人工湿地是基于自然湿地系统,人为构建、监管和控制的类似沼泽的地面,利用物理、化学和生物三者协同作用净化污水。从1903 年在英国的约克郡 Earby 建立的已知最早的人工湿地系统至今，人工湿地不仅应用于生活污水的处理，在处理含重金属离子的工业污水、矿山污水、垃圾渗滤液和暴雨径流等方面也得到了广泛应用。随着对人工湿地污水处理技术研究的深入，研究者将其主要分为填料、植物、微生物、动物、湿地中的水体五部分。其中填料是湿地中植物和微生物的生长载体，将发生在湿地内部的所有过程连接为统一的整体， 在污水处理过程中起重要作用，直接影响人工湿地的污水处理效果。

在20世纪70年代，人工湿地系统基本上是在天然湿地基础上，结合人工建造的氧化塘系统，在原有结构上对氧化塘去污能力进行提升，该阶段人工湿地的填料主要为天然土壤；20世纪 80 年代之后，人工湿地发展成为以沸石、砾石、石灰石等人为选择的矿物作为填料，并栽种去污植物的处理系统，填料是人工湿地污水处理系统的基本要素，将发生在系统内部的所有反应连接为统一的整体，在污染物去除过程中起到至关重要的作用。 这种构建模式使得人工湿地的规模性应用可行性大幅度增强，同时针对不同特征污染物从而选择人工湿地污水处理系统的填料，成为其关键性的步骤。随着污水水质的日趋复杂， 单一填料已经无法满足去污能力的要求， 通过不同填料、植物等构建的复合湿地系统已经越发得到人们的重视。

人工湿地中的填料又称为基质，现阶段被研究的主要分为3类：天然矿物、工业副产物、人造产品。表1中是近年来被广泛研究或应用的人工湿地填料分类。

天然矿物储量丰富、价格便宜和可在当地直接开采等特点而一直被广泛研究与应用。但是部分天然矿物， 存在易堵塞、植物无法生长或者去污效果差等问题，在此基础上合理选择天然矿物和应用其他材料进行湿地系统的强化，逐渐成为湿地填料的研究重点。将工业副产物合理应用为湿地填料，对于废物的资源化利用、减少建设费用和增强湿地特异性吸附能力具有重要作用。但是工业副产物的特性随着原料和工艺的不同，其理化性质、去污能力、应用成本等具有较大差别，应用前需进行可行性分析，而且部分工业副产物会对系统其他组分产生不良影响，因而对于工业副产物应用为填料仍需要大量研究。人造产品表现了较高的吸附能力，时其自身在制造过程中可根据需要进行定制，其中改良材料是指在天然材料的基础上，通过物理、化学等手段提升了对特定污染物的去除能力的材料，包括改性沸石、改性硅藻土、钠化蒙脱石等。

填料对污染物的去除机理包括以下几方面内容：

第一，填料对有机物的去除机理。有机物在污水中的存在形式可分为可溶性和不溶性， 可溶性有机污染物被填料和植物根系上附着的生物膜吸收和吸附，不溶性有机污染物通过填料的过滤、沉淀和吸附等机械阻留作用被截留。人工湿地主要依赖微生物代谢活动分解去除有机物， 填料作为微生物的代谢场所， 直接的吸附和其他作用对有机物去除影响较小，主要间接影响微生物从而改变有机物去除效果 填料的种类、填充方式、孔径和含碳量等条件影响湿地系统的复氧能力、微生物种类、活性等，改变微生物代谢活动的进行，从而间接影响系统有机物的去除能力。人工湿地填料的填充方式主要包括:正粒径填充、反粒径填充和均匀粒径填充，正粒径填充因其上面的基质粒径和孔隙率较小，下层的溶氧量相对于反粒径填充方式来说较少， 合理选择填料种类和填充方式以提升湿地系统的复氧能力，可以提升微生物活性，有助于增强有机物的去除能力。研究表明，增加湿地系统溶解氧含量会明显加速有机污染物分解，在其湿地填料的布局下，曝气后可提升系统对COD约20%去除率。

第二，填料对氮的去除机理。氮在人工湿地中的存在形式包括7种形态，分别为N2、N2O、NH3、NH4 +-N、NO2－-N、NO3－-N、有机氮。湿地对氮的去除方式有：微生物作用、氨气挥发、自由沉降、植物的吸收与吸附、填料的吸附和离子交换作用。系统对氮的去除主要依赖微生物氨化、硝化和反硝化作用，填料吸附的还原态氨氮无法作为氨氮去除的长期汇， 一般认为其是快速可逆的。因此，填料主要是作为微生物的载体影响其代谢过程从而影响氮的去除。

第三，填料对磷的去除机理。进入人工湿地填料的污水中磷可以分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐3类。磷在湿地系统中的去除方式为填料的吸附作用、微生物的转化与吸收、植物的吸收与同化，其中填料的吸附作用是最主要的去除方式。填料对磷的吸附方式主要包括物理吸附和化学吸附两方面，其中化学吸附被认为是湿地除磷的主要作用。

第四，填料对重金属离子的去除机理。人工湿地对污水中的重金属去除方式包括：填料对重金属的离子交换和化学沉淀作用、植物的吸收作用、微生物的转化作用，其中填料对水体中重金属的去除起主要作用。人工湿地填料通过机械阻留作用去除污水中非溶解态的重金属，通过离子交换和化学沉淀作用，使溶解态重金属转化为难迁移转化的形态而去除。

现有填料普遍存在去污能力低、易堵塞等问题，难以维持系统连续运行，因此针对传统填料的缺陷开发新型高效填料具有很好的应用前景。Nagyov等通过对沸石进行铜改性，提升了沸石比表面积和无定型态铜含量，极大提升了沸石对重金属的吸附能力，拓宽了其应用领域，并且比其他填料的效果要更佳。并且，通过研究使用沸石与不同填料结合植物、微生物后对生物生长状况的影响，通过填料-植物，填料-微生物，填料-植物-微生物等组合系统的协同作用，筛选出处理效果好、使用寿命长和适应性强的组合，可以优化系统，提高湿地的整体处理能力，其对于深入了解整个湿地系统的运作机理具有重要意义。