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人工湿地是一种具有广阔生态前景的污水深度处理技术,溶解氧对人工湿地水质净化效率有显著影响,氨氮(NH4+-N)和化学需氧量(COD)等污染物的净化主要依赖于适宜的好氧环境。然而,人工湿地通过进水携氧、大气复氧和根系泌氧方式的补氧量远不能满足人工湿地中污染物净化的需求。在人工湿地的微生物脱氮除磷过程中,反硝化和磷去除的功能菌主要营异养生活,需要充足的碳源以维持其生长增殖,可见,人工湿地的碳氧调控对各类污染物的去除至关重要。针对人工湿地中存在的补氧效率低、能耗高、水处理后期碳源不足的问题,本研究提出了一种基于基质改良的具备碳氧调控功能的人工湿地系统。基础实验中将人工湿地部分基质设为持久的非液相浸没状态(即不饱和状态),结合导流板以实现湿地整体的氧调控效果;通过在不饱和区内添加超细纤维以及在饱和区添加缓释碳源以强化碳氧调控效果。实验中采用水质监测方法、示踪法、微电极法、定量聚合酶链式反应、高通量测序、扫描电镜等方法进行了数据的监测分析,以考察基质改良对人工湿地中污染物去除的影响规律与内在机制。主要结论如下:(1)部分不饱和人工湿地包含固-液-气三相共存的不饱和和,具有高效且低能耗的补氧特征。部分不饱和人工湿地的氧气摄取量为336±44 g m-3 d-1,达到了曝气湿地(134±16gm-3d-1)的2.5倍;其补氧的日能耗为1.1×10-4kwh,仅占曝气湿地日能耗(3.3 × 10-3 kwh)的3.3%。(2)部分不饱和人工湿地沿程表现出持久有序的氧调控效果。不饱和区末端的DO含量量为5.08±0.54mg/L,COD的去除率达到了 85±6%,与曝气湿地(83± 6%)相当。其NH4+-N去除率为46.2±11.9%,为非曝气湿地(3.8±1.9%)的11倍。饱和区沿程DO含量可低至0.05±0.01 mg/L,然而饱和区内过低的碳氮比导致硝态氮(NO3--N)无明显去除。(3)在湿地不饱和区加入纤维强化了氧调控效果。加纤维将污水在不饱和区的实际水力停留时间延长了 2.2h,其不饱和区末端的DO含量(3.39±1.03 mg/L)约为对照组(0.92±0.46 mg/L)的4倍,其不饱和区内微生物丰度从8.6 × 1010 copies/g Substrate 提高至 1.05 × 1011 copies/g Substrate,从而实现了高于 97.0%的NH4+-N去除率,进一步提高了污水净化效果。(4)在湿地饱和区加入缓释碳源有效提高了其内的NO3--N去除率,呈现了显著的碳调控效果。投加缓释碳源后,碳源结构的调整致使群落结构发生了变化,饱和区内优势菌群由γ变形菌纲变为β变形菌纲。湿地总氮(TN)去除率从20.6±4.0%提升为90.4±2.7%,湿地的TN去除效果得到了明显的改善。(5)部分不饱和人工湿地氨氧化菌的富集程度(amoA/Bacterial 16S rRNA)为1.43(?),高于两组对照湿地(0.27(?)和1.24(?))。不饱和区内存在大量的硝化和反硝化功能菌,氮转化过程的速率主要表现为r Deni-N03-(7.92±0.36 mg N Lsub-1 h-1 L-1)>r AOB(7.05 ± 0.23 mg N Lsub-1 h-1 L-1)>r NOB(4.00±0.28 mg N Lsub-1 h-1 L-1)>r Deni-NO2-(3.85±0.01 mg N Lsub-1 h-1 L-1)。