除氮的问题
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氮和磷是导致水体富营养化的主要原因，人工湿地在去除氮磷方面有着独特的优势，但去除氮效果不够理想，最大的原因是硝化反硝化机制不畅通，使得湿地系统对氮的去除功能不能很好地发挥。不同基质的组合和植物种类对系统硝化反硝化强度有影响，应对基质和植物进行筛选。研究表明在脱氮方面，比较不同基质组合和植物种类对硝化反硝化强度的影响结果显示，沸石+高炉渣系统硝化作用和反硝化作用都比较强，这有利于氮的去除，是比较理想的基质组合。风车草根系较美人蕉发达,硝化作用强度高于美人蕉，而反硝化作用则美人蕉略高于风车草。中水位能同时获得较高的硝化反硝化效率，是比较理想的水位。
在模拟人工湿地系统的实验中，结果显示湿地系统硝化反硝化强度在垂直空间上会出现分层现象，硝化作用强度更为明显。系统硝化强度大致表现为上＞中＞下，而反硝化强度变化不明显，下层略高于中上层。实验测得，反硝化强度是硝化强度的6倍，说明系统内部处于厌氧状态。
1.2、人工湿地氮的去除机制
在人工湿地系统中,对氮的去除作用包括基质的吸附和过滤、氨的挥发、植物的吸收和微生物的硝化/反硝化作用[3]，有研究发现，植物吸收和氨氮挥发所占比率还不到总去除率的20%，人工湿地对N的去除主要依靠微生物的氨化、硝化、反硝化作用完成。
人工湿地作为一个独立的生态系统，可以在其内部自然形成好氧和厌氧的环境，因此硝化菌和反硝化菌能共存，可以同时进行好氧的硝化作用和厌氧的反硝化作用。人工湿地系统对氮的去除正是利用了微生物的这种反应机理。人工湿地脱氮主要经过氨化、硝化、反硝化三个过程，进入湿地系统中的有机氮首先由氨化菌作用完成向氨氮转化的氨化过程,氨氮在亚硝化菌、硝化菌的作用下继续转化为硝态氮,最后硝态氮在反硝化作用下还原为N2O和N2从系统中排除。硝化反应是由硝化细菌在好氧条件下完成，是自养过程；反硝化反应是由反硝化菌在缺氧条件下完成，是异养过程。
1.3、人工湿地脱氮存在的主要问题
人工湿地在去除氮磷方面有着独特的优势，但是还存在着一些问题，系统内部经常处于厌氧状态，人工湿地系统硝化反硝化机制不畅通，使得湿地系统对氮的去除功能不能很好地发挥。
目前，由于大部分人工湿地系统内部都呈现严重厌氧状态，,而硝化作用过程需要有一定的溶解氧水平,有研究表示，对于1.0mg/L的氨氮,当系统中溶解氧大于4.6mg/L时,硝
化过程才能顺利进行[4]，因此，湿地使污水对氨氮去除率低,一般不超过60%[5]。人工湿地硝化作用弱，不能为反硝化作用提供硝酸盐，进一步限制了系统脱氮潜力的发挥。因此，要提高脱氮效果，必须要提高硝化作用强度，使硝化反硝化机制畅通。
另外，由于反硝化作用可能造成碳源不足，同样会影响系统的脱氮效果。有研究发现，人为提高湿地中BOD: NO3-N之比（如添加秸秆或甲醇），氮的去除率会大幅度提高，能从30%左右上升至80%～90%[6]针对这种情况，有必要对系统投加必要碳源。
1.4、人工湿地脱氮效果影响因素
1.4.1、基质对氮去除的影响
人工基质又称为填料，这些基质一方面为微生物的生长提供稳定的依附表面,同时也为水生植物提供了载体和营养物质；另一方面。能通过吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应除去污水中的氮磷等营养物质。
人工湿地填料柱选取了沸石、高炉渣、砂子、蛭石进行试验。沸石对铵态氮具有极强的选择吸附性[7] ，可快速截留污水中的氨氮。沸石湿地有较强的氨氮冲击负荷能力，这是其优势所在[8] ，蛭石以其储量丰富、价格低廉、吸附容量大、对环境无毒无害且容易再生等优点,在污水处理方面有着广阔的应用前景[9,10],将成为污水处理中除N比较有前途的一类吸附填料。方升华利用砾石、砂子和沸石作为人工湿地基质,比较了三者在不同氮素浓度下的去除效果,结果表明:沸石的除氮效果最好,其次是砾石,砂子最差[11]。
由于单个基质存在着诸多缺陷,而组合基质能实现功能互补，一些基质之间还存在协同效应，比单个应用时脱氮效果更好。如选择沸石与蛭石混合物作为湿地基质可以再很大程度上提高脱氮效果。本实验，选取了沸石+蛭石混合物，沸石+高炉渣混合物及沸石作为湿地基质，进行硝化反硝化强度分析。
1.4.2、温度对氮去除的影响
研究发现，温度变化对人工湿地TN、NO3-N去除效率有显著影响[12]。这主要是由于TN和NO3-N主要通过湿地中硝化菌和反硝化菌的硝化反硝化作用,最终被转化为氮气从湿地中去除。通常在夏季植物茂盛,微生物代谢活跃时,湿地净化效率最高[13]。而冬季低温对硝化菌和反硝化菌的活性有很强的抑制作用,造成氮的去除能力降低。有研究表明，湿地夏秋处理效果要稍好于冬春季 [14]。
1.4.3、植物对氮去除的影响
植物是人工湿地系统的重要组成部分,对氮的去除有很重要的作用。一方面，植物通过同化作用吸收氮，在一般情况下,植物吸收氮量约占系统总去除氮量的8% ~16%[15]。另一方面，植物最重要的功能是能间接促进硝化反硝化作用的发生。有研究发现，与不种植物的人工
湿地相比,由风车草、美人蕉构成的人工湿地对氨态氮去除率分别提高6%、14%;对硝态氮去除率分别提高5%、9%[16]。
1.5、人工湿地硝化反硝化强度研究
大量研究表明，人工湿地系统内可同时进行硝化和反硝化作用，由于氮在湿地微生物作用下主要经硝化和反硝化作用而转化去除。因此,研究人工湿地硝化、反硝化能力的平衡机制,是今后研究的重点方向之一。
有研究表明，湿地系统的硝化反硝化硝化强度具有较明显的分层现象，表层土壤高于深层土壤[17]。硝化作用更为明显。硝化强度在空间分布上出现明显分层，主要是溶解氧在湿地系统内部分布不均导致的。硝化细菌对氧气的竞争不如好氧异养菌,化能异养菌生长快,与氧气的亲和力强,而且沿着水流方向，溶解氧逐步消耗，系统慢慢呈现厌氧状态，不利于硝化菌的生长。另一方面，在表层的土壤能与大气直接接触，大气的复氧效果比较好，因此硝化作用会强于深层土壤。但总体而言，大部分湿地内部都是处于厌氧状态，对硝化菌生长不利，因此湿地系统的硝化作用强度都很低，成为制约湿地脱氮潜力发挥的主要因素。
对于反硝化作用强度，反硝化菌是异氧型兼性厌氧菌，由于目前的大部分湿地系统内部均处于厌氧状态，有利于反硝化菌的生长，反硝化强度一般比较高，在空间分布上没有明显区别。但是，沿水流方向湿地系统有机物浓度逐渐下降,发生碳源不足的情况,而硝态氮是反硝化作用的电子受体,有机物是反硝化作用的碳源和电子供体[18], 因此反硝化强度在空间分布上仍有一定变化。有研究表明，反硝化强度沿程变化不明显,沿程均能够保持较高的反硝化强度,在保证炭源供给的情况下,系统沿程均能充分发挥反硝化脱氮的作用,适合于硝氮的去除[19].
人工湿地硝化反硝化作用强度除了在空间分布上会出现分层外，还会受到很多因素的影响，如温度的变化，种植植物与否，基质的种类等。温度对湿地硝化反硝化作用有很大的影响，大量研究表明，低温不利于硝化反硝化作用的进行，硝化反应的适宜温度是20℃~30℃，低于15℃时，反应速度迅速下降，5℃反应几乎完全停止。反硝化反应的温度范围较宽，在5℃~40℃范围内斗可以进行，但温度低于15℃，反硝化作用明显下降。
由于植物根系具有泌氧作用,改善了根区溶解氧微环境,并且植物根系为硝化细菌提供了良好的附着界面,有利于硝化细菌生长繁殖和硝化反应顺利进行[20]。因此，种植植物对硝化反硝化作用有明显的促进作用。大量研究发现，有植物湿地硝化作用高于不种植物湿地。而且选择根系发达的植物更有利于促进硝化作用发生。另
外，由于植物的参与，系统的微生物数量和活性会增强，也一定程度上也增强了系统的反硝化作用。
基质由于疏松、通气性好、比表面积大,一方面有利于空气中的氧气进入湿地,为硝化细菌提供充足的氧气,有利于硝化作用除氮;而一些多孔基质由于含水率高,能使湿地形成厌氧环境,有利于反硝化作用除氮[21]。
控制系统不同水位出水，则可改变系统内的淹水高度，从而可以改变好氧层和厌氧层的相对深度。在高水位出水，则系统内大部分被水浸没，处于厌氧状态，有利于反硝化作用的发生；在低水位出水，则有利于系统大气复氧，增加好氧层深度，促进硝化作用的发生。因此，湿地系统不同水位出水能对硝化反硝化强度产生很大影响。