随着社会经济的不断发展,水体污染与水安全问题成为限制全球环境安全与发展的重要因素。尤其是一些难降解物质进入水体环境,对全球生态安全与人类生命健康造成巨大的威胁,寻求切实有效的强化污水处理技术,实现水体难降解物质的有效去除迫在眉睫。人工湿地作为一种生态水处理技术,充分结合与利用基质、植物和微生物的作用,达到对污水的净化作用,并且由于其具有投资少、成本低、去除效果好等优点被广泛应用。然而,随着难降解有机污染物如多环芳烃类物质进入水体,其强疏水性使得其积聚在湿地基质中,传统人工湿地系统难以实现有效去除。因此,增强湿地基质对污染物去除能力对于实现湿地系统长期稳定运行,保障水安全具有十分重要的意义。针对以上问题,本论文选取典型PAHs菲为特征难降解有机污染物,从增强人工湿地基质对污染物的去除入手,研究制备金属基材料,通过揭示金属元素与多环芳烃污染物特殊的相互作用,增强基质固定与特异吸附能力;同时构建锰氧化物基质人工湿地系统,提升吸附能力的同时通过锰循环实现污染物的氧化去除,探究金属循环对于人工湿地污染物去除的作用与影响;进而从催化氧化角度,通过人工合成电子穿梭体负载材料的制备与添加,强化锰氧化物氧化污染物进程,促进人工湿地金属循环过程,研究电子穿梭体对于金属循环的作用机制,深入分析基于人工合成电子穿梭体的基质改性对于植物、微生物的作用影响;最后研究天然电子穿梭体负载材料的制备、性能与催化氧化作用,探究其对于锰氧化物人工湿地金属循环过程的作用效果与机制,综合分析天然电子穿梭体对人工湿地系统各部分组成部分的影响与污染物去除机理。取得的主要结论如下:(1)金属基材料通过络合吸附、增加疏水位点与静电吸附作用增强菲的特异吸附与固定,锰基材料还可以通过锰循环实现菲的氧化去除。水钠锰矿人工湿地提升了污染物去除效果,相对于对照组出水中菲、氨氮和总磷的去除率分别提升了 96.64%、81.80%和127%,硝氮去除率从79.00%提升至92.18%;相比于无金属循环的铜基湿地系统,基于金属循环的锰氧化物湿地中,基质对菲的总固定量从2.84 ug/g下降到1.71 ug/g,主要是由基质中菲的降解引起的,通过降解产物识别与分析,得出降解路径:菲首先形成顺式-1,2-二羟基-1,2-二氢菲,接着被酶降解成9,10-二氢菲,随后进一步氧化生成萘酚,进一步形成邻苯二甲酸,进入三羧酸循环,最后被完全矿化形成二氧化碳和水;基质反应前后元素分峰拟合结果表明相比于无循环的金属铜基材料,锰基材料反应前后锰元素价态发生很大的改变,实现了元素间电子传递与转移,反应后高价态锰占比增加,保证了长期运行时锰元素的氧化性,实现了持续的锰循环;水钠锰矿人工湿地系统基质中检测到大量的锰氧化菌,实现低价态锰到高价态锰的良好转化,对完成锰元素的循环起到重要作用。此外,金属铜基材料通过更高含量的菲固定量,对基质微生物形成筛选作用,其多环芳烃降解菌的相对组成比例是锰基湿地的2.41倍。(2)电子穿梭体材料强化了锰氧化物基质人工湿地系统对有机污染物的去除,加速了锰基人工湿地系统元素循环过程,提升了湿地系统整体氧化度。钌-活性炭(Ru/BC)和ABTS-活性炭(ABTS/BC)作为电子穿梭体加入锰基湿地,出水中菲去除率分别高达94.61%和95.51%,同时电子接受体的增加,促进了聚磷生物体的新陈代谢过程,实现了磷的高效去除;非均质电子穿梭体材料主要作用包括吸附固定和催化氧化锰循环,其中Ru/BC组锰基湿地基质中菲固定含量最高,为9.92 μg/g,是对照组锰基湿地(BC-B-CW)和ABTS/BC组锰基湿地(ABTS/BC-B-CW)的2.86和2.95倍,PAH降解菌的数量占比分别比BC-B-CW和 ABTS/BC-B-CW 高出 180.48%和 106.67%;ABTS/BC-B 表现出了最好的氧化还原能力,氧化去除的菲含量为5.47mg,分别比BC-B和Ru/BC-B高出29.31%和17.38%,其中与锰循环氧化相关的锰氧化菌数量分别是BC-B-CW和Ru/BC-B-CW的3.58和1.72倍;ABTS/BC-B-CW中铁氧化菌也表现出最高占比,其数量比BC-B-CW和Ru/BC-B-CW分别高出19.16%和38.97%,ABTS作为电子穿梭体,在湿地金属(锰、铁)循环中发挥了最佳的催化强化作用。(3)腐殖酸/活性炭(HA/BA)通过络合-絮凝作用以及腐殖酸的天然电子穿梭体作用增强了锰基湿地菲的吸附去除与氧化降解。腐殖酸与生物炭材料成功结合,制备而成天然电子穿梭体负载材料,HA首先形成单层的负载层,之后粒子之间通过疏水作用相互聚合,形成较为稳定的HA/BA材料,具有良好的电容特性,成功模拟了 HA在环境中主要附着层的存在形态;HA/BA对于对照湿地系统污染物去除具有促进作用,出水中菲平均浓度比未添加组降低了 26.58%,主要是通过腐殖酸对菲的络合-絮凝作用,增强了疏水性污染物在水体中的去除;对于有锰、铁元素循环的水钠锰矿人工湿地系统,腐殖酸可以通过电子穿梭体的作用,促进污染物的去除,锰、铁元素在湿地运行期间均有较稳定的循环反应过程,HA促进锰基湿地表现出最高的高价态锰元素占比与锰氧化物平均氧化度,湿地氧化属性大大增强;HA/BA将锰基人工湿地中锰氧化菌的相对占比从2.18%提升至4.79%,铁氧化菌占比提升了 3.80倍;腐殖酸通过增强PAH物质表面溶解度和传质进程,促进了湿地系统多环芳烃的微生物降解,多环芳烃降解菌数量提升了 6.29倍;然而,腐殖酸对湿地基质材料表面吸附位点的占据阻碍了湿地系统中氮的去除,这种阻碍作用可以通过添加水钠锰矿来减弱,水钠锰矿的添加使得出水总氮浓度的增加比例从51.79%下降到40.81%。有金属循环的人工湿地体系,与腐殖酸相结合,可以实现疏水性有机污染物的强化去除,同时,湿地整体可生化性提升、部分因腐殖酸带来的消极作用可以被减弱,腐殖酸添加可以作为一种生物刺激手段用于金属循环人工湿地污染物强化去除技术。