111 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

本題評量環境工程考生對法規《飲用水水質標準》（依《飲用水管理條例》第 11 條第 2 項訂定）架構與實質管制門檻的精準掌握程度。解題需依據民國 111 年命題當年度之法規標準。

法規將飲用水水質標準項目依水質特性與風險屬性分為三大範疇：

1. 細菌性標準（微生物安全指標，如大腸桿菌群、總菌落數）。
2. 物理性標準（外觀與感官，如濁度、色度、臭度）。
3. 化學性標準：

• 可能影響健康物質：具有急／慢性毒性、致癌性、致畸性或神經毒性之物質，包含重金屬、揮發性有機物（VOCs）、農藥、消毒副產物（DBPs）及特定無機鹽類。
• 影響適飲性、感觀物質（或稱感觀物質、適飲性物質）：本身在該濃度下通常不直接危害人體健康，但會造成水質口感不良、混濁、異味、腐蝕管線或在洗衣、衛浴設備留下色斑，降低民眾飲用意願。

解題方法

在申論題作答時，列舉物質應掌握「代表性高」、「數值明確不易記錯」、「跨不同化學型態」三大原則，避免全部列舉同質性物質（例如全列重金屬），以展現專業素養：

1. 可能影響健康物質：

• 挑選給水工程中具高度指標性之重金屬與消毒副產物：
• 砷（$\text{As}$）：台灣歷史公共衛生代表性毒物（烏腳病致病因子）。
• 鉛（$\text{Pb}$）：重金屬神經毒素，國內曾爆發鉛管爭議並全面加嚴管制。
• 總三鹵甲烷（$\text{TTHMs}$）：自來水加氯消毒產生之最關鍵致癌性消毒副產物。

2. 適飲性物質、感觀物質：

• 挑選日常自來水處理程序中最常監控之物化指標與金屬離子：
• 濁度（$\text{Turbidity}$）：淨水廠沉澱與過濾單元操作核心，直接影響感官與後續消毒效率。
• 鐵（$\text{Fe}$）：地下水常見無機雜質，過量造成「紅水」、金屬腥味與衛浴染色。
• 總硬度（$\text{Total Hardness}$，以 $\text{CaCO}_3$ 計）：決定水質硬度與適飲口感，過高易生成鍋垢與皂垢。

法規變動提醒：本解題以命題當年（民國 111 年）法規為準。現行中央主管機關已改制為環境部；後續法規雖針對新興污染物（如全氟及多氟烷基物質，PFAS）逐步研議與增修管制，惟本題所涉及之傳統重金屬及適飲性物質管制限值維持一致。

選項分析

本題為純申論題（非選擇題），無既定選項。考場評分重點在於列舉項目之分類正確性、物質名稱精確度及限值數值與單位之完整性：

• 若將適飲性物質錯置至健康物質（或反之）：例如將「鐵、錳」列入影響健康物質，或將「鎘、砷」列入適飲性物質，會被大幅扣分。鐵、錳、銅、鋅主要影響口感與外觀色澤，在飲用水標準中歸類為「影響適飲性、感觀物質」。
• 若漏寫或混淆單位：水質標準對數值單位要求嚴謹，若將 $\text{mg/L}$ 誤寫為 $\mu\text{g/L}$、$\text{ppm}$，或濁度未標註 $\text{NTU}$，皆會被視為觀念不清楚。

解題技巧

核心觀念

本題考核自來水處理工程中「化學與物理消毒機制」之核心原理及其動力學控制參數。作答核心依據包含：

1. Chick-Watson 消毒動力學定律： $\ln\left(\frac{N_t}{N_0}\right) = -k C^n t$ 或微分形式： $\frac{dN}{dt} = -k C^n N$ 其中 $N_0$ 與 $N_t$ 分別為初始與時間 $t$ 時之微生物數量；$k$ 為失活速率常數（受溫度、pH、微生物種類影響）；$C$ 為消毒劑有效濃度；$n$ 為稀釋係數（Dilution coefficient，通常接近 1）；$t$ 為接觸時間。
2. $CT$ 觀念（Concentration $\times$ Contact Time）： 世界各國自來水水質指引（如美國 EPA 之 Surface Water Treatment Rule）用於評估致病原（如賈第氏囊胞、隱孢子蟲卵囊、病毒）去除率（Log-inactivation）之基準值。其中時間 $t$ 實務上採有效接觸時間 $T_{10}$（即 90% 水流滯留之時間）。
3. 化學解離平衡（以氯消毒為例）： $\mathrm{Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HOCl + H^+ + Cl^-}$ $\mathrm{HOCl \rightleftharpoons H^+ + OCl^-} \quad (\mathrm{p}K_a \approx 7.53 \text{ at } 20^\circ\mathrm{C})$ 次氯酸（$\mathrm{HOCl}$）為不帶電中性分子，易穿透帶負電之微生物細胞膜，殺菌效力約為次氯酸根（$\mathrm{OCl^-}$）之 80～100 倍。
4. 相關法規基準（以命題當年民國 111 年法規為準）： 依《自來水水質標準》及《飲用水水質標準》，清水出廠及配水管網末端皆嚴格規範自由有效餘氯（Free Residual Chlorine）含量範圍（$0.2 \sim 1.0\ \mathrm{mg/L}$），以兼顧持續抑菌與抑制消毒副產物（DBPs）生成。

解題方法

本題為經典工程申論題，切入點應採取「由動力學公式出發，由內而外開展至物理化學與操作環境」之系統化架構，避免破碎條列。具體論述脈絡如下：

1. 公式破題：引出 Chick-Watson 定律，將所有影響變數歸納至公式參數中（$C$、$t$、$k$）。
2. 消毒劑本體因素：討論消毒劑濃度、有效接觸時間（含水力短流修正 $T_{10}$）、消毒劑種類與其化學型態。
3. 水質環境因素：深入探討水溫（Arrhenius 關係）、pH 值（解離形態）、濁度（屏蔽效應）與耗化學劑物質（天然有機物 NOM、氨氮、還原性無機物）。
4. 目標微生物因素：依微生物構造差異（原蟲 > 芽孢 > 病毒 > 一般細菌）說明抗藥性差異及聚集成團之防護效應。
5. 槽體水力因素：分析反應槽長寬比、擋板配置對死水區與短流之影響。

選項分析

本題為高普考申論題（非選擇題）。答題重點在於分類嚴密、層次分明、涵蓋完整工程考量，無個別選項需除錯。

解題技巧

1. 破題技巧（公式錨定法）：在第一段直接列出 Chick-Watson 定律，向閱卷委員展現環境工程科學的學理基礎，後續各項說明直接對應公式中的各項參數，得分最高。
2. 記憶口訣：「濃時型、溫酸濁、生水力」

• 濃時型：濃度（$C$）、時間（$t$）、化學型態（Species，如 $\mathrm{HOCl}$ vs $\mathrm{OCl^-}$）。
• 溫酸濁：水溫（$T$）、酸鹼值（pH）、濁度（Turbidity，屏蔽作用）。
• 生水力：微生物種類與狀態（Microorganisms）、反應槽水力特性（Hydraulics / $T_{10}$）。

3. 常見失分陷阱：

• 誤將水力停留時間（$HRT = V/Q$）直接當作有效消毒接觸時間，忽略水力短流（Short-circuiting），未提及 $T_{10}$ 或擋板係數（Baffling factor）。
• 僅說明「加氯消毒」，未提升至通用消毒單元（紫外線 UV、臭氧 $\mathrm{O_3}$、二氧化氯 $\mathrm{ClO_2}$）的高度。
• 忽略濁度的「物理屏蔽遮蔽作用」與氨氮引發的「結合餘氯」現象。

【答案】

在自來水處理程序中，消毒單元旨在消滅水中有害之致病微生物（病原菌、病毒及原生動物）。依據消毒動力學理論（Chick-Watson Law: $\ln(N_t/N_0) = -k C^n t$）及工程實務，影響消毒效果的主要因素可系統化歸納為下列五大面向：

一、消毒劑濃度與接觸時間（$CT$ 值）

1. 消毒劑濃度（$C$）： 消毒劑濃度愈高，與微生物細胞壁及內部酵素反應的機率愈大，滅菌效率愈快。
2. 接觸時間（$t$）：

核心觀念

本題評量環境工程中「化學沉澱法（Chemical Precipitation）」去除廢水中重金屬的基本化學平衡與計量計算能力。涉及的核心觀念與公式如下：

1. 氫氧化物沉澱溶解平衡： 二價鎘與氫氧根離子生成氫氧化鎘固體沉澱： $Cd^{2+} + 2OH^- \rightleftharpoons Cd(OH)_2(s)$ 其溶解度積常數（Solubility Product, $K_{sp}$）表示式為： $K_{sp} = [Cd^{2+}][OH^-]^2 = 2 \times 10^{-14}$

2. 水之離子積與酸鹼值定義（常溫 $25^\circ\mathrm{C}$ 下）： $K_w = [H^+][OH^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ $\mathrm{pH} + \mathrm{pOH} = 14$ $[OH^-] = 10^{-\mathrm{pOH}}\ \mathrm{M}$

3. 濃度單位換算： 稀薄水溶液密度約為 $1.0\ \mathrm{g/cm^3}$，故 $1\ \mathrm{ppm} \approx 1\ \mathrm{mg/L}$。 體積莫耳濃度（$\mathrm{M} = \mathrm{mol/L}$）與質量濃度（$\mathrm{mg/L}$）之轉換式為： $C\ (\mathrm{mg/L}) = M\ (\mathrm{mol/L}) \times \mathrm{MW}\ (\mathrm{g/mol}) \times 10^3\ \mathrm{mg/g}$

解題方法

一、檢驗廢水 pH 調高至 8 之可行性

1. 求 $\mathrm{pH} = 8$ 時之水溶液 $[OH^-]$ 濃度： $\mathrm{pOH} = 14 - \mathrm{pH} = 14 - 8 = 6$ $[OH^-] = 10^{-6}\ \mathrm{M}$

2. 計算化學沉澱平衡時殘留之 $[Cd^{2+}]$ 莫耳濃度： 由溶解度積定義式： $K_{sp} = [Cd^{2+}][OH^-]^2$ $[Cd^{2+}] = \frac{K_{sp}}{[OH^-]^2} = \frac{2 \times 10^{-14}}{(10^{-6})^2} = 2 \times 10^{-2}\ \mathrm{M}$

3. 將殘留鎘離子濃度轉換為質量濃度（$\mathrm{ppm}$）： 已知鎘原子量 $\mathrm{MW} = 112\ \mathrm{g/mol}$： $C_{Cd^{2+}} = (2 \times 10^{-2}\ \mathrm{mol/L}) \times (112\ \mathrm{g/mol}) \times 10^3\ \mathrm{mg/g} = 2240\ \mathrm{mg/L} \approx 2240\ \mathrm{ppm}$

4. 可行性判斷： 在 $\mathrm{pH} = 8$ 條件下，水中理論殘留的 $Cd^{2+}$ 濃度為 $2240\ \mathrm{ppm}$，遠大於工程師預期的 $100\ \mathrm{ppm}$。因此，該做法不可行。

二、計算降至 $100\ \mathrm{ppm}$ 所需之最低 pH 值

1. 將目標濃度 $100\ \mathrm{ppm}$ 換算為體積莫耳濃度：

核心觀念

本題考二級沉澱池的污泥固體物通量分析。污泥沉降形成的重力通量為 $Xv_s$；底流抽除污泥形成的底流通量為 $(Q_u/A)X$。設計時須使進流固體通量不超過各污泥濃度下的固體輸送能力，因此要找出所需面積的控制值。

假設出流水中的固體量可忽略，固體質量平衡為：

其中 $Q_f$、$Q_u$ 分別為進流與底流流量，$X_f$、$X_u$ 分別為進流與底流污泥濃度。

解題方法

先將濃度換算為 $\mathrm{kg/m^3}$：$1000\ \mathrm{mg/L}=1\ \mathrm{kg/m^3}$。因此 $X_f=3\ \mathrm{kg/m^3}$、$X_u=15\ \mathrm{kg/m^3}$。

由固體質量平衡求底流流量：

在污泥濃度為 $X$ 時，底流與重力沉降可共同輸送的固體量，須至少等於進流固體量。所需面積為：

式中的 $Q_f$、$Q_u$ 以 $\mathrm{m^3/d}$ 計，$X$ 以 $\mathrm{kg/m^3}$ 計，$v_s$ 以 $\mathrm{m/h}$ 計；除以 $24$ 是將每日流量換成每小時。取 $X$ 自進流濃度至底流濃度的試驗數據，計算如下：

核心觀念

本題聚焦於現代水處理工程與「工業 4.0 / 水處理 4.0（Water 4.0）」之跨領域整合。核心觀念涵蓋：

1. 智慧水務（Smart Water）整體架構：包含「感測層（物聯網 IoT、線上連續水質儀表）」、「資料傳輸與儲存層」、「分析預測層（人工智慧 AI、機器學習 ML、機理模型、數位雙生 Digital Twin）」與「控制決策層（SCADA 系統、PLC 閉迴路控制、自動加藥與閥門調控）」。
2. 智能化對水處理的核心效益：提升出水水質穩定性（防範突發水質衝擊）、節能降耗（減少曝氣與泵浦電耗，響應淨零碳排）、減少化學藥劑過度添加、實現設備預防性維護（Preventive Maintenance）。
3. 水處理單元反應動態性：傳統水處理多依賴經驗法則或人工定時檢測，存在時間滯後（Time lag）；智能化技術則結合前饋（Feed-forward）與反饋（Feedback）控制，實現非線性動態即時最佳化。

解題方法

本題為高普考環境工程專業科目之申論題，作答時切忌泛泛而談「AI 很重要」，應依循「先整體框架、後具體單元方案」之邏輯切入：

1. 第一部分：提升水處理技術的做法：從「資料獲取與感知」、「模型建立與預測」、「閉迴路最佳化控制」以及「數位雙生與資產管理」四個系統化維度展開說明。
2. 第二部分：三種可行方案：選取水處理工程中具代表性、耗能高或控制難度高的關鍵單元，依據「輸入參數（Input） $\rightarrow$ 智能演算機制（Algorithm） $\rightarrow$ 控制與輸出成效（Output / Benefit）」三段式具體論述。推薦選取：

• 淨水程序：混凝快混池之智慧加藥控制。
• 污水二級處理：活性污泥曝氣池之精準溶氧與曝氣節能控制。
• 高級處理／再生水程序：逆滲透（RO）或薄膜生物反應器（MBR）之膜污堵預測與智慧清洗管理。

選項分析

本題為申論題型，無選項。閱卷評分重點拆解如下：

1. 子題一（提升水處理技術的做法）：重點在於是否具備水處理系統工程思維，必須點出感測、演算法、自動反饋控制之技術鏈結，而非僅著墨電腦軟體端。
2. 子題二（三種可行單元方案）：必須包含明確的「單元程序名稱」、「感測器監測指標」、「控制標的」與「具體工程效益」。若只寫「可以用在沉澱池」、「可以用在過濾」，缺乏控制邏輯與參數，將大幅失分。

解題技巧

1. 結構模組化：採用「標題 $\rightarrow$ 核心原理 $\rightarrow$ 具體做法／效益」條列呈現，段落層次分明。
2. 明確標註工程變數：在方案中具體列出控制變數（如濁度、pH、$UV_{254}$、DO、$NH_4^+$-$N$、TMP 跨膜壓差），展現環境工程專業背景，避免流於資訊科學的空洞名詞。
3. 量化效益指標：論述方案時，提及可達成之效益（如節省藥劑 $10\sim20\%$、節能 $15\sim25\%$、延長薄膜壽命），強化實務說服力。

【答案】

一、應用智能化技術提升水處理技術之具體做法

應用智能化技術提升水處理系統，係透過「物聯網（IoT）＋人工智慧（AI）＋自動化控制」深度融合，具體做法可歸納為以下四個面向：

1. 建立多維度線上即時感測與數據融合系統（IoT Sensing & Data Fusion）

• 於進水、各處理單元及放流水端部署高穩定性之線上連續監測儀表（如濁度計、pH 計、氨氮／硝酸鹽光學分析儀、溶氧計、ORP、流量計及電耗計）。
• 導入邊緣計算（Edge Computing）進行訊號預處理與異常值剔除，克服傳統人工取樣檢驗的時間滯後性（Time lag），建立即時、高解析度之製程資料庫。

2. 建構機理模型與機器學習混合之動態水質／水力預測模型（Hybrid Modeling）

• 結合傳統環境工程動力學模型（如活性污泥模型 ASM1/ASM2d）與人工智慧演算法（如人工神經網絡 ANN、長短期記憶模型 LSTM、隨機森林）。
• 利用歷史大數據訓練模型，在原水遭遇突發水質衝擊（如暴雨高濁度、高有機負荷）時，提早 $1\sim3$ 小時預測出水水質變化與系統反應，化被動應變為主動作為。

3. 發展先進閉迴路前饋-反饋動態控制（Advanced Process Control, APC）