109 年 國立宜蘭大學環境工程學系碩士班《環境工程概論》

選擇性觸媒還原法 (Selective Catalytic Reduction, SCR) 是一種常用的去除煙氣中氮氧化物 (NOx) 的技術。其原理是在觸媒的作用下，利用還原劑將 NOx 還原成無害的氮氣 (N₂) 和水 (H₂O)。

該方法的還原劑通常為氨 (NH₃) 或尿素 (Urea)。氨氣是較常見的還原劑，但尿素也可以作為氨的來源，在加熱後分解產生氨。

觸媒焚化 (Catalytic Incineration) 是一種利用觸媒降低有機污染物燃燒所需的溫度，以達到有效分解和淨化的技術。相較於傳統焚化，觸媒焚化可以在較低的溫度下進行，節省能源並減少 NOx 等二次污染物的生成。

觸媒焚化處理的適合溫度範圍取決於所處理的污染物種類以及所使用的觸媒。一般而言，對於大多數揮發性有機化合物 (VOCs) 的觸媒焚化，反應溫度通常介於 200°C 至 500°C 之間。

食微比 (Food to Microorganism ratio, F/M ratio) 是活性污泥法操作中的一個重要參數，它表示單位微生物質量在單位時間內所能處理的有機物量。食微比的控制直接影響微生物的生長速率、代謝活性以及系統的處理效率。

食微比的定義為：
$F/M = \frac{F}{M} = \frac{Q \cdot S_0}{V \cdot X} = \frac{S_0}{ \theta_c \cdot X}$
其中：
$F$ = 每日進流水量中的 BOD₅ 總量 (kg BOD₅/day)
$Q$ = 進流水量 (m³/day)
$S_0$ = 進流水 BOD₅ 濃度 (kg BOD₅/m³)
$M$ = 活性污泥的質量 (kg MLSS)
$V$ = 曝氣池體積 (m³)
$X$ = 活性污泥平均濃度 (MLSS, kg MLSS/m³)
$\theta_c$ = 污泥齡 (Sludge Age, day)

不同的操作條件和處理目標會對最適宜的食微比有影響。一般而言：

• 高食微比 (High F/M)：微生物生長速度快，但可能產生較多的污泥，且處理效率可能不穩定。適用於需要快速處理高濃度有機廢水的場合。

過濾池是水處理過程中常用的單元操作，用於去除水中懸浮物，提高水質。當過濾池出現水頭損失過大（表示濾材堵塞嚴重）或出水濁度過高（表示過濾效果下降）時，通常表示濾材的過濾能力已下降，需要進行再生或維護。

選項分析：
(A) 提高混凝劑劑量：混凝劑主要用於沉澱或過濾前的預處理階段，用於凝聚水中細小懸浮物。在過濾池本身運行時，提高混凝劑劑量對解決過濾池堵塞或濁度問題沒有直接幫助，甚至可能造成濾材的進一步堵塞（如果混凝劑投加點不對或過量）。
(B) 降低出水量：降低出水量可以減緩水頭損失的增加速率，但這只是治標不治本，並不能解決濾材堵塞的問題，反而會降低處理效率。

SVI (Sludge Volume Index) 是活性污泥法操作中的一個重要指標，用於衡量污泥的沉降性能。SVI 的定義為：每克懸浮固體 (MLSS) 在沉降 30 分鐘後所佔的體積 (mL)。

$SVI = \frac{V_{30}}{X}$
其中：
$V_{30}$ = 沉降 30 分鐘後污泥層的體積 (mL)
$X$ = 污泥懸浮固體濃度 (MLSS, g/L)

SVI 的數值反映了污泥的絮凝狀態和沉降特性。

• SVI 值較低 (例如 50-100 mL/g)：表示污泥沉降性能良好，絮體較大且緊密，容易與水分離。
• SVI 值較高 (例如 150-250 mL/g)：表示污泥沉降性能較差，絮體細小、鬆散，容易發生污泥膨脹 (Sludge Bulking)，影響固液分離，導致出水懸浮物含量升高。

對於標準活性污泥法，為了確保良好的固液分離，防止污泥膨脹，SVI 通常需要控制在一個較低的範圍內。最理想的範圍通常被認為是 50-100 mL/g。其中，50 mL/g 是一個較為嚴格的控制目標，而 100 mL/g 則是一個較寬鬆的上限。

選項分析：
(A) 10 mL/g：這個數值非常低，表示污泥沉降性極好，但可能表示污泥齡過長或有機負荷過低。
(B) 50 mL/g：這個數值是較佳的控制範圍下限，表示污泥沉降性優良。

我國的空氣品質指標 (Air Quality Index, AQI) 是用來衡量空氣污染程度，並向民眾傳達空氣品質資訊的指標。它整合了多種空氣污染物對人體健康的影響，並將其轉換為一個單一的數值。

AQI 的計算是基於以下六種主要空氣污染物濃度的逐日監測值：

1. 細懸浮微粒 (PM2.5)：指粒徑小於或等於 2.5 微米的懸浮微粒，能深入肺部，對健康影響重大。
2. 懸浮微粒 (PM10)：指粒徑小於或等於 10 微米的懸浮微粒，也可能對呼吸系統造成影響。
3. 二氧化硫 (SO₂)：主要來自燃燒含硫燃料，可能引起呼吸道疾病。
4. 二氧化氮 (NO₂)：主要來自汽機車排放及燃料燃燒，會刺激呼吸道。
5. 一氧化碳 (CO)：主要來自汽機車不完全燃燒，會影響血液攜氧能力。
6. 臭氧 (O₃)：為光化學反應的產物，在高濃度時會刺激呼吸道，影響肺功能。

工業廢水種類繁多，其成分和性質差異很大，因此需要採用多樣化的處理方法。化學處理是工業廢水處理的重要手段之一，主要利用化學反應來去除或轉化廢水中的污染物。以下列舉五種常見的工業廢水化學處理方法：

1. 混凝沉澱 (Coagulation and Sedimentation)：

   • 原理：加入混凝劑（如硫酸鋁、氯化鐵、聚合氯化鋁 PAC 等）與水中膠體顆粒及細懸浮物發生化學反應，使其脫穩、聚集形成較大的礬花，然後通過沉澱去除。
   • 應用：適用於去除水中懸浮物、膠體物質、部分重金屬離子、部分有機物及色度。

2. 氧化還原法 (Oxidation-Reduction)：

   • 原理：利用氧化劑（如臭氧 O₃、過氧化氫 H₂O₂、氯氣 Cl₂、高錳酸鉀 KMnO₄ 等）或還原劑，將廢水中有害的物質轉化為毒性較低的物質，或使其更容易被去除。
   • 應用：
     • 氧化法：用於去除酚類、氰化物、硫化物、染料、有機物等。
     • 還原法：用於去除六價鉻 (Cr⁶⁺) 至三價鉻 (Cr³⁺) 後進行沉澱，或去除亞硝酸鹽等。

本題要求計算一沉澱池的水力停留時間 (Hydraulic Retention Time, HRT)。

已知條件：

• 沉澱池長度 ($L$) = 20 m
• 沉澱池寬度 ($W$) = 10 m
• 沉澱池高度 ($H$) = 4 m
• 表面溢流率 (Surface Overflow Rate, SOR) = 40 m³/m²-day

計算步驟：

1. 計算沉澱池的表面積 (Surface Area, A)：
   表面積是池的長度乘以寬度。
   $A = L \times W = 20 \, \text{m} \times 10 \, \text{m} = 200 \, \text{m}^2$

2. 計算沉澱池的總體積 (Volume, V)：
   沉澱池的總體積是長、寬、高的乘積。
   $V = L \times W \times H = 20 \, \text{m} \times 10 \, \text{m} \times 4 \, \text{m} = 800 \, \text{m}^3$

3. 計算水力停留時間 (HRT)：
   水力停留時間 (HRT) 是沉澱池的體積除以進流水量 (Flow rate, Q)。
   $HRT = \frac{V}{Q}$

   表面溢流率 (SOR) 的定義是單位表面積在單位時間內通過的水量：
   $SOR = \frac{Q}{A}$
   因此，進流水量 $Q$ 可以表示為：
   $Q = SOR \times A$

   將此代入 HRT 的公式：
   $HRT = \frac{V}{SOR \times A}$