112 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

112 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20 分

有一 100,000 CMD100{,}000\ \mathrm{CMD} 之淨水場，其原水鹼度為 15 mg/L15\ \mathrm{mg/L}（以 CaCO3\mathrm{CaCO_3} 表示），瓶杯試驗結果需要 20 mg/L20\ \mathrm{mg/L} 之 Al2(SO4)3⋅14H2O\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot14H_2O} 進行混凝，請說明：

（每小題 5 分，共 20 分）

（1）鹼度減少的濃度（取到小數點以下第二位）。

（2）每日含 14 個結晶水之明礬加藥量。

（3）產生之污泥量。

（4）是否需要外加鹼劑。

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核心觀念

明礬混凝時，鋁鹽水解生成氫氧化鋁絮體，並消耗水中鹼度。計算時須區分：

  • 鹼度消耗量：以 CaCO3\mathrm{CaCO_3} 當量表示。
  • 藥劑量：題目給的是含 14 個結晶水的明礬 Al2(SO4)3⋅14H2O\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot14H_2O}。
  • 污泥量：依明礬水解生成的 Al(OH)3\mathrm{Al(OH)_3} 乾重計算。

反應的化學計量關係為：

Al2(SO4)3⋅14H2O+3Ca(HCO3)2→2Al(OH)3+3CaSO4+6CO2+14H2O\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot14H_2O+3Ca(HCO_3)_2 \rightarrow 2Al(OH)_3+3CaSO_4+6CO_2+14H_2O}

每莫耳明礬消耗 3 莫耳 CaCO3\mathrm{CaCO_3} 當量鹼度，並生成 2 莫耳 Al(OH)3\mathrm{Al(OH)_3}。

解題方法

明礬分子量為：

Malum=2(27)+3(32+4×16)+14(18)=594 g/molM_{\mathrm{alum}}=2(27)+3(32+4\times16)+14(18)=594\ \mathrm{g/mol}

鹼度以 CaCO3\mathrm{CaCO_3} 表示時，每莫耳明礬消耗的鹼度當量為：

3(100)=300 g CaCO3/mol alum3(100)=300\ \mathrm{g\ CaCO_3/mol\ alum}

（1）鹼度減少的濃度

鹼度消耗量與明礬劑量的比例為 300/594300/594，因此：

20×300594=10.10 mg/L as CaCO320\times\frac{300}{594} =10.10\ \mathrm{mg/L\ as\ CaCO_3}

（2）每日含 14 個結晶水之明礬加藥量

100,000 CMD=100,000 m3/d100{,}000\ \mathrm{CMD}=100{,}000\ \mathrm{m^3/d}，而 20 mg/L=20 g/m320\ \mathrm{mg/L}=20\ \mathrm{g/m^3}：

20 g/m3×100,000 m3/d=2,000,000 g/d=2,000 kg/d20\ \mathrm{g/m^3}\times100{,}000\ \mathrm{m^3/d} =2{,}000{,}000\ \mathrm{g/d} =2{,}000\ \mathrm{kg/d}
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第 二 題25 分

有一自來水廠擬用 UF+RO 進行處理，其產水量為每日 24,000 CMD24{,}000\ \mathrm{CMD}，擬直接供應給某工廠作為冷卻用水。該廠產水採取由 70% UF 加上 30% RO 混合而成。假設 UF 產水率 95%、BOD 去除率 50%、導電度去除率 0%；RO 產水率 50%、BOD 去除率 99%、導電度去除率 99.99%。RO 須以 UF 進行前處理。如其自來水水源 BOD 為 20 mg/L20\ \mathrm{mg/L}、SS 為 10 mg/L10\ \mathrm{mg/L}、導電度為 350 μS/cm350\ \mathrm{\mu S/cm}，如 UF 膜及 RO 膜產水通量均為 20 LMH20\ \mathrm{LMH}，請問：

（每小題 5 分，共 25 分；除第 4 小題取到小數點以下兩位外，其餘答案均取到整數即可。）

（1）每日需要再生水水源為多少 CMD？

（2）需要多少 m2\mathrm{m^2} 之 UF 膜？

（3）需要多少 m2\mathrm{m^2} 之 RO 膜？

（4）再生水水質中 BOD 多少？

（5）再生水水質中導電度多少？

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核心觀念

本題考查混合產水的水量平衡、膜產水率與膜面積計算，以及依處理去除率計算混合水質。

  • 產水率（回收率）＝產水量 ÷ 進流水量。
  • 膜面積由產水通量換算：A=Qp/JA=Q_p/J。其中 J=20 LMH=20 L/(m2⋅h)J=20\ \mathrm{LMH}=20\ \mathrm{L/(m^2\cdot h)}。
  • 混合水質須以各股水的流量加權：Cmix=∑QiCi/∑QiC_{\mathrm{mix}}=\sum Q_iC_i/\sum Q_i。

題目所稱總產水量 24,000 CMD24{,}000\ \mathrm{CMD}，且由 70%70\% UF 水與 30%30\% RO 水混合，故兩股混合產水量分別為 16,80016{,}800 與 7,200 CMD7{,}200\ \mathrm{CMD}。RO 以 UF 產水作為進水前處理。

解題方法

（1）每日需要再生水水源量

UF 直接產水占混合產水的 70%70\%：

QUF,p=24,000×0.70=16,800 CMDQ_{\mathrm{UF,p}}=24{,}000\times0.70=16{,}800\ \mathrm{CMD}

RO 產水占 30%30\%：

QRO,p=24,000×0.30=7,200 CMDQ_{\mathrm{RO,p}}=24{,}000\times0.30=7{,}200\ \mathrm{CMD}

RO 產水率為 50%50\%，因此 RO 進水量為：

QRO,in=7,2000.50=14,400 CMDQ_{\mathrm{RO,in}}=\frac{7{,}200}{0.50}=14{,}400\ \mathrm{CMD}

RO 進水由 UF 產水供應，故 UF 總產水量須供應直接混合用水及 RO 進水：

QUF,p,total=16,800+14,400=31,200 CMDQ_{\mathrm{UF,p,total}}=16{,}800+14{,}400=31{,}200\ \mathrm{CMD}

UF 產水率為 95%95\%，因此原水量為：

Qsource=31,2000.95=32,842.11 CMD≈32,842 CMDQ_{\mathrm{source}}=\frac{31{,}200}{0.95} =32{,}842.11\ \mathrm{CMD} \approx \boxed{32{,}842\ \mathrm{CMD}}

（2）UF 膜面積

UF 膜須處理全部原水。每日原水量換算為每小時流量：

QUF,in=32,842.11×1,00024=1,368,421.05 L/hQ_{\mathrm{UF,in}}=\frac{32{,}842.11\times1{,}000}{24} =1{,}368{,}421.05\ \mathrm{L/h}

因此：

AUF=QUF,in20=1,368,421.0520=68,421.05 m2≈68,421 m2A_{\mathrm{UF}}=\frac{Q_{\mathrm{UF,in}}}{20} =\frac{1{,}368{,}421.05}{20} =68{,}421.05\ \mathrm{m^2} \approx \boxed{68{,}421\ \mathrm{m^2}}

（3）RO 膜面積

RO 膜處理量為 RO 進水量 14,400 CMD14{,}400\ \mathrm{CMD}：

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第 三 題10 分

淨水廠沉澱池採用長寬比為 2:12:1 之矩形沉澱池，其處理水量為 19,200 CMD19{,}200\ \mathrm{CMD}，分四池處理。若溢流率（或表面積負荷）為 0.234 mm/sec0.234\ \mathrm{mm/sec}，水力停留時間為 3 小時，試問：

（每小題 5 分，共 10 分）

（1）每個池子的長、寬、深各是多少 m\mathrm{m}？

（2）平均流速為多少 m/hr\mathrm{m/hr}？

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核心觀念

本題考沉澱池的表面積負荷、水力停留時間及平均水平流速。表面積負荷（溢流率）是單位水面積的處理水量：

vo=QAsv_o=\frac{Q}{A_s}

水力停留時間為池內有效容積除以處理水量：

t=VQ=AsDQt=\frac{V}{Q}=\frac{A_s D}{Q}

其中 AsA_s 為水平表面積，DD 為池深。矩形池長寬比為 2:12:1，故 L=2WL=2W。

解題方法

總處理水量為 19,200 m3/day19{,}200\ \mathrm{m^3/day}，分四池處理，因此每池流量：

Qp=19,2004=4,800 m3/dayQ_p=\frac{19{,}200}{4}=4{,}800\ \mathrm{m^3/day}

先將表面積負荷換算為 m/hr\mathrm{m/hr}：

0.234 mm/sec=0.000234 m/sec=0.000234×3,600=0.8424 m/hr0.234\ \mathrm{mm/sec} =0.000234\ \mathrm{m/sec} =0.000234\times 3{,}600 =0.8424\ \mathrm{m/hr}

換算成每天：

vo=0.8424×24=20.2176 m/dayv_o=0.8424\times 24=20.2176\ \mathrm{m/day}

每池所需表面積為：

As=Qpvo=4,80020.2176=237.42 m2A_s=\frac{Q_p}{v_o} =\frac{4{,}800}{20.2176} =237.42\ \mathrm{m^2}

設池寬為 WW，池長為 L=2WL=2W，則：

As=LW=2W2A_s=LW=2W^2 W=237.422=10.90 mW=\sqrt{\frac{237.42}{2}}=10.90\ \mathrm{m}
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第 四 題25 分

目前已有多座污水廠因應放流水管制加嚴而採用去氮、除磷之方式操作。傳統之營養鹽去除程序為 A2O 程序，近年臺灣則有多座污水廠採用 TNCU 程序，亦有廠僅採用 MLE 程序，試問：

（每小題 5 分，共 25 分）

（1）去氮機制為何？

（2）除磷機制為何？

（3）TNCU 程序與 MLE 程序之差異？

（4）TNCU 程序與 A2O 程序之差異？

（5）以我國目前進流水水質狀況，去氮與除磷何者較易失敗？

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核心觀念

本題考查生物除氮與生物除磷的反應機制，以及 TNCU、MLE、A²O 三種營養鹽去除程序的流程配置與限制。作答時要先分清三種環境：

  • 厭氧：無溶氧，且無硝酸鹽、亞硝酸鹽等氧化態氮。
  • 缺氧：無游離溶氧，但有硝酸鹽或亞硝酸鹽，可進行脫硝。
  • 好氧：有溶氧，可進行硝化及好氧攝磷。

其中，硝化菌需要較長污泥齡；脫硝菌與聚磷菌則需要可利用的有機碳源。各程序的差異，主要在槽序、進流水分配、硝化液迴流，以及生物或化學除磷方式。

解題方法

依序說明氮、磷的生物轉化，再以流程順序及迴流方式比較程序。最後以進流水可生化碳源是否足以供脫硝，判斷我國常見生活污水的營養鹽去除風險。

（1）去氮機制

生物去氮主要包含氨化、硝化及脫硝：

  1. 氨化：含氮有機物經微生物分解，轉為氨氮。
  2. 硝化：在好氧環境下，硝化菌將氨氮氧化為亞硝酸氮，再氧化為硝酸氮：
NH4+→NO2−→NO3−\mathrm{NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-}

硝化會消耗氧氣及鹼度，且硝化菌生長速度較慢，因此需要足夠的溶氧、鹼度與污泥齡。

  1. 脫硝：在缺氧環境下，異營性脫硝菌以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子接受者，利用有機碳作為電子供體，還原成氮氣逸出：
NO3−→NO2−→NO→N2O→N2↑\mathrm{NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2 \uparrow}

因此，硝化須在好氧槽完成，脫硝則須在缺氧槽進行；若進流水可生化碳源不足，脫硝效率會降低。

（2）除磷機制

生物除磷仰賴聚磷菌（PAO）在厭氧與好氧（或缺氧）環境間交替代謝：

  • 厭氧釋磷：聚磷菌分解細胞內聚磷以取得能量，吸收易降解有機物並轉存為細胞內儲存物質，同時將磷酸鹽釋放至水中。
  • 好氧攝磷：聚磷菌氧化細胞內儲存物質取得能量，超量吸收水中的磷酸鹽，重新形成聚磷。
  • 排泥除磷：將含有較高磷量的剩餘污泥排出系統，才真正將磷移出處理流程。

若厭氧槽帶入溶氧或硝酸鹽，其他微生物會先消耗可利用碳源，妨礙聚磷菌厭氧吸收有機物，降低生物除磷效果。必要時可另加鐵鹽、鋁鹽或 PAC，以化學沉澱、混凝方式補強除磷。

（3）TNCU 程序與 MLE 程序之差異

MLE 是典型的「缺氧－好氧」去氮程序，流程可概括為：

進流水→缺氧槽→好氧槽→沉澱池\text{進流水} \rightarrow \text{缺氧槽} \rightarrow \text{好氧槽} \rightarrow \text{沉澱池}

好氧槽產生的硝化液迴流至前段缺氧槽，讓硝酸鹽與進流水中的有機碳在缺氧槽進行脫硝。MLE 的核心是去氮；沒有專用厭氧釋磷槽，因此本身不具完整的生物除磷流程。

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第 五 題20 分

都市污水處理廠多採用二級生物處理法，請問：

（每小題 10 分，共 20 分）

（1）就污泥停留時間、食微比、SVI、廢棄污泥等關鍵字，說明活性污泥法避免膨化的控制策略。

（2）由於環境部進行氨氮加嚴管制，一般活性污泥法該如何因應？

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這一題的完整詳解

核心觀念

污泥膨化（bulking）常由絲狀菌過度繁殖造成。絲狀菌伸出絮體，妨礙絮體緊密凝聚與沉降，使污泥沉降性變差、二沉池污泥毯上升，嚴重時污泥隨放流水流失。

操作上要控制污泥的生長環境，並持續觀察污泥停留時間（SRT）、食微比（F/M）及污泥容積指數（SVI）。SVI 的計算式為：

SVI  (mL/g)=混合液沉降 30 分鐘後的污泥體積 (mL/L)×1,000MLSS  (mg/L)\mathrm{SVI}\;(\mathrm{mL/g}) =\frac{\text{混合液沉降 30 分鐘後的污泥體積 }(\mathrm{mL/L})\times 1{,}000} {\mathrm{MLSS}\;(\mathrm{mg/L})}

SVI 偏高代表污泥沉降、濃縮性較差；實務上常以約 150 mL/g150\ \mathrm{mL/g} 作為警訊參考，但仍須配合污泥沉降試驗、污泥毯高度及放流水水質判斷，不能只憑單一數值定論。

解題方法與控制作法

題目指定 SRT、F/M、SVI、廢棄污泥四個關鍵字，可依「監測沉降性、調整污泥量、控制菌相」作答：

  1. 控制 SRT，避免污泥齡過長 SRT 過長、污泥齡偏高時，系統常伴隨低 F/M，容易形成有利於某些絲狀菌生長的條件。操作時應依處理目標與水溫設定適當 SRT，避免只為提高 MLSS 而長期保留過多污泥。SRT 的基本概念是系統內污泥總量除以每日排出的污泥量：
SRT=曝氣槽與二沉池中的污泥總量每日排出系統的污泥量\mathrm{SRT} =\frac{\text{曝氣槽與二沉池中的污泥總量}} {\text{每日排出系統的污泥量}}
  1. 調整 F/M，避免食微比過低 食微比表示每日進入系統的有機物負荷相對於曝氣槽微生物量的比例：
F/M=QS0VX\mathrm{F/M} =\frac{Q S_0}{V X}

其中 QQ 為流量、S0S_0 為進流水有機物濃度、VV 為曝氣槽容積，XX 為曝氣槽微生物量濃度。當進流水負荷相對於污泥量過低時，F/M 偏低；可在不影響處理水質及系統穩定的前提下，減少曝氣槽污泥存量，使 F/M 回升。

  1. 追蹤 SVI 趨勢，及早辨識沉降惡化 定期測量 SVI，並同時觀察 30 分鐘沉降污泥體積、二沉池污泥毯及放流水懸浮固體。若 SVI 持續上升，應查明是否有低 DO、過低 F/M、污泥齡過長、進流水腐敗或營養鹽不足等原因，再調整操作條件；SVI 是診斷指標，不是單獨的控制旋鈕。

  2. 適度增加廢棄污泥量，調整污泥庫存 若確認因污泥齡過長、污泥量過多而造成低 F/M，可增加廢棄污泥（WAS），使系統污泥存量及 SRT 下降、F/M 回升。廢棄量須逐步調整並追蹤出流水 BOD、氨氮、MLSS 與沉降狀況；廢棄過量會使生物量不足，造成處理效率下降，若系統須硝化，也可能因 SRT 過低而使硝化菌流失。

  3. 配合改善其他促進膨化的環境條件 維持適當溶氧，檢查曝氣是否均勻；避免進流水或管渠腐敗，並檢查營養鹽與 pH。若為低 F/M 型膨化，可評估設置選擇槽（selector），讓絮凝菌先接觸較高基質濃度的進流水，以增加其競爭優勢。

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