4960N075 賴慶和 4環4A

摘要 近年來，經濟成長快速，水污染問題日趨嚴重，許多國家將濕地發展為一種 污水處理新技術。本研究之對象為一實驗室規模之三段式表面流人工濕地，各單 元依序為密植區一、開放水域區、密植區二，其設計理念，主要是營造不同階段 好氧及厭氧之環境，提供各種微生物及植物進行自然淨化機制。三段式表面流濕 地系統常發生第二池硝化作用效果不佳，造成整體氮去除效率未達理想之情形。 因此，若提高濕地系統中第二池之氧含量，將可促進硝化作用，進而增加氮之去 除效率。本研究係探討三段式表面流人工濕地，於第二池予以人工曝氣時，各池 不同氮型態之變化，並研析曝氣對系統各單元氮及其他水質項目去除效率之影 響。 本實驗包含未曝氣與曝氣試程，試驗結果顯示，兩試程之污水流經第一池及 第三池，皆呈現顯著的氨化作用與脫氮作用，而於曝氣之試程，污水流經第二池 的硝化作用則較顯著，NOX-N 有明顯上升。試程一(未曝氣試程)對人工污水處理 的平均去除效率，BOD為94.0 %、TN 為77.3 %、NH3-N 為94.9 %、PO4 3-為65.9 %；而試程二(曝氣試程)之平均去除效率，BOD 為95.4 %、TN 為85.3 %、NH3-N 為97.7 %、PO4 3-為69.4 %。兩試程BOD 平均去除率相差不大，然而，於曝氣試 程時，系統之TN 及NH3-N 的去除效益明顯較佳，第二池硝化作用也顯著增強， 因此，可知於三段式表面流人工濕地之第二池，適當曝氣以增加水體之溶氧，將 可達到氮移除的較佳效果。 關鍵字：三段式表面流人工濕地、曝氣、總氮、硝化作用

一、前言 人工溼地處理系統，係利用濕地植物、土壤及其他相關微生物來處理污水， 具有處理高含氮量廢水的潛力，可以從污水中移除過多的養分，經完善硝化後， 進行脫氮作用，以去除氮污染物，並於水平流人工濕地成功地處理農業廢水，如 豬、牛牧場及漁業養殖場污水和農業、機場、公路、溫室、苗圃等進流水(Vymazal, 2008; Maltais-Landry et al., 2009; Bachand and Horne, 2000; Vymazal, 2009)。水質 淨化型人工濕地若以水流方向來區分，大致可分為表面流式(Free water surface, FWS)、地下流式(Sub-surface flow, SSF)。表面流人工濕地系統，為進流水在濕 地表層開放性地流動，當水流經植物的莖及根部行淨化作用，水中溶氧較高，適 合好氧機制之進行。地下流人工濕地或稱植栽濾床(Vegetated submerged bed, VSB)，為一窪地槽體，充填可透水性砂土或碎石作為介質，以此支持挺水性植 物的生長，進流水被迫在表層下的砂土間流動，以達到淨化作用，適合污水中溶 氧較低時，厭氧機制之進行(江漢全等，2005)。人工濕地去除污染物的機制包含 沉澱、吸附、過濾、硝化作用、脫氮作用、植物吸收及生物轉化過程等，但在不 同類型人工濕地中，所營造之環境並不相同，並非所有機制都能在不同種類之濕 地中正常進行，其各種氮轉換機制之反應強弱也不盡相同，而限制了人工濕地除 氮之效益(Vymazal, 2007)。

人工濕地中氮主要之去除機制為氨的揮發(Volatilization)加上硝化作用 (Nitrification)及脫氮作用(Denitrification)，將污水中的氮轉換成氮氣(Poacha et al., 2004)。而三段式表面流人工濕地利用營造出不同好、厭氧環境，以提供各種微 生物及動植物進行各種自然淨化機制(U.S. EPA, 1999)，增加除氮之效益，已經成 為常見之處理程序。三段式表面流人工濕地主要以三個單元串聯組成，其三個單 元依序為密植區一(厭氧)、開放水域區(好氧)、密植區二(厭氧)，第一單元為一淺 水區，係密植挺水性植物，如香蒲等，主要的除污機制為膠凝(Flocculation)、沉 降(Sedimentation)及氨化作用(Ammonification )，經由水面下根莖之微生物降解， 有機氮(Org-N)因氨化作用會轉變成氨，挺水性植物種植密度越高，微生物可附 著生長之表面積越大，處理效能也就越高；第二單元為一水深約0.5~1 m 之開放 水域，以沉水性或浮水性植物為主，如浮萍等，主要營造高溶氧環境，產生好氧 性硝化作用機制，污水流經此區域時，會進行物理性的沉降，及被附著於沉水性 植物植體表面之好氧微生物消化降解，氮轉換方面，好氧硝化菌可於此區中獲得 足夠的溶氧以促進硝化作用的進行，此外，在本單元中，也有脫氮作用的產生 (Cronk, 1996)；而第三單元與第一單元相同，都密植挺水性植物，其主要除污之 機制為沉降及脫氮作用。綜上所述，三段式表面流人工濕地之除氮機制，係於第 一單元的密植區一進行氨化作用，於第二單元之開放水域區進行硝化作用，而於 第三單元之密植區二，進行脫氮作用為主之機能，最終呈現整體之除氮效益。 在水質淨化型人工濕地中，大部分的Org-N經由生物作用會很容易轉變成氨 (Kadlec and Knight, 1996)，此氨化作用並無法將氮去除，只是將Org-N轉換成氨， 以利於其他機制的進行，如硝化作用、揮發、吸附、植物吸收等。氨化作用與溫 度、pH值、碳氮比等有關，此外，最適合氨化作用之環境，其pH值為6.5~8.5 (Reddy et al., 1984)，且在高溫環境下，氨化作用較為顯著(Peng et al., 2007)。而硝化作

人工曝氣對三段式表面流人工濕地除氮效益之影響 3 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 用係藉由生物氧化，先將氨氧化成亞硝酸鹽，再轉換成硝酸鹽的一連串反應。硝 化作用與氨化作用相似，都無法去除污水中的氮，必須藉由硝化作用與脫氮作用 相結合，進而去除污水中的氮，也有學者提出硝化作用對氮的去除是一種限制機 制(Vymazal, 2007)，硝化作用愈順利進行，氮的去除率就愈高。硝化作用機制的 進行，決定於氧含量的多寡，以支持好氧硝化菌的生長，並會受到溫度、pH值、 鹼度、微生物數、氨氮(NH3-N)濃度及溶氧等的影響(Vymazal, 1995)。脫氮作用 係以微生物透過中間物，如亞硝酸鹽、一氧化氮與一氧化二氮，將硝酸鹽轉換成 氮分子，是大部份人工濕地中對氮去除的主要機制。脫氮作用影響之因子包括： 溫度、pH值、脫氮菌菌種、硝化作用等(Werker et al., 2002)，其機制在好氧性及 厭氧性微生物中都可進行，且在微生物數量沒有改變與環境開始變為缺氧後，脫 氮作用有明顯的提升(Hauck, 1984)。有文獻表示，硝化作用不完全，脫氮作用無 法順利進行(Maltais-Landry et al., 2009)。然而，氧氣不充足為影響氮去除的主要 因素(Noorvee, et al., 2007) ， 在人工濕地添加曝氣系統則可提高硝化作用 (Cottingham, et al., 1999)，增加去除氮的效果。此外，另有文獻提出，人工曝氣 有利於氮之去除(Ouellet-Plamondon, et al., 2006)。因此，若能提高濕地系統中之 氧含量，將可促進硝化作用，提高氮之去除效率。 國外對於人工濕地相關研究方面，起步較國內早，目前已有相當豐富之經 驗，但溶氧量在三段式表面流人工濕地中對氮之去除之影響研究並不多，且國外 氣候等參數較國內差異較大，故參考引用時亦有其限制(謝育祥等，2009)。本研 究之目的，係探討三段式表面流人工濕地系統各單元氮之組成變化及其去除效 果，並針對開放水域區添加曝氣系統，衡量其對氮及其他水質項目去除效率之影 響，以供日後設計及操作維護之參考。

二、材料與方法 本研究設置三個200 公升之方形槽體，各槽體長寬高分別為74 公分、53 公 分及54 公分，如圖1 所示，三個槽體串聯模擬一般三段式人工濕地之設計(即為 密植區一、開放水域區、密植區二，分別以編號LS1、LS2 及LS3 代表)。各槽 體舖設土壤於池體底部，密植區(LS1 與 LS3)與開放水域區(LS2)之土壤舖設厚度 及水深並不相同，其土壤厚度分別為20~25 公分及5~10 公分，水深分別為21 及34 公分，若密植區與開放水域區之水體體積比率分別以0.75 及0.95 (U.S. EPA, 1999)來計算，其槽中水體積約分別為68.5 及140.5 L(植生部份，二密植區皆種 植挺水性植物荸薺（Eleocharis dulcis (Burm. f.) Trin. ex Henschel），開放水域區則 種植浮水性植物水芙蓉（Pistia stratiotes L.），並維持密植區60~80%之覆蓋率， 開放水域區10~30%之覆蓋率。 有文獻指出，對水體內部曝氣為提高溶氧含量最直接的辦法，曝氣會對基質 內部溶氧產生明顯的影響(李想、崔莉鳳，2009)。本實驗包含未曝氣與曝氣試程， 在曝氣試程進行時，係以模型場人工濕地系統中第二池底層進行曝氣(土壤上 方)，如圖 2 所示，曝氣量是增強人工溼地處理效果的另一個重要參數，但曝氣 是種耗能與增加成本的行為，所以在可提升氮去除效益基礎下，應盡可能減少曝 氣量，因此將曝氣量設為380 ml/min，氣水比為12:1。

污水來源為人工合成污水，人工合成污水配方係參考文獻資料(陳建銘， 2002)，模擬宜蘭縣礁溪鄉得子口溪人工濕地實場污水進流濃度，其成分如表1 所示。人工合成污水儲存於一500L 水槽中，經由蠕動泵將人工合成污水送往試 驗槽中，各試驗槽之出水口高低差相差約20~30 cm，污水以重力流方式流動。 設計進流水流量為1.903 L/h，而硝化作用最佳水力停留時間至少為5 天(李黃允， 2001)，因此將水力停留時間設為6 天，並於實驗開始時，系統先馴養運行7 日 以上，待穩定後，開始取樣測試分析。每天早上(9:00~10:00)、晚上(21:00~22:00) ， 各採取原污水一次，並於各池出流水檢測水溫、氫離子濃度指數(pH 值)、導電 度 (EC)、氧化還原電位(ORP)、溶氧(DO)、生化需氧量(BOD)、懸浮固體(SS)、 氨氮(NH3-N)、凱氏氮(TKN)、硝酸鹽氮(NO3-N)、亞酸酸鹽氮(NO2-N)及正磷酸 鹽(PO4 3-)，而水質檢驗方法依美國公共衛生協會(APHA)等之水與廢水標準檢驗 法(APHA,1998)，以及行政院環境保護署環境檢驗所 (NIEA)所公告之水質檢測 方法(環境檢驗所，2010) 進行檢測，其檢驗項目及方法如表2 所示。

人工曝氣對三段式表面流人工濕地除氮效益之影響 5 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 NIEAW210.57A 表1 本研究使用之人工合成污水成份 Components Ingredient (mg/L) Milk powder 40 Sucrose 1.2 Acetic acid 0.025 mL/L KH2PO4 1.5 NH4Cl 20 Urea 7.5 FeCl3 0.025 表2 水質分析項目及分析方法 Item Method Source Water temperature Thermal meter NIEAW217.51A pH value pH meter NIEAW424.52A Conductivity (EC) Conductivitymeter NIEAW203.51B Oxidation-reduction potential ORP meter APHA2580.B Dissolved oxygen (DO) Membrane electrode method NIEAW455.50C Biochemical oxygen demand (BOD) 5-Day BOD Test NIEAW510.54B Suspended solids (SS) Total suspended solids dried at 103~105℃ Ammonia nitrogen (NH3-N) Phenate Method NIEA W448.51B Kjeldahl nitrogen (TKN) Macro-Kjeldahl Method NIEA W451.51A Nitrate nitrogen (NO3-N) Brucine colorimetric method NIEAW417.51A Nitrite nitrogen (NO2-N) Colorimetric method NIEAW418.51C

三、結果與討論 本實驗於夏季進行，密植區一、二植生生長情形良好，並定期進行修剪以 達60~80%之覆蓋率；開放水域區則保持10~30%之覆蓋率，並飼養小魚來防止水 中孑孓孳生。模型場共進行兩個試程，第一個試程為未曝氣，第二試程為曝氣， 氣水比12：1，在開放水域區底部進行曝氣。每天採集進流水、密植區一(LS1)、 開放水域區(LS2)及密植區二(LS3)出流水進行分析；模型場試驗各水質監測點檢 測結果列如表3及表4所示，其結果顯示實驗期間，第一試程各採樣點水溫為 28.2~29.6℃之間，而第二試程的平均水溫在27.1~28.0℃之間，第一試程的平均溫 度高於第二試程溫度1℃左右；第一試程pH值在6.5~8.0之間，第二試程pH值在6.9 ~7.6之間，皆偏向弱鹼性，兩試程中各池之pH值，皆以開放水域區(LS2)之pH值 為最高，可能係因藻類大量繁殖，藻類在白天行光合作用，消耗水中CO2，使pH

值上升(Lin et al. , 2002; Mashauri et al 值上升(Lin et al., 2002; Mashauri et al., 2000; Reddy and DeLaune, 2008; Suthersan. 2001)；第一試程水中電導度(EC)在214.1~278.6 μS/cm之間；第二試程EC在 227.7~315.3 μS/cm之間，兩試驗鹽分濃度皆不高；兩試驗各採樣點ORP值多低於 200 mV，為兼性厭氧狀態；進流水DO之濃度為最低，經由三段式人工濕地處理 後，放流水之DO濃度則有顯著的提升，但有曝氣試程DO濃度未高於未曝氣試 程，可能是曝氣管路位於槽體底部進行曝氣，出流水則位置較高，導致對上層水 體溶氧影響不大；兩試程進流水BOD濃度分別為38.7及38.6 mg/L，各池濃度皆呈 順序逐漸遞減，顯示本系統對BOD有一定之去除效益；SS濃度則在密植區一(LS1) 中，濃度下降呈現良好狀態，而在流過開放水域區(LS2)後，雖有下降但是幅度 並不明顯，可能是由於藻類生長與厭氧過程導致濁度與沉澱物增加(Pavanelli and Bigi, 2005)。

而TKN 濃度與NH3-N 濃度相減後，可得有機氮(Org-N)濃度，其結果顯示 Org-N 濃度在第一池有明顯下降情形，文獻指出，污水中大部分的Org-N 會很容 易轉變成氨(Kadlec and Knight, 1996)，因此，第一池Org-N 濃度下降可能係因氨 化作用，而第二、三池之Org-N 濃度下降幅度則不明顯，試程二的密植區二，其 Org-N 濃度有些微上升；試程一與試程二的NH3-N 濃度為0.1~5.5 mg/L 之間，開 放水域區的NH3-N 濃度有明顯下降情形，而在試程二經曝氣後，NH3-N 濃度相 較於試程一有較低情形；試程一NO2-N 與NO3-N 濃度在各池均無顯著變化，但 試程二NO2-N 濃度在開放水域區為0.251 mg/L，較其它池濃度為高，第三池卻 有降低情形；NO3-N濃度各池皆未達1 mg/L，且各次採樣之濃度變異亦不大， 唯有開放水域區上升至1.5 mg/L，可能係由曝氣增加氧的濃度及生物活性，提高 硝化作用所導致；可知NOX-N (NO2-N + NO3-N)在經由曝氣後，其濃度會增加。 模型場試驗總氮(TN)濃度，各試程各池皆有明顯下降情形，顯示三段式表面流人 工濕地能經由揮發、植物吸收、沉澱或脫氮作用等機制，使其濃度降低。試程一 及試程二在密植區一PO4 3-濃度有些微上升，然後在本系統依序有一定下降趨 勢，可能係因所種植之挺水性植物吸收後，使PO4 3-濃度下降(Vymazal, 2007)。

模型場各試程TN 之組成如圖3 所示；結果顯示，未曝氣與曝氣試程的進流 水之TN 組成皆以Org-N 及NH3-N 為主，在流經此濕地系統後，TN 在各單元有 依序下降情形。模型場試程之污水流經密植區一(LS1)後，Org-N 及NH3-N 濃度 有明顯下降，但是NH3-N 佔TN 的比例變高，顯示Org-N 因氨化作用轉變成 NH3-N，使Org-N 濃度降低(Cronk, 1996)，而試程二TN 濃度降低較多，可能因 植物吸收、氨的揮發及底泥吸附等因素難以控制，使得TN 濃度不穩定所致，而 流經第二(LS2)、三池(LS3)之Org-N 濃度下降幅度不明顯，可能係第二(LS2)、三 池(LS3)氨化作用反應速率減緩，或趨近於無，而未將Org-N 轉換成氨，致氨化 作用主要發生於第一池中；開放水域區的NOX-N 濃度有上升的現象，並由曝氣 試程NOX-N 上升比例最高，而NH3-N 佔TN 比例有明顯下降趨勢，顯示試程二 之曝氣可以在植生單元促進生物成長，並增強生物活性(Chazarenca et al., 2009)， 進而使得有曝氣之第二池(LS2)硝化作用有明顯上升現象；到了第三池(LS3)，氮 的型態則轉變成以NOX-N 及Org-N 為主，總氮中NH3-N 濃度所佔之比例，二試 程分別僅為9.5 %及8.7 %，顯示經此系統處理後，能有效經由硝化作用及脫氮 作用，使NH3-N 濃度降低，而試程二較試程一TN 濃度有明顯降低情形，顯示 曝氣對系統TN 濃度的降低有較佳的效益。

在NH3-N 與TN 之去除效率方面，如圖4 及圖5 所示，模型場各試程未曝 除率分別為94.9 及97.7%，皆能達到 90%以上，顯示此系統針對人工污水中之 NH3-N，能有效之去除，然而，試程一未曝氣密植區 NH3-N 之移除率為負值， 其原因尚待研究；各試程之TN 去除效率也相當不錯，TN 之去除率呈有順序逐 漸上升情形，顯示去除效果良好，未曝氣與曝氣的TN 去除率分別為77.3 及 85.3%，而本實驗有曝氣試程對於NH3-N 與TN 之去除率皆比未曝氣試程略高， 也有文獻指出，植栽曝氣人工濕地比未曝氣人工濕地氮之去除率高(Zhang et al., 2010)，而本次試驗曝氣部分為開放水域區，植栽密度部分則較為缺乏，曝氣試 程雖有相當不錯之去除效率，但整體而言，試程二比試程一對NH3-N 與TN 之 去除率增加不多，如果植栽密度能增高的話，預期將使曝氣效果更佳。 NOX-N 之濃度檢測結果如圖6 所示，原污水NOX-N 濃度皆不高，經流入密 植區一及開放水域區處理後NOX-N 濃度有略微上升情形，而NOX-N 濃度增加主 要係因硝化作用而引起，開放水域區所營造之好氧環境，理論上有利於硝化作用 之進行(Cronk, 1996 ; U.S. EPA, 1999)，本研究曝氣試程NOX-N 濃度增加幅度較 大，顯示在開放水域區中進行曝氣能有效增強硝化作用，而密植區二所營造之厭 氧環境，主要係以脫氮作用為主，因此，密植區二會因脫氮作用，使其硝酸鹽濃 度降低，而本試驗中NOX-N 濃度則迅速下降，顯示可能如預期，在第三池發生 良好的脫氮作用，將水體中NOX-N 轉換成大氣中的N2。

兩試程各池BOD 去除效率如圖7 所示；未曝氣試程與曝氣試程在整體去除 有不錯之去除效益(謝育祥等，2009)，並以密植區一(LS1)對BOD 去除率上升幅 度最大，可能因種有挺水性植物，將污水中BOD 有效篩除，使密植區一(LS1) 為 BOD 主要去除區域，而曝氣試程第一池去除率較未曝氣試程低，流入開放水域 區則有迅速上升的趨勢，可能原因為曝氣提高生物活性，加速對水體中有機物的 去除。

兩試程的PO4 3-去除率，如圖8 所示；兩試程的去除效率相似，污水通過第 一池的去除率皆為負值，可能係因第一池的土壤釋出無機磷酸鹽，提供植物養分 (張明輝、楊秋忠，2004)，使PO 3- 4 的濃度上升，去除率不增反減；污水通過第二 池時，可能係因水芙蓉為浮游性植物，會利用無機磷酸鹽(劉虹君等，2007)，造 3- 3- 成PO4 去除率快速上升70~80%，而兩試程皆呈現此情形，顯示曝氣對PO4 之 3- 去除影響較小；污水通過第三池時，對PO4 去除效果較為明顯，可能係因第三 3- 池所種植之挺水性植物吸收PO4 3-後，使PO4 濃度下降。

綜上所述，兩試程之污水流經第一池及第三池，皆呈現顯著的氨化作用與脫 氮作用，而於曝氣之試程，污水流經第二池的硝化作用則較顯著，NOX-N 有明顯 上升。試程一(未曝氣試程)對人工污水處理的平均去除效率，BOD 為94.0 %、 TN 為77.3 %、NH3-N 為94.9 %、PO4 3-為65.9 %；而試程二(曝氣試程)之平均去除效 率，BOD 為95.4 %、TN 為85.3 %、NH3-N 為97.7 %、PO4 3-為69.4 %。兩試程 BOD 平均去除率相差不大，然而，於曝氣試程時，系統之TN 及NH3-N 的去除 效益明顯較佳，第二池硝化作用也顯著增強，因此，可知於三段式表面流人工濕 地之第二池，適當曝氣以增加水體之溶氧，將可達到氮移除的較佳效果。

四、結論 1. 本試驗結果顯示，兩試程進流水之TN 組成皆以Org-N 及NH3-N 為主，而 流至第三池則轉變為Org-N 及NOX-N 為主，且TN 去除率高，顯示經此系 統處理後，能有效經由硝化作用及脫硝作用，使NH3-N 濃度降低。 2. 模型場各試程未曝氣與曝氣對於NH3-N 之移除，均有不錯去除效果，整體 去除率分別為94.9 及97.7%，皆能達到90%以上，TN 去除效率也相當不錯， 未曝氣與曝氣的 TN 去除率分別為77.3 及85.3%，如果植栽密度能增高的 話，預期將使曝氣效果更佳。 3. BOD 整體去除率皆達到90%以上，顯示三段式表面流人工濕地對於BOD 有 不錯之去除效益，而曝氣試程BOD 的去除率高於未曝氣試程，推測原因為 曝氣能提高生物活性，加速去除水體中的有機物。 4. 試程一及試程二在密植區一PO4 3-濃度有些微上升，然後在本系統依序有一 定下降趨勢，可能係因所種植之挺水性植物吸收後，使PO4 3-濃度下降。 5. 兩試程之污水流過密植區一前，NOX-N 的濃度皆不高，但試程一於開放水 域區有略微上升的情形，而試程二NOX-N 濃度增加幅度較大。顯示在開放 水域區中進行曝氣能有效增強硝化作用，密植區二會因脫氮作用，使其硝酸 鹽濃度降低，將水體中NOX-N 轉換成大氣中的N2。 6. 於曝氣試程時，系統之TN 及NH3-N 的去除效益顯著較佳，第二池硝化作 用也明顯增強，因此，可知於三段式表面流人工濕地之第二池，適當曝氣以 增加水體之溶氧，將可達到氮移除的較佳效果。

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