人工溼地處理水回收利用之研究

1. 人工溼地處理水回收利用之研究 林瑩峰，嘉南藥理科技大學環境工程與科學系教授 荊樹人，嘉南藥理科技大學環境工程與科學系教授 王仁俊，嘉南藥理科技大學觀光事業管理系助理教授 洪大揚,，嘉南藥理科技大學環境工程與科學系學生 陳瑜萱，嘉南藥理科技大學環境工程與科學系學生 羅賀馨，嘉南藥理科技大學環境工程與科學所碩士班研究生 四環四A 4960N055 張軒誠

2. 摘要 • 本研究利用校園人工溼地處理後的三級放流水進行實廠級水回收再利用試驗， • 並探討再生水的水質特性與水回收再利用設施的操作成本。本研究之水再利用系統 • 設於一棟教學大樓上，其中包含砂濾處理單元與加氯消毒單元，水回收再利用的水 • 源為嘉南藥理科技大學人工濕地的放流水，人工溼地的放流水經過砂濾與消毒程序 • 之後，成為該棟教學大樓的沖廁用水，並以再生水水質可符合「建築物生活污水回 • 收再利用建議事項」為目標，操作水回收再利用系統。

3. 監測結果顯示，中水過濾系統產出之再生水BOD 平均出流濃度約為1.2±1.1 • mg/L，pH 平均值為7.5±0.8，大腸桿菌群平均值小於200 CFU/100 mL，濁度平均濃 • 度約為2.3±0.6 NTU，總懸浮固體物平均濃度為4.0±3.8 mg/L，餘氯控制符合水回收 • 再利用建議值(結合餘氯0.4 mg/L 以上且自由餘氯0.1 mg/L 以上)以上，因此本研究 • 之再生水大致可符合「建築物生活污水回收再利用建議事項」中回收水應用於沖廁 • 之建議值。 • 由操作結果進行再生水產水成本估算，中水回收系統估算之產水成本每度再生 • 水成本為3元，人工溼地每度污水的處理成本約為2元，綜合上述成本估算，本研究 • 再生水生產總成本每度水約為5元。 • 關鍵字：人工溼地、中水回收、三級處理、沖廁、校園污水

4. 一、 前言 目前國內污水處理廠以二級放流水進行再利用之前，還需透過消毒(包含添加藥 劑消毒、紫外線消毒等技術)、過濾(包含砂濾、薄膜過濾、微過濾等技術)，以及添 加化學藥劑(化學沉澱等)等處理單元，以符合環保署「建築物生活污水回收再利用建 議事項」對於生活污水回收再利用於景觀、澆灌、灑水抑制揚塵、洗車或清洗地板 以及沖廁使用之水質要求，其中要求為BOD5最大不可超過15mg/L，連續10日平均值 不得大於10mg/L，以污水處理場二級放流水BOD5標準為30mg/L，氨氮為30mg/L除 了無法符合污水再利用之規範，經處理之回收水仍然含有氮磷營養物質，因此可能 面臨回收水產生味道、管線生長生物膜，甚至產生不悅景觀之水中微生物等問題， 因此，為符合污水再利用之規範及避免衍生味道、生物摩等問題，最有效的方法即針對二級處理放流水的再進行三級處理，除了降低二級處理放流水中的有機物、懸 浮固體物之外，更將其中的氮、磷、微生物等物質更進一步削減，以達到污水再利 用規範之要求。三級處理的處理程序有許多種，其中自然淨水系統因具有節省能 源、操作簡便，維護成本低廉等優點，為可供選擇的三級處理程序。

5. 本研究利用嘉南藥理科技大學設置人工溼地系統與中水再利用系統，透過長期監測水質，探討：(1)了解人工溼地系統放流水與中水再利用系統的水質特性，並監測是否符合再利用規範；(2)由長期紀錄用電量與再生水使用量，估算目前再生水生產成本。本研究利用嘉南藥理科技大學設置人工溼地系統與中水再利用系統，透過長期監測水質，探討：(1)了解人工溼地系統放流水與中水再利用系統的水質特性，並監測是否符合再利用規範；(2)由長期紀錄用電量與再生水使用量，估算目前再生水生產成本。

6. 二、實驗與方法 1. 嘉藥校園人工溼地系統(CNCW)： 本研究嘉藥校園人工溼地系統，位於嘉南藥理科技大學新建校區，整個溼地的總面積約為,000m2(不含景觀生態湖)，由五個單元所組成，分別為取水井、表面下流動式(subsurface flow system, SSF)溼地、表面流動式(free water surface, FWS)溼地、 景觀生態池，以及景觀生態池水回流系統(圖1)。

7. 取水井： • 由學生宿舍園區污水處理廠所排放的二級放流水，以及校園附近的部份社區屋 • 舍生活污水，經一排放管道排放至校外，為能夠取得排放管道之污水，因此建構一 • 取水井於排放管道中，取水井中設置一沉水泵，並以時間控制器控制沉水泵的啟動 • 時間，定時抽取排放管道中的污水至人工溼地系統中。

8. 2. SSF溼地： • 設置面積為1,450 m2 之表面下流動式人工溼地系統，平均水深約為0.7m，主要 • 是利用表面下流動式人工溼地之礫石床所形成之高密度植生群落，發揮溼地介質過 • 濾功能，並增強污染物的穩定化，以有效去除懸浮固體及有機物。系統平均分區種 • 植挺水性植物：蘆葦、香蒲、風車草、培地毛、荸薺。

9. 3. FWS溼地： • 設置面積為2,200 m2 之表面流動式人工溼地系統，平均水深約為0.4 m，主要利 • 用水深較淺的挺水植物浮水型人工溼地，使其形成高密度植生群落，以增強溼地過 • 濾、穩定化、除氮及抑制藻類生長的功能。系統平均分區種植挺水性植物及浮葉性 • 水生植物：日本紙莎草、粉綠狐尾藻、大安水蓑衣、睡蓮、台灣萍蓬草、白花水 • 龍…等。

10. 4. 景觀生態池： • 設置面積為3,800 m2 之景觀生態池，池內種植多樣景觀性水生植物，其主要功 • 用為貯存經人工溼地系統處理後之處理水，以作為後續景觀植栽澆灌用水，同時又 • 可吸引生物聚集繁殖，營造更豐富之生態環境，在景觀生態池之後還建構一收集 • 井，井中設置沉水泵，當附近棒球場與草皮需要使用淨化水源進行植栽與草皮澆灌 • 時，只要啟動沉水泵即可抽取淨化水進行再利用。

11. 5. 中水再利用系統： • 設置於本校F棟教學大樓樓頂，設置砂濾過濾單元與加濾消毒單元，以人工溼地 • 的放流水做為取水水源，人工溼地的放流水由沉水泵送至消毒與砂濾處理單元之 • 後，儲存於水塔中備用，水塔與該棟的沖廁水管線連接。

12. 6. 水質分析與記錄 ： • 定期採集人工溼地放流水、再生水塔中的再生水，並由已配置之電錶與水錶紀 • 錄用電量與再生水使用量，分析之水質參數為生化需氧量(BOD5)、總大腸菌類(total • coliform)與大腸桿菌(E. coli)、氫離子濃度(pH)、溫度、濁度、餘氯等，依照環檢所 • 公告與Standard Methods(APHA，1989) (8)所列的方法進行分析。

13. 7. 消毒加藥量試驗： • 以本研究中製造再生水的水源(人工溼地放流水)進行試驗，試驗方法為分別取1 • L的人工濕地放流水於4個燒杯中，分別添加0 mL、0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL 濃度為 • 12%的次氯酸鈉溶液，經定速攪拌15分鐘後，再分別取攪拌後的溶液檢測餘氯濃度、 • 總大腸菌類(total coliform)與大腸桿菌(E. coli)，並進行重複試驗。

15. 三、 結果與討論 1. 水質特性探討： 本校人工溼地實際每日約可以處理320 m3/day的污水，經過人工溼地處理系統淨 • 化後，大部份的淨化水流入生態池中營造水域生態景觀，部分的淨化水由沉水泵抽進中水回收過濾系統進行砂濾消毒處理，中水回收過濾系統如圖2所示，以人工溼地 • 系統放流水處為取水點，將人工溼地淨化水抽至教學大樓頂樓的消毒與砂濾處理單 • 元進行砂濾與消毒，經砂濾與消毒後的再生水蓄積於頂樓的水塔，在以重力供水方 • 式，配管到各樓層的廁所做沖廁使用。

16. 本校中水回收過濾系統自2009年11月開始操作，至目前為止，配合教學大樓的本校中水回收過濾系統自2009年11月開始操作，至目前為止，配合教學大樓的 • 沖廁用水，本校中水過濾系統目前每日產出再生水量約為10 m3/day，再生水水質與 • 人工溼地進出流水污染物濃度表現如表1所示，由於中水回收過濾系統所引用的水源 • 為人工溼地的放流水，因此人工溼地的水質淨化表現將會影響後續人工溼地的放流 • 水質與中水過濾系統的處理負荷。如表1所示，本校人工溼地引流污水BOD平均濃度 • 約為22.2±6.1 mg/L，經人工溼地處理過後的放流水濃度為1.9±0.9 mg/L，已符合再利 • 用建議值的15 mg/L以下，再經中水過濾系統處理後，平均出流濃度為1.2±1.1 • mg/L，由中水過濾系統產出的再生水均可符合以沖廁為目標的再利用標準。人工溼 • 地進流污水的pH平均為8.0±0.4，出流水平均為7.6±1.0，經由中水過濾系統處理單元 • 產出的再生水pH平均值為7.5±0.8，符合水回收再利用標準pH限值6.0~8.5的範圍。中 • 水過濾系統產出再生水之總餘氯測得範圍為0~0.8 mg/L，可控制在符合水回收再利用 • 建議值 (結合餘氯0.4 mg/L以上且自由餘氯0.1 mg/L以上)以上。人工溼地系統的出流 • 水大腸桿菌群進流濃度為8.5×103 CFU/100 mL，經過中水過濾系統處理後的再生水出 • 流濃度平均可小於200 CFU/100 mL，本研究產出之再生水大致可符合沖廁再利用標 • 準

17. 除了沖廁再利用標準之外，本研究近一步參考以景觀為用途之水再利用建議除了沖廁再利用標準之外，本研究近一步參考以景觀為用途之水再利用建議 • 值，除了上述各項水質參數均須符合再利用建議值之外，對於濁度的建議值最大限 • 值不可超過5 NTU，平均值不可超過2 NTU，反觀本研究人工溼地進流水濁度平均濃 • 度約為34±13 NTU，經由人工溼地系統處理過後，濁度平均濃度降低為3.5±1.5 • NTU，再經過中水過濾系統單元後，濁度平均濃度近一步降低為2.3±0.6 NTU，均可 • 符合水回收標準中最大限值5 NTU以下，但不符合平均值小於2 NTU的建議，目前本 • 研究的中水過濾系統所產生的再生水仍無應用於景觀用途，應無濁度無法符合水再 • 利用建議值的疑慮。另外，雖然水再利用建議值並未規範總懸浮固體物濃度，但是 • 透過人工溼地系統與中水過濾系統，仍可進一步削減總懸浮固體濃度，人工溼地進 • 流水總懸浮固體物平均濃度約為43±9.0 mg/L ，出流水平均進流濃度為4.4±3.3 • mg/L，經中水過濾系統處理後的平均出流濃度為4.0±3.8 mg/L。

18. 再觀察本研究中水過濾系統操作的穩定性，由圖3與圖4之分析結果可發現，人再觀察本研究中水過濾系統操作的穩定性，由圖3與圖4之分析結果可發現，人 • 工溼地出流水的BOD濃度均已經可以長期符合再利用建議值中所規範的BOD最大限 • 值15以下且連續7日平均限值10以下，經過中水過濾系統更可確保均符合以沖廁為目 • 標的再利用建議值。人工溼地出流水的pH值於本研究採樣初期同樣可以符合以沖廁 • 為目標的再利用建議值，但後期的人工溼地出流水pH值略微偏高甚至達到9，經過中 • 水過濾系統處理後的再生水pH值可降低為符合沖廁為目標的再利用建議值，圖3與圖 • 4顯示本研究中水過濾系統於長期操作下可穩定產出符合再利用建議值的再生水，然 • 而pH值於研究後期有隨著人工溼地出流水pH升高的趨勢，後續值得進一步觀察與研 • 究。

19. 進一步以景觀用途的水資源再利用建議值檢視中水過濾系統的進出流水，如圖5進一步以景觀用途的水資源再利用建議值檢視中水過濾系統的進出流水，如圖5 • 所示，人工溼地的出流水濁度濃度，大致可以符合以景觀用途為目標的再利用建議 • 值的最大限值5 NTU，但是濁度的平均濃度無法完全符合以景觀用途的再利用建議值 • 所規範的平均濃度2 NTU以下，中水過濾系統產出的再生水部份可符合此規範，由於 • 人工溼地的出流水濁度可能影響中水過濾系統產出的再生水濁度，因此透過控制人 • 工溼地出流水的濁度應為可行的方法，通常人工溼地出流水濁度偏高的可能原因為 • 水中富含懸浮性的藻類而貢獻濁度與總懸浮固體濃度，此一推論可由圖6的總懸浮固 • 體物濃度獲的証實，當水中的濁度偏高，總懸浮固體物濃度也隨著偏高，並且水中 • 的pH值因藻類行光合作用吸收水中的二氧化碳而升高，因此若可於人工溼地中有效 • 控制懸浮性藻類的數量與濃度，應可解決再生水pH、濁度無法符合再利用建議值的 • 問題。

20. 為使再生水中的大腸桿菌群數量降低到符合「建築物生活污水回收再利用建議為使再生水中的大腸桿菌群數量降低到符合「建築物生活污水回收再利用建議 • 事項」中沖廁的建議值200 CFU/100mL 以下，本研究使用次氯酸鈉溶液進行消毒滅 • 菌，次氯酸鈉溶液濃度約為12%，再生水中大腸桿菌群之變化值如圖7所示，但考慮 • 操作成本，本研究於2009年12月至2010年4月期間添加的次氯酸鈉溶液量，經監測結

21. 果得知雖然可有效降低大腸桿菌群的數量，但再生水的大腸桿菌群仍高於再利用建果得知雖然可有效降低大腸桿菌群的數量，但再生水的大腸桿菌群仍高於再利用建 • 議值，雖然增加次氯酸鈉的添加量可抑制再生水生大腸桿菌群的濃度，然而考量次 • 氯酸鈉添加量是否為能兼顧水質與成本，因此本研究從2009年12月至2010年4月之經 • 驗估算，目前添加次氯酸鈉濃度約為17 mg/L，即可使再生水符合再利用建議值。

22. 2. 消毒加藥量試驗 • 本研究中水過濾系統所引用的水源為人工溼地出流水，於國內仍缺乏類似的應 • 用案例，以沖廁為目標的再生水中大腸桿菌群依水再利用建議值應低於200 • CFU/100mL，人工溼地的出流水中仍含有一定數量的大腸桿菌群，不利用水的再利 • 用，透過加氯消毒為抑制大腸桿菌的可行方法，然而氯的添加量需進一步探討與試 • 驗，以符合水再利用建議值中所規範的結合餘氯濃度0.4 mg/L以上，自由餘氯濃度 • 0.1 mg/L以上。

23. 本研究以簡易的消毒加氯量試驗，以人工溼地出流水加藥後可確保符合再利用本研究以簡易的消毒加氯量試驗，以人工溼地出流水加藥後可確保符合再利用 • 建議值為目標，試驗結果如表2所示，在每公升人工溼地出流水加氯量0.1mL的情況 • 下，總大腸菌群雖然有明顯的減少，但仍未符合水再利用建議值，當加氯量提高至 • 0.2mL後，總大腸菌群未被檢出，結合餘氯與自由餘氣兩者均可符合建議值，加氯量 • 近一步提高至0.3 mL以後，人工溼地出流水中的結合餘氯濃度提升為1.42 mg/L，自 • 由餘氯濃度為0.68 mg/L，總大腸桿菌也未被檢出，本究試驗結果可確保中水過濾系 • 統的大腸桿菌群濃度可符合以沖廁為目標的水再利用建議值。

24. 3. 產水成本評估： • 人工溼地處理系統約可產生320m3/day的淨化水，應用於本校棒球場及操場的植 • 栽及草地澆灌等較低階的水再利用用量約為10 m3/day，每年已可節省約4萬元的自來 • 水費，目前於校園內一棟教學大樓設置中水過濾系統，將人工溼地系統的放流水利 • 用砂濾與消毒單元處理後應用於沖廁使用，可再增加每日10 m3/day的再利用水量， • 未來將應用於全校教學大樓沖廁與其他用途，預期每年可節省自來水費可達120萬元 • 以上。

25. 評估本研究再生水的產出成本，需考慮的成本有本校人工溼地的處理成本、中評估本研究再生水的產出成本，需考慮的成本有本校人工溼地的處理成本、中 • 水過濾系統的電費與加氯消毒費用，如表3所示，本研究再生水每日平均使用量約為 • 10 m3 ，以此用水規模的配水用電量每日約為4度，即每1 m3的再生水耗電量約為0.5 • 度，若以每度電單價成本為3.5元/度估算，則本研究中水過濾系統的配水電費約為 • 1.75元/m3 。加氯處理費最高加藥量為250 ml/m3 ，最低加藥量為80 ml/m3 ，以本研究 • 次氯酸鈉成本約5元/L進行估算，本研究加藥量之成本，每1 m3的再生水最低為0.4 • 元，最高為1.3元。本校人工溼地處理成本以處理污水量為320m3/day之規模估算，每 • 1 m3污水的處理成本約為2元，綜合上述成本估算，再生水生產總成本每1 m3水約為5 • 元，如表3所示。

26. 表4為環境保護署網站公告之校園生活水再利用示範場址與再生水成本，若以再生水的系統操作維護費用為主要成本進行再生水產出成本估算，結果如表4所示，本表4為環境保護署網站公告之校園生活水再利用示範場址與再生水成本，若以再生水的系統操作維護費用為主要成本進行再生水產出成本估算，結果如表4所示，本 • 校的再生水產出成本與其他環保署所公告之校園示範場址比較，本校再生水處理費 • 用略高於大學C，略低於大學E，然而本校之中水再利用系統與其他校園中水再利用 • 系統之差異為以人工溼地為三級處理系統進行污水廠二級放流水的再淨化程序，並 • 且再生水應用規模小，回收水量遠低於其他已大規模再利用的校園場址，因此當本 • 校的中水再利用規模擴大應用範圍與使用量時，其再生水產出成本是否仍可維持目 • 前的評估費用，需後續研究分析。

27. 四、 結論 • 經監測水中的pH、BOD、濁度、總餘氯、總大腸桿菌群等參數後，除總餘氯與 • 總大腸桿菌群需調整控制外，其餘參數經過人工溼地系統處理後，已符合「建築物 • 生活污水回收再利用建議事項」中的沖廁用建議值。 • 經操作中水回收再利用系統後，目前測試出能夠符合「建築物生活污水回收再 • 利用建議事項」中的總大腸菌群建議值(限值200 CFU/100mL)與餘氯建議值(結合餘氯 • 0.4 mg/L以上且自由餘氯0.1 mg/L以上)之最佳加氯量約為17mg/L。 • 根據測試結果計算出再生水的產生成每度水約為5元，自來水平均水價每度約11 • 元使用再生水做沖廁用水，每度水可減少約6元的出支同時兼具污染削減及水回收再 • 利用的意義。

28. 五、 參考文獻 • 1. Etnier, C., and Guterstam, B. Ecological Egineering for Wastewater Treatment. Lewis • Publishers, (1996). • 2. Reed, S. C., R. W. Crites, and E. J. Middlebrooks. Natural Systems for Waste • Management and Treatment. 2nd ed. McGraw-Hill, New York, (1995). • 3. Metcalf & Eddy Natural treatment system. In Wastewater Engineering （ Third • Edition）.Mcgraw-Hill , Inc. New York Chap 13 pp.927-1016,（1991）. • 4. Kadlec, R. H., and R. L. Knight.. Treatment Wetlands. CRC Press, Boca Raton, • FL,(1996). • 5. IWA Specialist Group on Use of Macrophytes in Water Pollution Control. Constructed • Wetlands for Pollution Control. Processes, Performance, Design and Operation. IWA • Publishing, London, UK,. (2000). • 6. 邱文彥，人工溼地應用規劃與法制課題，台灣溼地，第二十三期，四月號， • 2001 • 7. Steer, D., Fraser, L., Boddy, J., Seibert, B. Efficiency of small constructed wetlands • for subsurface treatment of single-family domestic effluent. Volume 18, Issue 4, Pages • 429-440, (2002). • 8. APHA. “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 17th • edition,” American Public Health Association, Washington, D. C, (1989). • 9. 行政院環境保護署網站，www.epa.gov.tw