109 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

109 年・高普考・高考三級・環境工程
試題代碼 水處理工程(包括相關法規)

第 一 題30 分

請回答下列問題:(每小題 6 分,共 30 分)

(一) 水污染防治法中對廢(污)水處理設施的定義為何?

(二) 水污染防治法中對水污染防治措施的定義為何?

(三) 下水道用戶排水設備標準中對存水彎的定義為何?

(四) 下水道法及其施行細則中將下水道分為哪幾種?其功能為何?

(五) 何謂計畫污水量?

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核心觀念

本題為公職高普考《水處理工程(包括相關法規)》科目中極為經典的「法規定義與工程名詞」綜合題,配分 30 分(每小題 6 分)。本題旨在測驗考生對於環境法規法定名詞之精確記憶度,以及對下水道工程規劃水力設計核心參數之理解。

涉及之法規條文與工程理論依據如下:

  1. 第 (一)、(二) 小題:《水污染防治法》第 2 條專用名詞定義(廢(污)水處理設施、水污染防治措施)。
  2. 第 (三) 小題:《下水道用戶排水設備標準》第 3 條名詞定義(存水彎與水封機能)。
  3. 第 (四) 小題:《下水道法》第 2 條法定分類,以及《下水道法施行細則》第 2 條所界定之排水體制功能。
  4. 第 (五) 小題:《下水道工程設施標準》第 5 條及下水道工程學規劃設計原理(計畫污水量定義、水力成分與流量指標)。

法規時效說明:本題解答以命題當年(民國 109 年)法規為準;題中所涉各項法規專用名詞定義,於現行法規中均維持一致未作變更。


解題方法

  1. 法規定義題(第 (一) 至 (四) 小題):
  • 採「法條原文精準引述」搭配「工程實務扼要補充」的結構作答。公職考試閱卷評分時,法規專用名詞有其法定用字標準,關鍵動詞、目的與涵蓋範疇必須一字不漏精確點出。
  • 第 (一) 小題須突出「物理、化學或生物方法」與「符合排放標準之設備」兩大關鍵。
  • 第 (二) 小題須將法條明定之措施項目完整分項列出,展現作答完整性,避免僅寫出處理設施而漏失非工程防制手段。
  • 第 (三) 小題須精準寫出「水封」與「防止氣體逆流」之法定核心,並輔以水封深度規格展現專業度。
  • 第 (四) 小題為求周延,採「雙軌並陳」:先依《下水道法》第 2 條之權屬與使用型態分類(公共、專用、用戶排水設備),再依《下水道法施行細則》之排除水質體制分類(雨水、污水、合流),分別闡明其法定職責與工程功能。
  1. 工程名詞題(第 (五) 小題):
  • 採「整體定義 →\rightarrow 流量組成成分 →\rightarrow 三大設計流量指標與用途」三層次架構鋪陳,不僅定義其名詞,更清楚交代其在工程水力計算與單元設計中之對應關係。

選項分析

本題為非選擇題(申論/名詞解釋問答題),無選項可供分析。各小題之關鍵得分要點與法理邊界詳見下方【答案】。


解題技巧

  1. 關鍵字精準記憶:
  • 廢(污)水處理設施:記住三種方法「物理、化學、生物」與一個目的「符合排放標準」。
  • 水污染防治措施:概念大於處理設施。「措施」是上位概念,包含處理、減量、回收、委託、海洋放流、土壤處理等廣義手段。
  • 存水彎:不可混淆於截留器(Grease Trap)或陰井。存水彎核心為「水封(Water Seal)」,功能是防氣體與病媒逆流;截留器功能則是攔截油脂與固體。
  1. 防漏作答策略(以第 (四) 小題為例):
  • 國家考試中若題目問「下水道分為哪幾種」,閱卷委員的標準答案可能出自《下水道法》第 2 條(公共、專用、用戶排水設備),亦可能指雨水、污水與合流下水道。同時將「權屬/規模系統」與「收集水質體制」兩者分項列出,能確保不因閱卷委員切入視角差異而失分。
  1. 計畫污水量的核心架構:
  • 說明計畫污水量時,務必寫出「目標年」、「排水區域」,並一定要列出《下水道工程設施標準》第 5 條的三大基準量:計畫最大時污水量(定管徑、抽水機)、計畫最大日污水量(定水處理單元容量)、計畫平均日污水量(定維護操作與放流水質評估)。

【答案】

(一) 水污染防治法中對「廢(污)水處理設施」之定義

依命題當年(民國 109 年)《水污染防治法》第 2 條第 11 款規定(現行法未修正):

  • 法定定義: 廢(污)水處理設施,指利用物理、化學或生物方法,處理廢(污)水,使其符合本法排放標準之設備。
  • 工程實務內涵: 包含物理處理單元(如攔污柵、沈砂池、初沈池)、化學處理單元(如混凝反應槽、化學沈澱池、加氯消毒設備)及生物處理單元(如活性污泥曝氣槽、生物濾床、二沉池)等整體串聯設備與附屬動力機電。

(二) 水污染防治法中對「水污染防治措施」之定義

依命題當年(民國 109 年)《水污染防治法》第 2 條第 12 款規定(現行法未修正):

  • 法定定義: 水污染防治措施,指下列各項方法及設備:
  1. 設置廢(污)水處理設施。
  2. 納入污水下水道系統。
  3. 土壤處理。
  4. 委託處理。
  5. 設置管線排放於海洋。
  6. 設置廢(污)水前處理設施。
  7. 廢(污)水貯留、稀釋、回收使用。
  8. 逕流廢水削減。
  9. 地下水水質保護。
  10. 其他經中央主管機關指定之防治水污染之方法。

(三) 下水道用戶排水設備標準中對「存水彎」之定義

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第 二 題30 分

某一全天運作的食品工廠擬新建一套廢水處理系統處理其廢水,以符合放流水標準(食品製造業:BOD 30 mg/L30\ \mathrm{mg/L}、COD 100 mg/L100\ \mathrm{mg/L}、SS 30 mg/L30\ \mathrm{mg/L})。該廠的廢水經收集至調和池後,擬採傳統活性污泥法處理。食品原廢水的水量水質為:平均流量 1000 CMD1000\ \mathrm{CMD}、BOD 300 mg/L300\ \mathrm{mg/L}、SS 200 mg/L200\ \mathrm{mg/L}。

請設計此系統中的活性污泥曝氣池,包括池體大小、與曝氣池相關生物處理的設計參數與操作參數,以及供氣量。

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核心觀念

本題為典型的「生物污水處理系統工程設計題」,旨在評量考生對**傳統活性污泥法(Conventional Activated Sludge, CAS)**之反應動力學、質量平衡、水力設計規範及曝氣充氧工程計算的綜合應用能力。

  1. 法規基準:
  • 依命題當年(民國 109 年)《放流水標準》之規定,食品製造業放流水水質標準為:BOD≤30 mg/L\mathrm{BOD} \le 30\ \mathrm{mg/L}、COD≤100 mg/L\mathrm{COD} \le 100\ \mathrm{mg/L}、SS≤30 mg/L\mathrm{SS} \le 30\ \mathrm{mg/L}。 (註:現行法規對特定業別之重金屬或氨氮管制雖有後續滾動修正,但本題評估指標仍以民國 109 年命題之三大基準為設計依據)。
  1. 微生物質量平衡與反應槽設計:
  • 食微比(F/MF/M 比): F/M=Q⋅S0V⋅XF/M = \frac{Q \cdot S_0}{V \cdot X} 其中 QQ 為進水日流量(m3/d\mathrm{m^3/d})、S0S_0 為進水 BOD\mathrm{BOD} 濃度(mg/L\mathrm{mg/L} 或 g/m3\mathrm{g/m^3})、VV 為曝氣池有效容積(m3\mathrm{m^3})、XX 為混合液懸浮固體濃度(MLSS\mathrm{MLSS} 或 MLVSS\mathrm{MLVSS},mg/L\mathrm{mg/L})。
  • 水力停留時間(HRT\mathrm{HRT} / θ\theta): θ=VQ\theta = \frac{V}{Q}
  • 容積負荷(LvL_v): Lv=Q⋅S0VL_v = \frac{Q \cdot S_0}{V}
  • 固體停留時間 / 泥齡(SRT\mathrm{SRT} / θc\theta_c): θc=V⋅XPx\theta_c = \frac{V \cdot X}{P_x} 其中 PxP_x 為日產剩餘污泥總乾重(kg/d\mathrm{kg/d})。
  • 污泥迴流比(R=Qr/QR = Q_r / Q):由二次沉澱池固體平衡求得: R=XXr−XR = \frac{X}{X_r - X} 其中 XrX_r 為迴流污泥濃度(mg/L\mathrm{mg/L})。
  1. 供氣量與氧氣傳遞計算:
  • 理論需氧量(AOR\mathrm{AOR}, ROR_O):採用碳系有機物氧化與內生呼吸之綜合耗氧公式: RO=Q(S0−S)f−1.42Px,vssR_O = \frac{Q(S_0 - S)}{f} - 1.42 P_{x,\mathrm{vss}} 其中 SS 為放流水 BOD\mathrm{BOD} 濃度,ff 為 BOD5/BODL\mathrm{BOD_5}/\mathrm{BOD}_L 比值(常取 0.680.68),1.421.42 為細胞體氧化之氧當量係數。
  • 供氣量換算: Qair=ROρair×Ow×OTEQ_{\mathrm{air}} = \frac{R_O}{\rho_{\mathrm{air}} \times O_w \times \mathrm{OTE}} 其中 ρair\rho_{\mathrm{air}} 為標準狀態空氣密度(約 1.205 kg/m31.205\ \mathrm{kg/m^3})、OwO_w 為空氣中氧氣質量分率(23.2%23.2\%)、OTE\mathrm{OTE} 為實際運作之氧轉移效率。

解題方法

題目未指定初沉池,且廢水經調和池後直接進入活性污泥反應槽。為符合食品製造業放流水標準(BOD≤30 mg/L\mathrm{BOD} \le 30\ \mathrm{mg/L}),系統需去除之 BOD 效率為: η=300−30300×100%=90%\eta = \frac{300 - 30}{300} \times 100\% = 90\%

步驟一:選定傳統活性污泥法設計準則並計算池體容積與尺寸

  1. 設計基準參數選取(符合傳統活性污泥法標準設計手冊規範):
  • 混合液懸浮固體濃度:選定 MLSS=2000 mg/L=2.0 kg/m3\mathrm{MLSS} = 2000\ \mathrm{mg/L} = 2.0\ \mathrm{kg/m^3}。
  • 揮發性固體比率:取 MLVSS/MLSS=0.8\mathrm{MLVSS}/\mathrm{MLSS} = 0.8,故 MLVSS=1600 mg/L=1.6 kg/m3\mathrm{MLVSS} = 1600\ \mathrm{mg/L} = 1.6\ \mathrm{kg/m^3}。
  • 食微比:選定 F/M=0.30 kg BOD/(kg MLSS⋅d)F/M = 0.30\ \mathrm{kg\ BOD/(kg\ MLSS \cdot d)}(以 MLVSS\mathrm{MLVSS} 計則為 0.375 kg BOD/(kg MLVSS⋅d)0.375\ \mathrm{kg\ BOD/(kg\ MLVSS \cdot d)},均符合傳統法 0.2∼0.40.2 \sim 0.4 範圍)。
  1. 池體總有效容積(VV)計算:
  • 每日進流 BOD 總負荷: LBOD=Q×S0=1000 m3/d×0.300 kg/m3=300 kg BOD/dL_{\mathrm{BOD}} = Q \times S_0 = 1000\ \mathrm{m^3/d} \times 0.300\ \mathrm{kg/m^3} = 300\ \mathrm{kg\ BOD/d}
  • 曝氣池容積: V=Q⋅S0(F/M)⋅X=300 kg/d0.30 d−1×2.0 kg/m3=500 m3V = \frac{Q \cdot S_0}{(F/M) \cdot X} = \frac{300\ \mathrm{kg/d}}{0.30\ \mathrm{d^{-1}} \times 2.0\ \mathrm{kg/m^3}} = 500\ \mathrm{m^3}
  1. 水力停留時間(HRT\mathrm{HRT})與容積負荷(LvL_v)檢核:
  • 水力停留時間: θ=VQ=500 m31000 m3/d=0.5 d=12 hr\theta = \frac{V}{Q} = \frac{500\ \mathrm{m^3}}{1000\ \mathrm{m^3/d}} = 0.5\ \mathrm{d} = 12\ \mathrm{hr}
  • BOD 容積負荷: Lv=300 kg/d500 m3=0.60 kg BOD/(m3⋅d)L_v = \frac{300\ \mathrm{kg/d}}{500\ \mathrm{m^3}} = 0.60\ \mathrm{kg\ BOD/(m^3 \cdot d)} (符合傳統活性污泥法容積負荷 0.3∼0.8 kg/(m3⋅d)0.3 \sim 0.8\ \mathrm{kg/(m^3 \cdot d)} 之常態規範)。
  1. 池體幾何尺寸設計:
  • 為兼顧工廠維修彈性與操作安全性,採 2 座並聯(2 Trains) 之推流式矩形反應槽。
  • 單槽有效容積: V1=5002=250 m3V_1 = \frac{500}{2} = 250\ \mathrm{m^3}
  • 設計有效水深 H=4.0 mH = 4.0\ \mathrm{m},池頂淨空(出水高 Freeboard)取 0.5 m0.5\ \mathrm{m},總池深為 4.5 m4.5\ \mathrm{m}。
  • 單槽池底表面積: A1=250 m34.0 m=62.5 m2A_1 = \frac{250\ \mathrm{m^3}}{4.0\ \mathrm{m}} = 62.5\ \mathrm{m^2}
  • 長寬比採 2.5:12.5:1: 設池寬 W=5.0 mW = 5.0\ \mathrm{m},則池長 L=62.55.0=12.5 mL = \frac{62.5}{5.0} = 12.5\ \mathrm{m}。
  • 單槽規格:長 12.5 m×12.5\ \mathrm{m} \times 寬 5.0 m×5.0\ \mathrm{m} \times 總深 4.5 m4.5\ \mathrm{m}(有效水深 4.0 m4.0\ \mathrm{m}),共 2 座。

步驟二:生物處理設計參數與操作參數設定

  1. 固體停留時間 / 泥齡(SRT\mathrm{SRT}, θc\theta_c):
  • 傳統活性污泥法常態泥齡為 5∼15 d5 \sim 15\ \mathrm{d},設計選定 θc=8 d\theta_c = 8\ \mathrm{d}。
  1. 日產剩餘污泥量(PxP_x):
  • 由系統總生物量與泥齡計算: Px=V⋅Xθc=500 m3×2.0 kg/m38 d=125 kg SS/dP_x = \frac{V \cdot X}{\theta_c} = \frac{500\ \mathrm{m^3} \times 2.0\ \mathrm{kg/m^3}}{8\ \mathrm{d}} = 125\ \mathrm{kg\ SS/d}
  • 以揮發性固體計: Px,vss=Px×0.8=100 kg VSS/dP_{x,\mathrm{vss}} = P_x \times 0.8 = 100\ \mathrm{kg\ VSS/d}
  1. 污泥迴流比(RR)與迴流污泥量(QrQ_r):
  • 假設二次沉澱池濃縮污泥容積指標 SVI=100 mL/g\mathrm{SVI} = 100\ \mathrm{mL/g},底泥最大濃度約 106/100=10000 mg/L10^6 / 100 = 10000\ \mathrm{mg/L};保守取底泥及迴流污泥濃度 Xr=8000 mg/LX_r = 8000\ \mathrm{mg/L}。
  • 污泥迴流比: R=XXr−X=20008000−2000=20006000≈0.333(33.3%)R = \frac{X}{X_r - X} = \frac{2000}{8000 - 2000} = \frac{2000}{6000} \approx 0.333 \quad (33.3\%)
  • 日迴流量: Qr=R×Q=0.333×1000=333 m3/dQ_r = R \times Q = 0.333 \times 1000 = 333\ \mathrm{m^3/d}
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第 三 題20 分

請說明並比較污水處理放流前的快砂濾池(高級處理)與自來水處理的快砂濾池(快混、慢混與沉澱池之後的快砂濾池)之間的異同,並詳細說明其機制、設計參數與操作參數。

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核心觀念

本題測驗「物理化學處理單元」中深層粒狀濾料過濾(Granular Media Filtration)在自來水工程與下水道污水高級處理(Tertiary Treatment)之設計與操作異同。

  1. 過濾原理與質傳機制:懸浮顆粒由水流本體被傳送至濾料表面並附著的物理化學過程,包括截留(Interception)、沉降(Sedimentation)、布朗擴散(Brownian Diffusion)、慣性衝撞(Inertia)、凡得瓦力與靜電作用(雙電層理論)。
  2. 進水基質特性對堵塞型態之影響:
  • 自來水進水:經快混、慢混、沉澱後,主要含鋁/鐵系無機化學膠羽、細小泥沙及藻類,顆粒強度較高,多為不可壓縮性或微壓縮性絮體。
  • 污水二級出水:含殘餘生物膠羽、微生物細胞及胞外聚合物(EPS),具有高度黏性與可壓縮性,容易在濾床表層形成濾餅(Blinding),造成表層堵塞與水頭損失急劇上升。
  1. 相關工程設計法規依據:
  • 《自來水工程設施標準》(經濟部)之快速濾池相關規定(以民國 109 年規範為基準)。
  • 《下水道工程設施標準》(內政部)之高級處理快速濾池相關規定。

解題方法

本題為標準的「比較型申論題」,作答應兼具宏觀對比與微觀參數解析:

  1. 結構切入點:先從「處理目標與水質基質」出發,解釋為何進水特性不同會引導出不同的工程設計,再分別切入「機制」、「設計參數」、「操作參數」三大部分。
  2. 機制闡述:分為「懸浮物輸送機制」、「表面附著機制」與污水特有的「生物降解/生物膜生長機制」。
  3. 參數呈現:採用「文字詳述 + 綜合比較表」,量化列出濾速、濾料粒徑(有效粒徑 d10d_{10} 或 E10E_{10})、均勻係數(UCUC)、濾層厚度(LL)、反沖洗強度、水頭損失極限等具體數據,展現工程計算與規範的精確度。

選項分析

本題為高考三級之申論題,非選擇題,無選項之區分。作答重點在於系統性對照兩者的功能定位、流體力學行為、濾料配置及反沖洗工藝。


解題技巧

  1. 掌握破題關鍵字:污水快濾池的核心在於「防止表面結膜堵塞」與「避免泥球(Mudballs)生成」;自來水快濾池的核心在於「低濁度出水」與「病原微生物(如隱孢子蟲卵囊、鞭毛蟲)之高去除率」。
  2. 水頭損失推導思維:粒狀介質層流過濾之水頭損失可依據 Carman-Kozeny 公式分析: hL=f⋅Ld⋅1−εε3⋅v2gh_L = f \cdot \frac{L}{d} \cdot \frac{1 - \varepsilon}{\varepsilon^3} \cdot \frac{v^2}{g} 式中 LL 為濾層厚度,dd 為濾料粒徑,ε\varepsilon 為孔隙率,vv 為過濾速度。污水處理為避免表層水頭損失上升過快,常採取「增大濾料粒徑 dd」配合「增加濾層厚度 LL」(即深床過濾),使水質淨化深入濾床內部(深層過濾,Depth Filtration)。
  3. 常犯陷阱:誤以為污水處理僅是將自來水濾池的參數直接搬移。自來水常用單層砂或傳統雙層濾料;污水高級處理若採細砂單層濾池,會在數小時內因表層生物黏膜堵塞而失效,故污水濾池極度依賴「粗粒徑深床」或「氣水聯合反沖洗(Air Scour)」。

【答案】

一、污水高級處理快砂濾池 vs. 自來水快砂濾池之異同比較

1. 相同點

  • 基本分離原理:兩者皆屬粒狀濾料深層過濾(Depth Filtration),利用濾料顆粒構成孔隙通道,攔截去除水中懸浮固體(SS)與膠羽。
  • 水力驅動形式:皆多採重力式濾池(Gravity Filters)由上向下流動,依靠水頭壓力差推動水流通過濾床。
  • 濾床再生方式:累積一定水頭損失或濁度破裂時,皆須透過向上逆向水流(水沖洗)或氣水聯合逆沖洗使濾床膨脹,排出截留雜質。

2. 相異點

  • 進水水質與膠羽性質:
  • 自來水濾池:進水為經混凝、膠羽化與沉澱後的水,濁度通常已降至 2∼5 NTU2 \sim 5\ \text{NTU},膠羽為無機化學絮體(如氫氧化鋁或氫氧化鐵),結構相對結實且無黏性。
  • 污水快濾池:進水為二級生物處理(如活性污泥法)之二沉池出水,含微生物群、殘餘有機絮體及胞外聚合物(EPS),具有高壓縮性與生物黏性,極易附著濾料結塊。
  • 處理目的:
  • 自來水濾池:產出符合《飲用水水質標準》之自來水(濁度需 <2 NTU< 2\ \text{NTU},實務運轉目標常要求 <0.3 NTU< 0.3\ \text{NTU},以確保病原蟲囊胞去除率)。
  • 污水快濾池:高級處理去除殘餘微細 SS、顆粒性 COD/BOD、懸浮態磷,保護後續消毒單元(紫外線穿透率 UVT 提升)或作為再生水膜分離前處理。
  • 水力堵塞型態:
  • 自來水濾池:濾料孔隙內沉積漸進發生,阻力穩健上升。
  • 污水快濾池:極易在濾床表面產生表面濾餅(Surface Straining),引發水頭損失急遽飆升。

二、過濾機制

粒狀濾料之固液分離過程包含兩個連續步驟:輸送機制(Transport)將顆粒移至濾料表面,以及附著機制(Attachment)使顆粒附著於濾料。污水快濾池另具有生物過濾機制。

  1. 物理輸送機制(Transport Mechanisms):
  • 重力沉降(Sedimentation):直徑較大(>1∼2 μm> 1 \sim 2\ \mu\text{m})且比重高於水的懸浮顆粒,脫離流線沉降至濾料表面。
  • 截留作用(Interception):懸浮顆粒沿流線運動,當其質心與濾料表面距離小於顆粒半徑時,直接與濾料碰撞被攔截。
  • 布朗擴散(Brownian Diffusion):針對亞微米級(<1 μm< 1\ \mu\text{m})膠體顆粒,受水分子撞擊產生隨機熱運動,脫離水流流線撞擊濾料。
  • 慣性衝撞(Inertial Impaction):較大顆粒具較大質量與慣性,當水流轉向繞過濾料顆粒時,顆粒因慣性偏離流線衝撞濾料表面。
  • 水力剪切與脫落(Detachment):隨過濾進行,孔隙流速加快,剪切力導致已附著之顆粒脫落並向下層濾床遷移。
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第 四 題20 分

傳統民生生活污水處理程序一般較重視 BOD、SS 與大腸桿菌的削減,但行政院環境保護署公告自 110 年後,即將氨氮列入放流水的管制項目(目標值為 10 mg/L10\ \mathrm{mg/L})。因此,有部分污水廠擬將既設的傳統活性污泥系統,在儘量減少硬體結構設施修建的前提下,將其改為 A/O 處理法。

請就此功能變更說明:

(一) 修改後的處理流程。

(二) 處理成效預估。

(三) 設計參數與操作參數調整。

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核心觀念

  1. 法規依據: 依命題當年(民國 109 年)之《放流水標準》,行政院環境保護署公告自民國 110 年 1 月 1 日起,公共污水下水道系統與特定對象之放流水將增訂氨氮管制項目(管制目標值為 10 mg/L10\ \mathrm{mg/L})。

法規提醒:主管機關行政院環境保護署現行已改制為環境部,且放流水標準後續歷經滾動修正,惟本題解答仍以命題當年之法規要求為準。

  1. 生物除氮機制:
  • 好氧硝化反應(Nitrification):自營性硝化菌(Nitrosomonas 與 Nitrobacter)在好氧環境下將氨氮氧化: NH4++2O2→NO3−+2H++H2O\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O} 每氧化 1 g NH4+−N1\ \mathrm{g\ NH_4^+-N} 理論上消耗 4.57 g O24.57\ \mathrm{g\ O_2} 及 7.14 g CaCO37.14\ \mathrm{g\ CaCO_3} 之鹼度。
  • 缺氧反硝化/脫氮反應(Denitrification):兼性異營菌在缺乏分子氧(DO<0.5 mg/L\mathrm{DO} < 0.5\ \mathrm{mg/L})但存在硝酸鹽的環境中,以進流污水中的有機物(BOD)作為電子供體,將硝酸鹽還原為氮氣釋出: 2NO3−+10e−+12H+→N2↑+6H2O2\mathrm{NO_3^-} + 10e^- + 12\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{N_2\uparrow} + 6\mathrm{H_2O} 每還原 1 g NO3−−N1\ \mathrm{g\ NO_3^--N} 可產生 3.57 g CaCO33.57\ \mathrm{g\ CaCO_3} 之鹼度(約可回收硝化耗鹼的 50%50\%)。
  1. A/O(Anoxic/Oxic)除氮程序: 本題著眼於氨氮削減,故 A/O 指的是「缺氧/好氧」前置脫氮系統(即 MLE, Modified Ludzack-Ettinger 程序)。在儘量不變動既設土建結構的前提下,利用既設推流式曝氣池前端設置隔板劃分出缺氧區,並增設硝化液內迴流(Internal Recycle),利用進水原水之碳源在前端脫氮,後端維持好氧進行 BOD 穩定與完全硝化。

解題方法

本題為典型的「既設污水處理廠功能升級與單元改造」工程申論題。解題切入點應緊扣「最小硬體結構變更」之工程約束,按以下邏輯依序開展:

  1. 處理流程改造:說明既設曝氣池的內部微幅改造(增設隔板、攪拌設備、內迴流泵浦與管線),繪出質量流向示意圖。
  2. 處理成效預估:分別就氨氮、總氮(TN)、BOD/SS,以及鹼度平衡與能耗指標提出質化與量化的成效評估。
  3. 參數調整:對比傳統活性污泥法(CAS)與 A/O 法在「設計參數」(容積比、HRT 配比)與「操作參數」(SRT、MLSS、DO、迴流比、F/M、pH/鹼度)之具體調整數值。

選項分析

本題為高普考環境工程專業科目之「申論計算題型」,並無選擇題選項可供分析。考生應將重點置於工程實務邏輯、反應機制說明、流程圖繪製及參數對比表的完整呈現。


解題技巧

  1. 名詞精準避免失分:A/O 系統在環境工程中有兩種含意:Anaerobic/Oxic(厭氧/好氧,用於生物除磷)與 Anoxic/Oxic(缺氧/好氧,用於前置脫氮)。題目已指明是為因應「氨氮管制(10 mg/L10\ \mathrm{mg/L})」,作答時第一段必須清楚界定本系統為 Anoxic/Oxic(缺氧/好氧)生物脫氮系統。
  2. 緊扣「減少硬體修建」原則:切忌回答「新建深度處理單元」、「增設生物濾池」或「改建為 MBR」等高資本支出手段。得分關鍵在於既有推流式曝氣池(Plug-Flow Reactor)的「隔間劃分(Baffle partition)」、「停用前端曝氣改水下攪拌」以及「加裝低揚程內迴流泵」。
  3. 掌握脫氮效率極限公式:MLE / AO 系統的理論脫氮效率受限於迴流比,公式為 η=R+Ri1+R+Ri×100%\eta = \frac{R + R_i}{1 + R + R_i} \times 100\%,列出此公式可向閱卷委員展現扎實的單元操作與質量平衡計算能力。

題目詳解

(一) 修改後的處理流程

在不擴建新反應槽的前提下,將既設傳統活性污泥法(CAS)推流式曝氣池改建為前置缺氧脫氮 A/O 流程:

  1. 池體空間調整:
  • 將既設長條狀推流式曝氣池前端約 20%∼30%20\% \sim 30\% 容積以「防腐阻流隔板(Baffle)」隔離為缺氧池(Anoxic Zone)。
  • 後端 70%∼80%70\% \sim 80\% 容積維持為好氧池(Oxic/Aerobic Zone)。
  1. 設備調整與新增:
  • 缺氧池:拆除原前端之散氣盤或停用空氣管路,改裝設「低速潛水攪拌機(Submersible Mixer)」,提供水力剪切與混合懸浮,嚴格隔絕空氣以維持無溶氧狀態。
  • 好氧池:維持原散氣鼓風曝氣系統,提供足夠溶氧進行 BOD 氧化與完全硝化。
  • 迴流管線:於好氧池末端增設「硝化液內迴流泵(MLSS Internal Recycle Pump)」與管線,將富含硝酸鹽的硝化液打回前端缺氧池;二沉池底部維持既設「污泥外迴流(RAS)」,同樣迴流至缺氧池前端。

修改後處理流程圖如下:

進流水 (初沉池出水)
 │
 ▼
┌──────────────────┐ 硝化混合液內迴流 (Ri = 100% ~ 300%)
│ 缺 氧 池 (A) │◄─────────────────────────────┐
│ (水下攪拌, DO<0.5)│ │
└────────┬─────────┘ │
 │ │
 ▼ │
┌──────────────────┐ │
│ 好 氧 池 (O) ├──────────────────────────────┘
│ (鼓風曝氣, DO≥2) ├────────┐
└──────────────────┘ │
 ▼
 ┌───────────────┐
 │ 二次沉澱池 ├────► 放流水 (氨氮 < 10 mg/L)
 └───────┬───────┘
 │ 污泥外迴流 (R = 50% ~ 100%)
 └────────────────────► 回送至缺氧池前端
 │
 └────────────────────► 廢棄污泥 (WAS)

(二) 處理成效預估

  1. 氨氮(NH4+−N\mathrm{NH_4^+-N})削減成效:
  • 藉由提高系統泥齡(SRT)並維持好氧池足夠溶氧,硝化菌能將進流氨氮完全氧化為硝酸鹽氮(NO3−−N\mathrm{NO_3^--N})。
  • 一般民生污水進流氨氮約為 20∼35 mg/L20 \sim 35\ \mathrm{mg/L},硝化完成後,放流水氨氮濃度可穩定降至 1.0∼3.0 mg/L1.0 \sim 3.0\ \mathrm{mg/L},遠低於公告管制標準值 10 mg/L10\ \mathrm{mg/L},完全符合放流水標準。
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