1、河川水質自然淨化工程之緣起與發展第 1 章 前言第 2 章 土壤慢濾淨化工程的起源利西比第 3 章 土壤快濾淨化工程的起源環境化學之父富蘭克南第 4 章 礫間處理的起源穆勒第 5 章 草溝草帶淨化工法的起源史華露第 6 章 汙水塘淨化工法的起源環境微生物學之父維諾格拉斯基第 7 章 現地處理的改革者環境工程學之父尹霍夫第 8 章 河川水質定期監測的起源弗洛斯特第 9 章 河濱溼地淨化工程的起源迪馬第第 10 章 地下流人工溼地淨化工程的起源賽德樂第 11 章 溼地生態淨化工程的起源生態工程學之父奧登第 一 篇-3-第 1 章前言河川水質淨化有其淵源長久的背景。河川的英文是 stream，這字在
2、古典的拉丁文是 stroum，其意為連續 ，表示在希臘時期的自然哲學家認為河川是連續的具體表現。例如，西元前 6 世紀的泰勒斯（Thales, 624-548 BC）就抱持這個看法，他提出大地與生物生命的綿延如同河川般的連續。而後，科學家與自然哲學家大都注意的是河川的水量，因此在人類文明的發展上，幾乎是建立在尋找穩定水量的供應，也使河川水量幾乎決定了人類經濟發展的上限。自然淨化作用是藉著自然界的植物、細菌；或藉著食物鏈的機制，將環境中的汙染質消化，分解成為最基本的形態，如水與二氧化碳、細菌、植物與參與分解的生物，在分解過程中獲得所需要的營養份。中世紀時期，就有人提出讓水流七次，水就自然淨化的觀
3、念，可見古人由日常生活經驗中，已經發現水的自淨作用。只要讓水流動，水質就會有改善。另外，古人也發現只要將水貯存，就能淨化水質，這包括水的澄清。因為水中的色度，主要來自樹葉植株溶解產生的有機質，水中鐵的氧化形成氧化鐵的礦物，與水面上藻類的滋生，將水貯存在桶子內，有機質會逐漸的分解，氧化鐵會沉澱，藻類會被陽光的紫外線抑制，濁度在自然狀態下會減低。但是水中有機質若太多，水中呈現厭氧狀態，不僅無法改善水質，還會產生惡臭，因此貯存水是否有產生淨化的功能，必須視貯存水的特性與時間而定。最早提出河川水質的，是德國烏茲別克大學的教授克希爾（Athanasius Kireher, 1602-1680） ，他提到
4、河川水質的不同，主要是受到水邊不同礦物的影響。而首先量化水質的是義大利修道院裡的修士沙奇（Pietro Angels Secchi, 1818-1878） ，他將直徑 20公分的盤子放入水中，以看不見盤子的深度代表水的透明度，至今在水質測定上仍使用這工具，稱為沙奇盤（Secchi disk） ，所測水的透明度稱為沙奇透明度（Secchi transparency） 。近代對於自然淨化的研究開始於 1842 年的英國皇家學會，在法拉第（Michael Faraday）的建議下，開始探討都市汙水的處置，使用的方法是建置下水道，將水貯存數日後再排入河川，這是河川水質自然淨化工程的開始。-4-第 2
5、章土壤慢濾淨化工程的起源利西比土壤，是大自然最平凡的東西，每天都被人們踩在腳下；土壤，也是大自然最複雜的東西，直到如今仍然不斷帶給人們驚奇的發現 例如，孩子們知道食物掉到地面上，被土壤弄髒，不要揀起來吃；但是，許多人不知道，骯髒的水，流經土壤之後，反而變乾淨了 最早發現土壤具有淨化汙水功能的人，給這現象取了個至今仍非常響亮的名字 自然淨化作用 （ natural purification） 。許多人喜歡大自然、期待經常接觸大自然；但是，什麼是大自然呢？大自然的英文字 nature 來自拉丁文的 nasci，表示世界上每一件事物都具有的特質，這些特質不會因著時間或地點改變能夠傳遞下去，所以研究事
6、物特質的學問稱為自然科學（natural science） 。自然科學的綜合性許多自然科學研究的對象是比較單純的，例如一棵樹、一滴水、一塊石頭、一個細胞等；但是，有些自然科學研究的對象是綜合的，例如土壤即含有植物的根、土壤的水、石頭風化後的砂粒和黏粒，以及許許多多的微生物。在自然科學裡，研究單純的物質己經不容易了，要研究綜合性的對象就更困難了。在自然科學的研究上，最早發現土壤能淨化汙水的人是利西比（Henry Letheby, 1816-1876） 。非常有趣的是，他本身不是研究土壤的人，而是鑑定食品與藥物是否變質或摻雜，對於消費者造成毒害的人，他也是醫學史上最早推動食品與藥品安全管制的人之一
7、。公共衛生的問題利西比本來是英國倫敦醫院的化學分析專家。1846 年，愛爾蘭的馬鈴薯罹患菌害，導致大飢荒，連帶使英格蘭經濟蕭條。這時許多人吃到長黴的麵包或喝到摻雜其他草根的咖啡而生病。1848 年，利西比被英國皇家任命為倫敦市食品安全管制的負責-5-人，他由醫院走出到社會，分析市場上販售食物的安全性。他有一批幹練的助手協助，他將安全管制的範圍愈拉愈大，由食品拉到藥物管制，更擴大到居家環境。1849 年，利西比發現許多人因為住在擁擠的旅社而生病，當時的看法是旅客水土不服，但利西比分析這些旅社的空氣，發現含有硫化氫、一氧化碳等對人體有害的氣體，因此主張旅社必須通風，以減少有毒氣體對人們健康的影響，
8、這對公共衛生上很重要的貢獻。汙水下水道的起源分析旅社的空氣還不夠，利西比進而下到旅社底下的下水道，發現硫化氫的臭味是由下水道來的，而下水道的臭味是來自都市汙水居民排泄、洗濯等汙水的匯總。利西比在 1865 年提出著名的研究倫敦市公共衛生的報告 （Report of the Sanitary Condition of the City of London） ，建議城市裡的水道要分二種，一種排雨水、一種排汙水，後者稱為汙水下水道 。之後英國政府下令，開始在城市興建汙水下水道。但是汙水若不處理，建汙水下水道也不過是把都市裡的髒水排到郊外而已，問題仍然沒有解決。汙水要如何處理才能淨化呢？一位牧師的對古
9、老作法的觀察這時，有一位牧師包立許（Rev. W.R. Bowditch）邀請利西比前來參訪他牧會的地區。當地的農夫有一種作法，是在農田挖到數十公分深之後，在底部舖上黏土，再把挖出來的土壤回填上去，然後將住家的汙水用管子排到那裡，並且種上植物，幾百年來那裡的土壤從來沒有臭味，而且植物生長良好。包立許本身也是英國皇家科學會的會員，為了改善社區空氣品質，在 1862 年提出工廠所產生的含硫廢氣，在排放前通過石灰水，以減少廢氣中的硫化物含量。包立許與利西比合作，研究這種作法的緣由。他們認為土壤中的黏土能夠減緩汙水的流速，並讓土壤中的微生物分解汙水，這種地方後來稱為汙水農場 （sewage farm）
10、 ；用土壤微生物來分解汙水的機制，他們取名為自然淨化作用 。原來，土壤表面有許多微生物，是將汙水中的有機物當成食物，進而淨化汙水，這是大自然的奇妙，也是自然淨化工程的主要機制。第 3 章-6-土壤快濾淨化工程的起源環境化學之父富蘭克南在宇宙裡，氧是非常稀有的氣體，約只佔 0.8%；但地球上卻有許多的氧，占海洋重量的 85.8%、地殼的 46.6%、空氣的 23.2%。宇宙裡，沒有一顆星球像地球有這麼多氧。氧在地球上，勢必有些特殊的用途與目的，是被一般人所忽略的。許多的學門都有一門或二門最基本的學科，如果明白這基本的學科，就比較容易了解那個學門。保護地球生態環境是許多人關懷的主題，也是人類在 2
11、1 世紀所要持續面對的問題；甚至在未來，可能人類頭腦最好的一群人，可能會去對付人類自己所製造的汙染問題。在科學範疇裡，了解生態環境最基本的學科就是環境化學 ，許多有關生態環境保護的學問，包括自然淨化工程，都是由這門課延伸出去的。水質指標的設定最開始提出環境化學的人，是著名的科學家富蘭克南（Edward Frankland, 1825-1899） 。化學課本裡的化學鍵理論、有機物的同分異構物 ，都是他先提出來的。不過他對生態環境最大的貢獻是提出：汙染不只是現象的敘述，而是要經由準確的科學量測來呈現 。富蘭克南在 1868 年擔任英國皇家學會的化學教授期間，最早提出應該建立環境指標來量化環境汙染。
12、富蘭克南注意的是流經倫敦的泰晤士河水質依然不佳，因此用河流流域的觀點來探討泰晤士河的汙染問題。他首先在皇家學會內成立第一個河川水質分析實驗室 ，這是第一間環境化學實驗室，探討河川水質的指標與實驗方法。溶氧與生化需氧量經過二十五年的細心研究，富蘭克南才訂出水中氧氣的濃度（簡稱溶氧，dissolved oxygen）為河川水質汙染的指標，並訂出過錳酸鉀分析溶氧的實驗。他在 1893 年提出河川遭受汙染，水中的溶氧就會遞減，水中微生物的種類與數量就會隨之改變。缺氧時，微生物代謝產生的氣體如硫化氫，造成汙染河川的臭味。為此富蘭克南首先提出增加河川曝氣的機會，就能改善河川的汙染。他又研究水中溶氧減少的原
13、因，是微生物（尤其是細菌）代謝分解有機物時所耗掉，他稱這些耗掉的氧氣為生化需氧量-7-（biochemical oxygen demand, BOD） 。並認為增加河川的曝氧量，要超過生化需氧量，才能增加水中的溶氧量。為此，富蘭克南被稱為環境化學之父 。由於水流從泰晤士河上游，游到下游所花的時間為 5 天，他稱這 5 天細菌分解有機質所用的氧氣為5 天生化需氧量 （簡寫為 BOD5） 。迄今，BOD5 是普世河川汙染的量化指標。由 BOD5的量測裡，富蘭克南發現，空氣溶入水中所增加的溶氧量，無法滿足細菌分解有機物所需的氧氣量，因此單靠大自然的自淨作用無法解決河川汙染的問題，人類必須要負起管理的
14、責任，而非全然依賴大自然。讓氧氣持續幫助汙水淨化富蘭克南根據溶氧與生化需氧量的理論，進而提出河水淨化的設施砂濾（sand filter） ，他讓汙水流快速流過約 60 公分深的砂層，只要保持砂層的空氣流通，一方面讓砂層間的細菌分解汙水，一方面好氧狀態能夠讓原生動物（protoza）生存，原生動物攝食大量細菌，就能避免砂層裡細菌生長過多而淤泥過多，產生阻塞。富蘭克南考慮的非常周到，他將砂層底下的土壤夯實，先舖上細石子，再舖上防漏的黏土層，以免流經砂層的汙水汙染到地下水。長期以來，砂濾成為有效淨化汙水、造價與維護都低廉的工程方法。環境化學成為保護生態環境最基礎的學問，也讓人們知道地球有這麼多的氧氣
15、，利用這些氧氣，可以產生許多自然淨化的效益。-8-第 4 章礫間處理的起源穆勒在 19 世紀中期，歐洲大陸最引人注意的，是德意志聯邦重組，形成強大的國家；但在乏人注意的角落，有一個男人走到河邊，將一個鐵絲網放到水中，鐵絲網上綁著一些髒東西。幾天之後，他將鐵絲網取出，發現原來綁著的髒東西都不見了，只剩一些黏黏的絲狀物長在上面。他在顯微鏡下觀察這些絲狀物，看到一堆生長旺盛的 微生物 。他發現一個非常重要的事，原來許多微生物像是大自然的清道夫，默默地將髒東西分解掉。這個單純的實驗，開啟了一個非常重要的處理方式 礫間處理 。1850 年代，歐洲中部許多小城邦的領袖，發現夾在日漸強大的法國勢力與野心勃勃
16、的奧地利之間，要圖謀生存的方法只有聯合起來，成為聯邦，這就是德國的源起；到了 1860 年，德國由於注重工業發展，很快成為商業興盛、社會富裕的國家。惡臭河水的解決者在這一切傲人的成就之後，有一個汙點，而且這個汙點迅速地蔓延增長，就是隨著工業的發展，許多汙水排放到周邊的河川，造成河川汙染。當時德國的科學家穆勒（Alexander Muller） ，擔任柏林市政府化學分析員，當他看到流過柏林的史賓爾河（Spree River ）原本是乾淨美麗的河川，卻成為汙黑惡臭的水流，他決定採取行動。史賓爾河源自德國與捷克邊界，河流 400 公里長、流域面積 10,500 平方公里，最後流入波爾的海（Balti
17、s Sea） 。穆勒發現這條河流遭受汙染不只會影響自己的國家，還影響鄰近波羅的海的其他國家，如比利時、波蘭、瑞典與挪威。他向政府、民間提出呼籲，希望大家注意這個問題。以微生物為友沒想到德國政府認為史賓爾河汙染的問題並不重要，不值一提；德國工業界也認為他們已經納稅給政府了，管理河川是政府的事，工業界不可能再出錢處理自己的汙水；民間也反應冷淡，德國的強盛吸引了大部分國民的注意力，史賓爾河髒不髒並不重要，只要柏林有乾淨的水喝就可以了。但穆勒沒有被這些反應所擊垮，他決定自己獨立對抗汙染。由於沒有任何財力、-9-物力、法令與輿論的支持，他只能用最便宜的方式去解決。他以鐵絲網綁著腐物的實驗，發現用這方式，
18、水中的微生物可以幫助分解汙染物；既然汙水是微生物的食物，他的最大夥伴就是微生物了。大自然的汙染淨化者穆勒在地上挖了個 3 公尺的土穴，將附近的煤渣、石頭在土穴中堆置排列，直到與地面等高，然後引來汙水流經這些堆置的煤渣、石頭，讓微生物在煤渣與石頭的表面附著生長，進而幫助分解汙水中過多的有機質與營養源。這種處理汙水的方式稱為生物淨化程序 （microbiological purification process） ，雖然設備簡易，卻能發揮水質淨化的果效。這麼簡單的做法就能淨化汙水、改善河川生態環境，雖然沒有立刻獲得政府與工業界的肯定，但是引起一些科學家的注意。生長在煤渣與石頭上薄薄的微生物膜，是大
19、自然提供給人類解決汙染的好方法，後來科學家將煤渣與石頭改成有更多表面積的材料，讓微生物生長更多，以淨化濃度較高的汙水，這種設施稱為滴濾法（trickling filter） ；將原來的設備稍加改良用來處理大量較低濃度的汙染，就稱為礫間接觸 （contact bed） 。前者成為汙水處理廠的設施，後者成為最著名的現地處理方式。台灣第一座礫間接觸所用的土地面積很小，但微生物長在石頭表面與礫間，能快速且廉價的淨化河川的汙水。2003 年，台灣建造了第一座離槽式礫間接觸，處理北投地區貴仔坑溪的汙染，位置就在台北關渡自然公園裡面微生物在那裡以最廉價的方式，幫助人類淨化汙水。想看礫間處理長什麼樣子嗎？可以
20、到關渡自然公園去瞧瞧哦！-10-第 5 章草溝草帶淨化工法的起源史華露近代生態環境保護運動最強而有力的一支隊伍，來自著名的大學 麻省理工學院 ；帶隊的領袖是一位女姓，她是麻省理工學院第一位女老師、美國國家水質標準第一個訂定者，也是第一位在大學開授 環境化學 的教授。有一天，她將學校的汙水，用一條排水溝，排到學校的高爾夫球場上，引來了一些抗議，經她解釋才知道，這不只可以節省灌水的用量，球場上的綠草也可以用來淨化汙水，這淨化水質的方式，後來稱為 草溝、草帶水質自然淨化法 。汙水源頭管制史華露（Ellen Swallow, 1842-1911）是近代普世生態保護的傳奇人士，她以女性特有氣質首先提出：
21、都市汙水不解決，都市環境不會好；解決都市汙水的問題不能只靠工程，更需要對每一個家庭進行環境教育。 史華露與一些師生組成市政服務（Civil Service）隊，在學校的所在地波士頓城，花了許多時間教育城裡的婦女，不要將剩菜剩飯直接由洗碗槽的水管排出，以免阻塞水管、增加汙水處理設施的負荷。這後來影響普世將剩菜剩飯當成垃圾處理的概念，而不再直接將其排入洗碗槽的排水管。傑出的環境教育者此外，史華露也推動煮菜時少用油，因為油浮在水面上，不易被微生物接觸分解，油浮水面將減少氧氣溶入水中的機會，是造成河川水質劣化的主要原因之一，這個建議也改變歐美許多家庭的烹煮方法 少用油。史華露的看法是正確的，保護河川的
22、水質是從汙水的源頭開始管制，而非到了汙水排放的末端再作處理。史華露是與群眾溝通的高手，更是個傑出的教育家，她最著名的一句口號，是在1883 年提出：讓人類使用過的東西，安全返回大自然。 她推動工廠將低汙染或處理過的汙水回收再利用，因為減少汙水排放比處理汙水更重要；她也建議社會大眾不要將汙水當成廢水 ，許多汙水是可以再利用的，不是完全沒有用的廢水，汙水可用作城市公園、草坪、高爾夫球場等的灌溉水。結合環境化學與生態學當時有些人擔心汙水排放到河川後，會增加傳染病的流行，因此於水中加氯殺菌。史華露反對這種作法，她認為氯也會殺死水中的細菌，減少自然淨化的機制，因此史華露提出處理過的汙水可以排到長滿草的地上，讓草與其周邊土壤的微生物擔任淨化
