111 年 國立中央大學環境工程研究所甲組《衛生工程》

本題為基本名詞定義題，旨在測試考生對衛生工程相關領域基本概念的熟悉程度。

(a) SVI (Sludge Volume Index)：污泥體積指數。
定義：指每單位質量（通常是毫克或公斤）的懸浮固體，在沉澱後所佔據的體積（通常是毫升）。
公式：$SVI = \frac{V_{settled}}{MLSS} \times 1000$
其中，$V_{settled}$ 為經過特定時間（通常是 30 分鐘）沉澱後，污泥所佔的體積（mL），$MLSS$ 為混合液懸浮固體濃度（mg/L）。
意義：SVI 是衡量活性污泥沉降性能的重要指標。較低的 SVI 值表示污泥沉降性能良好，反之則表示沉降性能差，容易造成出流水質懸浮物超標。

(b) Chick-Watson's law：奇克-華生定律。
定義：此定律描述消毒劑（如氯）的殺菌效果與消毒劑濃度、接觸時間以及微生物數量之間的關係。
公式：$Ct = K$
其中，$C$ 為消毒劑的殘餘濃度，$t$ 為接觸時間，$K$ 為一個常數，代表殺死特定比例（如 99%）微生物所需的 $Ct$ 值。
意義：該定律指出，在其他條件相同的情況下，消毒劑的濃度與接觸時間的乘積（$Ct$ 值）是決定消毒效果的關鍵因素。較高的 $Ct$ 值代表較好的消毒效果。

(c) Disinfection by-product (DBP)：消毒副產物。
定義：在自來水或廢水消毒過程中，消毒劑（如氯）與水中天然存在的有機物或無機物反應所產生的副產物。
常見例子：三鹵甲烷（Trihalomethanes, THMs），如氯仿（chloroform）、溴二氯甲烷（bromodichloromethane）等；鹵乙酸（Haloacetic acids, HAAs）。
意義：部分消毒副產物對人體健康可能有害，例如具有致癌性，因此飲用水水質標準中常對其濃度設有限制。

(d) Double layer compression：雙電層壓縮。
定義：在膠體化學中，指當電解質溶液的離子強度增加時，膠體粒子表面雙電層的擴散層厚度減小的現象。

本題考驗對氯消毒過程中不同形態餘氯的理解及其對消毒效果的影響。

氯（$Cl_2$）加入水中後，會發生以下反應：
$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HOCl + HCl$
$HOCl \rightleftharpoons H^+ + OCl^-$

其中，$HOCl$ (次氯酸) 和 $OCl^-$ (次氯酸根離子) 是主要的消毒殺菌物質，統稱為自由餘氯 (Free Residual Chlorine)。
自由餘氯的比例主要受 pH 值影響：

• 在 pH < 7.5 時，HOCl 占主導地位，殺菌能力最強。
• 在 pH > 7.5 時，$OCl^-$ 占主導地位，殺菌能力較弱。

當水中存在氨氮（$NH_3$）或其他胺類物質時，氯會與之反應生成結合餘氯 (Combined Residual Chlorine)，也稱為氯胺（Chloramines）。
反應過程：
$HOCl + NH_3 \rightarrow NH_2Cl \text{ (一氯胺)} + H_2O$
$HOCl + NH_2Cl \rightarrow NHCl_2 \text{ (二氯胺)} + H_2O$
$HOCl + NHCl_2 \rightarrow NCl_3 \text{ (三氯胺)} + H_2O$

一氯胺、二氯胺和三氯胺統稱為結合餘氯。

差異比較：

本題考驗考生對瓶杯試驗（Jar Test）的理解，這是水處理中常用的實驗方法。

瓶杯試驗的目的：

瓶杯試驗的主要目的是為了確定混凝劑（coagulant）和助凝劑（coagulant aid）的最佳投加量、最佳 pH 值以及最佳的混合（攪拌）條件，以達到最佳的混凝沉澱效果。具體而言，其目標包括：

1. 去除懸浮物和濁度： 評估不同混凝劑和助凝劑組合對水中懸浮顆粒和濁度的去除效率。
2. 去除色度： 評估對水中溶解性色素的去除效果。
3. 去除 COD/BOD： 評估對部分溶解性有機物的去除效果。
4. 優化運行參數： 確定最經濟有效的混凝劑投加量、pH 值以及混合（快速攪拌和慢速攪拌）時間與強度。

瓶杯試驗的基本流程：

瓶杯試驗通常在實驗室進行，使用一系列相同的樣品瓶（通常為 1 公升或 2 公升的燒杯）來模擬水處理廠的混凝、沉澱和過濾過程。其基本流程如下：

1. 取樣： 從原水（如水源水、廢水）中取足夠量的水樣，並確保水樣的代表性。
2. 分樣： 將水樣均勻地分配到數個（通常 4-6 個）相同的燒杯中，每個燒杯中的水量應相同。
3. 調整 pH 值（可選）： 若需要評估 pH 值對混凝效果的影響，則事先用酸（如 $H_2SO_4$）或鹼（如 $NaOH$）調整每個燒杯中水樣的 pH 值至預設範圍。
4. 投加混凝劑和助凝劑：

本題考驗考生對活性污泥法中「污泥膨化」現象的理解及其成因。

污泥膨化 (Sludge Bulking)：

污泥膨化是指活性污泥在沉澱過程中，由於微生物的異常生長或形態變化，導致污泥的沉降性能嚴重惡化，污泥體積顯著增大，並且在沉澱池中形成鬆散、不易沉降的污泥層，甚至可能隨處理水排出沉澱池。這會導致出水濁度升高，影響處理效果。

污泥膨化通常伴隨著污泥體積指數（SVI）的大幅升高。正常情況下，活性污泥的 SVI 值可能在 50-150 mL/g 之間，而污泥膨化時，SVI 值可能高達 200-800 mL/g 或更高。

造成污泥膨化的可能原因：

污泥膨化是一個複雜的現象，通常由一種或多種因素共同作用引起。主要原因包括：

1. 絲狀細菌過度生長 (Filamentous Bacteria Proliferation)：
   這是最常見且最主要的原因。某些類型的絲狀細菌（如 Sphaerotilus natans, Thiothrix spp., Beggiatoa spp., Nocardia spp. 等）在特定環境條件下會大量繁殖，並在污泥顆粒之間形成纏繞的絲狀結構。這些絲狀結構阻礙了污泥顆粒的緊密聚集和有效沉降，使污泥膨脹。
   絲狀細菌過度生長的原因可能包括：
   • 低溶解氧 (Low Dissolved Oxygen, DO)： 曝氣不足，DO 濃度過低，不利於非絲狀細菌（如變形菌）的生長，卻有利於某些絲狀細菌的生長。
   • 高營養物負荷 (High Nutrient Load)： 進水中 BOD 或 COD 濃度過高，或碳源不足，導致絲狀菌優先利用某些碳源或營養物質。
   • pH 值波動： pH 值劇烈變化，某些絲狀細菌對 pH 變化的適應性較強。
   • 低氮磷比 (Low N/P Ratio)： 營養不平衡，導致某些絲狀菌優先生長。

本題考驗考生計算水樣硬度（總硬度、碳酸硬度、非碳酸硬度）的能力，需要將不同離子的濃度換算成以 $CaCO_3$ 為單位的等效濃度。

核心觀念：
硬度是指水中含有鈣離子 ($Ca^{2+}$) 和鎂離子 ($Mg^{2+}$) 等二價金屬陽離子的量。總硬度是指水中所有導致硬度的陽離子總量。碳酸硬度是指與水中碳酸鹽和重碳酸鹽（鹼度）結合的硬度。非碳酸硬度是指與非碳酸鹽（如硫酸鹽、氯化物等）結合的硬度。

計算步驟：

1. 將離子濃度換算成以 $CaCO_3$ 為單位的濃度：
   硬度的計算通常以 $CaCO_3$ 的當量濃度（equivalent concentration）為單位。換算公式為：
   $\text{Concentration as } CaCO_3 = \text{Actual Concentration} \times \frac{\text{M.W. of } CaCO_3}{\text{M.W. of Ion}} \times \frac{\text{Valency of Ion}}{\text{Valency of } Ca^{2+}}$
   其中，

   • M.W. of $CaCO_3 = 40 (\text{Ca}) + 12 (\text{C}) + 3 \times 16 (\text{O}) = 40 + 12 + 48 = 100$ g/mol

   • Valency of $Ca^{2+}$ = 2

   • Valency of $Mg^{2+}$ = 2

   • 鈣離子 (Ca):
     實際濃度 $[Ca] = 66$ mg/L
     M.W. of Ca = 40 g/mol
     $\text{Ca as } CaCO_3 = 66 \text{ mg/L} \times \frac{100}{40} \times \frac{2}{2} = 66 \times 2.5 = 165$ mg/L as $CaCO_3$

   • 鎂離子 (Mg):
     實際濃度 $[Mg] = 16$ mg/L
     M.W. of Mg = 24 g/mol
     $\text{Mg as } CaCO_3 = 16 \text{ mg/L} \times \frac{100}{24} \times \frac{2}{2} = 16 \times \frac{100}{24} = 16 \times \frac{25}{6} = \frac{400}{6} = \frac{200}{3} \approx 66.67$ mg/L a

本題考驗考生對水/廢污水處理過程中能源消耗的認識，以及提出節能措施的能力，並要求排除與一般節電措施無關的設計操作考量。

最耗能的程序：

在典型廢（污）水處理程序中，**曝氣（Aeration）**通常是最耗能的單元操作。這主要是因為：

1. 溶解氧需求： 活性污泥法等生物處理單元需要為好氧微生物提供充足的溶解氧，以維持其活性並有效分解有機污染物。
2. 高功率設備： 曝氣通常需要鼓風機（blowers）或表面曝氣機（surface aerators）來將空氣或純氧導入水中。這些設備的功率消耗非常大，佔據了污水處理廠總能耗的很大比例（可能高達 50-70%）。
3. 體積與時間： 曝氣池的容積通常較大，且需要長時間運行以確保足夠的處理效率。

其他耗能單元還包括：

• 抽水 (Pumping)： 將水從一個單元輸送到另一個單元，以及污泥的輸送。
• 污泥處理 (Sludge Treatment)： 如污泥脫水、污泥消化、污泥干化等，也需要消耗大量能源。
• 加壓曝氣 (Pressurized Aeration)： 在某些情況下，需要加壓鼓風機，能耗更高。

但相較之下，曝氣是最大宗的能源消耗者。

減少能耗的作為（排除設計操作外的節電措施）：

題幹要求的是「非與處理程序之設計操作有關的節電措施」，這意味著不能僅僅回答「更換節能馬達」或「優化電路」等一般性的電器節能建議。而是要從處理工藝本身或操作策略來著手，以降低對能源的需求。

以下是兩個符合要求的節能作為：

1. 優化曝氣控制策略 (Optimized Aeration Control Strategies)：
   • 說明： 傳統的曝氣系統可能採用恆定的曝氣量，即使在低污染物負荷或硝化需求較低時也持續高功率運行。