还我清白---利用植物特性的简易水质净化器.doc

還我清白-利用植物特性的簡易水質淨化器摘 要 水資源是當前及未來重要的議題，若是一時疏忽可能就會使水源受到污染，難以回覆。學校產生的廢水其污染來源單純，只要利用植物特性加以處理，就可以讓學校的廢水重新再利用。挺水性植物和浮水性植物具有密集的根系可以吸收水中溶解的物質並攔截懸浮性物質，沉水性植物可以進行光合作用釋放氧氣，增加水中的溶氧量。由於淨水器設計的栽培介質為碳酸鈣可以和酸性物質結合，產生的二氧化碳和鈣離子恰好又是植物生長所必須的物質。除了可以簡單處理廢水改善水質外也可以增加環境的綠意。植物淨化水質的能力則是挺水性植物以蘆葦最佳，浮水性植物則是以布袋蓮最好，沉水性植物則以水蘊草最佳。關鍵詞：學校廢水、植物特性、水質淨化一、研究動機近年由於人口密度的增加，只要大家一疏忽，就可能使遭受到破壞或污染，學校旁邊的北排就是最好的例證。由於北排並未經過工廠區，只留過住宅區，卻因為大量未經過處理的家庭廢水排出，造成原本清澈的溪水轉變成優養化的排水溝，所以我們想製造一個可美化環境又可以簡單處理家庭廢水的裝置。二、研究目的(一) 調查學校廢水來源及成因(二) 簡易淨水器的設計與各部分功能(三) 簡易淨水器對懸浮物的清淨效果(四) 簡易淨水器對濁度的清淨效果(五) 簡易淨水器對水中溶氧量的影響(六) 簡易淨水器對水中酸鹼值的影響三、研究器材與設備pH儀、DO測定儀、白紙、筆、燒杯(100ml)、密度測量、800保持瓶1個、2000保持瓶4個、8公升保持瓶1個、循環用沉水馬達1個、PVC水管1段、塑膠水盆1個、塑膠軟管1段 四、研究步驟(一) 校園廢水來源調查1.由學校的水溝中撈取500ml水樣並蓋上蓋子，帶回實驗室以便進行測驗。2.利用打掃時間延著水溝觀察，尋找水溝中的廢水是由何處排出。3.請教打掃水槽的同學曾經見過有哪些種類廢水被倒入水槽中(如照片1.2)。照片1：墨汁廢水照片2：油類廢水(二)尋找簡易淨水器模型的靈感1.由圖書館及網路上搜尋有關自然界中水質淨化的相關資料。2.與指導老師及同學討論後，繪製淨水器草圖。3.從學校及附近資源回收場找尋所需要的製作材料。(三) 簡易淨水器的製作方法(如照片3.4)1.污水循環系統的製作(1) 將2個2000保持瓶的底部切除，另1個2000保持瓶由側邊和底部斜切去除，保留上半段。(2) 將切除底部的2個2000保持瓶頭尾相接，底部向上，距離頂端10公分處開一個出水口，頭部最後接在PVC水管中。(3) 並在PVC水管底部鑽孔連接馬達的橡皮管。(4) 瓶子正中央則再用塑膠管連接橡皮管，作為污水運送的管路。(5) 最上層瓶子內栽種挺水性根系較密的植物。2.過濾裝置(1) 將側邊和底部斜切去除，保留上半段的寶特瓶其瓶子底部，連接在污水循環系統的出水口下方。(2) 上層種植水苔類植物，下層則放置碎石子作為過濾基材。3.水生植物淨化裝置(1) 將8公升保持瓶去除頭部，留下底部正放於水盆中，距離上端10公分處開一個處理過的水出口。(2) 將1個2000保持瓶的底部切除後，倒立在8公升保持瓶中，距離上端5公分處開一圈出水孔。(3) 將1個800保持瓶底部斜切，距離頭部15公分處開一圈出水孔，倒立於2000保持瓶中，斜切面的較高處則連接過濾裝置的出水口下方。(4) 淨化裝置內則可以分別飼養不同的指標水棲生物。照片3：製作好的淨水器外型照片4：佈置好的淨水器外型(三)水質檢測1.濁度測試(1)由於學校水溝深度不足，無法利用一般池塘，河流及水庫的檢測方式，所以我們修正改為測量燒杯依次盛裝50ml的自來水及蒐集到的原水。(2)取一張白紙再正中央畫一個十字擺放在地面上，將步驟（1）中裝有測量液體的燒杯放置於紙上，逐漸垂直上移直到看不清楚十字為止。(3)測量並記錄紙張與燒杯間的距離.(4)將步驟(1)(3)流經淨水器1次，循環1次、循環2次、循環3次後，各區域收集的水樣重覆。2.酸鹼值的測量(1) pH儀先校正後並以自來水測量結果做為對照組。(2)將流經淨水器後循環1次、循環2次、循環3次後，各區域收集的水樣測量pH值。 3.密度的測量(1)取一個空燒杯先秤重。(2)依次放入20ml自來水、待測的原水及淨水器處理過的水樣，再秤重，紀錄扣除空燒杯後的重量。(3)將紀錄的質量除以20ml換算成密度。4.溶氧量的測定(1)將溶氧量校正和熱機後，測量對照的自來水中溶氧量，再至各排除廢水的水溝各測量溶氧量。(2)測量流經淨水器各部位後的溶氧量。五、研究結果與討論(一)校園廢水普查1.我們利用掃地時間進行全校廢水來源調查結果如表1。 表1：校園廢水來源調查結果 地點 廢水來源 弘學樓 洗手、拖地、洗滌餐具、打掃廁所、清洗顏料或墨汁 弘道樓 洗手、拖地、洗滌餐具、打掃廁所、清洗顏料或墨汁 格致樓 洗滌物品、實驗排放水 忠孝樓 洗手、拖地、洗滌餐具、打掃廁所、清洗顏料或墨汁 仁愛樓 洗手、拖地、洗滌餐具、打掃廁所、清洗顏料或墨汁2.校園廢水的性質(如表2)(1)以自來水為對照組，美勞顏料的水、拖地的水、油污及水溝中混合水的密度均上升，僅墨水的密度下降，可見學校排放的廢水上溶解許多密度大於水的物質。而墨水是地用松枝煙炭所製成，其粉末密度比水小，所以混合在一起的密度比自來水小。(2)以濁度而言，自來水在107公分高處才無法看清楚所作的標記，而校園廢水的能記見度高為38公分，其內溶解及懸浮的物質會影響到日照的透光程度，不利水中藻類進行光合作用。(3)而溶氧量方面，則因廢水中溶解其他物質，導致溶氧量較自來水低，影響水生生物的生存。(4)以自來水中的酸鹼值7.5為對照組，除了拖地的水、油污及墨水的酸鹼值與自來水相近外，其餘顏料及水溝的水均溶有酸性物質，使得這兩種水呈弱酸性。表2：水溝原水與自來水的各項性質項目密度濁度pH值溶氧量水溝原水1.023g/ml25cm6.34.3mg/dl自來水0.963g/ml107cm7.57.6mg/dl(二)簡易淨水器的設計構想1. 採用回收的塑膠桶和塑膠罐作為盛水的裝置。2. 利用金魚缸水循環使用的抽水馬達，作為污水自濾器的循環動力。3. 先利用挺水性植物的密集根系和土壤進行懸浮物和溶解物質的吸附。4. 再利用沉水性植物進行光合作用改善水中溶氧量。5. 還可以模擬生態球飼養大肚魚和小溪蝦來防止孑孓滋生及藻類過度繁殖。6. 大小可以擺放在窗台邊作為美化的佈置，經過濾的水還可作為其他用途。(三)淨水處理器的製作1.我們製作的污水處理器共分4 部分：(1)污水儲存槽：存放廢水並進行簡單沉澱。(2)輸水動力系統：利用水族箱用的循環水馬達將廢水送入淨水管道。(3)植物淨水道：第一關為浮水性植物，利用浮水性植物綿密的根系攔截漂浮的物體。第二關為挺水性植物，利用挺水性植物根部吸收及小珊瑚礁石過濾。第三關為沉水性植物，利用光合作用來增進溶氧量。(4)處理後水的貯存槽：利用孔雀魚做為水質監測指標，將處理過的水先行存放，若孔雀魚沒有異狀，則可以排放或重新利用。較槐葉蘋及浮萍好。(5) 設計圖如圖1。圖1：簡易淨水器的設計圖(四) 簡易淨水器的功能設計設計的作品主要區分為四個部分：1. 循環系統：以水族箱的循環水馬達作為淨水器的循環動力，將要過濾的污水先抽至最上層的溼地性植物過濾層，再利用重力作用通過過濾層。 2. 過濾與淨化系統：共分為三層過濾層，第一層是根系較密集的挺水性植物層，第二層為苔類過濾層，可以中和水質酸鹼性，第三層為搭配種植使用的碎石過濾層。過濾後的水會流入水生植物層，利用光合作用來增加水中的溶氧量。 3.盛水系統：總共利用3組。4.生態平衡與指標生物系統：模仿生態球的設計理念，利用小溪蝦控制藻類成長，大肚魚防止孑孓滋生，若是水質未達到淨化結果，這兩種動物將會死亡，可以達到最大監測功能。(五)廢水處理器處理後結果1.密度方面(1) 由圖2結果顯示顏料水、洗地水、油污水及水溝水經淨水器 密度均有下降，而且以洗地後的廢水在第三站時密度便已經和自來水相近，顏料水和水溝水在最後一站處理後密度也與自來水相近，足見本試驗裝置是可以處理水中所攜帶的物質(如照片5.6)。(2)至於油污部分在處理過程密度雖有下降，但下降幅度不大，最後一站處理後密度尚大於自來水，但是孔雀魚並未受到影響，所以仍可以達到排放及再利用的要求。(3)墨水因有懸浮的細小碳粒，經廢水處理後密度有稍微上升，但變化量不大，對於太小的懸浮微粒是本實驗裝置尚需改進的地方。照片5：淨水器各站處理水溝水的結果 照片6：淨水器各站處理顏料水的結果 2.濁度方面由圖3結果可以發現以下現象：(1)顏料水由於水中為大量懸浮顆粒在各站處理後濁度均有明顯改善，而且水的顏色逐漸減淡，最後和自來水的清澈情形相差不大。(2)拖地廢水和水溝水經由廢水處理後改善雖無法達到自來水的程度，但至少也達到濁度降低一半的功效。(3)墨水合油污包含許多懸浮微粒，經處理器處理後並未顯著改善，最後一站尚殘留部分墨汁和油污。3、溶氧量的變化(如圖4)(1)由於本處理器是採用植物為主軸，所以在沉水性植物站之前均會消耗水中溶氧量，但是沉水性植物光合作用使得水中溶氧量又在上升，最後的靜置池因有孔雀魚所以處理後的水在排放前又溶氧量稍微下降。(2)水溝中的水至少停滯在水溝中一段時間，溶氧量下降至3.5mg/dl，但是經沉水性植物光合作用，溶氧量提升至6.2mg/dl。(3)如果處理過程中沉水性植物區若能停留較久時間，水中溶氧量一定可以再提昇，但是礙於本處理器尚需考慮美觀性，無法製作太大，是我們未來要繼續加強改善的地方。4.酸鹼性的變化(如圖5)由於我們使用的挺水性植物和浮水性植物均採用根系較密集的植物，植物本身就具備吸水能力，而挺水性植物的栽培介質是以碳酸鈣為主的珊瑚碎屑，碳酸鈣本身和酸性物質會反應產生二氧化碳並解離出鈣離子，更恰好是植物物生長所必須的物質，所以酸性水質會有更好的處理效果。(六)改變植物的測試 1.浮水性植物對水溝原水濁度測試，大萍及布袋蓮對濁度改善效果較槐葉蘋及浮萍好(如表3)。植物種類密度(g/ml)能見高度(cm)狗牙根草皮0.97254非洲鳳仙花0.99148蘆葦0.97355山芋0.98646表3：浮水性植物對水溝原水濁度改善結果2.挺水性植物區則以狗牙根類的草皮、小株盧葦在濁度方面較非洲鳳仙花及山芋效果較好(如表4)。表4：挺水性植物對浮水性植物處理後水溝水密度及濁度處理結果浮水性植物名稱能見高度(cm)大萍76布袋蓮78槐葉蘋603.沉水性植物使用水蘊草、金魚藻、水棉及苦草在增加水中溶氧量方面差異不大，以水蘊草和金魚藻較佳(如表5)。表5：沉水性植物對水溝水中溶氧量的影響植物種類溶氧量(mg/dl)水蘊草7.1金魚草7.0水棉6.4苦草6.6(七)簡易淨水器重複處理後水質變化 簡易淨水器重複處理三次，水溝原水的能見高度升高，水中溶解密度較小的物質顆粒減少，整體密度增加。水中溶氧量有增加，酸鹼性提升至中性，重複過濾處理雖可持續改善水質，但是並沒有明顯增加太多。表6：重複過濾處理三次水質變化情形循環次數濁度(cm)密度(g/ml)溶氧量(mg/dl)酸鹼性(pH)1780.97766.82840.9816.273880.9866.37.1 六、結論 (一) 水資源再利用是目前民生需求的重要課題之一，學校和家庭中使用過的水，所溶解的污染物質並不多，如果不經過處理就直接排放，久而久之仍會造成河川污染。若能夠透過簡單的生物處理與過濾，讓這些原本要排除的廢水能夠重新被利用，而且造型美觀的生物過濾器還可作為美化綠化的佈置。 (二)利用簡單的材料搭配綠色植物，可以先簡單處理廢水，降低廢水的濁度及降低溶解的物質，增加水中溶氧量後再排放或利用