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
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:
- 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)。
- 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)。
- 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。
- 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
- 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。
- 工程名詞題(第 (五) 小題):
- 採「整體定義 流量組成成分 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
- 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。
- 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。
- 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:
- 設置廢(污)水處理設施。
- 納入污水下水道系統。
- 土壤處理。
- 委託處理。
- 設置管線排放於海洋。
- 設置廢(污)水前處理設施。
- 廢(污)水貯留、稀釋、回收使用。
- 逕流廢水削減。
- 地下水水質保護。
- 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
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 、COD 、SS )。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 、BOD 、SS 。
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。
- 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:、、。 (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)。
- 微生物質量平衡與反應槽設計:
- 食微比( 比): 其中 為進水日流量()、 為進水 濃度( 或 )、 為曝氣池有效容積()、 為混合液懸浮固體濃度( 或 ,)。
- 水力停留時間( / ):
- 容積負荷():
- 固體停留時間 / 泥齡( / ): 其中 為日產剩餘污泥總乾重()。
- 污泥迴流比():由二次沉澱池固體平衡求得: 其中 為迴流污泥濃度()。
- 供氣量與氧氣傳遞計算:
- 理論需氧量(, ):採用碳系有機物氧化與內生呼吸之綜合耗氧公式: 其中 為放流水 濃度, 為 比值(常取 ), 為細胞體氧化之氧當量係數。
- 供氣量換算: 其中 為標準狀態空氣密度(約 )、 為空氣中氧氣質量分率()、 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(),系統需去除之 BOD 效率為:
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
- 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 。
- 揮發性固體比率:取 ,故 。
- 食微比:選定 (以 計則為 ,均符合傳統法 範圍)。
- 池體總有效容積()計算:
- 每日進流 BOD 總負荷:
- 曝氣池容積:
- 水力停留時間()與容積負荷()檢核:
- 水力停留時間:
- BOD 容積負荷: (符合傳統活性污泥法容積負荷 之常態規範)。
- 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:
- 設計有效水深 ,池頂淨空(出水高 Freeboard)取 ,總池深為 。
- 單槽池底表面積:
- 長寬比採 : 設池寬 ,則池長 。
- 單槽規格:長 寬 總深 (有效水深 ),共 2 座。
步驟二:生物處理設計參數與操作參數設定
- 固體停留時間 / 泥齡(, ):
- 傳統活性污泥法常態泥齡為 ,設計選定 。
- 日產剩餘污泥量():
- 由系統總生物量與泥齡計算:
- 以揮發性固體計:
- 污泥迴流比()與迴流污泥量():
- 假設二次沉澱池濃縮污泥容積指標 ,底泥最大濃度約 ;保守取底泥及迴流污泥濃度 。
- 污泥迴流比:
- 日迴流量:
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。
- 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)。
- 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。
- 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:
- 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。
- 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」。
- 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 或 )、均勻係數()、濾層厚度()、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
- 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」。
- 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: 式中 為濾層厚度, 為濾料粒徑, 為孔隙率, 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 」配合「增加濾層厚度 」(即深床過濾),使水質淨化深入濾床內部(深層過濾,Depth Filtration)。
- 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 ,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 ,實務運轉目標常要求 ,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。
- 物理輸送機制(Transport Mechanisms):
- 重力沉降(Sedimentation):直徑較大()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()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。
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 )。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
- 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 )。
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。
- 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: 每氧化 理論上消耗 及 之鹼度。
- 缺氧反硝化/脫氮反應(Denitrification):兼性異營菌在缺乏分子氧()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: 每還原 可產生 之鹼度(約可回收硝化耗鹼的 )。
- 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:
- 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。
- 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。
- 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
- 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()」,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。
- 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」。
- 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 ,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:
- 池體空間調整:
- 將既設長條狀推流式曝氣池前端約 容積以「防腐阻流隔板(Baffle)」隔離為缺氧池(Anoxic Zone)。
- 後端 容積維持為好氧池(Oxic/Aerobic Zone)。
- 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
- 氨氮()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()。
- 一般民生污水進流氨氮約為 ,硝化完成後,放流水氨氮濃度可穩定降至 ,遠低於公告管制標準值 ,完全符合放流水標準。