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人工湿地は、下水、雑排水、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、鉱山後の土地再生や、土地開発によって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、および生物の自然機能を利用して廃水に二次処理を提供するように設計されたシステムです。人工湿地の設計は、処理する廃水の種類に応じて調整する必要があります。人工湿地は、集中型および分散型の廃水処理システムの両方で使用されています。浮遊物質または可溶性有機物（生物化学的酸素要求量および化学的酸素要求量として測定）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、人工湿地も生物ろ過器として機能し、水から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 ]あらゆる種類の病原体（細菌、ウイルス、原生動物、蠕虫など）は、人工湿地である程度除去されることが期待されます。地下湿地は、表層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、主に地下流型と表面流型の 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 ]人工湿地の中には、在来種や渡り鳥などの野生生物の生息地となるものもありますが、それが主な目的ではありません。地下流型の人工湿地は、砂利と砂の床を通して水が水平方向に流れるか垂直方向に流れ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少なくて済みます。
人工湿地を表す用語には、葦原、土壌浸透床、処理湿地、工学的湿地、人工湿地など、多くの種類があります。[ 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、あるいは鉱業によって破壊された土地を復元・再耕作した場所を指す場合にも用いられる。
人工湿地とは、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のことである。
湿地の植生は、微生物が有機物を分解しながら成長できる基質（根、茎、葉）を提供します。この微生物群集は、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パーセントを担っています。[ 5 ]植物は汚染物質の約7～10パーセントを除去し、分解される際に微生物の炭素源として機能します。水生植物の種類によって重金属の吸収速度が異なるため、水処理に使用される人工湿地での植物の選択において考慮すべき点です。人工湿地には、地下流湿地と表面流湿地の2つの基本的なタイプがあります。
人工湿地システムは、廃水処理を促進するために、自然湿地における土壌、植物、微生物の分布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実現するために、流量、微生物組成、適切な植物が設計されています。
人工湿地は、未処理の下水、雨水、農業排水、工業排水の処理に利用できます。人工湿地は、雨水を捕捉し、栄養負荷を軽減し、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、廃水処理または雑排水処理に使用されます。[ 6 ]
多くの規制機関は、都市流出水を制御するための推奨される「最良管理方法」の1つとして処理湿地を挙げている。[ 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を除去します。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不可欠です。理論的には、人工湿地内での廃水処理は、湿地媒体と植物の根圏を通過する際に起こります。根茎、根、および根小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、根床媒体に存在する鉄、アルミニウム、およびカルシウム化合物と共沈します。[ 8 ] [ 9 ]懸濁物質は、表面流湿地では水柱に沈降する際に濾過されるか、地下流湿地では媒体によって物理的に濾過されます。地下流式および垂直流式システムでは、砂利や砂の媒体上に形成されたバイオフィルムによるろ過と吸着によって、有害な細菌、真菌、ウイルスが減少する。
湿地における主要な窒素形態で、廃水処理において重要なものには、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。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毒性があるため、廃水からの窒素除去は重要である。飲料水中の硝酸塩が過剰になると、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が低下すると考えられている。さらに、点源および非点源からの窒素の過剰な流入は、河川、湖沼、河口、沿岸海洋の富栄養化を促進し、有毒藻類の異常発生、水中の酸素欠乏、魚類の死亡、水生生物多様性の喪失など、水生生態系にいくつかの問題を引き起こす。[ 10 ]
人工湿地では、生物学的栄養塩除去を目的として設計されている場合、アンモニア除去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）の供給は必要ありません。[ 6 ]これは硝化と脱窒からなる2段階のプロセスです。窒素サイクル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Nitrosomonas sp.がアンモニウムを亜硝酸塩に酸化します。次に細菌Nitrobacter sp.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。
硝化は、2種類の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に生物学的に変換するプロセスです。[ 11 ]硝化は厳密には好気性プロセスであり、最終生成物は硝酸塩（NO − 3）です。硝化プロセスでは、アンモニウム（廃水から）が亜硝酸塩（NO − 2）に酸化され、次に亜硝酸塩が硝酸塩（NO − 3）に酸化されます。
脱窒とは、酸化された窒素アニオンである硝酸塩と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（N₂）などの気体生成物を生成する過程である。2 O) と窒素ガス (N )2 ) 有機物の酸化を伴う。 [ 11 ]最終生成物、N2、そして程度は低いものの中間副産物であるN2 Oは、大気中に再放出される気体です。
人工湿地は、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）を除去するために使用されてきた[ 12 ] 。
リンは有機リンと無機リンの両方の形で自然界に存在する。生物学的に利用可能なオルトリン酸塩の分析的測定値は、可溶性反応性リン（SR-P）と呼ばれる。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、一般的に可溶性の無機リンに変換されるまで生物学的に利用できない。[ 13 ]
淡水生態系では、リンが一般的に主要な制限栄養素です。自然環境下では、リンは不足しています。リンの自然な不足は、リンを豊富に含む廃水が大量に排出される水域で藻類が爆発的に増殖することによって実証されています。リンは窒素とは異なり大気成分を持たないため、リン循環は閉鎖系と特徴づけられます。廃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。湿地システム内でリンを隔離する方法は次のとおりです。
水生植物はリンの除去に重要な役割を果たす可能性があり、収穫す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/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、媒体を乱して緩め、その多孔性を高め、根圏での流体の移動をより効果的にする可能性があると考えられている。根が腐敗すると、マクロポアと呼ばれるポートとチャネルが残り、土壌を通して水を流すのに効果的である。
人工湿地は、溶解した金属やメタロイドを除去するため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（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、鉱山ではこれらの汚染物質を処理するための湿地が建設されている。[ 15 ]
人工湿地は病原菌の除去を目的として設計されているのではなく、浮遊物質、有機物（生物化学的酸素要求量および化学的酸素要求量）、栄養素（窒素およびリン）などの他の水質成分を除去するように設計されている。[ 3 ]
人工湿地ではあらゆる種類の病原体が除去されることが期待されますが、地下湿地ではより多くの病原体が除去されることが期待されます。自由水面流湿地では、病原体の1～2 log10減少が期待できますが、植生が密集しているシステムでは、細菌やウイルスの除去は1 log10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に役立つ植生が含まれているためです。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の影響は最小限になります。[ 3 ]
適切に設計および運用された自由水面流湿地では、細菌の除去率は 1 ～ 2 log10 未満、ウイルスの除去率は 1 ～ 2 log10 未満、原虫の除去率は 1 ～ 2 log10、蠕虫の除去率は 1 ～ 2 log10 と報告されている。[ 3 ]地下流湿地では、病原体の除去率は細菌で 1 ～ 3 log10、ウイルスで 1 ～ 2 log10、原虫で 2 log10、蠕虫で 2 log10 と報告されている。[ 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の観点からも理解できます。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、浮遊性水生植物のみ、浮葉性水生植物、または沈水性水生植物のみの表層流システムである可能性がありますが、典型的な自由水面システムは、通常、抽水植物で構築されます。[ 17 ]垂直または水平流体制の地下流人工湿地も一般的であり、比較的少ないスペースで済むため、都市部に統合できます。[ 4 ]
人工湿地の主な3つの大分類は次のとおりです。[ 18 ] [ 6 ]
前者のタイプは、大量の廃棄物分解バイオフィルムが形成される表面積を提供する基質を備えた水槽に設置されますが、後者は、バイオフィルムが形成される厚い根と根茎のマットが形成されるまで水生植物が浮遊する浸水処理水槽に依存しています。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、底面はポリマージオメンブレン、コンクリート、または粘土（適切な種類の粘土がある場合）で覆われます。基質は、地域の入手可能性に応じて、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。
人工湿地は、浄化槽（またはその他のタイプのシステム）の後段に設置して一次処理を行い、固形物と液体排水を分離するために使用できます。ただし、人工湿地の設計によっては、前処理として一次処理を行わないものもあります。
地下流式人工湿地では、排水は植物の根の間を流れ、水面は現れません（水は砂利の下に保持されます）。そのため、このシステムはより効率的で、蚊を引き寄せず、悪臭が少なく、冬の気候条件にも影響を受けにくいという利点があります。また、水の浄化に必要な面積も少なくて済みます。このシステムの欠点は、取水口が詰まりやすく、生物による詰まりも起こりやすいことですが、大きめの砂利を使用することでこの問題は解決できる場合が多いです。
地下流湿地は、水平流または垂直流の人工湿地にさらに分類できます。垂直流の人工湿地では、排水は植栽層から基質を通って垂直に下へ流れ、そこから排出されます（床を曝気するためにエアポンプが必要です）。[ 20 ]水平流の人工湿地では、排水は重力によって水平方向に、表面に平行に流れ、表面水がないため、蚊の繁殖を防ぎます。垂直流の人工湿地は、水平流の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、垂直流の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、水平流の人工湿地は廃水を連続的に受け入れることができ、建設が容易です。[ 4 ]
効率が向上したため、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」は、未処理廃水の一次処理と二次処理を組み合わせたものです。処理水は、粒径が徐々に小さくなる（砂利から砂まで）さまざまなろ過層を通過します。[ 4 ]
地下流湿地は、家庭排水、農業排水、製紙工場排水、鉱山排水、製革工場や食肉加工工場の廃棄物、雨水など、さまざまな種類の廃水を処理できます。[ 6 ]
排水の水質は設計によって決まり、意図する再利用用途（灌漑やトイレの洗浄など）または廃棄方法に合わせてカスタマイズする必要があります。
人工湿地の種類によっては、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る。[ 6 ]砂利媒体（一般的には石灰岩または火山岩の溶岩石）も使用できる（溶岩石を使用すると、石灰岩よりも表面積を約20%削減できる）が、主に水平流システムで使用されているが、砂ほど効率的には機能しない（ただし、砂は目詰まりしやすい）。[ 4 ]
人工地下流湿地は二次処理システムとして設計されており、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ります。このような一次処理には、砂や砂利の除去、グリーストラップ、コンポストフィルター、浄化槽、イムホフタンク、嫌気性バッフルリアクター、または上向流嫌気性スラッジブランケット （UASB）リアクターが含まれます。[ 4 ]次の処理は、ろ過、吸着、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、好気性または通性細菌のバイオフィルムによる生物学的ろ過です。フィルターベッドの粗い砂は、微生物の成長の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が顕著です。水損失の場合、不飽和の上層と短い滞留時間のため、垂直流の人工湿地は水平流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。蒸発散（降雨と同様）は、水平流システムの設計において考慮されます。[ 6 ]
家庭排水や汚水が処理された場合、排水は黄色または茶色になることがあります。処理された雑排水は通常、色づきません。病原菌レベルに関しては、処理された雑排水は地表水への安全な排出に関する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、再利用の用途によっては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種類以上の他の植物も利用可能です。成長の早い多くのタイマー植物のほか、例えばバナナ属、イグサ属、ガマ属、スゲ類なども利用できます。
過負荷のピークは性能上の問題を引き起こすべきではないが、継続的な過負荷は、浮遊物質、汚泥、または脂肪の過剰によって処理能力の低下につながる。
地下流湿地では、前処理工程、ポンプ使用時の点検、流入負荷、濾過床への分配などの定期的なメンテナンス作業が必要です。[ 4 ]
地下水流湿地は、水が地表に露出していないため、地表水流湿地に比べて蚊の発生しにくい。地表水流の人工湿地では、蚊が問題となることがある。地下水流システムは、地表水流システムに比べて水処理に必要な土地面積が少なくて済むという利点がある。しかし、野生生物の生息地としては、地表水流湿地の方が適している場合もある。
都市用途の場合、地下流式人工湿地の面積要件は、従来の都市下水処理場と比較して制限要因となる可能性があります。活性汚泥プラント、散水ろ床、回転ディスク、浸漬曝気ろ床、膜バイオリアクタープラントなどの高効率好気性処理プロセスは、より少ないスペースで済みます。これらの技術と比較した地下流式人工湿地の利点は、特に発展途上国で重要な運用上の堅牢性です。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も、下水汚泥処理が不要となるため、もう1つの利点です。[ 4 ]ただし、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ります。
地下流式人工湿地のコストは、主に床を埋める砂のコストに依存します。[ 6 ]もう一つの要因は土地のコストです。
表面流湿地（自由水面人工湿地とも呼ばれる）は、下水処理場からの排水の三次処理や浄化に利用できる。[ 21 ]また、雨水排水の処理にも適している。
表面流型人工湿地では、排水は垂直方向ではなく、植物の根元を水平方向に流れます。そのため、地下流型人工湿地に比べて浄化に必要な面積が比較的広く、冬季には悪臭が強くなったり、浄化能力が低下したりする可能性があります。
表面流湿地は、廃水処理用の池（「廃水安定化池」など）と似た外観をしているが、技術文献では池として分類されていない。[ 22 ]
病原体は、自然分解、高等生物による捕食、沈殿、および水が直射日光にさらされているため紫外線照射によって破壊されます。[ 3 ]水の下の土壌層は嫌気性ですが、植物の根は周囲に酸素を放出し、これにより複雑な生物学的および化学的反応が可能になります。[ 23 ]
地表流湿地は、湾の泥やその他のシルト質粘土など、非常に多様な土壌タイプによって支えられる。
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る（ただし、ガマ属やヨシ属は非常に侵略性が高い）。
しかし、表面流型の人工湿地は蚊の繁殖を促進する可能性がある。また、藻類の大量発生により排水の水質が低下する可能性があり、水面が開放されているため蚊が多く発生し、悪臭も発生することから、都市部の住宅地への導入はより困難である。
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固有の利点を活用することが可能です。[ 4 ]
統合型人工湿地は、水面下地のない自由表面流の人工湿地で、水生植物が生い茂るエリアと地元の土壌材料を備えています。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、湿地のインフラを景観に統合し、生物多様性を高めることにもあります。[ 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となる可能性がある。[ 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性が高く、一般的に土地面積が比較的大きく、それに伴い水理学的滞留時間が長いためである。[ 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人工湿地は、2008 年以降、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、正しく行わないと容易に敷地に悪影響を及ぼす可能性があります。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、ランドスケープアーキテクトまで、さまざまな専門家が必要です。ランドスケープアーキテクトは、他の専門家が考えもしないような湿地建設のタスクを達成するために、幅広いスキルを活用できます。生態学的ランドスケープアーキテクトは、湿地科学者と連携して湿地復元設計を作成する資格も有しており、適切に設計されたアクセス、解説、およびプロジェクトの眺望を通じて、プロジェクトに対するコミュニティの価値と評価を高めます。[ 28 ]ランドスケープアーキテクチャは、湿地の美的側面に関わってきた長い歴史があります。ランドスケープアーキテクトはまた、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 ]
ガマ属とヨシ属は、その有効性から人工湿地で主に利用されている種であるが、原産地以外では侵略的外来種となる可能性がある。
北米では、ガマ（Typha latifolia）は、広く分布し、様々な水深で生育でき、輸送や移植が容易で、水質（pH、塩分濃度、溶存酸素濃度、汚染物質濃度など）に対する耐性が広いため、人工湿地でよく見られます。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、雑排水処理システムでも廃水浄化に利用されています）。
地元で養殖された捕食性の魚を、表面流型の人工湿地に放流することで、蚊などの害虫を駆除または減少させることができる。
雨水湿地は両生類の生息地となるが、そこに蓄積される汚染物質は幼生期の生存に影響を与え、「生態学的トラップ」として機能する可能性がある。[ 30 ]
人工湿地は自己維持型であるため、その生涯コストは従来の処理システムよりも大幅に低い。多くの場合、その初期費用も従来の処理システムよりも低い。[ 31 ]ただし、かなりのスペースを必要とするため、不動産コストが高い場所では好まれない。
一次沈殿槽からの排水は、環境規制によってこの慣行が抑制されるまで数十年間、自然湿地に直接放流されていました。砂ろ過床を備えた地下流人工湿地は中国が発祥で、現在ではアジアの小都市で使用されています。[ 4 ]
オーストリアの人工湿地の総数は5,450箇所（2015年時点）である。[ 32 ]法的な要件（硝化）により、オーストリアでは垂直流人工湿地のみが導入されている。これは、垂直流人工湿地の方が水平流人工湿地よりも硝化性能が優れているためである。これらの人工湿地のうち、設計規模が人口換算で50人以上であるのは約100箇所のみである。残りの5,350箇所の処理施設はそれよりも小さい。[ 32 ]
CFBグースベイの汚染物質を除去する修復作業の一環として、廃棄物投棄場の1つが人工湿地に改造された。[ 33 ]
2023年、クリアウォーター郡は州内で初めてバイオフィルターベースの湿地廃水処理システムを導入した。[ 34 ]このシステムは、2種類の地下人工湿地を使用して好気性および嫌気性の両方の廃水処理を行う。
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