- 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。
