摘要：以人工濕地系統處理生活污水處理站二級處理出水, 以達到深度降解并去除TN 的目的。設計總面積782 m2 人工濕地系統, 其中自由表面流型( FWS) 人工濕地450 m2 和潛流型( SSF) 人工濕地186 m2 ,后連接生態景觀池面積146 m2 , 每日平均抽取30 m3 污水( 二級處理出水) , 水力負荷為0. 05 m/ d。早期運行結果顯示, TN 去除率為44% , NO-3-N 去除率FWS 濕地為15%, SSF 濕地為34%。試驗進行到穩定運行期, 調高流量至70~ 100 m3 / d, 水力負荷為0. 11~ 0. 16 m/ d, 結果顯示,NO-3-N 去除率達68%; 比較FWS與SSF 濕地的NO- 3-N 的去除速率,FWS 濕地為2. 48 g/ ( m2 d) ,SSF 濕地為3. 61 g/ ( m2 d) 。SSF 濕地對NO-3-N 的去除效能比FWS 濕地好。

關鍵詞：生活污水,人工濕地,自由表面流型,潛流型,總氮,氮

嘉義縣位于臺灣省中部地區, 屬于亞熱帶季風氣候, 全年氣溫以7 月高, 1 月低, 年平均溫度 23. 3 ℃; 雨量豐富, 年平均降雨量2 000 mm。嘉義縣慈濟生活污水 處理站處理量1 000 m3 / d, 出水水質指標除T N 之外均符合臺灣省2007 年放流水標準( 環保署0960065740 號) 。本研究以人工濕地作為深度處理設施以求達到降低TN 的目的。

1 濕地設置情況

濕地系統總面積約1 000 m2 , 其中:①自由表面流型(FWS)人工濕地450 m2 , 水深為30~ 100 cm, 水流徑道的孔隙率約為0. 8, 濕地中種植蘆葦、莎草、香蒲、水芙蓉等水生植物。②潛流型( SSF) 人工濕地186 m2 , 水深約為100 cm, 填充的濾材包括礫石、牡蠣殼兩種, 孔隙率為0. 45, 系統中種植香蒲、荸薺、培地茅等水生植物。③生態景觀池146 m2 , 其功能一方面能夠持續吸收水中的營養鹽, 另一方面可以水生植物作為生物指標, 觀察其生長狀況以了解水質凈化的情況。同時也可作為園區景觀規劃的一部分。池中以水生植物為主體, 這些水生植物除了具有觀賞的功能外, 還兼具持續吸收水中營養鹽及提供各類生物棲息場地的功能。④步道與花木200 m2 , 基地剩余部分規劃為系統維護管理空間, 亦可整理成為參觀休憩的園區。場地周圍有斷面尺寸寬×深= 1 m× 0. 7 m 污水處理廠出水水渠,  

本研究分三個階段, 啟動期: 2006 年8~ 11 月, Q= 30 m3 / d, 水力負荷為0. 05 m/ d; 穩定操作期Ⅰ: 2007 年4~ 6 月, Q= 70 m3 / d, 水力負荷為0. 11 m/ d; 穩定操作期Ⅱ: 2007 年7~ 12 月, Q= 100 m3 / d, 水力負荷為0. 16 m/ d。

2 啟動期

人工濕地系統自2006 年8 月開始啟動, 運行10 周后各項水質平均值如表1 所示。由于本濕地系統的進水為生活污水處理站的二級出水, 除NO-3- N 外, 進水各項水質指標均較低, 經人工濕地處理后, 可進一步削減污染量, 減少對環境的污染。

表1 中數據顯示NO-3-N 濃度在人工濕地中逐漸下降, 濕地出水NO-3-N 為14. 68 mg/ L, 去除率53%, 但其去除效率未達到文獻報道值[ 1, 2] 。由于生活污水處理站已去除了大部分的有機物, 人工濕地系統進水的BOD5 與CODCr 均較低, 在進水有機物不足的條件下,人工濕地進行化硝化作用所需的碳源必須依賴濕地中的植物, 試驗中FWS 濕地的植物生長密度正逐步提高, 而SSF 濕地的植物生長密度仍不高, 因此濕地的植物所能提供的碳源仍十分有限, 濕地在NO-3-N 去除上的表現不如預期。

NO-3-N 去除率FWS 濕地為25%, SSF 濕地為36% , SSF 濕地對NO- 3-N 的去除比FWS 濕地明顯。FWS 濕地的植物體可以直接存留于水體中提供碳源, 進行硝化作用。SSF 濕地的植物則因石頭介質的阻隔, 無法直接獲得碳源, 然而SSF 濕地的石頭介質可以提供比FWS 濕地更多的表面積供硝化菌生長, 此外SSF 濕地進行硝化作用所需的碳源除了可由植物體根部提供外, 還可由FWS 濕地水體中尚未被微生物所利用的碳源, 進入SSF 濕地中獲得。同時FWS 濕地中由于光合作用使得 DO 維持相當高的濃度( 4. 9~ 5. 7 mg / L) , 進而抑制硝化反應的發生, 反觀SSF 濕地中DO 濃度較低 ( DO 為1~ 2. 4 mg/ L) , 這也是SSF 濕地較適合硝化作用的原因之一。

3 穩定操作期

于2007 年3 月將進水流量控制為70 m3 / d, 水力負荷為0. 11 m/ d。表2 為4 個月后各項水質平均值。此期間濕地對污染物的去除效果明顯較啟動期高。例如TP, 經人工濕地處理后, 有較明顯的去除效果, 從4. 84 mg/ L 降低至2. 34 mg/ L, 去除率58%。

濕地除磷主要依賴濕地中底泥等介質的吸附, 以及植物與微生物的攝取。由于人工濕地已經運行半年以上, 濕地中的介質對磷的吸附可能已達飽和, 因此濕地中磷的去除主要為植物與微生物攝取。另外, 從表2 可看出FWS 濕地中的DO 維持在4 mg/ L 以上, SSF 的DO 維持在2 mg/ L 以上, 即使在較不易受到日光照射而衍生藻類的SSF 濕地系統, 仍可維持一定的DO 濃度, 主要因為濕地中耗氧的有機物濃度并不高。

從表2 可看出, NO- 3-N 去除率68. 12% , 此去除率已與文獻報道值相當[ 1,2] , 該人工濕地已經進入穩定適應期。進一步比較FWS 與SSF 濕地對 NO- 3-N 的去除效能, FWS 濕地的NO- 3-N 去除率為43%, SSF 為44%, 兩者相當, 然而FWS 的 NO- 3-N 去除速率為2. 48 g / ( m2 d) , SSF 的去除速率為3. 61g/ ( m2 d) , SSF 濕地對NO- 3-N 的去除效果比FWS 濕地優越。

4 穩定操作期Ⅱ

于2007 年7 月將流量控制為100 m3 / d, 水力負荷為0. 16 m/ d。表3 為6 個月后各項水質平均值, 此期間濕地已經穩定運行。

比較啟動期與穩定操作期Ⅰ、Ⅱ, 人工濕地對于 NO- 3-N、T P 的去除速率如圖2、圖3 所示。穩定操作期的人工濕地中各點去除速率均比啟動期高, 另外值得注意的是在穩定操作期, 采樣點①的 NO- 3-N 去除速率遠高于其他各采樣點, 主要原因為濕地入流段底泥中的硝化菌受高濃度N O- 3-N 刺激, 硝化活性遠高于濕地中其他各點, 使濕地入流段的N O- 3-N 去除比其他各點優越; 反之, 在濕地啟動適應期階段并無類似的情形發生, 顯示濕地底泥中的硝化菌同樣處于適應期。采樣點①總磷的去除速率也高于其他各采樣點, 主要原因是該處放置了水芙蓉等浮水性植物, 在經常打撈的情況下, 水芙蓉可持續增長并攝取水中的磷[ 3, 4] 。 

另外, 穩定操作期濕地對其他污染物去除不如啟動期( 如NH3-N、T P 等) , 主要原因為啟動適應期的濕地植物生長快速, 對營養鹽的需求量較大, 故即使進入濕地中的營養鹽濃度相當低, 經濕地處理過后, 仍可獲得一定的處理效果, 因此若要使人工濕地對營養鹽等污染物保持良好的去除效果, 需對植物進行適當的采收, 使濕地中的植物保持一定的生長速率，同時可以查看中國污水處理工程網更多關于人工濕地深度處理污水的技術文檔。

5 長期運行情況

人工濕地完工后必須持續管理與維護, 濕地的功能才能持續發揮, 本研究的人工濕地于2007 年6 月完工后, 進行試驗操作的時間約為1. 5 年, 待研究所需的數據收集完整后, 人工濕地的運行與維護即交由慈濟生活進行管理, 至目前已正常運行3 年。后續的運行管理維護狀況, 以及濕地是否仍維持當初試驗時的功能, 是值得關注的課題。因此本文作者于2009 年7 月6~ 20 日前往該濕地場址采集水樣進行分析, 并記錄處理流量, 以了解其后續的運行維護狀況與功能評估。

TN: 2009 年7 月7 日、21 日生活污水處理站曝氣量減半, 出水BOD5 依然很低, 原先在啟動期、穩定操作期Ⅰ、穩定操作期Ⅱ濕地出水NH3-N 濃度較小, NH3-N 在2009 年7 月7 日為30. 94 mg/ L、 21 日為57. 44 mg/ L, 濃度增加; NO- 3-N 在7 月7 日為0. 43 mg/ L、21 日為0. 12 mg/ L, 濃度減少; 氮的種類由原來的NO- 3-N ( 由約37 mg/ L 降低為 0. 4 mg / L) 變成NH3-N( 由原來的0. 45 mg/ L 增加為30~ 57 mg / L) , 顯示目前濕地存在硝化和反硝化作用, 與文獻研究結果[ 5, 6] 。

TP: 2009 年7 月7 日測得數據T P 進水3. 6 mg/ L, 出水7. 8 mg/ L, 濃度不減反增, 是因為沒有進行植物采收, 植物在水中腐爛而釋出磷。次日進行植物采收后, 于21 日測得T P 進水8. 2 mg/ L、出水6. 1 mg / L, 濃度降低。

6 結語

( 1) 生活污水處理站二級處理出水中, T N 組成主要污染物為NO- 3-N ( 約占TN 的80%~ 90%) , 平均濃度約為31. 04 mg / L, 經FWS 濕地處理后, 濃度降低至23. 1 mg/ L, 再經SSF 濕地處理后, 濃度可降低至14. 68 mg/ L, FWS 的N O- 3-N 去除率約為26%, SSF濕地約為36% , 整個濕地的N O- 3-N 去除率為53% 。顯示SSF 濕地對于NO- 3-N 的去除效能比FWS 濕地好。

( 2) 研究過程中發現, 生活污水處理站出水有機物平均濃度很低( BOD5 < 10 mg/ L) , 這種狀況不利于有機碳源的硝化反應, 使本研究的脫硝化速率常數較低, 解決方法如下:①適當減少污水處理站的曝氣量。因為臺灣省環保署的放流水標準規定BOD5 30 mg/ L即可, 因此減少污水處理站的曝氣量不但能夠節省能源, 同時也可增加人工濕地系統中有助于硝化反應的有機碳源, 但曝氣量減少過多會造成硝化作用的不。②等待人工濕地系統運行穩定。長期運行后的人工濕地系統中, 會累積一些植物體殘渣, 這些植物體在水體中會逐步釋放出有機物, 增進硝化作用。不過這種方法僅對FWS 濕地有效, 同時也較難控制。③將部分生活污水處理站的進水引入人工濕地系統。因為污水中含有較高的BOD5 , 可為硝化所利用, 人工濕地本身同時也具有硝化作用去除氨氮, 可起到減少生活污水處理站負荷及降低TN 的作用。

( 3) 雖然SSF 濕地硝化效能較佳, 且所需的土地面積較少, 但是相對于FWS 濕地其造價要高出許多。