自然淨化系統種類介紹

根據行政院環境保護署水質自然淨化工法操作維護彙編，自然淨化 系統可以系統介質之不同區分為「土地處理系統」及「水生處理系統」

二大類；土地處理系統可再細分為「地表漫流系統」、「慢速滲濾系統」、

「快速滲濾系統」、「地下滲濾系統」，而水生處理系統可再細分為「溼 地處理系統」、「水生植物系統」。

1.植生處理法(Plant Treatment)：其內容包括溼地處理系統(表面、地下)、

水生植物處理系統、草溝、人工浮島等。

2.土壤處理法(Soil Treatment)：其應用又依散水式之不同細分為兩類灌 溉處理：其內容包括快滲、慢滲、漫地流等、地下滲濾

3.接觸氧化法(Contact Oxidation Treatment)：其內容包括礫間接觸、填充 濾材等。

4.其他：曝氣氧化塘法、直接曝氣法等。

本研究案例淨化單元採用之自然淨化工法為人工溼地處理法，其方

法介紹如下：

人工溼地系統(constructed wetland)，係以工程方式構築溝渠並種植水生 植物後，將污水引入溼地可利用水中微生物之代謝、沉澱、吸附等物理、

化學及生物作用去除水中污染物。分為兩大類：自由表面流式(free water surface flow constructed wetland)，以及潛流式濕地(subsurface flow system constructed wetland)。若依水生植物生長型態做分類，可將表面流人工 溼地分為挺水、漂浮型、沉水型，如圖 2.2 所示。一般挺水型植物對環 境的耐受性較高，故常出現於表面流式濕地。

圖 2.2 處理型人工濕地種類 (Kadlec and Walllace, 2008) 2.2.3 自然淨化工法之原理

而植物所提供之功能，亦包括植物根部及莖部區域提供微生物膜生 長位置，微生物可分解水中營養鹽及有機物，且大型植物生長可減緩表 面流式人工濕地中之水流流速、穩定河床，然而若是植物地下生物質量

(Biomass)較大，則有利於污染去除功效，主要由於生物質量較大，對於 營養鹽吸收能力較強，且根系較複雜之植物體，其微生物(菌相)較為豐 富，透過氧氣傳輸作用植物體可將氧氣由大氣傳送至根部區域，促使污 水中有機物質受微生物分解(Tanaka et al., 2007; Gagnon et al., 2007)。人 工濕地其植物扮演非常重要之角色，植物體供微生物附著生長環境外，

其餘功能還包括大型植物根莖部可攔阻水流降低流速度，藉此過濾或沉 澱顆粒型營養鹽及有機污染物。濕地中的水生植物具有將大氣中氧氣經 由葉面透過內部的通氣系統傳送至植物根部，使在水面下或介質中的根 區附近呈現出好氧狀態，此作用稱之為根區效應(root zone effect)

(Kadlec, 1996.)(圖 2.3)，根區可使水生植物能適應在充滿水的土壤中生 存，並且提供土壤中自營性與異營性微生物的生長所需氧氣，因而促進 微生物對污染物的分解作用。氧氣的傳送會沿著濃度梯度自大氣中傳送 至根區層，相反的，經由根部系統呼吸作用所產生的二因厭氧分解所產 生的甲烷氣亦會擴散作用而返回大氣中。其中最值得探討的現象是溼生 植物之根區呈好氧狀態，再加上溼地內部其它區域的厭氧狀態，而形成 一個特殊好氧∕厭氧介面。於好氧區內好氧性微生物可行礦化、硝化反 應及植物吸收消化等代謝作用。至於在厭氧區內，厭氧性及缺氧性細菌 則進行脫硝及厭氧反應，抑或是被溼地土壤介質吸附、離子交換、錯合 反應、沉澱等化學反應，及物理性吸附反應等。

圖 2.3 植體根區效應 (Kadlec,1996.)

污染物進入人工溼地系統之「生態反應器」(ecosystem-reactor)中，會由 各種不同機制的作用所降解。當污染物進入濕地，水中的污染物會被濕 地中的微生物所轉化，或是因自然界中的化學、物理過程，而進行對污 染物的淨化程序。一般而言，當污染物進入濕地後，會受到以下幾種不 同型態而降解污染物質：

一般來說有，細菌的轉化(Bacterial conversion) 、氣體吸收/脫附(Gas absorption/Gas desorption)、沉澱(Sedimentation)、自然衰減(Natural decay) 、吸附(Adsorption) 、揮發(Volatilization) 及化學反應(Chemical reaction) (表 2.5)。此外，介質的過濾作用與植物吸收亦為溼地去除污染 物之機制。人工溼地系統藉由這些作用去除水中之污染物如 BOD、SS、

氮、磷、重金屬與病原體等。

表 2.5 人工濕地的去除機制與影響之污染物質

機制 污染物質 描述

佳場所，因此會在根部聚集微量金屬（Vymazal, 2010）。

重金屬的去除(Marchand et al. 2010)重金屬在濕地中主要的去除機制為 吸附、離子交換、與有機物螯合、過濾、生物吸收，有部份植物具吸收 和超累積微量元素在其組織體內之能力，對於受污染的土壤或水域環境，

利用此能力來移除有毒重金屬及微量元素之處理方法稱為植物淨化。在 濕地裡佔優勢之浮水性植物，如浮萍、滿江紅，對重金屬鐵和銅有高倍 的生物濃縮效應；布袋蓮對含銀之工業廢水能在極短時間內進行有效率 的移除；而濕地中的不同植物，布袋蓮、天胡荽、青萍、滿江紅等，也 於近年被熱絡的討論其對鎳、鋅、鐵、鈷、鉻、鉛、銅、 鎘等重金屬 之累積吸收情形。根據國內的研究報告，人工濕地處理重金屬除了具植 物的生物濃縮作用外，植物體本身與底泥亦有交互作用發生，導致植物 根部重金屬累積量通常較地上部組織為高，而底泥之重金屬累積量亦非 常可 觀，如鉛在人工濕地的分布狀況，底泥所提供之去除率可達 70％

以上。有研究指出，重金屬在土壤中的移動性與土壤性質、重金屬特性 有關，重金屬在粗質地、低吸附力的土壤中較在黏質土壤中更易移動。

而從研究數據顯示出，鋅、鉛、鎳、錳、鉻、 銅等重金屬的平均濃度，

隨著人工濕地的系統路徑而逐漸降低，水質成分逐漸穩；因大部分重金 屬汙染屬外來汙染，故重金屬主要存在於 0-15 cm 的土壤表層，只有少 部分移至約 60 cm 之深土層；。(Türker et al. 2014 ; Alloway, 1995)。

水生植物(如香蒲、蘆葦、菖蒲)能將空氣傳輸至植物的根部，藉由擴散 作用以氧化根部周遭的底泥或水域，修改金屬在濕地的沉積分佈。Doyle and Otte (1997)發現了鐵、砷、鋅等金屬在有植被土壤的含量比無植被 土壤還高，尤其是植物根區附近的土壤，金屬含量特別高。鳶尾花(菖

蒲)地下部分對鉻的對重金屬的吸收能力強(Vymazal and Šveha 2012)。然 而亦有文獻指出，若以人工濕地來處理廢污水的金屬物質時，可能具有 危險性，因金屬有可能進入到食物鏈後，經由生物累積效應造成更大的 危害。因此運用此方法在生態復育時更應謹慎，以免遭受毒害之生物越 來越多，故而在收割後的植物以及含金屬的污泥，其後續處理方式就更 顯重要。植物對重金屬的吸附富集機制，主要為兩個方面：一是利用植 物發達的根系對含重金屬廢污水產生吸收過濾作用，達到對重金屬的富 集、累積，植物也可經由根部直接吸收水溶性的重金屬離子；二是利用 微生物的活性原則、重金屬與微生物的親合作用，把重金屬轉化成為較 低毒性的產物(Vymazal and Šveha 2012)。水生植物對重金屬具有吸收 累積能力，環境中的重金屬含量與植物組織中的重金屬含量呈正相關，

因此可透過分析植物體內的重金屬 含量來判斷環境中的重金屬水平

2.2.5 水生植物淨化水質的成效

近年來有專家學者的研究指出，藉由濕地中植物吸收攝取元素之特 性，剛好可應用在金屬的去除；某些濕地植物對水體中的重金屬具有極 強的富集能力，其植體內的重金屬濃度可高達生長水體中重金屬濃度的 數百、甚至幾千倍，但不同種類的濕地植物對水體中重金屬的吸收積累 能力有所不同廢污水進入濕地後，水生植物能透過吸收、吸附和富集等 作用來去除水體中的污染物，包括對氮、磷的吸收利用以及對重金屬的 吸附和富集。而水生植物淨化水質的機制與其根系發達程度有密切的相 關性，主要有兩大原因：其一為發達的植物根系可分泌較多的根分泌物，

創造微生物良好的生存條件，以促進根際的生物降解，提高濕地之淨化

能力；其二為植物的根系在固定介質表面、土壤和保持植物、微生物旺 盛生命力發揮著重要作用，對保持濕地生態系統的穩定性有重要意義。

在人工濕地中，污染物主要是靠附著生長在植物根區表面及附近的微生 物去除，因此，植物根系越發達，淨化水質效果越佳，如能選擇根系較 發達、較長的水生植物種植於人工濕地，便能大大提升其淨化廢污水的 能力(Braeckevelt et al.,2011.)。

水生植物對重金屬的淨化機制：金屬不能像有機物一樣被微生物降 解，唯透過生物的吸收得以從環境中去除，而植物具有生物量大且易於 後續處理的優勢(錢江華， 2008)。利用植物處理重金屬，主要由三部分 組成：一是利用植物從廢污水中吸取、沉澱或富集金屬；二是利用植物 降低金屬活性，從而減少重金屬被淋濾到地下或通過空氣擴散出去；三 是利用植物將土壤中或水體中的重金屬萃取出來，富集並搬運到植物根 部、可收割部分，藉由收割含重金屬的植物枝條，以降低土壤或水體中 的重金屬濃度，達到治理污染、修復環境的目的(Kadlec et al., 2012；郭 書吟，2006)。

而重金屬在植物體內含量不平均，在同一區域中，不同種類的水生 植物重金屬含量差別很大，就算同一種 類在不同區域中，水生植物的 重金屬含量相差也大。水生植物富集重金屬的能力順序一般是沉水植物

＞浮水植物＞挺水植物，根系發達的 大於根系不發達的水生植物；對 重金屬的忍受能力大小是挺水植物＞ 浮水植物＞沉水植物(Headley and Tanner, 2011；Brisson and Chazarenc 2009；黃亮等，2002)。

因此，不同生態的水生植物，它們對重金屬的耐性和累積富集能力各不 相同，生長環境也有差異。能用於植物修復的植物種類應具有以下的特