污染預防實務與管理 污染物與水源使用 資環系 胡子陵製.

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1 污染預防實務與管理 污染物與水源使用 資環系 胡子陵製

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3 水庫污染問題 優養(Eutrophication)對水質之影響 藻類指標、透明度及葉綠素濃度
台灣二十座水庫中，水質呈優養化狀況截至92年十月共有七座，情況仍嚴重

4 何謂優養？ 優養之定義 早期研究湖泊學者，將藻類繁生、光合作用旺盛、生物類變得較單純的那些湖泊，稱為優養的湖泊
精確的描述優養的程度：如葉綠素A的濃度，基礎生產力，用沙奇盤(Sacchidisc)測透明度的可見深度、與藻類的數目等 優養化 　「優養化」是指一片水域所涵容的養分，隨著時間逐漸增加的一種現象和過程。換句話說，優養化本來是水域自然生態系必然的演替過程。 　　一個湖泊在剛剛形成的時候，水中所溶解的各種礦物鹽類都很少，尤其是氮化物和磷酸鹽的濃度很低，因此限制了藻類的生長。慢慢地，雨水自上游集水區的山坡上沖蝕和溶解各類鹽類，匯聚成溪流，再流至湖泊累積，時間一久，湖水中的氮化物和磷酸鹽的濃度愈來愈高，藻類因而得以大量的繁殖。這些植物新陳代謝的產物以及集水區淤沙不斷淤積的結果，使得湖泊逐漸演變為沼澤，最後完全消失。 　　這種水體的老化過程，本來需要幾千年的時間，但是人類的干擾，尤其是大量有機質的排放，卻可以加速優養化的進行。水庫的優養化會使得藻類快速的繁增，造成所謂的「藻華」。藻類大量繁殖後，新陳代謝的結果會產生許多植物的遺骸，接著細菌需要耗用水中的氧氣來進行分解，因此水中的溶氧量大幅降低，可能導致棲息在當地水體中的魚類窒息而死。而且水體的色度和濁度也會增加，更會因而發出臭味，大大降低了水體的品質。 　　在自然狀態下，高山溪流中的氮、磷等營養元素不太容易累積，因此藻類的數量原本很少，主要是以附著在岩石上的小型矽藻為主，綠藻和藍綠藻都很少。在這種溪流環境生活的水生或草食性昆蟲，多半是以腐爛的植物葉子以及附著在石頭上的矽藻為食物。當溪水高度優養化之後，矽藻的比例大大的降低，而逐漸以絲狀的綠藻和藍綠藻為主。這時原來的水生昆蟲或濾食性的魚類沒辦法以那些絲狀藻類為食，所以可能導致水生昆蟲相的變化，以及某些魚類族群的滅亡。 　　高山溪流和水庫的優養化現象與集水區的不當土地利用密切相關，當山坡上的原始植被遭到破壞的時候，土壤內的氮化物和磷酸鹽類的流失會增加好幾十倍。加上當山坡上的農地所施用的肥料，尤其是目前廣受喜愛，含有大量磷酸鹽類的雞糞，隨著雨水的沖刷，進入鄰近的溪流時，溪水和位在下游的水庫便會快速地優養化，降低水資源的品質，並且造成水體生態環境的變遷。

5 湖泊水庫之營養分級與指標的關係 指標值 貧養 中養 優養 極優養 總磷(μg/l)平均範圍 總氮(μg/l) 葉綠素A(μg/l)
8.0(3~18) 26.7(11~95) 84(16~350) (750~1200) 總氮(μg/l) 661(307~1630) 753(361~1387) 1875(393~6100) - 葉綠素A(μg/l) 1.7(0.3~4.5) 4.7(3~11) 14.3(3~78) (100~150) 沙奇透明度(m) 9.9(5~28) 4.2(1.5~8) 2.4(0.8~7) (0.4~0.5) 台灣水庫水質方面，以主要具有公共給水目標的二十座水庫中，優養者（即卡爾森優養指數大於五十者）占百分之三十五，有鯉魚潭、蘭潭、仁義潭、白河、鏡面、鳳山及澄清湖水庫，其中以鳳山水庫及澄清湖水庫最為嚴重，而鯉魚潭、仁義潭、白河等水庫亦有惡化趨勢。 1.水樣置於30公分透視度計之無色透明玻璃管中，隨即放流，其所能看見玻璃管底部十字形記號之最大水深度，單位為公分(cm)。 2.表示水透明之程度，用沙奇盤(Secchi disk)徐徐沉入水中，用肉眼觀察直至剛可消失沙奇盤之水深，也稱沙奇盤透明度(Secchi disk visibility)。

6 自然界之優養現象 生態自然演替： 天然湖泊形成 雨水及地面水帶入營養
天然湖泊形成 雨水及地面水帶入營養 生物稀少之貧養狀態 集水區內雨水沖刷富營養泥土及植物殘屑 湖水營養增加、水深漸減、植物繁生 進入優養期 足夠時間後 變為淺水湖 植物大量生長 沉積淤積速率加快 湖泊死亡成為沼澤或沖積平原 天然湖泊生命可達百年或千年

7 優養的人為因素_人造水庫 人造水庫之命運 違反自然的地質變化 集水區內之人為活動 加之營養源及淤砂的流入 優養化提早發生
人工水庫壽命短則數年，長則十餘年 台灣地區人工水庫，都發生了藻類繁生的現象

8 優養的成因_磷 水庫中磷的來源 集水區內植物及土壤自然溶解 使用含磷清潔劑、施用大量磷肥、飼養牲畜及家庭污水排放 濫墾濫伐破壞水土保持

9 優養的成因_營養源 一般公認最重要的優養因素，亦稱限制因子，便是營養源
藻類生長所需包含：碳源、水分、無機金屬都不虞匱乏、唯有氮源及磷源常因濃度太低而成為限制因子 控制進湖泊及水庫內的氮及磷，即可控制藻類的生長 台灣地區的水庫中，氮的含量均已偏高，唯一的限制因子－磷

10 湖泊水庫之營養分級與指標的關係 依據世界經濟合作發展組織(OECD)之湖泊水庫優養程度分級標準，在葉綠素a方面分級如下︰
葉綠素ａ(μｇ/L) 貧養： ＜2.0 貧養－普養：2.1 －2.9 普養：3 －6.9 普養－優養：7.0 －9.9 優養：≧10

11 湖泊水庫之營養分級與指標的關係 依據世界經濟合作發展組織(OECD)之湖泊水庫優養程度分級標準，在總磷方面分級如下︰ 總磷 (μｇ/L)
貧養：＜7.9 貧養－普養：8 －11 普養：12 －27 普養－優養：28 －39 優養：≧40 資料更新日期：92年09月08日

12 優養對水質之影響 藻類都不具毒性，惟海水優養造成旋鞭毛藻的繁生－紅潮，使貝類累積致人於死的毒素 大量藻細胞影響水的色澤和臭味
造成水處理混凝、沉澱及過濾等步驟的沉重負擔，如大量藻細胞要消耗較多的混凝劑並產生較多的廢棄污泥、堵塞濾床 藻類繁生間接造成水中致癌物質三鹵甲烷等化合物之產生

13 控制水庫優養之方法 外在營養源→限制營養源排入 內在營養源→使用淤泥疏濬或庫水曝氣
嚴格管制污染的河水、集水區中聚落的污水、養殖場的廢水、工廠的排水，使其進入水庫前至少有除氮、除磷步驟之三級處理 高山水庫最主要營養源為土壤沖蝕(erosion)因此需特別注重水土保持 內在營養源→使用淤泥疏濬或庫水曝氣 對較淺的水庫，底泥中累積的營養素不斷在庫內循環分解 此法耗費不貲，但可使底泥表層形成氧化層，阻絕磷的釋出

14 控制水庫優養之其他方法 撒布活性碳等粉末，阻絕陽光 加入硫酸銅以抑制藻類生長 飼養食藻魚類等 惟上數都養缺點及副作用，因此並未普及
加強集水區的水土保持工作

15 認識三鹵甲烷 飲用水水質中，見諸媒體較高者莫過於「三鹵甲烷」一詞 以下針對此一名詞分別介紹 自來水中三鹵甲烷之發現 三鹵甲烷的成因
影響三鹵甲烷生成的主因 三鹵甲烷對健康之影響 控制三鹵甲烷的技術 喚起維護水源水質之共識

16 自來水中三鹵甲烷之發現 1974年美國EPA，發表從紐奧良市三個淨水廠的淨水中發現含三鹵甲烷(Trihalomethanes，THMs)在內之66種有機化合物 同年證實原水加氯消毒後氯氣與原水有機物質反應生成大量氯仿(chloroform) 1975年美國80個城市自來水及原水中檢測六種有機物CHCl3、CHBrCl2、CHClBr2、CHBr3、CCl4、CH2Cl2，發現前四種(即THM)的形成和氯氣消毒有密切關係

17 自來水中三鹵甲烷之發現(續) 1976年美國國家癌症研究所公佈了氯仿為一致癌物質，並發布禁令，禁止將氯仿當作食品、藥物添加劑
此後，世界各國紛紛於自來水質中訂定了最大容許標準(如右表)，美國於1995年訂定飲用水總THM最大容許量為0.1mg/l nation 限值(mg/l) 中國 0.1 日本 加拿大 0.35 比利時 芬蘭 台灣 0.15 台北市

18 自來水中三鹵甲烷之成因 原水中有機物及氨氮含量日益增多，增加原水預氯處理的加氯量，使得很少自然存在於水體的三鹵甲烷不正常的增加
有機物和氯反應所生之產物有 CHCl3氯仿 CHBrCl2一溴二氯甲烷 CHClBr2二溴一氯甲烷 CHBr3溴仿 淨水程序中形成三鹵甲烷之反應 氯＋(溴或碘離子) ＋有機前質(precursors)→三鹵甲烷＋鹵化有機物

19 影響三鹵甲烷生成之主因 有機前質：腐植酸、腐植質、黃酸、乙醇、乙醛、丙酮、三氯丙酮、苯丙酮、酚、木質黃酸鹽、磷苯二酚、對苯二酚等
加氯濃度：加氯反應中先消耗無機物如Fe+2、Mn+2、H2S、與NH3等，多餘的氯再與有機物反應，此時的氯量與生成三鹵甲烷生成量成正比，在有機物消耗氯後，多餘的氯能產生長期有效餘氯

20 影響三鹵甲烷生成之主因(續) PH值：一般PH值愈高，生成三鹵甲烷的量愈多 溫度：通常溫度愈高反應愈快，生成三鹵甲烷的量愈大
反應時間：THMs隨反應時間而增加，故自來水配水池及配水系統THMs濃度較水廠出水較高 其他物質作用：NH3存在會與氯形成結合餘氯，而影響THMs 的生成；溴離子存在，則促成氯仿以外三鹵甲烷之生成

21 三鹵甲烷對健康之影響 主要之三鹵甲烷，是針對氯仿而言，因其在飲用水出現頻率最高且影響較嚴重 氯仿使中樞神經系統衰退，且影響肝、腎功能
氯仿的立即毒性往往是失去知覺，然後可能會隨昏迷而造成死亡 暴露在氯仿24~48小時後，腎即受到傷害，經2~5天，肝亦受損；氯仿所造成的昏迷症狀，則需經數天才會復原 WHO依每人平均每天飲用2公升水，終身致癌風險為10-5時，訂出氯仿之標準值為0.03mg/l

22 控制三鹵甲烷的技術之一 在加氯之前，去除三鹵甲烷有機前質
有氧化、曝氣(Aeration) 、吸附、樹脂、澄清(如混凝、直接過濾等) 、原水控制、PH調整、降低加氯量、改變加氯點、逆滲透、生物處理等技術

23 控制三鹵甲烷的技術之二 在三鹵甲烷形成後去除之 ㄧ般可行方法為長時間曝氣或活性碳吸附，但在實用上有困難

24 控制三鹵甲烷的技術之三 使用另一種不會形成三鹵甲烷的消毒劑 使用臭氧、二氧化氯、氯胺，惟其與水中有機物質之反應產物，尚未完全了解

25 現行控制三鹵甲烷的技術 傳統混凝、沉澱、過濾之加氯技術 不必變更水廠原有的淨水處理程序及設備，即可由原有之一般工作人員所操作
美、日等國採用在加氯之前先將水中有機物質(即三鹵甲烷的前驅物質)減低至相當程度 再去除分子量較大的三鹵甲烷前驅物質上，有良好效果 使三鹵甲烷的生成量減低至相當程度

26 維護水源水質的全民共識 飲用水之三鹵甲烷的形成與水源水質及淨水廠的操作技術有關
水源水質惡化，如有臭味、藻類繁殖、高濃度氨氮、有機物等，需喚醒全民配合來維護河川湖泊等水源 傳統上，台灣淨水廠往往以最低成本來改善其操作，即在預氯處理時，提高加氯量，而造成自來水中三鹵甲烷的形成潛能提高很多，這與水價低廉亦有間接關聯

27 飲用水處理技術的發展－ 飲用水技術之時代需求
飲用水處理技術的發展－ 飲用水技術之時代需求 引用水處理是針對水源中超過水質標準的不純物，選用適當的處理方法與程序，來達到所要求的水質 飲用水究竟該採用何種技術與組合程序，可從下表所列之不同年代的背景意義、水質標準訂定及相對應的處理技術發展與應用 污染物的水質標準訂定，通常會在經過討論、科學實驗或流行病學統計確定後的十年左右出現，這段時間也可提供爲處理技術的發展時期

28 飲用水處理技術發展與水質標準訂定的對照 年代 時代背景意義 水質標準訂定 處理技術的發展 19世紀末至20世紀初
混濁的水被聯想為過污染的水；證實了水媒病 濁度、細菌 慢砂濾法、快濾法混凝沉澱 ~1920 加氯消毒的使用，使傷寒和副傷寒的死亡率大幅降低，確定大腸菌類與致病菌關係 大腸菌類 加氯消毒 ~1930 供水的管線材料溶出問題引起注意 鉛、銅、鋅及其他溶解性礦物質、色度、臭味 混凝、膠凝與沉澱

29 ~1940 水中含多量銷酸鹽造成藍嬰症；氟化物含量過高引起黃斑牙症 大腸菌類標準更趨嚴格(1/100ml) 多層過濾法(無煙煤、柘榴石和砂) ~1950 地下水陰離子污染問題引起注意，台灣烏腳病例發生；牙醫提出大約1mg/l氟化物對蛀齒防治有效 氟化物、砷、硒、鋇、六價鉻及其他影響健康的重金屬 離子交換、加石灰處理、活性碳吸附、加氟與去氟處理 ~1960 合成清潔劑大量使用 濾膜法可用於細菌檢驗 直接過濾法、接觸澄清池、雙向濾池 ~1970 日本相繼發生鎘中毒的痛痛病、及汞中毒的水俁病 合成清潔劑、鎘、氯仿萃出物、氰化物、硝酸鹽、銀、農藥、放射性標準 傾斜板(管)沉澱池、預氯處理、逆滲透法、電析法

30 年代 時代背景意義 水質標準訂定 處理技術的發展 ~1980 飲用水中微量有機物與加氯消毒衍生物引起重視 將水質項目分成主要與次要兩類，濁度標準提高為一度，有機污染物納入水質標準中 針對水源之污染，增加混凝劑、消毒劑或氧化劑之劑量，生物處理法(旋轉生物圓盤法、生物接觸曝氣法、乾式濾床) ~2000 三鹵甲烷與許多微量有機物的致癌性確定；鋁對老人癡呆症的研究結果公布 三鹵甲烷、八種VOCs、其他有機污染物、石棉纖維、鋁 活性碳、生物膜與臭氧消毒；結晶軟化技術

31 飲用水處理技術的發展－傳統處理技術 慢砂濾法：藉砂表面沉澱、吸附、微生物濾膜吸附及氧化等進行過濾(二次大戰前)
現代標準處理程序：混凝、膠凝、沉澱、快濾及消毒等淨水程序 經過人口及土地資源的限制，傳統技術的改良開發出了高效率水處理 如多層沉澱池、傾斜板或斜管沉澱池 在過濾池上則有壓力式過濾法、多層過濾法、混合濾料過濾法、向上流過濾法、雙向流過濾法、矽藻土過濾法及直接過濾法 另外石灰軟化與流體化床結晶法處理高硬度的水、二氧化氯及臭氧等應用於消毒處理

32 飲用水處理技術的發展－未來之展望 飲用水處理因水質持續惡化，未來水處理只得走向『飲』與『用』分離
飲用水水源中，陸續出現傳統技術無法去除之污染物質，因此需使用應用技術已較成熟之高級處理技術，如 臭氧處理：去除臭味、脫色與三鹵甲烷等有機物及致癌性物質為主 活性碳處理：同上 生物膜處理：對於水中有機物、陰離子界面活性劑、藻類、臭氣及氨氮等之去除，具顯著效果，對高污染的水源可作為預先處理單元，以降低水廠的預氯量及三鹵甲烷的生成