112 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

1. 法規依據： 本題以命題當年（民國 112 年）法規為準。《再生水資源發展條例》（民國 111 年 5 月 18 日修正公布施行，現行法架構一致）第 3 條明確定義再生水，並依水源來源與供水系統將再生水區分為**「系統再生水」與「非系統再生水」**兩大類。
2. 水資源工程與永續管理策略： 我國因地形陡峭、降雨時空分佈極不均勻，面對氣候變遷帶來的極端枯旱威脅，水資源治理已由早期單純依賴降雨的「傳統水源開發」，轉型為結合「開源、節流、調度、備援」四大主軸的「多元水資源開發策略」。透過傳統地表水與地下水之常態調配，搭配不受天候乾旱影響的新興科技造水（如再生水、海水淡化），建構具韌性之供水網絡。

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解題方法

本題為法規定義與工程政策論述的綜合題型，解題架構採兩階段循序破題：

1. 法規分類精準化： 第一子題考查法定名詞定義。必須嚴格依據《再生水資源發展條例》之規範，點出兩者的「取水來源（公共污水下水道 vs. 公共污水下水道以外）」、「處理與經營主體」及「供應對象（特定用戶 vs. 自用或他人）」，不可使用日常口語含混帶過。
2. 工程分類條理化： 第二子題論述「多元水資源開發」。應以「水文循環依存度」與「造水技術特徵」為切入點，將水源嚴謹劃分為：

• 傳統水源：依賴天然水文循環降雨之「地面水」（水庫水、川流水、越域引水）與「地下水」（淺/深層水、伏流水）。
• 新興水源：打破看天吃飯限制之科技造水，包含「再生水（都市/工業廢水處理）」、「海水淡化」及「雨水貯留與中水道系統」。

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解題技巧

1. 法規關鍵字掌握：

• 「系統再生水」的判準核心在於「取自公共污水下水道系統」。
• 「非系統再生水」的判準核心在於「取自公共污水下水道系統以外」。
• 陷阱防範：切勿將再生水分類誤答為水質分級（如一級、二級、三級再生水）或用途分級（如工業用、景觀用），該題為專門條例之「法定名詞」考題。

2. 伏流水的定位說明： 伏流水（Subsurface Flow）兼具傳統地下水與現代防濁備援新興工程之雙重角色。作答時將其列於廣義地下水系統，並特別說明其「高濁度汛期與枯旱抗旱之備援特性」，能凸顯環工水處理與水資源工程之專業廣度。
3. 對比式論述： 論述多元水源時，簡要對比傳統水源「成本低但受氣候衝擊大」與新興水源「穩定防旱但耗能及成本較高」的互補特性，是取得高分的重要技巧。

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【答案】

一、《再生水資源發展條例》中之再生水分類與說明

（以命題當年民國 112 年適用之《再生水資源發展條例》第 3 條規定為準）

1. 系統再生水：

• 定義：指取自公共污水下水道系統之污水或放流水，經處理後供用戶使用之水。
• 說明：
• 水源與推動主體：以公共污水處理廠（民生污水）之二級處理放流水為主要進水水源，通常由直轄市、縣（市）政府以公辦或促參（BOT/BTO）模式引進再生水經營業興建處理廠與供水專管。

核心觀念

本題主要測驗自來水及廢污水處理工程中「膠體化學（Colloid Chemistry）」與「化學混濁去除／固液分離」之核心機理。考生需掌握：

1. 有機高分子聚合物（Organic Polymers / Polyelectrolytes）的絮凝機制：包含電荷中和（Charge Neutralization）、粒子間架橋（Interparticle Bridging）、靜電斑駁效應（Electrostatic Patch Effect）及網捕輔助。
2. 水處理與污泥處理流程之單元操作配置：熟悉高分子聚合物在淨水場、污水廠中作為「主混凝劑（Primary Coagulant）」、「助凝劑（Coagulant Aid）」及「污泥調理劑（Sludge Conditioner）」的確切注入點與工藝目的。

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解題方法

1. 原理解析切入點：依高分子之化學特性（陽離子型、陰離子型、非離子型）及其長鏈構造，分項詳述其使微細膠體顆粒克服凡得瓦排斥力、聚合為大型膠羽的物理化學機制。
2. 應用位置與功能結構化呈現：選取水處理流程中最具代表性且功能相異的三個單元（澄清沉澱、污泥脫水、加壓浮除），採用「位置＋功能＋工程效益」三層次逐一說明，展現系統性的水處理解題框架。

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解題技巧

1. 架橋與中和的對應陷阱：高分子量、低電荷密度者（如陰離子型 PAM）主要靠「架橋作用」；中低分子量、高電荷密度者（如陽離子型 Poly-DADMAC）主要靠「電荷中和／斑駁作用」，切忌將兩者混為一談。
2. 位置選取原則：題目要求「至少三處」，應挑選「水處理前段（固液分離）」、「污泥處理後段（減量脫水）」以及「特殊水質處理（如含油浮除）」，此配置涵蓋面廣，能獲閱卷委員最高評分。
3. 過量投加的警語（高分關鍵）：高分子聚合物添加過量會造成「膠體重穩定化（Restabilization）」與高分子線團自我立體阻礙（Steric Hindrance），在論述原理時點出此點可突顯專業深度。

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【答案】

一、有機高分子聚合物之應用原理

有機高分子聚合物（如聚丙烯醯胺，Polyacrylamide, PAM）具備長碳鏈分子骨架與多種活性官能基，依其解離電性可分為陽離子型、陰離子型、非離子型及兩性型。其促成膠體去穩定化與聚集之主要物理化學機制如下：

1. 粒子間架橋作用（Interparticle Bridging）

• 機制：長鏈型有機高分子聚合物伸展於水中，其分子鏈長度大於微粒間的靜電雙電層排斥距離。高分子鏈上的活性官能基（如醯胺基、羧基）透過凡得瓦力、氫鍵或偶極力同時吸附在兩個或兩個以上的膠體顆粒表面，形成「顆粒－高分子－顆粒」的立體網絡三維架構。
• 特點：主要適用於高分子量（分子量通常大於 $10^6 \text{ g/mol}$）之陰離子型或非離子型聚合物，能迅速形成巨大、緊密且耐剪力的粗大膠羽（Macro-flocs）。

核心觀念

本題評量環境工程中「水處理工程（污水工程）」最基礎且核心的程序架構：

1. 處理層級劃分（Degrees of Treatment）：污水處理依去除目標物粒徑、相態及水質要求，劃分為「前處理（初步處理）」、「一級處理」、「二級處理」及「三級（高級）處理」。
2. 單元操作與單元程序（Unit Operations and Processes）：掌握物理性分離（沉降、過濾、浮除）、生物化學分解（好氧／厭氧生物代謝）及深度物化處理（吸附、薄膜、氧化、離子交換）所對應的設施單元。
3. 前處理的保護與調節機能：深入理解前處理並非以去除溶解性有機物為目標，而是作為保護後續機電設備、維持處理穩定性、防止系統淤積堵塞的第一道防線。

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解題方法

本題為標準的申論題型，作答切入點如下：

1. 系統化列表與分類：以「單元名稱＋主要操作原理／去除對象」的方式，清晰條列前處理、一級、二級、三級之核心設施，展現完整的工程序列邏輯。
2. 層次分明的功能論述：針對前處理的功能與目的，從「保護機電設備」、「避免後續槽體淤積」、「改善進水條件」、「環境衛生防臭」及「輔助水質水量監控」等多維度切入，結合工程實務（如泵浦葉輪磨損、消化槽砂死區）進行精確闡述。

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解題技巧

1. 單元歸屬切勿混淆：

• 沉砂池（Grit Chamber）屬於「前處理」，初沉池（Primary Clarifier）屬於「一級處理」，不可混為一談。
• 消毒設備實務上常設於二級放流前，學理與規範上通常視為二級處理之後續保障單元，或獨立納入二級／三級銜接段。

2. 前處理功能緊扣「無機粗重顆粒」與「大尺寸浮渣」：答題時提及沉砂池去除比重約 $2.65$、粒徑約 $0.2\text{ mm}$ 以上之無機顆粒，能大幅提升專業說服力。
3. 版面配置原則：採用大小標題條列作答，各處理層級輔以去除標的（BOD、SS、營養鹽等），結構工整，評分委員可快速給分。

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【答案】

一、各級污水處理設施之單元組成

污水處理依處理程度與去除標的之不同，其單元組成劃分如下：

(一) 前處理設施（Preliminary Treatment）

以物理性單元操作為主，目的在於去除水中大型漂浮物、懸浮物及比重較大之無機砂礫：

1. 攔污柵（Screens）：包含粗柵（Coarse Screen, 間隙 $> 50\text{ mm}$）、中細柵（Fine Screen, 間隙 $6 \sim 25\text{ mm}$），用以截留樹枝、塑膠袋、布類等大型固體。
2. 沉砂池（Grit Chamber）：如平流式沉砂池、曝氣沉砂池、渦流式（旋流）沉砂池，用以沉降比重較大之無機顆粒（砂石、礦物雜質）。
3. 磨碎機（Comminutors / Shredders）：將通過攔污柵之大型有機雜物碎裂為細小微粒，使其能隨水流進入後續處理單元。
4. 流量計與進水調節井：如巴歇爾量水槽（Parshall Flume），量測進流流量並導引水流均勻分配。
5. 水質水量調整池（Equalization Basin）：調節水力負荷及水質峰值（在部分分類亦視為一級前置設施）。

(二) 一級處理設施（Primary Treatment）

主要利用重力沉降去除可沉降性懸浮固體（Settleable Solids）：

1. 初級沉澱池（Primary Clarifier / Sedimentation Basin）：利用靜水或慢速水流，使水中大部分可沉降懸浮物沉澱至池底，上層浮渣（Scum）則由刮渣設備收集。約可去除 $50\% \sim 70\%$ 之懸浮固體（SS）與 $25\% \sim 40\%$ 之生化需氧量（BOD）。
2. 化學強化一級處理單元（CEPT, Chemically Enhanced Primary Treatment）：投加混凝劑（如明礬、鐵鹽）與助凝劑（聚合物），提升膠體顆粒沉降率。
3. 浮除設備（Dissolved Air Flotation, DAF）：針對含大量比重接近或小於 1 之油脂污水（如含油廢水），藉由微氣泡將浮渣浮升去除。

(三) 二級處理設施（Secondary Treatment）

以生物處理程序為主體，輔以固液分離，專門分解水中膠體與溶解性生物可降解有機物（BOD）：

1. 生物反應槽（Biological Reactor）：

核心觀念

本題評量活性污泥系統之「污泥沉降特性指標」與「二次沉澱池固體質量平衡計算」，涉及之核心定義與公式如下：

1. 污泥容積指數（Sludge Volume Index, SVI）： 指曝氣槽混合液經 30 分鐘靜置沉降後，每 1 克活性污泥懸浮固體所佔有的容積（$\mathrm{mL}$）。其定義公式為： $SVI = \frac{SV_{30}\ (\mathrm{mL/L}) \times 1000\ \mathrm{mg/g}}{MLSS\ (\mathrm{mg/L})}$ 其中 $SV_{30}$ 為混合液在 1 公升量筒中靜置沉降 30 分鐘後的污泥容積（$\mathrm{mL/L}$），$MLSS$ 為混合液懸浮固體濃度（$\mathrm{mg/L}$）。

2. 迴流污泥懸浮固體濃度（$X_r$）： 在理想沈澱條件下，沉降 30 分鐘後量筒底部之沉積污泥濃度，即可視為二次沉澱池底部迴流污泥之最大理論濃度（忽略壓密不足與放流水帶出之固體）： $X_r = \frac{MLSS \times 1000\ \mathrm{mL/L}}{SV_{30}\ (\mathrm{mL/L})} = \frac{10^6\ \mathrm{mg/L}}{SVI\ (\mathrm{mL/g})}$

3. 所需迴流比（$R$）： 取曝氣槽進流端或曝氣槽與二次沉澱池系統之固體質量平衡。設進流水流量為 $Q$，進流水懸浮固體濃度可忽略不計；迴流污泥流量為 $Q_r$，濃度為 $X_r$；混合液懸浮固體濃度為 $X$（即 $MLSS$）；放流水懸浮固體濃度 $X_e \approx 0$。 對曝氣槽進流混合節點作固體質量平衡： $Q_r \cdot X_r = (Q + Q_r) \cdot X$ 同除以 $Q$，令迴流比 $R = \frac{Q_r}{Q}$： $R \cdot X_r = (1 + R) \cdot X \implies R = \frac{X}{X_r - X}$

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解題方法

步驟一：計算污泥容積指數（SVI）

已知條件：

• $MLSS = 2800\ \mathrm{mg/L}$
• $SV_{30} = 280\ \mathrm{mL/L}$

帶入 SVI 定義式： $SVI = \frac{280\ \mathrm{mL/L} \times 1000\ \mathrm{mg/g}}{2800\ \mathrm{mg/L}} = 100\ \mathrm{mL/g}$

步驟二：計算迴流污泥懸浮固體物（SS）濃度（$X_r$）

依據沉降測試，1 公升混合液中所含的 $2800\ \mathrm{mg}$ 固體全部濃縮至 $280\ \mathrm{mL}$ 的沉降污泥中： $X_r = \frac{2800\ \mathrm{mg}}{280\ \mathrm{mL}} \times 1000\ \mathrm{mL/L} = 10000\ \mathrm{mg/L}$