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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,小型河川現地處理臺灣之實踐,以貴子坑溪礫間接觸為例,國立臺灣大學 生物環境系統工程學系,張文亮教授,第1頁，共39頁。,前言,礫間接觸（contact bed treatment）,一種快速處理污水的方式，這是十九世紀英國倫敦的污水處理工程師W.J.Dibden首
2、先設計的自然處理工法，主要在讓污水迅速通過粗顆粒的石礫，讓石礫上的生物膜分解污水中的有機質（Kinnicutt，1902）。其功能是初級處理，以短暫的時間，讓污水迅速的通過，以達到生物膜去除有機質的最大量。,第2頁，共39頁。,雙礫間系統（double contact system）,由於礫間處理所用的顆粒較大，除了石礫外，還可以就地取材，如聚結成塊的煤渣，火山灰形成的焦碳，粒徑在0.61.2公分都可以取來使用。為了促進污水的分解，礫間處理常以不同的緊密度，形成二層的結構：上層排列較鬆，水流較快，維持好氧狀態；下層排列較緊密，水流較緩，成為厭氧狀態；這稱為雙礫間系統（double contac
3、t system），其水力負荷量平均約0.47m/day。,第3頁，共39頁。,間歇砂濾（intermittent sand filter）與地下流濕地（subsurface flow wetland）,礫間處理的一般操作是引水進入，停滯數小時，再讓水流排出，或是讓水流通6日，到了第7日，把槽體水流放空，以讓氧氣進入礫間，由於有暫時性的斷水，這種方式稱為間歇處理（intermittent treatment），類似於間歇礫間接觸的工法是間歇砂濾（intermittent sand filter）與地下流濕地（subsurface flow wetland），間歇砂粒過濾是用粒徑0.02m的砂子
4、堆積成床體，讓污水間歇式的通過，其通過的水力負荷量在0.0000470.0705m/day，這是1865年德國柏林Dr.Alexander Muller所提出的工法，顆粒愈細，水流愈慢，但濃度的去除率較高。地下流濕地是Kaethe Seidel在1953年所提出，在粒徑0.06m的砂或細石上種植水生植物，讓更多微生物附著在根系表面積上，以去除有機質，而水生植物又可以吸收一部份的氮、磷，其水流連續並不間歇，以維持植物根系生長。,第4頁，共39頁。,連續砂濾,（continuous filtration）,與加壓式濾間處理,（pressure-closed contacted system）,到了
5、二十世紀初期，礫間接觸工法為了提高處理量與效率而發展出送氣進到礫間接觸，以免每操作6日就需間歇斷水1日，這種工法稱為連續砂濾（continuous filtration），其水力負荷量約2.76m/day，但是為了進氣，所耗費的能量較高。另一種改良式的礫間接觸是在入流分水的管路開口，使水上噴，增加與空氣接觸的機會，以提高溶氧，這種工法稱為加壓式濾間處理（pressure-closed contacted system）（Tchobanoglous and Burton，1991），較傳統濾間處理分解有機質的效率為高。,第5頁，共39頁。,礫間接觸在日本的發展,本來也是在社區或家庭污水排放的現地
6、處理，後來發展成河川在槽處理，將礫間處理直接建置在水流緩慢的河道內，直接以河道水流流過濾間處理的段落，利用自然力量，進行連續過濾。其中最著名的工程，是1985年在千葉縣大堀川的礫間處理，其面積0.62ha，礫石床深1.60m，水流停滯時間0.05日，入流量32,852m3/day，水力負荷量4.0m/day，礫石底床有送風機，以34.2m3/min送氣，其處理生化需氧量與懸浮固體的去除率分別為75與78（本橋，2004）。,值得注意的是，在槽處理的生化需氧量或懸浮固體濃度去除率，需要考慮河川原有的自淨作用，工程完工對於河川水質淨化的促進，應該扣除河川原本的自淨作用，在計算上需要用處理後的濃度減
7、去處理前的背景濃度，否則將使處理效率或濃度去除率偏高。,第6頁，共39頁。,日本將礫間處理轉到河道上,最主要的原因是在懸浮固體較高的水中，容易產生孔隙阻塞，降低水力負荷量與水質處理效率。在厭氧性的礫間處理，排出的水仍是污黑、惡臭，特別在有氣泡的污水中，礫間處理的送氣或加壓再噴射將使水中產生更多的氣泡，造成河流周遭環境的劣化，不利人為的活動，漂浮的垃圾有時就堆積在礫間處理的表面，這些現象都有礙觀瞻。因此水質自然淨化處理，不只需要考慮污染的去除率，也需要考量水域生態系統的復育與環境景觀的改善，甚至包括歷史與人文的結合（本橋，2004）。,第7頁，共39頁。,日本成果,所以日本將礫間處理移到河流，就
8、是讓持續流動的水，來減少惡臭的問題，而且讓孩子們能夠在河道捕魚，或在河邊垂釣，並使附近手賀沼的水鳥，能夠前來礫間處理的斷面棲息，人對河川水質改善後生態環境的滿足，為水質淨化最終的評價指標。在20012002年，在建造1617年後，再度評估該場址，生化需氧量的平均去除率40.9（8.955.6），懸浮固體的平均去除率61.5（087），總氮的平均去除率7.8（1641.2），總磷的平均去除率5.4（5.510.5），較起初建造時的效率為低，但是生化需氧量與懸浮固體的去除，與對該地水域生態系統的復育，已經大大抒解周遭居民的苦情，因此被日本政府視為一有效的改善方式。,第8頁，共39頁。,淨水處理需兼
9、顧生態系統的復育,在陸地上的礫間處理，逐漸種上水生植物，成為後來發展的地下流人工濕地。事實上，大孔隙的礫間，不容易種植水生植物，因為缺乏土壤對營養份的吸附，而一般植物除了吸收土壤溶液的營養份之外，也吸收土壤表面置換相或吸附相的營養份，置換相的營養份濃度，遠高於土壤溶液相的營養份（Marschner，1986），所以用礫間接觸來營造植物生長的床體，最大的困難在於只有溶液相的營養份可供吸收。,也許礫間接觸要兼具植物的生長床的功用，並不是在起初的栽種，而是在處理污水一段期間後，生物膜覆蓋在礫石表面，就可以吸附營養份，可供植物生長，或是周邊植物的入侵生長，而且這是自然的演替，而非人工的強求，也許這更符
10、合生態工程的基本原則。,第9頁，共39頁。,歐美研究,在歐美水力停滯時間需達1.7日以上，生化需氧量才有70以上的去除率（Kadlec and Knight，1996），在二十世紀後期，反而是歐洲大量發展建造礫間接觸。德國生態學家賽德樂首先提出地下水流濕地，一九八年代，逐漸在歐洲、日本廣泛做為污水處理之用。這種濕地的結構有很多變化，例如美國著名的環境工程師立德(Reed,1995)提出的款式是，在地面下挖0.30.6公尺深的長方形土坑，底部鋪設低透水性的黏土層，上面放置有效直徑約10公分的礫石，礫石的堆置使總孔隙率(porosity)約在3845。濕地的長度可達5公尺以上，長寬比約為3：1。不
11、過這些尺寸並非定值，不同的生態工程設計者常依不同的地形、坡度、水質特性、淺層地下水深、現地礫石材質與污水淨化的要求，給予不同的設計。,第10頁，共39頁。,捷克研究,布拉格大學濕地生態與應用(Ecology and Use of Wetland)緯瑪扎爾(Vymazal,2000)研究員，提出東歐地下水流濕地最常用的深度是0.60.8公尺，濕地底部黏土厚度為0.2公分，礫石為直徑0.81.6公分的粗砂，底床坡度約0.010.025。採用粗砂而不用礫石的原因，是期待出水性植物能夠著床生長，增加濕地內好氧性的分解。,第11頁，共39頁。,地下水流濕地對於污染質淨化的機制,礫石間的孔隙對於水中懸浮性
12、顆粒有過濾的果效；礫石底層是處於缺氧狀態，能夠進行脫硝作用，減低水中硝酸鹽與氨的濃度；礫石表層與空氣接觸，屬於好氧層，能促進水中生化需氧量的分解，也能使氨轉化為硝酸鹽；礫石孔隙間所滯留的細顆粒具吸附能力，間接去除水中部分的磷酸鹽；礫石表面逐漸附生微生物，形成生物膜，能促進水中有機質的分解；礫石表層生長的水生植物也能吸收部分的無機營養份。,第12頁，共39頁。,德國研究,馬德堡大學水資源管理學系的陸德瑞茲(Luederitz et al.,2001)等，提出德國有五千座污水處理型濕地，處理社區人口低於一千人的污水，其地下水流濕地約1公尺深，長寬各約24、14公尺，其污水處理的果效，去除率化學需氧
13、量約93，生化需氧量95，氨為8296，總磷為97，而且比傳統污水處理省下83的能量與76的工料，效果顯著。,第13頁，共39頁。,紐西蘭研究,紐西蘭水與空氣國際研究所鐵拿(Tanner,1994)研究員提出不同的研究結果，他提出濕地去除懸浮性顆粒為4090，生化需氧量為7090，總氮為4090，總磷為3080。他提出污水去除的果效與污水類別、污染負荷量以及水流停滯時間有關。他認為污水中的有機質愈高，水中氮的去除率將愈低。,第14頁，共39頁。,污水去除的機制，主要是礫石表面生物膜,雖然不同的國家與不同的研究者有不同的看法，但是有個一致的看法，就是污水去除的機制，主要是礫石表面生物膜，包括細菌
14、、放射菌、藻類等進行有機物分解、脫氮、硝化等作用。由於地下水流濕地可以提供水流與生物膜接觸的廣大表面積，因此其污水去除率會優於表面流濕地。,第15頁，共39頁。,污水處理的不確定性,美國奧亥俄大學自然資源系司必里與米契教授(Spieles and Mitsch,2000)提出，這種濕地建造成本較高，每公頃約美元362,000，主要的花費包括採購合適尺寸的礫石，施放礫石到濕地裡，裝置配水管路與抽水馬達的花費，這比自由水面流濕地每公頃建造費美元50,000昂貴，但是其污水處理的負荷量較高。由於水面在礫石表面之下，較不會滋生蚊蟲、臭味，因此建議在土地面積較小而需有較高處理果效的地方，採用此法。反之，
15、在土地面積較大的地方，才考慮表面流濕地。,第16頁，共39頁。,礫間處理引進臺灣,2004年才在臺北市貴子坑溪關渡自然公園內建造第一座試驗性模場(游進裕、林宗岳，2005)，選址在自然公園內的目的，除了土地使用與污水淨化的需要之外，更期待能與自然公園的生態景觀連成一體，而且能夠實際改善關渡濕地的生態系統，雖然場址面積不大，建造迄今近一年，但定期監測水質與水量，本文的目的，就是探討其淨化水質的效益與生態復育的功能。,第17頁，共39頁。,理論與分析,地下水流濕地去除污染的機制雖然複雜，有物理、微生物與化學的作用一起參,與。但是愈精確的科學與工程，愈需要數學的量化，否則濕地設計會淪為經驗,或感覺。
16、由於地下礫間水流，在流體運動方面仍屬達西法則(Darcys Law)的範,圍，根據達西法則，水流通量(q)在水平流方向(x)是水深(z)的梯度，故：,（1）,其中，Ks為礫間孔隙飽和導水係數(saturated hydraulic conductivity)。,而地下水流流量(Q)為：,（2）,其中，A為礫間濕地的斷面積，即斷面積是水深(z)與濕地寬度(l)的乘積：,（3）,將(2)、(3)代入(1)式：,（4）,將(4)式兩邊積分：,（5）,z0為入流的水深。,第18頁，共39頁。,z0為入流的水深。(5)式積分可得：,（6）,或改寫為：,（7）,水流在濕地的停滯時間(HRT)可表示為：,（8）,V為濕地內水的體積：,（9）,為濕地的孔隙率。將(8)式微分：,（10）,第19頁，共39頁。,將(9)代入(10)式，可得,（11）,將(7)代入(11)式,（12）,解(12)式可得,（13）,假設濕地內污水水質淨化符合一級次反應，,（14）,C0為流入濃度，C為流出濃度，k為一階反應係數。由(13)與(14)式知污染在水中的分解，以反,應係數與水流停滯時間為最重要。而水流停滯時間又受飽
小型河川現地處理之實踐(共39張PPT)
