人工湿地作为一种污水深度处理技术,具有运行成本低和环境效益高的突出优势。近年来,随着人工湿地的广泛应用,越来越多的新兴基质被用来提高其对氮磷污染物及新兴微量有机污染物的去除性能。因此,从污染物去除性能、建设成本及运行稳定性等多方面对人工湿地各类新兴基质进行综合评价,对优化人工湿地基质的选择具有重要意义。本研究基于目前人工湿地基质研究和应用现状,针对人工湿地基质研究存在的综合环境效益研究不足的问题,以普通砾石基质为对照,选择生物炭、沸石及黄铁矿三种新兴基质作为研究对象,构建不同基质垂直潜流人工湿地系统,对人工湿地系统的污染物去除性能、建设成本及稳定性等多方面进行综合评价。首先探究不同基质垂直潜流人工湿地对氮磷营养物质的去除效果及温室气体的排放,掌握脱氮除磷机制;明确不同基质垂直潜流人工湿地对新兴微量有机污染物抗生素的去除效果,揭示抗生素的去除归趋及微生物作用机制;考察不同基质垂直潜流人工湿地在抗生素胁迫下的脱氮除磷性能,分析湿地对于复杂污染物去除运行的稳定性。最后从污染物去除性能、建设成本和运行稳定性等多方面对不同基质垂直潜流人工湿地进行综合评价。取得的主要结论如下:(1)不同基质垂直潜流人工湿地系统均表现出了良好的氮磷污染物去除效果,并且生物炭、沸石和黄铁矿相较砾石具有更好的脱氮除磷性能。相对于砾石组,生物炭、沸石和黄铁矿组对NH4+-N的去除提高了 10-15%,顺序为沸石>生物炭>黄铁矿>砾石;对NO3--N的去除提高了 20-50%,顺序为生物炭>黄铁矿>沸石>砾石;对磷的去除提高了 1 5-25%,顺序为生物炭>沸石≈黄铁矿>砾石。因此生物炭、沸石和黄铁矿作为新兴替代基质确实增强了人工湿地对氮磷污染物的去除。(2)不同基质垂直潜流人工湿地脱氮除磷性能的差异导致其在氮磷污染物去除过程中不同程度的温室气体排放。新兴替代基质生物炭、沸石和黄铁矿在高效脱氮除磷的同时比砾石表现出了更低的温室气体排放通量,特别是CO2排放通量减少了约80mg/m2/h。此外,沸石和黄铁矿中N2O排放通量仅占总氮去除的0.13%,而生物炭由于较高的NO3--N去除效果,其N2O排放在脱氮中的比例为0.15%,砾石最高,为0.18%。因此,从温室气体减排方面来看,沸石≈黄铁矿>生物炭>砾石。(3)不同基质潜流人工湿地对新兴微量有机污染物抗生素均具有较好的去除效果,从高到低依次为生物炭≈沸石>黄铁矿>砾石。新兴替代基质生物炭、沸石和黄铁矿通过增强对抗生素的吸附和微生物降解实现了更高的去除效果。此外,由于生物炭、沸石和黄铁矿湿地内部更复杂的微环境,抗生索在其内部也实现了更多和更进一步的代谢转化过程,特别是磺胺甲恶唑实现了更进一步氧化、亲电取代以及加成等多种代谢途径。(4)在抗生素存在下,不同基质垂直潜流人工湿地的脱氮性能均受到一定影响,主要表现为促进NH4+-N去除的同时抑制NO3--N的去除。然而在氮磷和复合抗生素共同去除过程中新兴替代基质人工湿地仍表现出了更好的脱氮除磷性能,氮去除性能依次为沸石>黄铁矿≈生物炭>砾石,磷去除性能依次为黄铁矿>沸石≈生物炭>砾石。(5)对不同基质垂直潜流人工湿地进行全生命周期评价,新兴替代基质的污染物去除性能虽然优于砾石基质,但人工湿地作为一种绿色环保且运行成本低的污水处理系统,黄铁矿相对生物炭和沸石来说具有更高的成本投入。此外,生物炭作为一种富碳基质,其释放的碳源有效促进了人工湿地的脱氮除磷及其他污染物去除性能,然而随着碳源的不断释放消耗可能导致其性能的下降。因此综合考虑环境效益、系统寿命、成本投入等诸多因素,本研究结果表明沸石是最优的新兴替代基质的选择。