水污染防治原理與實務
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水污染防治原理與實務

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簡介

本書由淺入深解說水體或流域水污染防治所需具備之知識、調查方法、管制規劃、控制策略與應用工具,兼具原理與實務內容,適合大學相關課程與水污染防治從業人員參考。
全書由水污染防治的基礎與流程介紹開始,進而到水文水力的概念,逐漸深入至水質水量的調查與污染負荷推估;最後,針對現今國內水污染現況與用水需要,說明廢水處理方法,受污染排水或河水再淨化及水體內水質淨化方法等控制技術,並分析比對美日對污染源的管制歷史和方法,以作為台灣污染管制之參考。



導讀
根據我國《水污染防治法》施行目的「為防治水污染,確保水資源清潔,以維護生態體系,改善生活環境,增進國民健康」,作者將其解讀為「透過水污染防治策略的實行來管理水質,使水質能符合所有用水對象之有利用途 (beneficial uses)」,為達成此目的而需具備的專業知識即為水污染防治,本書主要目的是協助大學環工/水利/土木科系學生與水污染防治工作者了解此專業知識之原理,以及相關實務工作的推動方式。
陸域表面水體在形成或傳輸過程中受到人為污染及自然作用的影響,造成物質與能量的介入,也構成了水的化學、物理及生物特性,這些特性統稱為水質。水質優劣取決於水中生物之生存需求與人類使用目的,例如水中溶氧太低魚類無法生存、灌溉用水鹽度太高會影響作物產量與土壤品質、湖水混濁或水色不佳會降低遊憩意願、水庫有機物太多會提高飲用水含致癌性消毒副產物的風險。水污染改變了天然水質,水質受損需藉由流入水體污染負荷之「控制」或「管理」手段予以改善。末端水處理科技的演進雖使人類能以高級處理技術降低飲用水安全風險,但需耗費龐大的成本且僅能獲取極少的可用水量,並不是一種永續的作法;況且,對河川及湖庫等表面水主要利用者如生態、水生物及農產養殖而言,要利用水處理技術將其水質控制到合乎使用需求也不是一種務實的手段,因此,環境工程除了水處理外,水污染防治的原理與實務也是環境工程師不可不了解的一門學問。
水污染防治包含水污染源頭的預防與後端的處理,是以各種產生端、排出端及流達端的水污染控制方法 (water pollution control) 達成流入水體污染負荷減量與水質改善的目標。因此,本書第一章〈水污染防治概論〉,先講述水污染防治的定義及過程,簡介水體的污染來源、污染負荷的控制目標與方法及防治工作的規劃步驟。本書後續章節採先原理後實務方式編排,並以污染源為因水質為果的因果關係進行鋪陳。首先,污染物透過排放口或水循環過程進入水體,因水力條件的差異而使污染物有不同的傳輸方式,並使水體產生不同的水質時空分布與反應條件,為使後續科學調查與控制實務能正確的執行,本書第二、三章著重於與水污染有關之水文與水力,以及各種水質參數與其機轉原理之說明,以利讀者了解污染物的傳輸過程與水質反應。為完整理解前述章節內容,作者建議讀者曾修習大專以上物理、化學、生物、水文學及流體力學等相關課程。若以本書做為相關科系教材,建議對象為大二以上學生。
了解前述概論及原理之後,本書逐步導入水污染防治工作的執行方式。第四章講述水體水力與水質調查方法;第五章說明內生及各種外來污染負荷(點源、類點源及非點源)之調查與估計;第六章則介紹各種污染源的減量技術,其中包含廢水處理後再回用的技術。若以本書做為相關科系教材,建議對象為大三以上,曾修習給水工程、廢(污)水處理或衛生工程之學生。
在水污染管制策略擬定與防治工作正式實施前,需評估水體涵容能力、解析污染負荷進入水體後可能造成的水質問題、以及透過污染負荷的削減可使水質達到何種程度的改善,方能建立具體可行之規劃方案。因此,本書最後兩章乃整合水污染防治原理與實務,第七章〈水質模式及其應用〉介紹用以量化污染負荷與承受水體水質間因果關係的數值工具、說明常用水質模式的原理,以及協助實務工作者選用適合的水質模式套裝軟體進行水污染防治規劃;第八章〈水污染管制〉,簡介台灣與美、日先進國家的水污染防治策略與演進、行政管制方法與案例,並說明以環境容量為目標的水污染管制原理與邏輯、執行步驟與方法。除了教學外,第七、八章也適合在顧問業、政府及學界從事水污染防治實務工作者閱讀。


作者簡介

作者
溫清光
現任:國立成功大學環境工程系兼任教授
國立成功大學土木工程系學士、碩士、博士,國家工學博士
經歷:
國立成功大學環境工程系講師、副教授、教授、特聘教授暨系主任
國立成功大學工學院副院長
榮譽:
國立成功大學名譽教授(2010)
中華民國環境工程學會工程獎章(2005)
國立成功大學教學特優教師獎(2004)
國立成功大學工學院優良教師獎(1994)
中國環境工程學會工程論文獎(1994)
中國工程師學會優秀青年工程獎(1983)
中國土木水利工程學會工程論文獎(1983)
專書:
《廢水工程學——集水工程和抽水工程》(1989)
《廢水工程學——收集、處理及處分》上、下冊(1984)

張智華
現任:國立成功大學環境工程學系副教授
國立成功大學環境工程學系學士、碩士、博士
經歷:
國立成功大學環境工程系專任助教、助理教授、副教授
永續環境實驗所環境資源研究管理中心主任
永續環境實驗所國際水質研究中心副主任
澳洲水質研究中心博士後研究
榮譽:
行政院環保署八八水災環境輔導與建言工作傑出貢獻獎(2010)
中華民國環境工程學會八八水災環境輔導與建言工作傑出貢獻獎(2009)
斐陶斐學會榮譽會員(2008)


目錄

作者
溫清光
現任:國立成功大學環境工程系兼任教授
國立成功大學土木工程系學士、碩士、博士,國家工學博士
經歷:
國立成功大學環境工程系講師、副教授、教授、特聘教授暨系主任
國立成功大學工學院副院長
榮譽:
國立成功大學名譽教授(2010)
中華民國環境工程學會工程獎章(2005)
國立成功大學教學特優教師獎(2004)
國立成功大學工學院優良教師獎(1994)
中國環境工程學會工程論文獎(1994)
中國工程師學會優秀青年工程獎(1983)
中國土木水利工程學會工程論文獎(1983)
專書:
《廢水工程學——集水工程和抽水工程》(1989)
《廢水工程學——收集、處理及處分》上、下冊(1984)

張智華
現任:國立成功大學環境工程學系副教授
國立成功大學環境工程學系學士、碩士、博士
經歷:
國立成功大學環境工程系專任助教、助理教授、副教授
永續環境實驗所環境資源研究管理中心主任
永續環境實驗所國際水質研究中心副主任
澳洲水質研究中心博士後研究
榮譽:
行政院環保署八八水災環境輔導與建言工作傑出貢獻獎(2010)
中華民國環境工程學會八八水災環境輔導與建言工作傑出貢獻獎(2009)
斐陶斐學會榮譽會員(2008)

內容連載

1 水污染防治概論
1.1水污染防治的定義
許多水聚集在一起成為水體(water body),接納廢水、雨水之水體稱為承受水體(receiving body)。水污染研究者將自然界的水體大致分為地面水體和地下水體兩大類。聚集在地表面上的稱為地面水體,有河水、湖沼(含水庫)水和海水;聚集在地面下的稱為地下水體。地下水的污染常來自土壤污染,所以歸為另外一類,本書中所述水污染是指地面水體的污染。
水污染不同於水質,所以「水污染防治(water pollution control)」也不同於「水質管理(water quality management)」。水質是一些自然作用或過程加諸於水,水產生反應所呈現出來的性質,這種性質是天然性質。自然作用有物理、化學、生物等作用,如陽光照射水產生溫度反應;又如大氣的氧氣從水表面傳送到水中成為溶氧,照射和傳送這兩種物理過程,使水有水溫和溶氧這兩種天然性質。水質管理的基本要求是保護水體的健康,以維護水中生態,使魚類、植物、濕地和鳥類在自然狀態下永續生存。此外也要求維護各種水資源的永續利用。所以水質管理是有關水各種用途的水質問題管理,包括訂定法規、管理辦法和行動,以保護水體水質、環境、生態健康和水的合理使用;而水污染是水受到某些物質的入侵改變了它的天然性質,使下游使用者不能得到天然水質。所以水污染防治的重點在於移除水中的污染物,或控制污染物進入水體。因此水污染防治是水質管理中最重要的工作,是環境工程師不可不學的課程。世界衛生組織(WHO)認為,由於人的活動直接或間接影響到水的成分,使水喪失一部分或全部原有的自然性質,而不適合使用,稱為水污染;本書定義任何物質或熱能介入水中稱為水污染,前者稱為物質污染,污染物質包括物理性、化學性和生物性三大類,有來自自然界和人為,但主要來自人為;後者稱為熱污染(thermal pollution),主要來自火力發電廠、核能發電廠和工廠熱廢水。依《水污染防治法》將水污染定義為:指水因物質、生物或能量的介入,而變更品質,導致影響其正常用途或危害國民健康及生活環境。
1.2水污染防治的過程
水質污染來源及控制方法如圖 1.1 所列,說明如下:

1. 水污染來源
水體中之污染物來自水體本身產生的稱為內生污染,由外面排入的稱為外來污染。內生污染源有水體底泥分解或懸浮產生之污染質、水生物(如魚類、水草、微生物等)代謝產生或死亡分解之污染物;外來污染源來自點源(point sources)、類點源和非點源(non-point sources)。
(1)點源
點源污染是來自使用過的廢、污水,如生活污水、工業廢水及畜牧廢水等,其排放污染物集中在某一點。生活污水是人從事生活活動所產生之污水,又稱市鎮污水,包括家庭污水、商業和機關排出之污水及其他人類活動所產生之污水。污水中主要污染物為有機物質、懸浮固體物、營養鹽及細菌等;工業廢水由工廠所排出之洗滌廢水、製程廢水、冷卻廢水、鍋爐廢水及排煙道的酸洗廢水等,各種廢水的主要污染物各有不同,從有機物、固體物到有毒之重金屬或微量有毒物質均有;畜牧廢水以養豬和養牛廢水為主,飼養家禽以養鴨的污染較為重要,但常因飼養在池塘,污染不易估計。該類廢水污染以動物的排泄物為主,含有高濃度之有機物、固體物、營養鹽和微生物;其他如垃圾場收集出來之滲出水也被歸類為點源。雖然水量少,但濃度高且含有各種不同之有毒污染物,不易處理,對部分水體是一重要污染源。
(2)類點源
類點源是從市鎮分流式雨下水道(municipal separated storm sewer system,美國簡稱 MS4)流出的廢水,主要的污染來自雨水淋洗地面和排水溝的污染物、未納管的生活污水、自行處理的工業放流水與非法排放廢水。美國將 MS4 廢水比照點源必須申請排放許可,台灣稱為類點源逕流廢水或類點源廢水,所含的污染物與生活污水相似,若是工業區專用雨水下水道,其類點源污染物性質與工廠種類有關。
類點源是因降雨產生的廢水,所以每場降雨(相隔四天雨量超過 5mm算一場,定義請參看第二章)最初流出來之 0.5 吋(約 13 mm)的雨水逕流最髒,稱為最初逕流水(first flush),需截流處理,之後流出之雨水較乾淨可不必處理。已建造污水下水道之都市水體(如高雄愛河、台南運河),類點源污染將是最重要的污染源,若要使水體更清淨,截流最初半吋雨水處理,將是污水下水道系統完成後必須面對的問題。
(3)非點源
非點源又稱面源,主要是由降水(雨、雪)等沖擊地面,變成逕流挾帶地表污染物所造成。以前自然界產生的逕流,被視為背景逕流,並不認為是污染。但近代人類活動頻繁,舉凡伐木建設、農業活動、施工工地、遊憩區、高爾夫球場、工礦廢污的排放及車輛廢污的排放等,所產生之污染物,堆積在排水渠或地面上,一遇下雨,將這些污染物沖洗而流入承受水體,造成污染。尤其久旱第一次暴雨或每次降雨前幾十分鐘所排的水,常含大量污染物,這些污染物包括可沉澱物質、BOD、營養鹽、有毒物質、農藥、細菌及鹽類等。放養的牧場和養雞場排出的單位污染量最大,美國牧場常是最重要的非點源污染來源。最重要的污染物有漂浮物、懸浮固體物、肥料、農藥和細菌類等。這類非點源污染,在降雨過程排出來污染物的濃度,如泥沙、懸浮固體物(SS)或與 SS 有關之污染物(如濁度、COD、總磷等),與類點源不同,最大濃度常發生在第一次尖峰流量時。
2. 污染控制
為了改善或保護承受水體之水質,必須削減各污染源的污染量。削減內生污染源方法常採用抑制底泥污染物釋出或移出水體、收穫湖沼魚類或藻類或直接用植物攝取水中營養鹽等;三種外來污染源採用源頭控制(source control)和廢水、逕流水處理。源頭控制是削減污染源產生的污染量,如人不過量飲食可減少產生的污染量,農地適量施肥可減少氮磷的產生,清掃雨水溝可減少類點源的污染等;致於廢水和雨水處理是屬於管末處理,可用物理、化學或/和生物方法處理。
1.3水污染防治規劃內容
從水污染防治規劃的流程(圖 1.2),可以看出水污染防治的內容,其內
容如下:

1. 環境資料
流域環境包括自然環境、社會及經濟環境。
(1)自然環境
a. 氣象調查:
調查與整理氣溫、降雨量、降雨日數、蒸發量、風向、風速、氣壓、相對濕度及日照時數等歷年紀錄。統計至少 10 年的年、月、日平均值及最低與最高值。
b. 水文調查:
調查與整理流域面積、主、支流及排水系統圖、斷面、集水區面積,河道高程、坡度、河岸坡度、曼寧係數及水利單位整治資料;流量站位置、集水面積、各種流量、流速和水位等資料;水資源利用計畫、水資源分配、自來水、灌溉渠道、水權登記、取水位置、取水量與取水時間;水利設施如抽水站、攔河堰、攔沙壩、水庫和湖泊位置、容量、高程和各種水位等;地下水資料如水井位置、水位和水質;河口附近的潮汐站位置、潮汐資料、河川感潮界限及潮位。
c. 地文調查:
收集與整理該流域之地形圖、地形特性、地質特性、土壤特性,如果需要再收集崩塌地及土石流區域等資料。
d. 水質資料:
收集與整理中央與地方環保單位及其他單位,對主支流及排水調查之水質站位置、歷年水質資料及污染量調查。
(2)社經環境
a. 土地利用:
都市計畫、土地利用型態、未來區域發展計畫等項目。
b. 工業:
產業特性包括工廠與工業區位置與分布、生產原料類型及數量、產品類型及數量、生產方式、用水量、污水處理設施處理能力及使用狀況等項目。放流水水量及水質、申報及稽查情形、是否納入污水下水道系統等項目。
c. 農業調查
農作物種類、分布與種植面積,肥料與農藥使用種類與數量;家禽與畜牧業飼養數量及分布、屠宰場位置及屠宰數量、放流水水量及水質、申報及稽查情形。
d. 人口:
調查人口數、分布與聚落位置,自來水與下水道普及率、化糞池與建築物污水處理設施設置情形、公共污水下水道與社區專用下水道接管情形等資料。
e. 漁業:
河川內、魚塭、河口、河口左右海岸養殖業養殖地點、面積、位置分布、魚種、產量、取水地點和取水量等。
f. 遊憩據點:
調查位置、遊客數量、發展計畫與污水處理資料等。
2. 相關法規與計畫
(1)與水污染防治相關的法規有:
a. 《水污染防治法》及其施行細則
b. 依據《水污染防治法》而訂定的放流水標準、事業廢水水污染防治措施及申報管理變法等。環保署網站可取得。
c. 水體用途分類及水質標準:指定海域、陸域(河川含水庫)各區域或河段的水用途,海域有(甲-丙類)、陸域有甲-戊類的用途,各類用途的水質標準。
d. 水質調查與水質分析方面之辦法:環檢所網站可取得。
e. 下水道法及施行細則:是控制生活污水相關法規,包括建築物處理措施,是關與污水下水道建設與管理法規。
f. 再生水資源發展條例:此為污水回收的法源依據,規定水源供應短缺之虞地區需有一部分之比例使用再生水。地方政府免費提供再生業者污水或放流水。
g. 廢棄物清理法、資源回收再利用法:對廢棄物及污水廠污泥清運及回收的規定。
h. 其他相關法規:如自來水法、濕地法、水土保持法、船舶管理辦法、畜牧法等規定廢水處理與排放。
(2)與水污染防治相關的計畫有:
a. 都市(發展)計畫與區域發展計畫:計畫區的人口估計、工業區計劃、商業計畫、遊憩計畫等。
b. 污水下水道系統:包括既有、興建中及未來計畫系統與系統圖資、建設期程、計畫普及率、計畫經費,污水廠位置、處理程序、進出流水水質與流量,放流水回用計畫。
c. 雨水下水道系統:包括既有與未來計畫系統與圖資、建設期程、集水區面積、路徑、設計容量等。
d. 水污染防治計畫:中央或地方政府訂定或執行中的水污染防治計畫,包括計畫時間、目標、內容、期程、執行情形等。
e. 水資源利用計畫:包括縣市及區域(或越域)水資源利用計畫、自來水系統規畫及農漁業用水計畫,以及防洪計畫等。
f. 非點源管理計畫:其他施工工地、社區、工業活動和農業活動的非點源污染管制等。
g. 農業相關發展計畫,如養豬政策、農業廢棄物管制或再利用計畫等。
3. 水體水污染防治目標
淡水被視為一種有限和價值的資源,是生命、社會和經濟的資本財,所以各國對水污染防治的目標,不外乎是「防止點源和非點源的污染,協助廢水處理與回用,以維護和恢復天然水體的潔淨水質,促使水資源的永續利用」。而訂定水體目標的機構是由權責機關負責,屬於中央管的水體,由中央權責機關(如環保部或水利署)主導,召集與水體有關之單位,共同研商訂定;地方管之水體目標由地方權責機構(如環保局或水利局)擬定,經中央主管機關審核通過。
在環保行政管理制度上,世界各國的行整體系大致相同,中央設置環保署或環保部,地方設置環保局。環保署(部)主要職責是國家環保法令和政策的制定與解釋,審核各州所提出之計畫,研究環保議題等;地方設置環保局,負責執行環保業務。美國聯邦設置環保署、州及郡設置環保局,大陸中央設環保部、省、市、縣設環保局。台灣因為面積較小交通方便,中央設環保署縣市設環保局兩級環保單位。
因為水體有各種不同的用途,要求水質不一,所以整治水體要依據河水的用途和涵容能力,訂定整治總目標。但要考慮目前水污染的情況、污染者的處理能力,以及政府建造污水下水道的速度和財力。如果短時間內常無法達到總目標,可採用滾動式目標,分期訂定階段性目標,最後再達總目標。但一個大水體,可能有很多不同用途,所以常需要分段訂定目標。
4. 河川污染量與水力水質調查
整治水體的污染防治必須先知道污染的來源及其污染量,這些資料必須透過現場調查和估計。調查各點源排放位置、排放水量和污染量,類點源和非點源污染的產生是猶由降雨引起的,其污染量與降雨量有關。通常現場調查只能調查幾場降雨的污染量,其他降雨只能用模式估計。
5. 河川水質與水力調查
河川水力調查是指調查流量站和主支流各河段的流速、水深和流量;水質調查是收集過去水質站的資料做現況調查。
6. 水質模式建立及涵溶能力分析
雖然未來趨勢是回收廢水再用,但沒有回收或回收剩餘的處理水,仍有殘餘,放流到承受水體,隨著水流傳輸到下游,由於水體有自淨作用(self-purification),污染物會逐漸降解,如果排放污染量超過水體所能承受,造成水中生物的損害或河水的使用。所以排放放流水(effluence)之前,需使用水質模式,計算水體的承載力(carrying capacity)或稱環境容量(environmental capacity)或稱涵容能力(assimilative capacity),預測排放後下游受影響的水質。
為了估計污染物在水中的傳輸、水質的變化以及水體的涵容能力,需要應用數學模式。依據發展原理,水質模式可分為以隨機過程發展出來的機率模式(stochastic model),但較少使用;另一種模式是依據物化與生物原理,包括質量不滅、動量不滅和能量不滅原理,以及污染物的在水中的宿命等關係發展出來的模式稱為確率模式(determinate model),現在都是使用這種模式。確率模式很多,要依據規畫水體的水質目標、水體水質、水力和模式參數資料,選擇適當之模式。再率定和驗證模式,最後用模式估計的水質與實際水質相差在可接受的範圍內,模式就建立完成。經過率定和驗證過的模式,可用來預測水質和求出各段河川的污染承載力。
7. 污染削減量及其分配
依據前面調查的流達污染量,以及各河段的涵容能力,推算容許的排入量及應削減的污染量。再假設流達率後推算容許排出量,再將這些量分配給各污染源,分配方法請參閱第八章。
8. 污染源污染控制與廢水再用
各種污染分配到容許排放量後,再利用物理、化學或生物處理方法去削減污染量。例如有一條河川需要改善水質,因污染量大,需要分期削減污染,其過程簡述如下:
(1)已知河水用途:上游是自來水水源(標準至少要乙類水質,參看第二章之水質基準),中游是灌溉用水(至少要丁類水質),下游河口是養殖漁業用水(至少要丙類水質)。
(2)河水水質現況:中上游是丙類水質、下游是丁類水質。
(3)擬定總目標:上游乙類水質,中、下游為丙類水質。
(4)調查污染量:必須調查各河段承受之污染量,依據設計流量和水質標準計算容許排入之污染量,再計算必須削減之污染量
(5)調查水體水質保護政策與相關計畫:供給自來水水源的集水區,一般被劃定為自來水水質水量保護區,保護區內禁止 13 項污染行為,污水下水道第一優先建設,禁止養豬及收購既養豬隻,環保署推行之水污費徵收和畜牧廢水處理後沼渣沼液農地利用政策。
(6)擬定滾動式目標:先調查各污染源不同時間之削減能力,假設調查結果在八年內三種源頭的削減可達到目標削減污染量,擬定分期目標如下:
 上游: 因為是自來水水源很重要,必須短時間內(估計 3 年)達到水質總目標(乙類水質標準)。
 中、下游:分兩期完成,每期 4 年共 8 年達到總目標。
(7)污染量削減計畫:依據污水下水道建設計畫,估算各期程生活污水可削減之污染量;依據提升事業放流水的標準或加強放流水管制的行動,估計可減少之污染量;依據可推行的沼渣沼液農地利用,估計可減少之畜牧廢水污染量;對污染較嚴重之排水,在流入河川之前,尋找適當地點設置再淨化場(如礫間氧化處理),以削減流達污染量。
(8)評估與修正每期之成效:每期到期前,調查河川水質、統計各污染源削減的污染量,評估每期的目標是否達成,用來修正下一期的目標和削減污染量。


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