城镇污水厂是当前生活污水水质净化的主要场所。然而传统的污水处理工艺尾水中的氮磷浓度依然远高于受纳水体氮磷浓度水平,长期的氮磷积累会加剧富营养化程度,最终造成水生态环境的破坏,尾水氮磷浓度过高也不利于水资源的再生利用。因此,如何实现城镇污水厂二级出水中氮磷污染物的深度净化处理,保障出水脱氮除磷效果,是实现尾水资源化、保护水生态环境所亟需解决的问题。本文通过构建分别以火山岩、黄铁矿为基质的生物滤池系统,对比研究系统对污水深度脱氮除磷的效果,探究微生物的物理形貌、群落结构及反硝化功能基因的定量特征,揭示系统脱氮除磷的内在差异机制。研究结论如下:(1)较高C/N条件下,火山岩和黄铁矿系统反硝化脱氮能力较强,分别为(87.46±8.27)%和(94.47±5.14)%;而低C/N时,火山岩系统的NO₃^--N去除率呈明显下降趋势,但黄铁矿系统依然保持较高的NO₃^--N去除率;尤其在C/N为2时,黄铁矿系统的NO₃^--N去除率(94.17%)显著高于火山岩系统(52.14%)。运行过程中两系统的TOC消耗量相当,火山岩系统呈现明显的有机碳源依赖性,而黄铁矿系统具有异养和自养反硝化互补作用。但是随着系统持续运行,黄铁矿系统的NO₃^--N去除率逐渐降低,推测是由于黄铁矿同步脱氮除磷的过程中铁沉积物附着在基质微生物表面,影响了微生物新陈代谢。(2)运行期间,黄铁矿系统的PO₄^3--P去除率高于火山岩系统。当PO₄^3--P浓度为1.0 mg/L时,火山岩和黄铁矿系统的PO₄^3--P去除率分别为(29.92±23.50)%和(84.33±11.57)%。黄铁矿通过“非生物化学氧化-生物驱动反硝化”双重途径生成含铁产物,从而实现PO₄^3--P的去除,具备同步脱氮除磷的优势。(3)获取黄铁矿基质表面生物膜进行分析,发现黄铁矿表面附着的生物膜呈现明显的红褐色。SEM-EDS和TEM结果显示生物膜表面含有丰富的铁、氧以及磷元素。黄铁矿系统长期运行生成的高价态铁沉积物附着在细胞膜上,表明黄铁矿同步脱氮除磷的过程中铁沉积物附着在微生物表面,可能会对微生物新陈代谢产生不利影响造成系统脱氮能力下降。(4)Illuminate高通量测序结果表明,火山岩系统的优势反硝化菌属为Denitratisoma(1.75%~6.44%)和Saccharimonadales(1.64%~3.42%),黄铁矿系统的优势反硝化菌属为Denitratisoma(1.12%~16.38%)和Thiobacillus(3.11%~19.41%);其中,Denitratisoma和Saccharimonadales均为异养反硝化菌属,Thiobacillus为自养反硝化菌属。黄铁矿系统中异养反硝化以及Fe S₂驱动微生物自养反硝化协同作用。除此之外,火山岩系统中的反硝化菌属的相对丰富度之和为3.96%~14.35%,黄铁矿系统中的反硝化菌属的相对丰富度之和为15.79%~31.71%,黄铁矿可以促进反硝化菌属的优势形成。(5)荧光定量PCR结果显示,两系统反硝化基因丰度大小均依次为cnor B>nar G>nir K>nos Z,且cnor B基因丰度显著高于其它反硝化基因,表明N₂O是异养反硝化过程中的主要副产物。此外,黄铁矿系统中cnor B基因、nar G基因和nos Z基因的丰度均高于火山岩系统,说明黄铁矿的添加可促进NO₃^--N、NO和N₂O的还原。