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水庫優養化

這是一則有關水庫優養化的故事:某年夏天,照相業、洗衣店、製冰廠以及老百姓紛紛向自來水公司提出抗議,因為從自來水管流出來紅色的水,把洗好的照片、衣服,弄得骯髒不堪,而製冰廠的情況更是糟糕,竟做出紅色冰塊來!隔年夏天,同樣的事又發生了,只是這一回製冰廠做出來的冰塊變成綠色的。如此致使水質變得「花花綠綠」的罪魁禍首就是水質優養化了。 優養化水體的成因 若水中沒有生物的呼吸作用、光合作用以及有機質的分解,則水體的含氧量,只受物理因子的控制,也就是說與當時的溫度、壓力、濕度及鹽度有關。但是水中一旦有生物存在,我們都知道,動物行呼吸作用會耗掉氧氣;植物雖然在白天行光合作用而產生氧氣,但到了晚上,植物亦行呼吸作用而耗掉氧氣。當這些動、植物「化作春泥更護花」時,有機體分解、微生物作用更是需要氧氣。因此當這些耗氧反應太多,下層湖水氧氣補充不足時,下層湖水就形成缺氧狀態,甚至水中溶氧消耗殆盡。而致使水中耗氧反應太多的關鍵,就在於水中營養鹽供應過量。 水中浮游植物眼看四周「糧食」那麼多,就各個生長神速。跟著而來,以浮游植物為食的浮游動物也加入生產行列,水體中「人口問題」隨之爆炸,最後糧食不夠分配,民不聊生,過度繁殖的動、植物只有走上黃泉一途了。這些死亡的大量有機體沈到湖底,成了微生物的美食,分解時耗掉水中許多的氧氣,致使水底缺氧。因此,我們稱水中營養鹽過多,為優養化水體。其致命的後果就是形成水體中生態失調,水質惡劣,影響了寶貴水資源的正常用途。 水體中一旦缺氧,許多好氧性動、植物就無法生存而死亡,湖水的生物相變成厭氧菌的天下了,像一些紫硫菌、酵母菌就是這類能在無氧狀況下生存的細菌。一般在有氧環境下,有機質的微生物分解是以下列方式進行: (CH2O)106(NH3)16 H3PO4+138O2 = 106 CO2+16 HNO3+H3PO4+122 H2O (1) 一旦沒有溶氧,有機質分解時就不能找自由氧來作工了,因此就改換成消耗硝酸根(NO3)裏的結合氧: (CH2O)106 (NH3)16 H3PO4+84.8 HNO3 = 106 CO2+42.4 N2+148.4 H2O+16 NH3+H3PO4 (2) 硝酸根如果再耗盡,就只好找硫酸根(SO4-2)裏的氧了: (CH2O)106 (NH3)16 H3PO4+53 SO4-2 = 106 H2O+53 S-2+164 NO3-+16H2 O+H3PO4 (3) 硫酸根裏的氧一旦用盡,就還原為有惡臭的硫化物,當溫暖季節來到,此垃圾般的臭味,陣陣由優養化湖底冒出水面,難聞之至,可以想見,更何況拿來作飲用水呢? 水體在缺氧狀態下,鐵也還原為溶解性較高的亞鐵,此溶解度較高的亞鐵隨著飲水管道流出,因曝氣而氧化為紅色的氧化鐵,也就是為什麼製冰廠會做出紅色冰塊了。此問題雖經專家指示改取水庫上層較富溶氧的水而解決,但是由於營養鹽的供應並沒有減少,隔年夏天,取用上層長滿綠藻的水庫水來製冰,則有綠冰塊產生,也就不難想見了。如此優養化的水體,下層水因缺氧產生惡臭之硫化物,上層水卻因藻類大量繁殖,而無法使用,如此整個水庫的水因水質惡化,失去了作為飲用水源的價值。 另外,原本在湖底沈澱的磷酸鈣、磷酸鐵及磷酸鋁,會因為缺氧發生還原作用而趨於易溶解,並將磷酸鹽釋放出來,也就是說將會有更多的營養鹽注入水庫中,使得水庫之優養化更加惡劣,如此惡性循環,終止之日遙遙無期!再加上人為的污染,比方說,由公式(1)可知,每加入一份的磷,植物就可以長出106份的碳水化合物,含磷量高的合成清潔劑用得愈多,下游河川、水庫的優養化也就愈嚴重。 水庫優養化的防治 要挽救水庫優養化的發生,除了嚴格控制流入水庫營養鹽的量之外,別無他法。雖然擒賊先擒王是釜底抽薪的妙法,但是執行上卻非常困難。污水處理廠的設立、工廠廢水排放的規定,都可以列入有關單位奮鬥的目標。但是農田、果園的施肥、家庭廢水、水產養殖事業,這些非點污染源,由於分布得太過零散,實在很難一網打盡。 儘管如此,專家們對於水庫優養化的防治,還是絞盡腦汁,費盡思量,而發展出好幾套迂迴戰術。曾服務於東京都水道局的小島貞男博士,對於水庫優養化問題,潛心研究了三十幾年,踏遍世界各國有毛病的水庫,也整治了許多著名的水庫相當成功。日前應邀至國內,與國內水庫專家共同規劃整治供應大台北地區水源的翡翠水庫。小島博士設計一種稱為水揚筒的水中泵,利用打氣方式,將下層水抬升至表層,而讓表水沈入下層水,如此形成一個循環。其主要目的是希望將長滿綠藻的上層水打入黑漆漆的水庫底層,如此一來,綠藻無法行光合作用,也就一命嗚呼。 雖然這個設計能防治水庫優養化,但卻也有許多限制及弊病。例如,水揚筒必須在水深5公尺以上的水庫才能使用,否則打入底層的綠藻仍舊能夠見到陽光,又加上底層營養鹽豐富,綠藻反而長得更好,使水庫優養化問題更形嚴重。另外,水揚筒必須連續不斷操作,一旦上下水層停止循環,下層富營養的水停留在表層,提供綠藻更優渥的生長環境,優養化問題也就愈嚴重。 也有研究人員建議,在湖岸設置打氣筒,並將打氣管伸入湖底:夏天時,表層湖水因為溫度較高,水的重量較輕,無法將含氧水沈入湖底以補充湖底氧氣,因此以人為方式,從岸邊接管子至湖底,直接打入湖底所需的氧氣(見圖一);冬天時,表層湖水溫度低,不僅較富氧氣而且較重,因此可以補充下層水氧氣,我們只需打入壓縮空氣,幫助循環就好了(見圖二)。另外,在水中種植菱角、布袋蓮的遮光方式也有人採行,目的是切斷藻類生長所需的光源及吸收水中的營養鹽,使得藻類無法繁殖。或是抽掉庫底的污泥,或是加入硫酸銅殺藻劑,各種殺手一一出籠,只為了防止優養的發生與惡化。 營養鹽過多這個始作俑者,可以使得的水質面目全非,但是受害最深的是人類。儘管水質惡劣,還得高唱美酒加咖啡,苦苦地飲下這一杯!渴望一口清冽的淨水,竟成了奢侈夢想!莫非是現代人的悲哀。 (編案:讀者請參閱本刊於76-11月號刊載張尊國撰寫的〈優養化問題之探討〉一文。) 王冰潔就讀於中山大學海洋地質所;陳鎮東任教於中山大學海洋地質所
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