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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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