110 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

消毒副產物是水中消毒劑或氧化劑與原水中前驅物反應後，非預期生成的化學物質。其生成與消毒程序相伴，反映飲用水處理中「控制病原微生物」與「降低化學副產物」之間的平衡。

常見前驅物包括天然有機物（如腐植質、富里酸）、溴離子、碘離子及其他有機或無機物；常見消毒劑或氧化劑包括自由氯、氯胺、臭氧及二氧化氯。常見 DBP 類別包括：

• 三鹵甲烷（THMs）：例如氯仿，常由含氯消毒劑與天然有機物反應形成。
• 鹵乙酸（HAAs）：亦常見於含氯消毒後的水中。
• 其他副產物：例如臭氧與溴離子反應生成的溴酸鹽，以及二氧化氯消毒可能形成的亞氯酸鹽。

產生原因與影響因素

消毒劑加入原水後，除滅活病原微生物，也會與水中前驅物發生氧化、取代等反應，因而生成 DBP。生成量受下列因素影響：

1. 前驅物濃度與性質：天然有機物含量較高，通常增加 THMs、HAAs 等生成潛勢；溴離子也會影響含溴副產物的生成。
2. 消毒劑種類與劑量：不同消毒劑產生的副產物種類與比例不同；消毒劑劑量提高，通常會增加反應機會。
3. 接觸時間：消毒劑與前驅物接觸越久，反應通常越充分。
4. 水質條件：水溫、酸鹼值等會影響反應速率及副產物種類。

DBP 的管理重點，是在確保消毒效果的前提下，先去除或降低前驅物，並妥善控制消毒劑種類、投加量與接觸條件。THMs、HAAs 等副產物若長期暴露，可能造成健康疑慮。

解題方法與技巧

作答可依「定義 → 前驅物與消毒劑 → 代表性副產物 → 生成條件與意義」的順序展開。記憶重點是：消毒劑與水中前驅物反應，形成非預期化學物質。不要只寫成「氯化後產生的物質」；DBP 不限於氯消毒，且不同消毒劑會形成不同副產物。

（二）Water hammer（水錘作用）

核心觀念

水錘是管線中流速突然改變時，流體動量改變所引起的瞬間壓力變化，並以壓力波沿管線傳播。壓力可能突然升高，也可能降至低壓甚至負壓；因此它是管路中的非穩態水力現象，不是單純的穩定流摩擦損失。

核心觀念

本題考查高濃度含有機氮廢水的分段處理，以及處理水回收再利用的流程配置。設計重點是先以生物處理去除大部分 COD，並將有機氮轉化為氨氮後進行硝化、脫硝；再以物化處理穩定水質，供後段回收水系統進一步去除殘餘有機物與氮。

題目未指定回收率、廢水可生化性、氨氮比例、鹽度及毒性，因此流程概念以廢水可生化且前處理後不具生物抑制性、回收濃縮液另行妥善處理為設計假設。實際設計須以水質試驗及回收系統濃縮液特性確認單元容量與處置方式。

解題方法

1. 先換算污染負荷

每日水量為 $10{,}000\ \mathrm{m^3/d}$。因 $1\ \mathrm{mg/L}=1\ \mathrm{g/m^3}$，污染物負荷可用下式計算：

因此，原水 COD 負荷為：

原水有機氮負荷為：

第一階段處理目標為 COD 低於 $100\ \mathrm{mg/L}$、總氮低於 $50\ \mathrm{mg\text{-}N/L}$；其後回收水處理系統須達到 COD 低於 $10\ \mathrm{mg/L}$、總氮低於 $5\ \mathrm{mg\text{-}N/L}$。兩階段各有明確水質門檻，不能只設計一套生物處理便視為完成回收水處理。

2. 廢水處理廠：前處理與生物脫氮

建議流程概念如下：

製程廢水 → 分流與調勻 → 必要之前處理 → 生物脫氮與有機物去除 → 固液分離 → 深度處理 → 廢水處理出流水

• **分流、調勻與水質監測：**不同製程支流分流收集，避免高濃度、具抑制性的批次排水直接衝擊生物系統；以調勻池均化流量、COD、氮負荷及 pH。設置異常水暫存與回送機制。
• **必要之前處理：**視溶劑種類與試驗結果，採油水分離、沉澱、混凝或活性碳吸附等方式去除會干擾生物處理的物質。若溶劑具有揮發性或毒性，須控制廢氣逸散及安全風險；不宜未經可生化性與毒性評估即直接選定單一物化法。
• **生物處理與脫氮：**採缺氧／好氧（Anoxic/Aerobic）生物處理。好氧段氧化可生化有機物，並將有機氮氨化後再硝化為硝酸鹽；缺氧段利用可利用碳源進行反硝化，將硝酸鹽還原為氮氣。透過硝化液回流至缺氧段，配合污泥回流維持生物量。依實際碳氮比及出流水總氮調整回流、供氧與碳源；優先利用原水可生化碳源，必要時才補充外加碳源。
• **固液分離與深度處理：**以二沉池或膜生物反應器（MBR）分離生物污泥；再依水質採混凝沉澱、砂濾或活性碳等深度處理，控制懸浮固體、殘餘 COD 及回收水系統的進流水質。

核心觀念

本題考查都市污水處理廠如何從傳統「污染物去除」轉型為「節能、資源循環與能源回收」的處理系統。答題宜沿污水處理流程與污泥處理流程，提出四種具體可行方案，並說明各方案的運作方式與效益。題目未要求援引特定法條或計算公式；以下以處理原理及資源化用途作答。

解題方法

可將方案分成四個面向：降低處理能耗、回收水資源、回收污泥中的能源、回收污泥及處理過程中的物質資源。每項都交代「在哪個處理階段採用、如何運作、可產生什麼效益」，避免只列設備或口號。

四種可行方案

一、改善曝氣與抽水操作，降低用電

生物處理單元的曝氣設備與全廠抽水設備通常是主要耗電來源。可採用高效率鼓風機、微細氣泡散氣設備，並依進流水量、負荷及溶氧需求調整曝氣量；搭配溶氧與氨氮等監測、自動控制及變頻操作，避免過度曝氣。抽水設備則可依實際水量調整運轉台數與轉速，並降低管線及水路不必要的水頭損失。

此方案直接減少曝氣與輸送所需電力，亦可避免過度曝氣造成的能源浪費，降低處理廠營運碳排。

二、回收再生水，減少新水取用

污水經適當處理與消毒後，可依用途供作廠內沖洗、灌溉、景觀補注、道路清洗或工業製程用水。若用途對水質要求較高，可再增設過濾、膜處理或其他深度處理單元，並依用途訂定水質管理及輸送方式。

再生水取代部分自來水或其他水源，可降低新水取用與供水處理所需能耗，也能減輕水資源短缺及放流水排放負荷。規劃時須使處理水質符合其使用目的，並防止與飲用水管線混接。

三、污泥厭氧消化，回收沼氣作能源

核心觀念

本題比較廢水處理流程中的初級沉澱池與二級沉澱池，重點在於兩池處理的固體來源、沉澱特性、主要功能及設計控制條件不同。

初級沉澱池設於生物處理單元之前，主要去除原廢水中可沉降的懸浮固體及部分有機物；二級沉澱池設於生物處理單元之後，主要分離活性污泥與處理水，並配合污泥回流維持生物處理系統的污泥量。本題不涉及特定法條或數值計算；若援引水質或設施設計規定，應以命題當年（民國 110 年）法規為準。

解題方法

可依「處理位置與固體來源 → 池體功能 → 設計控制條件 → 操作管理」的順序比較。兩種沉澱池雖都利用重力沉降，但初級池處理的是原水中的固體，二級池處理的是生物處理產生的污泥絮體；因此設計時關注的負荷與操作目的並不相同。

核心觀念

本題考查薄膜程序依可截留粒徑及分離對象的分類，以及依出流水中污染物的大小與性質，安排串聯處理順序。薄膜的截留能力由弱至強為微過濾（MF）、超過濾（UF）、奈米過濾（NF）、逆滲透（RO）。

各程序的典型分離尺度如下；不同膜材與操作條件會使實際截留範圍有所差異。

以上尺度是工程上的典型範圍，不宜視為絕對界線。MF、UF主要依篩分與尺寸排阻作用分離；NF、RO則涉及溶解—擴散及膜對溶質的選擇性，不能單純以「孔徑大小」完整描述。

解題方法

先依污染物特性判斷主要截留單元，再按「先去除較大、易造成阻塞的物質，後處理較小的溶解物」安排流程：

1. 生物膠羽懸浮固體物：粒徑大，先以MF截留，降低後續膜的固體負荷與阻塞風險。
2. 病毒：尺度通常小於MF的有效截留範圍，接續以UF加強截留。
3. 糖類、氨基酸等溶解性微生物產物：部分物質可由UF截留，但低分子量溶解性有機物需再由NF進一步去除。
4. 溶解性金屬鹽類：以RO作為末端脫鹽單元，降低溶解鹽類濃度，提升產水至製程水等級。

因此，依題目所列四類薄膜程序建立合理的串聯流程為：