① 礱笆巖對有機物的去除機理

有機物在污水中的存在形式可分為可溶性和不溶性，可溶性有機污染物被礱笆巖和植物根系上附著的生物膜吸收和吸附，不溶性有機污染物通過填料的過濾、沉淀和吸附等機械阻留作用被截留。礱笆巖主要依賴微生物代謝活動分解去除有機物，填料作為微生物的代謝場所，直接的吸附和其他作用對有機物去除影響較小，主要間接影響微生物從而改變有機物去除效果。

礱笆巖的種類、填充方式、孔徑和含碳量等條件影響濕地系統的復氧能力、微生物種類、活性等，改變微生物代謝活動的進行，從而間接影響系統有機物的去除能力。人工濕地填料的填充方式主要包括：正粒徑填充、反粒徑填充和均勻粒徑填充，正粒徑填充因其上面的基質粒徑和孔隙率較小，下層的溶氧量相對于反粒徑填充方式來說較少，合理選擇填料種類和填充方式以提升濕地系統的復氧能力，可以提升微生物活性，有助于增強有機物的去除能力。研究表明，增加濕地系統溶解氧含量會明顯加速有機污染物分解，在其濕地填料的布局下，曝氣后可提升系統對COD約20%去除率。受填料的組成成分、孔徑分布等因素的影響，不同系統中的微生物種類和數量的差別明顯，選擇含碳量較高和孔徑大小適宜的填料可以改善微生物生長環境提升去污效果。長時間運行的人工濕地中，礫石和土壤中形成的微生物膜因填料的不同其形態和組成也存在一定差異，影響有機物的去除效果，應用小型垂直潛流人工濕地處理城市生活污水的研究表明，在填料中微生物的最佳生長環境是孔徑為1~3μm的微孔。人工濕地中砂子、土壤、泥炭混合物及其各自混合物中微生物的研究發現，填料中微生物的活性隨填料中的碳含量增加而上升，且去污能力與不同基質的脲酶和磷酸酶活性呈正相關，含碳量高的填料會提升微生物的活性，從而提升有機物的去除能力。

有機物在礱笆巖表面的吸附機理主要為：配位體交換作用、靜電作用、陽離子架橋作用、憎水作用、熵作用和氫鍵作用。但由于不同有機物性質差異、水質差異所引起的吸附機理變化，有機物在填料表面的吸附機理仍缺乏更加系統的研究。填料對有機物的直接去除作用主要通過吸附實現，此外，還受填料填充方式、密實度、p H值等條件影響。通過合理的填料結構設計，可以使濕地中水體分布均勻，減少短流區域，充分發揮填料吸附作用。利用不同粒徑玻璃珠進行濕地水力效率研究時發現，當粒徑為4~9 mm時，系統的水力停留時間、水流散度、有效體積比等條件達到最優值，從而使污染物與填料更充分的接觸。不同粒徑下的分層填充和混合填充下對COD去除，分層填充方式明顯提升了去除效果。密實度不高情況下，較深的填料部分存在更多短流區域，減少了污染物與填料的接觸，造成填料對有機物的機械阻留作用和吸附作用大大降低。此外,填料的p H會通過影響有機物的溶解度等性質而顯著影響其吸附去除作用。對于離子化有機物來說，不同p H條件下其存在形式并不相同，其吸附特性和機理都會發生改變，隨著p H的升高，電離程度增大，有機物的溶解度和親水性都會相應增強，從而導致有機物在填料表面的吸附效果下降。

② 礱笆巖對氮的去除機理

氮在人工濕地中的存在形式包括7種形態,分別為N2、N2O、NH3、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、有機氮。濕地對氮的去除方式有：微生物作用、氨氣揮發、自由沉降、植物的吸收與吸附、填料的吸附和離子交換作用。系統對氮的去除主要依賴微生物氨化、硝化和反硝化作用,填料吸附的還原態氨氮無法作為氨氮去除的長期匯,一般認為其是快速可逆的。因此,填料主要是作為微生物的載體影響其代謝過程從而影響氮的去除。

礱笆巖主要通過影響微生物氨化、硝化和反硝化作用過程間接影響氮的去除。填料種類和填充方式會顯著影響濕地系統復氧能力和微生物種類，低DO濃度下，會導致NO2-的大量積累，高DO濃度時，兼性的反硝化菌優先利用O2作為電子受體進行呼吸，導致反硝化不徹底而造成N2O的積累，過高DO濃度也會抑制一氧化二氮還原酶(Nos)的活性,導致N2O還原為N2過程受阻，不同填料的孔隙條件和造成的水流分布情況不同，影響微生物的定殖作用，造成不同填料中的微生物種群數量差異。濕地填料的碳含量也會對除氮效果產生較大影響，經典理論認為實現完全反硝化的理論C/N值為2.86(COD/TN)，在實際應用中,由于微生物本身的生長所需，COD/TN實際值通常在4以上，而在實際污水處理過程中，當COD/TN<5時，脫氮除磷的效率通常不高。Nos酶對有機電子供體的親和力相比于反硝化過程中的還原酶低，在碳源不足情況下，Nos酶無法獲得足夠電子供體而導致N2O的積累。填料過高或過低的p H值均會抑制氮的去除過程，高p H條件會抑制微生物的硝化作用，使氨氧化作用產生的NH2OH過量積累，而低p H條件不僅影響微生物代謝活動，還會導致游離亞硝酸(FNA)的過量積累，其會和含Cu2+中心的Nos酶的金屬中心反應，破壞酶活性，從而抑制N2O向N2的轉化。