112 年 國立臺灣大學環境工程研究所科學與工程甲組《衛生工程》

卡爾森指數（Carlson's Index）是早期用來評估水體優養化程度的一種指標，主要基於水體中特定參數的測量值來進行分類。

定量方式：
卡爾森指數的計算是基於以下四個參數中的任一或多個：

1. 透視度 (Secchi depth, $SD$)： 指在水面向下觀察，肉眼能看到水中白色圓盤（Secchi disk）消失的深度。
2. 總磷 (Total phosphorus, $TP$)： 指水中所有形態的磷總和。
3. 葉綠素 a (Chlorophyll a, $Chl\_a$)： 指水中藻類細胞內葉綠素 a 的濃度，是藻類生物量的指標。
4. 溶解氧 (Dissolved oxygen, $DO$)： 指水中溶解的氧氣量，通常在特定深度（如 5 公尺）測量。

卡爾森指數的計算公式如下：
$CI = 41.0 + 16.2 \ln(TP) - 5.9 \ln(SD)$ (當 TP 為 $\mu g/L$，SD 為公尺 m)
$CI = 15.0 + 17.1 \ln(Chl\_a) - 5.9 \ln(SD)$ (當 Chl_a 為 $\mu g/L$，SD 為公尺 m)
$CI = 30.6 + 12.4 \log_{10}(TP) - 4.7 \ln(SD)$ (另一種形式，當 TP 為 $\mu g/L$，SD 為公尺 m)
$CI = 5.0 + 1.38 \log_{10}(Chl\_a) + 1.17 \log_{10}(TP) - 0.53 \ln(SD)$ (結合多參數)

有效淨正吸水高度（Available Net Positive Suction Head, NPSHa）是離心泵（centrifugal pump）在吸入端（suction side）所能獲得的、高於液體飽和蒸氣壓的絕對壓力頭（absolute pressure head）。這個值對於確保泵的正常運轉、避免發生汽蝕（cavitation）至關重要。

定義：
NPSHa 是指液體在泵的葉輪入口處，減去液體飽和蒸氣壓後所剩餘的壓力能量。其計算公式通常為：
$NPSHa = H_{atm} + H_{static} - H_{friction} - H_{vapor}$
其中：

• $H_{atm}$：大氣壓力頭 (atmospheric pressure head)，即作用在液面上的大氣壓力轉換成的水頭。
• $H_{static}$：靜水頭 (static head)，即液體表面到泵葉輪中心的垂直距離。若液面高於泵葉輪中心，則為正值；反之，則為負值。
• $H_{friction}$：吸入管路系統中的總摩擦損失水頭 (total friction head loss in the suction piping system)。
• $H_{vapor}$：液體的飽和蒸氣壓水頭 (vapor pressure head of the liquid)。

確保泵正常運轉的條件：
為了避免汽蝕，泵的 NPSHa 必須大於泵本身所需要的最小淨正吸水高度（Net Positive Suction Head Required, NPSHr），即：
$NPSHa \ge NPSHr$

影響 NPSHa 的因素：
由 NPSHa 的計算公式可知，影響 NPSHa 的因素包括：

1. 大氣壓力 ($H_{atm}$)：

本題要求根據提供的累積降雨量資料，計算不同時間段內的降雨量，並進一步計算雨量強度，最後繪製雨量強度與延時的關係圖。

步驟一：計算時間段內之降雨量
表格中已提供「時間段內之降雨量」，但有時需要自行計算。計算方法為：
時間段內之降雨量 = 當前累積降雨量 - 上一個累積降雨量

例如：

• 0-5 分鐘：7.5 mm - 0 mm = 7.5 mm
• 5-10 分鐘：14.7 mm - 7.5 mm = 7.2 mm
• 10-15 分鐘：21.3 mm - 14.7 mm = 6.6 mm
• ...
• 100-120 分鐘：115.1 mm - 111.5 mm = 3.6 mm

步驟二：計算雨量強度 (Intensity, $I$)
雨量強度通常以 mm/hr 為單位。計算公式為：
$I = \frac{\text{時間段內之降雨量 (mm)}}{\text{時間段 (min) / 60 (min/hr)}}$

我們需要計算每個「時間段」的平均雨量強度。

• 0-5 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 7.5 mm
  $I = \frac{7.5 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 7.5 \times 12 = 90 \text{ mm/hr}$
• 5-10 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 7.2 mm
  $I = \frac{7.2 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 7.2 \times 12 = 86.4 \text{ mm/hr}$
• 10-15 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 6.6 mm
  $I = \frac{6.6 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 6.6 \times 12 = 79.2 \text{ mm/hr}$
• 15-20 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 12.2 mm
  $I = \frac{12.2 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 12.2 \times 12 = 146.4 \text{ mm/hr}$
• 20-25 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 6.9 mm
  $I = \frac{6.9 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 6.9 \times 12 = 82.8 \text{ mm/hr}$
• 25-30 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 12.2 mm
  $I = \frac{12.2 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 12.2 \times 12 = 146.4 \text{ mm/hr}$
• 30-35 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 14.2 mm
  $I = \frac{14.2 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 14.2 \times 12 = 170.4 \text{ mm/hr}$
• 35-40 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 12.7 mm
  $I = \frac{12.7 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 12.7 \times 12 = 152.4 \text{ mm/hr}$
• 40-45 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 6.1 mm
  $I = \frac{6.1 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 6.1 \times 12 = 73.2 \text{ mm/hr}$
• 45-50 分鐘：
  時間段長度 = 5 min
  降雨量 = 6.5 mm
  $I = \frac{6.5 \text{ mm}}{5/60 \text{ hr}} = 6.5 \times 12 = 78 \text{ mm/hr}$
• 50-60 分鐘：
  時間段長度 = 10 min
  降雨量 = 4.7 mm
  $I = \frac{4.7 \text{ mm}}{10/60 \text{ hr}} = 4.7 \times 6 = 28.2 \text{ mm/hr}$
• 60-80 分鐘：
  時間段長度 = 20 min
  降雨量 = 7.8 mm
  $I = \frac{7.8 \text{ mm}}{20/60 \text{ hr}} = 7.8 \times 3 = 23.4 \text{ mm/hr}$
• 80-100 分鐘：
  時間段長度 = 20 min
  降雨量 = 6.9 mm
  $I = \frac{6.9 \text{ mm}}{20/60 \text{ hr}} = 6.9 \times 3 = 20.7 \text{ mm/hr}$
• 100-120 分鐘：
  時間段長度 = 20 min
  降雨量 = 3.6 mm
  $I = \frac{3.6 \text{ mm}}{20/60 \text{ hr}} = 3.6 \times 3 = 10.8 \text{ mm/hr}$

步驟三：計算不同延時下的最大降雨量
題目要求計算「不同延時下之最大降雨量」。這通常是指從降雨開始到某個延時點為止的累積降雨量，或是指在該延時段內的「最大」時段降雨量。從題目敘述「計算不同延時下之最大降雨量」以及後面要求繪製「雨量強度-延時曲線圖」來看，這裡的「延時」應該是指累積的時長（例如 0-5 min, 0-10 min, 0-20 min 等），而「最大降雨量」則是指在這些累積時段內，哪個「時間段內之降雨量」最大。

然而，更常見的「雨量強度-延時曲線圖」是繪製 平均雨量強度 對於 累積延時 的關係圖，或者是指 不同累積延時 下的 最大可能降雨強度。

根據題目給出的表格結構，它列出了「自降雨開始之歷時」、「累積降雨量」、「時間段」和「時間段內之降雨量」。
「不同延時下之最大降雨量」的解釋有兩種可能：

1. 累積降雨量： 直接使用「自降雨開始之歷時」對應的「累積降雨量」。
2. 最大時段降雨量： 在某個累積延時內，找出最大的「時間段內之降雨量」。

考慮到「繪製雨量強度-延時曲線圖」，通常我們是將 延時 (Duration) 作為橫軸，平均雨量強度 (Average Intensity) 作為縱軸。
題目要求「計算不同延時下之最大降雨量」，並且「繪製雨量強度-延時曲線圖」。這意味著我們需要從給定的數據中，找出不同「延時」下的「最大降雨強度」。

更標準的解釋是：
「延時」指的是降雨的持續時間，例如 5 分鐘、10 分鐘、20 分鐘等。
「最大降雨量」是指在一個給定的持續時間內，所發生的累積降雨量。
「雨量強度」是指在一個給定的持續時間內的平均降雨強度。

我們需要繪製的是 雨量強度 (mm/hr) 與 延時 (min) 的關係圖。
通常，我們是計算 不同延時 (Duration) 下的 平均雨量強度 (Average Intensity)。
例如：

• 延時 5 min： 累積降雨量 7.5 mm。平均強度 = $7.5 \text{ mm} / (5/60) \text{ hr} = 90 \text{ mm/hr}$。
• 延時 10 min： 累積降雨量 14.7 mm。平均強度 = $14.7 \text{ mm} / (10/60) \text{ hr} = 88.2 \text{ mm/hr}$。
• 延時 15 min： 累積降雨量 21.3 mm。平均強度 = $21.3 \text{ mm} / (15/60) \text{ hr} = 85.2 \text{ mm/hr}$。
• 延時 20 min： 累積降雨量 33.5 mm。平均強度 = $33.5 \text{ mm} / (20/60) \text{ hr} = 100.5 \text{ mm/hr}$。
• 延時 25 min： 累積降雨量 40.4 mm。平均強度 = $40.4 \text{ mm} / (25/60) \text{ hr} = 96.96 \text{ mm/hr}$。
• 延時 30 min： 累積降雨量 52.6 mm。平均強度 = $52.6 \text{ mm} / (30/60) \text{ hr} = 105.2 \text{ mm/hr}$。
• 延時 35 min： 累積降雨量 66.8 mm。平均強度 = $66.8 \text{ mm} / (35/60) \text{ hr} = 114.51 \text{ mm/hr}$。
• 延時 40 min： 累積降雨量 79.5 mm。平均強度 = $79.5 \text{ mm} / (40/60) \text{ hr} = 119.25 \text{ mm/hr}$。
• 延時 45 min： 累積降雨量 85.6 mm。平均強度 = $85.6 \text{ mm} / (45/60) \text{ hr} = 114.13 \text{ mm/hr}$。
• 延時 50 min： 累積降雨量 92.1 mm。平均強度 = $92.1 \text{ mm} / (50/60) \text{ hr} = 110.52 \text{ mm/hr}$。
• 延時 60 min： 累積降雨量 96.8 mm。平均強度 = $96.8 \text{ mm} / (60/60) \text{ hr} = 96.8 \text{ mm/hr}$。
• 延時 80 min： 累積降雨量 104.6 mm。平均強度 = $104.6 \text{ mm} / (80/60) \text{ hr} = 78.45 \text{ mm/hr}$。
• 延時 100 min： 累積降雨量 111.5 mm。平均強度 = $111.5 \text{ mm} / (100/60) \text{ hr} = 66.9 \text{ mm/hr}$。
• 延時 120 min： 累積降雨量 115.1 mm。

這是一個綜合題，要求解釋四個環境工程領域的術語及其環境影響。

(a) Sweep coagulation

• 定義 (Definition): Sweep coagulation 是一種混凝（coagulation）過程，通常在較低的 pH 值（pH 4-5）和較高的混凝劑（如硫酸鋁 Al₂(SO₄)₃·18H₂O 或三氯化鐵 FeCl₃·6H₂O）投加量下進行。在此條件下，混凝劑會水解產生大量的金屬氫氧化物沉澱（如 Al(OH)₃ 或 Fe(OH)₃）。這些沉澱物具有很大的表面積，能夠物理性地吸附和捲走（sweep out）水中的懸浮物、膠體顆粒、部分溶解性有機物（如腐植酸和富里酸）以及某些微生物。

• 環境影響 (Environmental Implications):

  • 去除效率高： 對於去除水中懸浮固體 (TSS)、濁度 (turbidity)、色度 (color) 以及部分溶解性有機物非常有效，能顯著改善水質。
  • pH 調整需求： 過程需要在較低的 pH 值下進行，因此處理後的水需要進行 pH 調整（通常是鹼化），以符合飲用水或排放標準，這增加了處理成本和複雜性。
  • 污泥產生量大： 產生大量的金屬氫氧化物沉澱污泥，需要妥善處理和處置，可能對環境造成負擔。
  • 重金屬殘留： 如果混凝劑選擇不當或投加量過多，可能導致水中殘留過量的金屬離子（如鋁或鐵）。
  • 適用性： 特別適用於低濁度、低鹼度的水體，或當傳統混凝方法效果不佳時。

(b) Nitrification biochemical oxygen demand (NBOD)

• 定義 (Definition): 硝化生化需氧量 (NBOD) 是指在硝化過程（nitrification）中，由氨氮（NH₃-N）轉化為硝酸氮（NO₃⁻-N）時，微生物（主要是硝化細菌）所消耗的溶解氧量。硝化是一個好氧過程，其中氨氮被氧化成亞硝酸氮（NO₂⁻-N），然後進一步氧化成硝酸氮。

• 計算與化學反應 (Calculation and Chemical Reactions):
  硝化主要包括兩個步驟：

  1. 氨氮氧化為亞硝酸氮：$2NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2NO_2^- + 2H^+ + 2H_2O$
     理論上，每莫耳的 $NH_3$ 消耗 1.5 莫耳的 $O_2$。
  2. 亞硝酸氮氧化為硝酸氮：$2NO_2^- + O_2 \rightarrow 2NO_3^-$
     理論上，每莫耳的 $NO_2^-$ 消耗 0.5 莫耳的 $O_2$。

  綜合來看，氨氮 (NH₃-N) 轉化為硝酸氮 (NO₃⁻-N) 的總反應式（忽略質子和水的平衡，專注於 $NH_3$ 和 $O_2$ 的關係）可以簡化為：
  $NH_3 + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + H^+ + H_2O$
  這表示每莫耳的氨氮（相當於 14 g N）完全硝化為硝酸氮，需要消耗 2 莫耳的氧氣（相當於 $2 \times 32 = 64$ g $O_2$）。
  因此，NBOD 的理論值為：
  $NBOD (\text{g } O_2/\text{g } NH_3-N) = \frac{64 \text{ g } O_2}{14 \text{ g } N} \approx 4.57 \text{ g } O_2/\text{g } NH_3-N$

• 環境影響 (Environmental Implications):

  • 耗氧量： 硝化過程消耗大量溶解氧，如果放流水中的氨氮濃度很高，且接收水體（如河流、湖泊）的溶解氧已偏低，硝化作用會進一步降低水體中的溶解氧，威脅水生生物的生存（導致 BOD 升高，特別是總 BOD）。
  • BOD 測量： 在進行生化需氧量 (BOD) 測試時，如果水中含有氨氮，硝化細菌會繼續進行硝化，消耗氧氣，導致 BOD 測試結果偏高。為了準確測量碳質 BOD (Carbonaceous BOD, CBOD)，通常會在 BOD 測試中加入抑制劑（如 allylthiourea, ATU）來阻止硝化作用。NBOD 是 BOD 的一部分，稱為氮質 BOD (Nitrogenous BOD)。
  • 污水處理設計： 在設計二級污水處理廠時，需要考慮硝化單元（硝化池）所需的曝氣量，以確保氨氮轉化為硝酸氮的同時，維持足夠的溶解氧。

(c) Simultaneous nitrification and denitrification (SND)

本題要求繪製以「快濾砂濾器」(Rapid Sand Filter) 為核心的地面水處理廠生產飲用水的流程圖。

地面水處理廠的基本流程：
地面水（如河水、湖水）通常含有較高的懸浮物、濁度、色度、微生物及有機物，需要經過一系列處理步驟才能達到飲用水標準。快濾砂濾器是其中的關鍵淨化單元。

典型處理流程：

1. 原水取水 (Raw Water Intake): 從水源地（河流、湖泊）抽取原水。
2. 沉澱預處理 (Pre-sedimentation):
   • 篩選 (Screening): 去除較大的漂浮物（如樹枝、塑膠）。
   • 沉澱池 (Pre-sedimentation Tank): 讓較大的懸浮物自然沉降，減輕後續處理負荷。
3. 混凝與沉澱 (Coagulation and Sedimentation):
   • 加藥 (Chemical Dosing): 加入混凝劑（如硫酸鋁 Al₂(SO₄)₃、氯化鐵 FeCl₃）和助凝劑（如聚合物）。
   • 混合 (Rapid Mixing): 快速混合混凝劑，使其均勻分散。
   • 膠凝 (Flocculation): 在慢速攪拌下，使膠體顆粒聚集形成較大的絮狀物（flocs）。
   • 沉澱池 (Sedimentation Tank / Clarifier): 讓絮狀物沉降，去除大部分懸浮物和濁度。
4. 快濾砂濾器 (Rapid Sand Filter):
   • 目的： 進一步去除水中殘留的懸浮物、膠體顆粒、部分微生物和濁度。
   • 原理： 水流通過填充有砂、無煙煤等濾料的濾池，利用物理攔截、吸附、沉降等作用去除污染物。
   • 再生 (Backwashing): 當濾層堵塞、水頭損失增加時，需要反沖洗濾器，將截留的污染物沖走。
5. 消毒 (Disinfection):
   • 目的： 殺滅水中殘留的細菌、病毒等病原微生物。
   • 常用方法： 氯消毒 (Chlorination, 使用液氯、次氯酸鈉)、紫外線消毒 (UV Disinfection)、氯胺消毒 (Chloramination)。
6. pH 調整與加藥 (pH Adjustment and Chemical Dosing):
   • pH 調整： 根據需要調整水的 pH 值，例如加入石灰或蘇打灰。
   • 加藥： 可能還會加入其他化學藥劑，如防腐蝕劑（如磷酸鹽）或氟化物（用於防蛀牙）。
7. 清水池 (Clear Water Reservoir / Storage Tank): 儲存處理好的飲用水，供配水系統使用。
8. 配水 (Distribution): 通過配水管網將飲用水輸送到用戶。

繪製流程圖的要點：

• 使用標準的流程圖符號（如矩形代表單元操作，箭頭代表水流方向）。
• 標示清楚每個單元的名稱。
• 顯示化學藥劑的投加點。
• 注意水流方向的連續性。

流程圖示意：

[原水取水] ----> [篩選] ----> [沉澱預處理池] ----> [加混凝劑] ----> [快速混合] ----> [膠凝池] ----> [沉澱池] ----> [快濾砂濾器] ----> [加消毒劑] ----> [pH 調整/加藥] ----> [清水池] ----> [配水]
                  (進水)                                                                                                                                                                        (出水)

詳細說明各單元：

本題要求解釋天然有機質 (NOM) 是什麼，以及為何混凝/膠凝是去除飲用水中 NOM 的重要目標。

1. 天然有機質 (Natural Organic Matter, NOM) 是什麼？

• 定義： 天然有機質 (NOM) 是指存在於地表水和地下水中的所有天然來源的有機化合物的總稱。它們主要來自於動植物殘骸的分解和微生物活動。
• 來源：
  • 陸地來源： 來自陸地植被的腐殖質（humic substances），如腐植酸 (humic acids) 和富里酸 (fulvic acids)。這些物質通過雨水沖刷進入水體。
  • 水生來源： 水體中藻類、細菌和其他水生生物的死亡、代謝產物，或其分泌物。
• 組成： NOM 的成分非常複雜，主要包括：
  • 腐殖質 (Humic substances): 佔據了大部分比例，是親水性較差的有機大分子，有顏色。
  • 親水性有機物 (Hydrophilic organic matter): 如碳水化合物、氨基酸、蛋白質、核酸等，佔比較小但反應性較高。
• 特性： NOM 通常具有顏色，會影響水的感官性質（如味道和氣味），並可能對水處理過程產生負面影響。

2. 為何混凝/膠凝是去除 NOM 的重要目標？

混凝 (coagulation) 和膠凝 (flocculation) 是飲用水處理中的關鍵步驟，旨在去除水中細小的懸浮顆粒、膠體和部分溶解性有機物。NOM 的去除是混凝/膠凝過程的重要目標，原因如下：

• 去除顏色和改善感官性質：

  • NOM 中的腐殖質是導致地表水呈現黃褐色或棕色的主要原因。混凝/膠凝能有效去除這些有色物質，改善水的視覺外觀。
  • NOM 也是引起水體不良味道和氣味的主要來源之一，去除 NOM 可以顯著改善飲用水的感官品質。

• 預防消毒副產物 (Disinfection Byproducts, DBPs) 的形成：

  • 這是混凝/膠凝去除 NOM 最重要的環境意義之一。NOM 中的有機物（特別是腐殖質）是消毒過程中（尤其是氯消毒）與消毒劑（如氯）反應生成消毒副產物的「前體物」。

本題要求解釋在生物處理過程中，硝化作用為何會降低鹼度，而反硝化作用為何會增加鹼度。

核心概念：
鹼度 (Alkalinity) 是水體抵抗 pH 變化的能力，通常由碳酸鹽、重碳酸鹽、氫氧化物以及其他弱酸的陰離子（如硼酸鹽、矽酸鹽、磷酸鹽、有機酸鹽）提供。在污水處理中，最主要的鹼度來源是碳酸氫根離子 ($HCO_3^-$)。

1. 硝化作用 (Nitrification) 導致鹼度降低

• 定義： 硝化作用是好氧菌（硝化細菌）將氨氮 ($NH_3-N$) 氧化為硝酸氮 ($NO_3^-$-N) 的過程。
• 反應式：
  硝化主要分為兩步：
  a. 氨氮氧化為亞硝酸氮：
  $NH_3 + 1.5 O_2 \rightarrow NO_2^- + H^+ + H_2O$
  (或寫成 $NH_4^+ + 1.5 O_2 \rightarrow NO_2^- + 2H^+ + H_2O$)
  b. 亞硝酸氮氧化為硝酸氮：
  $NO_2^- + 0.5 O_2 \rightarrow NO_3^-$
  總反應式 (忽略 pH 影響，僅看物質變化)：
  $NH_3 + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + H^+ + H_2O$
  (或 $NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O$)
• 鹼度變化原因：
  從總反應式可以看出，每轉化 1 莫耳的氨氮 ($NH_3$ 或 $NH_4^+$) 為硝酸氮 ($NO_3^-$)，同時會產生 1-2 莫耳的氫離子 ($H^+$)。
  • 產生酸： 氫離子 ($H^+$) 的增加會導致水體 pH 下降。
  • 消耗鹼度： 為了中和產生的酸（$H^+$），水體中的鹼度成分（主要是碳酸氫根離子 $HCO_3^-$）會被消耗。
    $H^+ + HCO_3^- \rightarrow H_2O + CO_2$
    因此，硝化作用每進行一次，就會消耗等當量的鹼度來中和產生的酸，從而導致總鹼度降低。
• 量化： 理論上，每硝化 1 g 的氨氮 ($NH_3-N$)，會產生約 7.14 g 的 $H^+$ (相當於 7.14 當量的酸)，這將消耗約 7.14 g 的 $HCO_3^-$ (相當於 7.14 當量的鹼度)。

2. 反硝化作用 (Denitrification) 導致鹼度增加

• 定義： 反硝化作用是兼性厭氧菌（或在缺氧條件下）利用硝酸鹽 ($NO_3^-$) 或亞硝酸鹽 ($NO_2^-$) 作為電子受體，將其還原為氮氣 ($N_2$) 的過程。這個過程需要有機物或其他還原性物質作為電子供體（碳源）。
• 反應式 (以有機物為碳源，硝酸鹽為電子受體)：
  一個簡化的總反應式如下：
  $NO_3^- + CH_2O \text{ (有機物)} + H^+ \rightarrow 0.5 N_2 + 1.5 CO_2 + H_2O$
  (這裡的 $CH_2O$ 代表有機物的平均化學式)
• 鹼度變化原因：

本題要求描述活性污泥-膜生物反應器 (MBR) 工藝，並舉例說明其應用。

1. 活性污泥-膜生物反應器 (MBR) 工藝描述

活性污泥-膜生物反應器 (MBR) 是一種將傳統活性污泥法與膜分離技術結合的新型污水處理工藝。它用膜組件（通常是微濾 (MF) 或超濾 (UF) 膜）取代傳統活性污泥法中的二次沉澱池。

工藝構成與原理：

• 核心組件：
  • 曝氣池 (Aeration Tank): 類似於傳統活性污泥法，在此區域，微生物（活性污泥）在好氧條件下，通過曝氣提供溶解氧，對污水中的有機污染物進行降解和轉化。可以配置為單一好氧池，或包含厭氧/缺氧/好氧（AAO, Anoxic-Anoxic-Oxic）等組合，以實現脫氮除磷。
  • 膜組件 (Membrane Module): 懸掛在曝氣池內或獨立設置，由 MF 或 UF 膜構成。這些膜具有微小的孔徑（MF 約 0.1-10 $\mu m$，UF 約 0.01-0.1 $\mu m$），能夠有效攔截幾乎所有的懸浮固體 (TSS) 和大部分細菌、病毒，僅允許處理後的水（滲濾液）通過。
  • 泵系統 (Pumping System): 用於將污水引入反應器，並將處理後的水從膜組件中抽出（滲濾），同時也用於膜的沖洗和反沖洗。
• 操作模式：
  • 浸沒式 (Submerged MBR): 膜組件浸沒在曝氣池的混合液中。
  • 跨流式 (Cross-flow MBR): 混合液流過膜的表面，部分滲濾，部分濃縮回流。
• 主要操作：
  • 曝氣 (Aeration): 提供氧氣供好氧微生物生存，同時也用於膜的沖洗（氣水反洗），減少膜污染。
  • 滲濾 (Permeation): 通過負壓泵或重力將處理後的水抽出。
  • 清洗 (Cleaning): 定期進行化學清洗 (Clean-In-Place, CIP) 以去除膜上的污染物，恢復膜通量。
  • 污泥排放 (Sludge Wasting): 活性污泥濃度在膜分離的作用下可以很高，因此需要定期排放濃縮的污泥。

MBR 的優勢：

• 出水水質極高： 由於膜的精密過濾作用，出水濁度極低，幾乎不含懸浮物，微生物去除率高，可直接回用或達到排放標準。
• 占地面積小： MBR 工藝的污泥濃度可以達到傳統活性污泥法的數倍，縮短了水力停留時間 (HRT) 和污泥停留時間 (SRT)，從而大大減小了反應器的體積和占地面積。
• 操作靈活性高： 可以通過調整膜的滲濾速率和曝氣強度來控制處理效果。
• 易於實現脫氮除磷： 通過合理的反應器設計（如 A²/O 或 AAO 工藝），可以同時實現高效的脫氮除磷。
• 易於升級改造： 可以將現有的傳統活性污泥廠進行升級改造，替換二次沉澱池為膜組件，以提高出水水質和處理能力。

MBR 的挑戰：