109 年 國立臺灣大學生物環境系統工程學系碩士班乙組《生態工程》

此題主要在探討人工濕地的基本概念、自由水層系統(FWS)的運作機制，以及影響其淨化功能的關鍵操作參數。

核心觀念：

• 人工濕地作為一種生態工程技術，透過模擬自然濕地的淨化過程來處理污水。
• 自由水層系統(FWS)是人工濕地的一種常見形式，其淨化機制涉及物理、化學及生物過程。
• 操作參數的控制對人工濕地的淨化效率至關重要。

解題步驟：

(a) 自由水層系統(FWS)的淨化機制

自由水層系統(FWS)是最常見的人工濕地類型，其特點是水體表面有自由流動的開放水層，水生植物的根系生長在基質中，並伸入水中。其淨化過程通常包含以下幾個單元和機制：

1. 沉澱與攔截 (Pre-treatment & Sedimentation)：

   • 機制： 進入人工濕地的污水首先經過前處理（如格柵、沉砂池），去除較大的懸浮物。在濕地內部，水流速度減緩，較重的固體顆粒會因重力作用而沉澱，較大的懸浮物則被植物莖葉和基質攔截。
   • 效果： 降低懸浮固體(SS)濃度，減少後續單元的有機負荷。

2. 物理吸附與攔截 (Physical Adsorption & Filtration)：

   • 機制： 污水流經基質（如砂、礫石）時，懸浮物會被基質顆粒間的孔隙所攔截。植物的根系和莖幹也提供了額外的表面積，有利於吸附和攔截污染物。
   • 效果： 進一步去除SS，並對部分溶解性污染物（如磷酸鹽）有物理吸附作用。

3. 生物降解 (Biodegradation)：

   • 機制： 這是人工濕地最核心的淨化機制。在濕地基質、植物根系表面以及水體中，存在大量的微生物（細菌、真菌、原生動物等）。這些微生物利用污水中的有機物作為碳源和能源，將其分解為較簡單、無害的物質（如二氧化碳、水）。
   • 好氧區 (Aerobic zones)： 植物根系會將氧氣輸送到根際周圍，形成好氧環境，有利於好氧微生物的活動，高效降解有機物。
   • 厭氧/兼氧區 (Anaerobic/Anoxic zones)： 在基質內部及水體深處，氧氣供應不足，形成厭氧或兼氧環境，有利於厭氧菌和兼氧菌的活動，進行反硝化等過程。
   • 效果： 大幅降低生化需氧量(BOD)和化學需氧量(COD)。

4. 營養鹽去除 (Nutrient Removal)：

   • 機制：
     • 硝化-反硝化 (Nitrification-Denitrification)： 在好氧區，氨氮(NH₃-N)被硝化菌氧化為硝酸鹽(NO₃⁻)；在兼氧區，反硝化菌利用硝酸鹽作為電子受體，將其還原為氮氣(N₂)，逸散到大氣中。
     • 吸附與離子交換 (Adsorption & Ion Exchange)： 植物根系和基質可以吸附磷酸鹽等營養鹽。
     • 植物吸收 (Plant Uptake)： 水生植物生長過程中會吸收水中的氮、磷等營養鹽，將其轉化為生物質。
     • 沉澱 (Precipitation)： 在特定條件下（如pH值），磷酸鹽可與鈣、鎂、鐵等陽離子形成不溶性鹽類沉澱。
   • 效果： 降低總氮(TN)和總磷(TP)濃度。

5. 病原菌與寄生蟲去除 (Pathogen Removal)：

   • 機制： 物理攔截、沉澱、微生物競爭、捕食、紫外線照射（在淺水區）、pH值的變化以及濕地停留時間的延長，都有助於降低病原菌和寄生蟲的數量。
   • 效果： 提高出水水質的衛生安全性。

(繪圖建議)
可以繪製一個FWS人工濕地的剖面圖，標示出進水、出水、水層、基質、水生植物根系，並在不同區域標示出主要的淨化機制（如沉澱區、好氧降解區、兼氧反硝化區等）。

(b) 影響人工濕地淨化功能最重要的三項操作參數 (以家庭污水二級處理為例)

當人工濕地應用於家庭污水二級處理時，其目標是大幅降低SS、BOD、COD，並有效去除營養鹽。以下選擇三項最重要的操作參數進行說明：

1. 水力停留時間 (Hydraulic Retention Time, HRT)

此題旨在探討低衝擊開發(LID)中「貯留滲透」的核心原理，以及在都市環境中可應用的具體技術及其工程實務。

核心觀念：

• 低衝擊開發(LID)的核心目標是模擬自然狀態下的水文循環，減少都市開發對水環境的衝擊。
• 「貯留滲透」是LID中關鍵的雨水管理策略，旨在將雨水暫時儲存並促進其滲入地下。
• 都市環境的限制下，需要發展適合的工程技術來實現貯留滲透。

解題步驟：

「貯留滲透」的原理 (10%)

「貯留滲透」(Infiltration and Retention)是低衝擊開發(LID)的核心概念之一，其基本原理是：

1. 模擬自然水文： 在未開發的自然狀態下，大部分的降雨會透過植被、土壤和地表滲入地下，補充地下水，只有少部分形成地表逕流。都市開發（如鋪設不透水鋪面）阻斷了這個過程，導致雨水快速匯集形成大量、高強度的地表逕流，引發都市洪患、水污染及地下水補注不足等問題。
2. 延緩與減少逕流： 貯留滲透策略旨在透過各種工程措施，在雨水到達排水系統之前，將其暫時「貯留」(Retain)在設施中，並鼓勵其「滲透」(Infiltrate)到土壤或地下。
3. 貯留 (Retention)： 指的是將雨水暫時儲存起來，例如在雨水花園、透水鋪面下的空隙、或截流槽等。這能有效延緩雨水進入排水系統的時間，降低尖峰流量。
4. 滲透 (Infiltration)： 指的是讓儲存的雨水通過土壤或多孔介質滲入地下。這不僅能補充地下水，還能透過土壤的物理、化學及生物作用，對雨水中的污染物進行淨化。

總結來說，貯留滲透的原理是透過人為設置的設施，在都市開發區域內，盡可能地模仿自然界雨水入滲和滯留的過程，以達到：

• 減少地表逕流量： 降低洪峰流量，減少對下游排水系統的負擔。
• 延緩逕流到達時間： 降低洪災風險。
• 補充地下水： 維持地下水位，防止地層下陷。
• 淨化雨水： 減少污染物進入河川湖泊。
• 減緩熱島效應： 透過蒸散作用和濕潤環境。

適合應用於都市環境的二個技術、工程圖說及施工要領 (20%)

以下選擇兩種常見且適合都市環境的貯留滲透技術：

技術一：透水鋪面 (Permeable Pavement)

• 說明： 透水鋪面是一種允許雨水滲透進入下方的基層和土壤的鋪面材料，常見於人行道、停車場、自行車道、低交通量道路等。

• 工程圖說：
  🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
  （圖說應包含：表層、透水層（如透水混凝土、透水瀝青、互相嵌合的透水磚塊）、砂層、級配基層、砂石級配底層、土工布、土壤/現地地盤等結構層的剖面示意圖，並標示雨水滲透路徑。）

  • 圖說示意：
    • 最上層：透水鋪面材料（如透水磚、透水混凝土、多孔瀝青）
    • 第二層：砂層（提供過濾和支撐）
    • 第三層：級配基層（儲存雨水並提供結構支撐）
    • 第四層：砂石級配底層（進一步過濾和滲透）
    • 下方：土壤/現地地盤（最終滲透區域）
    • 可能包含：土工布（防止土壤顆粒進入骨材層）、側向排水（用於過量雨水排放）

• 施工要領：

  1. 場地準備： 挖掘並整平基底，確保坡度適當，以便雨水能向預設方向滲透或排出。
  2. 鋪設土工布： 在基底上方鋪設土工布，防止下層土壤與上層骨材混合。

此題主要在探討「多孔隙環境設計」的概念、其對生態的重要性，以及在工程上的實際應用。

核心觀念：

• 「多孔隙」是自然生態系統的普遍特徵，提供了生物多樣性的基礎。
• 在人造環境中引入多孔隙設計，旨在恢復或提升生態功能。
• 多孔隙環境設計是生態工程和永續建築的重要考量。

解題步驟：

「多孔隙環境設計」的定義 (10%)

「多孔隙環境設計」(Porous Environment Design)是指在規劃、設計和建造建築物、都市空間或景觀時，有意識地創造或保留具有多樣化孔隙結構的環境。這些孔隙可以存在於：

1. 材料層面： 使用具有高孔隙率的材料，例如透水磚、多孔混凝土、多孔陶瓷、天然石材、木材等，這些材料允許空氣、水和微生物通過。
2. 結構層面： 設計具有開放空間、縫隙、空腔的建築結構或景觀構造，如格柵、穿孔板、綠屋頂、垂直綠化、生態廊道、多層次植被等。
3. 空間層面： 創造多樣化的棲息地尺度和連通性，包括微棲地（如石縫、枯木）、中型棲地（如灌木叢、草坡）和大型棲地（如濕地、森林），以及連接這些棲地的廊道。

總之，多孔隙環境設計是一種強調「開放性」、「連通性」和「多樣性」的設計理念，旨在使人造環境更接近自然生態系統的結構和功能。

「多孔隙環境設計」在生態上的意義 (10%)

多孔隙環境設計在生態上的意義重大，主要體現在以下幾個方面：

1. 提升生物多樣性：

   • 提供多樣化的棲息地： 不同的孔隙大小、形狀和連通性，可以為不同種類的生物（從微生物、昆蟲到鳥類、小型哺乳動物）提供豐富多樣的棲息空間、庇護所和繁殖場所。
   • 促進物種交流： 連通的孔隙結構（如生態廊道、綠色屋頂連接的綠地）有助於物種在不同棲息地之間移動和交流，擴大基因庫，維持種群健康。

2. 改善水文循環：

   • 促進雨水滲透： 多孔隙材料和結構（如透水鋪面、雨水花園）能有效攔截和滲透雨水，補充地下水，減少地表逕流，緩解都市洪患。
   • 淨化水質： 雨水在滲透過程中，會經過土壤和基質的過濾、吸附和生物降解作用，有效去除污染物。

3. 調節微氣候：

   • 改善空氣品質： 植物和多孔材料能吸附空氣中的污染物，並透過蒸散作用釋放氧氣和水蒸氣，有助於調節溫度和濕度。
   • 降低都市熱島效應： 綠色屋頂、垂直綠化和開放空間的設計，能增加蒸散量，降低建築物和地表的吸熱，有助於緩解都市熱島效應。

4. 促進生態過程：

   • 支持微生物活動： 豐富的孔隙為土壤微生物提供生存和繁殖的空間，促進有機物的分解和營養物質的循環。
   • 提供食物來源： 多樣化的植被和棲息地能為昆蟲、鳥類等提供食物來源，形成更穩定的食物網。