• 水質淨化工程篇

    < 第一章 > 水質淨化工法

    高雄市檨仔林埤濕地公園水質淨化成果(圖片來源:高雄市水利局)

    水體的污染源來自四面八方各種類型,而針對不同水體及不同污染源要採取對應適用的防治方式,才能營造優良的水生態環境。而臺灣的做法則是由中央政府補助地方經費,在各污染水源附近、受污染的河川支流匯流處,設置礫間接觸、人工濕地、聚落式污水處裡設施等水質淨化工程,透過污水與自然環境中的氧氣、土壤、微生物及植物產生交互作用,使水質淨化,以削減排入河川的污染量。

    自民國91年起,臺灣正式開始將歐美、日本等國家現地處理的工法與技術導入國內,並陸續在各地建置達30多處以上的場址,其中運用多種的工法,包括表面流與地下流人工濕地、地下滲濾、礫間接觸氧化、草溝草帶、人工浮島等多項工程。運用河濱灘地構建現地處理的生態工程,除了能達成淨化水質的功效之外,其所發揮的生態復育效益,更使得河川風貌為之一變,使得更具有教育意義及休憩活動的附加價值。
    在全球暖化、氣候變遷的影響之下,臺灣的河川流域水資源,均受到極端氣候與短時強降雨的模式改變影響,現地處理後的水,除能作為二次水再利用之外,更能順勢補助河川水量,維持河川生態健康。

    臺北舉辦花博時運用相關工法展示水質淨化再利用效果(圖片來源:聯合報)

    現地處理技術的原理,乃是利用污染物與自然環境之水、土壤、植物、微生物及空氣,彼此交互作用而產生物理、化學或生物反應後,將污染物分解,藉此達到水質淨化的效果。大致來說,整個處理過程可視為此三種作用交互作用所產生的結果,絕非單一作用即可達成,以下略作說明:

    現地處理水質淨化作用及程序(圖片來源:環保署水質保護網)

    現地處理(On-site treatment)是在污水排放源的附近,將污水或排水就地實施處理,以避免污水直接排入河川。有別於傳統的污水收集處理方式,利用污水下水道管路系統,將各地集中污水傳送至污水處理廠處理。

    (一)物理作用
    包括稀釋、吸附、擴散、沈澱以及再曝氣作用,其中以再曝氣作用為最主要的影響因素。
    (二)化學作用
    化學作用主要為污染物質的化學變化,其化學作用並不明顯,通常在擴散作用、混合作用及沈澱作用的過程中發生氧化、還原、吸附或凝聚等現象。
    (三)生物作用
    有機污染物被水中的微生物分解後進而利用,就像藻類行光合作用,或是微生物分解溶解性有機物質等現象,使有機物最後回歸到無機安定的狀態。​

    另外,行政院環保署基於水體現況以及自然淨化工法之應用原理,也建立一套分類機制,內容主要分為3大工法:

    植生處理法示意圖(圖片來源:環保署)

    人工浮島示意圖(圖片來源:環保署)

    (一)植生處理法


    此項工法應用包括人工浮島、濕地、浮游植生、植栽濾床、草溝、草帶等方式。

    地表散水式示意圖(圖片來源:環保署)

    地下散水式示意圖(圖片來源:環保署)

    (二)土地處理法


    依散水方式可再細分為地表散水式(包括:快滲、慢滲、地表漫流等),以及地下散水式(包括:掩埋式、開放式及循環式地下滲濾之應用)。

    礫間淨化法(圖片來源:環保署)

    (三)接觸氧化法


    包括:礫間接觸、填充濾材等方式。

    (資料來源:環保署水質保護網)

    < 第二章 > 生態工法簡介

    而水質淨化以生態工法來處理受污染的水體,主要就是希望透過污水與自然環境中的氧氣、土壤、微生物與植物的交互作用,使水質淨化,削減排入河川的污染量,以達改善水環境的目的,列舉以下幾種方式介紹:

    地下流人工濕地示意圖(圖片來源:關渡自然公園)

    (一)地下流人工濕地
    地下流人工濕地主要是由溝渠、濾床以及水生植物所組成,在溝渠中填入礫石或其他濾材以作為濾床,並在其上種植水生植物,讓水流在地面下快速通過時,可以與濾材表面和植物根系附著的微生物接觸,讓微生物發揮污水淨化的功效。而且因為濾材覆蓋水面,可以避免臭味的散逸與蚊蟲的孳生。

    表面流人工濕地示意圖(圖片來源:關渡自然公園)

    (二)表面流人工濕地
    表面流人工濕地主要是由水池、土壤以及水生植物所組成,透過污水與自然環境中的氧氣、土壤、微生物、植物交互作用,以達到水質淨化的目的。表面流人工濕地是現地處理工法中,與自然濕地最相似的一種,也是較早也是較普遍的使用工法,更有著「最美麗的污水處理廠」之稱。

    人工浮島水質淨化示意圖(圖片來源:水利技師公會)

    (三)浮島
    「浮島」的概念,來自於水域的「陸域化」現象,許多陸生的植物,只要提供良好的支撐,也是可以在水中健康的生長,因次在天然湖泊或池塘的陸域化過程中,長在陸地上的植物,就會逐漸蔓延生長到水面上,千百年下來,水面上就會形成厚厚的陸域植物層,一般稱之為「浮島」或是「草島」。臺灣地區目前最著名的天然浮島就是位於宜蘭縣的雙連埤。

    土壤滲濾水質淨化示意圖(圖片來源:中國污水處理工程網)

    (四)土壤滲濾
    土壤滲濾的概念起源於19世紀英國化學家利西比,當時他觀察到許多農夫解決污水臭味的方式,便是將污水排放到填滿土壤的大坑中,並種上植物。此種方式被認為是土壤能產生減緩污水流速,讓土壤中的微生物有充分時間可以分解水中的污染物,因此稱為這種土坑為「污水農場」。

    草溝(草帶)水質淨化示意圖(圖片來源:微文庫)

    (五)草溝、草帶
    以草溝、草帶淨化污水的概念,來自於19世紀美國科學家史華露,她提倡「讓人類使用過的東西,安全返回大自然」,並推動工廠將低污染或處理過的污水予以回收,運用於公園、草坪、高爾夫球場等公共環境的灌溉用水,讓草根與周邊土壤中的微生物,來擔負淨化水質的功能。

    礫間接觸水質淨化示意圖(圖片來源:桃園市水環境保育網路平台)

    (六)礫間接觸
    「礫間接觸」,來自19世紀德國科學家穆勒,他曾將污水引入埋滿煤渣、石頭的坑中,讓微生物在煤渣與石頭的表面附著生長,以用來分解污水中的污染物;後來科學家將煤渣與石頭改成比較大的顆粒,讓水流通的速度變得較快,可以用來處理較大量的污染,此方式稱之為「礫間接觸」

    (資料來源:環保署水質保護網)

    < 第三章 > 礫間工法簡介

    礫間接觸水質淨化乃為導引目標處理水體,流經填充礫石或人工濾材的處理槽,使污水與礫石(或人工濾材)表面的生物膜接觸反應,以達到水質淨化的目的。
    依據國外應用經驗,礫間接觸氧化法可以分為兩類型,一類為礫間接觸氧化法,另一類為礫間接觸曝氣氧化法;上述兩者系統間之差別,最主要取決於處理流程中是否納入了曝氣設施,而在應用上之差別,則在於處理對象水質濃度的高低。以下就分別針對礫間接觸水質淨化之原理與應用來做說明:


    (一)淨化原理
    礫間接觸氧化法的淨水方式,可以分為污染物的去除以及污泥分解等兩項。
    1、污染物的去除:
    礫間接觸氧化槽當中,因為礫石之間存在許許多多大小不同的孔隙,當污水流經過這些孔隙時,水流因為受到礫石阻擋,而導致流速減緩,此時水中的懸浮物質會與礫石接觸,並在很短的孔隙距離內產生沈降;此外,礫石粗糙的表面,可提供許多微生物附著生長的環境,其具黏性的生物膜則主要功能就是負責將懸浮物質吸著,而其整體機制為水中溶解性的有機物,在流經礫石表面的生物膜時,被微生物攝取或利用,而達到固液體分離的效果,進而獲得水質淨化之目的。
    2、污泥的分解:
    由沈降、吸附及生物氧化,而從水中分離的污泥,將被阻擋留於礫石中進行生物分解,透過此分解方式可將污泥的有機成分,降低至原本的1/4以下。

     

    單純的礫間接觸氧化法,對於目標處理水體有溶氧及生化需氧量的限制,依據國外應用經驗顯示,對於溶氧量極低或生化需氧量大於20 mg/L之水體,並不建議採用礫間接觸氧化法。
    因此為使礫間接觸氧化法能適用於處理水質濃度更高的水體,經國外模型場及實場運轉後驗證,於礫石槽底部埋設曝氣管,利用定期定量之曝氣,提供微生物氧化分解所需要之氧氣,進而提升微生物分解有機性物質(如生化需氧量、氨氣等)之處理機能,可以有效提升礫間接觸處理的淨化效率,此法稱為礫間接觸曝氣氧化法。

    ​簡單的說,礫間接觸曝氣氧化法,就是在礫間接觸氧化槽底部鋪設曝氣管進行曝氣之工法,其淨化原理如礫間接觸氧化法淨化原理示意圖所示。

    (二)淨化系統
    一般礫間接觸氧化處理流程大致上為取水→沈砂(→曝氣)→接觸氧化→消泡→放流,而常用的礫間接觸氧化槽種類如下圖例所示:1、為基本應用型,構造簡單,所產生的污泥沈積於濾材孔隙之間。2、則為使污泥能夠適當儲留,因此在礫層下部設置污泥儲留槽,使礫層與污泥呈現分離狀態。3、則為使接觸材容易管理維護,將其礫石置於籃內而形成模組化單元組合。4、將礫石依粒徑排列,於底層填充粒徑約12~60mm之大型礫石,而上層則填充粒徑約8~12mm之特殊燒結球。

    礫間接觸氧化槽種類

    (圖片來源:桃園市水環境保育網路平台)

    礫間接觸氧化法原理示意圖

    (圖片來源:桃園市水環境保育網路平台)

    礫間接觸曝氣氧化法就是將處理槽區分為曝氣部與非曝氣部,簡述如下:
    1、曝氣部:因為經常性曝氣需提供足夠氧氣,可提升曝氣部微生物對有機物及氨氣之氧化速率。且污水可因曝氣而於礫石間充份的流動,使得礫石表面微生物與污水有更多接觸機會接觸機會,也因此增加污水淨化的效率。而擔任氧化分解有機物角色的微生物以及生物膜,會於曝氣部內大量繁殖增生,由於生物量多再加上曝氣的擾動,致使生物體(膜)易與礫石表面剝離,因此在曝氣部內,有機物被生物膜抓取吸收以及生物膜剝離等現象反覆發生。
    2、非曝氣部:在曝氣部剝離之生物膜,因曝氣部維持長時間曝氣而無法於曝氣部內沈澱,因此會隨水流移動至非曝氣部,而這些生物膜或浮游性物質將於非曝氣部經接觸而沈澱。

    綜合以上,在礫間接觸曝氣氧化槽內,藉由曝氣部與非曝氣部兩者的搭配,由曝氣部負責污染物之生物氧化分解,而非曝氣部則負責懸浮固體及生物污泥之接觸沉澱,共同維持良好之水質淨化效果。​

    (資料來源:環保署水質保護網)

    < 第四章 > 高雄市應用實例

    近年來,高雄市政府在轄區列管的各大河川整治上,也投注相當多的資源與心力,期盼能改善水環境,營造親水宜居的藍帶目標,其中與水質淨化相關工程的列舉如下:

     

    (一)阿公店溪水質改善與環境營造工程

    阿公店溪為貫穿岡山地區重要河川,因為受限於上游阿公店水庫蓄水限制,致使基流量不足,再加上岡山地區污水下水道系統尚未建置,民生污水及工業廢水均經由雨水下水道排入阿公店溪,使得阿公店溪水質持續處於嚴重污染的狀態。另外,阿公店溪流經岡山區中心地帶,但因沿線河岸環境雜亂、穿透性不佳,致使過去民眾親近河川的意願均不高。
    因此市府水利局為有效整治阿公店溪,研擬短中長程整治計畫,經積極爭取後,內政部營建署同意自102年度開辦岡山地區的污水下水道第一期工程(102年至109年);而第一階段水質改善工程部分,計畫範圍主要於聖森橋至河華橋段,其主要工項就是截流阿公店溪沿岸10處主要污水箱涵的民生污水,並藉由污水管線輸送至河堤公園之礫間淨化場,以進行水質淨化處理(設計處理水量為8,000噸/日),完成後再行排放回阿公店溪。

    阿公店溪沿岸河堤公園之礫間淨化場(圖片來源:高雄市政府水利局)

    礫間淨化場放流口及淨化後水質比較(圖片來源:高雄市政府水利局)

    坔埔排水礫間淨化場工程示意圖(圖片來源:高雄市政府水利局)

    鳳山圳滯洪池水質淨化場示意圖(圖片來源:高雄市政府水利局)

    (二)鳳山圳滯洪池水質淨化場

    為改善鳳山溪上游水質污染情形,市府水利局向中央積極爭取補助,辦理鳳山圳及坔埔排水水質改善工程,計畫於107年1月底開工,預計於同年12月完工,屆時可補助潔淨水源活化周邊水域環境,重塑河川生態,大幅改善鳳山溪上游水質。
    鳳山溪沿線目前已完成18處污水截流設施,藉由管線輸送至鳳山溪污水處理廠處理,使鳳山溪中下游河段水質改善至中度污染,目前僅剩上游鳳山圳及坔埔排水河段,水質因受到工業區群聚排放污染物影響,目前仍然是嚴重污染的情況。
    為解決上游污染問題,達成全流域無嚴重污染目標,市府水利局規劃「鳳山圳滯洪池水質淨化場」,及「坔埔排水水質淨化工程」,藉由新設攔水設施,每日截流1.4萬立方公尺鳳山圳污水,輸送至鳳山溪污水處理廠處理,並利用鳳山圳滯洪池周邊綠地設置礫間水質淨化場,設計每日可處理7,500立方公尺以上的坔埔排水汙水後,回放至滯洪池及鳳山圳作為潔淨水源,以活化水域環境及生態,期望能大幅改善鳳山溪上游的水質污染問題。