人工湿地具有投资少、出水水质稳定等优势,被广泛用于污水处理中。基质是人工湿地主要组成部分,对于污染物的去除,特别是对磷的去除有着重要作用。AO生物接触氧化工艺,具有高效处理含氮废水和高负荷污染物的优势。AO生物接触氧化复合人工湿地具有产泥量少、运行费用低等优点,在国内外被广泛应用。针对传统潜流人工湿地污水处理工艺对进水水质要求高,基质存在“磷饱和而释放”问题,本文对人工湿地基质磷的吸附和释放进行了研究,分析了AO生物接触氧化复合人工湿地工艺启动和运行过程污水的处理效果,运用分子光谱和微生物种群分析对去污机理进行了表征。研究结果如下:(1)相同浓度不同金属离子对磷的吸附效果研究,实验表明:Fe³⁺对磷有较好去除效果,4小时去除率为74.23%;Fe³⁺去除效果比Fe²⁺高16.52%;Ca²⁺与Mg²⁺在4小时对磷的去除效果相差不大分别为:28.49%、32.37%。陶粒、鸡蛋壳4天后对磷的去除率分别:24.31%、26.14%,4天后铁粉对磷的去除高达73.14%。对磷的释放实验发现,基质对污水中磷的吸附存在“饱和”现象,长期运行的人工湿地基质会存在磷的释放现象,为达到更好的除磷效果,要定期更换基质。(2)AO生物接触氧化反应器与人工湿地复合处理人工模拟污水,组合工艺对COD、NH₄⁺-N、TN、TP的去除率分别达到:92.14%、97.34%、65.37%、85.42%,四项出水指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准。AO生物接触氧化反应器对进水中的NH₄⁺-N、COD去除贡献较大,去除率分别为:74.86%、80.35%。人工湿地对TN、TP表现出较好的去除效果,去除率可达50.35%、76.84%,这可能是由于人工湿地中硫铁矿给出电子供体促进人工湿地反硝化脱氮,提高了脱氮效率,同时硫铁矿基质提供的Fe²⁺容易与污水中的磷形成沉淀,人工湿地中鸡蛋壳溶出的Ca²⁺对污水中的磷也有较强的吸附作用。(3)采用三维荧光光谱结合平行因子解析了工艺各构筑物出水有机物的情况,研究结果表明:各构筑物出水有机物主要包含类腐殖酸、类富里酸和类蛋白质,其中类富里酸含量最高且类蛋白质随处理工艺逐步降低。通过傅里叶红外光谱对厌氧、好氧生物膜监测发现,两者均检测到糖原和蛋白质的存在,由厌氧生物池到好氧生物池过程中糖原含量升高,这种变化与生物除磷基本原理中糖原厌氧消耗、好氧生成的过程相吻合。(4)对厌氧生物膜和好氧生物膜进行电镜扫描发现:厌氧生物膜微生物形态主要以短杆状为主;借助高通量测序,揭示了工艺不同构筑物微生物群落演替变化情况,解析了工艺去污性能与菌群特性的关系。从Alpha多样性的相关指数分析表明人工湿地系统内的微生物丰富度最高,同时发现附着生物膜上微生物的多样性和丰富度皆高于悬浮生物膜。在六个样品之间独有的序列较少,共有的序列较多,这表明从接种污泥到AO生物接触氧化生物膜的过程中,物种的多样性发生了变化,较多的功能性微生物得以保留,部分微生物被淘汰。在门水平上,各构筑物优势种群主要为Bacteroidetes、Proteobacteria、Chloroflexi。Proteobacteria在六样品中占比均超过40%,Proteobacteria是参与脱氮除磷、降解有机物和芳香族化合物的菌群;Proteobacteria的富集可以有效去除氮污染物,尤其在去除总氮方面也起着重要作用。Bacteroidetes在六组样品中占比均超过22%,Bacteroidetes是厌氧微生物具有代谢废水中复杂有机物、脂类等污染物的能力,Chloroflexi是活性污泥中的主要微生物,Chloroflexi主要摄入复杂的有机物质,Chloroflexi较高的丰富度有利于复杂有机物的分解,Bacteroidetes、Chloroflexi、Proteobacteria相对较高的丰度保证了整个工艺内污染物的稳定去除。在属水平上,各构筑物的优势种群为Nitrospira、Zoogloea;Zoogloea能够分泌EPS并将污泥聚集在一起,在有氧或缺氧条件下均能还原硝酸盐,Nitrospira是生态系统氮循环的关键贡献者,这些优势菌群的存在确保了工艺脱氮除磷高效的进行。图[22]表[16]参[93]