108 年 國立中央大學環境工程研究所甲組《衛生工程》

本題為名詞解釋題，主要測試考生對基礎衛生工程概念的熟悉度。

a. SVI (Sludge Volume Index)：污泥體積指數，是衡量活性污泥沉降性能的指標。計算公式為：
$SVI = \frac{V_{30} \times 1000}{MLSS}$
其中 $V_{30}$ 是混合液在量筒中靜置 30 分鐘後污泥層的體積 (mL/L)，$MLSS$ 是混合液懸浮固體濃度 (mg/L)。SVI 值越低，表示污泥沉降性能越好。

b. F/M ratio (Food-to-Microorganism Ratio)：食物與微生物比例，是活性污泥法操作的重要參數，代表單位微生物量所能處理的有機物量。計算公式為：
$F/M = \frac{Q \times S_0}{V \times X}$
其中 $Q$ 是進流水量 ($m^3/d$)，$S_0$ 是進流水 BOD 濃度 (mg/L)，$V$ 是曝氣池體積 ($m^3$)，$X$ 是曝氣池中混合液懸浮固體濃度 (MLSS, mg/L)。F/M ratio 的高低影響微生物的生長速率和代謝狀態。

c. Surface loading (Surface Overflow Rate, SOR)：表面負荷，在沉砂池、沉澱池等單元中，指單位池面面積在單位時間內所能處理的流量。計算公式為：
$SOR = \frac{Q}{A}$

折點加氯 (Breakpoint Chlorination) 是自來水消毒過程中，透過精確控制加氯量，使水中游離氯濃度達到足夠殺菌消毒的同時，又能有效去除水中氨氮及其他有機物，避免產生氯酚等不良副產物的加氯方法。

當向水中加入氯時，氯的消耗主要有兩個過程：

1. 氧化反應 (Chlorine Demand)：氯會與水中的還原性物質（如氨氮、有機物、硫化物、亞鐵離子等）發生氧化反應，消耗一部分氯。
   • 與氨氮反應會生成氯胺 (Monochloroamine, Dichloroamine, Trichloroamine)。
   • 與有機物反應可能生成氯代有機物。
2. 消毒作用 (Disinfection)：當水中還原性物質被消耗殆盡後，加入的氯才會以游離氯 (Free Chlorine) 的形式存在，此時的游離氯具有最強的殺菌消毒能力。

折點加氯圖通常描繪水中殘餘氯濃度 (Residual Chlorine) 與加入的氯劑量 (Chlorine Dose) 的關係。圖中會呈現幾個階段：

• 氯胺階段 (Chloramine Zone)：在此階段，加入的氯主要與氨氮反應生成氯胺，此時總殘餘氯濃度可能先上升後下降，或持續下降，且游離氯濃度很低。

氣塞 (Air Binding) 是指在濾水過程中，濾材孔隙中積聚了氣體，導致水流通過濾層的阻力增加，過濾速度下降，甚至影響過濾效果的現象。

氣塞發生的原因：

1. 水中溶解氣體過多：
   • 溫度升高：水溫升高會降低水中溶解氣體的溶解度，使氣體從水中釋出。例如，在夏季，進流水溫度升高，容易發生氣塞。
   • 壓力降低：當水流經過濾池的進水口或泵浦出口壓力突然降低時，溶解在水中的氣體也會析出。
   • 水中含有揮發性物質：某些有機物分解或化學反應產生的氣體，也會溶解在水中。
2. 生物作用產生的氣體：在濾層中，若有有機物殘留，微生物進行好氧或厭氧分解時會產生二氧化碳、甲烷等氣體。
3. 化學反應產生的氣體：例如，在某些情況下，氧化還原反應可能產生氣體。
4. 濾材本身的特性：某些濾材（如活性炭）在吸附過程中，可能會釋放吸附的氣體。
5. 過濾速度過快：當過濾速度超過濾材的正常處理能力時，水流中的氣體可能來不及排出，而積聚在濾層中。

好氧消化 (Aerobic Digestion) 和厭氧消化 (Anaerobic Digestion) 都是處理污泥的生物穩定化方法，但它們在反應條件、微生物種類、處理效果和產物等方面存在顯著差異。

本題主要考驗考生對自來水處理流程、不同水源水質特性及其對處理的影響，以及對新興污染物和微塑膠問題的認識與對策。

a. 基本自來水處理流程圖與各單元目的 (12%)

一個基本的自來水處理流程通常包含以下單元：

graph LR
    A[水源 (水庫/河川)] --> B(攔污柵);
    B --> C(原水泵房);
    C --> D(混凝沉澱池);
    D --> E(過濾池);
    E --> F(消毒/pH調整);
    F --> G(清水池);
    G --> H(送水泵房);
    H --> I(配水系統);

    subgraph 混凝沉澱池
        D1(加氯/加藥) --> D2(混合/反應);
        D2 --> D3(沉澱);
    end

各單元主要目的：

1. 水源 (Source Water - Reservoir/River)：提供處理所需的原水。水質因水源地而異，可能含有懸浮物、溶解性污染物、微生物、藻類等。
2. 攔污柵 (Trash Rack)：攔截水中較大的漂浮物，如樹枝、塑膠袋、垃圾等，保護後續設備免受損壞。
3. 原水泵房 (Raw Water Pumping Station)：將原水從水源地提升至處理廠，提供處理所需的水頭。
4. 混凝沉澱池 (Coagulation & Sedimentation Basin)：
   • 加藥 (Chemical Addition)：加入混凝劑（如硫酸鋁 Alum、氯化鐵 Ferric Chloride）和助凝劑（如聚合物 Polymer），以及 pH 調整劑（如石灰 Lime）。
   • 混合/反應 (Mixing/Flocculation)：在快速混合後，進行緩慢攪拌，使混凝劑與原水中的膠體顆粒充分接觸，膠體顆粒的表面電荷被中和（膠體脫穩），並開始碰撞聚集形成較大的絮凝體 (floc)。
   • 沉澱 (Sedimentation)：經過混凝處理後形成的較大絮凝體，在重力作用下緩慢沉降至池底，從水中分離出來，降低水的濁度。
5. 過濾池 (Filtration)：
   • 目的：移除水中殘餘的細小懸浮物、膠體顆粒和部分微生物，使水質進一步澄清，濁度大幅降低。
   • 常見類型：快濾池（砂濾、砂炭濾）、慢濾池。快濾池是目前較常見的處理方式，通常採用單層或多層濾料（如石英砂、無煙煤）。
6. 消毒/pH 調整 (Disinfection/pH Adjustment)：
   • 消毒：殺滅水中殘餘的細菌、病毒等病原微生物，確保飲用水的衛生安全。常用消毒劑包括氯氣 ($Cl_2$)、二氧化氯 ($ClO_2$)、氯胺 ($NH_2Cl$)、臭氧 ($O_3$) 等。
   • pH 調整：在消毒前或後，調整水的 pH 值至適當範圍，以提高消毒效果、防止管道腐蝕或結垢。
7. 清水池 (Clear Water Reservoir)：儲存經過處理達到飲用水標準的清水，作為供水系統的緩衝，並提供穩定的水壓。
8. 送水泵房 (Finished Water Pumping Station)：將清水泵送到配水系統。
9. 配水系統 (Distribution System)：通過管網將清水輸送到用戶端。

b. 水庫水與河川水的水質及處理差異 (4%)

本題考驗對水體硬度計算的理解，包括總硬度、碳酸硬度與非碳酸硬度的定義及計算方法。

核心觀念：

• 硬度 (Hardness)：主要是水中鈣離子 ($Ca^{2+}$) 和鎂離子 ($Mg^{2+}$) 的濃度總和，通常以等效的碳酸鈣 ($CaCO_3$) 濃度表示。
• 總硬度 (Total Hardness)：水中所有導致硬度的陽離子（主要是 $Ca^{2+}$ 和 $Mg^{2+}$）以 $CaCO_3$ 當量表示的總濃度。
• 碳酸硬度 (Carbonate Hardness, CH)：由碳酸根 ($CO_3^{2-}$) 和碳酸氫根 ($HCO_3^-$) 等陰離子與硬度陽離子結合形成的硬度，這部分硬度在加熱時容易沉澱（形成水垢）。它等於水中硬度陽離子濃度與鹼度（主要是 $HCO_3^-$ 和 $CO_3^{2-}$）濃度中較低者的 $CaCO_3$ 當量。
• 非碳酸硬度 (Non-carbonate Hardness, NCH)：由硬度陽離子與碳酸根、碳酸氫根以外的陰離子（如硫酸根 $SO_4^{2-}$、氯離子 $Cl^-$ 等）結合形成的硬度。這部分硬度在加熱時不易沉澱。
• 當量計算：計算硬度時，需要將各種離子的實際濃度轉換為等效的 $CaCO_3$ 濃度。轉換公式為：
  $\text{Concentration as } CaCO_3 = \text{Actual Concentration} \times \frac{\text{M.W. of } CaCO_3}{\text{M.W. of Ion}} \times \frac{\text{Charge of Ion}}{\text{Charge of } CaCO_3}$
  其中 M.W. of $CaCO_3$ = 40 (Ca) + 12 (C) + 3 * 16 (O) = 100。
  Charge of $CaCO_3$ = 2。

題目數據：

• $[Ca^{2+}] = 60 \text{ mg/L}$ (實際濃度)
• $[Mg^{2+}] = 12 \text{ mg/L}$ (實際濃度)
• $[HCO_3^-] = 150 \text{ mg/L as } CaCO_3$ (已換算為 $CaCO_3$ 當量)
• M.W. of Ca = 40
• M.W. of Mg = 24
• M.W. of $CaCO_3 = 100$

計算步驟：

1. 計算總硬度 (Total Hardness, TH)

總硬度是由 $Ca^{2+}$ 和 $Mg^{2+}$ 離子造成的，我們需要將它們的實際濃度轉換為 $CaCO_3$ 的當量。

• $Ca^{2+}$ 的 $CaCO_3$ 當量：
  $[Ca^{2+}]_{\text{as } CaCO_3} = [Ca^{2+}]_{\text{actual}} \times \frac{\text{M.W. of } CaCO_3}{\text{M.W. of } Ca^{2+}} \times \frac{\text{Charge of } Ca^{2+}}{\text{Charge of } CaCO_3}$
  $[Ca^{2+}]_{\text{as } CaCO_3} = 60 \text{ mg/L} \times \frac{100}{40} \times \frac{2}{2} = 60 \times 2.5 = 150 \text{ mg/L as } CaCO_3$

• $Mg^{2+}$ 的 $CaCO_3$當量：
  $[Mg^{2+}]_{\text{as } CaCO_3} = [Mg^{2+}]_{\text{actual}} \times \frac{\text{M.W. of } CaCO_3}{\text{M.W. of } Mg^{2+}} \times \frac{\text{Charge of } Mg^{2+}}{\text{Charge of } CaCO_3}$