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人工湿地系汚水処理技術の解析
人工湿地システムの水質浄化技術は新型生態汚水浄化処理方法として、その基本原理は人工湿地充填材に特定の湿地植物を栽培し、それによって人工湿地生態システムを構築することである。汚水が湿地システムを通過すると、その中の汚染物質と栄養物質がシステムに吸収されたり分解されたりして、水質が浄化されます。
人工湿地システムの水質浄化の鍵は、プロセスの選択と植物の選択と応用配置にある。適切な湿地植物をどのように選択し、組み合わせ、そしてそれを異なるタイプの湿地システムに応用するかは、人工湿地を建設する前に考えなければならない問題となっている。
1、人工湿地汚水処理システム植物の選択原則
1.1植物は良好な生態適応能力と生態建設機能を持っている、
管理が簡単で便利なことは人工湿地生態汚水処理プロジェクトの主要な特徴の一つである。浄化能力が高く、抗逆性が類似しており、成長量が小さい植物を選別できれば、管理上、特に植物体の後処理上の多くの面倒を減らすことができる。一般的には、現地または当地域の天然湿地に存在する植物を選択しなければならない。
1.2植物は強い生命力と旺盛な成長勢いを持っている、
①凍結抵抗、熱抵抗力
下水処理システムは年間を通じて連続的に稼働しているため、水生植物は劣悪な環境でも基本的に正常に成長することが求められているが、自然条件への適応性が劣っている植物や適応できない植物は浄化効果に直接影響を与える。
②抗病虫害能力
下水生態処理システムにおける植物は病虫害を繁殖しやすく、抗病虫害能力は植物自身の成長と生存に直接関係し、処理システムにおける浄化効果にも直接影響する。
③周囲環境への適応力
人工湿地中の植物根系は長期にわたって水に浸漬し、接触濃度が高く、変化の大きい汚染物となるため、選択された水生植物は耐汚染能力が強いほか、現地の気候条件、土壌条件、周囲の動植物環境に対して良好な適応能力を持たなければならない。
1.3導入された植物は強い汚染耐性を持っていなければならない。
水生植物は下水中のBOD 5、COD、TN、TPは主に根区の表面及び付近に付着して成長した微生物によって除去されるため、根系が比較的発達し、下水に耐える能力の強い水生植物を選択すべきである。
1.4植物の年生は長期にわたり、好ましくは冬季半枯れまたは常緑植物である、
人工湿地処理システムでは、冬場の植物が枯れて死亡したり、成長が休眠したりすることで機能が低下することがよくあるため、常緑冬期に生育が盛んな水生植物のタイプを重点的に選択しなければならない。
1.5選択された植物は現地の生態環境に対して隠れた危険または脅威を構成せず、生態安全性を有する。
1.6一定の経済効果、文化価値、景観効果と総合利用価値を持つ。
処理された汚水に有毒、有害成分が含まれていない場合、その総合利用は以下のいくつかの方面から考慮することができる：①飼料として、一般的に粗タンパク質の含有量>20%（乾燥重量）の水生植物を選択する；②肥料を作るには、植物体の肥料含有有効成分が高く、分解しやすいことを考慮しなければならない。③メタンガスを生産するには、発酵、ガス生産植物の炭素窒素比を考慮しなければならず、一般的に植物体を選択する炭素窒素比は25～30.5/1である；④葦などの工業原料や手工業原料は製紙に用いることができ、ネギ、イグサ、ガマ、莞草などはすべて畳を編む原料である。
都市部の汚水処理システムは一般的に郊外に近く、面積が大きいため、景観の美化も考慮しなければならない。
しかし、実際の仕事の中で、多くの人工湿地の技術設計者と建設者が最も考慮しているのは植物の独自性と観賞価値などの表在要素であり、この植物を栽培した後の植物の成長効果、湿地の運行効果、成長表現及び生態に対する安全性などを考慮していないため、人工湿地は一定時間運行した後に機能が急激に低下したり運行費用が急増したりし、最終的にはシステム麻痺費や遊休を招いたりする。
2、人工湿地植物特性の研究及び植物配置分析
2.1植物型による分析
2.1.1浮遊植物
浮遊植物の中で人工湿地システムの処理によく用いられるのは、水葫芦、オオイダコ、セロリ、李氏禾、浮草、水オオイダコ、豆板菜などである。
これらの植物の植物学的特性を分析したところ、①生命力が強く、環境に適性があり、根系が発達している、②バイオマスが多く、成長が速い、③冬に休眠したり死亡したりしたズッキーニ、オオイダコ、オオイダコ、夏に休眠したセロリ、豆板菜などの季節的な休眠現象がある。生育の旺盛な季節は主に毎年3-10月または9月-翌年5月に集中している。④出産周期が短く、主に栄養成長を主とし、Nに対する需要量が最も高い。
浮遊植物は上述の植物学的特性を持っているため、人工湿地植物の配置を行う際には、①このような植物は環境適応能力が強いため、植物配置を行う際に地方優位品種として優先的に考慮すべきである、②人工湿地システムでは、水体中の養分の除去は主に植物の吸収利用に依存しているため、生物量が多く、根系が発達し、年間出産周期が多く、吸収能力の良い植物が私たちの選択の目標となっている。③植物の季節性休眠特性を利用して、私たちは正しい植物の組み合わせを与えることができて、例えば冬の低温時にセロリを配置して、夏の高温時に水葫芦、オオイダコなどの高温成長に適した植物を配置して、植物の品種選択の組み合わせが単一であるために季節性の機能失調現象が現れないようにする;④この種の植物は栄養成長を主とし、Nの吸収利用率が高いため、植物配置を行う際にNの吸収利用効果を重視し、N除去の優位植物として利用することができ、それによってシステムのN除去効果を高める。
2.1.2根茎、球茎及び種子植物
この種類の植物は主に睡蓮、ハス、馬蹄蓮、慈姑、クロナズナ、芋、沢潟、菱角、ハトムギ、オニバスなどを含む。それらは発達した地下根茎や塊根を持っているか、または大量の種子果実を産生することができ、多くは季節性休眠植物のタイプで、一般的に冬枯れ春に発芽し、生育季節は主に4-9月に集中している。
根茎、球茎、種子類植物は以下の特徴を持っている：①耐鬱積能力が比較的に良く、鬱土層が深く肥沃な場所に適して成長し、土壌から離れられない；②生育環境に適した水深は一般的に40 ~ 100 CM程度である。③発達した地下塊根または塊茎を有し、その根茎の形成はP元素に対する需要が多いため、Pに対する吸収量が大きい、④種子果実類植物は、種子と果実の形成に大量のPとK元素を必要とする。
この種の植物は以下の特徴があるため、人工湿地植物の応用配置を行う際に十分に考慮しなければならない：①これらの植物の特性に基づいて、その応用は一般的に表面流人工湿地システムと湿地の安定システムであり、②これらの植物の成長（主に塊根、球茎、果実の成長）を利用して大量のP、K元素の特性を必要とし、それをP除去の優位植物として応用し、Pに対する系統的な除去効果を高める。
2.1.3直水草本植物のタイプ
この種類の植物はヨシ、キンポウゲ、ガマ、日傘竹、皇竹草、キンポウゲ、水ネギ、水サ草、紙サ草などを含み、人工湿地システムの主要な植物のために品種を選択する。これらの植物の共通特性は、①適応能力が強いか、本土の優位品種であるか、②根系が発達し、成長量が大きく、栄養成長と生殖成長が両立し、NとP、Kの吸収が豊富である；③土のない環境で成長することができます。
これらの植物の生育特性に応じて、潜流式人工湿地に組み合わせて栽培することができ、表流式人工湿地システムにも栽培することができる。
植物の根系分布の深さと分布範囲に応じて、このような植物を4種類の成長タイプ、すなわち深根叢生型、深根散生型、浅根叢生型と浅根散生型に分けることができる。
（1）深根叢生型の植物で、その根系の分布深さは一般的に30 CM以上で、分布は深く、分布面積は広くない。植物の地上部分には、皇竹草、芦竹、日傘竹、野草、ハトムギ、紙サ草などが生い茂っている。この種の植物は根系入土深さが大きく、根系接触面が広いため、潜流式人工湿地に植栽することにより、処理浄化性能を示すことができる。
（2）深根散生型植物根系は一般的に20-30 CMの間に分布し、植物は分散し、この種類の植物は蒲、菖蒲、水ネギ、テンソウ、水サ草、野山ショウガなどがあり、この種類の植物の根系入土深さも比較的に深いので、潜流式人工湿地に適して配置栽培する。
（3）浅根散生型の植物、例えばカンナ、アシ、クロナズナ、慈姑、レンコンなど、その根系分布は一般的に5-20 CMの間にある。これらの植物は根系分布が浅く、一般的に土壌環境に由来するため、表流式人工湿地に適して配置されている。
（4）浅根叢生型の植物、例えばイグサ、サトイモなどの叢生型植物は、根系分布が浅く、一般的に土壌環境に原生しているため、表面流人工湿地システムに配置するのに適しているだけである。
2.1.4沈水植物の種類
沈水植物は一般的に水質が清潔な環境に原生し、その生長は水質に対する要求が比較的に高いため、沈水植物は人工湿地システムの中で最後の強化安定植物として応用することができ、水の水質を高めることができる。
2.1.5その他の種類の植物
水生景観植物などの一部は、長時間の人工的な選択により、汚染環境への適応能力が弱いため、最後の安定植物や湿地系を強化する景観植物としてしか応用できない。
2.2植物原生環境に基づく分析
植物の原生環境分析によると、カンナ、ヨシ、イグサ、日傘竹、皇竹草、ヨシ、ハトムギなどの実土環境にもともと生息している植物の中には、根系の成長に一定の向土性があり、表面流湿地系に配置されると、成長が盛んになる。しかし、それらの根系はほとんど垂直に下向きに成長しているため、浄化処理の効果は潜流式湿地には適用されていない、沼、腐植層、草炭湿地、湖沼水面に原生する植物、例えば水ネギ、野茹、山姜、クローバー、香蒲、菖蒲などに対して、その成長はすでに土のない環境に適応しているため、潜流式人工湿地に配置するのに適している、一方、ハス、睡蓮、慈姑、サトイモなどの塊根塊茎類の水生植物は表面流湿地にしか配置できない。
2.3植物による養分の需要類型分析
植物の養分に対する需要状況の分析によると、潜流式人工湿地システムの充填剤間の隙間が大きく、植物根系と水体養分との接触面積は表流式人工湿地より広いため、栄養成長が盛んで、植物の成長が迅速で、植物株の量が大きく、1年に数個の発芽ピークがある植物、例えば香蒲、水ネギ、苔草、水沙草などの植物に対して潜流湿地に栽培するのに適している。栄養成長と生殖成長が両立しており、成長は比較的遅く、1年に1つの発芽ピークしかない一部の植物、例えばヨシ、ペリカン、ハトムギなどは表面流湿地系に配置されている。
2.4植物による汚水への適応能力分析
植物によって汚水への適応能力が異なる。一般的に高濃度汚水は主に湿地プロセスの先端部分に集中している。そのため、人工湿地の建設時、先端プロセス部分、例えば強酸化池、潜流湿地などのプロセスは一般的に汚染に強い植物品種を選択する。末端プロセス、例えば安定池、景観池などの処理段では、下水濃度が低下しているため、植物の景観効果をより考慮することができる。
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