111 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

111 年・專技高考・高等考試・環境工程技師
試題代碼 給水及污水工程

第 一 題25 分

請回答下列問題:(每小題 5 分,共 25 分)

(一) 依《自來水工程設施標準》(民國 92 年 12 月 3 日),請說明有關快濾池的規定為何?

(二) 依《自來水工程設施標準》(民國 92 年 12 月 3 日),請說明有關配水管防止污染的規定為何?

(三) 依《水污染防治法》(民國 107 年 6 月 13 日)及其施行細則的規定,事業單位應檢具水污染防治措施計畫,且於申請發給排放許可證時,其應具備的必要文件,須經依法登記執業之環境工程技師或其他相關專業技師簽證。技師依規定在廢(污)水及污泥處理系統設計階段執行簽證業務時,應查核哪些事項?

(四) 依《下水道工程設施標準》(民國 98 年 11 月 27 日),請說明何謂「計畫污泥量」?

(五) 依《下水道工程設施標準》(民國 98 年 11 月 27 日),請說明有關污水下水道「計畫下水量」在分流污水管渠、合流下水管渠與截流污水管渠的規定?

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核心觀念

本題涵蓋給水工程、水污染防治法規及下水道工程設施三大領域,考查環境工程技師在實務規劃、設計及法定簽證時必須熟稔的技術法規依據(本題各項法規皆以命題當年民國 111 年之有效條文為準):

  1. 快濾池(急速過濾池)設計標準:依《自來水工程設施標準》第 47 條,涵蓋池數配置、過濾速度、濾層濾料規格、反沖洗機制與水力控制。
  2. 配水管網防污染規定:依《自來水工程設施標準》第 99 條,著重於管線外在環境隔離(避免穿越污染源)、平行與交叉之安全淨距、管網正壓維持、嚴禁交叉連接(Cross-Connection)以及附屬設施防倒流。
  3. 環工技師設計簽證查核:依《水污染防治法施行細則》第 14 條,針對廢(污)水及污泥處理系統於「設計階段」之質量平衡推估、單元功能與參數妥適性、放流水符合性、設備規格及圖說完整性等查核要件。
  4. 計畫污泥量之定義:依《下水道工程設施標準》第 3 條及第 74 條,掌握以計畫最大日污水量為基礎,推算初沉池生污泥、二沉池生物剩餘污泥及化學污泥之乾燥固體重與含水率換算容積量。
  5. 計畫下水量之法定標準:依《下水道工程設施標準》第 13 條,掌握分流污水管渠、合流下水管渠、截流污水管渠三者在水力設計取水量上的法定基準值。

解題方法

本題為純法規與工程標準題,作答切入點首重「引用精準法條+條列關鍵技術數據+點出工程安全目的」:

  • 第 (一) 小題:按「池數與配置 →\rightarrow 濾速 →\rightarrow 濾料與承托層 →\rightarrow 反沖洗系統 →\rightarrow 控制與出水設備」系統化架構條列。
  • 第 (二) 小題:從「管線路由避開污染源」、「垂直/水平間距保護」、「管網最小正壓水頭」、「嚴禁交叉連接」及「排氣/排水口防倒灌」五大安全防護維度切入。
  • 第 (三) 小題:嚴格依照《水污染防治法施行細則》法定條款,以「進流質與量 →\rightarrow 單元處理機制與參數 →\rightarrow 放流水達標性 →\rightarrow 污泥產處 →\rightarrow 設備規格圖說」循序作答。
  • 第 (四) 小題:以法規定義為骨幹,進一步列出組成來源(初沉池、二沉池、化學沉傳)與推算指標(乾燥固體量轉化為容積量)。
  • 第 (五) 小題:直接對齊法規條文,清楚區分「分流(最大時)」、「合流(雨天下水量=計畫雨水量+晴天最大時)」及「截流(晴天最大時之 2∼32 \sim 3 倍)」。

各小題深入剖析

(一) 《自來水工程設施標準》快濾池之規定

依《自來水工程設施標準》第 47 條規定,急速過濾池(快濾池)之設計規定重點如下:

  1. 池數與配置:
  • 池數應在 2 池以上,並考慮洗沖 1 池時其餘各池仍能維持過濾水量。形狀通常為矩形。
  1. 過濾速度:
  • 一般重力式砂濾池之濾速以每日 100 m100\text{ m} 至 150 m150\text{ m}(即 100∼150 m/day100 \sim 150\text{ m/day})為準。
  • 若採用雙層濾料(如無煙煤與石英砂)或多層濾料,經主管機關核可或功能評估良好者,得適度提高濾速(通常可達 150∼300 m/day150 \sim 300\text{ m/day})。
  1. 濾料與承托層:
  • 濾砂:有效粒徑通常為 0.45 mm0.45\text{ mm} 至 0.70 mm0.70\text{ mm},均勻係數在 1.70 以下,濾層厚度為 60 cm60\text{ cm} 至 70 cm70\text{ cm}。
  • 承托礫石層:厚度通常為 30 cm30\text{ cm} 至 50 cm50\text{ cm},粒徑由下而上漸小,防止濾砂漏失並使洗沖水均勻分布。
  1. 反沖洗(洗沖)設備:
  • 應設水洗反沖洗設備,上升流速通常為每分鐘 0.6 m0.6\text{ m} 至 0.9 m0.9\text{ m}(即 60∼90 cm/min60 \sim 90\text{ cm/min}),砂層膨脹率以 20%20\% 至 30%30\% 為度。
  • 必要時應配合表面沖洗(固定式或旋轉式噴嘴)或空氣輔助洗沖設備,以增強清洗泥球之效果。
  1. 附屬管渠與儀表:
  • 濾層上方水深通常為 1.5 m1.5\text{ m} 至 2.0 m2.0\text{ m}。
  • 每池均應設置出水控制設備(維持定速或減速過濾)、水頭損失計、初濾水放流管及放流槽,初濾水放流水位應設有防止逆流之防護。

(二) 《自來水工程設施標準》配水管防止污染之規定

依《自來水工程設施標準》第 99 條規定,配水管線為防止外部污水與有害物質侵入污染,應符合下列規定:

  1. 避開嚴重污染場址:
  • 配水管線不得穿過水肥池、化糞池、污水坑、廢棄物堆置場、毒性有害物質污染區或下水道人孔等易受污染之場所。
  1. 安全埋設距離:
  • 平行埋設:配水管與排水溝或污水管渠平行埋設時,其外壁水平淨距離應保持在 30 cm30\text{ cm} 以上。
  • 交叉埋設:配水管與排水溝或污水管渠交叉時,配水管應敷設於排水溝或污水管渠之上方,垂直淨距離應在 30 cm30\text{ cm} 以上。
  • 特殊防護:若因現地障礙無法達成上述距離時,配水管應改用耐壓不洩漏之高級管材(如延性鑄鐵管)且不得在交會處設管接頭,或在配水管外加設不銹鋼套管等保護設施。
  1. 維持管網最低動水壓(防止負壓虹吸):
  • 配水管網於任何用水尖峰與調配操作下,管內應維持有效正水壓,最低動水壓不得低於 1.0 kgf/cm21.0\text{ kgf/cm}^2(10 m10\text{ m} 水頭),防止因管內破裂或停水時產生負壓而吸入周圍受污染之地下水。
  1. 嚴禁交叉連接(Cross-Connection):
  • 配水管網嚴禁與非自來水管系統(如地下水井私設水源、工業未處理用水、中水道再生水)直接連通;與可能產生倒流之器具連接時,必須設置具備物理阻絕之空氣間隙(Air Gap)或合格之逆流防止器。
  1. 排氣閥與排水孔防護:
  • 配水管裝設之空氣閥(排氣閥)吸排氣口,應高出地面或淹水線以上,不得浸入積水或污水中;排泥管出口不得與雨污水管渠直接接通,應採間接排水並設有防蟲網防護。

(三) 《水污染防治法施行細則》技師於設計階段之簽證查核事項

依《水污染防治法施行細則》第 14 條規定,執業環境工程技師或其他相關專業技師於事業或污水下水道系統之廢(污)水及污泥處理系統「設計階段」執行簽證時,應查核下列各款事項:

  1. 進流水質水量推估:廢(污)水及污泥產生量、水質之推估依據及其合理性。
  2. 處理單元功能與參數:廢(污)水各水質項目處理單元之功能評估、設計參數與處理流程之妥適性。
  3. 放流標準符合性:設計之處理功能是否足以符合放流水標準或主管機關指定之總量管制標準。
  4. 單元容量與設備規格:廢(污)水處理設施各單元容量、設備規格及數量之妥適性。
  5. 污泥產量與處置規畫:污泥產生量之推估、處理方式、貯存設施及最終清理處置方式之妥適性。
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第 二 題25 分

淨水或廢水處理單元中,傳統砂濾池操作的挑戰,主要包括水頭損失上升速度過快、濾程太短、反洗過於頻繁、增加反洗水量,以及減少淨出水量。

請說明造成傳統砂濾池水頭損失上升速度過快,與濾程太短的可能原因與因應對策。

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核心觀念

本題考查淨水與污水三級處理中「傳統單層快濾池(Rapid Sand Filter)」的水力學特性、濾層截留機制與操作運轉問題。主要涉及以下核心原理:

  1. 水頭損失(Head Loss)理論公式: 濾層清潔與過濾過程中的水頭損失通常由 Carman-Kozeny 方程式描述: hL=f⋅Ld⋅v2g⋅1−εε3h_L = f \cdot \frac{L}{d} \cdot \frac{v^2}{g} \cdot \frac{1 - \varepsilon}{\varepsilon^3} 其中 LL 為濾層厚度、dd 為濾料粒徑、vv 為過濾線速度、ε\varepsilon 為孔隙率(Porosity)、gg 為重力加速度、ff 為摩擦阻力係數。 過濾時懸浮固體沈積於濾料孔隙,使孔隙率 ε\varepsilon 急劇下降、比表面積增加,水頭損失 hLh_L 因而快速上升。

  2. 水力分選(Hydraulic Grading)與表面過濾(Surface Filtration): 傳統單層砂濾池經反沖洗流體化後,會產生細砂在上、粗砂在下的「水力分選」現象。重力由上而下過濾時,進水最先接觸粒徑最小的細砂層,形成「表面過濾(濾餅過濾)」,雜質迅速堵塞表層孔隙,導致深層濾料未能發揮容污能力。

  3. 氣阻現象(Air Binding)與負水頭(Negative Head): 當濾層內部水頭損失大於該處的水深靜水壓時,會產生局部負壓(低於大氣壓)。水中溶解空氣或生物代謝氣體釋出並滯留於孔隙中,大幅縮小水流截面積,促使水頭損失陡增。


解題方法

本題為標準的成因診斷與工程對策申論題。解題應避免散漫條列,應從系統工程的生命週期與運轉流程切入:

  1. 成因分析:依「進水水質與前處理」、「濾料與水力結構特性」、「物理與化學操作不當」三個維度剖析水頭損失迅速上升與濾程偏短的機制。
  2. 因應對策:針對各項成因,分別提出對應的「源頭水質控制」、「濾床工程改良」與「操作程序優化」措施。

選項分析

本題為高等考試專技高考之申論題(非選擇題)。考生在應試時,須依評分規準針對題目核心命題(成因與對策)展開對稱式論述:

  • 成因面向:必須同時涵蓋「懸浮物/絮體過量(前處理失衡)」、「水力分選所致之表層堵塞」、「氣阻/負水頭」、「泥球形成(清洗不全)」等關鍵機制,單一維度論述無法獲得高分。
  • 對策面向:不可僅寫「縮短反洗週期」或「增加反洗水量」(此舉反而加劇題目指出的痛點),必須提出治本對策,如「混凝劑劑量控制」、「雙層/多層濾料改造」、「氣水併用/表面輔助反沖洗」、「出水水位控制防止負水頭」等。

解題技巧

  1. 破題架構口訣——「水、藥、砂、氣、洗」:
  • 水:進水濁度/SS 過高、藻類滋生。
  • 藥:混凝加藥過量,膠羽殘留未沉澱。
  • 砂:單層細砂水力分選,表層孔隙率驟降。
  • 氣:負水頭引發氣阻(Air binding)。
  • 洗:反沖洗強度不足導致泥球(Mud balls)累積。
  1. 成因與對策務必「一對一精準對應」:提出一項成因,對策欄即須有對應的工程或操作解法,脈絡方具說服力。

【答案】

一、造成傳統砂濾池水頭損失上升過快與濾程太短之可能原因

  1. 前處理效能不彰與進水固體負荷過高:
  • 原水濁度突增:暴雨或原水水質惡化,沉澱池未能有效截留高濃度懸浮固體(SS),使過多雜質直接衝擊濾池。
  • 混凝劑(如明礬、PAC)添加過量:過量金屬鹽混凝劑或助凝劑(高分子聚合物)殘留於水中,形成黏性氫氧化物膠羽,迅速在濾料表層黏著並堵塞孔隙。
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第 三 題25 分

有一運作中的民生生活污水處理廠,其處理流程為傳統活性污泥法,進流水量為 Qave=5,000 CMDQ_{\mathrm{ave}}=5{,}000\ \mathrm{CMD}(平均日流量),進流水質為 BOD:120 mg/L120\ \mathrm{mg/L},SS:140 mg/L140\ \mathrm{mg/L},TN:40 mg-N/L40\ \mathrm{mg\text{-}N/L},TKN:35\ \mathrm{mg\text{-}N/L。

目前該廠的 BOD 與 SS 處理成效良好,各單元也正常操作中。假設本廠早期興建的污水廠原始規劃設計時,並未將 TN 與 NH3_3-N 的去除列入設計的考量中,原設計的曝氣池體積為 2,000 m32{,}000\ \mathrm{m^3},既設曝氣機的總供氣量為 150,000 m3-Air/day150{,}000\ \mathrm{m^3\text{-}Air/day}。

若你為某一環境工程技師事務所的技師,受命在不增加槽體(因為並無預留空間)的狀況下,提升此一既設污水廠對 TN 與 NH3_3-N 的削減功能,你對此功能提升的改善規劃建議為何?(含基本原理、量化計算、增設設備與操作方式)

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核心觀念

本題的核心在於「既設傳統活性污泥法(CAS)在不擴建槽體容積的條件下,進行生物脫氮(BNR)功能提升之工程改造」。主要涉及以下觀念、定義與公式:

  1. 生物脫氮原理(Nitrification & Denitrification):
  • 氨化與硝化作用(好氧環境):自營性硝化菌將氨氮氧化為硝酸鹽氮,反應分為兩階段(亞硝化與硝化): NH4++1.5O2→NO2−+H2O+2H+\mathrm{NH_4^+ + 1.5O_2 \rightarrow NO_2^- + H_2O + 2H^+} NO2−+0.5O2→NO3−\mathrm{NO_2^- + 0.5O_2 \rightarrow NO_3^-} 理論耗氧量為 4.57 g O2/g NH4+-N4.57\ \mathrm{g\ O_2/g\ NH_4^+\text{-}N};每氧化 1 g NH4+-N1\ \mathrm{g\ NH_4^+\text{-}N} 消耗 7.14 g CaCO37.14\ \mathrm{g\ CaCO_3} 之鹼度。
  • 脫硝作用(缺氧環境):兼性異營菌在缺乏溶氧(DO<0.5 mg/L\mathrm{DO} < 0.5\ \mathrm{mg/L})但存在硝酸鹽的環境下,以有機碳為電子供體將 NO3−\mathrm{NO_3^-} 還原為 N2\mathrm{N_2}: NO3−+1.08CH3OH+H+→0.065C5H7O2N+0.47N2+0.76CO2+2.44H2O\mathrm{NO_3^- + 1.08CH_3OH + H^+ \rightarrow 0.065C_5H_7O_2N + 0.47N_2 + 0.76CO_2 + 2.44H_2O} 每還原 1 g NO3−-N1\ \mathrm{g\ NO_3^-\text{-}N} 可回收 2.86 g O22.86\ \mathrm{g\ O_2} 當量並產生 3.57 g CaCO33.57\ \mathrm{g\ CaCO_3} 之鹼度。
  1. 槽體內部流況改造: 在不增加池容之前提下,將原單一好氧曝氣池增設阻流壁(Baffle),改裝為前置缺氧(Modified Ludzack-Ettinger, MLE)系統,或導入整合固定膜活性污泥法(IFAS / MBBR 載體技術)。
  2. 質能平衡與主要設計參數:
  • 水力停留時間:HRT=VQHRT = \frac{V}{Q}。
  • 理論脫硝去除率:ηTN=R+r1+R+r\eta_{\mathrm{TN}} = \frac{R + r}{1 + R + r}(其中 RR 為硝化液內部迴流比,rr 為污泥迴流比)。
  • 需氧量(AOR)與風量檢核。

解題方法

一、 基本原理與程序選定

原廠為傳統活性污泥法,僅能去除有機物(BOD)與懸浮固體(SS),無法主動脫氮。為在零用地擴建限制下達到硝化與脫硝,最佳策略為將既設矩形曝氣池改建為 MLE(前置缺氧脫硝)程序:

  • 利用進流水中天然之易生物分解有機碳(rbBOD)於池體前段「缺氧區」進行脫硝,省去額外添加碳源成本。
  • 池體後段維持「好氧區」進行 BOD 深度去除與硝化反應。
  • 設置高流量「內部硝化液迴流系統」,將後段產生的 NO3−\mathrm{NO_3^-} 導回前段缺氧區還原為 N2\mathrm{N_2} 釋逸。

二、 量化計算與工程檢核

1. 水力停留時間(HRT)與槽體分區計算
  • 總槽體體積 V=2,000 m3V = 2{,}000\ \mathrm{m^3},進水流量 Q=5,000 m3/dayQ = 5{,}000\ \mathrm{m^3/day}: HRTtotal=VQ=2,000 m35,000 m3/day=0.4 day=9.6 hrHRT_{\mathrm{total}} = \frac{V}{Q} = \frac{2{,}000\ \mathrm{m^3}}{5{,}000\ \mathrm{m^3/day}} = 0.4\ \mathrm{day} = 9.6\ \mathrm{hr}
  • 槽體容積配置建議: 考量脫硝與硝化所需反應時間,將既設池體以 1:31:3 之比例劃分缺氧與好氧區:
  • 缺氧區容積比 25%25\%: Vanox=2,000×0.25=500 m3(HRTanox=2.4 hr)V_{\mathrm{anox}} = 2{,}000 \times 0.25 = 500\ \mathrm{m^3} \quad (HRT_{\mathrm{anox}} = 2.4\ \mathrm{hr}) (一般前置脫硝所需 HRTHRT 為 1.5–3.0 hr1.5\text{--}3.0\ \mathrm{hr},此配置完全符合設計標準)。
  • 好氧區容積比 75%75\%: Vaero=2,000×0.75=1,500 m3(HRTaero=7.2 hr)V_{\mathrm{aero}} = 2{,}000 \times 0.75 = 1{,}500\ \mathrm{m^3} \quad (HRT_{\mathrm{aero}} = 7.2\ \mathrm{hr}) (硝化所需好氧 HRTHRT 一般為 6–8 hr6\text{--}8\ \mathrm{hr},符合要求)。
2. 碳氮比(BOD/TKN\mathrm{BOD/TKN})可行性評估
  • 進流水碳氮比: BODTKN=120 mg/L35 mg/L≈3.43\frac{\mathrm{BOD}}{\mathrm{TKN}} = \frac{120\ \mathrm{mg/L}}{35\ \mathrm{mg/L}} \approx 3.43
  • 評估:生物脫硝之碳源需求通常需 BOD/TKN≥3.5–4.0\mathrm{BOD/TKN} \ge 3.5\text{--}4.0。目前數值約為 3.433.43,顯示進流污水之有機碳量接近自給自足門檻,能支撐 70%–80%70\%\text{--}80\% 以上的生物脫硝;唯若冬季低溫或欲追求更高脫氮標準時,需預留外加碳源(如甲醇、乙酸鈉)投藥設施作為備援。
3. 需氧量(AOR)與既設供氣量餘裕檢核
  • 合成同化消耗之氮量: 污泥合成代謝約消耗進流 BOD 移除量之 5%5\% 氮量: ΔNsyn≈120 mg/L×0.05=6 mg/L\Delta N_{\mathrm{syn}} \approx 120\ \mathrm{mg/L} \times 0.05 = 6\ \mathrm{mg/L}
  • 需硝化之氮量(假設出水殘餘溶性未氧化氮為 2 mg/L2\ \mathrm{mg/L}): Nnit=TKNin−ΔNsyn−Neff=35−6−2=27 mg/LN_{\mathrm{nit}} = \mathrm{TKN}_{\mathrm{in}} - \Delta N_{\mathrm{syn}} - N_{\mathrm{eff}} = 35 - 6 - 2 = 27\ \mathrm{mg/L} 每日需硝化之氮總量: LN=5,000 m3/day×27 g/m3×10−3 kg/g=135 kg-N/dayL_{\mathrm{N}} = 5{,}000\ \mathrm{m^3/day} \times 27\ \mathrm{g/m^3} \times 10^{-3}\ \mathrm{kg/g} = 135\ \mathrm{kg\text{-}N/day}
  • 每日碳氮需氧量計算(假設 BOD 去除率 90%90\%,即去除 108 mg/L108\ \mathrm{mg/L}):
  • 碳氧化需氧量(約 1.1 kg O2/kg BOD1.1\ \mathrm{kg\ O_2/kg\ BOD}): O2,BOD=5,000×0.108×1.1=594 kg O2/day\mathrm{O_{2,BOD}} = 5{,}000 \times 0.108 \times 1.1 = 594\ \mathrm{kg\ O_2/day}
  • 硝化需氧量(4.57 kg O2/kg N4.57\ \mathrm{kg\ O_2/kg\ N}): O2,NIT=135 kg N/day×4.57 kg O2/kg N=617 kg O2/day\mathrm{O_{2,NIT}} = 135\ \mathrm{kg\ N/day} \times 4.57\ \mathrm{kg\ O_2/kg\ N} = 617\ \mathrm{kg\ O_2/day}
  • 脫硝回補氧當量(以硝化液 80%80\% 脫硝計,135×0.8=108 kg N/day135 \times 0.8 = 108\ \mathrm{kg\ N/day} 還原,每 kg\mathrm{kg} 回補 2.86 kg O22.86\ \mathrm{kg\ O_2}): O2,DENIT=108×2.86=308.9 kg O2/day\mathrm{O_{2,DENIT}} = 108 \times 2.86 = 308.9\ \mathrm{kg\ O_2/day}
  • 實際淨需氧量(AOR): AOR=594+617−308.9≈902 kg O2/day\mathrm{AOR} = 594 + 617 - 308.9 \approx 902\ \mathrm{kg\ O_2/day}
  • 既設供氣量能檢核: 既設鼓風機供氣量為 150,000 m3-Air/day150{,}000\ \mathrm{m^3\text{-}Air/day}。 標準空氣密度約 1.2 kg/m31.2\ \mathrm{kg/m^3},氧氣質量分率約 23.2%23.2\%: Air O2 Supply=150,000×1.2×0.232=41,760 kg O2/day\mathrm{Air\ O_2\ Supply} = 150{,}000 \times 1.2 \times 0.232 = 41{,}760\ \mathrm{kg\ O_2/day} 在好氧區水深及微細氣泡擴散板作用下,若實際氧轉移效率(αFOTE\alpha \mathrm{FOTE})以保守之 6%6\% 計算: 池內可溶解氧量=41,760×0.06=2,505 kg O2/day>902 kg O2/day\text{池內可溶解氧量} = 41{,}760 \times 0.06 = 2{,}505\ \mathrm{kg\ O_2/day} > 902\ \mathrm{kg\ O_2/day} 氣水比 =150,0005,000=30 m3-Air/m3-Water= \frac{150{,}000}{5{,}000} = 30\ \mathrm{m^3\text{-}Air/m^3\text{-}Water}(遠大於一般生活污水硝化所需之 10–15 m3/m310\text{--}15\ \mathrm{m^3/m^3})。 結論:既設曝氣風量極為充沛,供氧設備不需擴充,僅需重整配管與分區閥件控制。
4. 內部迴流比(RR)與脫硝率估算

設二沉池污泥迴流比 r=0.5r = 0.5(50%50\%),增設之硝化液內部迴流比 R=3.0R = 3.0(300%300\%,即迴流泵流量 Qint=15,000 CMDQ_{\mathrm{int}} = 15{,}000\ \mathrm{CMD}):

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第 四 題25 分

某電鍍工廠屢因放流水不符合放流水標準,而被環保局因違反水污染防治法第 7 條規定處以罰鍰,並被通知要求限期改善。該電鍍廠乃委託某環境工程技師檢視該電鍍工廠既有操作中的電鍍廢水處理設施,檢討該廢水廠的處理流程與各單元的合理性,並提供必要的改善作為建議。

該環境工程技師檢測既有的廢水處理流程與單元後,得知:

(一) 廢水收集依傳統的酸鹼綜合廢水、氰系廢水與鉻系廢水分流收集。

(二) 氰系廢水經收集池(HRT:1 小時)後,流經 pH 調整槽加鹼調整到 pH 7.5,溢流至第一氧化池,再加漂白水(HRT:5 分鐘)控制 ORP 大約為 300 mV,接著抽水到第二氧化池(HRT:5 分鐘),持續添加漂白水控制 ORP 大約為 450 mV。之後該水流至混合池(HRT:0.5 小時)與酸鹼綜合廢水混合後,採快混(添加 NaOH 調整 pH 與添加 PAC,HRT:10 分鐘,pH 8.5)與慢混處理(添加 Polymer,HRT:30 分鐘),再經 pH 調整槽(HRT:5 分鐘,pH 7.5),接著沉澱處理(HRT:1.5 小時,表面負荷:55 m3/(m2-day)55\ \mathrm{m^3/(m^2\text{-}day)})後放流。

(三) 分流收集的鉻系廢水經收集池(HRT:1 小時)後,流經 pH 調整槽加酸調整 pH 4.5,溢流至還原池。還原池加亞硫酸氫鈉(HRT:10 分鐘)控制 ORP 大約為 450 mV,之後該水流至混合池(HRT:2 小時)與酸鹼綜合廢水混合後,採前述的快混、慢混與沉澱處理。

經此初步檢視後,若你為該環境工程技師,你對此廢水廠改善作為的建議為何?

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這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查電鍍廢水處理之分流前處理(氰系與鉻系)、化學混凝沉澱(重金屬氫氧化物沉澱)及水力單元設計參數的檢討與改善。依命題當年(民國 111 年)《水污染防治法》第 7 條規定,事業排放廢(污)水於地面水體者,應符合放流水標準(主要管制項目包含 pH、懸浮固體 SS、化學需氧量 COD、總氰化物、總鉻、六價鉻、銅、鎳、鋅等重金屬)。

  1. 氰系廢水處理(二段式鹼性氯化法,Alkaline Chlorination):
  • 第一段(破氰氧化為氰酸鹽): CN−+OCl−→CNO−+Cl−\mathrm{CN^- + OCl^- \rightarrow CNO^- + Cl^-} 操作條件:pH≥10.0∼11.0\mathrm{pH \ge 10.0 \sim 11.0}(防止劇毒且具爆炸性的氯化氰 CNCl\mathrm{CNCl} 氣體溢散,並加速其水解)、ORP≈+300∼+350 mV\mathrm{ORP \approx +300 \sim +350\ mV}、HRT≥15∼30 min\mathrm{HRT \ge 15 \sim 30\ min}。
  • 第二段(氰酸鹽完全氧化為二氧化碳與氮氣): 2CNO−+3OCl−+H2O→2CO2↑+N2↑+3Cl−+2OH−2\mathrm{CNO^-} + 3\mathrm{OCl^-} + \mathrm{H_2O \rightarrow 2CO_2 \uparrow + N_2 \uparrow + 3Cl^- + 2OH^-} 操作條件:pH≈8.0∼8.5\mathrm{pH \approx 8.0 \sim 8.5}(微鹼性下水解氧化速率快)、ORP≈+600∼+650 mV\mathrm{ORP \approx +600 \sim +650\ mV}(維持足量游離殘餘氯)、HRT≥30∼45 min\mathrm{HRT \ge 30 \sim 45\ min}。
  1. 鉻系廢水處理(酸性還原法,Chemical Reduction):
  • 六價鉻 Cr(VI)\mathrm{Cr(VI)} 還原為三價鉻 Cr(III)\mathrm{Cr(III)}(以亞硫酸氫鈉 NaHSO3\mathrm{NaHSO_3} 為還原劑): Cr2O72−+3HSO3−+5H+→2Cr3++3SO42−+4H2O\mathrm{Cr_2O_7^{2-} + 3HSO_3^- + 5H^+ \rightarrow 2Cr^{3+} + 3SO_4^{2-} + 4H_2O}
  • 操作條件:pH≤2.0∼2.5\mathrm{pH \le 2.0 \sim 2.5}(強酸性下反應迅速)、ORP≈+250∼+300 mV\mathrm{ORP \approx +250 \sim +300\ mV}(由原水約 +600∼+700 mV+600\sim +700\ \mathrm{mV} 降至還原終點電位)、HRT≥15∼30 min\mathrm{HRT \ge 15 \sim 30\ min}。
  1. 重金屬化學沉澱與物化混凝:
  • 三價金屬離子與各重金屬離子形成氫氧化物沉澱: Mn++nOH−→M(OH)n↓\mathrm{M^{n+} + nOH^- \rightarrow M(OH)_n \downarrow}
  • 重金屬氫氧化物最佳共沉澱 pH\mathrm{pH} 通常介於 8.5∼9.58.5 \sim 9.5 之間。沉澱固液分離必須在此最適鹼性環境下完成;若於沉澱前降酸,金屬氫氧化物將重新解離溶解。放流水調質槽(pH 6.0~9.0)必須設於沉澱池「之後」。
  1. 沉澱池水力負荷:
  • 表面負荷(Surface Overflow Rate, SORSOR): SOR=QASOR = \frac{Q}{A} 金屬氫氧化物膠羽質輕脆弱,設計標準表面負荷應為 20∼35 m3/(m2⋅day)20 \sim 35\ \mathrm{m^3/(m^2\cdot day)};沉澱池水力停留時間(HRT)通常建議為 2.0∼4.0 hr2.0 \sim 4.0\ \mathrm{hr}。

解題方法

本題為工程實務診斷題,解題切入點採**「單元程序對照診斷法」**:

  1. 檢視分流與前處理單元(氰系處理、鉻系處理)之化學反應條件(pH、ORP、HRT)。
  2. 檢視後續綜合混凝沉澱程序之單元配置順序(酸鹼調質與沉澱順序邏輯)。
  3. 檢視沉澱單元之水力參數(表面負荷、HRT)。
  4. 針對診斷出之缺失,提出明確具體之改善工程與操作調整作為。

選項分析

(本題為申論題,以下針對題目所列各廢水處理流程單元之現況進行逐一缺失分析與合理性檢討)

  1. 氰系廢水處理單元檢討:
  • 第一氧化池 pH 嚴重不足:廠內僅調整至 pH 7.5\mathrm{pH\ 7.5}。在此中性偏弱鹼環境下,中段產物氯化氰(CNCl\mathrm{CNCl})之水解半衰期長達數十分鐘以上,將逸散出劇毒 CNCl\mathrm{CNCl} 氣體,危害現場人員工安,且無法有效破氰。第一段 pH\mathrm{pH} 必須維持在 ≥10.0\ge 10.0。
  • 氧化反應時間(HRT)極度不足:第一、第二氧化池之 HRT 各僅有 5 min5\ \mathrm{min}(總共僅 10 min10\ \mathrm{min}),遠低於二段式氧化所需之 15∼30 min15 \sim 30\ \mathrm{min}(第一段)及 30∼45 min30 \sim 45\ \mathrm{min}(第二段),反應尚未完全即流出,導致放流水總氰化物超標。
  • 第二氧化池 ORP 控制值偏低:設定為 450 mV450\ \mathrm{mV},未達完全破氰之氧化還原電位終點(應 ≥600∼650 mV\ge 600 \sim 650\ \mathrm{mV}),表示次氯酸鈉加藥不足,殘留大量氰酸鹽或未破壞之錯合物。
  • 缺乏兩段間之 pH 調節:第一段轉入第二段時未將 pH 調降至最適反應範圍(pH 8.0∼8.5\mathrm{pH\ 8.0 \sim 8.5})。
  1. 鉻系廢水處理單元檢討:
  • 還原反應 pH 過高:廠內將 pH 調至 4.54.5。在 pH>3.0\mathrm{pH} > 3.0 時,亞硫酸氫鈉還原六價鉻之反應速率大幅降低,甚至近乎停滯,六價鉻無法充分還原為三價鉻。
  • 還原池 ORP 控制值設定錯誤:控制在 450 mV450\ \mathrm{mV} 偏高,反應尚未達到完全還原終點(適當電位應為 +250∼+300 mV+250 \sim +300\ \mathrm{mV}),還原劑投加量不足,殘留大量六價鉻。
  • HRT 偏低:還原池 HRT 僅 10 min10\ \mathrm{min},在 pH 4.5\mathrm{pH\ 4.5} 反應遲緩之情況下,反應時間完全無法因應,造成六價鉻未完全還原即排入混合池。
  1. 化學混凝與沉澱單元配置檢討:
  • 單元配置順序嚴重錯誤(重大設計瑕疵):廠內於快混(pH 8.5)及慢混形成重金屬氫氧化物膠羽後,竟在沉澱池「前」增設 pH 調整槽將 pH
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