
人工湿地は、下水、中水、雨水流出、または産業廃水を処理するための人工湿地です。[ 1 ] [ 2 ]また、採掘後の干拓地用、または土地開発で失われた自然地域の緩和策として設計されることもあります。人工湿地は、植生、土壌、生物の自然機能を利用して廃水を二次処理する人工システムです。処理する廃水の種類に応じて、人工湿地の設計を調整する必要があります。人工湿地は、集中型と分散型の両方の廃水処理システムに使用されています。(生化学的酸素要求量および化学的酸素要求量として測定される)浮遊物質または可溶性有機物の量が多い場合は、一次処理が推奨されます。 [ 3 ]
自然湿地と同様に、人工湿地もバイオフィルターとして機能し、水中の様々な汚染物質(有機物、栄養塩、病原体、重金属など)を除去することができます。人工湿地は、浮遊物質、有機物、栄養塩(窒素およびリン)などの水質汚染物質を除去するように設計されています。 [ 3 ]人工湿地では、あらゆる種類の病原体(細菌、ウイルス、原生動物、蠕虫など)がある程度除去されると期待されています。地下湿地は、表層湿地よりも病原体除去効果が高いです。[ 3 ]
人工湿地には、主に地下水流型と表面水流型の2種類があります。植栽された植物は汚染物質の除去に重要な役割を果たします。通常、砂利や砂利で構成される濾過床も同様に重要な役割を果たします。[ 4 ]一部の人工湿地は、在来種や渡り鳥の生息地として機能することもありますが、それが主な目的ではありません。地下水流型人工湿地は、砂利や砂の層を通る水平または垂直の水流を形成するように設計されています。垂直水流システムは、水平水流システムよりも必要なスペースが小さくなります。
人工湿地を表す用語には、葦原、土壌浸透床、処理湿地、工学湿地、人工湿地など、さまざまなものがあります。[ 4 ]バイオフィルターは人工湿地といくつかの類似点がありますが、通常は植物は存在しません。
人工湿地という用語は、過去に排水や農地への転換、採鉱などにより破壊された土地を復元し再耕作した土地を指す場合にも使用されます。
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人工湿地は、廃水や雨水流出を処理するために設計された、人工的に造られた一連の水域です。
湿地の植生は、微生物が有機物を分解する際に生育できる基質(根、茎、葉)を提供します。この微生物群は付着生物として知られています。付着生物と自然の化学反応は、汚染物質の除去と廃棄物の分解の約90%を担っています。[ 5 ]植物は約7~10%の汚染物質を除去し、微生物が分解する際に炭素源として機能します。水生植物は種によって重金属の吸収率が異なるため、水処理に用いられる人工湿地における植物の選択はこの点を考慮する必要があります。人工湿地には、地下水流湿地と表面水流湿地の2つの基本的なタイプがあります。
人工湿地は、自然に基づく解決策とファイトレメディエーションの一例です。
人工湿地システムは、自然湿地の土壌、植物、微生物の分布を模倣し、廃水処理を促進することを目的とした高度に管理された環境です。最も効率的な処理プロセスを実現するために、水の流れ、微生物組成、そして適切な植物を用いて構築されます。
人工湿地は、未処理下水、雨水、農業排水、産業排水の処理に利用できます。人工湿地は、雨水を捕捉し、栄養塩負荷を軽減し、多様な野生生物の生息地を創出するという、自然湿地の機能を模倣しています。人工湿地は、廃水処理または中水処理に使用されます。[ 6 ]
多くの規制当局は、都市流出水を制御するための推奨される「最善の管理方法」の1つとして処理湿地を挙げています。[ 7 ]
湿地では、物理的、化学的、生物学的プロセスが組み合わさって廃水から汚染物質が除去されます。これらのプロセスを理解することは、湿地システムの設計だけでなく、化学物質が湿地に入った後の運命を理解するためにも重要です。理論的には、人工湿地内の廃水処理は、廃水が湿地媒体と植物の根圏を通過するときに行われます。根茎、根、細根からの酸素の漏出により、各根毛の周りの薄い膜は好気性です。 [ 8 ]好気性および嫌気性微生物が有機物の分解を促進します。微生物による硝化とそれに続く脱窒により、窒素がガスとして大気中に放出されます。リンは、根床媒体にある鉄、アルミニウム、カルシウム化合物と共沈します。[ 8 ] [ 9 ]浮遊物質は、表面流湿地では水柱に沈降して濾過され、地下流湿地では媒体によって物理的に濾過されます。有害な細菌、真菌、ウイルスは、地下水流および垂直流システムの砂利または砂媒体上の バイオフィルムによるろ過および吸着によって減少します。
湿地における窒素の主な形態は、廃水処理において重要であり、有機窒素、アンモニア、アンモニウム、硝酸塩、亜硝酸塩がある。全窒素とは、すべての窒素種を指す。アンモニアは水路に排出されると魚類に有毒であるため、廃水中の窒素除去は重要である。飲料水中の過剰な硝酸塩は乳児にメトヘモグロビン血症を引き起こし、血液の酸素運搬能力を低下させると考えられている。さらに、点源および非点源から表層水への過剰な窒素流入は、河川、湖沼、河口、沿岸海洋の富栄養化を促進し、水生生態系に有毒藻類ブルーム、水中の酸素枯渇、魚類の死亡、水生生物多様性の喪失など、いくつかの問題を引き起こす。[ 10 ]
人工湿地におけるアンモニア除去は、生物学的栄養素除去を目的として設計されている場合、下水処理場と同様の方法で行われるが、外部からのエネルギー集約的な空気(酸素)の供給は不要である。[ 6 ]これは硝化とそれに続く脱窒反応の2段階プロセスである。窒素循環は以下のように完了する。廃水中のアンモニアはアンモニウムイオンに変換され、好気性細菌のニトロソモナス属がアンモニウムを亜硝酸塩に酸化し、次に細菌のニトロバクター属が亜硝酸塩を硝酸塩に変換する。嫌気性条件下では、硝酸塩は比較的無害な窒素ガスに還元され、大気中に放出される。
硝化作用は、2種類の異なる細菌の作用に基づいて、有機および無機窒素化合物を還元状態からより酸化された状態へと生物学的に変換することです。[ 11 ]硝化作用は厳密に好気性プロセスであり、最終生成物は硝酸塩(NO− 3硝化のプロセスは、アンモニウム(廃水から)を亜硝酸塩(NO− 2)、そして亜硝酸塩は硝酸塩(NO− 3)。
脱窒は、酸化窒素アニオン、硝酸塩、亜硝酸塩を生化学的に還元して、一酸化窒素(NO)、亜酸化窒素(N2O ) と窒素ガス ( N2)が生成し、同時に有機物の酸化も起こる。[ 11 ]最終生成物であるN2、そしてそれほどではないが中間副産物であるN2O は、大気圏に再突入するガスです。
汚染された鉱山水からアンモニアやその他の窒素化合物(シアン化物や硝酸塩を含む) を除去するために人工湿地が使用されてきた[ 12 ]。
リンは自然界に有機リンと無機リンの両方の形で存在します。生物学的に利用可能なオルトリン酸の分析値は、可溶性反応性リン(SR-P)と呼ばれます。溶解性有機リンおよび不溶性の有機リンと無機リンは、一般的に、可溶性無機リンに変換されるまで生物学的に利用可能ではありません。[ 13 ]
淡水水生生態系において、リンは典型的には主要な制限栄養素です。自然条件下では、リンは不足しています。リンの自然的希少性は、リンを多く含む廃棄物が大量に排出された水域における藻類の爆発的な増殖によって実証されています。リンは窒素とは異なり、大気中に存在しないため、リン循環は閉鎖循環とみなすことができます。排水からのリンの除去と貯蔵は、人工湿地内でのみ可能です。リンは、湿地システム内で以下の方法で隔離されます。
水生植物はリンの除去に重要な役割を果たしている可能性があり、収穫されれば堆積物のリン飽和を遅らせることでシステムの寿命を延ばすことができる。[ 14 ]植物はバイオフィルムの付着面に独特の環境を作り出す。特定の植物は酸素を運び、それがバイオフィルムと根の界面で放出され、湿地システムに酸素を供給する。植物はまた、土壌やその他の根床媒体の透水性を高める。根や根茎が成長すると、媒体をかき乱して緩め、その多孔性を高めると考えられており、これにより根圏での流体の移動がより効率的になる可能性がある。根が腐敗すると、土壌を通して水を効果的に導くマクロポアと呼ばれる孔や溝が残る。
人工湿地は、溶解した金属や半金属の除去に広く利用されてきました。これらの汚染物質は鉱山排水に多く含まれていますが、雨水、埋立地浸出水、その他の発生源(例えば、石炭火力発電所の浸出水やFDG洗浄水)にも含まれており、鉱山にはこれらの汚染物質を処理するための処理湿地が建設されています。[ 15 ]
人工湿地は炭鉱からの酸性鉱山排水の処理にも利用できる。 [ 16 ]
人工湿地は病原体除去のために設計されたものではなく、浮遊物質、有機物(生化学的酸素要求量と化学的酸素要求量)、栄養素(窒素とリン)などの他の水質成分を除去するように設計されています。[ 3 ]
人工湿地ではあらゆる種類の病原体が除去されると期待されますが、特に地下湿地ではより大きな病原体除去効果が期待されます。自由水面流湿地では、病原体の1~2 log10の減少が期待できますが、植生が密集したシステムでは、細菌やウイルスの除去効果が1 log10未満になる場合があります。[ 3 ]これは、人工湿地には通常、窒素やリンなどの他の汚染物質の除去を助ける植生が含まれるためです。そのため、これらのシステムでは、ウイルスや細菌の除去における日光曝露の重要性は最小限に抑えられます。[ 3 ]
適切に設計・運用されている自由水表面流湿地における除去率は、細菌では1~2 log10未満、ウイルスでは1~2 log10未満、原生動物では1~2 log10、蠕虫では1~2 log10と報告されている。[ 3 ]地下水流湿地では、病原体の除去率は細菌では1~3 log10、ウイルスでは1~2 log10、原生動物では2 log10、蠕虫では2 log10と予測されている。[ 3 ]
ここで報告されているlog10除去効率は、除去効率をパーセンテージで報告する一般的な方法でも理解できます。1 log10除去は90%の除去効率に相当し、2 log10 = 99%、3 log10 = 99.9%、4 log10 = 99.99%などとなります。[ 6 ]

人工湿地システムは、浮遊性大型水草、浮葉性大型水草、または沈水性大型水草のみで構成される表層流動システムである可能性があるが、典型的な自由水面システムは通常、浮上性大型水草で構築される。[ 17 ]垂直または水平流動レジームを備えた地下流動人工湿地も一般的であり、比較的小さなスペースしか必要としないため、都市部に統合することができる。[ 4 ]
人工湿地の主な3つのタイプは以下のとおりである。[ 18 ] [ 6 ]
前者は、基質を敷いた池に設置し、その上に大量の廃棄物を分解するバイオフィルムが形成される表面積を確保します。一方、後者は、水没した処理池に水生植物を浮遊させ、根と地下茎が密集してバイオフィルムが形成されるまで放置します。ほとんどの場合、地下水位と周囲の地盤を保護するため、底部にはポリマー製ジオメンブレン、コンクリート、または粘土(適切な粘土の種類がある場合)が敷かれます。基質は、地域の入手状況に応じて砂利(一般的には石灰岩または軽石/火山岩)、砂、または様々なサイズの媒体の混合物(垂直流人工湿地用)のいずれかとなります。
人工湿地は、浄化槽(または他の種類のシステム)の後段に設置され、固形物を液体処理物から分離する一次処理に使用されます。ただし、一部の人工湿地設計では、一次処理を事前に行わない場合があります。


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地下水流を利用した人工湿地では、汚水は植物の根の間を流れ、水面上には流れません(砂利の下に滞留します)。その結果、システムはより効率的になり、蚊を寄せ付けず、臭いも少なく、冬の寒さの影響を受けにくくなります。また、浄水に必要な面積も小さくなります。このシステムの欠点は取水口です。取水口は簡単に詰まったり、生物による詰まりが生じたりしますが、大きめの砂利を敷くことでこの問題は解決できる場合が多いです。
地下水流型湿地は、さらに水平流型と垂直流型に分類できる。垂直流型湿地では、排水は植栽層から基質を垂直に流れ、下層へと排出される(床に空気を送り込むためにエアポンプが必要となる)。[ 20 ]水平流型湿地では、排水は重力によって水平方向に、地表と平行に移動し、地表水がないため蚊の繁殖を防ぐことができる。垂直流型湿地は、水平流型湿地に比べて必要な面積が少なく、より効率的であると考えられている。しかし、垂直流型湿地は間隔を置いて排水する必要があり、設計にはより多くのノウハウが必要となるのに対し、水平流型湿地は排水を継続的に受け入れることができ、建設も容易である。[ 4 ]
効率性の向上により、垂直流式地下人工湿地は、一人当たり約3平方メートル(32平方フィート)のスペースしか必要とせず、暑い気候では1.5平方メートルまで減少します。[ 4 ]
「フランス式システム」は、原水の一次処理と二次処理を組み合わせたシステムです。処理水は、粒子径が徐々に小さくなる(砂利から砂へ)複数のろ床を通過します。[ 4 ]
地下水流湿地は、家庭排水、農業排水、製紙工場排水、鉱山排水、皮なめし工場や食肉加工工場の廃棄物、雨水など、さまざまな排水を処理することができます。[ 6 ]
排水の品質は設計によって決まり、意図される再利用用途(灌漑やトイレの水洗など)や廃棄方法に合わせてカスタマイズする必要があります。
人工湿地の種類に応じて、廃水は植物が根付く砂利や、稀に砂の媒体を通過します。[6] 砂利媒体(一般的には石灰岩または火山岩の溶岩石)も使用できます(溶岩石を使用すると、石灰岩よりも表面積を約20%削減できます)。主に水平流システムで使用されますが、砂ほど効率的ではありません(ただし、砂は詰まりやすいです)。[ 4 ]
人工地下水流湿地は二次処理システムとして意図されており、つまり、排水はまず固形物を効果的に除去する一次処理を通過する必要がある。このような一次処理には、砂および砂利の除去、グリーストラップ、堆肥濾過器、浄化槽、インホフタンク、嫌気性バッフルリアクターまたは上向流嫌気性汚泥ブランケット (UASB)リアクターが含まれる。[ 4 ]次の処理は、ろ過、吸着、硝化などのさまざまな生物学的プロセスと物理的プロセスに基づいています。最も重要なのは、好気性細菌または通性細菌のバイオフィルムを介した生物学的ろ過です。濾床の粗い砂は微生物が生育するための表面を提供し、吸着および濾過プロセスをサポートします。これらの微生物には十分な酸素供給が必要です。
特に温暖で乾燥した気候では、蒸発散量と降水量の影響が大きくなります。水分損失の場合、垂直流型人工湿地は水平流型よりも上層が不飽和で滞留時間が短いため好ましいですが、垂直流型は外部エネルギー源への依存度が高いです。水平流型システムの設計においては、蒸発散量(降雨量も同様)が考慮に入れられます。[ 6 ]
家庭排水や汚水が処理されている場合、排出水は黄色や茶色を帯びることがあります。処理済みの中水は通常、無色です。病原菌レベルに関しては、処理済みの中水は表層水への安全な排出基準を満たしています。[ 3 ]処理済みの家庭排水は、再利用目的によっては三次処理が必要となる場合があります。[ 4 ]
ヨーロッパの人工地下水流湿地では、ヨシ原の植栽が一般的ですが、少なくとも20種の他の植物種も利用可能です。また、バショウ属、イヌタデ属、ガマ(ガマ属)、スゲ属など、成長の早い多くのタイマー植物も利用できます。
過負荷のピークではパフォーマンス上の問題は発生しませんが、継続的な過負荷は、浮遊物質、スラッジ、脂肪が多すぎることによる処理能力の低下につながります。
地下水流動湿地では、前処理プロセスの定期的な点検、ポンプ使用時の点検、流入負荷とろ床への分布の点検など、以下の維持管理作業が必要である。[ 4 ]
地下水路湿地は、地表に水が露出していないため、表流湿地に比べて蚊の生息環境は劣ります。表流湿地では蚊が問題となる場合があります。地下水路システムは、表流湿地よりも水処理に必要な土地面積が少ないという利点があります。しかし、野生生物の生息地としては、表流湿地の方が適している場合があります。
都市部での使用においては、従来の都市下水処理施設と比較すると、地下流動人工湿地の面積要件が制限要因となる可能性がある。活性汚泥処理施設、散水ろ床、回転ディスク、浸漬曝気ろ床、膜分離活性汚泥処理施設などの高速度好気性処理プロセスでは、より少ないスペースしか必要としない。これらの技術と比較した地下流動人工湿地の利点は、特に発展途上国で重要な運用上の堅牢性である。人工湿地では二次汚泥(下水汚泥)が発生しないという事実は、下水汚泥処理の必要がないため、もう1つの利点である。[ 4 ]しかし、一次沈殿池からの一次汚泥は発生するため、除去して処理する必要がある。
地下水流動を利用した人工湿地のコストは、主に湿原を埋め立てる砂のコストによって決まります。[ 6 ]もう1つの要因は土地のコストです。

表面流湿地は自由水面人工湿地とも呼ばれ、下水処理場からの排水の三次処理や精製に利用できます。[ 21 ]また、雨水排水の処理にも適しています。
表層流型人工湿地では、汚水は垂直方向ではなく、植物の根を横切って水平方向に流れます。表層流型人工湿地は、地下流型人工湿地に比べて水を浄化するために比較的広い面積を必要とし、冬季には臭気が増し、浄化能力が低下する可能性があります。
表面流湿地は、廃水処理用の池(「廃棄物安定化池」など)と外観が似ていますが、技術文献では池として分類されていません。[ 22 ]
病原体は自然分解、高等生物による捕食、沈殿、そして水が直射日光にさらされることによる紫外線照射によって破壊されます。[ 3 ]水面下の土壌層は嫌気性ですが、植物の根が周囲に酸素を放出することで、複雑な生物学的・化学反応が起こります。[ 23 ]
表面流湿地は、湾泥やその他のシルト質粘土を含むさまざまな土壌タイプによって支えられます。
ホテイアオイ ( Eichhornia crassipes ) やポンテデリア属などの植物は世界中で利用されています (ただし、ガマや葦は侵略性が非常に高いです)。
しかし、表層流人工湿地は蚊の繁殖を促進する可能性があります。また、藻類の繁殖が激しく、排水の質が低下する可能性があり、また、開放水面の蚊や悪臭が発生するため、都市部への導入は困難です。
異なるタイプの人工湿地を組み合わせることで、それぞれのシステムの利点を生かすことが可能です。[ 4 ]
統合型人工湿地とは、植生が浮上したエリアと現地の土壌物質を備えた、ライニングのない自由表面流型の人工湿地です。その目的は、農場やその他の排水源からの排水を処理するだけでなく、湿地インフラを景観に統合し、生物多様性を高めることです。[ 24 ]
統合型人工湿地は、他の人工湿地と比較して、より堅牢な処理システムを備えている可能性があります。[ 25 ] [ 26 ] [ 24 ]これは、従来の人工湿地と比較して、統合型人工湿地の生物学的複雑性が高く、一般的に土地利用が比較的広く、それに伴い水理的滞留時間が長くなるためです。[ 27 ]
統合型人工湿地は、 2007年頃からアイルランド、イギリス、アメリカ合衆国で利用されています。統合型人工湿地の一種である農場型人工湿地は、2008年からスコットランド環境保護庁と北アイルランド環境庁によって推進されています。 [ 27 ]
人工湿地の設計は、周辺環境に大きな影響を与える可能性があります。建設には幅広いスキルと知識が必要であり、適切に行われなければ、容易に敷地に悪影響を与える可能性があります。この設計プロセスには、土木技術者から水文学者、野生生物学者、造園家まで、幅広い専門職が求められます。造園家は、他の専門職では考えられないような湿地建設という課題を達成するために、幅広いスキルを活用することができます。生態学的造園家は、湿地科学者と連携して湿地再生設計を作成する資格も有しています。この設計は、プロジェクトへのアクセス、解釈、そして景観を適切に設計することで、地域社会の価値とプロジェクトの理解を高めます。[ 28 ]造園建築は、湿地の美的側面に長年取り組んできました。造園家はまた、湿地建設に関連する法律や規制についても指導します。[ 29 ]
ガマや葦は、本来の生息域外で は侵入性があるにもかかわらず、その有効性から人工湿地で主に使用されている植物種です。
北米では、ガマ(Typha latifolia)が人工湿地でよく見られます。これは、ガマが広範囲に生息し、様々な水深で生育できること、輸送や移植が容易であること、そして水質(pH、塩分濃度、溶存酸素、汚染物質濃度など)に対する耐性が広いことが理由です。その他の地域では、ヨシ(Phragmites australis)が一般的です(汚水処理だけでなく、廃水を浄化するための中水処理システムでも使用されます)。
植物は通常、生態学的な理由と最適な働きのためにその場所に自生しています。
地元で育った非捕食性の魚を表面流人工湿地に追加することで、蚊などの害虫を駆除または削減することができます。
雨水湿地は両生類の生息地となっているが、そこに蓄積された汚染物質は幼生期の生存に影響を与え、「生態学的罠」として機能する可能性がある。[ 30 ]
人工湿地は自立性があるため、従来の処理システムに比べて生涯コストが大幅に低くなります。また、資本コストも従来の処理システムに比べて低くなることがよくあります。[ 31 ]ただし、人工湿地は相当のスペースを必要とするため、不動産価格が高い地域では好ましくありません。
環境規制によってこの慣行が禁止されるまで、数十年にわたり、一次沈殿池の排水は自然湿地に直接排出されていました。砂ろ過床を備えた地下水流人工湿地は中国で始まり、現在ではアジアの小都市で利用されています。[ 4 ]
オーストリアにおける人工湿地の総数は5,450ヶ所(2015年)である[ 32 ]。法的要件(硝化)により、オーストリアでは水平流式人工湿地よりも硝化効率が高い垂直流式人工湿地のみが整備されている。これらの人工湿地のうち、設計規模が人口50人分以上のものは約100ヶ所に過ぎない。残りの5,350ヶ所の処理施設は、それよりも小規模である[ 32 ] 。
グースベイ核実験場の汚染を除去する修復活動の一環として、廃棄物埋立地の1つが人工湿地に改造されました。[ 33 ]