◆前言

水質不佳時會造成我們用水上的困擾,要判斷出水質的好壞,需要經過相當多的分析項目,每種項目測定原理及方法也都相差甚大,由本章詳細的介紹,可以幫助你了解到水質分析的重要性及學習到各種水質分析技術。詳細分析方法可參考附錄三。

 

5.1 濁度

5.1.1 概論

當水中含有懸浮物質,就會造成混濁度,使光線通過時產生干擾。在水質上,我們可以濁度(turbidity)來表現水樣得混濁程度。基本上,濁度是一個水樣之光學性質,水樣中有懸浮物質存在時,可散射光線,其散射強度與懸浮物質之量及性質有關。會造成混濁度的懸浮物質,種類相當多,諸如黏粒、坋粒(silt)、有機物、浮游生物、微生物等,其大小從小的膠狀分子,(1~100奈米)到大而分散的懸浮物質不等。

在靜止狀態下的水體,如湖泊或水澤,水中的濁度,多來自膠體粒子,但在流動狀態下的水體,如河川,水中的濁度則主要來自較粗大的懸浮物質。

在河川上游,降雨時,許多土壤因沖蝕作用而進入河川,土壤的礦物質部分及有機質部分均會導致水體中濁度的增加;河川中下游,常有工業廢水及都市廢水流入,廢水中的各類有機物或無機污染質,亦均無可避免地會增加河川之濁度,尤其在有機物流入河川後,會促進細菌與其他微生物的生長,更增加了混濁度,此外,農田施肥後之排水或養豬廢水流入河川中,會使河川中氮,磷成分增加,造成優氧化(eutrophication),刺激藻類大量生長,其結果是水中濁度的增加。由上述可知,引起水中濁度增加的物質,本質上可分為無機物及有機物兩大類,這種本質上的差異,將影響環境工程上淨化程序是否合適,增加工程上的難度。

 

5.1.2    濁度在水質上的重要性

在公共給水上,濁度是相當重要的指標,濁度高的水,在外觀上即予人不潔淨的感覺,在飲用時易受到排斥。另濁度高的水,在給水工程上亦發生困難,因會使過濾過程負荷增加,砂濾也無法達到效率,且增加清洗費用。此外,在公共用水進行消毒時,有些細菌或其他維生誤會吸附著在造成濁度的顆粒上,而得以抗拒氯氣或臭氧等消毒劑,物濁度高的水,消毒不易完全。

 

5.2 色度

5.2.1 概論

自然界的金屬離子(諸如鐵及錳離子)、泥炭土、府植質、浮游生物、水草、微生物及工業廢水等,常使水源帶有顏色,水之色度(color)由於影響水資源之觀瞻及利用,往往需要處理。

當水樣中含有懸浮固體物時,水之色度不僅來自水溶液中的物質,也會受懸浮固體物的影響。因此,我們可將色度分為真色(true color)與外觀色(apparent color)。真色是將水樣經離心或過濾的程序去除懸浮固體物所得的水樣色度;外觀色則是水樣直接測得之色度,也稱為視色。由於一般水源當pH值增加時,色度亦隨之增加,可知pH值會影響水之色度,故水樣檢驗色度時,應同時註名pH值。

前所述及色度的來源,我們可將其分為天然及人為來源,天然的來源中,有機碎屑如樹葉及木材萃取物、腐植質、木質素的衍生物等,常發生於地表水流經森林地或沼澤地區時所帶出;鐵及錳則源自礦物之溶解。人為來源較常源自工業廢水,如染整工業、造紙工業及製革工業等廢水,欲經濟有效的去除水中色度,並不是簡單的工作。

 

5.2.2    色度在公共用水上的應用

公共用水如果色度很高,消費者必然質疑水質的純淨程度,即使水質無礙健康,亦不易受到採信。因此,各國飲用水均定有色度的標準,在淨水工程上,水質工程師均相當重視色度之高低。部分水中造成色度之有機物質,在加氯消毒後,會形成含氯有機化合物,如三鹵甲烷等,則是色度偏高水質可能衍生的問題。此外,工業用水諸如紡織染整用水,對色度的要求亦很高,以避免水中色度對產品品質造成影響。

 

5.3 硬度

5.3.1 概論

水中之多價陽離子(multivalent cations)是導致水具有硬度的主要原因,多價陽離子中,尤以鈣與鎂離子兩者為天然水中之陽離子,其餘如Fe2+Mn2+Sr2+Al3+等亦可能存在天然水中,但其相對含量低,常予以忽略不計。一般而言,含石灰岩地區及土壤表層較厚地區,雨水與岩石及土壤接觸溶出較多的鈣鎂離子,故硬度較高。

 

5.3.2 硬度測定的重要性

水中硬度之高低,對工業用水之管理相當重要,這是因為大部分均有冷卻水及鍋爐系統,若不予以注意控制硬度,除會降低機械效率,增加操作成本外,尚有造成鍋爐發生爆炸之危險,故工業用水中硬度之監控處理相當重要,而需經測定硬度,表5.1為水質依硬度之分類表。

 

5.1 水質上依硬度之分類表

程度

硬度

Meq/L

mg/Las CaCO3

(soft)

<1

<50

中度(moderately hard)

1~3

50~150

(hard)

3~6

150~300

甚硬(very hard)

>6

>300

5.4 導電度

5.4.1 概論

導電度(electrical conductivity , E.C)是量測水樣導電能力之強弱,為將電流通過1平方公分斷面積,長1之液柱時電阻(resistance)之倒數,單位為毫姆歐/公分或微姆歐/公分表示。導電度的大小與水中解離之離子含量之多寡以及溫度有關。一般物質在水中解離產生電流,陽離子跑向陰極,陰離子跑向陽極,大多數的無機酸、鹼以及鹽類均是很好的導電體,但是某些有機分子如蔗糖及苯在水中不易解離,導電度相當小。導電度之測定,可以用標準導電度溶液先行調整導電度計再行測定,有些導電度計可測定導電度範圍很小,或者即使很廣,其靈敏度很差,只適合用於海水或半鹹水,有些又只適合於淡水,因此宜備有至少兩部導電度計,一部測定鹹水,一部測定淡水用。

新鮮的蒸餾水其導電度約在0.5~2微姆歐/公分,經過一段時間後會增加,增加的原因為空氣中之二氧化碳或氨等跑進去之緣故,美國飲用水其導電度在50~1500微姆歐/公分之間,台灣的湖泊水為100~400微姆歐/公分左右,工廠廢水導電度一般較高,往往超過10,000微姆歐/公分。

 

5.4.2 導電度的重要性

由於導電度之測定相當簡便,導電度計亦方便攜帶至現場使用,在環境監測上,水之導電度常被用來評估水體是否遭受污染的指標,用途相當廣泛。尤其因為海水及淡水之導電度差距非常大,在海岸地區監測是否有海水入侵現象時,導電度更屬不可或缺之指標之一。

灌溉水品質之等級,導電度為重要之評估標準之一,依美國鹽性研究所之分級,將水導電度分為六級,自C–1C–2,灌溉水之導電度可由0~250微姆歐/公分的C–1級至>6,000微姆歐/公分的C–6級,鹽分越多愈不適合灌溉,台灣省灌溉水質標準亦有導電度小於750微姆歐/公分支限值,亦即C–2級以內者,才符合灌溉水標準。

 

5.5    固體物

5.5.1 概論

除了純水外,一般天然水體之水或廢水均含有固形物(soild matter)。在水質名詞中,總固體物(total solid, T.S.)是指將水樣蒸發後,其殘留物質再某一溫度之下乾燥所得者。總固體物包括兩部分,若將水分先經過一個過濾設備,則存留在過濾設備上之固形物,經一定溫度乾燥所得之部分稱為總懸浮固體物,而其濾液經一定溫度乾燥後所得之部分稱為總溶解固體物。過濾器形式、濾紙孔隙大小、孔隙率、面積及厚度均會影響過濾結果,不僅如此,水樣的物理性質、固形物之粒徑大小定為2.0微米,水樣留存在此空隙大小濾紙之固形物經特定條件測出之部分稱為懸浮固體,

 

5.5.2 固體物測定的重要性

水中懸浮固體物的測定,在污水分析上相當重要,在事業放流水排放標準中,對各行業之放流水中懸浮固體物含量,均有詳細的規定,這是因為在污染程度之研判上,它具有指標的作用。而在一般污水處理單元設計上,污水中固體物亦為移除之重點,故固體物測定可用於評估處理方法之效率。

水中溶解固體物含量,是飲用水水其標準中之重要項問之一,在台灣省自來水水質標準中,訂有500毫克/升之限值,故在飲用水之處理程序中為考慮之指標之一。此外,沈降性固體物之測定為污泥性質之重要項目,對污泥之處理方法有重要的參考價值。

 

5.6 氫離子濃度指數(pH)

5.6.1 概論

1887年瑞典科學家Arrhenius提出游離理論,認為水溶液中會產生氫離子(H+)者為酸,而會產生氫氧離子(OH-)者為鹼。依其理論,強酸與強鹼在水溶液中之解離相當大,弱酸與強鹼的解離度則相當小。當水分子解離時,會生成部分的氫氧離子,其反應式如下:

H2O         H+(aq)+OH-(aq)

當加酸入水中時,由於H+濃度大增,為了維持Kw為定值,OH-濃度就減少;相反的,加鹼於水中時,則OH-濃度大增,H+濃度及減少。不管水中H+OH-濃度如何變化,其H+OH-濃度的乘積Kw恆為常數,室溫時為1.0×10-14

為了避免使用冗長的指數,來表示氫離子的濃度,1909年瑞典化學家Soreson氏建議以負對數值來取代莫耳濃度,日後廣被採用,即所謂的pH值,有時逕稱「氫離子濃度指數」,以下式表現之:

pH=-log[H+]pH=log1/[H+]

同法可用pOH = -log[OH-]pKw=-logKw等。pH值的範圍,一般在014之間,純水為中性,其pH值為7.0,當溶液為酸性時,[H+]>10-7MpH值將小於7,即pH值越小酸性越強,反之,溶液為鹼性時,[H+]<10-7MpH值大於7,即pH值越大鹼性越強。

天然水之pH值受碳酸鹽系統(carbonate system)影響很大,以降雨為例,由於雨水吸收空氣中的二氧化碳,形成碳酸,使其在正常情形下pH常低於5.65左右,若再受工業污染物之影響,則可能成為酸雨,pH值甚至可低至2.0

 

5.6.2    pH值測定的重要性

大部分的水生生物,均對水環境中pH值範圍相當敏感,因此,基於維護生態平衡的考量,事業放流水之排放,均需控制其pH值,以防止對水生生物的衝擊。

在環境工程上,不論是給水或污水之處理,pH值的控制均相當重要,這是因為pH的高低,對於沉澱、化學混凝、消毒、氧化還原及水質軟化……等處理程序均有影響。此外,再利用微生物處理廢水時,pH值必須控制在有用的微生物有利的範圍內。

 

5.7 溶氧

5.7.1 概論

自然界的水,由於與大氣接觸,或多或少溶解氧氣,這些氧氣稱為水中溶氧(dissolved oxygen, DO)。水體中溶氧濃度經常受到系統中生物,物理及化學程序之影響,隨之改變。由於幾乎所有的生物,均仰賴溶氧的維持代謝程序,並產生能量來生長與再生細胞,水中溶氧濃度與水生生物相當重要。

氧在水中溶解度不大,在20oC1大氣壓時約30毫升/升溶解度與溫度及大氣中氧之分壓而改變,溶解度隨溫度及大氣中氧之分壓而改變,遵循亨利定律(Henry Law),如下式所示:

[O2]=Kh×Po2

式中[O2]為水溶液氧氣之平衡,Po2為氧氣之分壓,Kh則為亨利常數,其值隨溫度而異,當溫度高時,Kh值較低,溫度低時,Kh值較高。因此,在夏季時溫度偏高時,水中溶氧值偏高,水中溶氧值偏低,再冬季時,水中之溶氧值就會偏高。有些魚類只能生長在水中溶氧較高高冷山區,當改變環境製溫熱之平地,就會因缺乏溶氧而死亡。

水中鹽分含量亦會影響氧之溶解度,一般鹽分愈高,則溶氧量愈低。以20 oC之純水為例,其飽和溶氧量為9.07毫克/升,但20 oC之海水,飽和溶氧量只有7.33毫克/升。

 

5.7.2 溶氧測定在水質測定的重要性

在各種不同水體,溶氧含量常是水質優劣之重要指標。以河川為例,溶氧含量在未受污染區段通常很高,甚至可達飽溶氧量,但在遭受有機物污染時,水中微生物繁殖,會消耗氧氣,溶氧值即降低,嚴重時甚至接近0毫克/升,溶氧小於2.0毫克/升之河川水,屬戊類水質,甚至不適於灌溉用水之用途。在評估河川水質污染情形時,溶氧測定可謂是不可或缺之工作。

在廢水處理程序中,往往需利用好氧性微生物來分解廢水中之有機污染質,這時水中溶氧的控制就顯得很重要,為了維持適量的氧氣,不致因太多而浪費,太少而處理效果不佳,經常性的溶氧測定是無可避免的。

工業用水中,蒸氣鍋爐之用水是相當講究水中溶氧之去除的,因氧氣會使得高溫下之鍋爐鋼管發生腐蝕的問題,故加入除氧劑以去除溶氧,此時溶氧之測定有其必要,管理人員可由溶氧之數據控制除氧劑的用量,以達最佳操作。

 

5.8 氯鹽

5.8.1 概論

氯離子(Cl-)是水及廢水中主要的陰離子之一,他在不同的水中有不同的濃度範圍。一般在山區及河川上游的地表水中,氯鹽(chloride)之含量甚低,但河川下游或靠海的地下水中,有時含量很高,這可能與部分礦物溶出及農工廢水中氯鹽之進入有關,另一個原因是海水中氯鹽含量極高,平均為19,000毫克/升,沿海地區的地下水,會與海水達到流體靜力平衡,過度抽取地下水,會破壞此種平衡,而使海水易於入侵,地下水中之氯鹽含量就急遽增高,這種情況,在台灣的嘉南、高屏及宜蘭地區,已有許多報告提出。

人類的排泄物,特別是屎,所含氯鹽頗多,因此,生活污水中含有相當量的氯鹽。此外,許多工業廢水,亦含有大量之氯鹽。這是人為污染比較重要的兩個來源。

水中氯鹽含量較高時,水會帶有鹹味,尤其當主要陽離子為鈉離子時,氯鹽達250毫克/升即有鹹味,然而,若主要陽離子為鈣與鎂離子時,即使氯鹽含量高達1000毫克/升亦不覺得有鹹味。氯鹽含量高的水對金屬管線及結構有害,也不適於灌溉之用。

 

 

 

5.8.2 氯鹽測定之重要性

由於氯鹽為水及廢水主要陰離子之一,在一般環境監測工作上,為了解主要水質結構,均將氯鹽列為測定項目。目前我國飲用水及灌溉用水之水質標準中,均對氯鹽濃度定有限值250毫克/升。

氯鹽之來源有限,測定容易,有不易被吸附及不分解之性質,故常作為水質污染物追蹤之目標,以往有許多文獻亦以氯鹽為追蹤劑(tracer),研究環境中之污染物傳輸現象。

 

5.9 硫酸鹽

5.9.1 概論

在天然水中,硫酸根離子(sulfate, SO42-)為重要的陰離子之一。其含量可由每升幾個至數千毫克,在硫化礦物氧化時進入天然水之情況普遍。當其含量過高時,對某些用水標的會造成不良影響。以工業用水為例,SO42-之濃度過高,則會在鍋爐及熱交換器上形成水垢,阻礙這些設備傳熱效率。灌溉用水中,SO42-濃度過高時使土壤酸化危害作物。而在飲用水中,SO42-之濃度過高,則會危及人體健康。

在缺乏氧氣及硝酸鹽的環境中,硫酸鹽可作為氧的供給者,亦即電子接受者,以供厭氧細菌進行生氧化,而SO42-本身則被還原成S2-,依系統中不同之pHS2-HS-H2S分別成為優勢之化學型態,當pH8左右,最優勢的型態為HS-pH值在8以上,則漸漸轉為S2-為主,pH值在8以下,則S2-不存在,漸漸由HS-為主,轉為以H2S為主,由於H2S有臭味故在缺乏氧氣的環境中,SO42-會間接引起臭味,且在酸性情況下愈形嚴重。硫化氫氣體不僅產生臭味,亦具有相當強的腐蝕性。

在下水道管路中,若氧的供應不足,廢水中SO42-即發生還原反應產生H2S,當H2S溢出至管路之氣相中時,又會發生氧化反應,這個氧化反應通常發生在管頂,由於為H2SO4強酸,會腐蝕混凝土,下水道管頂因此產生所謂的「皇冠型」腐蝕。

 

5.9.2    硫酸鹽測定之重要性

原來進行SO42-的分析可了解其是否適合公共用水、工業用水及灌溉用水之用途。在河川溶氧不足的情況下,SO42-會還原成H2SNH3CH4等氣體同時放出,發生臭味,降低環境品質,此外,地下水或地表水中,SO42-均為最重要的陰離子之一,可瞭解水質之化學結構,因此,水中SO42-之測定廣用於環境品質監測。

廢水與污泥在厭氧消化反應發生時,SO42-會還原產生H2S,造成臭味及腐蝕的困擾,這種現象為環境工程師所需注意的。硫酸鹽測定資料因此可供廢水與污泥處理程序中,工程師決定處理流程、處理設備及設計尺寸大小之參考依據。

 

5.10

5.10.1 概論

對所有生物而言,氮素(nitroqen, N)是最重要的元素之一。動物一般無法利用大氣中的氮氣(N2)或無機態氮來製造所需的蛋白質,而必須攝食植物或其他動物來供應之。植物則利用無機態氮來製造蛋白質,鑒於N對植物營養的重要性且經常缺乏,我們對作物施肥首重N的補充,N乃居肥料三要素之首。然而,N供給量太多也對植物生長會造成不利影響。在環境污染上,N污染亦日益受到重視,包括造成水體優氧化(eutrophication)、生態平衡及衛生上的問題等。

氮素在生物界的變化相當複雜。一般將氮化合物分為無機態與有機態兩大類。無機態氮以七種不同氧化態存在著:

NH3 , -3 ; N2 , 0 ; N2O , +1 ; NO , +2 ; N2O3(NO2-) , +3 ; NO2 , +4 ; N2O5(NO3-) , +5

這些型態中以-3 , 0 , +3 , +5四種氧化態在生物界中最為重要。有機態氮則大都以-3價存在。NH4+(NH3)經硝化作用(nitrification)氧化成NO2-,然後NO3-NO3-可經硝酸還原作用(nitrate reduction)還原變成NO2-後再還原成NH4+,也可經脫氮作用(denitrification)成為氮氣,而氮氣又可經氮素固定作用(nitrogenfixation)形成NH4+,上述反應都是由為生物催化進行的氧化還原反應。而有機氮經氨化作用(ammonificaiton or deamination)成為NH4+NH4+經生物同化作用作用(amination or biosynthesis)轉變成為有機氮則為非氧化還原反應,但仍需藉助為生物催化進行。環境中氮化合物存在的形態,主要不外乎前述的有機態氮、氨態氮(amonia nitrogen, NH3-N)、亞硝酸態氮(nitrite, NO2--N)及硝酸態氨(nitrate, NO3--N)。有機態氮如動物糞尿中,含有大量尿素(urea),尿素易受尿素分解酵素(urease)分解而成為兒態氮,動植物體內的蛋白質亦會在動植物死亡後受細菌的作用生成氨態氨,這些氨態氨進入環境後,在好氧條件下,亞硝酸菌群(nitrosomonas group)會將其轉變成亞硝酸鹽,然後又可再為硝酸菌群(nitrobacter group)氧化成硝酸鹽,水體中NH3–NNO3--N是無機態氮存在的主要形態,NO2--N較少見且濃度通常甚低。典型的污染水,其中氮化合物的化學型態與受污染的時間有關。初期主要為有機態氮及NH3–N,隨著暴露於空氣中的時間增加,而慢慢氧化以NO3--N形態出現。

 

5.10.2 氮素測定之重要性

在自然水體中,氮素測定的結果是判定水質好壞之重要依據。以台灣現行之水體水質標準及河川污染指數(river pollution index, RPI)為例,氨態氮濃度均為重要水質參數之一。原水中氨氮濃度偏高時,自來水廠即需增加加氯消毒之量,且指示原水可能受到污染。在各國飲用水水質標準中,一般均定有氨氮、硝酸態氮、亞硝酸態氮之限值,認為氨氮及亞硝酸態氮為「影響適飲性物質」,而硝酸態氮則屬於「可能影響健康之物質」。由於硝酸態氮含量過高的飲用水,已有造成嬰兒罹患「藍嬰症」(methemoglocinemia)之病例,飲用水中硝酸態氨的測定相當受重視。

氮素為微生物生長最重要的元素之一,因此,在廢污水生物處理程序中,氮素的控制為一重要的課題,需經常予以測定,以決定是否須補充氮源。氮含量高的廢污水,如養豬場廢水,若排入環境水體中,亦促進藻類及水生植物的生長繁殖,使水體優氧化,故排放水中的氮素含量測定,亦頗受重視。

 

5.11

5.11.1        概論

天然水中之磷(phosphorus)幾乎全部以磷酸鹽(phosphate)的型式存在,磷酸鹽又可分為正磷酸鹽(orthophosphate)、縮合磷酸鹽(condensed phosphate)及有機磷酸鹽(organic phosphate)三類,前兩類亦稱為無機磷酸鹽,縮合磷酸鹽又稱聚磷酸鹽(polyphosphate)在水溶液中會逐漸水解,成為正磷酸鹽。水中磷酸鹽之存在型式,常和其來源有密切相關。正磷酸鹽化合物常被使用作為奴定之磷肥,故經降雨之逕流會將其帶到地面水中。縮合磷酸鹽則大量使用於各類之清潔劑中,少部分使用於水質處理系統,如鍋爐、冷卻水塔等,均有很多機會進入地表水中。有機磷酸鹽基本上是由生物程序所形成的,污水中之有機磷化合物常來自人體排泄物、食物殘渣、水生植物等。

天然潔淨的水體中,藻類及其他水生生物繁殖不易,當水體由於日久的沖積或人為的污染,有機物和植物養分大量增加,導致藻類的大量生長,水體優氧化,水質漸趨劣化,在藻類本身死亡的過程中,會消耗大量溶氧,使水體處於厭氧狀態而發生臭味。在優養現象發生的過程中,水中氮與磷的濃度極為重要,限制其濃度,即可控制藻類之生長,亦即控制優氧現象,在生長條件下,無機磷化合物的臨界濃度為0.005 毫米/克左右,高於此濃度,水體中之藻類即可繁殖。

 

5.11.2 水中磷酸鹽測定之重要性

水中磷酸鹽濃度的測定在環境品質測定工作中相當重要。當水體中之磷酸鹽濃度偏高,則水體有優氧化之虞,這在作為公共給水用途的湖泊及水庫特別需要留意。

磷酸化合物,廣泛的用於鍋爐水及冷卻水塔循環水水垢抑制劑中,監測其濃度,可供判斷水垢抑制劑之用量是否足夠,而採取必要之調整措施,以防水垢之形成,降低傳熱效率。以生物處理法處理廢水時,微生物需攝取磷來維生,並合成新細胞組織,故處理系統中之磷含量是否能供微生物所需是重要的課題。在許多工業廢水中,其含磷量並不足以供給微生物最適的生長,故往往要加些無機磷酸鹽化合物至處理系統中,因此,在廢水生物處理程序中,磷酸鹽含量的測定是基本的工作之一。

 

5.12     生化需氧量

5.12.1        概論

生化需氧量(biochemicaloxygen demand, BOD)係指水中有機物質在某一特定的時間及溫度下,由於微生物的生物化學作用所耗用的氧量。BOD值的大小可表示生物可分解的有機物的多少,用以指示水中有機物污染的程度。

在自然的條件下,許多在水中的有機物是會分解的,分解的程序以微生物進行氧化作用為主,完全的分解可使有機物氧化成CO2與水。BOD之測定基於此原理是一種生物分析,應提供微生物在實驗進行期間良好的環境條件進行生物化學作用,這些環境條件諸如:無有毒物質、存在細菌生長的營養成分如氮、磷、鈣、鎂、鐵及微量元素等。在某些狀況之下,水樣不含適量之微生物,則需予以植種(seeding),這在高溫、pH過高或過低、經消毒之水樣常發生。

由於有機物完全生物氧化所需的時間相當長,一般需20日以上,在分析上有其缺點,標準檢驗法中乃規定5天培養時間,再這段培養時間內,水樣中易為生物氧化的有機物已有70~80%完成反應,大致可符合實務上的需求,故廣受採用。此外,生物氧化速率亦與培養之溫度息息相關,溫度較高則一般氧化速率較快,溫度較低則速率慢,標準檢驗法中是採用20℃為培養箱之溫度。

 

5.12.2        生化需氧量測定數據之重要性

BOD是測量生物性可氧化有機物的唯一方法,在環境科學或工程上具有廣泛用途。由於BOD可指示水中有機物污染的程度,故舉凡水體之水質標準分類、放六水標準擬定、河川污染程度評估及環保稽查處分等等法令或工作,均以BOD測定結果為重要依據。

污水處理工作上,BOD資料之應用亦相當重要,諸如污染負荷之計算、設計處理單元、污水處理效率之評估等,均經常依據BOD測定數據來執行。因此,BOD之測定,在環境科學或工程的領域中,是無可避免的工作。

 

5.13 化學需氧量

5.13.1 概論

化學需氧量(chemical oxygen demand, COD)係指水中有機物質在酸性及高溫條件,經由強氧化劑將其氧化成CO2H2O,所用的氧量。與BOD類似,COD值的大小可表示水中有機物的多少,用以指示水中有機物污染的程度。

在測定COD的過程中,近中之有績物不論其是否屬微生物可氧化者,均會氧化成CO2H2O。例如葡萄糖屬微生物易氧化之有機化合物,而木質素就相當不易被微生物氧化,但兩者在COD的測定過程,均會被完全氧化。因此,一般而言,COD值較BOD值高,其間之關係隨水樣性質不同而有所不同,有些研究針對某些性質廢水求得CODBOD之相關式,則可由COD值估算測定耗時的BOD值。

COD測定中所用的氧化劑,如重鉻酸鉀(K2Cr2O7)、高錳酸鉀(KMnO4)、碘酸鉀(KIO3)、硫酸鈰〔Ce(SO4)2〕等均曾被廣泛研究有效,但目前僅重鉻酸鉀及高錳酸鉀較常被使用,尤其並者最常見。採用不同的氧化劑,COD的測定數據就不同,在作比較不同來源的數據時,應注意是否採用相同氧化劑所測定之COD值。

 

5.13.2 COD測定之重要性

在顯示水中有機污染物含量方面,總有機碳(total organic carbon, TOC)BODCOD三項水質參數最常被使用,由於TOC測定儀器設備價格高昂,BODCOD兩項指標較廣受採用。COD測定約3小時即可在一般實驗室完成,而BOD量測則需耗時5天,因此,需要迅速得到水質資料以供分析研判時,COD測定尤具實用價值。此外,當同時測得BODCOD數據後,可研判水樣中是否有毒性或抗生物分解有機物之存在。

BOD數據類似,COD數據廣泛用於水體水質分類及各事業流水稽查處分等事務中,尤其在污染取締工作上,因常具有時效性,COD之測定相當廣泛。在污水處理工程上,COD值常被用於取代BOD值,應用於諸如污染負荷之計算、設計各處理單元尺寸、污水處理效率之評估,尤以例行性管理維護工作為然。

         

5.14 總有機碳

5.14.1 概論

天然水體之有機物含量低,但是受養豬廢水、家庭廢水、工業廢水、垃報滲漏水之污染後,中有機物含量卿會大量增加。水中有機物可依其親、疏水性及酸、鹼性,分成腐植酸(humicacid)、黃酸(fulvicacid)、親水性酸(hydrophilicacid)及中性親水性物質(hydrophilicneutral)等四大類。前兩者屬疏水性大分子有機物,親水性酸大部分帶有較強羥基和羧基之聚電解質酸,而中性親水性物環則包括碳水化合物、羧酸、氨基酸、碳氫化合物等較小分子化合物。各類有機物在消毒程序時,原水在含大量有機物情況下,即與氯氣接觸,有生成致癌性氯化有機物之可能。

水與廢水中之有機物,其碳素係以不同的氧化狀態存在,某些碳素可被生物利用氧化,我們可以生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)來加以量化,而一般有更多的碳素可用化學氧化劑加以氧化,形成CO2,我們則可以用化學需氧量(chemical oxygen demand, COD)加以量化。然而,仍有部分碳素無法以生物或化學方法加以量測。

總有機碳是比起CODBOD較為方便且直接的碳素表現方法,它是指與有機物結合之碳素。理論上重覆量測大量基質成分相似樣品之TOCBODCOD可求出它們相關之實驗式,我們就可以測定其中一項而來估算其他項目之值。不過,一般並不認為TOC可取代BODCOD之測定。

水中的碳素除了TOC外,尚有有機碳(inorganic carbon, IC)的分,IC包括碳鹽、氫碳酸鹽、溶解之CO2等,TOCIC總稱「總碳」(total carbon,  TC),許多分析儀器可同時測定TOCIC。事實上,TOC尚可再分為溶解性的有機碳(nondissolved organic carbon,  NDOC)。溶解性的有機碳之測定,可將水樣經過0.45微米之濾紙,濾液測其有機碳,而留存在濾紙上之顆粒性有機碳素即為NDOC之部分,一般由TOCDOC值相減求得。

 

5.14.2 總有機碳測定的重要性

總有機碳之數據,直接顯示水樣中有機物所含的碳素之量,這是顯示水中有機物含量多寡相當簡便有效的辦法,故廣泛用於環境調查分析與監測的工作。有機物的種類繁多,且大多定量步驟相當複雜,因此,在進行某些有機物處理效率之研究時,往往以總有機碳之分析結果代替個別有機化合物的分析結果。有機物含量低的天然水,TOC之數據通常較準確,不若BODCOD之分析數據誤差較大。在水樣中鹽分或氯鹽含量偏高的時,BODCOD之分析數均有困難,但TOC之分析則不受影響,其數據亦相對較可靠。

 

5.15 油脂

5.15.1 概論

油脂(oil and grease)係泛指可用特定溶劑自水樣中萃取的各種有機化合物。一般常用之溶劑為三氟三氯乙烷(trichlorotrifluoroethane, C2F3Cl3)烴類、醚、油、脂肪、蠟與高分子量脂肪酸等,均可於此種溶劑。年來,由於氟氯碳化合物會破壞臭氧層,引起人們的注意,部分方法已改用20 MTBE (methyl-tert-butyl ether)80%正已烷(n-hexane)混合溶劑來取代三氟三氯乙烷,其萃取效果與三氟三氯乙烷差不多。正已烷對油脂之溶解力亦佳,可單獨作為萃取用溶劑,唯三氟三氯乙烷之最大容許暴露量甚高,比正已烷安全。此外,氯仿(chloroform)、乙醚(diethylether)與其他溶劑曾被使用過,但均各有缺點,如氯仿對醣類溶解力差,故漸不受採用。

受污染水體中之油脂來源主要來自家庭污水及工業廢水。油、脂肪、蠟與脂肪酸均為家庭污水中的主要油脂物質,其產生過程諸如洗衣、烹調、清洗地板…等日常生活各種行為均無可避免地會把油脂帶入廢水中,導致家庭污水中之油魯含量偏高。工業廢遊中之油脂含量依工業類別及工廠製程而不同,某些工業如石化業、油脂業、食品業、屠宰業:等,其廢油中往往含可觀之油脂濃度,若不予以移除,常會引起其他廢水處理程序的困擾。

廢水中油脂含量過高時,會千擾好氧或厭氧生物處理程序,導致處理效率降低。當含高濃度油脂的廢水排入自然水體後,由於會導致水面上有一層油膜,使氧氣無法自空氣中溶解進入水中,而造成水質劣化。在污泥消化槽,油脂會分離並浮在液面,形成浮渣層,這是因其不溶於水且比重通常較小之故,浮渣層形成之後,將造成污泥處理之困難。

 

5.15.2 油脂測定之重要性

在環境監測方面,許多法規定有水中油脂含量的標準,如工廠放流水水質標準即有此規故油脂測定成為例行環境監測工作之一。

在廢水處理,各處理程序前後廢水中油脂含量之變化,為評估處理效率及謀求改善之重要指標之一。如廢水沈降前後油脂的測定,可評估各級沈降槽的效率。

油脂的測定,亦廣泛應用於污泥處置。測定污泥消化作用前後樣品中的油魯含量,即可瞭解厭氧消化過程中油脂分解之量。當污泥消化設備,產生浮渣問題時,油脂測定可提供有價值的資料。

 

5.16 陰離子介面活性劑

5.16.1 概論

清潔劑(detergents)泛指各種具清潔污物功能之省質,在日常生活方面,如清洗衣服、碗盤時被廣泛使用。清潔劑中具有能使油與水的界面消除之成分,稱為界面活性劑(surfactants),其分子基本上具有兩端,一端為疏水性基團(hydrophobicgroup),易溶於水,這種分子結構,使其在油水交界面造成起泡(foaming)、乳化(emulsification)及顆粒懸浮等作用。界面活性劑的疏水性基團係碳氫長鏈分子,碳數在1020個之間,親水性基團則可分為兩類,一類為離子性,再細分為陽離子及陰離子,另一類為非離子性。在美國,離子性的界面活性劑占生產量之三分之二,其中陰離子界面活性劑產量又約為陽離子界面活性劑之10倍以上,故陰離子界面活性劑可說是最重要的界面活性劑,廣泛使用於清潔劑中。市售清潔劑約含20~30%界面活性劑,另外70~80%的添加劑,如硫酸鈉、三聚磷酸鈉(sodium tripolyphosphate)、焦磷酸鈉(sodium pyrophosphate)、矽酸鈉(sodium silicate)等,以加強其活性。

 

5.16.2 陰離子界面活性劑測定之意義

在天然水中,界面活性劑之含量應在0.1毫克/升以下,但家庭污水之污泥,每克污泥(乾重)即吸附陰離子界面活性劑120毫克,而普通家庭污水,亦可測出1~20毫克/升之陰離子界面活性劑。

除了家庭污水外,工業廢遊中亦常可測出相當可觀的陰離子界面活性劑,這通常是因其生產流程中有清洗程序,必須使用界面活性劑,但有時也因製程中之其他程序所需。

 

5.17 鐵及錳

5.17.1 概論

鐵及錳均為岩石及土壤之成分之一,特別是鐵,它是一個存量豐富之元素,因此,鐵的含量往往高於錳。一般而言,水中不常發現鐵之含量超過10毫克/升或錳之含量超過2毫克/升。

鐵之氧化數以+2+3為主,而錳則包括+2+3+4+6+7,當水中有溶氧存在時,三價鐵及四價錳是唯一比較穩定的氧化態,由於此二種化學形式具很強的不溶解性,顯示水中有溶氧時,鐵與錳含量將極低。在湖泊或水庫底部,厭氧狀態將可溶性低的三價鐵轉變成較與溶解的二價鐵,四價錳則轉變成較易溶解的二價錳。

當水源中含鐵時,將造成下列問題:

1.         導致水中有金屬的味道。

2.         紙、纖維或皮革等工業產品將產生顏色。

3.         家庭用品如玻璃、碗盤等將被沾染顏色。

4.         衣服可能染上黃色或棕黃色。

5.         鐵的沉澱會阻塞管路並促使鐵細菌之繁殖生長,造成「紅水」問題。

6.         在低流量時,鐵細菌將引起味道及臭味問題。

錳的問題相當類似鐵,可能造成之問題如下:

1.         在高濃度時,錳將產生味道的問題。

2.         類似鐵,錳亦將使工業產品產生顏色

3.         家庭用品將沾染棕色或黑色。

4.         衣物可能變灰暗或顯得髒。

環境工程上,最常用以去除鐵及錳的方法為曝氣、然後沉澱、過濾。曝氣程序可去除CO2並提高pH值,且引入氧氣氧化二價鐵及二價錳,使成三價鐵及四價錳,雖然有很多種類的曝氣設備,但是常用者為焦炭盤(coke tray)。另有研究指出,有機鐵及錳以氧、氯或高錳酸鉀氧化之去除率低,故應用明礬混凝,然後再進行沉澱及過濾的程序。

 

5.17.2 鐵及錳測定的重要性

自然界之水,以地下水含鐵錳量較多,地面水相對較少,此係由於水中鐵錳大部分來自地層之故。由於地下水是主要的水資源,且常作為飲用水及工業用水之用,為免造成使用上之困擾,鐵錳之測定成為環境工程上重要的分析項目,其數據可作為工程師決定是否需加以處理及處理方式之依據。在給水工程上,鐵與錳之去除是重要的課題,其去除效率之評估,以須依照例行性的鐵與錳測定數據進行。此外,鐵管與鋼管的腐蝕現象,會使管線中的水成為「紅水」,鐵含量的測定,可供瞭解腐蝕程度,以謀求方法解決之用。

 

5.18 重金屬及微量元素

5.18.1 概論

重金屬係指密度大,且絕大部份在週期素中屬於過渡元素之重金屬化合物及其離子,如鎘(cadmium, Cd)、銅(copper, Cu)、鋅(zinc, Zn)…等元素;而微量元素是指在環境中含量甚低,但往往對植物及生物體正常生長卻是不可缺少之元素,如鈷(cobalt, Co)、硼(boron, B)…等元素。水中之重金屬及微量元素若含量太高,則通常往往會對水體中生物造成危害,或經由食物鏈中之生物累積(bioaccumulation)現象,而對人體或高等動植物產生毒害,因此,許多水體用水或標的用水均定有管制標準,現階段各國飲用水中重金屬與微量元素之水質標準,由於各國之飲用水質背景及處理技術不同,故在標準之訂定上亦有其相異之處。

水中重金屬與微量元素偏高之原因除特殊之天然環境所導致外,工業污染物其主因,排放各類污染物質之工業類別列如表一所示,電鍍、製革、化工、染色、電池、農藥等工業為重要之污染源。而雖然可能出現在水樣中之重金屬與微量元素之種類相當多,考量其流佈廣泛情形及毒性較高首,在環境工程中主要分析項目包括:鎘、鉻、銅、鋅、鎳、鉛、砷、及汞八項,表5.2 為排放重金屬與微量元素污染物質之工業類別。

 

5.2 排放重金屬與微量元素污染物質之工業類別

污染物

工業類別

(Cr)

電鍍、鞣革、染料、化學工業、鋁極、冷卻水防蝕

(Cu)

鍍銅、金屬浸洗、銅礦、通信器材、金屬冶煉

(Zn)

電鍍、橡膠黏膠絲、農業殺蟲劑、煉鋅

(Pb)

電池製造、塗料、鉛礦、汽油、油漆

(Cd)

煉鋅、鋅礦、電鍍、礦石

(Ag)

電鍍、照相

(As)

採礦、製革、塗料、藥品、玻璃、染料、羊毛浸洗、農藥

(Hg)

鹼氯工廠(水銀電槽)、紙業、農藥、塑膠工廠、溫度計、纖維、農藥。

資料來源:江漢全,「水質分析」。

 

1. 鎘:鎘及其化合物廣被用於電鍍、油漆顏料及塑膠工業中,另如電池、照相材料亦常使用。以塑膠工業為例,在塑膠加工過程中,必須加入安定劑,以抑制光和熱所引起的分解作用,特別是聚氯乙烯(PVC)為主料的軟性塑膠加工業尤為重要,塑膠安定劑的組成即為硬脂酸鎘及硬脂酸鉛。據近年統計,台灣地區進口之鎘大多用於硬脂酸鎘之製造,少部分用於金屬鍍鎘及其他用途,而在桃園縣造成「鎘米」事件的高銀及基力化工廠都是塑膠安定劑的製造廠,其工廠之廢水係先排放進入排水渠道後,而由農民引灌農田,造成土壤及稻米的大量累積。

2. 鉻:鉻及其化合物在工業上之主要用途為合金、防蝕、耐火材料、催化劑等。另鉻酸鹽用於油漆,並可製成實驗室用之酸洗液。各類型廢水排放入水體後,鉻主要以鉻酸鹽形式存在,會引起人的鉻酸鹽中毒、皮膚粗糙、肝臟受損、致癌等。

3. 銅:銅在工業上之主要用途為製造銅線、合金等。硫酸銅(CuSO4)為相當有效的殺菌劑及殺藻劑,常被用於果樹及其他農作物之生產,而得以進入土壤、農田排水中,亦有機會經由施入水體控制藻類生長而殘留於水體中,當其濃度偏高,如大於1.0毫克/升時,會使魚類中毒。

4. 鋅:鋅之最重要用途為鐵金屬外皮之鍍鋅、亦常用於油墨、化菻~、油漆、橡膠等,上述工業廢水或棄物、污泥等,未經適當處理,均有可能污染水體,所幸其毒性不高。

5. 鎳:鎳在工業上最大的用述為鋼及合金之生產,也用於油漆原料、化菻~、機械零件、電池皮電接點等,這些工業產生的廢水或廢棄物污泥等,皆為水體中鎳污染之來源。

6. 鉛:鉛在工業上主要用途為汽車蓄電池、汽油抗膿劑四甲基鉛及四乙基鉛。蓄電池製造業之廢水或廢棄物如處理不當,會污染水體,使鉛之含量偏高;而汽油中添加之鉛化合物,將於燃燒時形成含鉛之粒狀污染物逸散至空氣中,最後掉落至地表或被雨水帶下,而造成水體中鉛含量之增加。

7. 砷:砷在工業上主要用途為玻璃器皿、陶瓷製造、製革、染色、農藥及化學製品等。砷元素在水中一般以AsO43-AsO33-等陰離子形態存在,長期飲用含砷量高的井水,被疑與烏腳病之發生有關,水中砷之來源,除由地質而來,工業廢水或廢棄物、農藥為其主要污染源。

8. 汞:汞廣泛地用顧汞齊、科學儀器、電池、農藥、燈管等工業中,在鹼氯工業(生產氯氣及苛性鈉)以電解法進行生產時,係以汞為陰極,而在塑膠的生產中,汞也被用為觸媒。水體中汞之來源,主要為上述工業產生之廢水或廢棄物之不當排放。

 

5.18.2 金屬與微量元素測定之重要性

在環境監測方面,水中重金屬與微量元素之含量多寡是相當重要的資料,故許多法規均定有標準,如事業放流水水質標準、水體水質標準、飲用水水質標準、灌溉用水水質標準等,部分有毒的重金屬如鎘、鉻、汞、鉛等尤被列為例行檢驗項目之一。

給水及污水工程中,重金屬與微量元素之去除亦為重要的程序之一,為評估其處理效率,淨水廠及污水處理廠常需進行水樣中重金屬與微量元素含量之測定。

 

5.19 總菌落數

5.19.1 概論

在自然界裡,只要有水的地方就有細菌存在。細菌屬原核細胞之微生物,大不分細菌係大小在0.5~3μm左右的單細胞。細菌依其形狀不同,可分為球菌(coccus)、桿菌(bacillus)及螺旋菌(spirillum)等三種;依氧氣需求程度不同,可分為好氧菌(aerobes)、兼性厭棄菌(facultative anaerobes)、厭棄菌(anaerobes)及微好氣菌(microaerophiles)等四種;依營養要求性之不同,則可分為自營菌(autotrophic bacteria)及異營菌(heterotrophic bacteria),前者僅需無機物就可生存,後者則需依賴有機物為碳源,而氮源為無機或有機氮化合物皆可;此外,依革蘭氏染色性之不同,可將細菌分為革蘭氏陽性菌(gram-positive bacteria)與革蘭氏陰性菌(gram-negative bacteria)

細菌在合適的條件下,大部分可以分裂法來進行增殖,由分裂出新細胞開始,至其長成再分裂,稱為一個「世代」,其所需花費的時間則稱為世代時間(generation time),於一定的培養條件下,各菌種皆有其世代時間,在適宜條件下,大腸菌(escherichiacoli)與枯草菌(bacillussubtilis)之世代時間約各為2025分鐘左右。由於細菌的世代時間大都並不長,我們可將含菌的水樣經過適當的稀釋之後,取其一定量培養於適當的培養基上,經一段時間後,依培養基上的菌落(colony),數來推算水樣中之總菌落數,稱生菌數。

細菌體之成分與一般動植物類似,除了含有大量的水(80 %)之外,上含有醣類、脂肪、蛋白質等有機物成分,以及磷、鉀、鈣、硫、氮等無機成分。為了獲得能源及合成菌體成分,細菌必須不斷地自外界攝取營養成分,這些營養成分包括氮源、碳源、無機鹽及微量元素,因此,在細菌的培養基應能供給上述營養成分才是良好的培養基,在一般潔淨的水中,並無法供應上述營養成分,細菌之生長繁殖因而受阻,但在污染的水體中,往往提供細菌良好的營養成分,促使細菌大量繁殖,這也是污染的水體中總菌落數通常偏高的基本原因。水中的總菌落數的表示單位以CFU/mL最為通用,CFUcolony-forming unit之縮寫,指菌落單位。

 

5.19.2 水中總菌落數測定之意義

水中總菌落數可呈現水質中異營細菌生長概況,由於水中必須供給有機化合物、氮素、磷、硫等成分,異營細菌才能生長,故一般污染程度越高的水,其總菌落數越多。因此,水體水質環境監測工作上,有測定水中總菌落數之必要。另飲用水、公共給水、工業用水等之例行性水質分析中亦常將總菌落數列為重要項目之一。

目前我國飲用水及自來水水質標準中定有總菌落數100 CFU/毫升的限值,與日本相同。歐美國家則在飲用水方面管制大腸菌類、糞便大腸菌類及致病性微生物,而略去總菌落樹之管制。

污水處理廠在放流之前,常有消毒之步驟以防止致病性病菌污染自然水體,消毒程序之效果評估,亦常以總菌落數之測定結果予以計算。

 

5.20 大腸菌類

5.20.1 概論

大腸菌為細菌的一種,其學名為Escherichiacoli,其中Escherichia為屬名,coli則為種名。在水質指標上,較常用「大腸菌類」一詞,大腸菌類是指能使乳醣(lactose)發酵,並產生氣體和酸、格蘭姆染色陰性、無芽胞、以濾膜法培養會產生金屬光澤之深色菌落者。大腸菌類在人體排泄物中經常大量存在,且常與消化統之致病菌共存,其生存力比一般致病菌如傷寒、霍亂、痢疾等強,但比一般細菌弱,故如水中無大腸菌類,可認為無致病菌存在,而有大腸菌類並不表示一定會有致病菌。大腸菌類常棲於人畜之腸管中,當大腸菌類到了腸道以外的組織時,有可能會侵入到血液中造成膿毒病,此外大腸桿菌亦會引起腹瀉等症狀。

由於大腸菌類具有下列特性:

(a)  亦偵測及辨別

(b) 致病菌存在時亦存在

(c)  存在之量比致病菌多,有比例關係

(d) 不會出現在未受污染水中,且具有致病菌之特徵

因此,水體中之細菌性標準常以大腸菌類密度作為污染程度之指標。

常見的大腸菌類分析結果有兩種表示法,依分析方法不同,一種係以CFU/100毫升為單位,一種則以MPN/100毫升為單位。MPNmost probable number之縮寫,譯為最大可能數,他是基於統計上Poisson分布而定出。

 

5.20.2 大腸菌類測定之重要性

水中大腸菌類密度之分析結果,可呈現水質中大腸菌類細菌生長概況,當大腸菌類密度高時,不僅顯示水中有機化合物、氮素、磷、硫、微量元素等成分供給充分,亦顯示水中致病性之病源菌含量可能很高,對人體產生危害之機會大,因此,水體水質之環境監測工作上,經常必須測定水中之大腸菌類密度,另如飲用水、公共給水、各事業放流水等之例行性水質分析,大腸菌類亦為重要分析項目之一。

目前我國飲用水、自來水及各類水體水質標準接定有大腸菌類之管制標準,飲用水及自來水之標準較嚴格,與日本及歐美國家標準相似。

污水處理廠在處理污水之最後程序,通常為消毒,這是為了防止致病性細菌污染自然水體,進而危害人體健康,而消毒程序之效果評估,最常運用大腸菌類之測定結果進行之。

 

流程圖: 預設處理作業: 參考文獻
 

 

 


1.     江漢全,「水質分析」,1996

2.     行政院環境保護署環境檢驗所,「水質檢驗方法彙編」,

http://w3.epa.gov.tw/epalaw/index.htm