搜索
台灣河川水質淨化工法─表面流人工濕地處理污水成效之評估報告人：張文亮教授國立台灣大學生物環境系統工程學系人工濕地建造促進水質自淨作用背後關鍵的思想1.河川字源stroum（連續）河川（stream）的字源為stroum（連續）中古世紀：「只要讓水連續流動，水就自然淨化」。2.河川自然淨化的機制1.Sir.EdwardFrankland(1825-1899)：溶氧是促進水中有機物分解的主要因素，1880年，訂出三項指標：DO實驗、BOD5與C/N2.河川自然淨化的機制3.DelzieDemaree(1889-1987)1932年，木本水生植物Taxodiumdistichum(L.)能固定水中N.P.2.河川自然淨化的機制4.KaetheSezdel1953年，草本植物禾本科能去除水中N.P.，開始人工地下流濕地的建造。2.河川自然淨化的機制5.A.G.Tansley(1871-1955)1935年推出ecosystem觀念，ecosystem與succession（F.E.Clements,1916）成為解決生態環境大尺度的兩大切入點。2.河川自然淨化的機制6.H.T.Odum(1924-2002)1962年提出生態工程一詞，成立CenterforWetland，推動表面流人工濕地。2.河川自然淨化的機制7.K.W.Cummings1974年，提出溪流生態系統重建理論rivercontinuoustheory2.河川自然淨化的機制8.J.R.Webster1975年提出nutrientspirallingconcept2.河川自然淨化的機制9.W.J.Junk1989年提出floodpulseconcept3.人工濕地與傳統污水處理技術的異同相同部分：A.水理、水質淨化的科學原理B.單元操作組成3.人工濕地與傳統污水處理技術的異同不同部分，人工濕地強調：A.較大的土地面積換低能量操作B.人與自然共同獲益4.生態工法在台灣1989～2000年，生態工法進入台灣時，就去處理與景觀變化、生態保育的措施，一起進入，成為綜合式的水質淨化自然系統處理（naturalsystemstreatment）。表面流人工濕地（freewatersurfaceconstructedwetlands）地下流人工濕地（subsurfaceflowconstructedwetlands）地下滲濾（septictank-soilabsorptionsystems）礫間接觸（contactbedtreatment）5.在台灣的使用1.水質去除效率評估2.水理設計3.水質負荷決定在基本參數作為未來國家建設污水處理的要點與原則台灣河川水質淨化工法(I)─表面流人工濕地處理污水成效之評估建造人工濕地處理污水起源於1960年代德國的研究。自此，美國開始大量以此作為都市污水二級處理之後的處置與非點源污染的處理。這種污水處理的方式，造價較污水處理廠便宜，而且場址的選擇較有彈性，只要接近污染源的合適地點，就可以進行建造。處理的濕地，以淨化污水的生化需氧量、懸浮固體濃度為主，其次為去除氨氮，而且栽種水生植物，素有最美麗的污水處理廠之稱，具有促進生態功能與景觀之用，因此在世界各國逐漸推廣。前言不同的國家，在發展人工濕地建造，配合自身的環境與水文氣候，也有不同的調整。例如日本的平地較為狹小，所建造的濕地大多是在溪邊或湖泊灘地，水域面積一般小於1ha，水深約10~20公分，處理水量約40~260m3/day，水力停滯時間約0.2~0.7日，水力負荷量約0.03~0.46m/day，所種的植物以蘆葦為主，其次為水芥菜、香蒲、布袋蓮等，大部份是表面流濕地，所處理的水是以河川為主，而非一、二級污水處理廠的排放水(Nakamauraetal.)。瑞典人工濕地的建造，為改善波羅的海優養化的問題，有別於美國、日本，主要在去除水中氨氮的濃度，而且瑞典的森林多，所以在森林中建造長條狀的土渠，以促進氨氮的吸收，水力停滯的時間也較長，約7.5日，人工濕地為兩段式的操作，先將污水流過礫間接觸的石床，以進行厭氧性的脫氮，再流過森林間長條狀的土渠，渠道中以飄浮性水生植物水鱉(Elodeanuttallii)為主，以進行好氧性的吸收。採用水鱉的原因是，其植株上有許多附生性的微生物，是吸收水中氮的主要媒介，其處理氮的排放濃度以低於1mg/l為要求，以減少近海的優養化(WittgrenandTobiason，1995)。當人工濕地的建造，在世界各國逐漸成為污水的處理方式，有幾個關鍵的問題，仍然需要依照在地的環境來決定，如場址的選定、植栽的種類、材料的選定、最佳操作的評估、建造後的維護，尤其是設計的參數，如反應係數、水力停滯時間等，如果沒有這些參數，工程的設計就需依賴經驗，而缺乏科學的基礎。需要理想的設計理論，才能評估合理的建造與操作(BrownandReed，1994)。但是開發中國家在推展人工濕地的建造時，由於缺乏這些基本參數，大都採用已開發國家的參數，因為設計建造不符合當地的實情，產生不符合在地環境的處理效益。例如在印度人工濕地的建造，發現在乾、濕季分明的地方建造人工濕地，容易面臨缺水與淹水的問題，耐污染的外來物種，藉由人工濕地成為入侵的管道，或成為滯留未經處理污水的地方，滋生惡臭、蚊蟲(Gopal，1999)。以表面流人工濕地處理污水在台灣的發展是近五年的事，所設計、建造的工程也出現過上述的問題，而且台灣有自己獨特的水文與氣候環境，因此為了往後的發展，極需整理現有場址的案例，彙集資料，並且給予綜合性的分析，以評估其處理水質的成效與本土性的參數依據。故本研究的目的，就是整合環保署表面流人工濕地的資料，綜合分析其生化需氧量、氨氮、磷與懸浮顆粒濃度的去除效率、水力停滯時間與反應係數，並與外國的資料互相比較之。評估人工濕地污水處理成效，包括下列6個參數：理論與分析水力負荷量(hydraulicloadingrate，HLR)─為單位濕地的平均流速，或濕地承受污水的速率(hydraulicapplicationrate)。Q為單位時間的流量(m3/day)A為濕地面積。理論與分析水力停滯時間(hydraulicretentiontime，HRT)─為污水在濕地的停滯時間。V為濕地的體積VHRTQ理論與分析化學一階反應係數（thefirstorderreactionrate，kv）─為化學物質在濕地中分解的反應速率常數。Ci為流入濕地的化學物質濃度Co為流出濕地的化學物質濃度vkexpHRToiCC理論與分析營養物質負荷量(loadingrate，LR)─一般指營養物質BOD、TN、NH4或TP等可被濕地微生物分解的項目。LR代表單位面積每日所進入的重量，單位為g/m2‧dayiiQLRCACHLR濃度去除率(removalrate，R)─代表濕地入出流營養物質濃度的變化。Qo為流出濕地的流量；Qi為流入濕地的流量()100%ioiCCRC或是質量的變化：()100%iiooiiCQCQRCQ理論與分析每日去除率(removalrateperday，Rd)dRRHRT理論與分析試驗與方法調查表面流人工濕地的場址，共13處。每一個現場採流入與流出口的水樣，以流速計測定其流速，以量尺測其斷面積。並且依環保署公告的方法測定水中的氨氮、生化需氧量、懸浮顆粒濃度與磷酸鹽濃度。根據工程的驗收報告，記錄其場址面積。採樣時間皆在工程驗收後，於正常操作的情況，無降雨日時採樣。結果與討論13個表面流人工濕地的面積，處理水量與水質以表(一)示之，不同場址的濕地面積，有很大的差異，除了花蓮鯉魚潭人工濕地是建造在湖泊旁邊，台東關山人工濕地是建造在排水溝渠旁邊，其餘11個人工濕地建造在溪流的旁邊。水域邊灘地可用的面積，常決定人工濕地可建面積的大小，目前以高屏溪舊鐵橋表面流人工濕地面積最大。台灣的表面流人工濕地平均所處理的水量為1,090m3/ha‧day。場址地點(表面流人工濕地)面積(ha)入流量(m3/day)出流量(m3/day)體積(m3)HLR(m/day)HRT(day)1.台北縣淡水河新海橋濕地1.90600＊600＊46000.037.82.台北縣淡水河五股濕地3.301700017000132000.520.83.台北縣林口溪林口濕地0.1416312013540.129.64.新竹縣頭前溪竹林濕地4.5037329879680.0123.85.嘉義縣朴子溪中洋子濕地0.5878570019640.142.76.嘉義縣朴子溪介壽橋濕地0.65487117790.0129.97.高雄縣高屏溪舊鐵橋濕地31.063284631841515360.118.48.屏東縣武洛溪濕地9.0068435972720000.0811.29.花蓮縣鯉魚潭濕地0.121183311500.1015.210.台東縣關山濕地0.95150044979000.168.112.台南縣二仁溪港尾濕地0.08110＊110＊419＊0.134.5＊13.台南縣二仁溪灣裡濕地0.1550＊50＊900＊0.0312.6＊表(一)、台灣表面流人工濕地處理水量與水質之分析備註：＊表示依場址設計規畫報告書所提。場址地點(表面流人工濕地)生化需氧量BOD(mg/l)氨氮NH4+(mg/l)磷酸鹽PO4-3(mg/l)懸浮顆粒SS(mg/l)入流出流入流出流入流出流入流出流1.台北縣淡水河新海橋濕地71.611.510.15.72.160.4142.37.02.台北縣淡水河五股濕地12.86.16.45.00.420.2428.330.83.台北縣林口溪林口濕地14.47.82.00.10.750.173.60.84.新竹縣頭前溪竹林濕地15.66.06.14.31.80.36.836.45.嘉義縣中洋子濕地11.41.96.43.00.350.55779.617.66.嘉義縣介壽橋濕地3.25.210.33.00.410.6614.86.27.高雄縣高屏溪舊鐵橋濕地26.82.212.40.10.010.01213.586.38.屏東縣武洛溪濕地64.254.114.33.92.172.419.32.09.花蓮縣鯉魚潭濕地17.65.310.60.20.740.014.47.210.台東縣關山濕地23.311.12.61.30.91.0611.20.812.台南縣二仁溪港尾濕地12.53.78.50.71.90.563.683.213.台南縣二仁溪灣裡濕地42.91.528.30.63.110.4522.06.0表(一)、台灣表面流人工濕地處理水量與水質之分析(續)結果與討論雖然表面流人工濕地的場址在水域的旁邊，但是所處理的水，常取自排入水域的污水，處理後再排入附近的溪流與湖泊。取水的方式，有用馬達抽水，如淡水河新海橋人工濕地、朴子溪中洋子人工濕地、武洛溪人工濕地等；有用重力的方式引用，如花蓮鯉魚潭人工濕地、關山人工濕地等；有用重力與抽水合用，如高屏溪舊鐵橋人工濕地；有用潮汐漲退而引水，如淡水河五股人工濕地，這個場址位於天然濕地，經過些微人工改建而成。結果與討論表(二)顯示，台灣的表面流人工濕地揉合了美國與日本表面流人工濕地的建造特色，在水深、水力停滯時間與水力負荷量都較接近美國，是以停滯較久、入流量較小，水位較深的方式處理，但是所用的濕地面積較小。不同於日本與歐美的，就是在小面積的濕地裡，種植的水生植物種類多、而且植株密度高，這與外國經常只種少數幾種的水生植物不同，這將在水質處理的成效上，產生問題。濕地台灣日本美國歐洲面積(ha)0.08~31.060.01~200.02~498(2)0.01~1.30(2)平均面積(ha)4.031.0432.64(2)0.20(2)水深(m)0.18~0.970.05~0.300.1~0.5(1)－平均水深(m)0.510.17－－入流量(m3/day)48~328469.4~2160001.0~34254(2)2.6~2627(2)平均入流量(m3/day)