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生態漂移式水培系統基本用法

版主: lca1206

<< 去除水及廢水中硝酸鹽之人工溼地技術 >>

由於密集農業的快速發展，化學肥料過量施用，加上工業、養殖畜牧廢水及都市污水，未妥善處理而排放，造成氮化合物積存於自然環境中。
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其中有一部份以硝酸盬形態溶入地面水及地下水中，進而影響飲用水品質。

針對含硝酸鹽廢水或已受硝酸鹽污染之水源，最直接有效的污染防治方法便是實施水及廢水處理技術，去除硝酸鹽改善水質。目前，可提供實際應用之技術有3種：逆滲透、離子交換及生物脫硝程序(biological denitrification process)。
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其中，以生物脫硝法具有選擇性高、處理效率高及不產生再生液等優點，為其餘兩種方法所不及。
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生物脫硝程序雖然無須過多的動力需求，但生物反應器及程序操作上仍需專業性的設計、控制及維護。

尤其處理有機質含量極低之地下水或飲用水水源時，需添加基質（異營性脫硝加入有機物，自營性脫硝則使用氫氣或還原硫）作為細菌脫硝作用之電子提供者，不僅增加物料成本，並且衍生處理水可能遭受外加碳源及微生物污染、或硫酸鹽含量提高等問題，
因此若欲達飲用水的安全標準，則仍需後續單元的處理（如再曝氣、過濾及消毒）。

去除水中硝酸鹽另一種可行的技術為人工溼地法(constructed wetland or treatment wetland technology)。人工溼地為一窪地地層中內含土壞或砂石基材、水生植物、微生物及其他棲息動物所構成之生態環境，水以自由表層方式(free wate surface)或表層下方式(subsurface)流動，可將污染物同化(assimilation)及異化轉換(dissimilation)，兼備物理、化學及生物處理功能，
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具有不需機械設備及能源輸入、技術層次低、操作維護需求低，亦可以提供生態保育及自然景觀等優點。
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因此為一種省能源、低成本、無二次污染、操作維護簡單、不破壞生態的綠色環保技術，亦為生態工法應用於水或廢水管理上的一種自然淨化程序。唯靠自然淨化速率較慢、土地面積需求較高，為溼地處理技術之缺點。

溼地系統去除硝酸鹽的主要機制包括有：植物的攝取，微生物的異化脫硝作用及同化作用，及可乎略的離子交換作用。然而，在高的硝酸鹽處理負荷下，微生物脫硝作用(denitrification)被認為是濕地系統去除硝酸鹽的主要機制。

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脫硝作用的有效進行需要兩個主要條件：
(1)無氧的環境(anoxic)，
(2)足夠的碳源作為代謝上之電子提供者。
濕地系統內的底泥(sediments)及附著在碎石或植物組織上的生物膜內部，可達成無氧的局部環境，是脫硝作用發生的主要場所。
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污染性地下水或飲用水中含高濃度硝酸鹽，但是往往有機質含量極低，因此無足夠的脫硝碳源，為溼地脫硝程序去除硝酸氮的主要限制因子。

然而，部分研究已證實溼地植物之生產力(productivity)，可經植物根部釋放有機碳、或不實施植物採收、或採收後留置於溼地中的操作下，提供有效的碳源，促進脫硝的進行。

人工溼地整個系統的脫硝能力，雖然可由溼地進、出流水之硝酸鹽濃度差估算而得。
但是若欲探討溼地中不同位置或區域之脫硝作用能力及變化，則須進一步採溼地土壤測定脫硝活性(denitrification activity)或脫硝速率。

有關農地土壤、溼地底泥、田間現地土壤及溼地現地土壤之脫硝活性或速率之測量，均有不少文獻報導可資參考。而最常使用的方法為乙炔抑制法(acetylene inhibition method)。
溼地系統應用於水及廢水中硝酸鹽去除之領域範圍包括：

1.含氮事業廢水或家庭污水處理

利用人工溼地處理生物硝化程序之出流水(nitrified effluent)、或與硝化型溼地結合、或塗地中硝化－脫硝併同進行、或處理含高濃度之硝酸鹽廢水等。Van Oostrom(1995)曾報導利用試驗規模(pilot scale)之人工溼地處理硝化後之肉品加工廢水，在進流負荷為11.2gNm-2day-1條件下操作，氮去除效率達49％。

2.農業耕作排水(agricultural tile drainage water)處理

Kovacie et al.(2000)利用靠河岸區域的貧瘠土地開挖、建構成人工溼地，接收並處理農業耕作排水（由埋在地下的排水管(tile)收集，在其進入水體前有效地去除硝酸鹽氮，可防治地下水受硝酸鹽污染。

3.處理非點源污染利用

位於農田與天然排水路之間的岸邊溼地(riparian wetland，或岸邊緩衝區)，處理來自農田之地下水硝酸鹽，之後再流入排水路。

4.受污染之地下水的整治復育

將已受硝酸鹽污染之地下水抽出，以人工溼地處理後再流至水塘(pond)中滲透注入地下水層，進行整治復育。
此做法可在地下水受污染場址之地面上建構人工溼地及約相同面積的水塘即可進行。最早是由美國Arizona State University的L. A. Baker(1998)教授所提出，但是Baker僅曾在實驗室中以溼地底泥添加乾萎植物體方式模擬小型溼地的微生態系統進行研究，來支持此項技術的設計概念，缺乏實際人工溼地處理地下水硝酸鹽之野外操作資料。

德國學者Machate et al. (1999)曾利用試驗規模之人工溼地現地處理受燃料有機物及硝酸鹽(60mg/N/l)污染之地下水，在水力負荷為4.8及9.6cm/d之條件下，硝酸鹽去除速率可高達91％。

美國學者Robins(2000)在外加澱粉與纖維素條件下操作小型人工溼地，亦證實針對合成地下水硝酸鹽(30 mg N/l)之去除速率可達82－98％。

至目前為止，有關人工溼地去除水及廢水中硝酸鹽之研究報導仍然相當有限，所能提供於設計操作之資料亦相當缺乏，有待進一步研究擴展。

台灣（尤其南部）地區位屬亞熱帶型氣候，溫度及光照條件相當適合溼地植物及微生物生態相的生長及建立，因此能使溼地發揮較高的處理效率及較穩定的淨化功能。
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台灣屬於島國，土地面積及能源同時受限，但若國人能破除「土地即需開發利用」之迷失，節省能源、操作簡單之人工溼地法應可提供國內環保技術一種可行的選擇。

參考文獻1. van Oostro, A. J., 1995. Nitrogen removal in constructed wetland streating nitrified meat processing effluent. Water Sci. Technol. 32(3), 137-147.2. Kovacic, D.A., David, M. B., Gentry, L. E., Starks, K. M. and Cooke, R. A., 2000. Effectiveness of constructed wetlands in reducing nitrogen and phosphorus export from agricultural tile drainage, J.Environ, Qual. 29, 1262-1274.3. Barker, L. A., 1998. Design considerations and applications for wetland treatment of high-nitrate waters. Wat. Sci. Tech. 38(1),298-395.4. Machate, T., Heuermann, E., Schramm, K. W. and Kettrup, A., 1999.Purification of fuel and nitrate contaminated ground water using a free water surface constructed wetland plant. J. Environ. Qual. 28(5),1665-1673.5. Robins, J. P., Rock, J., Hayes, D. F. and Laquer, F. C., 2000.Nitrate removal for Platte Valley, Nebraska synthetic groundwater using a constructed wetland model. Environ. Technol. 21(6), 653-659.(嘉南藥理科技大學　林瑩峰　荊樹人李得元)

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2002-12-21

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