小型河川現(xiàn)地處理之實踐(共39張PPT)

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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(xiàn)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(huán)境系統(tǒng)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(shè)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(zhì)(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(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 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(shù)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(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

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(fā)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(xù)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(tǒng)濾間處理分解有機質(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

6、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(zhì)淨化的促進,應(yīng)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(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,漂浮的垃圾有時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

8、是讓持續(xù)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(zhì)改善後生態(tài)環(huán)境的滿足,為水質(zhì)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(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。,淨水處理需兼

9、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(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,而非人工的強求,也許這更符

10、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(fā)展建造礫間接觸。德國生態(tài)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(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(tài)工程設(shè)計者常依不同的地形、坡度、水質(zhì)特性、淺層地下水深、現(xiàn)地礫石材質(zhì)與污水淨化的要求,給予不同的設(shè)計。,第10頁,共39頁。,捷克研究,布拉格大學濕地生態(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。,地下水流濕地對於污染質(zhì)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(tài),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(zhuǎn)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(zhì)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(yǎng)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(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,去除率化學需氧

13、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、污染負荷量以及水流停滯時間有關(guān)。他認為污水中的有機質(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(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(guān)渡自然公園內(nèi)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(nèi)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(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),雖然場址面積不大,建造迄今近一年,但定期監(jiān)測水質(zhì)與水量,本文的目的,就是探討其淨化水質(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(shù)學的量化,否則濕地設(shè)計會淪為經(jīng)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(jù)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(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)淨化符合一級次反應(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)與水流停滯時間為最重要。而水流停滯時間又受飽

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