小型河川現(xiàn)地處理之實(shí)踐(共39張PPT)

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(biāo)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(xiàn)地處理臺(tái)灣之實(shí)踐,以貴子坑溪礫間接觸為例,國立臺(tái)灣大學(xué) 生物環(huán)境系統(tǒng)工程學(xué)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(jì)英國倫敦的污水處理工程師W.J.Dibden首先設(shè)計(jì)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(jī)質(zhì)（Kinnicutt，1902）其功能是初級(jí)處理，以短暫的時(shí)間，讓污水迅速的通過，以達(dá)到生物膜去除有機(jī)質(zhì)的最大量第2頁，共39頁雙礫間系統(tǒng)（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(jié)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(jìn)污水的分解，礫間處理常以不同的緊密度，形成二層的結(jié)構(gòu)：上層排列較鬆，水流較快，維持好氧狀態(tài)；下層排列較緊密，水流較緩，成為厭氧狀態(tài)；這稱為雙礫間系統(tǒng)（double contact system），其水力負(fù)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(jìn)入，停滯數(shù)小時(shí)，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(jìn)入礫間，由於有暫時(shí)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的砂子堆積成床體，讓污水間歇式的通過，其通過的水力負(fù)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(xì)，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(xì)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(jī)質(zhì)，而水生植物又可以吸收一部份的氮、磷，其水流連續(xù)並不間歇，以維持植物根系生長。

第4頁，共39頁連續(xù)砂濾,（continuous filtration）,與加壓式濾間處理,（pressure-closed contacted system）,到了二十世紀(jì)初期，礫間接觸工法為了提高處理量與效率而發(fā)展出送氣進(jìn)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(xù)砂濾（continuous filtration），其水力負(fù)荷量約2.76m/day，但是為了進(jìn)氣，所耗費(fèi)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(jī)會(huì)，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(tǒng)濾間處理分解有機(jī)質(zhì)的效率為高第5頁，共39頁礫間接觸在日本的發(fā)展,本來也是在社區(qū)或家庭污水排放的現(xiàn)地處理，後來發(fā)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(nèi)，直接以河道水流流過濾間處理的段落，利用自然力量，進(jìn)行連續(xù)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(shí)間0.05日，入流量32,852m3/day，水力負(fù)荷量4.0m/day，礫石底床有送風(fēng)機(jī)，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(jìng)作用，工程完工對(duì)於河川水質(zhì)淨(jìng)化的促進(jìn)，應(yīng)該扣除河川原本的自淨(jìng)作用，在計(jì)算上需要用處理後的濃度減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(zhuǎn)到河道上,最主要的原因是在懸浮固體較高的水中，容易產(chǎn)生孔隙阻塞，降低水力負(fù)荷量與水質(zhì)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(chǎn)生更多的氣泡，造成河流周遭環(huán)境的劣化，不利人為的活動(dòng)，漂浮的垃圾有時(shí)就堆積在礫間處理的表面，這些現(xiàn)象都有礙觀瞻因此水質(zhì)自然淨(jìng)化處理，不只需要考慮污染的去除率，也需要考量水域生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)育與環(huán)境景觀的改善，甚至包括歷史與人文的結(jié)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，就是讓持續(xù)流動(dòng)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(duì)河川水質(zhì)改善後生態(tài)環(huán)境的滿足，為水質(zhì)淨(jìng)化最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)在20012002年，在建造1617年後，再度評(píng)估該場(chǎng)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(shí)的效率為低，但是生化需氧量與懸浮固體的去除，與對(duì)該地水域生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)育，已經(jīng)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(jìng)水處理需兼顧生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)育,在陸地上的礫間處理，逐漸種上水生植物，成為後來發(fā)展的地下流人工濕地事實(shí)上，大孔隙的礫間，不容易種植水生植物，因?yàn)槿狈ν寥缹?duì)營養(yǎng)份的吸附，而一般植物除了吸收土壤溶液的營養(yǎng)份之外，也吸收土壤表面置換相或吸附相的營養(yǎng)份，置換相的營養(yǎng)份濃度，遠(yuǎn)高於土壤溶液相的營養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(qiáng)求，也許這更符合生態(tài)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(shí)間需達(dá)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(jì)後期，反而是歐洲大量發(fā)展建造礫間接觸德國生態(tài)學(xué)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(jié)構(gòu)有很多變化，例如美國著名的環(huán)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(shè)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(dá)5公尺以上，長寬比約為3：1不過這些尺寸並非定值，不同的生態(tài)工程設(shè)計(jì)者常依不同的地形、坡度、水質(zhì)特性、淺層地下水深、現(xiàn)地礫石材質(zhì)與污水淨(jìng)化的要求，給予不同的設(shè)計(jì)第10頁，共39頁捷克研究,布拉格大學(xué)濕地生態(tài)與應(yīng)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(nèi)好氧性的分解第11頁，共39頁地下水流濕地對(duì)於污染質(zhì)淨(jìng)化的機(jī)制,礫石間的孔隙對(duì)於水中懸浮性顆粒有過濾的果效；礫石底層是處於缺氧狀態(tài)，能夠進(jìn)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(jìn)水中生化需氧量的分解，也能使氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽；礫石孔隙間所滯留的細(xì)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(jìn)水中有機(jī)質(zhì)的分解；礫石表層生長的水生植物也能吸收部分的無機(jī)營養(yǎng)份第12頁，共39頁德國研究,馬德堡大學(xué)水資源管理學(xué)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(qū)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(xué)需氧量約93，生化需氧量95，氨為8296，總磷為97，而且比傳統(tǒng)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(jié)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(fù)荷量以及水流停滯時(shí)間有關(guān)他認(rèn)為污水中的有機(jī)質(zhì)愈高，水中氮的去除率將愈低第14頁，共39頁污水去除的機(jī)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(gè)一致的看法，就是污水去除的機(jī)制，主要是礫石表面生物膜，包括細(xì)菌、放射菌、藻類等進(jìn)行有機(jī)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(huì)優(yōu)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(xué)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(fèi)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(dá)的花費(fèi)，這比自由水面流濕地每公頃建造費(fèi)美元50,000昂貴，但是其污水處理的負(fù)荷量較高由於水面在礫石表面之下，較不會(huì)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，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(jìn)臺(tái)灣,2004年才在臺(tái)北市貴子坑溪關(guān)渡自然公園內(nèi)建造第一座試驗(yàn)性模場(chǎng)(游進(jìn)裕、林宗岳，2005)，選址在自然公園內(nèi)的目的，除了土地使用與污水淨(jìng)化的需要之外，更期待能與自然公園的生態(tài)景觀連成一體，而且能夠?qū)嶋H改善關(guān)渡濕地的生態(tài)系統(tǒng)，雖然場(chǎng)址面積不大，建造迄今近一年，但定期監(jiān)測(cè)水質(zhì)與水量，本文的目的，就是探討其淨(jìng)化水質(zhì)的效益與生態(tài)復(fù)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(jī)制雖然複雜，有物理、微生物與化學(xué)的作用一起參,與但是愈精確的科學(xué)與工程，愈需要數(shù)學(xué)的量化，否則濕地設(shè)計(jì)會(huì)淪為經(jīng)驗(yàn),或感覺由於地下礫間水流，在流體運(yùn)動(dòng)方面仍屬達(dá)西法則(Darcys Law)的範(fàn),圍，根據(jù)達(dá)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(dǎo)水係數(shù)(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(shí)間(HRT)可表示為：,（8）,V為濕地內(nèi)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(shè)濕地內(nèi)污水水質(zhì)淨(jìng)化符合一級(jí)次反應(yīng)，,（14）,C0為流入濃度，C為流出濃度，k為一階反應(yīng)係數(shù)由(13)與(14)式知污染在水中的分解，以反,應(yīng)係數(shù)與水流停滯時(shí)間為最重要而水流停滯時(shí)間又受飽。