驅動壓可表示為：

$\mathrm{NDP}=\Delta P-\Delta \pi$

其中 $\Delta P$ 為膜兩側的操作壓力差，$\Delta \pi$ 為滲透壓差。水通量可概略表示為：

$J_w=A(\Delta P-\Delta \pi)$

$J_w$ 為水通量，$A$ 為膜的水力透過係數。

3. 電荷排斥與介電排斥 NF及帶電膜可利用膜表面電荷與溶質電荷間的作用，排斥同號離子；膜內電荷分布也會影響離子進入膜孔。此機制會受溶液離子強度、pH及離子價數影響，因此多價離子通常較易被NF截留。

4. 吸附與疏水作用 部分有機物會吸附於膜表面或膜材料內部。吸附可能提高初期截留，但也會累積成有機污堵，造成通量下降與清洗需求增加。

解題方法與操作重點

本題宜依「膜分離機制 → 水質與膜系統設計 → 穩定操作與出水管理」作答。題目提到海水淡化，重點放在RO，但仍應交代薄膜的一般分離機制，並說明RO前處理、操作控制及後處理的功能。

一、確認原水水質並做好前處理

海水中的懸浮物、藻類、膠體、有機物、微生物及結垢離子，均會影響膜效能。前處理的目標是降低污堵與結垢風險，常見措施包括：

• 以取水與混凝、沉澱、過濾等方式降低懸浮物及膠體。
• 以MF或UF作為RO前處理，穩定降低濁度與微粒負荷。
• 控制SDI（污染指數）、濁度及進水顆粒，避免微粒堵塞膜面與流道。
• 依原水特性控制藻類、有機物及微生物，減少生物污堵。
• 依結垢風險調整pH、投加阻垢劑，並控制鈣、鎂、硫酸根、碳酸鹽及矽等結垢成分。
• 依膜材質與消毒方式控制氧化劑；聚醯胺RO膜對游離氯敏感，進膜前須適當去除殘餘氯。

前處理不足會使RO膜通量下降、跨膜壓差上升、清洗頻率增加，也會縮短膜組件使用壽命。

二、控制膜型與操作條件

操作時應同時考量產水量、脫鹽率、能耗與膜污染。重要參數包括：