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基本觀念與解答
版主: lca1206
 
 
<< 永續農業-養豬廢水篇-封閉水槽生態水培淨化 >>
張貼者:   hsm  (master)
張貼日期:   2005-08-12
永續農業「養豬廢水篇」封閉水槽生態水培淨化循環利用
這份實驗報告是在拮據經費下的實驗.提供大家參考.
希望各位專家能思索在永續農業.生態農業下一步的方向與實踐繼續努力..
第一章 序論
第一節 研究動機與目的
1.農政單位必須發展出一套適合本省農友採用的汙水氮、磷去除系統,來達到雙贏的局面
畜試所所研發、推廣的畜牧廢水處理方式為三段式處理法,先以物理性的固液分離方式將畜牧廢水中的固體部分分離出來並製成可以回收利用的有機堆肥,液體部分則經厭氣醱酵、好氣處理等二階段生物處理之方式,利用微生物來分解廢水中的有機質,達到淨化水質的目的。
經過三段式廢水處理後的放流水,在正常操作情形下,其生化需氧量(BOD)及懸浮固體量(SS)應該都可以達到法定的畜牧業放流水標準,不過符合放流水標準之排放水中有時仍會含有相當高量的氮和磷。
台灣地區的水庫及湖泊為飲用水源的主要來源,但由於受到天然及人為的污染,部份水庫及湖泊水已發現含有高量的氮及磷,而呈現了不同程度的優養化現象。為了保護水資源,環保署在所公布的87年放流水標準中,對位於水質水源水量保護區內畜牧場,將放流水中的氮、磷增列為受管制的項目。
為了維護環境,避免水質優養化,限制排放水中氮、磷的含量,本是應該的。但是在高屏地區,因為被劃定的水源水質水量保護區約占該地區的90%,而該地區又是本省的農牧重鎮,畜牧業特別發達,如果所訂的管制標準太嚴苛,畜牧業者無法做到,則勢必影響該地區畜牧事業的發展與居民生計;若標準訂得太鬆,又無法達到保謢水資源的目的,因此環保單位必須訂定一個既不致影響環境,又可讓農友接受的管制限值,而農政單位則必須發展出一套適合本省農友採用的氮磷去除系統,來達到雙贏的局面。(養豬廢水之氮磷去除--畜試所畜牧經營系/沈韶儀、洪嘉謨)

2.對養豬場開發更多的罰單,這些都是無法根本的解決問題。

乾淨水源的供應已經被認識到於未來25年間,將可能成為危害所有人類生存安全的最關鍵因素。除了從農業生產區滲出的過量化學肥料外,還有畜牧業產出的有機廢棄物(糞尿)和都會區的污水。牲畜糞尿因為量大,對溪流的優養化衝擊頗大。牧養牲畜產生廢棄物的量極大,結果是有數百萬噸的牛和豬糞尿沖刷進入溪流和河川,以及其內含的氮最終進入地下水。於如此髒的負擔下,還要再加上來自都會區的污水,鄉野草地、高爾夫球場和園藝景觀的肥料(與其它相關的污染物)之滲流出。對於穀物農地,「硝酸鹽」對地下水的污染可能會形成矛盾的影響。過多的「硝酸鹽」會弱化植物的免疫体系,因而使其更易受害虫和疾病的侵蝕。所以當含有「硝酸鹽」的地下水用於灌溉農作物,可能會減少,而不是增加生產量譬如,施肥過多會造成小麥易於感染「麥�蚽f」(wheat rust),對於梨樹則會亦感染「熱萎病」(fire blight)。 就以農業工業化來說。於歐洲、美國、中國、和印度的許多地區,農業用藥(農藥和肥料)的滲流是污染地下水的最主要因素。來自這方面的經驗,化解這方面問題的方法就是盡力顯著的減少農藥和肥料的使用量。於大部份地區,目前的農業耕作是過份浪費。對養豬場開發更多的罰單,這些都是無法根本的解決問題。(地下水的震撼 Taiwan Watch 看守台灣 2000年 第2卷第2期)

3.實現環境有害物質對水和土壤的零排放。

重視環境保護是近年來荷蘭溫室產業發展的一項重要任務。按照地表水污染法委員會的一般規定:未來幾年,溫室生產部門要加入對環境的投資,將實現環境有害物質對水和土壤的零排放。溫室園藝部門正實施一項農業企業與政府間簽定的能量保護公約,以減少二氧化碳向環境的排放。1993年,荷蘭政府簽署了一項針對多年作物保護計畫,規定1993年到2000年間徹底抑制農業對殺蟲劑的依賴,減少因使用殺蟲劑引發的副作用。計畫中期評估結果表明,殺蟲劑的用量已明顯下降。近十幾年,荷蘭的有機農業得到提倡和發展,合成化學殺蟲劑和無機化肥的施用量在明顯減少,1986年至1994年,有機農業耕作面積每年平均遞增34%,有機農業產品價格日具競爭力。(世界現代農業典範----荷蘭現代設施農業)

第二節 相關重要文獻
1.利用植物與生物濾床在水路處理家庭污水並循環使用之技術
台日河川水質淨化工法設計及操作維護研討會 尾崎 保夫 Yasuo Ozaki
2.花蓮縣鯉魚潭水質改善試驗第一期計劃-人工浮島工程
3.珍珠河“水面綠化”工程的建設與研究http://kepu.jsinfo.gov.cn/lakes/conservancy/con018.html
4.地下水的震撼 Taiwan Watch 看守台灣 2000年 第2卷第2期
5.養豬廢水之氮磷去除--畜試所畜牧經營系/沈韶儀、洪嘉謨

第二節 結果與討論


EC變化判讀討論:
a.原本水分持續蒸散的情形下,鹽類應該持續濃縮,EC應該升高。但是在植物吸收營養鹽下,EC值並沒有飆高的現象。
翠盧莉在缺硝酸態氮肥的情形下,仍然可以吸收磷或其他離子,讓EC下降。因為此次沒有設置沒有植物的對照組,檢測的項目也不含鉀等原素。因此無法查出翠盧莉為何可以壓低EC值。

BOD變化判讀討論:
本次實驗在經一週後採行斷電措施。再經過一週後,恢復電力來觀察其變化。可以發現幾個現象。
a.水體流動或停滯對於BOD的影響相當大。但是沒有檢測藻類與浮游動植物的量因此無法斷定其產生原因。是否為水體流動或停滯影響光線分布,間接影響水中細菌與藻濃度。值得在進一步在研究。
b.植物的種類不同對於BOD的影響有些微的差距。例如天使花、紫嬌花無論在哪一個時期都較能抑制BOD。

NO3-N變化判讀討論:
a.植物需要量最大的氮、磷、鉀3元素,如果施用在土壤中磷很容易被土壤固定住。然而過量的氮很容易淋洗到地下水裡,造成二度污染。
b.不同水槽之不同植物,對硝酸態氮的吸收,大約在兩週左右就可以將原有水槽內原有的營養鹽吸收完全。
c.紫嬌花是吸收最快的植物,可以在一週將硝酸態氮吸收到低點。其他植物大約在兩週。光葉水菊、翠盧莉、天使花這3種植物,可以將水中的硝酸態氮吸收到極低點。
d.此次檢測採行一週一次,下次能縮短間隔時間可更精確讀出其短期間的變化。

NH3-N變化判讀討論:

a.對氨氮的吸收不同的植物呈現完全不同的反應。天使花、翠蘆莉對氨氮的吸收初期一週較少,然後加速吸收而且不受水體是否流動有所影響。
b.翠盧莉、魚腥草、光葉水菊的水槽氨氮的濃度,會因為水體是否流動而有所影響。因此判讀上是否與藻類的吸收有所影響。呈現出與BOD相反的曲線線型。
c.氨氮的濃度會跟硝酸態氮有所連動。當硝酸態氮缺乏時,氨氮並無法取代硝酸態氮成為植物主要的氮肥來源。因此3週後氨氮濃度又漸漸升高。

磷質的變化判讀與討論:
a.磷的變化呈現戲劇化的表現圖。在第2週後硝酸態氮缺乏後,水中含磷量迅速升高,再經由細菌分解有機質緩慢釋出硝酸態氮然後磷值才緩慢下降。可以見得植物吸收肥份時,如果沒有硝酸態氮,植物對磷時是無法吸收的。以紫嬌花對於硝酸態氮的依賴表現最明顯。
b.以不同植物來比較魚腥草、翠盧莉、紫嬌花對磷的吸收需求較高而光葉水菊是在缺乏硝酸態氮時仍可以壓制磷的濃度成長。


此次實驗濃度較低即使加入鹽來增加濃度到EC=5ms植物仍未出現鹽害反應

3.植物之根系對吸收影響分析

翠盧莉各方面吸收都很穩定,以淨化水質來論是極佳的幫手,而且開花美麗。
天使花的根系綿密且強韌,有福壽螺危害或肥份濃度低時可以派上用場。
紫嬌花這樣不起眼的稀疏粗肥根系,竟然可以最快速的去除硝酸鹽類。適合處理濃度較高的營養鹽。

魚腥草根系不起眼,生長表現卻很穩定。植株生長也很理想,是很好的食用作物,也是很好的藥用植物。

光葉水菊根系十分綿密,其吸收速度初期雖然沒有紫嬌花快,但卻是最澈底。以水質淨化效率來說是第一名。
EC(5000mhos/cm)時仍不會對這五類植物造成太大影響。

4.計畫成果自評

1.植物淨化能力
實驗的這五種植物都有很好的淨化效果。原本水分持續蒸散的情形下,鹽類應該持續濃縮,EC應該升高。但是在植物吸收營養鹽下,EC值並沒有飆高的現象。翠盧莉在缺硝酸態氮肥的情形下,仍然可以吸收磷或其他離子,讓EC下降。可是此次沒有設置沒有植物的對照組,檢測的項目也不含鉀等其他原素。因此無法查出翠盧莉為何可以壓低EC值。

2.水體是否流動的影響BOD
水裡流動對於BOD的影響相當大。但是沒有檢測藻類與浮游動植物的量因此無法斷定其產生原因。是否為水體流動影響光線分布,間接影響水中細菌與藻濃度。但由此可以證實環保署檢測水質時用BOD的依據,來判定優養化物質含量會受到外在影響甚鉅。
植物的種類不同對於BOD的影響有些微的差距。例如天使花、紫嬌花無論在哪一個時期都較能抑制BOD。

3.利用封閉水體,只要兩週左右的時間,生態水培(浮島)植物就可以有效且大量的削減硝酸態氮(NO3-N)濃度。但是排放到容易下滲的土壤中或濕地容易造成地下水污染。
植物需要量最大的氮、磷、鉀3元素,如果施用在土壤中磷很容易被土壤固定住。然而過量的氮很容易淋洗到地下水裡,造成二度污染。
所有實驗水槽的水培植物,大約在兩週左右就可以將原有水槽內硝酸態氮幾乎完全吸收。紫嬌花是吸收最快的植物,可以在一週將硝酸態氮吸收到低點。其他植物大約在兩週。光葉水菊、翠盧莉、天使花這3種植物,可以將水中的硝酸態氮吸收到極低點。

4. 缺乏硝酸態氮會影響其他物質的吸收

對氨氮的吸收不同的植物呈現完全不同的反應。天使花、翠盧莉對氨氮的吸收初期一週較少,然後加速吸收而且不受水體是否流動有所影響。翠盧莉、魚腥草、光葉水菊的水槽氨氮的濃度,會因為水體是否流動而有所影響。因此判讀上應該是藻類的吸收有所影響。呈現出與BOD相反的曲線線型。氨氮的濃度會跟硝酸態氮有所連動。當硝酸態氮缺乏時,氨氮並無法取代硝酸態氮成為植物主要的氮肥來源。因此3週後氨氮濃度又漸漸升高。
磷的變化呈現戲劇化的表現圖。在第2週後因為硝酸態氮缺乏的緣故,水中含磷量迅速升高,再經由細菌分解有機質緩慢釋出硝酸態氮然後磷濃度才又緩慢下降。可以見得植物吸收肥份時,如果沒有硝酸態氮,植物對磷時是難以吸收的。以紫嬌花對於硝酸態氮的依賴表現最明顯。
以不同植物來比較魚腥草、翠盧莉、紫嬌花對磷的吸收需求較高而光葉水菊是在缺乏硝酸態氮時仍可以壓制磷的濃度成長。此次實驗濃度較低即使加入鹽來增加濃度到EC=5ms植物仍未出現鹽害反應

5.削減率與恢復乾淨水質的不同目標
傳統淨化水質處理的目標,通常設定在短時間處理大量的水。將營養鹽削減到一定的百分比或特定數值後排放。認為這樣是才是經濟的。但這次實驗看的出來有機物的分解通常不是幾個小時的事。利用植物來吸收處理水中原來的營養鹽,大約是兩週的時間。但是整個有機物分解要一個月,BOD才降來。
因此水質淨化的目標如果設定在永續農業,則水的停留循環時間必須加長。這樣也能解決養豬排放水,再利用時鹽類持續累積升高的問題。


第三章 未來的展望與期待研究的方向

1.找出更多適合台灣氣候環境的有用植物種類

物質與能量的回收再利用是永續工作唯一的路。水質的淨化不能單純只是看實驗的結果數據。例如布袋蓮、蘆葦、水臘燭是可以水質淨化,但是採收與利用卻是乏人問津。如此供給與需求就無法平衡,循環再利用就無法成功。採收利用需求量最大的是食用植物、藥用植物與觀賞性植物。應該找出更多的生態水培有用植物種類來實驗,才能有更多數據。遊刃有餘的搭配應用在不同性質(生活排放水、養殖排放水、畜牧排放水、、)的水體。更可以依不同的季節更換植物。規劃出周年生產的計畫。達到永續台灣、綠色生態農業科技的目標。

2.分析植物與細菌間在水中的互動

生態水培植物與藻類、硝化細菌、浮游生物、大腸桿菌之間的相生相剋情形是個急待解開的謎團。如果解開哪些種類植物水中根系能分泌抑制有害病菌的物質,應該會很有利於水產養殖的水質穩定控制與回收再利用水的應用範圍。並且可以大大減少抽取地下水的水量與用電量。

3.不汙染地下水的生產淨化模式

整個亞洲,有近三分之一的飲水是依靠地下水源。台灣,地下水量佔總供應量的比率,就從1983年的21%,加倍上升到1991年的40%。隨意排放還有大量營養鹽的畜牧排放水,到容易下滲的土壤中或濕地容易造成地下水污染或造成水源區優養化。利用不滲漏的封閉水體,只要兩週左右的時間,生態水培(浮島)植物就可以有效削減大量的硝酸態氮(NO3-N)營養鹽。因此多少豬隻要配合多少生態水培植物(含循環採收)的面積,設計規劃上需要有較大規模的實驗,做出更充份的數據支持。

4.以添加植物所缺乏的物質來完整利用有機排放水

養豬廢水由淨化槽處裡過後的處理液,是相當具有養份的優良液肥,將其作為水耕蔬菜與農作物的培養液來使用,明確地可以達到資源循環使用與水質淨化的雙重效果。此次實驗可以發現缺乏硝酸態氮會影響其他物質的吸收。相對的有可能是鉀、鎂、鈣、等。因此對於不同營養排放水的成分分析與修正添加,才能對其營養物完全利用,達到最少排放與最佳植物產量的目標。

5.永續農業與生態農場
農業受工業思維化後,常思索如何將生產規模化來增加利潤。對於有機排放物為了簡化生產流程,而異地處理或經過機械、細菌處理後排放。認為這樣的處理才能追求最大利潤。但這樣的處理模式耗費較大的運輸與處理能源,也不易監控其後續利用的情形。況且利潤的計算並未納入環境成本。如果能以生態農業的思維,分散多樣性的小區域資源循環利用形成複合養殖生態農場,才是兼顧環境成本的永續農業生產模式。
乾淨水源的供應已經被認識到於未來25年間,將可能成為危害所有人類生存安全的最關鍵因素。農業是個高耗水的產業。節水農業就必須透過循環再利用來達成。良性的水循環可以透過植物完成。當用農業用水排放時營養鹽過量進入水體,就被藻類吸收固定形成水體優養化變成惡性水循環。如果透過高等植物淨化就轉換長成食物或作物。因此利用高等植物或作物來處理循環水是急待研究的領域。


 
 
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