表面流湿地系统类似于天然沼泽湿地，具有底泥，水面暴露于大气，污水
在人工湿地床体的表层流动。污水进入表面流人工湿地系统时，利用自然生态系统中的物理、化学和生物的多重作用来实现对水体的净化，绝大部分有机物的去除是由生长在水下的植物茎、杆上的生物膜来完成。
除了改善水质外，表面流人工湿地还给人们提供景观价值和为水生野生动植物提供栖息地，还可以有效涵养水分、蓄积洪水、调节气候、逐步恢复本地区的生物多样性。
表面流湿地是一个菌藻共生系统，利用细菌和藻类等微生物的共同作用处理污水，其对污水的净化过程与自然水体相似，塘内水深较浅处种植千屈菜等挺水植物，荷花、睡莲等沉水植物，水深较深处配置苦草、狐尾藻、狐尾藻、菹草等沉水植物。通过物理沉淀作用去除污水中的悬浮物，并通过塘内的藻类、微生物、挺水植物、沉水植物等的生物作用去除部分有机污染物、氮和磷，并可通过植物的光合作用对污水进行充氧。
污水中SS的去除主要依靠物理沉淀、过滤作用，BOD5的去除主要依靠微生物吸附和代谢作用，代谢产物均为无害的稳定物质，因此可以使处理后水中残余的BOD5浓度很低。污水中CODCr去除的原理与BOD5基本相同。N、P的去除在人工湿地系统中主要是利用微生物脱氮及植物吸收方法。
具体的作用机理是：可沉淀固体在湿地中主要通过重力沉降和过滤得以去除，其通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固体被阻截而去除；化学微生物代谢机理：利用悬浮底泥和寄生于植物上的细菌的代谢作用将悬浮物、胶体、可溶性固体分解成无机物，通过生物硝化—反硝化作用去除氮，部分微量元素被微生物、植物利用氧化并经阻截或结合而被去除；植物和植物代谢：利用植物对有机物的吸收而去除有机物，植物根系分泌物对大肠杆菌和病原体有灭活作用，同时植物也可吸收相当数量的氮和磷，多年生沼泽植物，每年收割一次，可将氮、磷吸收、合成后分移出人工湿地系统。
（1）湿地基质的过滤吸附作用
污水进入湿地系统，污水中的固体颗粒与基质颗粒之间会发生作用，水流中的固体颗粒直接碰到基质颗粒表面被拦截。水中颗粒迁移到基质颗粒表面时，在范德华力和静电力作用下以及某些化学键和某些特殊物质的化学吸附力作用下，被粘附在基质颗粒上，也可能因为存在絮凝颗粒的架桥作用而被吸附。
此外，由于湿地床体长时间处于浸水状态，床体很多区域内基质形成土壤胶体，土壤胶体本身具有很大的吸附性能，也能够截留和吸附进水中的悬浮颗粒。物力过滤和吸附作用是湿地系统对污水中的污染物进行拦截从而达到净化污水的目的的重要途径之一。
（2）湿地植物的作用
植物是人工湿地的重要组成部分。人工湿地内的植物通常可分为浮水植物、挺水植物和沉水植物。湿地中的植物对于湿地净化污水的作用能起到极重要的影响。
首先，湿地植物和所有进行光合自养的有机体一样，具有分解和转化有机物和其他物质的能力。植物通过吸收同化作用，能直接从污水吸收可利用的营养物质，如水体中的氮磷等。水中的铵盐、硝酸盐以及磷酸盐都能通过这种作用被植物吸收，最后通过收割而离开水体。
其次，植物的根系能吸附和富集重金属和有毒有害物质。植物的根茎叶都有吸收富集重金属的作用，其中根部的吸收能力最强。在不同的植物种类中，沉水植物的吸附能力较强，根系密集发达交织在一起的植物亦能对固体颗粒起到拦截吸附作用。
再次，植物为微生物的吸附生长提供了更大的表面积，植物的根系是微生物重要的栖息、附着和繁殖的场所。相关文献表明，植物根际的微生物数量比非根际微生物数量多得多，而微生物能起到重要的降解水中污染物的作用。
最后，植物还能够为水体输送氧气，增加水体的活性。（3）微生物的消解作用
湿地系统中的微生物是降解水体中污染物的主力军。好氧微生物通过呼吸作用，将废水中的大部分有机物分解为二氧化碳和水，厌氧细菌将有机物质分解为二氧化碳和甲烷，硝化细菌将铵盐硝化，反硝化细菌将硝态氮还原为氮气，等等。通过这一系列的作用，污水中的主要有机污染物都能得到降解同化，成为微生物细胞的一部分，其余的变成对环境无害的无机物质回到自然界中。
此外，湿地生态系统中还存在某些原生动物及后生动物，甚至一些湿地昆虫和鸟类也能参与吞食湿地系统中沉积的有机颗粒，然后进行同化作用，将有机颗粒作为营养物质吸收，从而在某种程度上去除污水中的颗粒物。
2.潜流湿地
由于湿地出水水质要求达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）规定的Ⅳ类标准，出水水质要求较高。为保障湿地的耐冲击负荷能力及湿地出水水质，在挺水植物塘前设置潜流湿地，目的是尽可能提高污水的可生化性和湿地的耐冲击负荷能力，把潜流湿地作为本工程去除污染物的主要处理单元。在潜流湿地系统中，污水在湿地床体的内部流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的根系及表层土和填料截流等的作用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表以下流动，具有保温性能好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。这种工艺利用了植物根系的输氧作用，对有机物和氨氮等去除效果好。
原水进入潜流湿地，均匀的流过湿地内部的生态填料后，自流出潜流湿地，在这个过程中通过顶部种植的挺水植物、植物根部和生态填料表面附着的微生物的共同作用，实现了水质净化的目的。在潜流湿地上半部，由于有大气复氧和植物根系传氧作用的存在，微生物以好氧形式为主降解水中的污染物，在潜流湿地下半部，随着溶解氧含量的降低，生化作用逐渐以缺氧和厌氧为主，在这个过程中有利于污染物的去除并在一定程度上提高了原水的可生化性。2.1好氧生化反应原理
利用好氧微生物（包括兼性微生物）在有氧气存在的条件下进行生物代谢以降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用水中存在的有机污染物为底物进行好氧代谢，经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物稳定下来，达到无害化的要求。
好氧生物处理过程的生化反应方程式：
分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢）CHONS
+O2异氧微生物CO2+H2O+NH3+SO42-+...+能量
（有机物的组成元素）
合成反应（也称合成代谢、同化作用）C、H、O、N、S
+能量
异氧微生物C5H7NO2内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化）C5H7NO2+O2微生物
CO2+H2O+NH3+SO42-+...+能量
在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的，一般可用下列实验式来表示：细菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻类：C5H8NO2；原生动物：C7H14NO3。
分解与合成的相互关系：分解过程为合成提供能量和前物，而合成则给分解提供物质基础；分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程；对有机物的去除，二者都有重要贡献。
图2-1分解与合成过程示意图
不同形式的有机物被生物降解的历程也不同，一方面：结构简单、小分子、可溶性物质，直接进入细胞壁；结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有机物，再进入细胞内；另一方面：有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同。2.2硝化
硝化作用是指氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程，即硝化细菌将氨态氮氧化为亚硝酸态、硝酸氮的过程。其作用过程如下：先是亚硝化细菌将铵根（NH4+）氧化为亚硝酸根（NO2-）；然后硝化细菌再将亚硝酸根氧化为硝酸根（NO3-），这两种细菌称为硝化细菌。
硝化作用由自养型细菌分解完成。
第一阶段为亚硝化，即铵根（NH4+)氧化为亚硝酸根（NO2-）的阶段。参与这个阶段活动的硝酸细菌主要有5个属：亚硝化毛杆菌属(Nitrosomonas)；亚硝化囊杆菌属(Nitrosocystis)；亚硝化球菌属(Nitrosococcus)；亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化肢杆菌属(Nitrosogloea)。其中，尤以亚硝化毛杆菌属的作用居主导地位，常见的有欧洲亚硝化毛杆菌(Nitrosomonaseuropaea)等。
第二阶段为硝化，即亚硝酸根（NO2-）氧化为硝酸根（NO3-）的阶段。参与这个阶段活动的硝酸细菌主要有3个属：硝酸细菌属(Nitrobacter)；硝酸刺菌属(Nitrospina)和硝酸球菌属(Nitrococcus)。其中以硝酸细菌属为主，常见的有维氏硝酸细菌(Nitrobacterwinogradskyi)和活跃硝酸细菌(N.agilis)等。2.3反硝化
反硝化作用（denitrification）也称脱氮作用。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的过程。微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途，一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用：NO3-→NH4+→有机态氮。许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养。另一用途是利用NO2-和NO3-为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成氮（N2），称为反硝化作用或脱氮作用：NO3-→NO2-→N2↑。能进行反硝化作用的只有少数细菌，这个生理群称为反硝化菌。大部分反硝化细菌是异养菌，例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等，它们以有机物为碳源和能源，进行无氧呼吸，其生化过程可用下式表示：
C6H12O6+12NO3-→6H2O+6CO2+12NO2-+能量
CH3COOH+8NO3-→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量
少数反硝化细菌为自养菌，如脱氮硫杆菌，它们氧化硫或氢获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。可进行以下反应：
5S+6KNO3+2H2O→3N2+K2SO4+4KHSO4反硝化作用使硝酸盐还原成氮气，从而降低了土壤中氮素营养的含量，对农业生产不利。农业上常进行中耕松土，以防止反硝化作用。反硝化作用是氮素循环中不可缺少的环节，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少，消除因硝酸积累对生物的毒害作用。
3.沉水植物塘
沉水植物全部生长在水下，其通过光合作用释放的氧气会全部溶解在水中，
所以其为水体供氧的作用大大超过其它水生植物，同时，沉水植物不会阻挡阳光，阳光的充分照射，会使开阔水面的表层发生光催化氧化作用，提高污染物的去除效果；另一方面，沉水植物本身具备较大的比表面积，这就为水中的微生物提供了更多的附着空间，当原水均匀、缓慢的流过沉水植物时，在沉水植物和微生物的共同作用下，水质得到深度净化。
4.河道走廊人工湿地
通过工程技术手段在河道内修筑适宜挺水植物生长的梯田状水下坡岸、在河道内构建生态岛、设置生物滞留塘和沉水植物区、并在水面上河岸两侧构建生态护坡来实现河道内水质净化及保持、防止河岸水土流失和沿河生态带修复的目的。其内部包含丰富的生物相与植物相，对周边环境的生态修复和稳定生态系统起着积极作用。河道走廊人工湿地的主要作用机理包括：挺水植物、沉水植物的吸收作用和光合作用；水中微生物的厌氧、缺氧和好氧生化作用；植物根系、茎叶表面的截留过滤作用、土壤基质的吸附作用、生态边坡对于面源污染的截留作用等。如图4-1所示。
5.生物过滤技术
生物过滤技术属于污染河流的强化治理技术，特别适合于严重污染河流支流的水质净化。生物过滤技术结合了生物膜的降解特性和填料的过滤技术，既具有生物膜处理技术的处理效率和抗冲击负荷较高的特点，又具有过滤技术的稳定性，技术的适用性强和持续性比较强；生物过滤技术还可以通过对运行条件的调整，实现多种污染物的去除功能（如脱氮除磷等）。
6.生物滞留塘
技术运行管理简单，能持续发挥水质净化作用，在河道上构建溢流堰拦水，延长水力停留时间，通过滞留塘内重力沉降、植物吸收和微生物降解等作用有效去除水体有机物及氮磷含量，从而净化水质。
滞留塘技术在国外的应用和研究最早出现于20世纪60年代，并逐渐受到重视。在美国、加拿大、日本等国已大规模应用于控制暴雨径流污染和污染河流的
自净能力强化，并形成了成熟的应用技术，获得了大量的设计、运行和管理经验的参数。在国内也有很多类似的河道稳定塘应用，河流滞留塘技术通过直接在河床上建堰拦水，可以延长河水在单位距离上的停留时间，促进颗粒污染物的沉降，提高河水的透明度；可以利用河滩、河岸以及塘内的植物吸收和微生物吸附降解作用，降解河水中的有机污染物，削减氮磷等诱发水体富营养化的物质；可以利用拦水堰上的跌水，加强河水自然复氧，最终提高单位距离上的河流自净能力。河流滞留塘技术相对易于实施，简单管理，比较适合于河滩宽阔的小型河流的污染治理和修复。
7.挺水植物塘
污水中SS的去除主要依靠物理沉淀、过滤作用，BOD5的去除主要依靠微生物吸附和代谢作用，代谢产物均为无害的稳定物质，因此可以使处理后水中残余的BOD5浓度很低。污水中CODCr去除的原理与BOD5基本相同。N、P的去除在人工湿地系统中主要是利用微生物脱氮及植物吸收方法。
具体的作用机理是：可沉淀固体在湿地中主要通过重力沉降和过滤得以去除，其通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用使可沉降及可絮凝固体被阻截而去除；化学微生物代谢机理：利用悬浮底泥和寄生于植物上的细菌的代谢作用将悬浮物、胶体、可溶性固体分解成无机物，通过生物硝化—反硝化作用去除氮，部分微量元素被微生物、植物利用氧化并经阻截或结合而被去除；植物和植物代谢：利用植物对有机物的吸收而去除有机物，植物根系分泌物对大肠杆菌和病原体有灭活作用，同时植物也可吸收相当数量的氮和磷，多年生沼泽植物，每年收割一次，可将氮、磷吸收、合成后分移出人工湿地系统。
（1）湿地基质的过滤吸附作用
污水进入湿地系统，污水中的固体颗粒与基质颗粒之间会发生作用，水流中的固体颗粒直接碰到基质颗粒表面被拦截。水中颗粒迁移到基质颗粒表面时，在范德华力和静电力作用下以及某些化学键和某些特殊物质的化学吸附力作用下，被粘附在基质颗粒上，也可能因为存在絮凝颗粒的架桥作用而被吸附。
此外，由于湿地床体长时间处于浸水状态，床体很多区域内基质形成土壤胶体，土壤胶体本身具有很大的吸附性能，也能够截留和吸附进水中的悬浮颗粒。物理过滤和吸附作用是湿地系统对污水中的污染物进行拦截从而达到净化污水的目的的重要途径之一。
（2）湿地植物的作用
植物是人工湿地的重要组成部分。人工湿地内的植物通常可分为浮水植物、挺水植物和沉水植物。湿地中的植物对于湿地净化污水的作用能起到极重要的影响。
首先，湿地植物和所有进行光合自养的有机体一样，具有分解和转化有机物和其他物质的能力。植物通过吸收同化作用，能直接从污水吸收可利用的营养物质，如水体中的氮磷等。水中的铵盐、硝酸盐以及磷酸盐都能通过这种作用被植物吸收，最后通过收割而离开水体。
其次，植物的根系能吸附和富集重金属和有毒有害物质。植物的根茎叶都有吸收富集重金属的作用，其中根部的吸收能力最强。在不同的植物种类中，沉水植物的吸附能力较强，根系密集发达交织在一起的植物亦能对固体颗粒起到拦截吸附作用。
再次，植物为微生物的吸附生长提供了更大的表面积，植物的根系是微生物重要的栖息、附着和繁殖的场所。相关文献表明，植物根际的微生物数量比非根际微生物数量多得多，而微生物能起到重要的降解水中污染物的作用。
最后，植物还能够为水体输送氧气，增加水体的活性。（3）微生物的消解作用
湿地系统中的微生物是降解水体中污染物的主力军。好氧微生物通过呼吸作用，将废水中的大部分有机物分解为二氧化碳和水，厌氧细菌将有机物质分解为二氧化碳和甲烷，硝化细菌将铵盐硝化，反硝化细菌将硝态氮还原为氮气，等等。通过这一系列的作用，污水中的主要有机污染物都能得到降解同化，成为微生物细胞的一部分，其余的变成对环境无害的无机物质回到自然界中。
此外，湿地生态系统中还存在某些原生动物及后生动物，甚至一些湿地昆虫和鸟类也能参与吞食湿地系统中沉积的有机颗粒，然后进行同化作用，将有机颗粒作为营养物质吸收，从而在某种程度上去除污水中的颗粒物。
8.稳定塘
在稳定塘中设有人工水草，通过独特编织技术和表面处理，使人工水草具有巨大的生物接触面积、精细的三维表面结构和合适的表面吸附电荷，能在人工水草上形成生物量巨大、物种丰富、活性极高的微生物群落。由于稳定塘较深（一
般为2~3m），所以整个塘基本上呈厌氧状态，在厌氧条件下，进水中所携带的有机氮在氨化菌的作用下转变为氨氮，为后续的硝化反应做准备。同时在塘内产酸菌的作用下，进水中的大分子有机物进行水解，转化为简单的有机物（有机酸、醇、醛等），提高了污水的可生化性。系统进水为乐成河河水，携带的悬浮物较多，污水进入稳定塘后，由于流速降低，悬浮物在重力作用下沉于塘底，稳定塘还起到截留悬浮物的作用。
人工水草是材料学和微生物学的完美结合，它包括以下特性：8.1高生物附着表面积
每平方米人工水草可以提供约300m2的生物附着表面积，为水中菌类、藻类等微生物的生长、繁殖提供巨大的空间，使微生物群落的生物量和生物多样性最大化发展，从而为实现高效微生物群落提供基础条件，实现对污染物的快速分解。
8.2特殊的纤维表面处理
人工水草材料经过特殊的处理，使每根纤维表面形成凹凸不平的皱褶和微孔，增加纤维表面的粗糙程度，从而使微生物的附着空间更大、与纤维结合能力更强。
8.3独特的编织技术
人工水草材料的编织紧密程度可以进行调节，其中紧密编织适合菌类发展，疏松编织适合藻类生长，从而可根据不同应用条件控制藻类和菌类的生长比例。其次人工水草独特的编织结构，使微生物在纤维的缠结空间内立体生长，从而形成里外氧气浓度不同的微A/O条件，有利于实现有机物氮、磷的去除。
8.4表面电荷吸附性能
人工水草材料可根据不同的应用条件进行针对性的表面处理，使其带有与微生物相反的电荷，从而有利于对微生物的吸附，促进微生物群落的快速形成和发展。人工水草表面的吸附性，也有利于对悬浮物的去除。
8.5活性智能的形态设计
人工水草采用平面织物形态，使其可以融于自然，应用范围更广，使安装难度及配套土建的要求大大降低。而针对不同具体使用条件，人工水草亦分别设计出相应的产品形态，使其能适应不同的水流状态，起到均匀水流的作用，并使水中污染物可以充分的与生物膜接触，从而大大增加污染物去除率。
8.6环境友好材料，使用寿命长
人工水草采用纯惰性材质，在水中不会分解，不产生对微生物、水生动植物
及人体有害的物质。同时，人工水草具有极强的物力性能、耐腐蚀性和耐久性，使用寿命达15年以上。
8.7微A/O特性
人工水草表面生物膜生长到一定厚度后，外部的氧气被表面的好氧微生物所利用，无法进入生物膜内部，使内层变为厌氧环境，生长厌氧微生物，从而在人工水草表面形成微A/O环境。人工水草表面的微A/O环境，为硝化、反硝化细菌群落繁殖创造适宜的条件，从而强化脱氮效果。
8.8藻菌共生
在自然化系统中，人工水草的特殊编织结构，使藻类能在其上附着生长，形成藻菌共生的微生物系统，并利用两类微生物之间的生理功能协同作用净化湖泊水质。藻类可吸收水中的氮、磷等营养物质，并通过光合作用合成自身细胞物质并释放出氧气；好氧细菌则利用氧气对有机污染物进行分解、转化，产生二氧化碳，以维持藻类的生长繁殖。两者相辅相成，实现水质的高效净化。
8.9菌类共生
人工水草的平面型态和微观结构有利于微生物多样性的发展。其中菌类是降解污染物的主体，其物种越丰富，微生物群落对污染物的降解效率就越高，主要原理包括：①一些微生物的代谢产物往往是其他微生物必需的营养物，因此不同菌类之间协同作用能使微生物群落更稳定、生物量更高、代谢更快；②菌类的种间和种内竞争压力迫使其更充分利用营养源，更高效、更彻底地分解污染物；③某些菌类之间存在捕食关系，从而有利于加速微生物的世代更替，促进生物膜更新。
8.10生物多样性的发展
人工水草的平面形态为微生物提供了巨大而连续的生长空间，使微生物群落可大规模发展，生物多样性极丰富。至今人工水草表面发现的微生物多达3000~5000种，包括藻类、菌类、原生动物和后生动物等。在微污染水体中，随着人工水草表面生态系统的建立，多种物种出现，外部食饵浮游动物的数量随之增加，整个食物网的规模增大，从而增加了微生物的捕食和竞争压力，进一步促进微生物系统对污染物分解。
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