人工湿地已在欧美得到广泛的应用。美国约有120个湿地系统，英国约有255个，丹麦有大约100个，这些人工湿地的规模可大可小。我国人工湿地的研究起步较晚，于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程——白泥坑人工湿地污水处理系统。后来，在北京和天津等地也建立了人工湿地污水处理系统，开始对人工湿地处理污水的规律进行比较系统的研究。
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（一）有机污染物的去除
研究表明，人工湿地对有机污染物具有较强的去除能力。不溶性有机物通过在湿地基质中的沉积、过滤作用可以很快地被截留进而被分解或利用，可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及厌氧好氧生物代谢降解过程而被分解去除。在有机物的去除中，异养菌由于主要采用有机碳作为碳源且具有较高的新陈代谢速率而起主要作用。有机物的好氧降解主要由好氧异养菌完成，反应式为：(CH2O)+O2→CO2+H2O。人工湿地中有机物的厌氧降解是一个比较复杂的过程，主要由兼性及专性厌氧异养菌完成，过程包含了若干步骤。第一步的发酵产物主要是脂肪酸，如乙酸、丁酸和乳酸、酒精以及CO2和H2O。接下来，在硫化菌和产甲烷菌的作用下，发酵产物进一步降解为低分子产物。
（二）氮的去除
微生物的硝化、反硝化作用对氮的去除起重要作用。根据根区法理论，人工湿地植物中根毛的输氧，根区附近湿地土壤中连续出现好氧、缺氧、厌氧状态，为自养型好氧微生物亚硝酸菌、硝酸菌和异养型微生物反硝化细菌大量的存在提供了条件，使要求好氧条件的硝化反应和要求厌氧的反硝化反应可以同时完成。另外，对硝化反应有抑制作用的是NH3-N、重金属、氰化物及有机物，人工湿地对这些物质也有一定的去除作用，因此，人工湿地比一般污水处理系统具有较强的氮处理效率。根据试验实测结果，人工湿地中氨化细菌、亚硝化菌、硝化菌、反硝化菌数量都处于较高水平，因此人工湿地具硝化、反硝化、脱氮的良好基础和潜力。资料表明，人工湿地对TN的去除率可达60%以上。图3所示为各种状态的有机和无机氮在人工湿地中的变化规律。原废水中的氮一般以有机氮和氨氮的形式存在。废水中的有机氮在处理过程中被异养微生物首先转化为氨氮，而后氨氮在硝化菌的作用下被转化为无机的亚硝态氮和硝态氮，最后通过反硝化以及植物根系的吸收作用而从系统中去除。
硝化反应式如下：NH4++1.5O2→NO2-+2H++H2O；NO2-+0.5O→NO3-。
总式：NH4++2O2→NO3-+2H++H2O
硝化反应受温度、pH、碱度、无机碳、微生物量、NH3-N及溶解氧浓度影响。湿地中硝化反应的最佳温度在30℃～40℃，温度低于15℃时会对系统的硝化速率产生较大的限制。反硝化反应式为：6(CH2O)+4NO3-→6CO2+2N2+6H2O。在反硝化反应中，氮氧化物作为最终电子受体，在电子转移过程中，电子由给体通过各种传递系统到达氮氧化物，自由能被转化为ATP储存在微生物体内用于呼吸作用。上式表示在纯厌氧或缺氧下的反硝化反应，氮代替氧成为电子受体。越来越多的研究表明，在氧存在的条件下，反硝化反应依然可以发生。
（三）磷的去除
人工湿地对磷的去除是植物吸收、微生物去除及物理化学作用三方面共同作用的结果。废水中无机磷在在植物吸收及同化作用下可变成植物的ATP、DNA及RNA等有机成分，通过植物的收割而去除。物理化学作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应，这种作用对无机磷的去除会因填料的不同而有差别。由于石灰石及含铁质填料中Ca和Fe可与PO43-反应而沉淀去除PO43-，因而它们是除磷效果较好的填料。含钙质或铁质的地下水渗入人工湿地也有利于磷的去除。实验表明：当进水总磷浓度为2.6～35.9mg/L时，人工湿地对总磷平均去除率为90%。
