礫間接觸氧化法應用於生活污水處理之研究

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礫間接觸氧化法應用於生活污水處理之研究

中華民國九十九年十一月十二、十三日屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 1

礫間接觸氧化法應用於生活污水處理之研究

摘要

本研究主要為使用一長 216 cm、寬 14 cm、高 21.5 cm 壓克力材質製之水槽，

置入有等面積的高爾夫球做為接觸材，藉由人工馴養方式，使生物膜生成於高爾夫球表面，做為探討礫間接觸氧化系統，對模擬實際生活污水比例所配製成的合成污水之淨化成效，以討論各污染基值去除效率與水流速度、水中溶氧、停留時間等因子彼此間之關係。

依水質數據與二因子變異數(two-way ANOVA)分析結果顯示，不論系統進流污水濃度多寡，生化需氧量(BOD)、總有機碳(TOC)與正磷酸鹽(PO

₄ ^-

)之去除率，

皆在水力停留時間 2hr 時，就能達到相當良好之去除成效，平均去除率分別為 BOD 95.71%、TOC 96.2%、PO

₄ ^¯

100%，若再將水力停留時間延長至 3hr，其去除率並未有顯著增加的情形產生；化學需氧量(COD)則是因含有非生物所能分解之成分，需藉由物理作用等所去除，故本研究中 COD 去除率會因水力停留時間越長其去除效率越佳，平均去除率為 55.59 至 96.71%；氨氮(NH

₃

-N)方面，不論進流污水濃度多寡皆在水力停留時間 1hr 時，就能有平均去除率 98.93%以上，

若再延長至 2hr 去除率更能達到 100%，但亞硝酸鹽(NO

2 ¯

-N)產量不明顯，硝酸鹽(NO

3 ¯

-N)也無生成跡象，此情形表示 NH

3

-N 可能因微生物同化作用所去除，

而硝化作用不明顯之因素為系統處在低於 pH5 的環境中，且受高碳氮比之影響，

而使得硝化作用受到抑制。

關鍵字：礫間接觸氧化、生化需氧量、氨氮、變異數

一、前言

依據行政院環保署的統計資料，台灣地區家庭污水約佔總水體污染排放之50

％(環保署，2003)。為了防治水體污染與削減污染負荷，興建污水下水道系統為最佳對策，不過由於污水下水道興建經費龐大、建設期程長，導致目前國內污水下水道接管率偏低，而河川上游及鄉村地區之人口密度低、土地面積廣，在污水收集上更顯困難也不符合經濟效益，但水質改善問題需求迫切，故在推動污水下水道設置時，亦應同時尋找其他水質改善方法。

生態工程水質自然淨化技術，由於兼具淨化水質、生態教育、景觀美化、現地取材等特點，近年來已被廣為利用於污水下水道未普及之支流或河川，截流處理生活污水，提升河川水質以達到環境生態保育之目的。考慮因地制宜、低成本、

高效益的污水處理設施等因子，結合自然淨化作用與傳統廢水處理技術的水質淨

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化技術，依其處理型式不同又細分為「土壤滲濾」、「濕地」和「接觸氧化」三大類(環保署，2004)。

依過去數年間，政府所推動自然淨化工程方法改善水體水質之相關研究計畫，可發現我國目前對於水質自然淨化技術，大多仍以興建人工濕地為主，但由於台灣是處於多風災地區，人工濕地常因暴雨洪流所沖毀且土地需求面積龐大取得不易。由日本過去經驗，在河岸旁設置一礫間接觸氧化設施，採分離淨化方式將河水抽出，經生物處理後再排回河川內，亦可有效去除自然水體中之生化需氧量(Biochemical Oxygen Demmand, BOD)，且礫間處理設施土地面積需求小也無須設置於行水區，較無受暴雨洪流的影響。

因此，本研究針對相關之礫石淨化技術、接觸氧化技術等進行研析，參考與我國有較同地理環境條件的日本，其在排水路的淨化工作當中已有相當多年的推動經驗與實際成功案例，希望能以本研究操作條件與實驗結果，探討在本土應用礫間接觸氧化法對生活污水的改善效果。

二、文獻回顧

水質自然淨化作用的過程，是生態環境藉由各種物質循環機制而達到去除污染物的淨化過程，一般應用在水質的淨化技術可分為水路直接淨化方式與抽取分離淨化方式兩種。水路直接淨化係將處理設施設置在河川或排水通道內，而抽取分離淨化是將河水抽出，經過反應槽處理過後再排回河川內。直接淨化方式的優點是淨化設備直接在水路內，所以不需另外佔用廣大的土地去處理，也不需另外負擔昂貴的設備成本，管理容易；但直接淨化方式的缺點是處理效率比分離淨化來的低，目前一般應用於水質淨化的相關技術有下列幾種，圖2.1為水質淨化處理方法的分類。

圖2.1 水質淨化處理方法的分類(環保署，2003)

礫間接觸氧化法主要原理為將接觸材浸於污水中，經一段時間後接觸材表面開始生長附著的微生物而形成生物膜(Biofilm)，藉由生物膜在好氧性環境下吸附、氧化分解污水中有機物以達到水質淨化效果；而現地處理受限於自然因素與設施配置的影響，處理效果有所不同，影響因子包括有水流流速、停流時間、濾材種類、濾材表面積、生物膜基質利用率等。

2.1設施原理與設計參數

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2.1.1設施原理

礫間淨化處理技術源於淺型河川的自淨作用，不同於大型河川中，由於水深較深且日照、溶氧質傳等限制因素，使得水體中降解污染物的主要貢獻是懸浮性微生物，但在淺型河川中通常河川或渠道底部經長期的沉澱與沉積作用而被細菌、藻類、原生動物等微生物及輪蟲類、貧毛類等微小後生動物所組成的生物膜所覆蓋(經濟部工業局，1995)。自然河川中與生物膜接觸面積小，去除有機污染物的能力有限。礫間淨化處理技術為增加介質來提高生物膜與廢水之接觸面積 (如圖2.2所示)，提高處理效率及縮短處理時間，其主要的污染物去除機制可分為三種：

(1)接觸沉澱

礫間接觸氧化法的礫間孔隙小，沉降距離短，當污水流經礫石間所組成之孔隙，水中所含的懸浮物質與礫石相接觸而沉降，比起自然河川之接觸沉澱的效果更加顯著。

(2)吸附

礫石表面微生物附著生成之生物膜會與水中的有機物質附著、吸收並進行分解作用。

(3)生物膜分解

設施內所填充的礫石表面，會因微生物自然作用生成之生物膜，並與水中的有機物質進行分解作用，最終分解成水及碳酸化合物。

圖 2.2 自然河川與礫間接觸氧化淨化示意圖(長內，1990) 2.1.2設計參數

依據日本國際建設技術開發促進事業（河川水質浄化技術）報告書中指出，

礫間接觸氧化法其處理水質 BOD 以介於 20~30 mg/L 為宜，而 DO 須大於 5 mg/L，若為礫間曝氣接觸氧化法，則 BOD 以介於 50~80 mg/L 為宜。而礫間接觸氧化法淨化污染水體對於溶氧及 BOD 均有所限制，在日本過去操作經驗中，

未曝氣之礫間接觸氧化法 BOD 平均去除率約 20~70％，有曝氣之礫間接觸曝氣氧化法 BOD 平均去除率約 50~80％(歐陽嶠暉，2002)。高橋定雄(1982)指出礫間接觸氧化之 BOD 去除率會隨著水力停留(Hydraulic retention time, HRT)時間愈久而有較佳的效果(如圖 3 所示)，若水力停留時間為 1 小時，BOD 去除率約為 70

％；1.2 小時去除率約為 75％；水力停留時間延長至 2 小時，去除率約為 80％，

同時 BOD 去除率和河道長度會有正比的效果。礫間接觸氧化法所填充的接觸材，一般以天然河道內之礫石為主，其表面積為微生物有效附著之重要因子，依

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日本礫間接觸淨化設施所使用之礫材直徑範圍在 20~150 mm，填充孔隙率約於 30~40％(陳威仁，2005)。

三、研究方法 3.1 研究設備與配置 3.1.1 實驗渠道設計

實驗渠道為透明壓克力材質製成，材質厚度 0.5 cm，渠道全長 216 cm，寬 14 cm，高 21.5 cm，實驗渠道正視圖與側視圖如 3.1 (a) (b)所示，經實際量測容水量為 54.85 L，並在側面壓克力壁上分別設計 3 個採樣口。以連續流的方式，

依序探討不同進流人工合成污水濃度在不同水力停留時間之自然淨化效果。

(a)

(b)

圖 3.1 實驗渠道(a)正視圖與(b)側視圖 3.1.2 填充之接觸材

實驗渠道內填充之接觸材為粒狀高爾夫球，每一單位直徑為 4.267 cm，體積 40.68 cm

³

，表面積 57.2 cm

²

，重量 45.93 g。填充數量分別為長 50 顆，寬 3 顆，

高 4 顆，總數量 600 顆(總表面積 3.432 m

²

)。高爾夫球全數置入渠道後，實際容水量為 31.49 L，孔隙率為 57.4％。

3.1.3 進水設備與曝氣系統

實驗渠道所使用的進流設備為日本 Iwaki 公司所生產之機械隔膜式 SK 型定量幫浦，最大流量為 1.10/1.32 L/min (50/60Hz)，最高壓力 0.3 MPa。渠道內曝氣系統採 24 小時連續操作，使水中溶氧能達到 2 mg/L 以上，動力來源為日本 HBLOW 公司生產之空氣幫浦，型號 SPP-25GA，最大出風壓力 0.1 MPa，最大出風量 28 L，實際通入渠道曝氣量為 6.19 L/min。

3.1.4 生物膜馴養

本實驗為使用友和貿易公司所販賣之 BOD 植種液進行植種。生物膜馴養階

(5)

段以連續迴流方式，持續供給足夠營養源，目視其生物膜在高爾夫球表面覆蓋率達 90％以上，且測得出流水 COD 穩定時，即可進行連續流試驗。

渠道內生物膜馴養階段，微生物生長所需之營養源為人工合成基質，碳源為葡萄糖(C

6

H

12

O

6

)，氮源為氯化銨(NH

4

Cl)，磷則分別為磷酸氫二鉀(K

2

HPO

4

)與磷酸二氫鉀(KH

₂

PO

₄

)，使其人工合成污水 C：N：P 比例為 100：5：1，基質濃度配製量如表 3.1；另外基質濃度中微量元素鈣、鎂、鐵、氯、硫，分別由氯化鈣 (CaCl

2

)、硫酸鎂(MgSO

4

．7H

2

O)、氯化鐵(FeCl

3

．6H

2

O)提供，基質中微量元素配製量如表 3.2。

表 3.1 人工合成基質主要成分基質

成分

葡萄糖 (C

6

H

12

O

6

)

氯化銨 (NH

4

Cl)

磷酸氫二鉀 (K

2

HPO

4

)

磷酸二氫鉀

(KH

2

PO

4

) 微量元素每公升

(單位) 46.875 (mg) 3.5796 (mg) 0.5272 (mg) 0.4120 (mg) 1 (mL)

表 3.2 人工合成基質中微量元素主要成分基質成分氯化鈣

(CaCl

₂

．2H

₂

O)

硫酸鎂 (MgSO

₄

．7H

₂

O)

氯化鐵 (FeCl

₃

．6H

₂

O) 每公升(單位) 27.5 (g) 22.5 (g) 0.25 (g)

3.2 研究方法

本研究主要為改變不同進流污水濃度與水力停留時間，並於各組試驗條件下在渠道進流(第1點)與間距(第2、3、4點)及出流(第5點)分別進行採樣分析，做為探討礫間接觸氧化法對於污染基質的自然淨化效果。

在進行實驗時人工合成污水將採連續進流供給，以確保進流污水濃度穩定，

而經生物處理過之出流水則廢棄放流。每一組試驗裡，都將進行三次連續流，第一次連續流不採集樣品，主要是讓其渠道內污水濃度能均勻混和以達到系統穩定處理狀態，接著在第二、三次連續流，依不同採樣時間分別在渠道進流、間隔點及出流進行採樣。

此外在人工合成污水中，除了人工添加的基質外，為防止其他污染基質的干擾，全程將使用Millipore去離子水系統所生產之一次水進行試驗。

3.2.1化學需氧量50 mg/L

合成污水進流濃度，化學需氧量設定為50 mg/L條件下，碳18.78 mg/L，氮為 0.9378 mg/L，磷則為0.1875 mg/L，可依不同水力停留時間各分為1小時、2小時與3小時三組，探討其污染基質去除成效。表3.3為化學需氧量50 mg/L的各基質成分配製量。

3.2.2化學需氧量100 mg/L

合成污水進流濃度，化學需氧量設定為100 mg/L條件下，碳37.5 mg/L，氮為 1.875 mg/L，磷則為0.375 mg/L，可依不同水力停留時間各分為1小時、2小時與3 小時三組，探討其污染基質去除成效。表3.4為化學需氧量為100 mg/L的各基質成分配製量。

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表3.3 化學需氧量為50 mg/L各基質成分配製量 基質

成分

葡萄糖 (C

₆

H

₁₂

O

₆

)

氯化銨 (NH

₄

Cl)

磷酸氫二鉀 (K

₂

HPO

₄

)

磷酸二氫鉀

(KH

₂

PO

₄

(單位) 46.875 (mg) 3.5796 (mg) 0.5272 (mg) 0.4120 (mg) 1 (mL) 表3.4 化學需氧量為100 mg/L各基質成分配製量

基質成分

葡萄糖 (C

6

H

12

O

6

)

氯化銨 (NH

4

Cl)

磷酸氫二鉀 (K

2

HPO

4

)

磷酸二氫鉀

(KH

2

PO

4

(單位) 93.75 (mg) 7.1652 (mg) 1.0545 (mg) 0.8239 (mg) 1 (mL) 3.2.3化學需氧量150 mg/L

污水進流濃度，化學需氧量設定為150 mg/L條件下，碳56.25 mg/L，氮為 2.8125 mg/L，磷則為0.5625 mg/L，可依不同水力停留時間各分為1小時、2小時與3小時三組，探討其污染基質去除成效。表3.5為化學需氧量為150 mg/L的各基質成分配製量。

表3.5 化學需氧量為150 mg/L各基質成分配製量 基質

成分

葡萄糖 (C

6

H

12

O

6

)

氯化銨 (NH

4

Cl)

磷酸氫二鉀 (K

2

HPO

4

)

磷酸二氫鉀

(KH

2

PO

4

(單位) 140.63 (mg) 10.7478 (mg) 1.5817 (mg) 1.2359 (mg) 1 (mL) 3.3 水質分析

為探討生物處理方法應用於水質自然淨化之成效，本實驗將針對在生物處理上之各重要水質項目進行分析，分別為酸鹼值(pH)、溶氧(DO)、導電度(EC)、溫度(T)、氧化還原電位(ORP)、生化需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)、總有機碳 (TOC)、氨氮(NH

3

-N)、亞硝酸鹽(NO

2 ¯

-N)、硝酸鹽(NO

3 ¯

-N)、正磷酸鹽(PO

4 ¯

)，

均依環保署環境檢驗所公告之標準檢驗方法或儀器標準操作程序進行分析。

3.5 二因子變異數分析

本實驗為改變不同進流合成污水濃度與水力停留時間，以探討礫間接觸氧化法對水中污染基質的去除效果，為分析實驗數據有無顯著差異，所以採用統計學的二因子變異數分析(two-way ANOVA)。

將進流合成污水濃度與水力停留時間分別列為自變項，而依變項則為系統的去除效率，利用PASW Statistics 18.0統計軟體之GLM程序進行二因子變異數分析，分別分析主效果及交互效果，以便得知影響系統去除效率的顯著自變項為何者，以及各顯著自變項因素所對應之平均值間的差異是否達到顯著水準。對於檢定出有達顯著差異的自變項，將再進行事後比較，並採用Scheffe method做為事後檢定。

(7)

四、結果與討論

4.1 渠道內 pH、溶氧、導電度、氧化還原濃度之變化 4.1.1 pH 濃度之變化

研究中在各操作條件下所測得的第二、三次連續流水質數據，在圖中將分別以 run1、run2 表示之。圖 4.1 (a) (b) (c)為不同進流污水濃度與水力停留時間條件下，

pH 值在各採樣點間變化關係。由該圖顯示，合成污水由第一採樣點至第二採樣點後 pH 值下降幅度相當大，此時大部分污染基質在這區間內被迅速降解；但在經過第二採樣點至第五採樣點後，pH 值變化便維持一定的穩定狀態，且污染基質的降解情形會變於趨緩。本研究中之碳污染源主要為葡萄糖(C

6

H

12

O

6

)，而微生物在代謝簡單醣類時，形成丙酮酸(CH

₃

COCO

₂

H)與二氧化碳(CO

₂

)等所致 (Sawyer et al., 1994)，因此污染基質被大量降解的同時，水中氫離子濃度會迅速 增加。綜合所有試驗條件 pH 數據發現，水中氫離子濃度會隨著進流合成污水濃度升高與水力停留時間延長，而有隨之增加趨勢。

4.1.2 溶氧濃度之變化

本研究中，各操作條件下的水中溶氧濃度變化關係，如圖 4.2 (a) (b) (c)所示。

由該圖的水質數據顯示，在所設計的礫間接觸氧化渠道中，其曝氣量都足以維持渠道於好氧狀態環境下，進行污染基質之氧化作用，且各組操作條件中的溶氧濃度，皆介於 6.4 mg/L ~ 8.37 mg/L 間。

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

pH

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

1hr run1 1hr run2 2hr run1 2hr run2 3hr run1 3hr run2

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

pH

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

pH

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

圖 4.1 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 pH 濃度變化

(8)

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

DO mg/L

0 2 4 6 8

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

DO mg/L

0 2 4 6 8

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

mg/L

0 2 4 6 8

圖 4.2 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 DO 濃度變化 4.1.3 導電度濃度之變化

渠道內導電度(EC)，在不同操作條件下之變化關係，如圖 4.3 (a) (b) (c)所示。

由該圖數據顯示，渠道內 EC 會因微生物分解簡單醣類所產生的丙酮酸或二氧化碳，而使水中離子增加導致 EC 升高，尤其以第一採樣點至第二採樣點區間內，

因水中污染基質被迅速降解，而有較明顯增加之趨勢，隨著水中污染基質的減少，EC 增加之情形也變於趨緩，且比較不同進流污水濃度下的 EC 數據，可發現渠道出流水中的 EC 濃度，也會因進流污水濃度升高而有增加情形產生。

4.1.4 氧化還原電位濃度之變化

氧化還原電位(ORP)之變化會隨著微生物將污染基質分解減少後，因微生物對氧需求量變少再加上曝氣系統提高水中溶氧之關係而增加。渠道內各採樣點間的 ORP 變化關係，如圖 4.4 (a) (b) (c)所示。由該圖數據顯示，在各組操作條件下的出流水(第 5 採樣點) ORP 濃度，皆有增加情形產生，此情形可證明，在本研究中所設計的礫間接觸氧化系統環境內，是有利於微生物處於氧化狀態下，進行污染基質之氧化分解。

(9)

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

ECmho / cm

80 100 120 140 160

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

EC mho / cm

80 100 120 140 160

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

EC mho / cm

80 100 120 140 160

圖 4.3 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 EC 濃度變化

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

ORP mg/L

50 100 150 200 250 300 350 400

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

ORP mg/L

140 160 180 200 220 240

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

ORP mg/L

100 120 140 160 180 200 220 240

圖 4.4 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 ORP 濃度變化

(10)

4.2 生化需氧量濃度於渠道內變化分析

生化需氧量(BOD)在不同進流合成污水濃度與水力停留時間下的變化關係，如圖 4.5 (a) (b) (c)所示。在不同操作條件下平均去除率，如圖 4.6 所示。綜合整體的 BOD 水質數據顯示，不論進流合成污水濃度多寡，BOD 去除率皆在水力停留時間 2hr 時，就能有平均 95.71%以上之去除成效，若再將水力停留時間延長至 3hr，其 BOD 去除率並未有較明顯的增加，此現象與高橋定雄(1982)於探討礫接接觸氧化系統中，所提出的 BOD 去除率與水力停留時間變化關係，趨勢相似。然而為證明水力停留時間 2hr 與 3hr 之 BOD 去除率，是否有其明顯差異，

後續會再進一步以二因子變異數分析做探討。

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

BOD mg/L

0 20 40 60 80 100

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

BOD mg/L

0 20 40 60 80 100

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

BOD mg/L

0 20 40 60 80 100

圖 4.5 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 BOD 濃度變化

進流污水濃度

COD 50ppm COD 100ppm COD 150ppm

BOD Removal %

0 20 40 60 80 100

HRT 1hr HRT 2hr HRT 3hr

圖 4.6 BOD 在不同操作條件下的平均去除率

(11)

4.3 化學需氧量濃度於渠道內變化分析

圖 4.7 (a) (b) (c)為不同進流污水濃度與水力停留時間下之 COD 變化關係。

合成污水中 COD 濃度在不同操作條件下的平均去除率，如圖 4.8 所示。綜合比較系統的 COD 與 BOD 水質數據，可發現其二種相異情形：(1) COD 去除成效未能像 BOD 一樣，能在水力停留時間 2hr 時，就已達相當之去除成效，反而會隨著水力停留時間延長而有更佳去除效果產生，推判可能合成污水中含有非生物可分解之成分，因必須藉由水中物理作用如沉澱、過濾、吸收等作用所去除，而致使水力停留時間的延長，會有利於其去除效果有較佳情形產生。(2)在 COD 去除成效中，高濃度進流污水會比低濃度進流污水有較高去除率，推判可能因微生物處在於高濃度基質環境下，會產生較好之基質利用率，但也未必會隨著濃度持續增高而更好，其可能因基質濃度持續增高到一定程度後，過高的基質濃度，便可能開始會抑制微生物作用，使去除成效降低。

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

COD mg/L

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

COD mg/L

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

COD mg/L

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

圖 4.7 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 COD 濃度變化

(12)

進流污水濃度

COD Removal %

0 20 40 60 80 100

圖 4.8 COD 在不同操作條件下的平均去除率 4.4 總有機碳濃度於渠道內變化分析

TOC 在不同進流合成污水濃度與水力停留時間下的變化關係，如圖 4.9 (a) (b) (c)所示。在不同操作條件下的平均去除率，如圖 4.10 所示。綜合整體的 TOC 水質數據顯示，不論進流合成污水濃度多寡，BOD 去除率皆在水力停留時間 2hr 時，就能有平均 96.2%以上之去除成效，若再將水力停留時間延長至 3hr，其 TOC 去除率並未有較明顯的增加，此情形與本研究中之 BOD 去除率趨勢相似。

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

TOC mg/L

0 10 20 30 40 50 60

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

TOC mg/L

0 10 20 30 40 50 60

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

TOC mg/L

0 10 20 30 40 50 60

圖 4.9 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 TOC 濃度變化

(13)

進流污水濃度

TOC Removal %

0 20 40 60 80 100

圖 4.10 TOC 在不同操作條件下的平均去除率 4.5 氮化合物於渠道內變化分析

4.5.1 氨氮濃度於渠道內變化

在本研究中渠道內之氨氮(NH

₃

-N)濃度，隨不同進流合成污水濃度與水力停留時間之變化關係，如圖 4.11 (a) (b) (c)所示。在不同操作條件下的平均去除率，

如圖 4.12 所示。綜合整體的 NH

3

-N 水質數據顯示，不論進流合成污水濃度多寡，

NH

₃

-N 去除率皆在水力停留時間 1hr 時，就能有平均 98.93%以上之去除成效，

若水力停留時間延長至 2hr，其去除效率更能達到 100%，且由圖 4.12 得知，水力停留時間延長至 3hr 時，其 NH

₃

-N 並未有較明顯的去除率產生。

4.5.2 亞硝酸鹽氮濃度於渠道內變化分析亞硝酸鹽氮(NO

2 ¯

-N)，在不同進流合成污水濃度與水力停留時間下的變化關係，如圖 4.13 (a) (b) (c)所示，由該圖可觀察出，不論在改變任何操作條件下，

在渠道中均有 NO

₂ ^¯

-N 生成，但 NO

₂ ^¯

-N 的濃度都相當低，平均介於 3 μg/L 以下，

且在各採樣點間 NO

2 ¯

-N 濃度變化趨勢都呈跳動狀態，因此推判在渠道內的亞硝化菌硝化作用並不明顯。

4.5.3 硝酸鹽氮濃度於渠道內變化分析硝酸鹽氮(NO

3 ¯

-N)濃度，在不同進流合成污水濃度與水力停留時間之變化關係，如圖 4.14 (a) (b) (c)所示，由該圖可觀察出在本系統中硝化作用並不明顯，

不論在任何操作條件下，NO

3 ¯

-N 的濃度從進流至出流都呈迅速遞減趨勢，且除了進流污水 COD 濃度 50 ppm、HRT 1hr 之出流水還有 NO

3 ¯

-N 存在外，其他操作條件下之出流水，全無法在儀器最低偵測極限下，被有效測出含有 NO

3 ¯

-N。

綜合渠道內氮化合物變化分析顯示，NH

3

-N 能有效被降解，但 NO

2 ¯

-N 產量卻不明顯，而 NO

₃ ^¯

-N 則無法在儀器最低偵測極限下被檢測出，推判其可能的原因如下：

1.因微生物生長時所需之生質量(biomass)，必須吸收渠道內的 NH

3

-N 或 NO

3 ¯

-N，

然後再藉由微生物同化作用以反應產生。

2.依據 Scheible(1993)等人研究指出，硝化作用在 pH 7.2~9.0 間會有最大硝化速率，但 pH 轉換至 5 以下時，硝化作用將可能無法進行。Villaverde(1997)等人針對 pH 值對硝化作用之影響研究也提到，硝化菌最適合生長環境約在 pH 7.5~8.5 間，而系統之 pH 值降至 5 不利於硝化作用。但在本研究中各操作條件下所測得

(14)

之渠道內 pH 值(第 2 採樣點至第 5 採樣點)，皆位於 4.82~3.5 間，很顯然渠道內硝化作用可能因過低 pH 值而受到抑制作用。

3.依據 Villaverde(1997)等人研究中顯示，在高碳氮比環境下會使硝化菌與異營菌之生存產生競爭，因此硝化菌將不易生長，造成系統硝化反應效率降低。Metcalf

& Eddy(1991)也提出，當系統中 BOD

₅

/TKN 比大於 5 時，將導致異營菌大量繁殖，

影響硝化作用之進行。但本研究中所配製的人工合成污水，其碳氮比設定為 100：5，推判可能因此過高的碳氮比，而造成異營菌迅速生長，使得自營性硝化 菌所佔的比例減少。

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

NH3-N mg/L

0 1 2 3 4

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

NH3-N mg/L

0 1 2 3 4

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

NH3-N mg/L

0 1 2 3 4

圖 4.11 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 NH

3

-N 濃度變化

合成污水濃度

NH3-N Removal %

60 70 80 90 100

圖 4.12 NH

3

-N 在不同操作條件下的平均去除率

(15)

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

NO2--Ng/L

0 1 2 3 4

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

NO2--Ng/L

0 1 2 3 4

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

NO2--N g/L

0 1 2 3 4

圖 4.13 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 NO

2 ¯

-N 濃度變化

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

NO3--N mg/L

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

NO3--N mg/L

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

NO3 --N mg/L

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

圖 4.14 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 NO

3 ¯

-N 濃度變化

(16)

4.6 正磷酸鹽濃度於渠道內變化分析在本研究中渠道內之正磷酸鹽(PO

4 ¯

)濃度，隨不同進流合成污水濃度與水力停留時間之變化關係，如圖 4.15 (a) (b) (c)所示。在不同操作條件下的平均去除率，如圖 4.16 所示。綜合整體的 PO

4 ¯

水質數據顯示，本研究礫間接觸氧化系統確實能有效將 PO

₄ ^¯

降解，不論進流合成污水濃度多寡，PO

₄ ^¯

去除率皆在水力停留時間 2hr 時，就能達到最佳去除成效，若再將水力停留時間延長至 3hr，其 PO

4 ¯

去除率並未有較佳的表現，此現象與本研究中 BOD、TOC 去除趨勢大致相同。

(a)

採樣點

1 2 3 4 5

PO4- mg/L

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

(b)

採樣點

1 2 3 4 5

PO4- mg/L

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

(c)

採樣點

1 2 3 4 5

PO4- mg/L

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

圖 4.15 污水濃度(a)50 (b)100 (c)150 mg/L，在不同 HRT 下 PO

₄ ^¯

濃度變化

進流污水濃度

COD 50ppm COD 100ppm COD 150ppm PO4- Removal %

60 70 80 90 100

圖 4.16 PO

4 ¯

在不同操作條件下的平均去除率

(17)

4.7 各污染基質去除率在不同操作條件下的差異分析 4.7.1生化需氧量去除率在不同操作條件下的差異分析

表4.1為生化需氧量(BOD)去除率二因子變異數分析摘要表，由此表可得知，

進流污水濃度與水力停留時間的交互作用並未顯著(F=3.391；p=.059>.05)，因而再看進流污水濃度與水力停留時間的主要效果之F值，進流污水濃度F值為3.379 (p=.080>.05)未達顯著標準，而水力停留時間的F考驗值為269.067 (p=.000<.05)，

已達顯著標準。由於水力停留時間有三個水準，組別間的差異情形，需再經由事後多重比較進行確認。

不同水力停留時間經由Scheffe法事後比較結果，如表4.2所示，由表中可以發現水力停留時間1hr對2hr、3hr的相對比較，皆達顯著標準(p=.000<.05)，且其 95%上下界信賴區間內都未包含0，因此判定水力停留時間1hr對2hr、3hr的BOD 去除率是有明顯差異。而水力停留時間2hr與3hr的相互比較下，結果為未達顯著標準(p=.620>.05)，95%上下界信賴區間內皆包含0，故水力停留時間2hr與3hr兩者的BOD去除率是無明顯差異。

表4.1 BOD去除率二因子變異數分析摘要表

變異來源離均差平方和(SS) 自由度(df) 平均平方和(MS) F 值顯著性水力停留時間(HRT) 1204.262 2 602.131 269.067 .000

進流污水濃度 15.122 2 7.561 3.379 .080

HRT *進流污水濃度 30.354 4 7.588 3.391 .059

誤差 20.141 9 2.238

總和 148260.298 18

表4.2 不同水力停留時間的BOD去除率事後比較表

(I) HRT

(J)

HRT 平均差異(I-J) 標準誤差顯著性

95% 信賴區間

下界上界

Scheffe 法 1hr 2hr -16.9017^* .86368 .000 -19.4216 -14.3817 3hr -17.7683^* .86368 .000 -20.2883 -15.2484 2hr 1hr 16.9017^* .86368 .000 14.3817 19.4216

3hr -.8667 .86368 .620 -3.3866 1.6533 3hr 1hr 17.7683^* .86368 .000 15.2484 20.2883

2hr .8667 .86368 .620 -1.6533 3.3866

4.7.2化學需氧量去除率在不同操作條件下的差異分析

表4.3為化學需氧量(COD)去除率二因子變異數分析摘要表，由此表可以得知，進流污水濃度與水力停留時間的交互作用並未顯著(F=2.052；p=.170>.05)，

因而再看進流污水濃度與水力停留時間的主要效果之F值，其F考驗值分別為 26.828 (p=.000<.05)、102.648(p=.000<.05)，均達顯著標準。由於進流污水濃度與水力停留時間各有三個水準，因此組別間的差異情形，需再經由事後多重比較方能得知。

經由Scheffe法事後比較結果，不同進流濃度如表4.4所示，由表中可以發現，

進流污水濃度COD 50ppm與COD 100ppm的比較，顯著性為p=.000<.05，表示進流污水濃度COD 50ppm與COD 100ppm的去除率無明顯差異。但進流污水濃度 COD 50ppm與COD 150ppm的相對比較結果，卻達顯著標準(p=.000<.05)。

(18)

表4.3 COD去除率二因子變異數分析摘要表

變異來源離均差平方和(SS) 自由度(df) 平均平方和(MS) F 值顯著性水力停留時間(HRT) 2315.676 2 1157.838 102.648 .000 進流污水濃度 605.213 2 302.607 26.828 .000 HRT *進流污水濃度 92.595 4 23.149 2.052 .170

誤差 101.517 9 11.280

總和 121221.101 18

表4.4 不同進流污水濃度的COD去除率事後比較表

(I) 進流污水濃度

(J) 進流污水濃度

平均差異

(I-J) 標準誤差顯著性

95% 信賴區間

下界上界

Scheffe 法 50ppm 100ppm -7.1500^* 1.93905 .016 -12.8076 -1.4924 150ppm -14.2033^* 1.93905 .000 -19.8609 -8.5458 100ppm 50ppm 7.1500^* 1.93905 .013 1.7362 12.5638 150ppm -7.0533^* 1.93905 .017 -12.7109 -1.3958 150ppm 50ppm 14.2033^* 1.93905 .000 8.5458 19.8609 100ppm 7.0533^* 1.93905 .017 1.3958 12.7109

不同水力停留時間的COD去除率，經Scheffe法事後比較結果，如表4.5所示，

由表中顯示，3組不同水力停留時間的相互比較，皆達顯著性(p=.000<.05、

p=.003<.05)。

表4.5 不同水力停留時間的COD去除率事後比較表

(I) HRT

(J)

95% 信賴區間

下界上界

Scheffe 法 1hr 2hr -17.7350^* 1.93905 .000 -23.3926 -12.0774 3hr -27.3883^* 1.93905 .000 -33.0459 -21.7308 2hr 1hr 17.7350^* 1.93905 .000 12.0774 23.3926

3hr -9.6533^* 1.93905 .003 -15.3109 -3.9958 3hr 1hr 27.3883^* 1.93905 .000 21.7308 33.0459 2hr 9.6533^* 1.93905 .003 3.9958 15.3109

4.7.3總有機碳去除率在不同操作條件下的差異分析

表4.6為總有機碳(TOC)去除率二因子變異數分析摘要表，由此表可以得知，

進流污水濃度與水力停留時間的交互作用並未顯著(F=3.303；p=.063>.05)，因而再看進流污水濃度與水力停留時間的主要效果之F值，進流污水濃度F考驗值為 9.537 (p=.006>.05)未達顯著標準，而水力停留時間的F考驗值為108.796

(p=.000<.05)，已達顯著標準。由於水力停留時間有三個水準，組別間的差異情形，需再經由事後多重比較進行確認。

不同水力停留時間的TOC去除率，經由Scheffe法事後比較結果，如表4.7所示，由表中可以發現水力停留時間1hr對2hr、3hr的相對比較，皆達顯著標準 (p=.000<.05)，因此判定水力停留時間1hr相較於2hr與3hr的TOC去除率，是有明顯差異。而水力停留時間2hr與3hr的相互比較，結果為未達顯著標準

(p=.608>.05)，且95%上下界信賴區間內皆包含0，故水力停留時間2hr與3hr兩者的TOC去除率是無明顯差的。

(19)

表4.6 TOC去除率二因子變異數分析摘要表

誤差 101.840 9 11.316

總和 145357.880 18

表4.7 不同水力停留時間的TOC去除率事後比較表

(I) HRT

(J)

95% 信賴區間

下界上界

Scheffe 法 1hr 2hr -23.7533^* 1.94213 .000 -29.4199 -18.0868 3hr -25.7467^* 1.94213 .000 -31.4132 -20.0801 2hr 1hr 23.7533^* 1.94213 .000 18.0868 29.4199

3hr -1.9933 1.94213 .608 -7.6599 3.6732 3hr 1hr 25.7467^* 1.94213 .000 20.0801 31.4132

2hr 1.9933 1.94213 .608 -3.6732 7.6599

4.7.4氨氮去除率在不同操作條件下的差異分析

表4.8為氨氮(NH

3

-N)去除率二因子變異數分析摘要表，由此表可以得知，進流污水濃度與水力停留時間的交互作用並未顯著(F=2.646；p=.104>.05)，因而再看進流污水濃度與水力停留時間的主要效果之F值，其F考驗值分別為6.115 (p=.021>.05)、7.254 (p=.013>.05)，均未達顯著標準，顯示在改變不同進流污水濃度與水力停留時間情況下，對其NH

3

-N的去除率並未有較明顯差異產生。

表4.8 NH

₃

-N去除率二因子變異數分析摘要表

變異來源離均差平方和(SS) 自由度(df) 平均平方和(MS) F 值顯著性水力停留時間(HRT) .989 2 .495 7.254 .013

進流污水濃度 .834 2 .417 6.115 .021

HRT *進流污水濃度 .722 4 .180 2.646 .104

誤差 .614 9 .068

總和 178866.958 18

4.7.5 正磷酸鹽去除率在不同操作條件下的差異分析 表4.9為正磷酸鹽(PO

4 ¯

)去除率二因子變異數分析摘要表，由此表可以得知，

進流污水濃度與水力停留時間的交互作用顯著(F=15.697；p=.000<.05)，因而再看進流污水濃度與水力停留時間的主要效果之F值，其F考驗值分別為12.643 (p=.002<.05)、35.940 (p=.000<.05)，均達顯著標準。由於進流污水濃度與水力停留時間各有三個水準，因此組別間的差異情形，需再經由事後多重比較進行確認。

經由 Scheffe 法事後比較結果，不同進流濃度如表 4.10 所示，由表中可以發現，進流污水濃度 COD 50ppm 與 COD 100ppm 的比較，顯著性為 p=.003<.05，

表示進流污水濃度 COD 50ppm 與 COD 100ppm 的去除率，有其明顯差異。但進流污水濃度 COD 100ppm 與 COD 150ppm 的相互比較結果，未達顯著標準 (p=.278<.05)，所以 PO

4 ¯

在進流污水濃度 COD 100ppm 與 COD 150ppm 時，其去除率是無明顯差異。

(20)

表4.9 PO

4 ¯

去除率二因子變異數分析摘要表

誤差 4.017 9 .446

總和 176139.159 18

表4.10 不同進流污水濃度的PO

4 ¯

去除率事後比較表

(I) 進流污水濃度

(J) 進流污水濃度

平均差異

(I-J) 標準誤差顯著性

95% 信賴區間

下界上界

Scheffe 法 50ppm 100ppm -1.9100^* .38570 .003 -3.0353 -.7847 150ppm -1.2467^* .38570 .031 -2.3720 -.1213 100ppm 50ppm 1.9100^* .38570 .003 .7847 3.0353 150ppm .6633 .38570 .278 -.4620 1.7887 150ppm 50ppm 1.2467^* .38570 .031 .1213 2.3720 100ppm -.6633 .38570 .278 -1.7887 .4620

不同水力停留時間的PO

4 ¯

去除率，經Scheffe法事後比較結果，如表4.11所示，由表中可發現水力停留時間1hr對2hr、3hr的相對比較，皆達顯著標準 (p=.000<.05)，因此判定水力停留時間1hr相較於2hr與3hr的PO

4 ¯

除率，是有明顯差異。而水力停留時間2hr與3hr的相互比較，結果為未達顯著標準(p=.718>.05)，

且95%上下界信賴區間內皆包含0，故水力停留時間2hr與3hr兩者的PO

4 ¯

去除率是無明顯差的。

表4.11 不同水力停留時間的PO

4 ¯

去除率事後比較表

(I) HRT

(J)

95% 信賴區間

下界上界

Scheffe 法 1hr 2hr -2.9783^* .38570 .000 -4.1037 -1.8530 3hr -2.6583^* .38570 .000 -3.7837 -1.5330 2hr 1hr 2.9783^* .38570 .000 1.8530 4.1037

3hr .3200 .38570 .718 -.8053 1.4453 3hr 1hr 2.6583^* .38570 .000 1.5330 3.7837 2hr -.3200 .38570 .718 -1.4453 .8053

五、參考文獻

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(21)

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