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－25－人工濕地處理系統水質處理效率之評估－以林口濕地為例江漢全*1簡吉甫2呂沛儒3張書豪41.國立宜蘭大學環境工程學系2.經濟部水利署3.國立宜蘭大學環境工程學系4.國立宜蘭大學環境工程學系摘要林口人工溼地構築於林口溪上游的河川高灘地，除具景觀遊憩功能外，引用林口溪水經溼地處理後放流回林口溪主河道，以減輕鄰近畜牧場、工廠、農田及住家污水之影響。在民國93年9月至民國94年2月，共六個月的實驗期間內，本研究之結果顯示，人工濕地對河川水之生化需氧量(BOD)及氨氮(NH3-N)具顯著之去除效果，總磷(T-P)、懸浮固體(S.S)、大腸桿菌群(E.coli)之去除效果則較不顯著。林口人工濕地在BOD低負荷(2.04kgBOD/天)的情況下，BOD之去除率在36.2%~85.4%之間，平均為62.5%，NH3-N去除率則在24.9%~37.9%之間，平均為33.3%；而在BOD高負荷(5.90kgBOD/天)的情況下，BOD之去除率在54.4%~77.8%之間，平均66.6%；NH3-N去除率在24.4%~61.7%之間，平均43.1%。然而BOD高負荷的情況下，已漸產生植生不良，以及BOD及NH3-N去除率降低的趨勢，因此，依目前試驗結果，入流水之BOD建議應控制在低於25mg/L的水準，亦即BOD負荷為3.0kgBOD/天之下，本濕地系統之操作維護及水質處理效率較為適宜。關鍵詞：人工濕地、水質、去除率、生化需氧量、氨氮一、前言河川或排水路水質之改善，可利用污水處理廠或自然淨化系統予以達成。自然淨化系統(NaturalTreatmentSystems)之原理，係利用水中污染物與自然環境之水、土壤、植物、微生物或大氣彼此交互作用，產生物理、化學或生物反應後分解等機制，達到水質淨化效果；自然淨化系統涵蓋之處理流程，除了傳統污水處理廠之沈降、過濾、吸附、化學氧化還原與生物處理等程序外，尚包含光合作用，光合氧化資源與環境學術研討會,2005,花蓮－26－和植物攝取等獨特生物處理流程。從能量需求來看，一般污水處理廠之處理過程是人工能量（機械能、電能）輸入於眾多不同反應單元之串聯序列中連續而加速地進行，而自然處理系統則是在單一之〝生態單元〞中，利用植物吸收太陽能、或微生物代謝之生物能以自然的速率進行反應。近年來，最廣泛被應用於污水處理的自然淨化系統，是利用溼地來處理各類型的污水，溼地處理是利用溼地植物之栽植成長，將水中污染物如有機物及氨氮轉化成生物細胞或行礦化作用轉變成無機物後去除，達到處理污染物的目的。利用此一類似自然淨化系統之溼地，除了可淨化水質的功能之外，同時可以提供野生動植物的棲息地，以及美化景觀方面之優點；為生態工法應用於廢水處理之一種自然淨化程式，同時為一節省能源、無二次污染、不破壞生態之綠色環保技術，因此已廣為世界各國所重視，積極研究運用於各污水處理工程。濕地通常是一塊群落交錯區(ectone)，介於高地及深水系統之間的過渡地區，是生物最多樣化的地區。美國陸軍工兵團對濕地做了以下的定義「濕地是指那些經常或週期性浸泡在地表水或地下水之中，或是呈現出飽和狀態的地區，即使在一般情形下仍有適合生存於飽和土壤條件下的植物成為優勢群種。濕地通常包括林澤、草澤、泥澤和其它類似的區域。」，而溼地依照其形成的動力可分自然溼地(Naturalwetland)和人工溼地(Constructedwetland)。自然濕地顧名思義是天然形成的，沒有一絲一毫的人為因素介入，自然濕地在種類上依分佈地域來加以區分，則可分為二大類，即海岸溼地(CoastalWetland)及內陸濕地(InlandWetland)。海岸濕地主要分布在海岸線附近，受到洪水及潮汐的影響，所以鹽份較高。內陸濕地通常屬於淡水濕地，依濕地中之植物種類、水文現象、土壤性質、酸鹼值及營養份狀態等，又可分成四種型態：苔沼地(Bog)、泥沼地(Fen)、草澤地(Marsh)及沼澤地(Swamp)。人工濕地則是人為而成的濕地，像是水稻田、芋頭、菱角、茭白筍、蓮花…等水生農作生產地，或是魚塭、鹽田…等。亦有一些人工溼地是仿照對自然濕地系統特點建造而成的處理系統，具有沉澱、吸附、吸收和分解污染物之功能。這種人工濕地系統可分為兩類型（1），即土壤型和碎石型，土壤型又稱為自由表面流動系統(FSF，freesurfaceflowsystem)，而碎石型則是表層下流動式系統(SSF，subsurfaceflowsystem)。FSF為模擬天然濕地的環境狀態，底部為不透水土壤層，鋪設土壤，並高密度的種植挺水性植物，進流水則在濕地表層開放性地流動，當水流經植物的莖及根部可行淨化作用，美國大多採此系統。SSF為一窪地槽體，充填可透水性砂土或人工濕地處理系統水質處理效率之評估－以林口濕地為例－27－碎石作為介質，以此支持挺水性植物生長，進流水被迫在表層下的砂土間流動，以達到淨化作用，此系統則是在歐洲較盛行（2，3）。具體而言，濕地具有防災、水質淨化、保育生物多樣性、生態調和、遊憩、教育、研究等功能。以人工溼地來處理污水的效果，國內的實際案例分析尚相當缺乏，目前的效果評估多停留在實驗室試驗及模型廠規模，雖估計其與實場情形會有所差異，仍具部份參考價值。將國內近年表面流動式人工溼地試驗之污染物去除率彙整，由於污水來源、溼地面積、水力停留時間、溼地植物及環境條件不同均會影響去除效率，可看出各系統對不同污染物之去除率有相當大差異。各系統在有機物的去除方面，BOD及COD去除率在3.8﹪~83.9﹪之間；在氨氮方面，去除率約在40~100﹪之間；此外，人工溼地對總懸浮固體(TSS或簡稱SS)、磷酸鹽、重金屬Pb、Fe、Mn等之去除均有研究顯示其有效（4，5）。水力停留時間(hydraulicretentiontime,HRT)各研究約在1~7天之間，大致有HRT愈長，處理效果愈佳的情形，但亦有的實驗發生超越某一HRT後，COD及PO4反而去除率降低現象。溼地植物種類亦會影響去除率，常見的溼地植物有蘆葦、香蒲、布袋蓮、荸薺、空心菜、水芙蓉等。在國外相關研究方面，目前世界上試驗或操作之人工溼地估計已超過1000個，多位於歐洲、美洲、印度、東亞與中國。國外對人工溼地之建置比國內早得多，故其處理效率評估較有實際參考價值，然而，國外之氣候、溫度、生物種類與國內差異較大，故參考引用時亦有其限制。將國外代表性的溼地試驗之污染物去除率彙整，各系統在有機物的去除率方面，BOD去除率約在37.7~90﹪﹔在氨氮有65﹪~86﹪，全氮為29.2﹪~74﹪﹔此外，對總磷(T-P)、懸浮固體物S.S.，硝酸氮(NO3-N)、大腸菌(E.coli)等亦有一些去除率之評析，水力停留時間多在1.5~7天之間，溼地植物隨不同地區則有較大變化（6，7，8，9，10）。本研究的目的，係以林口人工濕地為例，進行其對於林口溪水質改善效益評估，藉以找出人工濕地最佳處理操作參數，提供擬訂濕地操作維護之參考，以維護林口溪良好之水質，達到資源永續利用之目標。二、林口人工溼地背景台灣地區河川陡峭，流短水急，河川水量隨降雨量迅速漲落，在暴雨時雖流量甚大，但旱季時則流量小，缺乏稀釋能力。兼之農工業的發展，以及都市化的形成，使工業廢水、畜牧廢水及市鎮生活污水持續產生，且許多未經處理即進行排放，挾帶大量污染物進入河川，已超過河川或排水路之涵容能力，使其受到不同程度之污資源與環境學術研討會,2005,花蓮－28－染。台北縣政府轄內位於林口溪之上游集水地區，區內散佈有畜牧場、工廠、農田及住家，集水區之污水原係直接排入林口溪中，造成林口溪水質狀況不佳，且常有臭味傳出，因此林口溪沿岸之污水處理成為整體林口溪沿岸休憩及觀光農業發展之重要瓶頸。有鑑於此，行政院環境保護署及台北縣政府乃擬定「林口溪污水截流及人工濕地淨化園區建置計畫工程」，進行自然淨化處理水質技術之先期評估，評選林口溪河域中適合以「人工濕地」法處理之場址，並配合當地景觀作整體規劃，建置了一人工溼地，綜合言之，本人工濕地的規劃，較偏重景觀遊憩功能，但仍有融入濕地處理的概念，其水質改善策略，係以自然淨化系統為基礎，期望利用人工構築的濕地系統，使進行自然淨化功能，而有效改善林口溪的水質；本項工作已於民國93年7月完工，其配置如圖1所示，除生態步道之外，其餘單元如進流口閘門、滯留沉砂池、地下水流式淨水沼地、人工深潭、生態島、出水回流過濾池、放流口閘門等皆屬人工濕地之處理單元。就本人工濕地工程而言，係利用栽植對污染物吸收同化力強的挺水植物，以香蒲、紅辣蓼、宜蘭水蓑衣等為主，來淨化水質，降低原污水S.S、BOD、NH3-N之污染。而依地形及土地狀況，策略上使用表面流動系統（FSF系統）及表層下流動式系統（SSF系統）配合運用，期能利用地形特性，以適當的方式有效去除污染物。如表1所示，本系統之處理容量為120CMD，水力停留時間（HRT）約4.21天，此值係忽略表層下流動式系統之孔隙容積，如考慮此因素則約為4.21~4.5天。圖1林口人工濕地配置簡圖人工濕地處理系統水質處理效率之評估－以林口濕地為例－29－表1林口人工濕地中各處理單元之容積及水力停留時間最大容積有效容積水力停留時間單元(m3)(m3)(天)調整池79.75480.40表層下流動式系統（1）162.4553.8深潭池599.13422.493.52表層下流動式系統（2）86.1245.94放流池38.4634.610.29合計965.91604.834.21三、實驗方法本人工濕地工程之處理流程如圖2所示，其包括污水源、調整池、表層下流動系統（1）、表面流動系統、表層下流動系統（2）、放流區等部分，配合水質監測，將監測點設置於：污水源、調整池、表面流動系統（即深潭池）以及放流區。圖2林口人工濕地處理流程＊1.污水源＊2.調整池3.表層下流動式系統(1)＊4.表面流動系統5.表層下流動式系統(2)＊6.放流區＊採樣點資源與環境學術研討會,2005,花蓮－30－表2分析項目之檢驗方法分析項目檢測方法依據pH值pH計法NIEAW424.50A水溫溫度計法NIEAW217.51AEC導電度計法NIEAW203.51BDO溶氧儀法BOD生化需氧量檢測法NIEAW510.54BSS烘乾重量法NIEAW210.56A氨氮靛酚比色法NIEAW448.50B總磷分光光度計/維生素丙法NIEAW427.52B大腸菌類濾膜法NIEAE202.51B重金屬(銅)火焰式原子吸收光譜法NIEAW306.51A自民國93年9月起，至94年2月，共6個月期間內，分為兩個階段進行實驗，第一階段為93年9月至12月，4個月的期間採用低污染負荷的條件，亦即將原水以清水稀釋，其比例為1:1；第二階段為94年1月至2月，2個月的期間採用高污染負荷的條件，亦即將原水與清水之比例調整為2:1。至少每月一次拍攝生態園區之操作狀況，並監測溼地水質狀況，項目包括：pH、水溫、E.C.、DO、BOD、S.S.、氨氮、總磷、大腸桿菌群、重金屬(銅)等；檢測方法如表2所示，主要皆係依照環保署公告之檢測方法檢測，並有空白樣品、查核樣品、重複樣品分析等品保品管措施，每一個月檢測一次，監測點為滯洪沉砂池進流處、人工深潭池、放流沉砂池出流處等，並根據溼地之水質檢測資料評估處理效益。四、結果與討論各水質監測點檢測結果列如表3所示，原污水（河川水）之水質檢測顯示，pH值在7.11~7.54之間，屬微鹼性，各採樣次之變化不大；導電度在402~747μS/cm之間，鹽分濃度不算高，各採樣次之變異亦不大；懸浮固體物測值在16~96mg/L之間，以第六次採樣時較高；溶氧測值在1.8~6.8mg/L之間，第三次測值偏低，與第一次採樣之污水溶氧比較有明顯差異，顯示河川水之水質並不穩定；BOD測值在12.1~83.4mg/L之間，93年9月時測值較低，94年2月之測值則偏高，且整體而言，有隨時間顯著昇高的情形；氨氮測值在8.23~50.72mg/L之間，測值隨時間有逐漸昇高的情形；總磷測值在1.29~5.80mg/L之間，以第六次採樣時較高；大腸桿菌群測