近年来,大部分城镇污水处理厂经过扩容提标改造,污水处理能力显著提升,但依然无法完全消解经济、人口以及城镇化发展带来的水处理压力,使得江河湖库等排污内河承受着巨大的污染负荷。其中,氮、磷随污水富集使得水体富营养化问题突出。同时,部分水体受工业排污废水的冲击,重金属污染也十分严重,对环境水生态以及人体健康造成较大的威胁。因此,迫切需要寻求一种高效经济的水处理技术来缓解这一污染压力。人工湿地生态水处理技术因处理效果好、成本低的优势受到了广泛的关注,但湿地系统复氧难、碳源不足的问题限制了其在处理低碳氮比(C/N)污水中的应用。本研究选取生物炭为外加有机碳源,选取黄铁矿为湿地系统提供自养反硝化电子供体,联合间歇曝气技术来强化湿地的脱氮效果。分别构建了砾石基、生物炭基、黄铁矿基、生物炭-黄铁矿基人工湿地小试系统。评价了不同填料人工湿地系统的长期去污效果及规律;基于填料批次试验,明晰了基质填料对污染物去除的物理化学作用;最后,应用高通量测序技术,从微生物数量、多样性以及群落结构组成等角度探讨了不同人工湿地系统的微生物去污机制。主要结论如下:(1)生物炭基系统对总氮的去除效果优于黄铁矿基系统,黄铁矿基系统对总磷的去除效果优于生物炭基系统,有机物的去除效果主要取决于湿地内部溶解氧条件,而生物炭和黄铁矿的添加也在一定程度上促进了有机物的去除。重金属的添加对于总氮的去除效果影响较小,但对有机物及总磷的去除影响较大,进水浓度较小的Pb²⁺和Cd²⁺在各系统内的去除整体上优于进水浓度较大的Cu²⁺、Zn²⁺,且生物炭-黄铁矿基系统对Cu²⁺、Zn²⁺以及Pb²⁺的吸附去除表现优于其余系统。总体来说,生物炭和黄铁矿联合使用对于湿地脱氮除磷、有机物及重金属的去除起到协同作用,强化了湿地的去污效果。(2)基质批次试验结果表明,生物炭因比表面积大和表面带负电荷的优势而对氨氮及重金属离子表现出较好的吸附能力,但未改性的生物炭对总磷的去除能力较差。生物炭溶出DOM的组分主要是类腐殖酸类物质和类色氨酸类两种,氮负荷提高和重金属的添加使得类腐殖酸类物质丰度更大且芳香性更低,更容易被微生物利用。黄铁矿对氨氮的吸附能力明显弱于生物炭,但对总磷的去除作用更好,对重金属离子也有不同程度的吸附絮凝作用,强度取决于黄铁矿表面的溶出程度。(3)不同系统在微生物数量、多样性以及群落组成上表现出较大的差异,且同一系统在不同运行阶段优势菌门的种类及相对丰度占比会发生不同的变化。但总体来说,在门水平上,对污染物去除发挥主要作用的细菌主要为变形菌门细菌和Patescibacteria菌门细菌;在属水平上,与硫自养反硝化和铁自养反硝化相关的硫杆菌属、铁氧化菌属在添加黄铁矿的系统内表达更显著。此外,较高的氮负荷和间歇曝气条件对添加生物炭或黄铁矿的系统的影响强于砾石基系统而重金属的添加对各个系统微生物的表现都有较大程度的影响。