近年来,全球气候变化和城市化加快导致城市雨水径流量逐年提升、面源污染显著加剧。生物滞留设施作为一种建设方便,运行灵活的绿色设施,在解决上述雨洪问题中得到广泛应用。然而,传统的生物滞留设施由于填料功能单一、构造不合理等问题常常难以实现对多种溶解态氮磷营养物的同步去除,在极端条件下甚至可能面临设施失效和二次污染泄漏等问题。为解决现有生物滞留设施脱氮除磷效能较差、运行不稳定的问题,本研究提出了一种新型的生物炭-黄铁矿双层生物滞留设施,系统地研究了其在不同运行时期、多种复杂暴雨工况下的脱氮除磷效能以及二次污染泄漏情况,揭示了设施内部污染物转化、削减途径和微生物、填料作用机理,为后续相关工程应用与科学研究提供了借鉴。论文主要研究内容与结论如下:(1)评价了设施初期运行时期污染物泄漏。磷和有机物是生物滞留设施最主要的初期泄漏污染物。生物炭-黄铁矿改良型生物滞留设施初期运行磷和有机物的泄漏极低,总溶解性磷(TDP)泄漏浓度低于0.5 mg/L,化学需氧量(COD)浓度则低于20 mg/L,且其污染物泄漏持续较短,在5次降雨后即趋于稳定。同时,黄铁矿改良设施总铁的泄漏浓度也极低,仅在10次降雨后浓度即低至0.1 mg/L左右。(2)对比得出了生物滞留设施短期运行(3个月)和稳定运行(14个月)时水力性能、氮磷处理效能变化规律。相比于短期运行,稳定运行条件下生物炭-黄铁矿改良型设施水力性能保持良好,渗透速率仅从292.2 mm/h下降至272.0 mm/h。氨氮(NH₄⁺-N)去除效能从70.4±6.4%提升至98.1±0.1%,溶解态有机氮(DON)去除变化不大,分别为87.5±5.2%和88.7±5.1%。虽然NO_X^--N(NO₃^--N+NO₂^--N)去除由35.3±5.8%下降至14.5±5.6%,但总溶解性氮(TDN)去除效能基本没有发生变化,短期和稳定运行时分别为65.6±3.6%和64.1±2.5%。TDP在短期运行和稳定运行下的去除效能没有显著差异,分别为80.3±4.1%和79.0±5.1%。相比于短期运行,稳定运行下总铁和硫酸盐二次污染释放显著更低,分别满足《地下水质量标准(GB/T 14848-2017)》中Ⅱ类和Ⅰ类水的要求(总铁≤0.2 mg/L,硫酸盐≤50mg/L)。黄铁矿改良型设施在短期运行和稳定运行期均可保持稳定的水力性能、脱氮除磷效能和极低的总铁和硫酸盐二次污染释放。相比之下,砂对照组无论稳定运行还是短期运行脱氮除磷效能均相对较差。木屑对照组虽然反硝化能力比黄铁矿改良更强,但也面临着NH₄⁺-N、DON和TDP释放问题,因此并未展现出比黄铁矿改良设施更优越的脱氮除磷效能。(3)得出了多种复杂暴雨条件对设施氮磷削减和二次污染释放影响规律。生物炭-黄铁矿改良型设施可以有效应对多种干旱天数、暴雨强度和降雨历时,展现出极为稳定的脱氮除磷效能。其DON、NH₄⁺-N和TDP的去除效能受复杂降雨影响较小,最高可达96.0%、98.2%和90.2%。NO₃^--N、TDN的去除效能则受干旱天数影响较大,随着干旱天数的增加而增加,在干旱天数为10天时,其去除效能达到49.2%和79.2%。相比于稳定运行期间,复杂降雨条件并未明显影响设施的硫酸根和总铁二次污染释放。相比之下,木屑组NH₄⁺-N、DON、TDP、和有机物二次污染物泄漏随着干旱天数的增加而增加。复杂暴雨条件对砂对照组脱氮除磷的影响和黄铁矿组整体类似,但其脱氮除磷效能整体更低。(4)揭示了生物炭-黄铁矿改良型设施脱氮除磷效能提升和二次污染减量机理。设施通过包气带和淹没区相互作用,将污染物于降雨期快速吸附并在干旱期稳定去除,并维持了稳定的内部环境减少了二次污染释放。其中,生物炭的添加提高了设施包气带降雨期间对NH₄⁺-N和DON的稳定吸附和干旱期快速转化。生物炭同时提高了包气带的体积含水率,有效阻碍了包气带中溶解氧的传质,促进了原位反硝化,并维持了淹没区稳定缺氧条件,减少了黄铁矿的氧化和二次污染释放。与此同时,淹没区利用黄铁矿和雨水冲刷的有机质实现了混合营养型反硝化强化脱氮。硫酸盐还原细菌则在反硝化接近完成后,利用有机质和凋亡微生物实现了硫酸盐还原,削减了出水硫酸盐浓度。同时,黄铁矿通过表面形成的无定型氢氧化铁实现了对径流和生物炭层泄漏的磷的快速吸附,并在干旱期通过铁离子络合沉淀进一步将吸附的磷转化为较为稳定形态避免了磷的二次污染释放。