水生植物對污染水中污染物削減效果之研究

1. 水生植物對污染水中污染物削減效果之研究

2. 摘要 河川污染研究之工作，必須對河川全流域之水理水質特性與污染型態做一通盤詳細之瞭解，而本研究是以嘉義縣境內朴子溪流域進行相關之研究，朴子溪流經嘉義縣七個鄉鎮市及嘉義市，為台灣二十一條主要河川之一，屬於環保署列管之重要河川。 由於長期承受大量都市生活污水、畜牧及工業廢水之排入，造成河川水質惡化，已影響水體之正常使用，環保署將朴子溪列為重點整治河川之一。 在污水下水道建設尚未完成前，可先行利用自然淨化工法截流處理已被污染的溪水，作為應急的水質改善措施。

3. 本研究主要以嘉義縣朴子溪流域之荷苞嶼溼地水質淨化系統，進而探討溼地自然淨化工法對朴子溪水質淨化成效。溼地處理的主要目的是利用淨水沼池中種植各種型式之水生植物(包括沉水性、挺水性及浮水性植物)進行淨化。本研究主要以嘉義縣朴子溪流域之荷苞嶼溼地水質淨化系統，進而探討溼地自然淨化工法對朴子溪水質淨化成效。溼地處理的主要目的是利用淨水沼池中種植各種型式之水生植物(包括沉水性、挺水性及浮水性植物)進行淨化。 其主要處理機制包括膠凝、沉澱及吸附；並利用附著植物根部之微生物分解水中污染物，且藉由水生植物之光合作用提供水中溶氧量，以利進行好氧分解，達到污染物降解及水質淨化之目的。同時，可於卵礫石溝渠中設置多處跌落設施，增加水中溶氧，並且兼具部分礫間氧化處理之功效。 關鍵字：朴子溪、自然淨化工法、水生植物、好氧分解、溶氧

4. 一、前言 台灣地區由於地狹人稠、經濟快速成長、環境變遷等使得各種污染量急遽上升，生活污水、工業廢水、畜牧廢水、農業廢水、滲出水及雨水沖刷等大量污水排入河川，造成河川的水質污染。 由於河川水量甚大，非以一般污水處理廠之概念即可直接處理河水，因此，欲解決河川污染問題，以使河川水體恢復原來乾淨水質，必須藉由河川流域污染整治整體規劃著手，例如：在上游河段部份應著重水土保持及集水區的經營及管理；中下游河段則需做好污染源及污染量排放的管制，包括訂定合理的排放標準、加強防治策略及措施、污水下水道之興建等，以降低污染源之污染量的排入，如此全河段於各項措施相互配合下，方能減輕河川污染的狀況，達成河川水體水質分類標準，維護生態平衡並確保河川水質源之永續利用。

5. 臺灣地區由於長久以來對土地過度依賴與開發，對水源已隱含著產生水質惡化及水量枯竭之兩大隱憂。對土地資源要如何合理的規劃利用及經營管理並妥善維護水資源，係為水資源永續發展的目標(陳子淳，1998)，除傳統污水處理工程手段以外，近年來有許多污水處理個案亦採用生態系統方式淨化污水水質(李宏才，2002)。臺灣地區由於長久以來對土地過度依賴與開發，對水源已隱含著產生水質惡化及水量枯竭之兩大隱憂。對土地資源要如何合理的規劃利用及經營管理並妥善維護水資源，係為水資源永續發展的目標(陳子淳，1998)，除傳統污水處理工程手段以外，近年來有許多污水處理個案亦採用生態系統方式淨化污水水質(李宏才，2002)。 例如：高灘地漫地流處理法(張文亮，2005)、排水溝淨化強化法、蓄水塘氧化強化法、人工濕地法等(荊樹人，2003、劉惠民等人，2005)。本研究對象為人工濕地法中之自由表面流動式濕地（Free water surfacesystem, FWS）工法，此工法係將應用於廢(污)水管理及處理上的一種自然淨化程序，具有將污染物同化及轉換的能力，不需能源的輸入，更不必經常性維護管理，便可自給自足等優點。但主要缺點仍為需要比其他設施更大的土地來建造。

6. FWS係依照水生植物的生長型態而設計，可區分為：FWS係依照水生植物的生長型態而設計，可區分為：

7. 挺水型植物經常被應用於這種類型的人工濕地系統(US. EPA, 1997、US. EPA, 1988、張立弘，2001)，主要是因為此類型的植物對環境的適應能力很強，植物的根部種植於土壤或介質當中，莖及葉部分則貫穿水面，而空氣中的氧氣可藉由水生植物的根及地下莖傳送至介質的深處，以提供好氧性微生物的生長以利生物淨化作用的進行，即所謂的根區效應(行政院環保署，2003)，本研究選擇台灣水龍（自生組）、布袋蓮、水芙蓉及水空心菜等水生植物探討各項水生植物對水質淨化成效，其主要原因為該等植生取得容易、價廉且易於維護管理。

8. 二、研究方法與材料 • 溼地基本資料說明： • (1)溼地設置地點：鹿草鄉嘉45 縣道復興橋下台糖用地 • （X：176188，Y：2593886） • (2)溼地用地面積：2.76 ha • (3)實際操作面積：1.59 ha • (4)設計工法：人工溼地法 • (5)設計處理水量：3,000 CMD • (6)處理水源：荷苞嶼大排 • (7)設計水質目標：去除率-BOD：35%、SS：50%、NH3-N：40%

9. 2. 人工濕地法介紹： 人工濕地法外觀功能與自然濕地類似，係在深度約 0.6~1.5m 之淺池塘或渠道中，種植各種型式之水生植物來淨化水質，包括挺水植物、沉水植物、浮葉植物及漂浮植物。人工濕地除淨化水質外，亦具有「棲地重現」之功能，可吸引野生動、植物棲息。 圖1 為人工濕地法圖示。

10. 3. 溼地水質淨化原理： (1)沉澱吸附作用：顆粒狀污染物從水中沉澱或吸附於土壤。 (2)微生物分解作用：水生植物根系發達，附著大量微生物膜，微生物可分解水中污染物質。 (3)植物吸收：植物生長會吸收水中的氮、磷等污染物質。 (4)植物光合作用：光合作用產生的氧氣，可供水中微生物呼吸，促進污染物分解，並提昇水中溶氧。圖 2 為水質淨化原理說明圖。

12. 4. 濕地處理方式說明: 該溼地採表面流式人工濕地（FWS）設計，操作流程為以抽水井內之15HP抽水泵抽取荷苞嶼大排排水，經由進流管（分為直接進流及噴水跌落進流兩種進流方式）至沉澱池後，再流經深度約0.6～1.2 m 之FWS 濕地，濕地種植各種型式之水生植物，包括挺水性植物（香蒲、蘆葦、台灣水龍、過長沙、雲林莞草及輪傘草等）、沉水性植物（如水蘊草、金魚草等）及浮水性植物（如白花水龍、睡蓮等），最後經放流生態區後，重力排放回荷苞嶼大排。 目前植物種植數量如下所述，第一池種植之植生為水蘊草，種植面積約1160m2，第二池種植之植生為台灣水龍，種植面積約1160 m2，第三池種植之植生為水藻、浮萍、睡蓮，種植面積約5640 m2，第四池種植之植生為布袋蓮，種植面積約3700 m2，第五池種植之植生為水芙蓉，種植面積約2155 m2

13. 處理流程說明：如圖 3、圖4 所示。 • 圖 3 處理流程說明圖 • 荷苞嶼大排>沉澱區>濕地>放流生態區>重力排放回荷苞嶼大排

15. 三、荷苞嶼溼地淨化處理效益 1. 系統設計及操作參數該溼地之淨化功能，乃依據嘉義縣環保局所提供之各項規劃，進行彙整相關設計參數整理如表1 所示。其設計進流水BOD 濃度為20.8 mg/L、NH3-N為18.3 mg/L，估算之BOD 削減量為36.6kg/d、NH3-N 為27.5kg/d。目前荷苞嶼大排BOD 水質濃度較低，故實際操作上，為符合BOD 負荷之條件下，將其處理水量提昇至5,500 CMD，以增加溼地之污染削減效益，操作參數如表2所示，BOD 一階降解係數K 值為0.23，單位面積去除量為1.58 g/m2-d。

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17. 2. 溼地功能評估 本溼地目前進流處理流量為 5,500 CMD，溼地之水力停留時間為2.4day，並依據上述之操作參數進行功能評估，由表2 中顯示，溼地之設計參數及操作參數大致符合一般設計準則，僅水力負荷較高，經研究了解該溼地之進流水濃度較低，為符合溼地一般設計之BOD 負荷，以達處理效益，故提高水力負荷增加進流量至5,500 CMD。另依據嘉義縣環保局提供之95 年2 月～96 年2 月水質檢測數據，彙整操作之水質改善成果如表3 及圖5~7 所示。 其中BOD 及NH3-N 於95 年5、10 月，因水生植物過多，造成空隙率太低、 溶氧量不足，以致水生植物死亡腐敗，造成水質處理效益不彰，導致削減率 下降之情形。

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20. 3. 最佳化操作出流水水質目標擬定-以嘉義縣現有溼地研究分析 (1)人工溼地系統目前操作中之人工溼地包括有中洋子高灘地溼地、介壽橋溼地及荷苞嶼人工溼地，在人工溼地最佳化操作出流水水質目標之擬定上，本研究將依據人工濕地常用來估算污染去除成效之一階反應式，另再加以考慮溼地之水質背景濃度來擬定水質目標，說明如下：

21. A. 一階反應式 人工溼地 BOD 之去除成效，可以一階反應式來表示（US. EPA,1988, Design Manual），如下式： 由此式可知溼地 BOD 去除成效受k 值及水力停留時間影響，而欲擬定最佳化操作出流水質，須先擬定最佳化操作之 k 值，式中k 值為 BOD 一階反應係數，當k 值越大時，表示去除率越大，本研究在k值之訂定標準以國內13 處正常操作之表面流人工溼地k 值之平均做為基準，表示 BOD 降解速率能達到國內溼地平均值以上。

22. B. 背景濃度之考量 由於人工溼地本身有其水質背景濃度，背景濃度值受植生種類、 植生覆蓋程度、植生密度、水中生物活動等因子之影響，一般 FWS 人工溼地之水質背景濃度如表4 所示，由表中可知，人工溼地BOD 背景濃度的典型濃度為5～10 mg/L，平均值為7.5 mg/L；故當以上 述一階反應式（Ce = Ci *[exp(-kt)]）計算之出流水水質目標值低於7.5 mg/L 時，則將出流水水質目標訂為BOD= 7.5 mg/L，意即BOD 水質 目標濃度之下限值為 7.5 mg/L。 整 上 述 ， 溼 地 之 最 佳 化 操 作 出 流 水 水 質 目 標 為 Ce’=Ci*[exp(-0.25t)]，而當進流水BOD 濃度較低，使計算出流水水質目標Ce’＜7.5 mg/L 時，考量人工溼地水質背景濃度之影響，此時最佳化操作出流水BOD 水質目標將修正為Ce’＝7.5 mg/L。

23. 4. 人工濕地淨化水質處理效率 根據上述擬定之最佳化操作出流水水質目標，以及各人工濕地水質淨化設施之水質檢測結果，各人工濕地淨化水質處理效率，表5 則為3 處人工濕地歷年水質淨化處理效率結果。其顯示溼地淨化設施以荷苞嶼溼地之水質目標達成率最高，表示其有適當之BOD 負荷並有良好的植生管理，而由各溼地操作參數評估表及現勘結果觀察得知，荷苞嶼溼地BOD 負荷亦較低，須加強 植生覆蓋率，必能有更好的水質淨化效果。

24. 四、結論 由 95 年02 月至96 年02 月採樣分析數據整理得知，荷苞嶼人工溼地進流處理流量為5,500 CMD，進流水之BOD 平均值為10.6 mg/L、出流水之BOD 平均值為5.6 mg/L，其BOD 平均削減率46.95%；另進流水NH3-N 之平均值為4.4mg/L、出流水之NH3-N 平均值為2.1 mg/L， 其 NH3-N 平均削減率51.68%；另進流水SS 之平均值為101.3 mg/L、出流水之SS 平均值為12.1 mg/L，其SS 平均削減率88.03%。 計算得知BOD 消減量為27.5 kg BOD/d，削減朴子溪全流域BOD 污染流達量約0.35 %。另NH3-N 消減量為12.65 kg NH3-N/d，佔朴子溪全 流域NH3-N 污染流達量約0.95 %。

25. 五、參考文獻 1. 陳子淳，區域性環境敏感地管理，台北，中華民國環境工程學會（1998）。 2. 劉惠民，王曉明，吳宗榮，都市河川整治與願景國際學術研討會論文集，93~104（2005）。 3. 行政院環保署，.水質自然淨化工法彙編（2003）。 4. 行政院環境保護署，嘉義縣朴子溪流域生態園區規劃、設計工作計（2003）。 5. 嘉義縣環境保護局，嘉義縣朴子溪荷苞嶼大排溼地水質改善工程－工程規劃 設計及監造（2005）。 6. 行政院環境保護署，水質自然淨化工法彙編（2004）。 7. 張文亮，台灣河川水質淨化工法（I）-表面流人工溼地處理污水成效之評估， 河川水質淨化工法設計研究計畫（2005）。 8. 荊樹人，人工溼地技術在國內實際應用案例討論與分析，2003 年人工溼地水質淨化系統研討會論文集（2003）。 9. 荊樹人，水力負荷對人工溼地去除污染河水中總懸浮固體物之效能(2001)。 10. 張立弘。生活污水之濕地處理及再利用研究。國立屏東科技大學研究所碩士論文（2001）。 11. 李宏才，土地處理系統植物相的演替與水質改善之研究。雲林科技大學境與安全工程研究所碩士論文（2002）。 12. “Design Manual: Constructed Wetlands and Aquatic Plant Systems for MunicipalWastewater Treatment Design Manual”, U.S.EPA.,EPA/625/1-88/022, September2000.