110 專技高考高等考試 環境工程技師 給水及污水工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查四種新興或常見的水處理技術，重點在於說明其作用原理、處理標的、工程應用與限制。作答時可依序交代「技術定義 → 去除機制 → 適用情境 → 操作限制」，並注意區分：

• CDI 是利用電極吸附離子，屬於電化學除鹽。
• comammox 是同一微生物完成氨氧化至硝酸鹽的硝化途徑。
• MBBR 是讓生物膜附著於懸浮載體上進行生物處理。
• FO 是利用滲透壓差驅動水分子通過半透膜。

解題方法

每小題均以「名詞定義、作用原理、工程用途、優缺點或限制」作答。這樣能同時呈現基本觀念與工程判斷，避免只翻譯英文名稱而未回答「如何應用於水處理工程」。

(一) Capacitive De-ionization（CDI，電容去離子）

核心觀念與原理： CDI 是以一對多孔、高比表面積電極施加低電壓，使水中溶解離子在電場作用下移動並吸附於帶相反電荷的電極表面或電極孔隙中，降低出流水的溶解離子濃度。處理完成後，解除電壓或反轉電極極性，使吸附離子脫附並形成濃縮廢液，電極即可再生。

水處理應用： 可用於低至中鹽度水的除鹽、地下水或飲用水的部分脫鹽，以及水中硝酸根、氟離子等特定離子的去除。實際去除效果會受離子種類、進流水鹽度、電極材料及操作電壓影響。

優點與限制： CDI 可藉由電極再生回收部分能量，且在適當水質下可降低藥劑需求。其較適合低至中等鹽度進流水；高鹽度水處理時，電極容量與能耗等因素會降低其相對優勢。天然有機物、懸浮固體與結垢也可能造成電極污染或孔隙阻塞，需進行前處理及維護。

(二) Complete Ammonia Oxidation（comammox，完全氨氧化）

核心觀念與原理： 傳統硝化通常由氨氧化微生物先將氨氧化為亞硝酸鹽，再由亞硝酸鹽氧化微生物將其氧化為硝酸鹽。comammox 則是由同一微生物完成整段反應：

$\mathrm{NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-}$

因此稱為「完全氨氧化」。它屬於硝化作用，會將氨氮轉為硝酸鹽，但本身不代表將氮移出水體；若要達成總氮去除，仍須配合反硝化或其他除氮程序。

水處理應用： 在污水處理中，可將其納入生物硝化系統的菌相與反應途徑考量；在飲用水或地下水處理中，也可用於理解生物濾床等系統的氨氮氧化。其工程表現與菌相組成、溶氧、溫度、氨氮濃度及生物膜環境相關。

作答辨析： comammox 描述的是「同一微生物完成氨至硝酸鹽的氧化」，不是氨直接變成氮氣，也不是反硝化。答題時寫明中間產物亞硝酸鹽，並指出其硝酸鹽仍留在水中，可避免混淆硝化與總氮去除。

核心觀念

三條管線並聯時，流量會分配到各支管，但各支管的起點與終點相同，因此三管的水頭損失相等：

$h_{f,1}=h_{f,2}=h_{f,3}$

總流量則符合連續方程式：

$Q_1+Q_2+Q_3=1.5\ \mathrm{m^3/s}$

由 Darcy–Weisbach 公式及 $V=Q/A$、$A=\pi D^2/4$：

本題各管的摩擦係數相同，所以在共同水頭損失下，支管流量與 $\sqrt{D^5/L}$ 成正比。

解題方法

令共同水頭損失為 $h_f$。各管流量可寫成：

$Q_i=\frac{\pi D_i^2}{4}\sqrt{\frac{2gD_i h_f}{fL_i}}$

故：

$Q_i\propto D_i^{5/2}L_i^{-1/2}$

以第一管為基準，三管的流量比例為：

將比例換算為流量百分比，約為 $0.0962:0.2678:0.6360$。乘上總流量 $1.5\ \mathrm{m^3/s}$：

$Q_1=0.1443\ \mathrm{m^3/s}$

$Q_2=0.4017\ \mathrm{m^3/s}$

$Q_3=0.9540\ \mathrm{m^3/s}$

核心觀念

本題考查 RO 的濃縮效應與溶度積判斷。

• 去除率表示進水中被移除的溶質比例，故未被移除而進入產水的比例為 $1-90\%=10\%$。
• 回收率表示進水水量中成為產水的比例。本題回收率為 $85\%$，因此濃排水水量占進水的 $15\%$。
• 判斷硫酸鋇是否沉積，需比較離子積 $Q=[\mathrm{Ba}^{2+}][\mathrm{SO_4}^{2-}]$ 與溶解度積 $K_{sp}$：$Q>K_{sp}$ 時具有沉澱傾向。

解題方法

以進水 $1\ \mathrm{L}$ 為基準，並假設系統穩定、溶質質量平衡成立，且忽略化學反應及其他影響沉澱的因素。

產水量為 $0.85\ \mathrm{L}$，濃排水量為 $0.15\ \mathrm{L}$。兩種離子均有 $90\%$ 去除率，因此進入產水的溶質量為進水溶質量的 $10\%$，進入濃排水的溶質量為進水溶質量的 $90\%$。

對任一溶質，濃排水濃度為：

因 $C_{\mathrm{產水}}=0.10C_{\mathrm{進水}}$，代入水量比例得：

因此：

• 鋇離子濃度

• 硫酸根離子濃度

接著將濃排水濃度換算成莫耳濃度，以計算離子積。採用硫酸根莫耳質量 $96.06\ \mathrm{g/mol}$、鋇莫耳質量 $137.33\ \mathrm{g/mol}$：

核心觀念

本題考查曼寧公式在明渠均勻流的應用。已知渠道寬度、流量與平均流速，可先由連續方程求過水斷面積，再求水力半徑 $R$，最後代入曼寧公式計算渠道坡度 $S$。

矩形明渠的水力半徑為：

其中 $A$ 為過水斷面積，$P$ 為濕周。濕周只計算與水接觸的渠底及渠壁，不包括水面寬度。

解題方法

1. 將流量換算為 $\mathrm{m^3/s}$

2. 由連續方程求過水斷面積

連續方程為 $Q=AV$，因此：

矩形渠寬 $b=0.5\ \mathrm{m}$，設水深為 $y$，則 $A=by$：

3. 求水力半徑

矩形渠的濕周為 $P=b+2y$，所以：

核心觀念

本題考活性污泥系統的污泥停留時間（SRT，亦稱污泥齡）及氧氣需求量。

污泥停留時間是系統內污泥總量除以每日離開系統的污泥量。題目未提供出流水懸浮固體濃度，因此依題目資料計算時，將污泥離開量視為廢棄污泥量：

氧氣需求量依 COD 質量平衡估算：每日去除的 COD 質量即為理論氧氣需求量。此算法不另計細胞合成、內源呼吸或硝化等修正。

解題方法

一、計算污泥停留時間

曝氣槽內污泥量：

利用 $1\ \mathrm{mg/L}=1\ \mathrm{g/m^3}$，可得：

每日廢棄污泥量：

因此：