108 高普考高考三級 環境工程 水處理工程（包括相關法規） 考古題詳解

核心觀念

本題考查民生污水下水道系統在「分流式收集」下，從用戶接管、管網輸送、抽水站到污水廠的操作管理問題，並要求把問題、成因、改善措施連成一體。作答宜涵蓋水量與水質異常、管線功能、用戶接管、污水處理及管理維護等層面。

雨污分流制是以不同管線分別收集污水與雨水：生活污水及依法納管的事業廢水送往污水廠處理，雨水則由雨水下水道排除。分流設計並不代表操作上必然完全分流；用戶端誤接、管線破損或維護不良，仍會造成雨水或地下水進入污水管，或污水流入雨水系統。

法規以命題當年（民國 108 年）法規為準。《下水道法》第 2 條定義「下水」包括雨水、家庭污水及事業廢水；第 19 條規定排水區域內之下水，除經主管機關核准者外，應依公告規定排洩於下水道；第 20 條規定用戶排水設備由用戶自行管理維護；第 22 條規定用戶排水設備須經下水道機構檢驗合格始得聯接；第 24、25 條則涉及檢查、測定流量、水質及納管水質管理。另依第 28 條，放流水超過規定標準時，下水道機構應即改善。

解題方法

可按「流量異常、污染負荷、管網功能、接管與管理」分層作答。每一項依序交代現象、原因及改善作法，並說明對抽水站、污水廠與受納水體的影響。

操作實務問題、原因及解決方案

操作問題	主要原因	解決方案
雨天污水管流量暴增，造成抽水站或污水廠超量負荷	雨水管誤接污水管；屋頂、庭院、地下室集水坑排水接入污水管；人孔蓋或管線接頭破損，雨水入流；地下水經裂縫、錯位接頭或滲漏管段進入污水管。雨水快速入流稱為入流，地下水等經管線缺陷緩慢滲入稱為入滲。	以晴天及降雨期間流量監測、夜間最小流量分析、染料試驗、煙霧試驗、管內攝影與水密試驗定位來源；修復破損管線、人孔與接頭，封堵不當連接；要求用戶分離屋頂及地面雨水管，並分期改善高入滲區段。
污水量偏低、污水廠進流水不足或濃度偏高	用戶接管率低、接管工程落後，住戶仍使用化糞池或將生活污水排入側溝；區域發展或人口成長與原計畫估算不符；用戶排水設備尚未完成或維護不良。	加速公共管網與用戶接管，盤點未接管戶及排放去向；加強接管宣導、施工協調與完工查驗；依實際人口、用水量及接管率檢討污水量預測、分期建設與污水廠操作條件。
污水外漏、地下水滲入或管線輸送能力下降	管線老化、腐蝕、破裂、接頭脫開、地層沉陷或施工品質不佳；檢查井及人孔密閉不良。外漏污水可能污染土壤與地下水，入滲則增加不必要的抽送及處理水量。	建立管線資產清冊與巡檢制度，採 CCTV 檢視、漏水或水密檢測及流量調查；依缺陷程度修補、內襯或汰換，並改善人孔密封及施工驗收。
污水流入雨水系統，造成河川或排水溝污染	用戶污水管誤接雨水管；建築物既有管線複雜、竣工圖不完整；接管施工時未確認各排水出口，或後續裝修改管造成錯接。

核心觀念

消毒是飲用水處理中控制病原微生物的關鍵程序，通常設於常規處理流程末端。它的目的不是讓水達到「完全無菌」，而是將病原微生物降低至足以保障公共衛生的程度，並在配水過程中維持必要的微生物安全。

本題重點有三項：消毒的目的、常用消毒劑及其消毒副產物，以及選擇消毒程序時應考量的條件。涉及飲用水水質標準者，以下以命題當年（民國 108 年）法規為準。

解題方法

可依「為何消毒 → 用什麼消毒及會產生什麼副產物 → 如何選擇程序」的順序作答。作答時宜同時考慮微生物去活化與管網餘留消毒能力，並比較各消毒方式的副產物、操作條件及安全性，避免只列消毒劑名稱。

消毒程序的主要目的

1. 去活化病原微生物：降低細菌、病毒及原蟲等病原體造成感染的風險。消毒成效受消毒劑種類與劑量、接觸時間、水溫、pH、濁度及水中還原性物質影響。
2. 維持供水系統的微生物安全：具有適當持續性餘效的消毒劑，可在清水池與配水管網中抑制微生物再生及二次污染。紫外線與臭氧本身不提供持續餘效，常須搭配氯或氯胺等二次消毒。
3. 配合其他水質控制：部分消毒劑亦具氧化能力，可協助控制鐵、錳、硫化氫、藻類、異味或部分有機物；但其主要任務仍是微生物控制。

消毒效果常以「消毒劑濃度 × 接觸時間」概念表示為 $CT$ 值；相同水質及微生物條件下，通常需要足夠的消毒劑濃度與接觸時間，才能達成目標去活化效果。

常用消毒劑及消毒副產物

消毒劑／程序	特性與常見副產物
氯氣、次氯酸鈉、次氯酸鈣（自由氯）	形成次氯酸與次氯酸根，消毒力強、成本低，並能提供管網餘氯。水中天然有機物與氯反應會形成三鹵甲烷（THMs）、鹵乙酸（HAAs）等含鹵消毒副產物；水中氨存在時則可能形成氯胺。
氯胺	消毒速度較慢，但管網餘效較持久，形成 THMs、HAAs 的趨勢通常低於自由氯。副產物包括含氮消毒副產物；操作上須控制氯氨比，並留意管網硝化等問題。
二氧化氯	氧化與消毒能力良好，較不易生成 THMs、HAAs 等有機含鹵副產物；主要須控制亞氯酸鹽及氯酸鹽等無機副產物。
臭氧	氧化能力強、消毒迅速，也可改善色度與異味；不提供管網持續餘效。水中含溴離子時可能形成溴酸鹽，並可形成醛類等氧化副產物。
紫外線（UV）	以光能使微生物失去活性，不需添加化學藥劑，通常不形成傳統化學消毒副產物；但沒有持續餘效，且效果受水中懸浮物、濁度與 UV 穿透率影響。

核心觀念

本題考查離心式抽水機的操作點：抽水機提供的總揚程，必須等於輸水系統在該流量下所需的總揚程。操作流量與操作水頭可由抽水機特性曲線和系統曲線的交點求得。

系統所需揚程包括：

• 靜水頭：出水面與水井平均水面的高程差。
• 管路摩擦損失：依 Darcy–Weisbach 公式計算。

題目未提供管件、閥件等局部損失，以下依題目給定的主要損失公式計算，並忽略局部損失。理論水馬力則以水的流量、重量密度與操作水頭計算，未計入抽水機效率。

解題方法

水井平均水面高程為 $15.00\ \mathrm{m}$，出水面高程為 $30.00\ \mathrm{m}$，因此靜水頭為

$$H_s=30.00-15.00=15.00\ \mathrm{m}$$

管徑 $D=0.350\ \mathrm{m}$，管長 $L=3000\ \mathrm{m}$。管路截面積為

$$A=\frac{\pi D^2}{4} =\frac{\pi(0.350)^2}{4} =0.09621\ \mathrm{m^2}$$

流速以抽水量 $Q$ 表示為 $V=Q/A$。管路摩擦損失為

$$h_L=f\frac{L}{D}\frac{V^2}{2g} =0.015\frac{3000}{0.350} \frac{(Q/0.09621)^2}{2(9.8)}$$

整理得

$$h_L\approx708.4Q^2$$

因此，系統曲線為

$$H_{\mathrm{sys}}=H_s+h_L =15.00+708.4Q^2$$

抽水機特性曲線為

$$H_{\mathrm{pump}}=25-2Q^2$$

操作點須滿足 $H_{\mathrm{pump}}=H_{\mathrm{sys}}$：

$$25-2Q^2=15+708.4Q^2$$ $$Q=\sqrt{\frac{10}{710.4}} \approx0.1186\ \mathrm{m^3/s}$$

代回任一曲線，操作水頭為

$$H=25-2(0.1186)^2 \approx24.97\ \mathrm{m}$$

理論水功率為水的單位重量乘以流量與水頭：

$$P_w=\rho gQH$$

取水的密度 $\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}$，得

核心觀念

生物脫氮是利用微生物先將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮或硝酸鹽氮，再於缺氧環境中將其還原成氮氣逸出。主要分為兩個階段：

• 硝化作用：在好氧環境下，硝化菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，再氧化為硝酸鹽氮，並消耗氧與鹼度。
• 脫硝作用：在缺氧環境下，異營性脫硝菌以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子接受者，利用有機碳作為電子供給者，將其還原為氮氣。

此題重點是依好氧、缺氧槽的配置與回流方式辨識三種生物脫氮程序，並比較其流程特性。以下以常見的 A/O、A²/O、三段式 Bardenpho 為例。題目不涉及特定法條或數值計算；若作答牽涉法規，應以命題當年（民國 108 年）法規為準。

解題方法

作答時先交代生物反應原理，再依序畫出流程、說明各槽功能，最後比較有無厭氧槽、硝化液回流及污泥回流的差異。流程圖中的「缺氧」是指溶氧低、但有硝酸鹽供微生物還原的環境；「厭氧」則是缺乏溶氧與硝酸鹽。

一、前置缺氧式 A/O（Anoxic/Oxic）

流程圖

進流水 ──→ 缺氧槽 ──→ 好氧槽 ──→ 放流水
 ↑ │
 └─硝化液內回流┘
污泥沉澱池 ──污泥回流────→ 缺氧槽

流程說明

進流水中的有機碳進入缺氧槽，作為脫硝菌的碳源；好氧槽中氨氮經硝化作用形成硝酸鹽，部分硝化液回流至缺氧槽進行脫硝。沉澱池的回流污泥通常送回前端，以維持系統生物量。

A/O 可同時去除有機物與氮，但前端缺氧槽仰賴進流水提供可利用碳源。若硝化液回流不足，或進流水碳源不足，脫硝效果會受限。

二、前置缺氧—厭氧—好氧 A²/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）

流程圖

進流水 ──→ 厭氧槽 ──→ 缺氧槽 ──→ 好氧槽 ──→ 放流水
 ↑ ↑ │
 │ └─硝化液內回流┘
 └────污泥回流（由沉澱池）────

流程說明

A²/O 在 A/O 前增加厭氧槽，常用於同步去除有機物、氮及磷。回流污泥先進入厭氧槽，聚磷菌在此釋磷並攝取易分解有機物；其後進入缺氧槽進行脫硝，再進好氧槽完成硝化與聚磷菌攝磷。好氧槽的硝化液回流至缺氧槽，沉澱池回流污泥送回厭氧槽。

此流程的厭氧槽需避免硝酸鹽隨污泥回流進入，否則硝酸鹽會在厭氧段被還原，干擾聚磷菌所需的厭氧條件。

核心觀念

本題考查陽離子交換的交換機制、樹脂型式與固定床操作，以及混合離子溶液中陽、陰離子的分段回收流程。離子交換樹脂含有固定於高分子骨架上的帶電官能基，官能基所帶的可交換離子可與水中同電荷離子進行可逆、當量交換；樹脂骨架與固定電荷不溶於水。

陽離子交換樹脂的固定官能基帶負電，交換水中的陽離子。例如以氫型強酸陽樹脂表示：

$$z\,\mathrm{R{-}SO_3H}+\mathrm{M^{z+}} \rightleftharpoons (\mathrm{R{-}SO_3})_z\mathrm{M}+z\,\mathrm{H^+}$$

式中 $\mathrm{R{-}SO_3^-}$ 為樹脂固定官能基，$\mathrm{M^{z+}}$ 為水中金屬陽離子。交換遵守電荷當量平衡；例如一莫耳二價金屬離子占用兩當量的樹脂交換容量。

解題方法

先按樹脂官能基的酸性強弱分類，再依固定床的「交換、反洗、再生、慢洗、快洗」說明週期操作。混合陰、陽離子回收則用串聯兩種交換床，分別使目標離子被樹脂吸附，之後各自再生回收。

一、陽離子交換原理、樹脂種類與固定床操作

1. 陽離子交換原理

陽離子交換樹脂含有酸性官能基，官能基上的可交換陽離子（常見為 $\mathrm{H^+}$ 或 $\mathrm{Na^+}$）可與水中陽離子依選擇性及濃度平衡進行交換。若樹脂為氫型，金屬陽離子被樹脂吸附，等當量的 $\mathrm{H^+}$ 進入水中；若為鈉型，則等當量釋出 $\mathrm{Na^+}$。

交換是可逆的。處理至樹脂接近耗竭時，可用高濃度再生劑使平衡反向，使被吸附的離子脫附，樹脂回復為所需型態。樹脂的工作交換容量通常小於總交換容量，實際操作須預留突破前的安全容量。

2. 陽離子交換樹脂種類

依固定官能基區分如下：

• 強酸型陽離子交換樹脂：主要官能基為磺酸基 $\mathrm{-SO_3H}$。在廣泛的 pH 範圍內均可解離並交換陽離子，常用於軟化、除鹽及金屬離子回收。
• 弱酸型陽離子交換樹脂：主要官能基為羧酸基 $\mathrm{-COOH}$。須在較適當的 pH 條件下解離，對鹼土金屬等陽離子的交換常具實用性；再生所需酸量通常較強酸型樹脂低。
• 螯合型陽離子交換樹脂：具有可與特定金屬形成錯合物的官能基，對特定金屬離子有較高選擇性，適合金屬回收或選擇性去除。

樹脂也可依可交換離子型態分為氫型、鈉型等；選擇時須配合處理目的、進流水組成、pH、離子選擇性與再生方式。

3. 固定床式操作程序

固定床將樹脂填裝於柱內，水流通過樹脂層，依下列週期操作：