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研究生:劉育誠
研究生(外文):Yu-Cheng Liu
論文名稱:無氣泡氧氣溶解裝置應用於河川水質改善之效能評估
論文名稱(外文):Evaluating The Effectiveness of The Foam-free Oxygen Dissolution Apparatus Applied to River Restoration
指導教授:洪慶宜洪慶宜引用關係
指導教授(外文):Ching-Yi Horng
學位類別:碩士
校院名稱:長榮大學
系所名稱:職業安全與衛生研究所
學門:醫藥衛生學門
學類:公共衛生學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:無氣泡氧氣溶解裝置河川水質改善
外文關鍵詞:foam-free dissolution deviceriverthe quality of water improving
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台灣地狹人稠,中下游河川因工業廢水、家庭污水及畜牧廢水等的不當排放,而受到不同程度的污染。政府機關在改善水質的時候,礙於土地徵收不易及處理經費過高而無法妥善執行,發展土地使用面積較少、容易操作的無腹地工法為當前課題。本研究以現地試驗、實驗室水槽模組、系統動力學模式測試無氣泡氧氣溶解裝置在河川污染整治的應用,其以在槽處理方式來改善水質,本裝置特點為佔地面積小、安靜、操作維護簡易、不影響河道洩洪功能、改善河川底泥功能等,對土地昂貴、人口密集的河川下游,具有高效益低成本的潛力。
為測試無氣泡氧氣溶解裝置的實際水環境改善效能及應用,本研究與該裝置台灣代理商以產學合作方式,以河川現地操作、實驗室水槽測試、水質系統動力模式來實證。河川現地操作選定台南運河民生截流站河段做為現地試驗區域,該河段除零星生活污水外,大部分市鎮廢污水已截流到安平污水處理廠,水流緩滯及底泥有機物沉積為主要的水質污染因素。本研究於2006年5月至2007年1月,以無氣泡氧氣溶解裝置及微生物添加進行河川水質改善。由入、出水口經常性水質監測結果顯示,裝置出水口DO明顯高於入水口。操作8個月,出水口水中BOD及COD分別降低91%及76%;水中ORP由-200mV增高至-125mV;底泥硫化物降低70%。12月3日於民生截流站上、下游各約500m河段進行運河斷面及入、出水口16點採樣調查,結果顯示出水口DO為3.7mg/L,明顯高於其他各採樣點;底泥耗氧率出水口比入水口低0.5 g/m2/day。河川生態方面,在操作8個月後出現豆仔魚、烏魚、吳郭魚、大眼海鰱等。
實驗室水槽以二仁溪河水及底泥作測試,在完全混合、無流動、半控制條件下,收集氧氣超飽和狀況下水質及底泥的變化。原水體溶氧為5.8mg/L;BOD為8.6 mg/L;底泥SOD為4.68mg/m2/day。使用無氣泡氧氣溶解裝置交換後,在幾小時內溶氧即提高至40mg/L,經過28天處理BOD降至0.8mg/L, SOD降至4.24g/m2/day。
以水槽試驗收集的水質及底泥化學參數建構動力模式,所率定之BOD一階降解速率常數Kd為1.6hr-1時與BOD預測值與實測值有最好的相關性(r2=0.986)。模擬無氣泡氧氣溶解裝置(40mg/L)及一般曝氣(8mg/L),在相同BOD負荷下,無氣泡氧氣溶解裝置所需耗費氧氣量及處理時間皆低於一般曝氣,而由溢散至大氣中的氧氣發現,BOD負荷越高所提供的氧氣量越少,溢散至大氣的比例也越少,說明此裝置在BOD負荷越高的情形下可以更有效利用。由研究結果實證,無氣泡氧氣溶解裝置對於水質改善有一定的成效,為迅速而有效的改善工法。
Due to the improper drainages of wastewaters from factories, households and livestock husbandries, the mid- and downstream river segments in Taiwan have suffered various degrees of water pollution. Considering the high expenses for land requisition, construction and maintenance for river cleanup facilities, it becomes an urge to develop a low land-demanding, easy-operating treatment technology. The present study tested the effectiveness of the foam-free oxygen dissolution apparatus (®Green Harmony T.H.A. system, Daiei Inc., Japan), an on-channel treatment technology, to river restoration. The apparatus was designed to achieve low land demanding, low noise, easy operation, no hindering problem for flood control, improvement of sediment quality, and potentially, cost-effectiveness.
In order to test its effectiveness and application, the foam-free oxygen dissolution apparatus was tested on site, in the laboratory-scale tanks, and simulated with a water quality dynamic model by this study. For the on site testing, the apparatus was installed in the Ming-Sheng interception station of the Tainan Canal, where most of the discharged municipal wastewaters were intercepted and treated by the An-Ping Wastewater Treatment Plant. Water stagnation, caused by the bi-direction tidal motion, and accumulation of sedimentary organics are the main reasons resulting in the deteriorating water quality of this river reach. The 8-month trial was from May, 2006 to January, 2007. The routine water quality monitoring indicated that the dissolved oxygen in water was raised at the outlet of the apparatus. After 8 months of operation, water BOD and COD were dropped 91% and 76%, respectively. Sedimentary sulfur was dropped 70%. Sedimentary ORP was increased from -200mV to -125mV. A cross-sectional, detail investigation was conducted to examine the water quality, sediment quality, and community structures of benthos and fishes on the 25-meter radius of the treatment area. The results showed that the sampling spot most close to the outlet of the treatment apparatus had the highest DO than other ones. Sediment oxygen consumption rate was 0.5g/m2/day lower in the outlet of apparatus, comparing with the inlet. Large-scale mullet, Mugil cephalus, grey mullet fishes that had never present in this river reach were appeared after 8 months of treatment.
For the laboratory-scale study, water and sediment from Erhjen River were filled in three replicated tanks and treated by the foam-free oxygen dissolution apparatus for 28 days. The tanks were operated at completely mixed, no-flow, and semi-environmental control conditions. After 28 days of treatment, DO was increased from 5.8 to 40mg/L; BOD was dropped from 8.6 to 0.8mg/L; SOD was dropped from 4.68 to 4.24 g/m2/day.
Water quality dynamic model, based on the chemical parameters collected in the laboratory-scale study, was established. The model with the first order BOD degradation rate of 1.6hr-1 offered the best correlation (r2 =0.986) between simulation and real BOD values. The model further simulated and compared the effectiveness of the foam-free oxygen dissolution apparatus (DO = 40mg/L) and of traditional aeration device (DO = 8mg/L). At the same BOD loading, the foam-free oxygen dissolution apparatus is more effective in terms of the amount of O2 demand and of the time requirement to achieve a BOD level of the non-polluted criteria. The comparison of different BOD loadings from 10 to 200 mg/L suggested the foam-free oxygen dissolution apparatus performs better at higher loadings for its relative less oxygen waste to the atmosphere. The study has concluded that the foam-free oxygen dissolution apparatus is an effective technology to improve water quality on channel and its effectiveness is more eminent upon applying to mitigate heavily polluted conditions.
致謝 i
中文摘要 ii
Abstract iv
目錄 vii
表目錄 ix
圖目錄 x
第一章 前言 11
1-1緣起及目的 11
第二章 文獻回顧 13
2-1水質淨化工法 13
2-1-1傳統水質淨化工法 13
2-1-2自然生態水質淨化工法 15
2-1-3直接水質淨化法 16
2-1-4國內外水質淨化法經驗回顧 18
2-2溶氧除臭原理 20
2-3自淨作用 20
2-4水質模式 22
2-4-1水質模式發展與應用 22
2-4-2再曝氣作用 24
2-5系統動力學 26
2-5-1系統動力學基本概念 26
2-5-2系統動力學建構步驟 28
2-5-3系統動力學之應用 28
2-5-4系統動力學與其他模式比較 29
第三章 材料與方法 30
3-1研究問題及假說 30
3-1-1研究方向 30
3-1-2研究假說 30
3-2研究流程圖 32
3-3材料 33
3-3-1水質淨化設施 33
3-3-2無氣泡氧氣溶解裝置原理 33
3-3-3微生物 34
3-4實地操作測試 35
3-4-1測試地點 35
3-4-2測試方法 36
3-4-3樣本採集及運送 37
3-4-4環境參數分析 37
3-5 實驗室水槽模組測試 39
3-5-1測試地點 39
3-5-2測試方法 39
3-5-3檢體的採集與運送 40
3-5-4水質及底泥參數分析 40
3-5-5無氣泡氧氣溶解裝置氧氣揮發速率測試 41
3-6系統動力學模式架構 41
3-6-1模式架構 41
3-6-2估計參數值 45
3-6-3建構系統動力學模式 47
3-6-4不同污染量及降解速率分析 47
第四章 結果與討論 49
4-1實地操作測試 49
4-1-1入出水口水質變化監測 49
4-1-2入出水口底泥變化 50
4-1-3運河斷面水質變化 51
4-1-4運河斷面底泥變化 52
4-2運河生態變化 54
4-3台南運河水質改善與其他國家比較 54
4-4實驗室模組 55
4-4-1實驗室模組水質變化 56
4-4-2實驗室模組底泥變化 58
4-4-3無氣泡氧氣溶解裝置氧氣揮發速率 59
4-5實驗室模組與台南運河現場比較 61
4-6系統動力學模式 62
4-6-1模式行為測試 62
4-6-2不同污染負荷及降解速率分析 63
4-6-3模式之應用 70
第五章 結論與建議 71
5-1結論 71
5-2建議 72
參考文獻 73
附錄A 台南運河民生截流站採樣點GPS定位資料 76
附錄B 台南運河民生截流站底泥粒徑分析 77
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