民國115年 普通考試 環境檢驗 環境化學概要
第3題
水化學平衡在現代自來水廠的操作和控制中起著至關重要的作用。試以 混凝、膠凝、沉澱處理流程為例，說明水化學平衡（如酸鹼平衡、溶度 積等）如何影響混沉單元的處理效率…
題目
水化學平衡在現代自來水廠的操作和控制中起著至關重要的作用。試以 混凝、膠凝、沉澱處理流程為例，說明水化學平衡（如酸鹼平衡、溶度 積等）如何影響混沉單元的處理效率。此外，請解釋如果平衡條件控制 不當可能產生的負面影響。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、混凝單元之水化學基礎：鋁鹽或鐵鹽加入水中後進行水解，生成 Al3+、AlOH2+、Al(OH)2+、Al13 多核錯合物及 Al(OH)3(s) 等物種，其分布完全由 pH 決定。最佳混凝 pH 約 5.5 至 7.0，此時多核羥基錯合物電荷密度高，可有效中和膠體負電並進行架橋，形成密實膠羽。
- 二、酸鹼平衡與鹼度消耗：明礬水解反應 Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3(s) + 3CaSO4 + 6CO2，每毫克明礬約消耗 0.45 至 0.5 毫克鹼度（以 CaCO3 計）。原水鹼度不足時 pH 驟降，水解反應不完全，殘餘鋁升高；反之鹼度過高則需加酸或調整劑量，否則 pH 偏高。實務上常以石灰或氫氧化鈉補充鹼度，並以瓶杯試驗（jar test）決定加藥點。
- 三、溶度積與沉澱平衡：Al(OH)3 之 Ksp 約 10^−33，其溶解度在 pH 6 附近最低，故 pH 過高（大於 8）會生成 Al(OH)4− 而使鋁再溶解；pH 過低則 Al3+ 殘留。碳酸鈣與氫氧化鎂之溶度積決定管線與沉澱池結垢傾向，可用 Langelier 飽和指數（LSI）判斷水質穩定性，避免腐蝕或結垢。
- 四、膠凝與沉澱效率：pH 影響天然有機物（NOM）之去質子化程度與電荷密度，進而改變架橋與電性中和效果；當 zeta 電位接近零（等電點）時，膠羽最密實、沉速最快。沉澱池效率依 Stokes 定律與膠羽粒徑、密度差而定，膠羽若細小鬆散則沉速不足，造成出水濁度升高與濾池負荷增加。
- 五、控制不當之負面影響：pH 過低將導致殘餘鋁超標、腐蝕配水管、膠羽細小穿透濾床；pH 過高則鋁再溶解、濁度上升並產生碳酸鈣結垢；加藥過量會增加污泥量與殘餘單體，並提高消毒副產物前驅物。建議建立 pH、鹼度、劑量與濁度之操作控制圖，並以線上濁度與 pH 監測回饋調整。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。