早期發展與水體自淨作用

以學科領域來說，環境工程是一門較為年輕的學科，直到19世紀末20世紀初才得到足夠的重視與發展，但污水處理卻是一門古老的技術，幾乎和人類集體居住的歷史一樣悠久。早在西元前4000到2500年的古代巴格達就存在著類似污水下水道的結構(Gray, 1940)，商代的偃師遺址(約西元前1500到1000年)與漢朝的長安城(西元前200年)均在宮殿和居住區裝設了溝渠下水道系統，以供排水和污物清除之用，且隨著時代的演進逐漸完善；印度帕拉哈遺址(西元前3000到1900年)的宮殿與貴族區設有溝渠式下水道能將污染物從城內排除；歐洲的羅馬城(西元前750年)亦有規劃的排水與污水設施確保城區的乾淨(De Feo et al., 2014)。將污染物從城市環境中移除的概念，深入了歐亞大陸的每一個角落。早期的污水處理方式，原理接近水體自淨作用，是將污染物導入自然水體或是護城河中，透過稀釋和微生物自然氧化污水降解到相對無害的程度。

水體自淨作用可以說是環境工程中生物處理技術的基礎，該反應會消耗水體中的溶氧，產生名為氧垂曲線(Oxygen sag curve)的溶氧變化(Fair, 1939)，氧垂曲線如圖6所示，代表污染物排入水體後，其中可生物降解性的有機物(在此通稱為基質)遭好氧微生物降解利用(從中獲取能量，以維持細胞運作和增殖)的結果，此一過程會消耗氧氣。以葡萄糖(C₆H₁₂O₆)為例，降解一單位的葡萄糖(C₆H₁₂O₆ + 6O₂→ 6CO₂ + 6H₂O)會消耗6單位的氧氣，當水體中的溶氧消耗速度大於溶氧的自然補充速度時，水中的溶氧就會下降；而隨著水中污染物被分解殆盡，溶氧就能透過水流混和與擴散作用從空氣中補充(水中光合生物的光合作用亦可貢獻溶氧)，水中的溶氧將逐漸回升，直到趨近飽和。水體自淨作用正是透過微生物降解有機物，並將其轉為氣體(在好氧反應中一般是二氧化碳CO₂，在厭氧反應中一般是二氧化碳與甲烷CH₄)與生物質，藉此將污染物從水中移除。

在氧垂曲線的不同階段，水中微生物的菌相會因為基質的使用而發生改變，於污染物剛排入水體中的階段，微生物傾向利用污水中濃度通常較高也較好利用的有機碳作為基質，這些基質包括纖維素、脂質、蛋白質、醣類、脂肪酸、胺基酸等，在溶氧充足的情況下，此過程會消耗水中溶氧，並將水中的有機碳轉為二氧化碳，蛋白質與胺基酸中之氮(N)則在過程中被轉換為氨氮(NH₃-N或NH₄⁺-N)。微生物利用有機物時消耗的氧氣量被利用來作為污水有機污染物含量的分析方法，稱為生化需氧量(Biochemical oxygen demand, BOD)(Hach et al., 1997)；當碳源消耗殆盡時，使用氨氮作為能量來源的微生物會逐漸取而代之，產生硝化反應，將氨氮氧化成硝酸鹽氮(Ward et al., 2011)。在工程應用上，可透過與在無氧環境中進行的脫硝作用結合達成水中氮的去除(Knowles, 1982)。

惡臭、瘟疫與污水

幾乎所有都市文明都明白讓污水遠離城市的必要性，但依靠環境的自淨能力處理污水有其極限，由於水中的飽和溶氧會隨著溫度的上升而下降(在15 ℃時為~10 mg/L，34 ℃時為~7 mg/L)，即便在系統有機物負荷較低的狀態下，也可能因為氣溫的改變，而使系統的溶氧降低，更不用說隨著都市的發展，排入水體中的有機物濃度也會逐漸上升，直到超過自然自淨作用的極限，耗盡水中溶氧，使水體陷入厭氧。在厭氧狀態下含碳有機物降解反應將生成可燃的甲烷與二氧化碳，氮會以氨氣(NH₃)的方式遭到釋放，水中的硫化物則會被微生物利用，並轉化為有毒且帶腐蝕性的硫化氫(H₂S)氣體(Zinder & Brock, 1978)。

這些複雜且帶有惡臭的氣體，被通稱為沼氣(biogas)，也就是古人所謂的瘴癘之氣，於溫帶地區，硫化氫在夏季的大氣中平均存在約1天，在冬季則約為42天，在泰晤士河畔飄散的硫化氫與氨氣，引發了1858年的倫敦大惡臭，間接促成現代污水下水道與污水處理系統的誕生；高濃度的硫化氫則會麻痺嗅覺並引發中毒，最終取人性命，在1878年輪船愛麗絲公主號於泰晤士河沉沒時，船隻殘骸擾動底泥揚起的硫化氫被認為是乘客的主要死亡原因，構成了歷史上的最大規模硫化氫中毒死亡事件，導致640人因此喪生(Rubright et al., 2017)。

除了惡臭與毒氣的威脅之外，未經妥善處理的污水成了疫病孳生的溫床，多數適應了生物體內環境的致病菌與病毒，如霍亂弧菌、傷寒桿菌、出血性大腸桿菌、志賀氏菌、赤痢阿米巴原蟲、小兒麻痺病毒、輪狀病毒等(García-Aljaro et al., 2019)，在脫離人體後通常無法於環境中存在太久，病毒無法自行複製且會隨時間分解；適應人體環境的微生物，大部分也難以和水體環境中的大量微生物進行競爭，最終會遭水體的自淨作用移除。可是當污染物濃度過高，使水體微生物來不及透過競爭及自淨作用將病原體消滅時，就可能導致瘟疫爆發，而污水降解不完全的一特徵，就是厭氧氣體產生的惡臭。

也是因此，惡臭與疾病的關聯，被深深的烙印在古人的思想中，並在很長一段時間裡，錯誤的把臭氣當成是疾病的來源(Halliday, 2001)，從而間接帶動了香水與薰香的發展(Hoskins, 2000)，但這種欲蓋彌彰的方式，並沒有辦法真正的阻止疾病蔓延，疫病爆發帶來的人口減少，持續的影響著人類文明的進程，直到1854年倫敦大瘟疫時期，流行病學之父約翰·斯諾醫生透過製做瘟疫地圖的方式，確認了受污染的水渠才是瘟疫散播的主要途徑，一舉打開了公共衛生、環境工程、流行病學等多門學科的大門，才確立了污水處理系統對人類文明的必要性(Brody et al., 2000)。

現代都市污水處理系統

污水處理結合了環境生物科技與環境物理化學領域，為了處理都市污水必須建設污水處理系統(圖7)，現今使用的都市污水處理系統分為三種階段，即初級處理、二級處理與三級處理，其中初級處理系統是透過物理和化學方法(物化處理程序)調整進流污水的組成與流量，以保護後方的二級處理系統不會因為突然間的流量與污染物變化而失效。為了確保二級處理系統的運作，在初級處理中會裝設攔污柵與初沉池等設施，攔阻樹枝、垃圾、砂石等對二級處理系統而言過大的污染物，並設置調勻池以降低流量和濃度的變化對二級處理系統的影響性(Metcalf & Eddy/AECOM et.al., 2014)。

在二級處理系統中，參考了自然水體的自淨作用，透過微生物降解、攝食、增殖等生物反應，將污染物從水體中轉移至生物體內或變為氣體，從而將污染物從水體中移除。依據處理程序以及進流濃度不同，其BOD去除率約在進流污水之70-95%，使出流水之BOD降至自然水體能處理之範圍內，從而降低污染物對環境的衝擊。根據生物處理程序的不同，二級處理可大致分為好氧生物膜處理系統、曝氣的好氧活性污泥，以及不曝氣讓水體保持在厭氧狀態的厭氧處理系統等。

一般污水在二級處理後透過二沉池分離污泥，並進行消毒即可放流入自然環境，但若想將處理後的水回收再利用，則必須進行三級處理程序，三級處理程序是現今新興的污水處理技術，透過活性碳、高級氧化、薄膜－超濾（UF）及逆滲透（RO）等方式將水中污染物降低至符合再次使用之程度，藉此達成水回收再利用，降低水資源的消耗。

好氧生物處理系統

好氧生物處理系統作為二級處理程序，藉由環境中微生物利用有機物與氧氣進行細胞增殖與生物反應的特性，透過系統中足夠的氧氣濃度，使微生物大量生長以消耗污染物，將其轉化為CO₂和生物質(生物污泥)，接著利用分離生物污泥的方式，將微生物從水中移除，最後再進行殺菌移除殘存的菌體，降低對承受水體的影響。好氧生物處理與厭氧生物處理相比，優勢在於其微生物生長的速度較快，能快速處理大量中低濃度(BOD~100-500 mg/L)污水，且對於環境衝擊的恢復速度較快；由於沖水馬桶的使用對污染物產生稀釋作用，再加上部分地區自排水系統截流收集污水，使污染物濃度下降，目前好氧生物處理系統為都市污水處理的主流。

為了維持生物反應進行，好氧系統必須確保溶氧供給，常見方式包括增加生物與污水及空氣的接觸面積及主動曝氣補充溶氧，這兩種概念分別演化成污水處理系統中歷史最為悠久但至今仍被使用的兩種技術：滴濾池(圖8)與活性污泥法(圖9)。

滴濾池法該技術始於19世紀末期(Chase, 1945)，基礎概念為透過爐渣、煤炭、碎石、泥炭、礫石等濾料增加接觸面積，使微生物附著在其上增長形成生物膜，並透過控制流速和以導管分散進流等方式確保氧氣供給，由於附著在濾料上生長的微生物厚度會越來越厚，滴濾池的濾料表面通常同時存在著好氧與厭氧環境，這個特性可以去除部分水中的氮、磷等營養源，減輕放流水進入自然水體後造成藻類過度滋長(優養化)影響水質(Daigger & Boltz, 2011)，但厭氧層的存在也會使滴濾池產生臭味，因厚度太厚而脫落的生物膜更會構成污泥，阻塞濾料的縫隙，造成處理效能下降，必須透過反沖洗移除過量的污泥，是一個操作和設置成本便宜，卻需要較多維護與土地面積的處理方案，其便宜的成本讓滴濾池至今仍在污水處理規模較小的郊區與農村受到應用。

由於滴濾池佔地面積大，國內在生物膜法的運用上，多採用的是接觸曝氣法，接觸曝氣法係將濾材浸於曝氣槽內，流入的污水藉由曝氣帶動的循環流動與濾材充分接觸，一段時間後於濾材表面生長附著微生物，形成生物膜，該生物膜在好氧狀態下吸附、氧化污水中有機物質，達到處理功能。

活性污泥法技術發展於20世紀初期(Metcalf & Eddy/AECOM et.al., 2014)，與滴濾池法相距約20年，基礎概念是透過人工曝氣提供額外的溶氧，確保好氧生物反應能持續進行，活性污泥系統通常由一個讓微生物懸浮生長的曝氣池，以及一個移除多餘污泥用的沉澱池構成。微生物在溶氧充足的曝氣池中，攝入水中基質並持續成長，將污水中的生物可降解性有機物轉為固態的生物質與氣態的二氧化碳，從而將其與水分離(Hreiz et al., 2015)。與須限制流量的滴濾池法相比，活性污泥法能處理更大量的污水、具有較少的硫化氫產出且具有較小的佔地面積，使其在寸土寸金的都市成為了污水處理系統的主流。

由於好氧微生物生長速度較快，不論生物膜法或活性污泥法最終都需移除多餘的污泥，微生物處理系統與二次沉澱池的結合構成了都市污水處理廠的二級處理單元(圖7)，處理後之污水只要進行消毒即可放流，而多餘的污泥則可導入污泥濃縮、消化、脫水系統中進行後續處理。

參考營建署在民國 110 年度污水下水道統計要覽的統計資料，全國105座污水處理廠採用之主要處理程序如表1所示。

註：MLE、A²O、AO、VIP、TNCU具生物除氮(磷)功能；SBR為批式活性污泥；MBR為活性污泥膜濾法。

厭氧處理系統

在污水處理系統中，將溶氧完全消耗就造成厭氧環境，厭氧生物處理系統能處理高濃度的有機物，具有較少的污泥產出，還能產生沼氣。透過沼氣純化等後處理技術，移除沼氣中有害的硫化氫，收集甲烷可進行能源回收。但厭氧微生物生長速度較慢、在低溫下表現不佳、反應槽佔地面積相對較大，為了收集沼氣又必須對反應槽進行氣密，使土木工程成本上升，不適於處理低濃度之有機物，多用於處理工業廢水與養豬業廢水等污染物初始濃度較高的狀況 (Lettinga, 1995)。在都市污水處理系統中，厭氧處理多用於好氧系統濃縮污泥的消化。好氧系統從初沉池與二沉池產生的廢棄污泥具有較高的有機物濃度和約95%的含水率，過高的含水率使其難以進行焚化，直接掩埋又會佔據大量的土地面積且會產生惡臭，而透過厭氧處理程序進一步的將高濃度的污泥分解轉換為甲烷與二氧化碳，才能達成能源回收並降低處理成本。

水回收再利用

在經歷二級處理後，放流水中通常仍含有低濃度之BOD、氮、磷等營養鹽以及部分微生物殘留，正常情況下無法直接利用，只能放流至自然水體中，透過稀釋與自然分解的方式將其分解與無害化。但隨著水資源再生技術的發展，三級處理程序已逐漸成熟，例如超濾膜技術、紫外線滅菌技術以及逆滲透技術等科技，能將經污水處理之放流水進行再生，用於不須接觸人體且非關農業的用途，如景區植株澆灌、道路抑制揚塵、工業用水替代和馬桶沖廁用水等用途，達到節省淡水消耗、確保水資源永續之目標。水利署在104年制定的再生水資源發展條例，即提供水回收再利用的法源依據。