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飞速发展的城市化与工业化进程,导致未经治理的生活废水大量投入天然水体内,引起了地表水水质的恶化,进而引发了严重的富营养化现象,因此,我们应该重点关注生活污水的治理。人工湿地系统因具有低成本、易于维护及环境友好的特点,从而被广泛应用于处理生活废水,它是一种重要的废水治理工艺。人工湿地系统内微生物硝化与异养反硝化作用是系统脱氮的主要机理。本研究从影响人工湿地污染物去除的主要因素入手,通过改变不同运行条件(COD/N、曝气和水力停留时间(HRT))来强化系统的脱氮效率。主要研究工作及成果如下:(1)间歇曝气的垂直潜流人工湿地(VFCWs)中COD/N比(3、6、12)对废水中污染物的去除、湿地中微生物群落和氮转化功能基因有不同的影响。COD/N比从3增加到12可提高TN,NO3–-N和COD的去除效率。NH4+-N的去除随着COD/N比的增加而降低。在VFCW2(COD/N比为6)中,TN(87.65%),NH4+-N(93.20%),NO3–-N(80.80%)和COD(73.93%)去除效果最佳。Illumina Miseq高通量测序分析表明,高COD/N比增加了微生物群落的丰富性和多样性。在COD/N的不同比率下,nir K,nos Z,nir S,amo A,nxr A和厌氧氨氧化细菌16S r RNA的绝对丰度呈现出各种变化。COD/N比的升高增加了参与反硝化过程的nir S,nir K和nos Z的拷贝数。COD/N为6和12时,有利于在反硝化过程中发挥重要作用的Actinobacteria,Firmicutes和Chloroflexi的生长。(2)VFCWs中使用了间歇曝气和外源碳添加可提高氮和有机物的去除率。在添加碳源曝气系统VFCW1中得到最佳去除效果,去除率分别为:COD(74.16%),NH4+-N(93.56%),TN(86.88%)和NO3–-N(79.65%)。Illumina Mi Seq300高通量测序表明添加碳源的通气系统增加了微生物群落的丰富度和多样性。在不同的曝气方式和碳源添加下,硝化、反硝化和厌氧氨氧化功能基因(厌氧细菌16S r RNA)的拷贝数呈现出不同的变化。其中,溶解氧浓度的增加和碳源的添加分别促进了微生物硝化(nxr A,amo A)和反硝化功能基因(nir S,nir K,nos Z)的绝对丰度。研究结果表明碳源添加与间歇曝气相结合可有效改善该系统对污染物的处理性能。(3)间歇曝气和HRT强化VFCWs脱氮效果及机理研究表明,通过结合溶解氧和HRT变化可强化系统的脱氮效率。HRT长的间歇曝气VFCWs中污染物的去除率最高(TN为89.41%,NH4+-N为95.24%,NO3–-N为86.96%,COD为88.07%)。Illumina Mi Seq300高通量测序表明更长的HRT联合充足的氧气增加了微生物群落的丰富度和多样性。在间歇曝气结合HRT为6的系统内,参与碳氮转化与循环过程的Proteobacteria,以及在微生物异养反硝化作用中起重要作用的Acidobacteria,它们在此运行条件下丰度最高。此外,HRT长的(HRT=6)系统氮功能基因的绝对丰度更高,表明曝气增氧的操作和HRT的延长提高了与硝化作用相关的功能基因nxr A和amo A的拷贝数,并增加了与异养反硝化作用相关的功能基因(nos Z,nir K和nir S)的绝对丰度。本研究结果表明间歇曝气与HRT之间相互作用对改善VFCWs污染物去除性能具有重要意义。