114 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》

本題主要在探討水污染的來源分類，以及其衍生的相關系統特性。

(a) 合流式下水道系統（Combined Sewer System, CSS）的重要特性：

合流式下水道系統是一種將生活污水（domestic wastewater）與雨水（stormwater）收集在同一根管道中的系統。其重要特性包括：

1. 設計與施工較簡單、成本較低： 相較於分離式系統（將生活污水和雨水分開收集），合流式系統只需要一套管道系統，因此在初期建設成本上可能較低。
2. 易受降雨影響而溢流： 在降雨量大時，雨水會大量進入系統，使得總流量遠超過系統設計容量。此時，未經處理的混合水（生活污水+雨水）會通過溢流口（overflow weirs）直接排入受納水體，造成水質污染（Combined Sewer Overflow, CSO）。這是合流式系統最大的缺點。
3. 處理廠負荷波動大： 平時，處理廠僅需處理生活污水；但降雨時，處理廠需處理的流量會大幅增加，且污染物濃度可能因稀釋而降低，但總污染物量（mass loading）可能增加，對處理廠的穩定運作造成挑戰。
4. 需要污染控制措施： 為了減緩 CSO 的衝擊，通常會在合流式系統中設置滯留池（storage tanks）、溢流污染控制設施（如沉澱池、浮渣攔截器）等。
5. 適用地區： 較常存在於較舊的城市或地區，因為許多早期下水道系統是合併設計的。

(b) 點污染源（Point Sources）與非點污染源（Non-point Sources）的重要特性：

點污染源 (Point Sources)：
點污染源是指污染物排放的位置明確、可識別且通常是單一的固定排放口。

1. 排放位置確定： 污染物從特定的、集中的排放點（如工廠的排水管、城市的污水處理廠出水口）進入水體。
2. 易於監測與管制： 由於排放點明確，環保單位可以更容易地進行監測，並對排放量和污染物種類設定標準進行管制（如核發排放許可證）。

核心觀念

本題考查暴雨逕流量的「合理公式法」（Rational Method）：

$$Q=C\,i\,A$$

其中：

• $Q$：尖峰逕流量（$\mathrm{m^3/s}$）
• $C$：加權平均逕流係數，無因次
• $i$：降雨強度（$\mathrm{m/s}$）
• $A$：集水區面積（$\mathrm{m^2}$）

不同地表具有不同的不透水程度，因此必須先依各地表面積比例計算加權平均逕流係數。

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解題方法

1. 計算各地表面積比例

題目給定：

• 屋頂：$20\%$
• 鋪面車道及步道：$25\%$
• Portland cement streets：$20\%$
• 草地：剩餘面積

草地比例為：

$$1-0.20-0.25-0.20=0.35$$

因此，各地表比例為：

地表類型	面積比例	逕流係數 $C$
屋頂	$0.20$	$0.70$
鋪面車道及步道	$0.25$	$0.80$
Portland cement streets	$0.20$	$0.85$
草地	$0.35$	$0.10$

2. 計算加權平均逕流係數

$$C_w =(0.20)(0.70)+(0.25)(0.80)+(0.20)(0.85)+(0.35)(0.10)$$ $$C_w=0.14+0.20+0.17+0.035=0.545$$

3. 單位換算

集水區面積：

$$A=1\ \mathrm{km^2}=1,000,000\ \mathrm{m^2}$$

降雨強度：

本題分為兩部分：(a) 探討影響地下水流速的因素，(b) 則要求推導並應用穩定流公式計算抽水井的降深。

(a) 影響地下水流速的因素：

地下水流速主要由 Darcy's Law (達西定律) 描述，其基本形式為：
$v = K \cdot i$
其中：

• $v$：地下水平均流速 (average linear velocity) 或稱滲流速度 (seepage velocity)。
• $K$：水力傳導係數 (Hydraulic Conductivity, K)，代表介質傳導水的能力。
• $i$：水力坡度 (Hydraulic Gradient, $i = \frac{dh}{dl}$)，代表單位距離內的測壓水頭變化率。

因此，影響地下水流速的因素可歸納為：

1. 介質的孔隙特性 (Pore Characteristics of the Medium)：

   • 水力傳導係數 (K)： 這是最直接且重要的因素。K值越高，代表介質越透水，地下水流速越快。K值的大小取決於：
     • 孔隙度 (Porosity, $n$)： 介質中孔隙空間的體積比例。孔隙度越大，儲水能力越強，但流速不一定越快，因為流速還與孔隙連通性有關。
     • 孔隙大小與形狀 (Pore Size and Shape)： 大而連通的孔隙（如礫石、粗砂）比小而細的孔隙（如黏土、粉砂）更容易讓水流通過，因此 K 值較高。
     • 孔隙結構與連通性 (Pore Structure and Connectivity)： 孔隙是否相互連通，以及通道的曲折程度，都會影響水的流動。
   • 有效孔隙度 (Effective Porosity, $n_e$)： 指的是能實際參與地下水流動的孔隙體積比例。通常 $n_e \le n$。流速 $v$ 的更精確關係式為 $v = \frac{K}{n_e} \cdot i$。

2. 水力坡度 (Hydraulic Gradient, $i$)：
   水力坡度代表地下水流動的驅動力。地下水從高水力位（高水壓或高測壓水頭）流向低水力位。

   • 水頭差 (Head Difference)： 測量點之間水位的差異。水頭差越大，水力坡度越大。
   • 流動距離 (Flow Distance)： 測量水頭差的距離。距離越短，水力坡度越大。
     水力坡度越大，地下水流速越快。

3. 流體性質 (Fluid Properties)：
   雖然在許多情況下（如常溫常壓下的淡水），流體性質的變化不大，但理論上也會影響流速，尤其是在不同溫度或不同流體（如鹽水）的情況下。

   • 水的黏度 (Viscosity, $\mu$)： 黏度越低，流體越容易流動，流速越快。水的黏度隨溫度升高而降低。
   • 水的密度 (Density, $\rho$)： 密度會影響水壓，進而影響水力坡度。

   Darcy's Law 的更完整形式（考慮流體性質）稱為 Hagen-Poiseuille equation 的應用，在地下水領域，通常將流體性質與介質性質合併為 水力傳導係數 K。
   $K = \frac{k \rho g}{\mu}$
   其中：

   • $k$：介質的滲透係數 (Permeability)，僅與介質性質有關。
   • $\rho$：流體密度。
   • $g$：重力加速度。
   • $\mu$：流體動力黏度。

   所以，總結來說，影響地下水流速最主要的因素是 介質的水力傳導係數 (K) 和 水力坡度 (i)。

(b) 穩定流公式推導與應用：

本題要求推導用於穩定流（steady flow）條件下的抽水井公式，即 Theis's Well Equation 的簡化形式，或稱為 Dupuit-Thiem Equation，用於描述confined aquifer（承壓含水層）中的穩定流。

假設：

1. 含水層是均質（homogeneous）且等向性（isotropic）的。
2. 含水層厚度 $m$ 是均勻的。
3. 抽水過程中，地下水流處於穩定狀態，即進入井中的流量等於抽水井的抽水量 $Q$。
4. 抽水對含水層造成的影響範圍（影響半徑）為 $R$，在此範圍內水面（或測壓水頭）形成一個以井為中心的穩定圓錐形狀。
5. 井的半徑為 $r$，井底的降深（drawdown）為 $s$。
6. 在影響半徑 $R$ 處，地下水位（或測壓水頭）保持未抽水時的原始狀態，即其水頭為 $h_R$。
7. 在井壁處，測壓水頭為 $h_w = h_R - s$。

推導過程 (Dupuit-Thiem Assumption)：

考慮一個以井為中心的圓形集水區，半徑為 $R$，井的半徑為 $r$。
地下水從半徑 $R$ 處的水頭 $h_R$ 流向半徑 $r$ 處的井水頭 $h_w$。
根據 Darcy's Law，流經任一圓柱形表面（半徑為 $x$，厚度為 $m$）的流量 $dQ$ 為：
$dQ = K \cdot A \cdot i$
其中 $A$ 是垂直於流動方向的截面積，$i$ 是水力坡度。
在此處，截面積 $A = m \cdot 2\pi x$ (承壓含水層的厚度 $m$ 乘以圓周長 $2\pi x$)。

本題考查地表水處理中，粒子「去穩定化」（Destabilization）的機制。這通常是混凝（Coagulation）過程的第一步，目的是打破水中膠體粒子原有的穩定狀態，使其容易聚集。

核心概念：

水中懸浮粒子，特別是膠體粒子（粒徑約在 0.001 至 1 微米），通常帶有負電荷，它們之間存在靜電排斥力，使得粒子互相遠離，保持懸浮狀態（穩定）。去穩定化就是指通過加入化學藥劑（混凝劑），來克服這些靜電排斥力，使粒子能夠聚集。

主要的去穩定化機制有以下幾種：

1. 電荷中和 (Charge Neutralization)：

   • 機制： 這是最主要的機制，特別是當使用陽離子混凝劑（如鋁鹽 Al³⁺, Fe³⁺，或有機聚合物）時。混凝劑中的陽離子會吸附到帶負電的膠體粒子表面，中和其表面的負電荷。
   • 過程： 當足夠數量的陽離子吸附到粒子表面後，粒子表面的淨電荷趨於零或變為正電荷。一旦排斥力消失或轉變為吸引力，粒子就不再互相遠離，而是容易因範德華力（Van der Waals forces）而靠近並聚集。
   • 關鍵： 混凝劑的投加量非常重要。投加量過低，電荷中和不完全，粒子仍不穩定；投加量過高，過量的陽離子會形成雙電層，再次吸附到粒子表面，使其重新帶上正電荷，導致粒子再次穩定（稱為「過度混凝」過度穩定，over-stabilization）。最佳投加量通常在等電點附近（pH 值使粒子淨電荷為零）。

2. 吸附沉澱 (Adsorption and Precipitation)：

   • 機制： 當使用鋁鹽（如硫酸鋁 Al₂(SO₄)₃）或鐵鹽（如氯化鐵 FeCl₃）作為混凝劑時，在適當的 pH 值下，這些金屬離子會與水中的鹼度反應，生成金屬氫氧化物（如 Al(OH)₃ 或 Fe(OH)₃）的沉澱物。
   • 過程： 這些沉澱物是膠狀的、不規則的氫氧化物絮凝體。當它們生成時，帶有正電荷的表面會吸附水中的懸浮粒子（包括膠體粒子），將其包覆。
   • 與電荷中和的區別： 在電荷中和中，混凝劑離子本身直接中和粒子電荷。在吸附沉澱中，混凝劑形成的氫氧化物沉澱物才起到吸附和包覆粒子的作用。

本題要求比較吸附（Adsorption）與離子交換（Ion Exchange）這兩種水處理中常用的去除污染物的方法，並闡述其相似點、差異點、作用機制以及實際應用。

核心概念：
兩者都是利用固體吸附劑（或交換樹脂）的表面來去除水中的溶解性污染物。它們都依賴於物理化學作用，但具體的機制和適用對象有所不同。

相似點 (Similarities)：

1. 作用原理： 兩者都屬於物理化學的分離過程，利用固體介質（吸附劑或離子交換樹脂）的表面與水中污染物之間的相互作用來達到分離目的。
2. 傳質過程： 污染物需要從水相傳輸到固相介質的表面或內部。
3. 再生能力： 大多數吸附劑和離子交換樹脂都可以通過再生（regeneration）來重複使用，從而降低運行成本。
4. 去除對象： 都可以用於去除水中的溶解性污染物，包括有機物、無機物、金屬離子等。
5. 應用廣泛： 在飲用水處理、廢水處理、工業用水製備等領域都有廣泛應用。

差異點 (Differences)：

特徵	吸附 (Adsorption)	離子交換 (Ion Exchange)
作用機制	污染物分子（或離子）物理或化學地吸附到吸附劑表面。	水中的目標離子與離子交換劑（樹脂）上的可交換離子進行交換。
作用對象	主要針對分子態的污染物（如有機物、某些無機物），但也包括離子。	主要針對水中的離子（陽離子或陰離子）。
吸附劑/交換劑	活性炭、沸石、氧化鋁、氧化矽等，通常是多孔性材料。	離子交換樹脂，具有可交換的陽離子或陰離子基團。
再生方式	通常通過加熱、蒸汽吹掃、化學清洗等物理或化學方法脫附污染物。	通常使用高濃度的特定離子溶液（如 NaCl, HCl, NaOH）來替換被吸附的污染物離子。
選擇性	選擇性相對較低，可能吸附多種污染物。	選擇性相對較高，針對特定離子（取決於樹脂的類型和配對離子）。
作用力	範德華力、氫鍵、化學鍵合（化學吸附）。	主要為靜電引力（離子鍵）和化學鍵合。

作用機制 (Mechanisms for Contaminant Removal)：

• 吸附 (Adsorption)：
  • 物理吸附 (Physisorption)： 主要由範德華力引起，吸附力較弱，可逆性強。污染物分子在吸附劑表面形成物理吸附層。
  • 化學吸附 (Chemisorption)： 污染物分子與吸附劑表面通過化學鍵合形成化學吸附，吸附力強，可逆性較弱，需要更強的條件進行再生。

本題主要探討氯消毒過程中，氯與水中污染物反應時的殘餘氯濃度變化曲線（氯斷點曲線），以及氨和不同區域殘餘氯的特性。

核心概念：

當氯（通常是次氯酸 HOCL 或次氯酸根 OCl⁻）加入水中進行消毒時，它會與水中的還原性物質（如有機物、無機物）發生氧化還原反應，消耗一部分氯。殘餘氯濃度（residual chlorine）是指消毒反應後水中剩餘的氯濃度，用於維持消毒效果。

氯斷點曲線 (Chloride Breakpoint Curve)：

氯斷點曲線描述的是，當向水中逐步增加氯的投加量時，水中總殘餘氯濃度隨氯投加量的變化關係圖。

• X 軸： 氯投加量 (Chlorine Dose)
• Y 軸： 總殘餘氯濃度 (Total Residual Chlorine Concentration)

曲線的幾個重要區域：

1. 斷點前 (Pre-breakpoint Region)：

   • 特徵： 在這個區域，大部分加入的氯被水中的還原性物質（如 Fe²⁺, Mn²⁺, H₂S, NH₃, 有機物等）氧化消耗。因此，隨著氯投加量的增加，總殘餘氯濃度變化不大，甚至可能先下降後略微上升。
   • 殘餘氯類型： 主要為 結合性餘氯 (Combined Residual Chlorine)，主要是氯胺 (Chloramines)，由氯與氨反應生成。氨與氯反應會生成一氯胺 (monochloramine, NH₂Cl)、二氯胺 (dichloramine, NHCl₂) 和三氯胺 (trichloramine, NCl₃)。其中，一氯胺是最穩定的，也是結合性餘氯的主要形式。

2. 接近斷點 (Approaching the Breakpoint)：

   • 特徵： 隨著氯的進一步增加，大部分易反應的還原性物質已被消耗。此時，加入的氯開始逐漸轉化為更具消毒活性的游離性餘氯 (Free Residual Chlorine)。總殘餘氯濃度開始明顯快速上升。
   • 殘餘氯類型： 結合性餘氯（氯胺）的濃度可能開始下降，而游離性餘氯的濃度開始顯著增加。

3. 斷點 (Breakpoint)：

   • 特徵： 斷點是指殘餘氯濃度達到最低點，然後開始快速上升的那個點。在斷點處，水中大部分的還原性物質已被完全氧化。
   • 重要性： 達到斷點是有效氯消毒的關鍵。只有在斷點之後，才能保證水中具有足夠的、具有強氧化性和殺菌能力的游離性餘氯。

4. 斷點後 (Post-breakpoint Region)：

   • 特徵： 在斷點之後，水中絕大部分的還原性物質已被清除。此時，新加入的氯幾乎全部以游離性餘氯的形式存在。因此，總殘餘氯濃度隨著氯投加量的增加而近似線性增加。
   • 殘餘氯類型： 主要為 游離性餘氯 (Free Residual Chlorine)，包括游離氯 (Cl₂)、次氯酸 (HOCl) 和次氯酸根離子 (OCl⁻)。游離性餘氯的消毒能力遠強於結合性餘氯（氯胺）。
   • 應用： 在飲用水消毒中，通常將殘餘氯濃度控制在斷點後，以確保足夠的消毒效果和一定的餘氯量以抵抗管網中的再污染。

本題考查活性污泥法（Activated Sludge Process）中，污泥滯留時間（Sludge Retention Time, SRT）的重要性。

核心概念：

活性污泥法是一種生物處理技術，通過在曝氣池中培養大量的懸浮生長微生物（主要是細菌），利用它們的代謝作用來分解和去除污水中的有機污染物。污泥滯留時間 (SRT)，也稱為平均細胞滯留時間 (Mean Cell Residence Time, MCRT)，是指系統中所有微生物細胞被保留在系統中的平均時間。

SRT 的重要性：

SRT 是活性污泥法操作中最關鍵的參數之一，它直接影響到系統的生物處理性能，主要體現在以下幾個方面：

1. 微生物群落的選擇性生長 (Selection of Microbial Population)：

   • 長 SRT： 系統會優先選擇生長緩慢但代謝能力強的微生物（如硝化菌）。長 SRT 有利於硝化作用的進行，從而有效去除氨氮。同時，也能培養出對污染物有較強降解能力的優勢菌種。
   • 短 SRT： 系統會優先選擇生長速率快的微生物（如大多數的異營菌）。短 SRT 可能無法有效去除氨氮（硝化菌生長慢），且系統對有機物的降解能力可能受限。

2. 有機污染物去除效率 (Organic Matter Removal Efficiency)：

   • 長 SRT： 提供了足夠的時間讓微生物充分降解有機物，通常能達到較高的 BOD/COD 去除率。
   • 短 SRT： 可能無法完全降解污染物，導致出水有機物濃度較高。

3. 硝化作用的實現 (Nitrification)：

   • 硝化菌（如 Nitrosomonas 和 Nitrobacter）的生長速率遠慢於異營菌。要實現有效的硝化作用，必須將 SRT 設定得足夠長，以確保硝化菌能在系統中得到足夠的停留時間來維持其生物量。通常，要實現穩定的硝化，SRT 需要大於 10-15 天（取決於溫度等條件）。

4. 污泥產量 (Sludge Production)：

   • 短 SRT： 微生物生長快，死亡也快，產生的次級污泥量較多。

本題要求描述厭氧消化（Anaerobic Digestion）的三個主要階段，以及其在污泥穩定化和產沼氣過程中的作用。

核心概念：

厭氧消化是一個複雜的多步驟生物化學過程，在無氧條件下，由不同種類的微生物協同作用，將複雜的有機物分解為較簡單的無機物，最終產物是甲烷 (CH₄) 和二氧化碳 (CO₂) 組成的沼氣 (biogas)，以及穩定的污泥。這個過程主要用於穩定化有機污泥（如污水處理廠的剩餘污泥），減少污泥體積、病原體含量，並回收能源。

厭氧消化過程通常可分為三個主要階段：

1. 水解階段 (Hydrolysis Stage)：

   • 作用： 這是厭氧消化的起始階段。在這個階段，大型、複雜的不溶性有機物（如碳水化合物、蛋白質、脂肪）在胞外酶的作用下，被分解成較小的、可溶性的分子。
   • 微生物： 主要由兼性厭氧菌或厭氧菌（如 Clostridium spp.）參與。
   • 產物： 複雜有機物被分解為簡單糖類（如葡萄糖）、胺基酸、脂肪酸等。
   • 重要性： 這是將大分子有機物轉化為微生物可直接利用的形態的關鍵步驟。水解速率通常是整個厭氧消化過程的限速步驟，尤其是在處理高濃度有機物或難降解有機物時。

2. 酸化階段 (Acidogenesis Stage)：

   • 作用： 在水解階段產生的可溶性有機物，在厭氧菌的作用下，進一步轉化為揮發性脂肪酸 (Volatile Fatty Acids, VFAs)，以及乙醇、丙酸、丁酸、醋酸、乳酸、二氧化碳 (CO₂) 和氫氣 (H₂)。
   • 微生物： 主要由產酸菌 (acidogenic bacteria) 參與。
   • 產物： 主要產物是揮發性脂肪酸（如醋酸、丙酸、丁酸）、乙醇、CO₂ 和 H₂。
   • pH 影響： 揮發性脂肪酸的產生會導致反應體系的 pH 值下降。

3. 產甲烷階段 (Methanogenesis Stage)：

   • 作用： 這是厭氧消化的最後階段，也是產生沼氣的階段。在這個階段，由酸化階段產生的揮發性脂肪酸、乙醇、CO₂ 和 H₂，在產甲烷菌 (methanogens) 的作用下，被轉化為甲烷 (CH₄) 和二氧化碳 (CO₂)，即沼氣。
   • 微生物： 主要由產甲烷菌參與，這些菌是嚴格厭氧菌。
   • 主要反應途徑：

本題要求描述市政污水處理中，通過硝化（Nitrification）和反硝化（Denitrification）實現氮素去除的過程，並繪製流程圖，說明其在整體污水處理流程中的位置。

核心概念：

市政污水中含有氨氮 (Ammonia Nitrogen, NH₃-N)，對水體生態系統有害（如富營養化、毒性）。氮素的去除通常需要兩個主要的生物過程：硝化和反硝化。

• 硝化 (Nitrification)： 一個好氧過程，將氨氮 (NH₃-N) 轉化為硝酸鹽氮 (Nitrate Nitrogen, NO₃⁻-N)。
• 反硝化 (Denitrification)： 一個缺氧（或厭氧）過程，將硝酸鹽氮 (NO₃⁻-N) 轉化為氮氣 (N₂)，釋放到大氣中。

硝化過程 (Nitrification Process)：

硝化是一個兩階段的生物氧化過程，由不同種類的細菌完成，且需要氧氣。

1. 第一階段：氨氧化 (Ammonia Oxidation)

   • 反應： 氨氮 (NH₃-N) 被氨氧化菌（主要是 Nitrosomonas spp.）氧化為亞硝酸鹽氮 (Nitrite Nitrogen, NO₂⁻-N)。
   • 化學方程式： $2NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2NO_2^- + 2H^+ + 2H_2O$
   • 條件： 需要氧氣，適宜的 pH 值（約 7.0-8.5），以及較長的微生物停留時間 (SRT)。

2. 第二階段：亞硝酸鹽氧化 (Nitrite Oxidation)

   • 反應： 亞硝酸鹽氮 (NO₂⁻-N) 被亞硝酸鹽氧化菌（主要是 Nitrobacter spp.）氧化為硝酸鹽氮 (NO₃⁻-N)。
   • 化學方程式： $2NO_2^- + O_2 \rightarrow 2NO_3^-$
   • 條件： 同樣需要氧氣，適宜的 pH 值，且亞硝酸鹽氧化菌的生長速率比氨氧化菌更快。

總硝化反應：
$NH_3 + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + H^+ + H_2O$

硝化過程的特點：

• 好氧過程： 需要充足的溶解氧。
• 自養菌主導： 硝化菌是自養菌，需要鹼度來中和反應中產生的酸。每氧化 1 mg/L 的 NH₃-N，約需要 7.14 mg/L 的鹼度（以 CaCO₃ 計）。
• 對溫度和 pH 敏感： 硝化菌的活性受溫度和 pH 值影響較大，最適溫度約為 25-30°C，最適 pH 約為 7.5-8.5。
• 需要長 SRT： 硝化菌的生長速率較慢，需要較長的微生物停留時間 (SRT) 才能在系統中維持足夠的生物量，確保硝化效率。

反硝化過程 (Denitrification Process)：

反硝化是一個缺氧過程，將硝酸鹽氮 (NO₃⁻-N) 轉化為氣態氮 (N₂)。

• 反應： 在缺氧條件下，兼性厭氧菌（如 Pseudomonas, Bacillus spp.）利用硝酸鹽作為電子受體，將其還原為亞硝酸鹽、一氧化二氮，最終生成氮氣。
• 化學方程式 (以醋酸鹽為碳源為例)：
  $5CH_3COOH + 4NO_3^- \rightarrow 5CO_2 + 2N_2 + 5H_2O + 4OH^-$ (簡化表示)
  更普遍的反應是：
  $2NO_3^- + \text{Organic Matter} \rightarrow N_2 + H_2O + \text{Oxidized Byproducts}$
• 條件：
  • 缺氧環境 (Anoxic Environment)： 必須確保沒有游離氧存在，但也不能是完全厭氧（如甲烷產生環境），否則會優先產生甲烷。
  • 碳源 (Carbon Source)： 反硝化菌需要有機碳源作為電子供體來還原硝酸鹽。市政污水本身通常含有足夠的碳源，但對於碳源不足的污水（如經過預處理的工業廢水），可能需要額外添加甲醇、醋酸鈉等外加碳源。
  • 適宜的溫度和 pH 值。

反硝化過程的特點：

• 缺氧過程： 需要有控制的缺氧環境。
• 外加碳源需求： 有時需要補充碳源。
• 副產物： 可能產生 N₂O（一氧化二氮），是一種溫室氣體。

整體氮素去除流程圖 (Overall Nitrogen Removal Process Train)：

典型的含有硝化和反硝化的污水處理流程，稱為 BOD/N 處理 (BOD/N Removal) 或 總氮去除 (Total Nitrogen Removal) 工藝。常見的配置有：

1. A/O 工藝 (Anaerobic/Oxic)：

   • 流程： 污水 → 厭氧池 (Anoxic, 進行反硝化) → 好氧池 (Oxic, 進行硝化) → 二沉池。
   • 循環： 將二沉池的污泥回流至厭氧池，將好氧池的出水（含 NO₃⁻）回流至厭氧池，進行反硝化。
   • 缺點： 僅能去除部分硝酸鹽，因為反硝化所需碳源可能不足。

2. A²/O 工藝 (Anaerobic/Anoxic/Oxic)：

   • 流程： 污水 → 厭氧池 (Anoxic, 進行反硝化) → 好氧池 (Oxic, 進行硝化) → 缺氧池 (Anoxic, 進行反硝化) → 二沉池。
   • 循環： 污泥回流至好氧池，硝化池出水（含 NO₃⁻）回流至第二個缺氧池進行反硝化。
   • 優點： 設置兩個反硝化階段，提高反硝化效率，特別適合處理碳源不足的污水。

3. CASTONG (Conventional Activated Sludge with Nitrification/Denitrification) 或 SBR (Sequencing Batch Reactor) 等：

   • CASTONG： 在傳統活性污泥系統中，增加單獨的反硝化池，並進行污泥和水的循環。
   • SBR： 通過時間序列控制，在同一個反應器內實現厭氧、缺氧、好氧等多個階段，靈活實現氮磷去除。

常見的流程配置 (以 SBR 或改良活性污泥法為例)：