人工濕地除污機制

溼地中之除污機制一般包含有物理作用 (過濾、沉澱、吸附)、化學 作用 (氧化還原、化學沉澱、錯合) 及生物作用 (生物吸附、植物吸收、

微生物分解)，而不同污染物之去除機制如表 2.6 所示。惟，人工濕地相 較於其他物化處理技術而言，其最大特點在於能夠減少設計上之成本。

因此，濕地需仰賴於整體生態系統之生物降解作用，透過濕地中的植物 及底泥微生物去除水中有機物質、營養鹽或致病菌，可大大減少設計、

人力及技術成本之需求 (柯，2010)。

生物降解 (biodegradation) 是透過環境中的動植物以及微生物降解 水體或地下環境中之污染物。微生物亦可稱為原生生物，再細分成原核 生物 (細菌、藍綠藻)、真菌 (真菌、原生動物、藻類) 以及病毒，而依 照其特性又可分成好氧性及厭氧性微生物，依照碳源可分成自營性或異 營性微生物，藉以提供其自身生長或分化之作用。微生物除了作為環境

中分解者之外，亦有可能於代謝時產生間接促進植體生長之功用，例如 存在於植物根部的根瘤菌，其共生於豆科植物之根部，植物提供養分及 礦物質供根瘤菌生長，而根瘤菌可固定大氣中之游離氮氣，藉由固氮作 用供給植物氮之營養源 (林，2010)。

表 2.8 不同污染物去除機制 (柯，2010；林，2010)

污染物 淨化機制

懸浮固體 過濾、沉澱

有機物 微生物分解、吸收

氮 水解、硝化、脫硝、揮發、吸附、生物吸收

磷 生物吸收、吸附

重金屬 吸附、離子交換、有機物螯合、過濾、生物吸收 2.5 濕地植物於濕地系統中扮演的角色

溼地植物生長於潮濕多水的環境中，故其耐水性相較於其他生長於乾 燥環境中之植物不大一樣，例如蘆葦 (Phragmites australis)，其根系主要 由莖節中長出，且自身經光合作用產生之氧氣可藉由體內傳輸作用輸送 至植體根部供其使用。溼地植物亦稱水生植物 (Aquatic plants) 依照生長 特性可區分成三種不同類型，分別為挺水性植物 (Emerged plants)、浮水 性植物 (Floating plants) 及沉水性植物 (Submerged plants) (柯，2010)。

挺水性植物 (如：蘆葦、香蒲、培地茅及巴拉草) 其根部固著於土壤 層，莖葉長出於水面上，莖葉可以攔阻水中粒徑較大之有機物及懸浮固

體達到過濾及沉澱之效果，並藉由遮蔽效應控制陽光直接入射至水體，

避免水中藻類行光合作用而大量繁殖，造成水體優養化之現象，根部則 可將沉澱下來之有機物質及營養鹽 (氮、磷) 行生物固定、物理吸附或吸 收至植體，並可提供底棲微生物生長繁殖 (陳，2005)。

浮水性植物 (如：水芙蓉、浮萍) 為整株浮在自由水面，根部可吸收 水中溶解性有機物及營養鹽，但是無法吸收或分解沉澱物質，一部分作 為自身生長之來源，一部分藉由分化作用增殖植體。為了穩定漂浮於水 面上，其葉片面積相較於挺水性植物較大且緊貼於水面，使得氣相之氧 氣較難直接進入至液相，但同樣有遮蔽效應產生，避免大量藻類滋生。

沉水性植物 (如：金魚藻、水蕨) 為整株植體沒入水中，根部定著於 土壤層，葉片通常呈現細長狀，質感較柔軟，較能夠承受水流造成之衝 擊。其根部與挺水性植物相同具有生物固定、吸附及生物吸收之機制，

並可提供底棲微生物生長繁殖，莖葉同樣具有攔阻水中粒徑較大之有機 物及懸浮固體達到過濾及沉澱之效果。而其最大之不同點在於無法提供 遮蔽效應，阻止陽光入射至水體，致使與水中藻類形成競爭吸收營養鹽 之情況。惟，其自身行光合作用所產生之氧氣可直接傳輸至水體中，加 上本身葉片細長之特性，使得氧氣氣泡比表面積較大，能夠供應水體足 夠之氧氣好氧分解污染物。

Lai et al. (2011) 將 35 種常見之濕地植物分成兩大類，一種是根系具 纖毛之群組，其中亦包含蘆葦，另一種是根系較厚但無纖毛，探討不同 根系特性對水中污染物的去除成效。其結果指出不論是總氮、總磷或是 COD 皆為根系具纖毛之植物，具有較佳的去除效果。因此，不同的植物

會因為它的生長特性而對水中污染物去除造成差異。

Chimney et al. (2006) 探討亞熱帶氣候人工濕地系統中背景環境因子 於垂直分層之情形。其研究主要瞭解開放式水域與植栽挺水性、浮水性 及沉水性植物之垂直分層差異性。研究結果，溫度部分為量測水體表面 及底部，觀察其分層狀況，結果顯示開放性水域幾乎呈現恆溫狀態，且 溫度垂直分層不顯著，沉水性植物具有較高之表面水溫及 pH，係葉片及 莖部吸收光能之後，再以熱能之形式發散出來之緣故；溶氧部分，挺水 性植物及浮水性植物具有較低之溶氧 (< 4 mg/L)，且由於遮蔽效應之貢 獻，表面水體為厭氧區 (再曝氣限制) 且 BOD 含量較高。電導度於挺水 性及沉水性植物之底部有增加的情形，其他部分則無變化。

而植物在死亡時，會使水質混濁，因為自身被微生物分解而導致水中 濁度及有機物濃度上升，而在歐美各國通常喜歡利用蘆葦或香蒲作為其 溼地中之除污植物，除了耐污性相較於其他水生植物高之外，由於本身 的高生物質量還具備有較多的污染吸附容量及過濾的機制 (Kadlec and Knight, 1996; Kadam et al., 2008)。

第三章 材料與方法

3.1 研究架構

本研究之架構如圖 3.1 所示，以模槽進行相關水質分析試驗，藉以瞭 解自然淨水系統中濕地植物遮蔽效應對藻類控制之影響。模槽試驗分成 兩個部分，分別為物理性遮蔽試驗與生物性遮蔽試驗。

物理性遮蔽以不同遮蔽率 (100 %、70%、50%、30%、0%) 進行試驗，

試驗目的分成三點討論，依序為(1) 瞭解遮蔽效應對水質背景參數的影響；

(2) 瞭解營養鹽於遮蔽效應下隨時間變化的趨勢；(3) 瞭解水中藻類於遮 蔽效應下隨時間變化的趨勢。生物性遮蔽以不同形態之濕地植物植栽於 模槽中進行相關水質試驗，溼地植物分別為挺水性植物 (巴拉草)、浮水 性植物 (水芙蓉) 及沉水性植物 (金魚藻)。整體試驗目的分成七點討論，

依序為(1) 探討不同遮蔽率下遮蔽效應對水質參數之影響；(2) 探討不同 遮蔽率下遮蔽效應對藻類滋生暨營養鹽削減之影響；(3) 探討不同遮蔽率 下遮蔽效應對水體優養化之影響；(4) 探討不同植栽型態對水質參數之影 響；(5) 探討不同植栽型態對藻類滋生暨營養鹽削減之影響；(6) 探討不 同植栽型態對水體優養化之影響；(7) 評估物理性遮蔽效應暨不同植栽型 態下對水質控制之關聯性。

圖 3.1 研究架構圖

3.2 模槽試驗

模槽試驗流程如圖 3.2 所示，一開始先從野外取回濕地植物進行培養，

待其度過適應期再開始進行試驗。模槽大小為 (L×W×H：70× 48 × 38 cm)，而每批次試驗各模槽取一點，每日採樣次數三次。遮蔽試驗分成兩 組，分別為 (1) 物理性遮蔽試驗與 (2) 生物性遮蔽試驗，於 3.2.1 及 3.2.2 節詳述。

源水取自於高雄大學校園生態池水，並量測初始營養鹽濃度。而自然 水體之污染物降解趨勢，一般以五天為期限即可達平衡，本研究之模槽 試驗天數設定延長至第七天，主要觀察水中藻類於五天後之生長情形。

3.2.1 物理性遮蔽試驗

物理性遮蔽為利用不透光板固定於模槽桶側邊，防止陽光透射至桶內，

遮蔽率為遮蔽水表面之比率，設定為 0、30、50、70 及 100%，而 100%

遮蔽依據氧氣傳輸分成兩種，一種為密封式遮蔽，另一種則為透氣式遮 蔽。由於不同植物生長型態所造成的遮蔽效果不盡相同，且水生植物具 有傳輸氧氣至水體之功能，故以透氣式遮蔽模擬濕地植物遮蔽效果。

試驗期間為七天，依照遮蔽率採樣點共六點。每天有三個採樣時間點，

採樣時間為早上九點至下午五點，四個小時為一個採樣時間間格，總計 四個時間點。

樣品分析部分以水質參數為主，包含現地量測之 DO、pH、ORP、溫 度、電導度及照度，實驗室分析為氮磷含量測定、葉綠素 a、濁度、SS、

透視度。

3.2.2 生物性遮蔽試驗

植物選擇三種不同生長特性之濕地植物，分別為挺水性植物巴拉草、

浮水性植物水芙蓉及沉水性植物金魚藻。將採集的植物分別置入模槽桶 中，以源水澆灌進行室內培養一週，穩定其生長能力。巴拉草株數約為 50 株，乃模槽桶所能容納之最大生長株數，以達到近乎完全遮蔽之效果，

而水芙蓉以水面完全覆蓋為數量依據，金魚藻部分所使用之株數為 50 株。

試驗期間為七天，試驗組別共四組，分別為控制組、巴拉草、水芙蓉 及金魚藻，總計四個採樣點。每天有三個採樣時間點，採樣時間為早上 九點、下午一點及下午五點。

樣品分析部分以水質參數為主，包含現地量測之 DO、pH、ORP、溫 度、電導度及照度，實驗室分析為氮磷含量測定、葉綠素 a、濁度、SS、

透視度。

圖 3.2 模槽試驗流程圖

3.3 水質參數分析

本研究目的為瞭解在不同遮蔽率條件下，陽光照射強度的改變對水中 藻類滋生的影響與水質變化分析。因此，分析項目之水質部分除了現場 監測水質背景參數 (DO、pH、ORP、溫度、電導度) 與照度之外，實驗 室分析的部分則包含氮營養鹽 (硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮)、磷營養 鹽 (總磷、正磷酸鹽)、藻類濃度 (葉綠素 a)、懸浮固體、濁度及透視度。

各參數分析方法與行政院環保署環境檢驗所公告方法編號，如表 3.1 所示，而各參數量測方法及原理分別敘述如下：

(1) 水質背景參數

水質背景參數，DO、pH、溫度、氧化還原電位 (ORP)、電導度，皆 為利用攜帶型參數測度計於現場量測，以減少樣品攜帶誤差，而所使用 的儀器型號及廠牌如表 3.3 所示。

表 3.1 水質背景參數與設備一覽表

水質參數 型號 (廠牌) 備註

溶氧 (DO) 550A (YSI) 具溫度補償 酸鹼度 (pH) sensION2 (HACH) 具溫度補償 氧化還原電位 (ORP) sensION2 (HACH) 具溫度補償 電導度 30-10 FT (YSI) 具溫度補償

溫度 sensION2 (HACH)

(2) 照度

照度則為利用智慧型照度計進行量測，照度計為一台主機與吸收光球 所構成，量測光照強度時，將吸收光球移至模槽桶水面上方，由於吸收 光球呈現圓球狀，可吸收來自不同角度之太陽光線，即測得單位面積的 光通量或光照強度 (Lux)。

(3) 硝酸鹽氮

定量經前處理或過濾後之適當水樣，添加鹽酸溶液，使其混合均勻。

定量經前處理或過濾後之適當水樣，添加鹽酸溶液，使其混合均勻。