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人工濕地

人工濕地（英語：constructed wetland）是利用自然功能對植被、土壤和生物對廢水進行二次處理的一種工程系統。人工濕地可以用於處理污水和工業廢水，還可以用於恢復工業建設中的自然環境，防止水土流失[1]。

人工濕地主要有兩種類型：地下水流和地表水流人工濕地。它們是由流動狀態的水、部分微生物和一些合適的植物構成。

現在的地下水流人工濕地通常設計成水平或垂直流過礫石和河床，垂直流動系統比水平流動需要的空間小。由沙子和礫石組成的濾池通常具有同等效果。 [2]

德國呂貝克附近弗林滕布雷特生態定居點的人工濕地

概述

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人工濕地系統是一片高度控制的環境，意在模擬天然濕地中土壤、植物和微生物的環境，以幫助處理廢水，是基於自然的一個解決方案[1]。人工濕地這個詞也可以用來描述過去因改為農田或採礦而遭到破壞的復墾土地。 許多術語都是用來表示人工濕地的，例如蘆葦床、土壤滲透床、處理濕地、工程濕地或人造濕地。[2]生物過濾器與人工濕地有一些相似之處，但前者通常沒有植物的參與。

一些人工濕地也可以作為本地和遷徙途中的野生動物棲息地。許多國家的環境監管機構將人工濕地列為他們可以控制水土流失的「最佳管理實踐」之一。 [3]

用途

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人工濕地的污水排放物
 
菲律賓處理生活污水的人工濕地

人工濕地可用於處理未經處理的污水、雨水、灰水，農業和工業廢水。人工濕地模仿天然濕地的功能，以捕獲雨水、減少過多的營養物質並創造多樣化的野生動物棲息地。[4]

去除污染物

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與天然濕地類似，人工濕地可以作為過濾器並且可以從水中去除一系列污染物（例如有機物、營養物質、病原體、重金屬）。 [1]在人工濕地中，所有類型的病原體（即細菌、病毒、原生動物和蠕蟲）都有望在一定程度上被去除。[1]

從理論上講，人工濕地內的廢水處理發生在廢水通過濕地底部和植物根部。[5]之後好氧和厭氧微生物促進了有機物的分解；微生物硝化反應和隨後的脫硝反應將氮氣釋放到大氣中；同時磷與位於根床培養基中的鐵、鋁和鈣產生化合物並共同沉澱。 [5][6]

當懸浮狀固體沉降在地表流濕地的水中或被地下流濕地中的介質物理過濾掉時，它們就會被過濾掉。在地下流動和垂直流動系統中，通過細胞膜在礫石或沙子等介質上的過濾和吸附來減少部分有害細菌和病毒。

硝化

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更多資訊：硝化作用

硝化作用是基於兩種不同細菌的作用，將有機和無機含氮化合物從還原狀態轉化為更氧化的狀態。硝化嚴格來說是一個好氧過程，最終產物是硝酸鹽(NO−
3)。硝化過程將廢水中的銨氧化成亞硝酸鹽(NO−
2)，然後亞硝酸鹽被氧化成硝酸鹽(NO−
3)。

脫硝

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更多資訊：脫硝

脫硝是氧化氮陰離子、硝酸鹽和亞硝酸鹽的生化還原，產生氣態產物一氧化氮（NO），一氧化二氮(N
2O)和氮氣(N
2)，並伴隨着有機物的氧化。[7]最終產物(N
2)和中間副產物(N
2O)這兩種氣體會重新進入大氣。

脫氮

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濕地中對廢水處理至關重要的氮的主要形式包括有機氮、氨、銨、硝酸鹽和亞硝酸鹽。廢水的脫氮很重要，因為氨水如果排入下水道，會對魚類產生毒性。飲用水中過量的硝酸鹽被認為會導致嬰兒高鐵血紅蛋白血症，從而降低血液的氧氣輸送能力。此外，從點源和非點源向地表水過量輸入氮會促進河流、湖泊、河口和沿海海洋的富營養化，這會在水域生態系統中產生一些問題，例如有毒藻華、水中氧氣消耗、魚類死亡、以及水生生物多樣性喪失[8]。

如果人工濕地旨在實現生物營養物的去除，那麼氨氮去除在人工濕地中的方式與在污水處理廠中類似，只是不需要外部能源密集型的空氣（氧氣）添加[4]。這是過程有兩步，由硝化和脫硝組成。氮循環完成如下：廢水中的氨轉化為銨離子；好氧細菌亞硝基單胞菌將銨氧化為亞硝酸鹽；然後，該細菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。在厭氧條件下，硝酸鹽被還原成相對無害的氮氣進入大氣。

礦井水去氨

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人工濕地已用於從受污染的礦井水中去除氨和其他含氮化合物[9] ，包括氰化物和硝酸鹽。

除磷

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磷在自然中以有機和無機的形式存在。生物可利用的正磷酸鹽被稱為可溶性活性磷（SR-P）。對生物來說，溶解的有機磷和不溶形式的有機和無機磷通常在轉化為可溶的無機形式之前都是無法利用的。[10]

在淡水生態系統中，磷是限制性養分。在不受干擾的自然條件下，水體中藻類的爆炸性生長可以表現出來磷的供不應求。

水中大量排放的富磷廢物。廢水中磷的去除和儲存只能在人工濕地本身內進行，因為磷沒有氣體狀態，不像封閉式的碳循環和氧循環。[10]。磷可以通過以下方式在濕地中隔離：

  1. 磷在有機物中的結合，這是由於磷與生物量的結合，
  2. 在濕地土壤中與鐵、鈣和鋁產生不溶性磷酸鹽沉澱。

水生植被可以在除磷中發揮着重要作用，可以通過延緩沉積物的磷飽和來延長人工濕地的壽命[11]。 植物在生物膜的附着表面創造了一個獨特的環境，某些植物運輸在生物膜和根系釋放的氧氣，可以為濕地生態系統增加氧氣含量。

去除金屬

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人工濕地已被廣泛用於去除溶解的金屬和類金屬。這些污染物不僅普遍存在於礦井排水系統中，而且它們也存在於雨水、垃圾填埋場滲透液和其他來源（例如FDG沖洗水）中。在燃煤發電廠，大多數的礦山現已經修建了人工濕地。[12]

礦井水除酸

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人工濕地也可用於處理煤礦酸性廢水[13]。

殺死病原體

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人工濕地的最初設計目的不是去除病原體，而是去除其他水質成分，例如懸浮物、有機物（BOD/COD）和微量元素（氮和磷）[1]。

所有類型的病原體都將在人工濕地中清除；然而，在地下濕地中，預計會有更多的病原體被清除。在自由水面流濕地中，病原體了減少90%至99%；然而，在大量種植植被的系統中，細菌和病毒的去除可能會減少不到90%[1][4]。這是因為人工濕地通常包括有助於去除氮和磷等其他污染物的植被。因此，在這些系統中，陽光照射在去除病毒和細菌方面的重要性被最小化。[1][4]

據報道，在設計和操作得當的自由水面流濕地中，細菌的去除率小於90%到99%，病毒的去除率小於90%到99%，原生動物的去除率小於90%到99%，蠕蟲的去除率小於90%到99%[1][4] ，而在潛流濕地中，病原體的預期去除率為細菌90%至99.9%，病毒90%至99%，原生動物99%，蠕蟲99%。[1][4]

類型和設計注意事項

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有潛流人工濕地的污水處理廠工業流程圖

人工濕地系統可以是只有自由漂浮的大型植物[註 1]組成的表面流系統；然而，典型的自由水面系統通常由挺水植物構成。[14] 具有垂直或水平流態的潛流人工濕地也很常見，可以將其整合到城市內部，因為它們需要的空間相對較少。[2]

主要的三大類人工濕地包括：[15][4]

  1. 漂浮處理濕地
  2. 面流人工濕地[註 2]
  3. 潛流人工濕地——該濕地可以是垂直流[註 3]或水平流[註 4][4]

前者通常放置在一個帶有基質的水池中，因此可以提供一個較大的表面積，在這個較大的表面積上形成大量廢物降解生物膜；而後者依賴於一個浸沒的處理池，在該處理池上漂浮着水生植物，直到它們形成一層厚厚的根和莖，生物膜在這上邊形成。

通常情況下，這幾類人工濕地的底部都襯有聚合物土工膜、混凝土或粘土[註 5]，以保護地下水位和周圍地面。基質可以是礫石[註 6]、浮石或火山岩，具體取決於當地沙子或各種介質的混合物的情況。

人工濕地可在化糞池後用於初級處理，以便將固體與液體流出物分離。然而，有一部分人工濕地設計時是不使用前期處理的。

地下水流（潛流）

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垂直潛流濕地的示意圖：沉降池流出的水通過底部進入濕地，穿越植物根區達到表面。[16]
 
水平潛流濕地的示意圖：沉降池流出的水水平流過沙床。[16]
 
一種垂直潛流濕地的構造

參見

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維基共享資源上的相關多媒體資源：人工濕地

注釋

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  1. ^ 如浮葉植物和沉水植物
  2. ^ 該類濕地為水平流
  3. ^ 污水垂直移動，從種植層向下穿過基質然後流出
  4. ^ 污水在表面水平移動
  5. ^ 如果有合適的粘土類型的話
  6. ^ 通常為石灰岩

參考文獻

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Maiga, Y., von Sperling, M., Mihelcic, J. 2017. Constructed Wetlands （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. In: J.B. Rose and B. Jiménez-Cisneros, (eds) Global Water Pathogens Project （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. (C. Haas, J.R. Mihelcic and M.E. Verbyla) (eds) Part 4 Management Of Risk from Excreta and Wastewater) Michigan State University, E. Lansing, MI, UNESCO.   Material was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） license.
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Hoffmann, H., Platzer, C., von Münch, E., Winker, M. (2011): Technology review of constructed wetlands – Subsurface flow constructed wetlands for greywater and domestic wastewater treatment （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH, Eschborn, Germany
  3. ^ For example, see Urban Drainage and Flood Control District, Denver, CO. "Treatment BMP Fact Sheets:"
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Dotro, G.; Langergraber, G.; Molle, P.; Nivala, J.; Puigagut Juárez, J.; Stein, O. R.; von Sperling, M. Treatment wetlands. Volume 7. Biological Wastewater Treatment Series. London: IWA Publishing. 2017 [2022-01-30]. ISBN 9781780408767. OCLC 984563578. （原始內容存檔於2022-04-19）. 
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  6. ^ Davies, T.H.; Hart, B.T. Use of Aeration to Promote Nitrification in Reed Beds Treating Wastewater. Constructed Wetlands in Water Pollution Control. 1990: 77–84. ISBN 9780080407845. doi:10.1016/b978-0-08-040784-5.50012-7. 
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  13. ^ Vymazal, J. & Kröpfleova, L. Wastewater treatment in constructed wetlands with horizontal sub-surface flow. Environmental Pollution 14. 2008. ISBN 978-1-4020-8579-6. doi:10.1007/978-1-4020-8580-2. 
  14. ^ Stefanakis, Alexandros; Akratos, Christos; Tsihrintzis, Vassilios. Vertical Flow Constructed Wetlands: Eco-engineering Systems for Wastewater and Sludge Treatment 1st. Elsevier Science. 5 August 2014: 392 [2022-04-05]. ISBN 978-0-12-404612-2. （原始內容存檔於2022-01-30）. 
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外部連結

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維基共享資源上的相關多媒體資源：人工濕地

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