108 公務人員升官等薦任 環境工程 水處理工程（包括相關法規） 考古題詳解

核心觀念

本題考查公共給水的服務目標，以及自來水事業如何透過水源管理、淨水、供水與監測，持續達成水質、水量、水壓及供水可靠度要求。

依民國 108 年《自來水法》第 10 條，自來水應清澈、無色、無臭、無味、酸鹼度適當，且不得含有超過容許量的化合物、微生物、礦物質及放射性物質；具體標準由《自來水水質標準》規定。另《自來水法》第 43 條列出取水、貯水、導水、淨水、送水及配水等必要設備；第 44、45 條要求調查並記錄水源水質與水量，以及水質控制、設備操作、供水水量與水壓。

解題方法

可先從「供給用戶的水應具備什麼條件」回答基本要求，再按「水源到用戶」的供水流程，說明營運管理程序。作答時應同時涵蓋水質、水量、水壓與供水穩定性，並以法定水質標準及設備操作紀錄作為管理依據。

公共給水的基本要求

1. 水質安全且適飲 水應符合《自來水法》第 10 條及《自來水水質標準》，在感官上清澈、無色、無臭、無味、酸鹼度適當；在衛生與化學安全上，微生物及各項化學、礦物質、放射性物質均須符合容許標準。消毒須能有效控制病原微生物，並維持配水系統所需的消毒效果。

2. 水量充足 應能滿足一般生活、公共及產業用水需求，並考慮尖峰時段、枯水期、人口成長與必要的消防用水。供水量不足時，即使水質合格，仍未達公共給水目的。

3. 水壓適當 配水系統應使供水區各處能以合理且適當的壓力取得用水。壓力過低會造成高地或管網末端供水不足；壓力過高則會增加漏水、爆管及設備損壞風險。

4. 供水穩定可靠 應儘量減少停水的可能性與時間，並具備適當的備用供水能力。供水中斷會影響民生及公共衛生，因此穩定性也是給水服務的重要要求。

5. 供水衛生且經濟合理 從水源、處理、清水池到配水管網，均須防止污染及交叉連接，並以妥善操作維護降低漏水、能源與藥耗，使供水服務能長期維持。

達成要求的重要操作營運程序

1. 水源調查、保護與取水管理 持續調查水源水量及水質，掌握季節變化、枯水情形與污染來源；依《自來水法》第 11 條及相關規定保護水源，並依計畫需求妥善取水、貯水。依《自來水工程設施標準》第 5 條，水源須水量充足、水質良好，且淨水後符合自來水法定水質要求。

核心觀念

1. 導水工程之設計水量基準： 依《自來水設施設計標準》第 38 條規定（以命題當年民國 108 年法規為準），導水管係指自水源取水設施輸送原水至淨水場之管線，其設計容量必須以​「計畫最大日供水量」（最大日用水量）為設計基準。
2. 設計參數之合理假設依據：

• 每人平均日用水量（$q_{\text{avg}}$）：依台灣自來水工程實務統計與設計慣例，包含家庭生活用水、商業與公共用水及合理管網漏損後，大都市每人平均日供水量通常介於 $300 \sim 400\text{ L/人}\cdot\text{日}$，標準設計常用代表值取 $350\text{ L/人}\cdot\text{日}$（即 $0.35\text{ m}^3/\text{人}\cdot\text{日}$）。
• 最大日與平均日之倍數關係（最大日係數／尖峰日係數，Peak Day Factor）：依《自來水設施設計標準》第 7 條規定（以命題當年民國 108 年法規為準），計畫最大日供水量通常為計畫一日供水量（平均日）之 $1.15 \sim 1.3$ 倍。本題服務人口高達 80 萬人，屬於大型都會區，用水變異性相對平緩，合理倍數取 $1.25$（亦可取 $1.20$）。

3. 圓形滿管重力流水力計算公式（曼寧公式，Manning's Formula）： $V = \frac{1}{n} R^{2/3} S^{1/2}$ $Q = A \times V$ 式中：

• $Q$：流量（$\text{m}^3/\text{s}$）
• $V$：流速（$\text{m/s}$）
• $n$：曼寧粗糙係數（無因次）
• $S$：水力坡降／管道坡度（無因次）
• $A$：圓管斷面積（$\text{m}^2$），滿管時 $A = \frac{\pi}{4} D^2$
• $P_w$：濕周（$\text{m}$），滿管時 $P_w = \pi D$
• $R$：水力半徑（$\text{m}$），滿管時 $R = \frac{A}{P_w} = \frac{D}{4}$
• $D$：管徑（$\text{m}$）

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解題方法

步驟一：設定合理設計參數

• 供水人口：$P = 800,000\text{ 人}$
• 假設每人平均日用水量：$q_{\text{avg}} = 350\text{ L/人}\cdot\text{日} = 0.35\text{ m}^3/\text{人}\cdot\text{日}$
• 假設最大日與平均日用水量之倍數關係：$k = 1.25$
• 管道坡度：$S = 0.7\% = 0.007$
• 粗糙係數：$n = 0.013$

步驟二：計算設計最大日流量（$Q$）

1. 計算每日計畫最大日用水總量（$Q_{\text{day}}$）： $Q_{\text{day}} = P \times q_{\text{avg}} \times k = 800,000 \times 0.35 \times 1.25 = 350,000\text{ m}^3/\text{日}$
2. 將日流量換算為秒流量（$Q$）： $Q = \frac{350,000\text{ m}^3/\text{日}}{86,400\text{ s/日}} \approx 4.051\text{ m}^3/\text{s}$

步驟三：推導圓形滿管管徑計算式

將滿管水力條件 $A = \frac{\pi}{4} D^2$ 與 $R = \frac{D}{4}$ 代入曼寧公式： $Q = A \times V = \left(\frac{\pi}{4} D^2\right) \times \left[\frac{1}{n} \left(\frac{D}{4}\right)^{2/3} S^{1/2}\right]$ $Q = \frac{\pi}{4^{5/3} \cdot n} D^{8/3} S^{1/2} = \frac{\pi}{2^{10/3} \cdot n} D^{8/3} S^{1/2} \approx \frac{0.3117}{n} D^{8/3} S^{1/2}$

移項推導管徑 $D$ 之顯式： $D^{8/3} = \frac{4^{5/3} \cdot n \cdot Q}{\pi \cdot S^{1/2}} \approx \frac{10.0794 \cdot n \cdot Q}{\pi \cdot S^{1/2}}$ $D = \left(\frac{10.0794 \cdot n \cdot Q}{\pi \cdot S^{1/2}}\right)^{3/8}$

步驟四：代入數值求解管徑

代入已知參數：$n = 0.013$、$S = 0.007$（$S^{1/2} = \sqrt{0.007} \approx 0.08367$）、$Q = 4.051\text{ m}^3/\text{s}$： $D^{8/3} = \frac{10.0794 \times 0.013 \times 4.051}{\pi \times \sqrt{0.007}} = \frac{0.5308}{3.1416 \times 0.08367} = \frac{0.5308}{0.2628} \approx 2.0195$

核心觀念

1. 下水道計畫水量之組成： 依命題當年（民國 108 年）《下水道工程設施標準》第 5 條規定，污水下水道之計畫污水量包括計畫家庭污水量、計畫事業廢水量、計畫地下水入滲量及其他污水量。本題未提及地下水入滲量，實務及考試計算上均以零計。

• 家庭污水量：以每人每日污水量（LPCD, Liters Per Capita Day）乘以計畫人口數。
• 事業廢水量：依題意按家庭污水量之特定比例（$20\%$）累加。

2. 以人口數計算尖峰係數（Peak Factor, $PF$）： 污水管渠水力設計需採用「最大時污水量」（$Q_{\text{max,h}}$）。在缺乏長期連續觀測水文資料時，環境工程界普遍以計畫人口數（以「千人」為單位）代入經驗公式推估尖峰係數 $PF = \frac{Q_{\text{max,h}}}{Q_{\text{avg}}}$。最經典且公職考試最常採納的公式為：

• 哈蒙公式（Harmon Formula）： $PF = 1 + \frac{14}{4 + \sqrt{P}}$
• 巴比特公式（Babbitt Formula）： $PF = \frac{5}{P^{0.2}}$ （式中 $P$ 為以千人為單位的人口數，即 $P = \frac{\text{計畫人口}}{1000}$）

3. 計畫水質 BOD 濃度計算（質量守恆）： 水質濃度等於每日總污染負荷除以每日總污水量： $C = \frac{W}{Q}$ 單位換算關係：$1\ \mathrm{g/m^3} = 1\ \mathrm{mg/L}$。

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解題方法

步驟一：計算平均日污水量（$Q_{\text{avg}}$）

1. 計畫家庭污水量（$Q_{\text{dom}}$）： 已知計畫人口數為 80 萬人（$800,000$ 人），家庭污水量為 $250\ \mathrm{LPCD} = 0.25\ \mathrm{m^3/(人\cdot d)}$。 $Q_{\text{dom}} = 800,000\ \text{人} \times 0.25\ \mathrm{m^3/(人\cdot d)} = 200,000\ \mathrm{m^3/d}$

2. 一般事業廢水量（$Q_{\text{ind}}$）： 依題意為家庭污水量之 $20\%$： $Q_{\text{ind}} = 200,000\ \mathrm{m^3/d} \times 20\% = 40,000\ \mathrm{m^3/d}$

3. 平均日污水量（$Q_{\text{avg}}$）： $Q_{\text{avg}} = Q_{\text{dom}} + Q_{\text{ind}} = 200,000\ \mathrm{m^3/d} + 40,000\ \mathrm{m^3/d} = 240,000\ \mathrm{m^3/d}$ （換算為平均時污水量即為 $\frac{240,000}{24} = 10,000\ \mathrm{m^3/h}$）

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步驟二：計算尖峰係數與最大時污水量（$Q_{\text{max,h}}$）

計畫人口數為 80 萬人，換算為千人單位： $P = \frac{800,000}{1,000} = 800\ (\text{千人})$

1. 採用哈蒙公式（Harmon Formula，環工設計最常用基準）： $PF = 1 + \frac{14}{4 + \sqrt{P}} = 1 + \frac{14}{4 + \sqrt{800}} \approx 1 + \frac{14}{4 + 28.284} = 1 + \frac{14}{32.284} \approx 1.434$

最大時污水量： $Q_{\text{max,h}} = Q_{\text{avg}} \times PF = 240,000\ \mathrm{m^3/d} \times 1.434 = 344,160\ \mathrm{m^3/d}$ 換算為時流量單位： $Q_{\text{max,h}} = \frac{344,160\ \mathrm{m^3/d}}{24\ \mathrm{h/d}} = 14,340\ \mathrm{m^3/h}$

核心觀念

本題考查環境工程中「都市污水再生利用（Wastewater Reclamation and Reuse）」的整合性規劃與工程實務，核心觀念包含：

1. 多重屏障原則（Multi-barrier Concept）與風險控制：評估污水回收對人體健康、生態環境、配水管網安全及社會接受度之潛在衝擊。
2. 適合用途水質（Fit-for-Purpose）原則：依不同回收標的之水質需求，對應選定物理、化學、微生物及特定毒性項目之水質監控指標。
3. 相關法規依據：以命題當年（民國 108 年）法規為準，主要規範為《再生水資源發展條例》（民國 104 年公布施行）與經濟部依該條例訂定之《再生水水質標準及使用限制辦法》（民國 106 年發布施行），輔以內政部《建築技術規則》建築設備編有關中水道系統之防交叉污染規範。（註：現行《再生水資源發展條例》已於民國 111 年修正，擴大再生水利用範圍與特定產業強制使用規範，解題仍以命題當年架構為準）。

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解題方法

本題為標準的申論題型，包含三大核心子問。作答時採「三幕式結構」展開：

1. 第一部分：注意事項：由「公共衛生防護」、「管網與系統工程安全」、「環境生態影響」及「公眾接受與法規」四個構面切入，展現系統工程的思考深度。
2. 第二部分：水質項目種類：不可僅條列單一項目，應按「微生物學指標」、「物理與感官指標」、「有機物與耗氧指標」、「鹽分與礦物質指標」及「特定毒性與化學指標」進行類別化系統歸納，並說明其監測理由。
3. 第三部分：可行再生用途：由低接觸到高階利用依序分類，涵蓋都市雜用、景觀環境、工業冷卻/製程、農業灌溉及地下水補注等五大範疇，呈現完整的循環途徑。

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選項分析

本題為申論申論題（非選擇題），無個別選項可資辨析。在閱卷評分標準中，考生的作答結構若僅針對單一用途（如僅寫澆灌或工業冷卻）或僅列出少數水質參數（如僅寫 $BOD$ 與 $SS$），將遭大幅扣分。得分關鍵在於能否將「注意事項、水質指標、應用範疇」三者形成邏輯扣合的對應鏈。

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解題技巧

1. 記憶口訣：

• 注意事項記「衛、管、環、社」（公共衛生、管網防誤接、環境累積、社會接受）。
• 水質類別記「微、物、化、鹽、毒」（微生物、物理感官、常規理化、鹽類離子、微量毒性）。

2. 答題陷阱：

• 忽略「防止自來水與再生水管網交叉污染」與「管線識別（紫色管）」之工程防護措施。
• 忘記再生水多數禁用於「直接飲用」及「直接接觸人體皮膚之遊憩用途」。
• 水質項目遺漏「餘氯（維持管網生物穩定性）」或農業灌溉關鍵的「鈉吸附比（$\text{SAR}$）」與「電導度（$\text{EC}$）」。

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【答案】

一、都市污水再利用時應注意的事項

1. 公共衛生與人體健康安全（首要考量）

• 病原體消滅與接觸控制：污水含有細菌、病毒及寄生蟲卵，再生水處理程序必須包含有效消毒（如氯消毒、紫外線、臭氧），並限制使用於直接接觸人體的用途，避免因噴霧氣膠（Aerosol）吸入造成呼吸道感染。
• 新興微量污染物風險：需評估抗生素、環境荷爾蒙（EDCs）及藥品殘留（PPCPs）之殘存累積風險。

2. 配水管網安全與防交叉污染管理

• 獨立管網與雙系統設計：再生水管網必須與自來水供水系統嚴格分流，設置逆流防止器（Backflow Preventer）與空氣間隙（Air Gap），杜絕交叉污染。
• 管線識別與防誤用：管線表面應依規定塗裝專用識別顏色（依台灣規範為紫色管），並於出水口、閥箱設置防誤飲警示牌與特殊開關防護。

3. 環境、土壤與地下水生態衝擊

• 土壤鹽化與水力傳導受阻：供灌溉使用時，需防範水中高鹽分（TDS）造成土壤鹽鹼化，以及高鈉離子破壞土壤團粒結構。
• 受納水體優養化：作為景觀或河川基流補注時，殘餘的氮（$\text{N}$）、磷（$\text{P}$）營養鹽易促使藻類滋生，引發二次污染。

4. 工程穩定性與供水可靠度

• 水質變動性因應：都市污水受進水水質與雨污水混合影響，處理單元需具備水質緩衝槽與線上即時監測儀器。
• 多重屏障系統與備援機制：採用多級處理程序（如生物處理＋薄膜過濾＋消毒），當出水水質異常時具備自動旁通、截流回流或自動停供機制。