第四章 河川水質參數調查
4.1 實驗方法與內容
經由前章所述國內所見問題，本章節主要探討國內河川質重要參數值範圍。
本研究參考 Chen et al., 2012 之研究發現，在台灣的河川內生化需氧量之耗氧速率 會因各支流排水濃度及污水特性而存在著空間上的變化，據此研究亦可探究出淡 水河流域由上游至下游應可區分出幾個不同反應之耗氧速率。
以 BOD5為例，以往水質模式之需求，僅量測 2 天及 5 天 BOD5未區分 CBOD 與 NBOD。同時，2 天及 5 天 BOD5無法提供河川耗氧之動力結構，淡水河各河段 收取不同強度之 BOD5污染，其耗氧之動力型態各不相同，同時考量硝化作用何時 會啟動則更為複雜。
鑑此，透過實驗設計，量測出河川中之生化需氧量之耗氧速率，並帶入現已 校驗完成之 WASP 模式，應可提高模式預測之精準度。
為能準確量測出河川水體中之各項水質反應參數(如袪氧係數、硝化係數等)，
本研究主要參採美國明尼蘇達州於密西西比河案例(Haffely, 2009)，其主要針對 Metro Plant 排放水對河川之影響，以測定水體中參數之實驗設計。
經由本次實驗測試結果，可發現到直接沿用密西西比河案例(Haffely, 2009)並 無法得到良好結果，須進行部分改善措施。其改善措施包括以下
1. 避免水樣受外界氧氣逸散或導入
本次實驗是以氧氣量為基礎，進行水樣耗氧量之計算。因此在水樣耗氧過程 中，必須減少不必要的外界影響。經過多次檢討，建議採用透明玻璃球，在每天 取樣進行分析時，投放等體積之玻璃球，以填滿整個水樣容器。而玻璃球在投放 前，皆必須進行清洗，以避免造成水樣之污染而影響實驗結果。
2. 控制 DO 在較小的範圍
因為研究區域之水質條件較差，耗氧量大於同一溫度下之飽和溶氧，因此在
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實驗的過程中，必須進行強制供氧，以使水樣得以持續耗氧。然而為避免過度曝 氣或水樣溶氧不足而產生之加速或延遲反應，故建議控制 DO 濃度在 4.0~7.0 mg/L 之間。實驗期間則透過 DO meter 長時間監測，當 DO 小於 4 mg/L 時，則啟動曝氣 至不超過 7.0 mg/L。曝氣前後必須記綠 DO 值之變化，以利後續計算總給氧量。
3. 縮短曝氣時間及增強曝氧效果
在儘量減少水樣擾動及被影響的時間下，建議水樣在進行曝氣時，應快速及 有效。原先參照密西西比河案例(Haffely, 2009)，採用小型空壓機進行曝氣，所需 時間較長，且效果不易掌控，造成後續分析上，常有曝氣過量或不足等現象。為 改善此現象，本研究改採純氧曝氣，利用純氧曝氣可快速及有效地將氧氣輸送至 水樣中，一方面較容易控制溶氧值，另一方可縮短曝氣時間，大大減少此方面對 實驗上的干擾。
4. 採用恆温方式，減少溫差之影響
溫度為生物及化學反應一重要因子，如在實驗的過程中，水樣溫度呈現不規 則變化時，不利於後續反應常數計算。因此，本研究在考量台灣氣候變化，早晚 溫差較大，故建議將水樣放置於恆溫室內(20±1℃)，以減少因溫差而產生之差異。
在歷經幾次測試後，減少許多環境及儀器誤差後，建立本研究水質參數實驗 步驟標準作業程序(SOP)詳如圖 4.1-1。步驟說明如下:
Step1. 現場採樣(Sampling)
為有效取得具代表性之水樣，採樣時機則配合當日淡水河口最低潮位發生時 間前後 30 分鐘內採樣，每測站之水樣(約 5L)，水樣保存於 4℃及暗處下，儘速送 實驗室分析。
Step2. 樣品前處理與保存(Sample Pre-treatment and Assurance)
各水樣以 0.45μm glass filter 過濾，過濾後，量測各測站水質，包含溶氧、氨 氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總凱氏氮檢測並紀錄。若溶氧值低於 7.0 mg/L 時進 行曝氣，使溶氧值達 7.0 mg/L(不可超過 7.0 mg/L 以上)。待分析後將 2 L 水樣以玻
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璃瓶保存，並保持密封於恆溫室(溫度 20±1℃)保存水樣。
Step3. 對照組設定
同步針對各樣品取 300 mL 水樣至 BOD 瓶中，並加入抑制劑，抑制硝化作用，
另外分別執行第二天及第五天 BOD 實驗分析，作為實驗比對用。
Step4. 每日量測記錄(Daily Measurement)
實驗連續分析 20 天，每天量測 DO、分析 NO3-N 及 NO2-N，量測第一天及第 20 天 TKN 及 NH3-N。每次取水量測後，隨即添加玻璃珠使瓶內無自由水面或其他 空氣。
Step5. 溶氧控制(DO Control)
量測分析期間，隨時觀測溶氧變化，當溶氧小於 4.0 mg/L 時利用純氧快速曝 氣避免缺氧，待溶氧值達 7.0 mg/L 時停止曝氣，避免水中溶氧過飽和。
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圖 4.1-1 水質參數分析步驟 4.2 現場採樣
能更清楚掌握河川及污水特性，藉由量測各測站全程(20 天)之耗氧數據，計算 各測站之袪氧係數(K1)及硝化係數(Kn)，此實驗以淡水河系各河段之特性與水質變 化較影響之河段，挑選 12 處執行水質參數分析，採樣測點分別為大漢溪之城林橋、
新海橋、新店溪之秀朗橋、景美溪(便橋)、華中橋、基隆河之實踐橋、社后橋、民 權大橋、百齡橋及淡水河本流中興橋、重陽橋及關渡大橋，採樣位置測點如圖 4.2-1 所示。
依據 MWH(民 99C, 民 100b)之檢測結果，其檢測項目包含：pH、溶氧(DO)、
氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、總凱氏氮(TKN)、第二天 生化需氧量(BOD2)及第五天生化需氧量(BOD5)。檢測次數共計有 4 次，其中 2009
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年至 2010 年，12 個測站各執行 3 次檢測，2011 年挑選其中 9 站進行 1 次檢測。
各測站之檢測次數整理如表 4.2-1 所示。
圖 4.2-1 水質參數測站位置圖 表 4.2-1 水質參數測站檢測次數表 測站
序號 所屬流域 測站名稱 檢測年份
2010 年 2011 年 2012 年 總次數
1 大漢溪 城林橋 1 2 1 4
2 大漢溪 新海橋 1 3 2 6
3 新店溪 秀朗橋 1 2 0 3
4 新店溪 景美溪(便橋) 1 2 0 3
5 新店溪 華中橋 1 2 1 4
6 基隆河 實踐橋 1 2 1 4
7 基隆河 社后橋 1 2 1 4
8 基隆河 民權大橋 1 2 1 4
9 基隆河 百齡橋 1 2 1 4
10 淡水河本流 中興橋 1 2 1 4
11 淡水河本流 重陽橋 1 2 1 4
12 淡水河本流 關渡大橋 1 2 0 3
合計 12 25 10 47
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4.3 參數計算
將連續 20 天分析測值以推估各河段之袪氧係數及硝化係數，以下針對碳生化 需氧量(CBOD)、袪氧係數(k1)及硝化係數(kn)求得方式加以說明。
1.碳生化需氧量(CBOD)
本研究以量測溶氧為基準，實驗反應中因溶氧會隨著時間消耗，導致水樣貧 養或缺氧，因此需要反覆進行再曝氣，達終端檢測時間後得到溶氧耗損量，經計 算後得到總氧量；其過程分為兩階段進行，第一階段為較易氧化的碳化合物氧化(碳 氧化)所消耗之氧當量，為碳生化需氧量(CBOD)。第二階段為氮化合物氧化(硝化) 所消耗的氧量(NBOD)，依序為氨氮(NH3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)及硝酸鹽氮 (NO3-N)，二者之總合為最終 BOD。當亞硝酸鹽氮/硝酸鹽氮與氨氮氧化值接近時，
則顯示達到氮之物質平衡。
2.袪氧係數(k1)
河川中有機物質的氧化，使水中的溶氧量被消耗，此現象為袪氧作用。袪氧 反應程度視溫度而定，過程中 CBOD 會隨時間及溫度的增加而增加，CBOD 曲線 也越陡峭。在一定溫度下 CBOD 值經一階衰退方程式： CBOD
CBODu 1 e
k1t
進
行迴歸分析得袪氧係數。
3.硝化係數(kn)
主要藉由微生物將氨氮轉化成硝酸鹽化合物，此硝化現象則會造成氨氮的減 少及硝酸氮的增加。氨氮經由
C Coe
knt迴歸分析得硝化係數。整體實驗結果之計算步驟如下:
Step1 統計各天數之總耗氧量/ (亞)硝酸鹽氮/ 氨氮減少量
依據各天強制曝氣/純氧量所產生之總耗氧量，逐天以 mg/L 為單位累積。另 透過每二天之檢測(亞)硝酸鹽氮值，進行逐天累積之產生量，亦以 mg/L 為單位統 計。最後則計算氨氮之減少量，亦以 mg/L 為單位統計。
Step2 計算出總 BOD 量，並區分出 NBOD 及 CBOD
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在假設無其他耗損下，總耗氧量等於總 BOD 量，並利用(亞)硝酸鹽氮之產生 量，計算水樣之 NBOD 值，總 BOD 量扣除 NBOD 值即為 CBOD 值。
Step3 檢核氨氮減少量與(亞)硝酸鹽氮產生量是否近似
在假設無其他耗損下，氨氮之減少應透過硝化作用轉換成 (亞)硝酸鹽氮，故 需檢核其是否相等或近似，若差距太大則表示本實驗有其他干擾或污染，不予列 入計算，需重新採樣檢測。
Step4 利用迴歸分析取得 CBOD 之反應常數
在計算後即可將 CBOD 值繪圖，並以CBOD
CBODu 1 e
k1t
進行迴歸分析，
取得反應常數 k1值。
Step5 利用迴歸分析取得 NBOD 之反應常數
在計算後即可將 NBOD 值繪圖，因硝化作用並非一開始就啟動，故須進行硝 化作用啟動天數判斷後，再以
C Coe
knt進行迴歸分析，取得反應常數 kn值。若以 2009/10/16 於新海橋測站所進行的第一次測試作為範例說明，其檢測數 據統計如表 4.3-1，其中總耗氧量為 65.85 mg/L，氨氮硝化後之減少量為 10.01 mg/L，
亞硝酸氮/硝酸氮之產生量為 9.83 mg/L，經計算後可得總 NBOD 為 44.56 mg/L，
因此可以反算 CBOD 值為 總耗氧量 65.85 mg/L – NBOD 44.56 mg/L = 21.29 mg/L 其中檢核氮系統，由值可知產生量為 9.83 mg/L，然而減少量為 10.01 mg/L，二個 測值接近，故可假設其氮系統平衡。
在檢核完畢後，隨即將 CBOD 及 NBOD 值進行繪圖，並利用迴歸分析，可分 別求取得 k1值為 0.105 day-1，kn值為 0.205 day-1。相關成果圖繪製如圖 4.3-1 所示。
其中由圖可了解到其硝化作用約略在第 5 天的時候啟動。
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表 4.3-1 水質參數計算表範例(以新海橋，2009/10/16 為例) Time
(Day)
DO 累積 (mg/L)
Nitrite/Nitrate (mg/L)
氨氮 (mg/L)
Calculated CBOD (mg/L)
NBOD (mg/L) 0 0.00 0.35 8.84 0.00 0.00 3 2.12 0.27 10.32 2.12 0.00 5 7.81 0.28 9.59 7.81 0.00 7 16.61 0.95 9.30 13.87 2.74 9 33.18 5.47 6.94 9.78 23.40 11 45.57 7.78 4.32 11.61 33.96 13 58.73 9.99 0.02 14.68 44.05 15 59.80 9.82 0.06 16.52 43.28 17 62.47 10.33 0.03 16.86 45.61 20 65.85 10.10 0.31 21.29 44.56 Final 65.85 9.83* 10.01** 21.29 45.74 註: *為 Nitrite/Nitrate Produced 的總量;
**為 Ammonia Oxidized 的總量
圖 4.3-1 水質參數繪圖範例(以新海橋，2009/10/16 為例) 4.4 調查結果與分析
本研究參採 MWH(民 99c，民 100b)檢測成果，彙整出各測站之水質參數成果，
以下即針對各測站之歷次檢測成果，逐站說明。
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1.大漢溪流域-城林橋測站
城林橋測站自 2009 年起共進行四次檢測，各次檢測成果彙整如表 4.4-1 所示。
由表中可知，其 k1值約在 0.105~0.175 Day-1之間，kn值約在 0.125~0.275 Day-1之 間，硝化作用啟動時間發生在第 3~8 天。歷次分析結果如圖 4.4-1~4.4-4 所示。
表 4.4-1 大漢溪城林橋測站水質參數歷次檢測成果表 Station
Name Date
Total NBOD (mg/L)
Ammonia Oxidized (mg/L)
Nitrite/Nitrate Produced
(mg/L)
k
1(day-1)
k
n(day-1)
Nitrification Begins from
(days) 城林橋 2009/11/9 10.33 2.26 1.64 0.15 0.125 5 城林橋 2010/1/19 22.35 4.72 7.89 0.175 0.195 3 城林橋 2010/3/29 23.17 5.02 5.07 0.11 0.165 3 城林橋 2011/1/14 16.23 1.75 3.56 0.105 0.275 8
圖 4.4-1 城林橋測站第一次水質參數圖(2009/11/09)
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圖 4.4-2 城林橋測站第二次水質參數圖(2010/1/19)
圖 4.4-3 城林橋測站第三次水質參數圖(2010/3/29)
85 Station
Name Date
Total NBOD (mg/L)
Ammonia Oxidized (mg/L)
Nitrite/Nitrate Produced
(mg/L)
k
1(day-1)
k
n(day-1)
Nitrification Begins from
(days)
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圖 4.4-5 新海橋測站第二次水質參數圖(2010/1/19)
圖 4.4-6 新海橋測站第三次水質參數圖(2010/3/29)
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圖 4.4-7 新海橋測站第四次水質參數圖(2010/1/11)
圖 4.4-8 新海橋測站第五次水質參數圖(2011/1/14)
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圖 4.4-9 新海橋測站第六次水質參數圖(2011/2/18) 3.新店溪流域-秀朗橋測站
秀朗橋測站自 2009 年起共進行三次檢測，各次檢測成果彙整如表 4.4-3 所示。
秀朗橋測站自 2009 年起共進行三次檢測，各次檢測成果彙整如表 4.4-3 所示。