大量农村生活污水未经处理就被排放,对农村生活环境和周围水体形成严重威胁。人工湿地具有建造运行费用低、管理及维护简单等特点,可通过微生物、植物和基质的综合作用来净化污水,是处理农村生活污水最具应用前景的技术之一。然而传统人工湿地不仅存在占地面积大的问题,而且常常由于缺乏溶解氧,导致其对生活污水的净化效果难以达到我国越来越高的水质要求。城镇化使土地资源越来越珍贵,而且在大部分农村地区不适宜使用如人工曝气、潮汐流等耗能且复杂的技术来提升溶解氧,因此其推广应用受到限制。针对人工湿地占地面积大和溶解氧不足的问题,本研究设计了一种独特的竖向多级人工湿地（UVM）,通过各级湿地竖直叠加显著减少占地面积,利用浅层床体以及上下级之间形成跌水来增加溶解氧。然后对其污水净化特性及温室气体排放特性进行了研究。对单一基质竖向多级人工湿地（UVM-S）和多基质竖向人工湿地（UVM-M）污水净化效果的分析表明:UVM对污水净化效果良好。UVM-S中COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别在95.9%、60.9%、47.5%和69.4%以上;UVM-M对COD、NH4+-N、TN和TP的去除率可分别达到96.3%、90.0%、87.7%和63.0%以上。总体来看,UVM-M比UVM-S对污水的净化效果更好。通过对三个水力负荷下的污水净化效果的分析表明:水力负荷对UVM-S的NH4+-N、TN去除率影响显著,对COD和TP去除率影响不显著;而水力负荷对UVM-M的COD、NH4+-N、TN和TP去除率影响均不显著。对两组湿地中COD、NH4+-N、TN、TP以及DO浓度沿程变化分析表明:对UVM-S来说,COD浓度沿程先迅速下降后缓慢下降,在进水附近和跌水区浓度下降更快;NH4+-N、TN、TP浓度沿程基本上均匀下降,在跌水区下降更快;DO浓度沿程先迅速下降至最低点然后缓慢上升;对UVM-M来说,各指标的变化规律与UVM-S基本相同,但NH4+-N、TN浓度沿程在沸石区下降最快。对两组湿地的温室气体排放通量和全球变暖潜势的分析表明:UVM的温室气体N2O、CO2和CH4排放通量均处于较低水平;UVM-M比UVM-S的CO2排放通量高,CH4的排放通量低,N2O的排放通量高（最小负荷时低）,整体全球变暖潜势小。对三个水力负荷下温室气体排放量分析表明:水力负荷对UVM的温室气体排放通量影响显著。对UVM-M中使用的椰棕和沸石以及UVM-S中对应位置砾石上附着的微生物多样性数据的分析表明:基质对微生物多样性和群落组成有影响。椰棕上相比砾石上的微生物丰富度和多样性均较低,微生物的群落组成没有显著性差异。沸石上相比砾石上微生物多样性较低丰富度较高,微生物的群落组成有显著差异。且沸石上在门、纲、属水平上与脱氮相关的微生物相对丰度比砾石高,表明了沸石可以富集与脱氮相关的微生物,是其长期高效脱氮的原因。对UVM实际应用中污水净化效果和温室气体排放结果的分析表明:UVM的应用效果良好,能够低耗高效的净化污水和实现较少的温室气体排放。尤其是强化除磷后,UVM-M出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级A标准。