112 年 國立中山大學環境工程研究所《環境工程概論（A）》

混凝作用是利用化學藥劑（混凝劑）將水中微小的懸浮粒子或膠體粒子，透過物理化學的機制，使其聚集（絮凝）成較大的粒子，以便後續沉澱或過濾去除。其主要機制包含：

• 壓縮擴散層 (Charge Neutralization)： 混凝劑（如鋁鹽、鐵鹽）在水中水解後會產生帶正電的離子，這些離子會吸附在帶負電的水中懸浮粒子表面，降低其表面電位，使其斥力減小，進而容易聚集。
• 吸附及電性中和 (Adsorption and Charge Neutralization)： 這是最主要的混凝機制。混凝劑水解產生的多價陽離子（如 Al³⁺, Fe³⁺）會吸附在膠體粒子表面，中和其負電荷，使其表面電位降低，從而減小粒子間的靜電斥力。

核心觀念

沉澱池中的沉澱型式，主要依懸浮固體濃度及顆粒是否具有凝聚、絮凝特性分類：

1. 第Ⅰ型沉澱（離散顆粒沉澱）
   懸浮固體濃度低，顆粒彼此不凝聚，沉降過程中粒徑、形狀與密度大致不變，各顆粒獨立沉降。

2. 第Ⅱ型沉澱（絮凝性沉澱）
   懸浮固體濃度仍低，但顆粒具有凝聚性。顆粒在沉降過程中互相碰撞、結合成較大絮體，使沉降速度隨時間與深度增加。

3. 第Ⅲ型沉澱（層沉澱或阻礙沉澱）
   懸浮固體濃度較高，顆粒間距縮小，彼此產生明顯干擾，形成具有清楚界面的沉降層，常稱為層沉澱或毯狀沉澱。

4. 第Ⅳ型沉澱（壓密沉澱）
   懸浮固體濃度很高，顆粒已形成固體結構，沉降主要靠上方固體重量壓迫，使底部污泥逐漸脫水、濃縮。

因此，低濃度懸浮固體的沉澱過程通常屬於第Ⅰ型或第Ⅱ型沉澱。

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解題方法

題目已明確指出判斷依據為「懸浮固體物之濃度及顆粒之凝聚性」，可先依懸浮固體濃度分類：

• 低濃度：第Ⅰ型、第Ⅱ型；
• 較高濃度，顆粒互相干擾並形成沉澱層：第Ⅲ型；
• 極高濃度，顆粒受壓縮而濃縮：第Ⅳ型。

低濃度本身並不代表顆粒一定不凝聚，因此必須同時包含：

• 無凝聚性顆粒：第Ⅰ型；
• 有凝聚性顆粒：第Ⅱ型。

所以正確選項為 (A)、(B)。

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選項分析

(A) 第Ⅰ型沉澱：正確

核心觀念

污泥膨化是活性污泥沉降性惡化的現象，常以污泥體積指數 $SVI$ 升高、沉澱後污泥層蓬鬆及固液分離不良為特徵。主要成因通常與絲狀菌過度繁殖、絮體結構鬆散，以及操作條件造成的低食微比有關。

常用公式為：

$$F/M=\frac{QS_0}{VX}$$

其中：

• $Q$：進流水量
• $S_0$：進流水基質濃度
• $V$：曝氣槽體積
• $X$：混合液懸浮固體濃度（MLSS）

在 $Q$、$S_0$、$V$ 近似固定時，MLSS 越高，$F/M$ 越低；低 $F/M$ 環境常使絲狀菌取得競爭優勢，增加污泥膨化風險。

污泥齡則可概念化表示為：

$$SRT=\frac{\text{系統內污泥量}}{\text{每日排出污泥量}}$$

污泥抽除不足會使 $SRT$ 增加，並常伴隨低 $F/M$，有利於部分絲狀菌繁殖。

解題方法

本題問「何者不屬於污泥膨化之原因」，應逐項判斷各操作條件是否會造成：

1. 低 $F/M$；
2. 過長污泥齡；
3. 絲狀菌相對優勢；
4. 絮體沉降性惡化。

會促進上述情形的選項屬於污泥膨化原因；不會促進，或敘述本身與實際作用相反者，即為答案。

選項分析

(A) 過高的污泥抽除速率

污泥抽除速率過高會使系統內污泥量及污泥齡下降，通常提高 $F/M$，並降低絲狀菌在低基質、長污泥齡環境下的競爭優勢。

因此，過高的污泥抽除速率一般不是典型的絲狀菌污泥膨化原因。雖然排泥過度可能造成污泥過年輕、絮體形成不佳等問題，但其機制不屬於典型的絲狀菌膨化。

本項正確，屬於不屬於污泥膨化原因的選項。

(B) 曝氣量過高

核心觀念

本題綜合考查：

1. 曼寧公式與圓形管渠水力計算。
2. BOD₅ 的稀釋修正。
3. 公共用水水域分級與所需淨水處理程度。
4. 河川中的硝化作用。
5. 折點加氯法及氨氮與氯的反應化學計量。

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選項分析

（A）正確

曼寧公式為

$$V=\frac{1}{n}R^{2/3}S^{1/2}$$

其中：

• $V$：平均流速，$0.9\ \text{m/s}$
• $n$：曼寧粗糙係數，$0.015$
• $R$：水力半徑
• $S$：管渠坡度

雨水管直徑為 $0.3\ \text{m}$，若視為滿管流，圓形管之水力半徑為

$$R=\frac{A}{P}=\frac{\pi D^2/4}{\pi D}=\frac{D}{4} =\frac{0.3}{4}=0.075\ \text{m}$$

由曼寧公式整理得

$$S=\left(\frac{Vn}{R^{2/3}}\right)^2$$

代入數值：

$$S=\left(\frac{0.9\times 0.015}{0.075^{2/3}}\right)^2 \approx 0.0057$$

換算為百分比：

$$S\approx 0.0057\times 100\%=0.57\%$$

因此埋設坡度約為 $0.572\%$，選項正確。

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（B）錯誤

BOD₅ 計算式為

$$\mathrm{BOD}_5=\frac{D_1-D_2}{P}$$

其中：

• $D_1$：稀釋水樣之初始溶氧
• $D_2$：培養 5 日後之溶氧
• $P$：水樣在 BOD 瓶中的體積比例

題目給定：

$$D_1=7.5\ \text{mg/L}$$ $$D_2=3.9\ \text{mg/L}$$ $$P=\frac{2}{300}$$

因此

$$\mathrm{BOD}_5 =\frac{7.5-3.9}{2/300} =\frac{3.6}{0.006667} \approx 540\ \text{mg/L}$$

題目敘述為 $108\ \text{mg/L}$，計算錯誤，因此選項不正確。

若直接以溶氧消耗量 $3.6\ \text{mg/L}$ 乘以稀釋倍數 $150$，同樣得到

$$3.6\times 150=540\ \text{mg/L}$$

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核心觀念

自來水管網分析，是依據各接水點的需水量、管徑、管長、管材、地形高程及水塔或加壓站水位，分析管網中各管段的：

• 流量與流向
• 流速
• 水頭損失
• 各節點壓力
• 尖峰用水時的供水能力
• 水在管網中的停留時間及水質變化

基本原理包括：

1. 連續方程式：各節點流入量與流出量須符合質量守恆。

$$\sum Q_{\text{流入}}-\sum Q_{\text{流出}}=q_i$$

其中 $q_i$ 為該節點的需水量。

2. 能量方程式：水流由一點流至另一點時，總水頭須扣除沿程及局部水頭損失。

$$H_1=H_2+h_f+h_m$$

其中 $h_f$ 為沿程損失，$h_m$ 為局部損失。

3. 管段水頭損失公式：常用 Hazen–Williams 公式表示輸水管線的沿程損失。

$$h_f=10.67\frac{LQ^{1.852}}{C^{1.852}D^{4.87}}$$

其中 $L$ 為管長、$Q$ 為流量、$C$ 為管材係數、$D$ 為管徑。

因此，管網分析的核心並不是讓所有地點完全相同，而是在經濟、供水量、壓力及水質之間取得合理設計。

解題方法

判斷各選項是否為管網分析目的，可從四個面向切入：

1. 是否能滿足各地區及各接水點的需水量。
2. 是否能在尖峰用水時維持正常供水。
3. 是否能以合理且經濟的管徑、管線配置及設備完成供水。
4. 是否能掌握水在管網中的流動、停留及水質變化。

若選項要求「各點完全相同」，通常不是管網設計的實際目標；管網真正要求的是各點壓力須落在合理範圍內，並滿足服務水量。

選項分析

(A) 在最經濟的原則下充分供應各接水點之需要水量

正確。

管網設計必須在滿足各接水點需水量的前提下，選擇適當的管徑、管線配置、水塔容量及加壓設備，以降低建造及操作成本。

「充分供應」代表供水能力足以滿足需求；「最經濟」則代表避免管徑過大、設備過度設計或不必要的能源消耗。因此，此項符合自來水管網分析的主要目的。

(B) 使供水區內各點水壓平均

錯誤。

管網分析的目的不是使所有地點的水壓完全相同，而是使各地點水壓維持在合理範圍內。

IAQ (Indoor Air Quality) 指標污染物是指在室內環境中，對人體健康或舒適度可能產生不利影響的物質。這些污染物來源廣泛，包括室外空氣污染物進入室內，以及室內活動產生的污染物。

我們逐一分析各選項：

• (A) SO₂ (二氧化硫)： SO₂ 主要來自室外燃燒過程（如燃燒含硫燃料），是重要的室外空氣污染物。SO₂ 也可能進入室內，影響室內空氣品質。因此，SO₂ 是 IAQ 的潛在指標污染物。
• (B) O₃, 8hr (八小時平均臭氧濃度)： 臭氧 (O₃) 是一種強氧化劑，主要在室外大氣中形成，受陽光照射和 NOx、VOCs 的影響。它也可能透過通風進入室內，對人體呼吸道和黏膜有刺激作用。因此，臭氧濃度也是 IAQ 的一個考量指標，通常會關注其八小時平均值。
• (C) PM₂.₅ (細懸浮微粒)： PM₂.₅ 指粒徑小於或等於 2.5 微米的懸浮微粒。這些微粒可以深入人體肺部，對健康造成嚴重影響。

核心觀念

本題考查「五分貝交換率」下的勞工噪音暴露劑量與工作時量平均值（TWA）。

五分貝原則表示：噪音每降低 $5\ \text{dBA}$，允許暴露時間加倍；每增加 $5\ \text{dBA}$，允許暴露時間減半。

以 $90\ \text{dBA}$、每日 $8$ 小時為基準，各音量的允許暴露時間為：

$$T_i=8\times 2^{(90-L_i)/5}$$

其中：

• $T_i$：音量 $L_i$ 下的允許暴露時間
• $L_i$：實際噪音音量
• $90\ \text{dBA}$：管制基準音量

勞工噪音暴露劑量為：

$$D=100\sum \frac{C_i}{T_i}$$

其中 $C_i$ 為實際暴露時間。

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解題方法與計算

員工的暴露情形如下：

• $90\ \text{dBA}$：工作 $4$ 小時
• $60\ \text{dBA}$：工作 $4$ 小時

先計算兩種音量下的允許暴露時間。

在 $90\ \text{dBA}$ 下：

$$T_{90}=8\times 2^{(90-90)/5}=8\ \text{小時}$$

在 $60\ \text{dBA}$ 下：

$$T_{60}=8\times 2^{(90-60)/5} =8\times 2^6 =512\ \text{小時}$$

因此，暴露劑量為：

$$D=100\left(\frac{4}{8}+\frac{4}{512}\right)$$ $$D=100(0.5+0.0078125) =50.78125\%$$

所以：

$$\boxed{D\approx 50.8\%}$$

TWA 與暴露劑量的關係式為：

$$TWA=16.61\log_{10}\left(\frac{D}{100}\right)+90$$

代入 $D=50.78125$：

此題考驗噪音的疊加計算以及夜間噪音管制標準的應用。

核心概念：

• 噪音疊加： 當多個相同聲源同時發聲時，總聲壓級並非簡單的算術相加。聲壓級的計算基於能量（聲強）的疊加。
• 聲強與聲壓級的關係： 聲強 (I) 與聲壓級 (Lp) 的關係為 $Lp = 10 \log_{10}(I/I_0)$，其中 $I_0$ 是參考聲強。
• 多聲源疊加： 若有 N 個相同的聲源，每個聲源的聲強為 $I_1$，則總聲強 $I_{total} = N \times I_1$。
  總聲壓級 $L_{total} = 10 \log_{10}(I_{total}/I_0) = 10 \log_{10}(N \times I_1 / I_0) = 10 \log_{10}(N) + 10 \log_{10}(I_1/I_0) = 10 \log_{10}(N) + L_{1}$。
  其中 $L_1$ 是單一聲源的聲壓級。
• 夜間噪音管制標準： 夜間允許的噪音水平為 55 dB。

步驟一：計算單一機器的噪音水平

• 已知 20 台機器共同產生的噪音為 60 dB。
• 設單一機器的噪音水平為 $L_1$。
• 根據噪音疊加公式：$L_{total} = 10 \log_{10}(N) + L_1$
• 將已知數據代入：$60 \text{ dB} = 10 \log_{10}(20) + L_1$
• 計算 $\log_{10}(20) \approx 1.301$
• $60 = 10 \times 1.301 + L_1$
• $60 = 13.01 + L_1$

空氣品質受到多種因素的影響，其中氣象因素扮演著至關重要的角色。這些因素會影響污染物的擴散、稀釋、轉化和沉降。

我們逐一分析各選項：

• (A) 季節 (Season)： 季節的變化會帶來溫度、濕度、日照長度、大氣環流模式等一系列氣象條件的改變。例如，冬季時，大氣穩定度通常較高，不利於污染物擴散，容易造成空氣污染累積；夏季時，光化學反應較活躍，可能導致臭氧濃度升高。因此，季節是影響空氣品質的重要因素。
• (B) 雨量 (Precipitation)： 雨水可以透過「沖刷作用」（Washout）將大氣中的顆粒物和部分氣態污染物（如 SO₂, HCl）從空氣中清除，使其沉降到地面。因此，雨量的大小和強度直接影響空氣中的污染物濃度。
• (C) 風速風向 (Wind Speed and Direction)： 風是污染物擴散和傳輸的主要動力。風速決定了污染物的稀釋速率和擴散範圍，風速越大，污染物越容易被稀釋；風向則決定了污染物傳輸的方向，將污染源的污染物輸送到其他區域。因此，風速風向是影響空氣品質的關鍵因素。

溫室氣體盤查（Greenhouse Gas Inventory）通常遵循溫室氣體議定書（GHG Protocol）的標準，將溫室氣體排放源分為三個範疇：

• 範疇一 (Scope 1)： 企業或組織直接排放的溫室氣體。這包括企業自有或控制的排放源，例如：

  • 固定燃燒源的排放（如鍋爐、發電機燃燒燃料）。
  • 移動燃燒源的排放（如企業自有車輛燃燒燃料）。
  • 製程排放（如化學反應直接產生的溫室氣體，如 CO₂, CH₄, N₂O 等）。
  • 逸散性排放（如冷媒洩漏、天然氣管線洩漏）。

• 範疇二 (Scope 2)： 企業或組織購買的電力、熱能或蒸汽所產生的間接溫室氣體排放。這是因為發電廠、熱電廠或蒸汽供應商在生產這些能源時會產生溫室氣體排放，這些排放量會被歸屬於購買這些能源的企業。

  • 購買的電力（Electricity purchased）。
  • 購買的熱能（Heat purchased）。
  • 購買的蒸汽（Steam purchased）。

• 範疇三 (Scope 3)： 企業或組織的其他所有間接溫室氣體排放，這些排放源不被企業擁有或控制，但與企業的價值鏈（Value Chain）相關。範疇三的範圍非常廣泛，包括：

  • 員工通勤（Employee Commuting）。
  • 商務差旅（Business Travel）。

11. (A) 何謂消毒副產物 THM？產生原因為何？

消毒副產物 (Disinfection Byproducts, DBPs) 是指在飲用水消毒過程中，消毒劑（如氯、氯胺、二氧化氯、臭氧等）與水中原有的有機物或無機物反應而生成的各種化合物。
三鹵甲烷 (Trihalomethanes, THMs) 是其中一類最常見且受關注的消毒副產物，其化學結構中，甲烷（CH₄）的四個氫原子中有三個被鹵素原子（如氯 Cl、溴 Br、碘 I）取代。常見的 THMs 包括氯仿 (Chloroform, CHCl₃)、二溴氯甲烷 (Dichlorobromomethane, CHBrCl₂)、二氯溴甲烷 (Dibromochloromethane, CHBr₂Cl) 和溴仿 (Bromoform, CHBr₃)。

產生原因：
THMs 的產生主要歸因於消毒劑（尤其是含氯消毒劑）與水中天然存在的有機質（NOM, Natural Organic Matter）之間的反應。這些有機質來源於動植物殘骸的分解。當消毒劑加入水中時，會與這些有機質發生親電取代反應，生成鹵代有機物，其中就包括 THMs。反應的速率和產物種類受消毒劑種類、用量、水溫、pH 值、反應時間以及水中NOM 的類型和濃度等因素影響。

11. (B) 何謂水之鹼度？請列舉三種測定鹼度之目的。

水之鹼度 (Alkalinity) 是指水體中抵抗酸性物質加入的能力，也就是水中能與酸反應的物質的總量。這些物質主要是碳酸根離子 ($CO_3^{2-}$)、碳酸氫根離子 ($HCO_3^-$) 和氫氧化物離子 ($OH^-$)，但也包括一些弱酸的陰離子，如硼酸鹽、矽酸鹽、磷酸鹽等。鹼度通常以相當於碳酸鈣 ($CaCO_3$) 的濃度表示（mg/L as CaCO₃）。

測定鹼度的目的：

1. 評估水的緩衝能力： 鹼度是水體抵抗 pH 變化的能力（緩衝能力）。了解鹼度有助於預測水體在受到酸雨、工業廢水或生物作用影響時的 pH 穩定性。
2. 預測水處理過程中的化學反應：
   • 混凝處理： 混凝劑（如硫酸鋁、氯化鐵）在水中水解會產生酸，需要水中的鹼度來中和，以維持適當的 pH 值，確保混凝效果。
   • 軟化處理： 在石灰-蘇打法軟化水中鈣、鎂硬度的過程中，鹼度是重要的參數。
   • pH 控制： 在給水處理和廢水處理過程中，需要精確控制 pH 值，鹼度是影響 pH 的關鍵因素。
3. 評估水體生態環境的健康狀況： 在天然水體（如湖泊、河流）中，適當的鹼度有助於維持水生生物的生存環境，抵抗酸雨的影響。鹼度過低可能導致水體pH劇烈波動，威脅水生生物。
4. 監測水質變化： 鹼度的變化可以指示水體受到了污染（如酸性或鹼性物質的排入）或發生了某些化學/生物過程。

11. (C) 何謂自由有效餘氯？何謂結合有效餘氯？

在飲用水消毒過程中，加入的氯會與水中的物質發生反應，根據反應的程度和產物，可分為自由有效餘氯和結合有效餘氯。

• 自由有效餘氯 (Free Available Chlorine, FAC)： 指水中以游離氯（$Cl_2$）、次氯酸（$HOCl$）和次氯酸根離子（$OCl^-$）形式存在的氯。這些形式的氯具有最強的氧化性和殺菌能力，反應速度快。在 pH 較低的環境下，HOCl 的比例較高，殺菌效果最好。
• 結合有效餘氯 (Combined Available Chlorine, CAC)： 指水中以氯胺（Monochloramine, $NH_2Cl$；Dichloramine, $NHCl_2$；Trichloramine, $NCl_3$）形式存在的氯。氯胺是消毒劑（氯）與水中氨氮反應生成的產物。氯胺的殺菌能力較自由餘氯弱，反應速度較慢，但其餘氯維持時間長，且不易產生過多的三鹵甲烷。

有效餘氯 (Total Available Chlorine, TAC) 是自由有效餘氯和結合有效餘氯的總和。
$TAC = FAC + CAC$

11. (D) 何謂河川之涵容能力？河川在淨化過程通常由哪兩種作用影響之？

河川之涵容能力 (River Assimilative Capacity) 是指河川在承受污染物排放後，能夠透過其自身的物理、化學和生物過程，將污染物稀釋、轉化、降解或沉澱，最終恢復到其原有的或可接受的水質水平的能力。簡單來說，就是河川「自淨能力」的大小。

河川在淨化過程（自淨作用）中，主要受到以下兩種作用的影響：

核心觀念

本題考查燃料完全燃燒時的：

• 理論空燃比 $(A/F)_{\text{stoichiometric}}$：燃料完全燃燒所需的理論空氣質量與燃料質量之比。

• 當量比：

  $ER=\frac{(A/F)_{\text{actual}}}{(A/F)_{\text{stoichiometric}}}$

  本題 $ER=1.1>1$，表示實際供給空氣量為理論空氣量的 $1.1$ 倍，燃燒後會有剩餘氧氣。

• 氧氣與氮氣在空氣中的莫耳比例採用：

  $\text{Air}=O_2+3.76N_2$

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解題方法

先寫出苯的理論完全燃燒反應式，再利用空氣中 $O_2$ 與 $N_2$ 的比例計算空氣質量，最後依當量比求出實際燃燒產物的總莫耳數。

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（1）每克苯所需之空燃比

苯的化學式為 $C_6H_6$，完全燃燒反應式為：

$C_6H_6+\frac{15}{2}O_2\rightarrow 6CO_2+3H_2O$

因此，燃燒 $1$ 莫耳苯需要：

$7.5\text{ mol }O_2$

加入空氣中的氮氣後：

$$C_6H_6+7.5(O_2+3.76N_2) \rightarrow 6CO_2+3H_2O+28.2N_2$$

理論空氣質量

苯的莫耳質量：

$M_{C_6H_6}=6(12)+6(1)=78\text{ g/mol}$

燃燒 $1$ 莫耳苯所需的氧氣質量：

$m_{O_2}=7.5(32)=240\text{ g}$

所需氮氣莫耳數：

$n_{N_2}=7.5(3.76)=28.2\text{ mol}$

所需氮氣質量：

$m_{N_2}=28.2(28)=789.6\text{ g}$

所以理論空氣質量為：

$m_{\text{air}}=240+789.6=1029.6\text{ g}$

理論空燃比：

$$(A/F)_{\text{stoichiometric}} =\frac{1029.6}{78} =13.2\text{ g air/g fuel}$$

因此，每克苯完全燃燒約需：

$\boxed{13.2\text{ g 空氣}}$

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（2）$ER=1.1$ 時，每公斤苯所產生的氣體體積

由定義：

$ER=\frac{(A/F)_{\text{actual}}}{(A/F)_{\text{stoichiometric}}}=1.1$

因此，實際供應的氧氣量為理論值的 $1.1$ 倍：