随着我国经济社会的快速发展,水环境污染和水生态失衡问题仍然存在,发展高效、生态的污水处理新技术是我国水污染防治的迫切需要。人工湿地是一种利用自然过程实现废水净化的生态处理技术,具有基建运行费用低、管理方便、美化环境等优点,在发展中地区流域污染治理中具有突出的应用优势。然而在人工湿地的实际运行中,冬季污染物去除效率低限制了其持续稳定运行;氮、磷去除途径受限,同时进水中碳氮比低等问题制约了其作为深度净水工艺的高效运行;水体和基质间物质交换受限,造成基质缺氧。底栖动物分布广泛、耐污性强,通过捕食、富集对水体污染物去除具有直接作用;同时,还可通过生物扰动等对植物和微生物的作用间接促进污染物去除、优化环境。因此,将底栖动物引入人工湿地,对于人工湿地系统的稳定运行、污染物去除强化都具有重要意义。针对人工湿地系统运行中存在的问题,大部分研究从基质、微生物和植物优化入手,忽略了底栖动物、以及底栖动物与植物和微生物的协同作用。本论文从增加人工湿地系统生物多样性角度入手,基于底栖动物的生物扰动等作用,构建“植物-动物-微生物”综合协同净化人工湿地系统,强化人工湿地运行。首先将典型底栖动物水蚯蚓引入表流人工湿地系统,探究利用水蚯蚓增强人工湿地系统污染物去除效果的可行性;掌握其对碳、氮、磷的迁移转化及微生物群落结构的影响和作用规律,深入分析水蚯蚓对有机碳形态转化的机制;基于底栖动物的摄食特性,引入河蚌,构建底栖动物组合型人工湿地系统,监测其长期运行效果,探究两种底栖动物与植物、基质、微生物间的相互作用关系;最后,基于水蚯蚓和河蚌对污染物去除的作用机制,考察这两种底栖动物对人工湿地系统去除典型有机污染物多环芳烃(PAHs)的作用机理。取得的主要结论如下:(1)水蚯蚓强化了人工湿地系统全年的氮、磷去除效率,增强了湿地植物对氮、磷营养元素的吸收,促进了营养物质向基质的沉降,并且影响了微生物功能基因丰度。夏季,水蚯蚓人工湿地系统的TN和TP去除率较对照组人工湿地系统分别提高了22.3%和27.4%,NO3--N去除率由54.2%提升至82.6%,NH4+-N去除率由84.6%提升至90.9%;基质中氮、磷浓度较对照组人工湿地系统分别提高了0.53 ×10-4和0.23×10-6 mg/g干重(DW),植物对氮、磷营养物质的吸收量分别提高了 11.4%和30.0%。冬季,水蚯蚓依然可以将人工湿地系统NO3--N去除率提高40.9%,但对NH4+-N去除率不高,因此TN去除率仅提升了 22.9%,TP去除率提升了 7.40%。水蚯蚓增加了人工湿地系统全菌(16S rRNA)、反硝化菌功能基因(nirS和nirK)和异化的硝酸盐还原为铵(DNRA)功能基因(nrfA)的数量,但硝化菌功能基因(amoA和NSR)数量略有降低。(2)水蚯蚓捕食、排泄与生物扰动作用促进了碳、氮、磷的迁移和形态转化,优化了微生物群落结构。水蚯蚓的引入改变了磷的形态,将人工湿地系统中粒状磷含量提升15.0%,胶状磷含量提升11.0%,粒状磷更易向基质沉降,胶状磷易被植物吸收,进而促进水中TP的去除;水蚯蚓改变了有机碳的形态,将难降解的有机碳分解为乙酸甲酯、含硫化合物等可以直接被反硝化菌利用的碳源,将基质中溶解性有机碳(DOC)比例提高31%,并且增加了腐殖酸类有机碳比例,为微生物提供充足电子受体,进而促进反硝化过程,解决人工湿地碳氮失衡引起的氮去除效率不高问题;水蚯蚓优化了人工湿地系统微生物群落结构,通过改变碳降解功能菌影响有机碳降解,并且将反硝化功能菌比例提高21.0%,β变形菌(β-Proteobacteria)和拟杆菌(Bacteroides)等比例有所提升,NO3-N去除率比对照组提高三倍,N20释放量略微增加,并且水蚯蚓对DNRA过程的强化是造成其NH4+-N去除率不高的原因之一。(3)河蚌通过滤食性作用强化人工湿地系统污染物去除,构建的河蚌和水蚯蚓组合型人工湿地系统,利用底栖动物、植物、微生物间的相互作用关系,提升人工湿地系统的稳定性和运行效果。河蚌人工湿地系统冬季NH4+-N去除率可达89.1%,利用河蚌作用改善了冬季水蚯蚓NH4+-N去除率不高的问题,强化了冬季N03--N、NH4+-N同步高效去除,河蚌和水蚯蚓组合型人工湿地系统全年平均TN、TP去除率分别可达63.4%和35.5%,实现了人工湿地系统的长期稳定运行;在水蚯蚓和河蚌共同作用下,组合型人工湿地系统基质中氮、磷含量较对照组人工湿地系统分别提高了28.0%和54.7%,植物对氮、磷的吸收量也比对照组人工湿地系统分别提高了 30.6%和27.9%;由于反硝化作用的增强,组合型人工湿地系统N2O释放量略微增加,但该系统N20全年的释放总量在TN的去除量中所占比重低于0.60%;河蚌和水蚯蚓体内的微生物及其活动同化人工湿地系统微生物群落结构,两者肠道内的反硝化微生物、以及基质中较高比例的厚壁菌门(Firmicutes)和杆菌门(Bacilli)微生物,在提升系统污水净化效果中起到重要作用,并且可在极端条件下存活、耐受度高,强化人工湿地系统的可持续运行。(4)河蚌和水蚯蚓不同的生活特性,影响了人工湿地系统中PAHs分布。河蚌和水蚯蚓都可以通过促进植物生长,增强人工湿地系统中植物对5种PAHs的吸收量,河蚌和水蚯蚓分别将人工湿地系统中植物对5种PAHs的吸收量提高7.6%和43.1%,人工湿地系统中植物对5种PAHs去除的贡献率由10.6%分别提高至15.2%和11.4%;植物的生长改善了根系微环境,结合生物扰动对基质氧传质的优化作用,促进了基质中3环PAHs的好氧降解;水蚯蚓、河蚌人工湿地系统基质中较高浓度的N03--N,可为PAHs降解提供电子受体,促进PAHs的厌氧降解。河蚌的滤食、净化等作用,使得体内PAHs富集量可到16.1 μg/g鲜重(FW),增强了基质中5种PAHs的去除,将泥水界面下0-10 cm深度基质中PAHs含量降低29.2%;而水蚯蚓通过生物扰动作用增强了 5种PAHs向基质的沉降,泥水界面下0-5 cm深度基质中5种PAHs含量增加了 19.3%。PAHs污染降低了人工湿地系统对NH4+-N的去除能力、硝化菌功能基因的丰度和活性,增强了NO3--N去除和反硝化菌功能基因数量。通过探究河蚌和水蚯蚓对人工湿地系统中PAHs的迁移转化规律,为人工湿地强化PAHs去除提供了新思路。