人工濕地污水處理技術(上)

國立中山大學環境工程研究所所長 周明顯 &

國立中山大學環境工程研究所博士生 彭致豪

摘要

由於生活污水、工業廢水及畜牧廢水的不當排放,導致臺灣地區總長度為 2,934 公里的 50 條主、次要河川中,約有 1,022 公里遭受污染,占河川總長 33.78 %。人工溼地不僅可處理受污河水,並可復育河岸生態。故推動濕地技術整治河川污染,對於台灣目前的生態環境,具正面價值及意義。

依國內近年之研究成果知,污水在人工濕地的水力停留時間大都在 5 天以內。在 COD 進流濃度 <50 mg/L 時,其去除率通常 <50% ;進流濃度為 51-270 mg/L 時,其去除率可達 90% 。在進流 BOD<10 mg/L , BOD 平均去除率為 50% ;在進流 BOD 為 10-40 mg/L , BOD 平均去除率為 80% 。其他污染物之去除率分別為 SS 30-90% ( 平均 60%) 、氮 60-90% ( 平均 80%) 、磷 30-90% ( 平均 50%) 。本國濕地研究中,常用之植物為蘆葦、空心菜、香蒲、水芙蓉、竹葉菜、培地茅、狼尾草、浮萍與布袋蓮等,其中以布袋蓮與蘆葦在去除各種水中污染物的表現較佳。

關鍵字: 人工濕地、污水處理、生活污水、 COD 、 BOD 、氮、磷


一、前言

人工濕地系統( constructed wetlands system, CW )是將生態工程技術應用於水或廢水管理及處理上的一種自然淨化程序,在操作上無須曝氣、攪拌、加壓等太多人為動力,亦不需添加化學藥劑或介質單體附著物等人造物質。污染物在人工溼地系統中被去除的機制複雜,多種淨化作用可同時發生,但由於靠自然淨化,因此速率較慢。去除機制除了物理性、化學性、生物性處理外、還包括了植物的吸收攝取作用。整體形成循環穩定,不需能源輸入,亦不需經常維修之系統。具有省能源、低成本、無二次污染、操作維護簡單、不破壞生態等優點;又可以提供生態棲息空間、土地復育、自然景觀等多重功能,故具有十分大的發展空間。本文茲就近幾年各專家學者之研究成果加以分類探討。

二、人工濕地的種類

人工濕地大致分為兩大類 (25) ,其一是表面水自由流動式 (free water surface flow CW , FWS) ,其二是表面下流動式 (subsurface flow system CW , SSF) 。

FWS 系統內有種類不同的大型水生植物 (macrophytes) 存在,概分五種:

•  挺水植物型( emergent macrophytes )

•  浮水質物型( floating macrophytes )

•  著根浮水植物型( bottom-rooted floating macrophytes )

•  挺水植物浮水型( emergent macrophytes with floating mat )

•  沉水植物型( submersed macrophytes )

SSF 系統一般可依水流動方式分為兩類:

•  水平流動型( horizontal-flow system )

•  垂直流動型( vertical-flow system )

三、人工濕地的功能與機制

圖一為示 FWS 濕地去除污染物機制 (26) 。在一般情況下,污染物進入人工濕地後會在各種不同機制的作用下降解,此諸機制包括:細菌的轉化、吸收、沈澱、自然衰減、揮發、與化學反應等。除此之外,介質的過濾作用與植物吸收亦為濕地去除污染物之機制。

 

人工濕地系統即藉由這些過程處理如生化需氧量 BOD 、懸浮固體物 SS 、氮、磷、重金屬與病原體等。水質淨化的主要角色由植物、介質、與微生物族群三者所共同扮演。表一 (25) 將污染物在人工濕地中的處理機制作一彙整。

表一 各類污染物在人工濕地的處理機制

污染物

處理機制

備註

懸浮固體物

過濾、沉澱

詳圖一 (26)

有機物

微生物分解

詳圖二 (26)

水解、硝化、脫硝、揮發、吸附、生物吸收

詳圖三 (26)

生物吸收、吸附

詳圖四 (26)

致病源(細菌、病毒、原生動物、寄生蟲)

沉澱、過濾、吸附後,自然死亡或被掠食

詳圖一 (26)

重金屬

吸附、離子交換、與有機物螯合、過濾、生物吸收

詳圖一 (26)

 

圖二 FWS 濕地之碳傳輸

 

 

圖三 FWS濕地中氮傳輸

 

圖四 FWS 濕地中磷傳輸

四、人工濕地去除水中污染物之應用

根據環保法令所規範之陸域水體環境基準或放流水標準,分別有營養鹽 ( 如氨氮、總磷等 ) 、生化需氧量、化學需氧量、懸浮固體、大腸桿菌群、重金屬與農藥等各項,目前專家學者的研究資料中,均將上述各項指標納入報告之中,以符合實際應用需求。以下亦以上述各項指標來探討人工濕地的處理效能。

4-1 營養鹽的去除

地表水體中的營養鹽,如氮、磷、沈積物、病原菌等是為典型的污染物質,主要來自於農業活動。含氮物質因為對河口的優養化、地下水的污染或由大氣酸性沈降而影響水體,尤其受重視。

氮在自由表面流動式與地下流動式兩種系統中的去除機制相似,主要透過微生物新陳代謝的過程將氮以氣態的型式去除,雖然植體也會對氮進行攝取,但其攝取速率受到氮負荷量左右。生物性的硝化 / 脫硝作用能有效除氮,氨在好氧狀態下由硝化菌氧化成硝酸鹽,硝酸鹽隨後在厭氧狀態下被脫硝菌還原成自由態氮。通常在表面流與地下流動式的人工濕地中,脫硝菌群要遠比硝化菌族群還多。只要系統中存在足夠的可溶性有機碳,脫硝反應通常可以輕易地在介質或水層底部的還原區域中發生,所以硝化作用是氮去除的限制機制。

磷在人工濕地中最主要的去除機制是透過吸附、吸收,以及與介質中的鋁、鐵等物質形成低溶解度的化合物,併同沈澱作用以成不可溶的狀態將磷滯留。對於磷在單位時間單位面積去除量的表現上並未優於傳統的生物方法,以磷為處理對象的人工濕地比起應付其他污染物在設計上需要更大的面積。表二歸納各文獻中重要研究。


表二:以人工濕地處理營養鹽之各文獻重要研究結果

文獻

重要研究結論

7

人工濕地中必須提供充足之碳源,以利脫硝作用的進行。當 COD/NH 3 -H 在 3.5 時,各系統硝酸鹽濃度可降至 5 mg/L 以下。

9

溼地去除營養鹽之機制中,植物及藻類的存在具有重要的貢獻。

當氮磷濃度接近時 (TIN/PO 4 -P=1.8) ,磷為過量基質,氮則為限制基質,可促進溼地中光合成生物 ( 植物及藻類 ) 及細菌之生長,並增強氮的去除機制, TIN 去除效率可達 88~95% ;較高的氮磷濃度比,導致較高的磷酸鹽去除效率 (TIN/PO 4 -P=4.8 及 1.8 時, PO 4 -P 之去除效率為 55~89% 及 52~70%) 。

上述結果知,人工溼地去除營養鹽時,廢水中磷濃度的增加對氮的去除有顯著促進,氮濃度的增加亦對磷去除有顯著幫助。

12

濕地系統中營養鹽的去除,極有可能因植物的生長不良而受到影響。因此除了尋求最有效率的水力負荷外,進流污水中的氮、磷濃度必須有一個為求操作穩定的限值。

無論是依靠落葉沈積或是以採收方式來提高磷的去除率時,植物的生長速度都會是評估系統表現的重點。

非點源污染的水質水量變化差異大,若現場基流不足以提供乾季時植物生長所需,則可考慮將部分或全部生活污水放流併入系統之中。除了提供枯水期維持最低水量的要求,生活污水中有效磷的引入,也有助於原本磷受限的系統對氮的去除。

14

人工濕地在磷酸鹽去除中,被水芙蓉、蘆葦、空心菜、竹葉菜、及狼尾草等植物去除的重量比例初步估計分別為 32.5 、 87.6 、 52.6 、 62.7 、及 63.2% ,其餘則為土壤吸附及微生物吸收。

溼地中植物對於除磷的部分佔有 30% 以上的比重,蘆葦更接近 90% ;水生植物的生長速率與除磷速率並無明顯的相關性。

17

以人工溼地淨化二仁溪水中之氮磷時,明顯受到水力負荷變化的影響,一般而言去除率會隨 HRT 增長而越高,但 HRT 增長到某種程度去除率有減緩的趨勢。水溫的升高卻有降低二者去除反應速率的現象,初步判定此一現象可能與進流河水中污染物負荷變化很大有關。

20

一般而言,去除率會隨 HRT 增加而提高,該研究觀察到 HRT 增加到某種程度時,去除率有減緩的趨勢。此外實驗結果亦顯示,人工溼地系統雖受到水力負荷的影響,但對於處理污染程度較低的校園廢污水中磷酸鹽與氨氮而言,仍具有明顯的去除效果。

21

營養鹽去除效果不好,可能原因為植物種植及收割不規律,導致植物體腐爛之後,將吸收的氮磷又釋放至濕地系統內,使得氮磷的移除並沒有很完全,植物適時的收割對於氮磷的去除有相當大的影響。

在氮磷的去除效果,爐石濾床在氮的去除方面表現不及卵石濾床,在實驗進行中發現爐石濾床的植物生長狀況一直不如卵石濾床,可能是因爐石含有其他物質會抑制植物的生長,這將是在爐石應用時所該注意的事項。

22

本研究主要探討三種水生植物 ( 布袋連、水芙蓉、浮萍 ) 在溼地內有無礫石的條件下對養豬廢水的淨化能力。結果顯示,水生植物對 NH 3 -N 、 NO 3 -N 、 NO 2 -N 具有相當大的去除效率,尤其是在有礫石的條件下。在所選的三種本土型水生植物中,針對 NH 3 -N 、 NO 3 -N 、 NO 2 -N 之平均去除率,以布袋蓮的去除率較高,其次為水芙蓉,再其次為浮萍,針對 T-P 、 TKN 之平均去除率,以水芙蓉去除率最高其次為布袋蓮,再其次為浮萍。而就生長的狀況而言,三種水生植物均非常容易且快速成長,故頗適合作為溼地處理之水生植物。

4-2 重金屬的去除

重金屬在人工溼地中主要的去除機制為吸附、離子交換、與有機物螯合、過濾、生物吸收,雖然部份植物具有吸收及超累積微量元素於其組織體內能力,對於受污染的土壤及水域環境,利用此能力以移除有毒重金屬及微量元素,此種處理方法稱植物淨化處理方法 (Phytoremediation process) 。

在濕地埵優勢性之浮水性植物物種,如浮萍( Lemna minor L. )及滿江紅( Azolla pinnata R. Br ),對鐵及銅有高達 78 倍的生物濃縮效應。布袋蓮對含銀的工業廢水可在極短時間內給予有效率的移除。存在於濕地的不同植物物種,布袋蓮( Eichhornia crassipes )、天胡荽( Hydrocotyle umbellata )、青萍( Lemna minor )、滿江紅( Azolla pinnata )等濕地植物,也於近年被熱絡的討論其對鎳、鋅、鐵、鈷、鉻、鉛、銅、鎘等重金屬之累積吸收情形。

根據國內研究報告 ( 24 ) ,人工濕地處理重金屬除植物的生物濃縮作用外,植物體本身與底泥之間亦有交互作用發生,導致植物根部累積量通常較上部組織為高之外,底泥累積量亦相當可觀,例如鉛在人工濕地的分布狀況 ( 6 ) ,於底泥所提供之去除率可達 70 %以上。表三歸納各文獻中重要研究結論;另外,表四轉列荊樹人( 2001 )對 FWS 人工濕地系統去除金屬的研究結果 (25) 。

表三:以人工濕地處理重金屬之各文獻重要研究結論

文獻

重要研究結論

6

蘆葦、水芙蓉、竹葉菜及香根草等四種植物對含有不同重金屬的廢污水有一定程度的去除效率。彼等對於鉛 (Pb) 的去除率,分別為 93 、 98 、 81 及 99% 。

24

該研究以浮水性植物布袋蓮( Eichhornia crassipes )為例,說明其對五種微量元素 ( 鎘、鉛、銅、鋅、鎳 ) 於莖葉部及根部兩不同部位在田間的累積吸收情形。比較五種重金屬在布袋蓮組織內之移動能力( translocation ability ),結果為鋅>鎳 ≒ 鎘>鉛>銅。

布袋蓮對不同微量元素,當外部環境含低濃度微量元素時生物濃縮效應達最高,而後隨外部含量的增加而減少。於水域環境,生物濃縮因子依序為銅( 2864 )>鉛( 2245 )>鋅( 1328 )>鎘( 1027 )>鎳( 611 );於底泥環境除銅外,濃縮效應都不好。

布袋蓮根部組織累積微量元素之量遠高於莖葉部之量,平均約為莖葉部的 3~15 倍。根部組織累積微量元素之高低,依次為銅>鋅>鎳>鉛>鎘。對銅、鉛、鋅、鎘,布袋蓮是一良好的植物淨化體。


表四:荊樹人( 2001 )對 FWS 人工濕地系統去除金屬的研究結果 (25)

   

Concentration (mg/L)

 
       

Mass

Metal

Wetland type

In

Out

removal

       

(kg/ha.yr)

Cd

Constructed

43

0.6

2.4

Cr

Constructed

160

20

7.9

 

Constructed

3.4

1.5

4.5

Cu

Constructed

1510

60

82

 

Constructed

8

3

11

 

Natural

20.4

6.1

0.21

Fe

Constructed

6430

2140

243

 

Constructed

205000

6300

29900

 

Natural

241

766

-4.3

Pb

Constructed

1.7

0.4

3.1

 

Constructed

2.2

1.63

0.085

 

Natural

2.0

5.5

-0.03

Mn

Constructed

210

120

5.1

 

Constructed

7400

3900

526

Hg

Natural

<0.2

0.21

0.0001

Ni

Constructed

35

10

1.4

 

Constructed

7.5

3.8

0.8

 

Natural

17.0

9.1

0.14

Ag

Natural

0.36

0.53

-0.0005

Zn

Constructed

2200

230

112

 

Constructed

36

11

60

 

Natural

20.6

5.6

0.22

4-3 懸浮固體的去除

由於人工溼地系統中的生態與水文環境,包括水生植物體本身與其殘渣形成的過濾機制、緩慢的流速增加固體沉降的效果等,均可有效降低水中的懸浮固體含量。被過濾或沉降後的有機固體的部分也會經由微生物的分解轉換為其他基質,提供其他生物新陳代謝之所需,使得物質有效的進入自然轉換機制中。表五歸納各文獻中重要研究結論。

表五:人工溼地去除懸浮固體物之重要研究結論

文獻

重要研究結論

10

FWS 濕地對 SS 去除的主要機制為:沉降、遮光 ( 抑制藻類生長 ) 及植物組織間的過濾作用,植物覆蓋密度的穩定會增強這些去除機制,而 pilot-scale FWS 溼地對 SS 去除的啟動適應期約需 5 個月。 SSF 溼地去除固體最主要靠礫石間隙之過濾及沈降作用, SS 去除效能上無須啟動適應期

12

該研究指出,由於水力上突增的負荷極易造成自由表面流動式濕地底層沈積物的再懸浮,導至系統失效並阻塞 SSF 的介質床濕地,故必須設計妥善的進流方式。因此在設計上建議提高 FWS 的停留時間,亦即加大池的面積,並且在進流處要有類似岸肩、蛇籠或擋板等緩流整流設備,以應付初期逕流突增的水量與高濃度的懸浮固體物,使不致造成沖蝕及流徑短縮。

若欲維持以地表下進流放式進入 SSF ,則 FWS 與 SSF 間可置一類似落水池設施,出口連接與分散式的進流管線,除了可提供額外的沈澱效果外也可避免 SSF 因管線水量突增,水流上湧沖刷表面而形成渠流。

欲提高系統的水力效率時,必須考慮到流速與水量突增的影響。儘管提高長寬比可同時增加體積利用率及改善流況,然而不可忽略縮小截面後增加的流速對沈積物沈降的影響;非點源突增的流量更可能造成 FWS 混濁。

16

以人工溼地去除二仁溪水中之 SS 時,明顯受到水力負荷變化的影響,一般而言去除率會隨 HRT 增長而越高,但 HRT 增長到某種程度去除率有減緩的趨勢。而水溫的上升降低 SS 的去除速率,初步判定此ㄧ現象可能與進流河水中 SS 負荷變化很大有關係。

18

廢污水中含有營養鹽,加上日光無法完全被遮蔽,因此在濕地中會因為藻類的生長繁殖而使得水中的 SS 增加。故可利用生長快速的水生植物如水芙蓉等,使之與藻類競爭營養鹽,長成後又可遮蔽陽光,使藻類不易生成。

21

人工濕地對於 SS 的去除率分別為爐石槽 32~94% 、卵石槽 2~90% 。爐石濾床在 SS 的去除效果,明顯優於卵石濾床,推斷是爐石表面有非常多不規則的孔隙,可以提供比卵石更多的表面積讓微生物附著生長,也能讓懸浮固體物有更佳的留滯效果。因此,廢棄爐石在濕地濾材的利用方面是可以推行應用的。

22

以設置有礫石層( 5cm )之底泥,培植浮萍的人工濕地系統,對於養豬廢水中的 SS 去除率最佳。

  4-4 有機物的去除

在人工濕地中,有機物的去除,主要的機制為微生物的分解,例如在 4-1 節中所提氮之分解過程脫硝作用,微生物即需要碳源來進行此反應,故水中有機物因而消耗。有機物之去除效果必須是其種類而定,微生物並不能將水中各種有機物加以分解,一般而言,生化需氧量( BOD )之去除效果在 90 %以上,化學需氧量( COD )之去除效率只有 50-70 %。再者,水中 COD/BOD 之比值越大, COD 去除效果越差。表六歸納各文獻中重要研究結論。

表六:人工濕地去除有機物之重要研究結論

文獻

重要研究結論

12

比較水芙蓉池( FWS )進出流水中 BOD 5 及 COD 的變化情況推測,部分可溶性有機碳的組成在流經水芙蓉池後由易於生物分解的形態改變為不易被微生物利用的形態。不具生物有效性的可溶性有機碳在排入地下水層後較難被分解,僅管水芙蓉池對 BOD 5 的去除上有不錯的效果,但若考慮僅利用水芙蓉池當做二級放流水中再淨化的單元,以對作為飲用水水源的地下含水層補注時,此現象將造成淨水程序中額外的負擔。

15

以人工溼地去除二仁溪水中之化學需氧量時,明顯受到水力負荷變化的影響,一般而言去除率會隨 HRT 增長而越高,但 HRT 增長到某種程度去除率有減緩的趨勢。而水溫的上升卻降低 COD 的去除速率,初步判定此一現象可能與進流河水中 COD 負荷變化很大及高 COD/BOD 5 比值有關。

21

人工濕地對於 BOD 的去除率分別為爐石槽 16~100% 、卵石槽 13~100% 。爐石濾床在 BOD 5 的去除效果,明顯優於卵石濾床,推斷是爐石表面有非常多不規則的孔隙,可以提供比卵石更多的表面積讓微生物附著生長,也能讓懸浮固體物有更佳的留滯效果。因此,廢棄爐石在濕地濾材的利用方面是可以推行應用的。

22

以設置有礫石層( 5cm )之底泥,培植布袋蓮的人工濕地系統,對於養豬廢水中的 BOD 去除率最佳。

4-5 致病原的去除

水體中致病原為細菌、病毒、原生動物、寄生蟲等,當水體進入濕地後這些微生物亦成為濕地生態系之成員,在經過濕地時,其中植物及其枯萎部份與殘渣,將使流速減緩並使微生物沉澱、過濾或吸附後,造成其自然死亡或被掠食,達到濕地將其去除的效果。以下將各文獻中重要研究結論歸納於表七中。

表七:人工濕地去除病原菌之重要研究結論

文獻

重要研究結論

1

二仁溪系統經人工溼地淨化後,大腸桿菌數目明顯降低,至少有 80 ﹪之去除率,表示溼地系統具有淨化能力;而魚塭系統則以 total coliform bacteria 來計算,由於漁塭中具有環境中已經存在的野生種大腸菌類,其中的 FWS ( free water surface flow system )系統與其生長環境相似,故無明顯的去除效能;然 SSF ( subsurface flow system )系統則有較佳的去除率。

4

探討 CW 系統對校園廢污水中大腸桿菌去除之效能,以為淨化水質之指標。 CW 系統由種植香蒲之表面自由流動式溼地( free water surface , FWS )及種植蘆葦之表面下流動式溼地( subsurface flow, SSF )串聯而成,以柱塞型( plug flow )方式控制。結果顯示校園污水經人工溼地淨化後,大腸桿菌數目明顯降低,平均去除率可達 85% 以上,表示溼地系統具有效降低生活污水中微生物之能力。

4-6 農藥之去除

依據王姿文等( 2001 )所發表有機性農藥達有龍 (Diuron) 在人工濕地中降解之初步探討 (5) ,顯示在水力停留時間 (HRT) 約 2 天操作下,自由表面流動式濕地 (free water surface system , FWS) 與表面下流動式濕地 (subsurface flow system , SSF) 對達有龍去除率並無顯著差別,約為 61-88 %;進出流水之 COD 降解效率平均為 64 %。顯示達有龍在人工溼地中可能被微生物所礦化分解或植物體吸收。

以上研究證實,人工濕地有能力去除分解有機性農藥物質,在農地逕流水的污染防治上為一種可行的技術選擇。

4-7 各研究成果彙整

依據近年專家學者研究成果顯示,人工濕地對於污染物之去除率乃因濕地尺寸、栽種植物種類、操作參數、水力停留時間、水力負荷、季節變化等複雜因素造成各污染物去除率有所變化,故人工濕地處理技術仍有廣泛探討之空間。