人工湿地

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、}採掘後の土地再生用として、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で使用されています。浮遊物質または可溶性有機物（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）が大量にある場合は、一次処理が推奨されます。^[3]

天然湿地と同様に、人工湿地もバイオフィルターとして機能し、水中のさまざまな汚染物質（有機物、栄養素、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、栄養素（窒素とリン）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予想されます。地下湿地は、表面湿地よりも病原体の除去効果が高いです。^[3]

人工湿地には、主に地下水流と表面水流の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、砂と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、在来および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。地下水流人工湿地は、砂利と砂の床を通る水平または垂直の水流が発生するように設計されています。垂直流システムは、水平流システムよりも必要なスペースが小さくなります。

人工湿地を表すために、葦原、土壌浸透床、処理湿地、工学湿地、人工湿地など、多くの用語が使用されています。 ^[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、通常は植物がありません。

人工湿地という用語は、過去に排水や農地への転換、採掘などによって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。

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、人工的に作られた一連の水域です。

湿地の植生は、有機物を分解する微生物が成長できる基質（根、茎、葉）を提供します。この微生物群は付着藻類として知られています。付着藻類と自然の化学プロセスは、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、腐敗する際に微生物の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、水処理に使用される人工湿地での植物の選択はこれ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植物による浄化の一例です。

人工湿地システムは、廃水処理を助けるために、自然湿地の土壌、植物、微生物の発生を模倣することを目的とした、高度に制御された環境です。最も効率的な処理プロセスを生み出すために、流れの仕組み、微生物組成、適切な植物を使用して構築されます。

人工湿地は、未処理の下水、雨水、農業および産業排水の処理に使用できます。人工湿地は、雨水を捕らえ、栄養負荷を減らし、多様な野生生物の生息地を作り出す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、都市部の流出水を制御するための推奨される「最善の管理方法」の一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根圏を通過するときに行われます。根毛の周りの薄い膜は、根茎、根、細根からの酸素の漏出により好気性です。 ^[8]好気性および嫌気性微生物は、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殿する際に濾過され、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内の砂利や砂の媒体上のバイオフィルムによるろ過と吸着によって減少します。 ^[要出典]

湿地における窒素の主な形態で廃水処理に重要なものには、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。総窒素とは、すべての窒素種を指す。廃水中の窒素除去が重要なのは、アンモニアが水路に排出されると魚に有毒となるためである。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窒素の過剰流入は、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の大量発生、水中の酸素枯渇、魚の死亡、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]

アンモニア除去は、人工湿地（生物学的栄養素除去を実現するように設計されている場合）では、下水処理場と同様の方法で行われますが、外部からのエネルギー集約的な空気（酸素）の追加は不要です。^{[6]これは、}硝化とそれに続く脱窒の2段階プロセスです。窒素循環は次のように完了します。廃水中のアンモニアはアンモニウムイオンに変換されます。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ます。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します。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、大気中に放出されます。^[要出典]

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ある。^[11]硝化作用は、最終生成物が硝酸塩（NO⁻
₃硝化のプロセスでは、アンモニウム（廃水から）が亜硝酸塩（NO⁻
₂）、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（N）などのガス状生成物を生成する反応です。
₂O )と窒素ガス( N
₂）、有機物の酸化を伴う。^[11]最終生成物であるN
₂、そしてそれほどではないが中間副産物であるN
₂O 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]。

リンは有機と無機の両方の形で自然に存在します。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。溶解した有機リンと不溶性の有機リンおよび無機リンは、通常、可溶性の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]

淡水の水生生態系では、リンが主な制限栄養素となるのが一般的です。自然のままの状態では、リンは不足しています。リンが自然に不足していることは、リンを多く含む廃棄物が大量に排出された水中の藻類の爆発的な増殖によって証明されています。リンは窒素とは異なり、大気中に存在しないため、リンの循環は閉じているといえます。廃水からのリンの除去と貯蔵は、人工湿地内でのみ行うことができます。リンは、湿地システム内で次の方法で隔離できます。

1. 生体バイオマスへの取り込みの結果として有機物中のリンが結合すること。
2. 湿地土壌中に見られる不溶性リン酸と鉄、カルシウム、アルミニウムの沈殿。 ^[13]

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ます。^[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します。特定の植物は酸素を運び、それがバイオフィルム/根の界面で放出され、湿地システムに酸素を追加します。植物はまた、土壌または他の根床媒体の水力伝導性を高めます。根と根茎が成長するにつれて、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より効果的な流体移動が可能になります。根が腐敗すると、土壌を通して水を導くのに効果的なマクロポアと呼ばれるポートとチャネルが残ります。

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た。これらの汚染物質は鉱山排水に多く含まれるが、雨水、埋立地浸出水、その他の発生源（石炭火力発電所の浸出水やFDG洗浄水など^{）にも含まれており、鉱山ではこれら}の処理のために湿地が建設されてきた。^[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、地下湿地ではより多くの病原体が除去されると期待されます。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、植物が密集したシステムでは、細菌やウイルスの除去は1 log10の減少未満になる可能性があります。^[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物が含まれるためです。したがって、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]

適切に設計され、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であると報告されています。^[3]地下水流湿地では、病原体の予想される除去率は、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であると報告されています。^[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ます。2 log10 = 99%、3 log10 = 99.9%、4 log10 = 99.99%などです。^[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からなる表面流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]垂直または水平の流れレジームを備えた地下流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つのタイプは次のとおりです。^{[18] [6]}

• 地下水流人工湿地 - この湿地は、垂直流（排水が植栽層から基質を通って下方に垂直に移動する）または水平流（排水が表面と平行に水平に移動する）のいずれかになります。
• 表面流人工湿地（この湿地は水平流があります）
• 浮遊処理湿地

前者の種類は、基質のある盆地に設置され、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提供する一方、後者は、水没した処理盆地に依存し、その上に水生植物を浮遊させ、根と地下茎の厚いマットを形成し、その上にバイオフィルムが形成されるまで保持します。ほとんどの場合、地下水位と周囲の地面を保護するために、底にはポリマージオメンブレン、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、地元の入手可能性に応じて砂利（通常は石灰岩または軽石/火山岩）、砂、またはさまざまなサイズの媒体の混合物（垂直流人工湿地の場合）のいずれかになります。^[要出典]

人工湿地は、固形物を液体の排出物から分離するために、浄化槽の後に一次処理（または他のタイプのシステム）に使用できます。ただし、人工湿地の設計によっては、事前に一次処理を行わないものもあります。

地下水流人工湿地では、汚水は植物の根の間を流れ、水面には現れません (砂利の下に保たれます)。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、冬の条件の影響を受けにくくなります。また、水を浄化するために必要な面積も少なくなります。このシステムの欠点は取水口で、簡単に詰まったり、生物による詰まりが生じたりすることがありますが、大きめの砂利を敷くと、この問題は解決することがよくあります。

地下水流湿地は、さらに水平流人工湿地と垂直流人工湿地に分類できます。垂直流人工湿地では、排水は植栽層から基質を通り下方に垂直に移動し、外に出ていきます（ベッドに空気を送るためにエアポンプが必要です）。^[20]水平流人工湿地では、排水は重力によって水平に、地表と平行に移動し、地表水がないため蚊の繁殖を防ぎます。垂直流人工湿地は、水平流人工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ます。ただし、垂直流人工湿地は間隔を置いて負荷をかける必要があり、設計にはより多くのノウハウが必要ですが、水平流人工湿地は廃水を継続的に受け入れることができ、構築も簡単です。^[4]

効率性の向上により、垂直流地下人工湿地は1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、未処理の廃水の一次処理と二次処理を組み合わせたものです。廃水は、粒子サイズが徐々に小さくなる（砂利から砂まで）さまざまなフィルター層を通過します。^[4]

地下水流動湿地は、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、意図する再利用用途（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、廃水は砂利、まれに砂の媒体を通過し、その上に植物が根を張ります。^[6]砂利媒体（通常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が約20％減少します）。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、堆肥フィルター、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]その後の処理は、ろ過、吸着、または硝化などのさまざまな生物学的および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。フィルターベッドの粗い砂は、微生物が増殖するための表面を提供し、吸着およびろ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、蒸発散と降水の影響は顕著です。水分損失の場合、垂直流の人工湿地は、不飽和上層と短い滞留時間のため、水平流の人工湿地よりも好ましいですが、垂直流システムは外部エネルギー源への依存度が高くなります。水平流システムの設計では、蒸発散量（降雨量も同様）が考慮されます。^[6]

家庭排水や汚水が処理されている場合、排水は黄色や茶色になることがあります。処理された中水は通常、色がありません。病原菌レベルに関しては、処理された中水は、表層水に安全に排出するための病原菌レベルの基準を満たしています。^[3]処理された家庭排水は、再利用の用途に応じて、三次処理が必要になる場合があります。^[4]

ヨーロッパの人工地下水湿地では、葦原の植栽が一般的ですが、少なくとも 20 種類の他の植物種も使用できます。また、Musa属、Junkus属、ガマ ( Typha属)、スゲなど、成長の早い多くのタイマー植物も使用できます。

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、流入負荷と濾過床への分布の点検など、以下のメンテナンス作業が必要です。^[4]

地下湿地は、表面に水が露出していないため、表面流湿地に比べて蚊が住みにくい場所です。表面流の人工湿地では蚊が問題になることがあります。地下流システムには、表面流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。ただし、野生生物の生息地には表面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した場合、地下水流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、散水濾床、回転ディスク、浸漬曝気濾床、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水流人工湿地の利点は、開発途上国で特に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というもう1つの利点である。^[4]しかし、一次沈殿槽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。

地下水流を利用した人工湿地のコストは、主に湿地を埋め立てる砂のコストによって決まります。^[6]もう一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使用できます。^[21]また、雨水排水の処理にも適しています。

表面流人工湿地では、汚水は垂直に流れるのではなく、常に植物の根を横切って水平に流れます。地下流人工湿地と比較して、水を浄化するために比較的広い面積が必要であり、冬には臭いが強くなり、パフォーマンス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し、複雑な生物学的・化学的な反応を可能にします。^[23]

表面流湿地は、湾泥やその他のシルト質 粘土を含む多種多様な土壌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、表面流を利用した人工湿地は蚊の繁殖を促す可能性があります。また、藻類の繁殖が盛んで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のため、都市近郊に湿地を統合することはより困難です。

• 
  新たに植樹された人工湿地
• 
  2年後の同じ人工湿地

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特定の利点を活用することができます。^[4]

統合型人工湿地とは、植生が生い茂ったエリアと地元の土壌物質を備えた、裏打ちのない自由表面流の人工湿地です。その目的は、農場やその他の廃水源からの廃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促進する可能性がある。^{[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さと、一般的に比較的広い土地利用、およびそれに伴うより長い水力滞留時間によるものである。^[27]

統合型人工湿地は、2007年頃からアイルランド、英国、米国で使用されています。統合型人工湿地のサブタイプである農場型人工湿地は、2008年以来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、周囲の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、正しく行われなければ、簡単にその場所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、土木技師から水文学者、野生生物学者、造園家まで、多くの専門家が必要です。造園家は、他の専門家が考えつかないような湿地を建設するという課題を達成するために、幅広いスキルを活用できます。生態学的造園家は、湿地科学者と協力して湿地の復元設計を作成する資格も持っています。この設計は、プロジェクトのアクセス、解釈、および景観を適切に設計することで、コミュニティの価値とプロジェクトの評価を高めます。^[28]造園家は、湿地の美的側面に取り組んできた長い歴史を持っています。造園家は、湿地の建設に関連する法律や規制についても指導します。^[29]

ガマとヨシは、本来の生息域外では 侵入種となる可能性があるものの、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 ) は、広範囲に生息し、さまざまな水深で生育でき、輸送や移植が容易で、水の成分 ( pH 、塩分、溶存酸素、汚染物質の濃度など) に対する耐性が広いため、人工湿地では一般的です。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)。

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。

• 
  汚水処理のために新たに植林された湿地（ペルー、リマ）
• 
  人工湿地で育つこの根こそぎにされた植物の大きな根は、植物が健康であることを示している（ペルー、リマ）
• 
  ノルウェーの処理池で Flowforms を使用したハイブリッド システム。

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、潜在的に「生態学的罠」として機能する可能性がある。^[30]

人工湿地は自立的であるため、その生涯コストは従来の処理システムよりも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]人工湿地は大きなスペースを占めるため、不動産コストが高い場所では好まれません。

環境規制によりこの慣行が禁止されるまで、数十年間にわたり一次浄化槽の排水は自然湿地に直接排出されていました。 ^[要出典]砂ろ過床を備えた地下水流人工湿地は中国で始まり、現在はアジアの小都市で使用されています。^[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、水平流人工湿地よりも優れた硝化性能を実現する垂直流人工湿地のみがオーストリアで実施されている。これらの人工湿地のうち、設計規模が人口50人分以上のものはわずか100ヶ所程度である。残りの5,350ヶ所の処理施設はそれよりも小さい。^[32]

グースベイ基地の汚​​染を除去する修復活動の一環として、廃棄物埋立地の一つが人工湿地に改造されました。^[33]

ウィキメディア・コモンズには、人工湿地に関連するメディアがあります。

ウィキメディア・コモンズには、人工湿地に関連するメディアがあります。

• 人工湿地 – 米国環境保護庁 – ハンドブック、研究および関連リソース
• 持続可能な衛生同盟の図書館にある人工湿地に関する出版物