人工湿地污水处理技术具有净化效果好、建设费用低、运行维护简便等优点,适合于村镇分散型污水的处理,但传统人工湿地存在诸多问题,如占地面积大、脱氮效果不稳定、寒冷地区冬季难以运行等,限制其应用和推广。针对上述问题,通过中试规模的实验研究,考察了不同组合方式水平流后接水平流串联运行、垂直潜流后接水平流及采取回流、增添固体缓释碳源等强化手段的组合流人工湿地系统的运行效能。通过针对寒冷地区污水深度处理而开发的双层水平潜流湿地的生产性规模实验研究,考察了其防寒结构设计、隔热层设计、低温生物强化等防寒措施的运行效能。研究中全面考察了潜流型湿地运行效果和净化机制,深入分析湿地组合方式、工艺强化、调控措施等对净化效能的影响,以及防寒结构设计和生物强化等手段等湿地防寒能力和低温运行稳定性提升,探讨了人工湿地的脱氮动力学过程和影响因素通径分析,提出了潜流型湿地在分散型污水处理方面其是寒冷地区的应用策略。不同类型组合流人工湿地的净化效能分析显示,五种组合运行方式平均化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)去除率达到88%-91%,总磷的去除率从67.1%至77.2%。而脱氮方面各系统差异明显,垂直流湿地较好的复氧条件使含垂直流单元的系统具有更高的氨氮去除效率,其去除率达92%-98%。总氮去除率方面,采用回流运行和增加缓释碳源滤床单元的组合系统其整体的总氮去除率更高;回流运行可平衡系统碱度变化并有效利用进水碳源实现反硝化提升总氮脱除效率,从而使水平潜流后接垂直潜流回流型人工湿地系统为72.2%;两组含有缓释碳源滤床型的系统其总氮去除率达到了82.6%和96.1%,通过补充碳源有效提升反硝化效果。高通量测序分析发现具有相似环境特性和功能的湿地单元之间具有较高的微生物群落结构相似性,垂直流单元中氨氧化菌(Ammollia Oxidizing Bacteria,简称AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(Nitrite oxidizing bacteria,简称NOB)菌属丰度显著高于水平流单元,而水平流单元中反硝化菌群的丰度亦明显高于垂直流单元,微生物群落解析很好的揭示了微生物群落结构及处理效能之间的关系。针对寒冷地区的双层潜流人工湿地生产规模实验研究表明,通过防寒结构设计和生物强化等手段使系统在极寒天气下仍能稳定运行,出水主要指标均能稳定达到一级A标准。低温会显著降低系统对氨氮和总氮的净化能力,但反硝化过程在水温低于10℃时仍能进行,水温超过15℃后反硝化速率基本稳定。根据对氨氮、硝氮和碱度变化规律的分析,有机碳源的不足成为总氮去除的重要限制因素;回流运行提升了湿地内的含氧量从而利于氨氮的去除,而对硝氮和总氮的净化效果略有提升。收割植物对湿地总体氮、磷去除的贡献率按植物生长期范围为13.6%和14.2%,全年比较则为7.1%和6.0%。湿地微生物群落高通量测序分析结果显示,生物强化的同一单元在两年不同期的群落多样性对比相似度很高,实验构建的湿地低温强化生物菌剂有效提升了有机物降解和脱氮功能菌群的丰度,提升了系统在低温条件下的净化能力和稳定性。采用动力学及通径分析模型,解析了组合型潜流人工湿地中脱氮过程影响因素与脱氮效果的作用关系。动力学分析表明,一级反应动力学模型可较好的描述垂直流湿地对氨氮的去除过程,而反硝化过程受湿地自身运行条件和碳源限制等影响显著,Monod模型更适合描述水平潜流湿地中的反硝化动力学过程。脱氮过程多影响因素通径分析表明,对于氨氮去除负荷其进水负荷的直接通径系数达到0.771;而硝氮去除负荷受其自身进水负荷的影响较氨氮低,其直接通径系数为0.435,反硝化过程其受氨氮进水负荷和COD进水负荷等因素影响更为显著,原水p H值和碱度对氨氮去除负荷的影响更为显著;水温对氨氮和硝氮去除负荷均具有显著影响能力,且水温通过对COD出水浓度的间接影响占据重要作用。基于实验结果和分析,建立了人工湿地应用量化评价体系,采用SPSS主成分分析显示,水平潜流湿地因其较均衡的净化效果和较好的投资、运行便捷性获得了最高的综合得分,而组合流湿地系统因提升了总氮、总磷净化效果,在水质要求更高时具有优势。综合分析不同类型人工湿地的特点和优势,提出了人工湿地型湿地在不同地区和不同类型污水的组合方式、优化手段和应用策略,以期为人工湿地污水处理系统的工程设计、建设和运行提供依据和指导。