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高考申論題 105年 [環境工程] 環境化學與環境微生物學

第 二 題

📖 題組:
污水處理廠中厭氧生物處理效率與鹼度及 pH 值有關,今有一污水處理廠中廢水的鹼度為 3,000 CaCO3(mg/L),pH 值 7.3,請回答下列問題:
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (二)

請問在 pH 值 7.3 的廢水中,[HCO3-]及[CO3 2-]的濃度各為何?(5 分)
H2CO3 → H+ + HCO3- pKa1 = 6.3
HCO3- → H+ + CO3 2- pKa2 = 10.3

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看到鹼度與pH,第一步應將鹼度從「mg/L as CaCO3」換算為「當量濃度 (eq/L)」。接著寫出總鹼度方程式(在pH 7.3時可忽略極微量的H+與OH-),並利用碳酸系統的第二酸解離常數(Ka2)建立碳酸根與碳酸氫根的濃度比例,最後聯立求解即可。

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【解題關鍵】將鹼度轉換為當量濃度後,建立「總鹼度近似方程式」,並聯立碳酸系統第二解離常數($K_{a2}$)的平衡方程式進行求解。 【解答】 已知條件:

小題 (一)

請說明鹼度的定義(需表明單位)。(5 分)

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看到「鹼度定義」,應立刻聯想到「中和酸的能力」或「接受質子(H⁺)的能力」。答題時除了文字定義外,務必寫出環境工程標準單位「mg/L as CaCO₃」,若能補充主要貢獻物質(碳酸氫根、碳酸根、氫氧根)與理論方程式,將能確保拿下滿分。

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「鹼度(Alkalinity)」指水中物質中和強酸(或接受質子 H⁺)之能力的總和。其特徵與定義包含: (1) 化學定義:天然水體或廢污水中,鹼度主要由碳酸氫根(HCO₃⁻)、碳酸根(CO₃²⁻)與氫氧根(OH⁻)所貢獻。其理論方程式為:Total Alkalinity = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺]。 (2) 標準單位:在環境工程與水質檢驗實務上,為統一計算基準,鹼度通常以「碳酸鈣當量濃度」表示,單位為「mg/L as CaCO₃」。

小題 (三)

如欲將廢水的 pH 值提高至 8.0 以增加厭氧氨氧化的生物處理效率時,請問每公升的廢水中需加入多少克的 NaOH?(10 分)

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本題測驗水化學中「封閉系統碳酸平衡」與「鹼度轉換」的計算概念。解題時應先將鹼度轉為當量濃度(eq/L),利用初始 pH 值求出總碳酸量(C_T);接著在加強鹼(NaOH)不改變 C_T 的前提下,重新計算目標 pH 值時的新鹼度,兩者之差即為需添加的 NaOH 當量。

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【解題關鍵】利用「封閉系統中總碳酸($C_T$)守恆」及「加入強鹼量等於系統鹼度變化量($\Delta Alk$)」之原則進行求解。 【解答】 計算:

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