磷吸附去除能力逐渐下降和反硝化碳源的缺乏是人工湿地深度脱氮除磷面临的问题。湿地富铁基质材料中铁氧化物在铁还原菌作用下可以被有机物还原并以亚铁形式溶出,亚铁在亚铁氧化硝酸还原菌作用下可作为电子供体将硝酸盐氮还原为氮气,且亚铁被再次氧化形成三价铁颗粒对磷具有较强的吸附作用,因此该过程具有脱氮除磷的潜力。本论文基于基质中铁的这种迁移转化特点,尝试构建新型分区式人工湿地系统,利用富铁基质材料和湿地植物碎屑构建铁还原溶出区,利用常规填料构建污水处理区,在铁还原区厌氧反应形成的亚铁和部分可溶性有机碳通过回流输入处理区,用于处理区的脱氮除磷,进而实现人工湿地脱氮除磷能力的持续更新。利用小型试验系统和人工模拟污水对构建、运行参数和处理机制进行了系统研究。获得主要研究结果如下:(1)在分区式人工湿地系统中,处理区床体A对尾水中磷和硝酸盐氮的去除特点表现为:运行启动期,磷去除率较低,之后随着逐渐升高达到稳定,而硝酸盐氮去除则是启动期最高,之后逐渐下降。在本研究实验条件下,启动期出水总磷浓度在0.4mg/L以下,能够达到《地表水环境质量标准》的Ⅴ类标准,稳定期出水总磷浓度可以稳定维持在0.3 mg/L以下,达到《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准。硝酸盐氮出水浓度仅在启动60 d内维持在10 mg/L以下。(2)在分区式人工湿地系统中,还原区床体B能溶出大量的亚铁和有机物,其中亚铁的溶出具有持续性,但溶出浓度呈现波动变化特点,在启动期溶出峰值最大,其后波动幅度逐渐降低,溶出浓度趋于稳定,本研究实验条件下,亚铁溶出浓度可以长期维持在40 mg/L。而有机物的溶出过程则是一个单波峰,在启动期大量溶出迅速达到溶出峰值,然后快速大幅下降,之后维持在较低浓度,本研究实验条件下,有机物溶出初期达到2500 mg/L,30 d后降低到500 mg/L。(3)对处理区砾石基质表面沉积絮体中铁沉积及其价态变化的分析结果表明,亚铁的直接沉淀及其部分被氧化后形成的三价铁氧化物颗粒的吸附作用是尾水中磷被去除的作用机制,长期运行系统内铁氧化物逐渐积累使得总磷的去除率也逐渐升高至稳定。尾水中硝酸盐氮的高效去除主要依赖大量溶出的可溶性有机物进行的异养反硝化过程,有机物减少,通过对输入亚铁氧化反硝化过程脱氮的去除率较低,主要是由于溶出亚铁浓度较低不足以支撑较高浓度硝酸盐氮还原。因此,增加填料中富铁基质比例,可以明显提高亚铁溶出量,从而提高氮磷的去除效果。同时,在系统运行过程中B床溶出区额外投加固体碳源,增加有机物溶出量,也可以促进硝酸盐氮的去除。(4)富铁基质砖红壤的亚铁溶出负荷在系统长期运行过程中,保持稳定在10-60 mg/(kg·d)之间,并且当混合比例越小,亚铁的溶出负荷就越高。系统长期运行150 d,砖红壤中的总铁溶出率仅为4.86%左右,说明砖红壤仍具有很高的利用率,以这种富含铁氧化物的砖红壤作为人工湿地系统中的基质,系统可以很好的持续运行。(5)长期运行的系统,对尾水中含有的低浓度重金属Zn、Pb、Cd都具有较高的去除率,可以达到《地表水环境质量标准》。说明了系统长期运行,基质表面积累的大量含铁氧化物附着物对重金属也具有很好的吸附去除能力。