人工湿地(CWs)因其有限的电子受体，具有复杂的生物脱氮途径。一般来说，复合人工湿地由于可以同时提供好氧和缺氧条件有利于微生物硝化和反硝化发生，相较于传统湿地系统可以取得更好的脱氮效果（总氮去除率＞50％）。因此，关于复合湿地中的氮去除过程，微生物作用下氮转化途径以及季节和负荷变化对氮去除的影响的研究是十分重要的。此外，大多数复合人工湿地系统的进水水质为低碳氮比污水，在这种条件下，自养的微生物脱氮途径，例如自养硫驱动的脱氮和厌氧氨氧化(anammox)过程要比需要有机碳参与的传统异养反硝化过程更利于发生。然而，为了更好理解复合湿地中生物脱氮机制，这种自养脱氮过程及它们随季节变化对人工湿地中脱氮的贡献差异，还需要进一步研究。本研究主要针对复合人工湿地，通过对三年内湿地常规污染物去除规律和湿地内氮循环相关微生物以及相关基因定量分析进行调查研究为进行研究，旨在获得湿地氮污染物去除途径及规律。除此之外，本研究调查了中国六十个不同规模的复合人工湿地的运行现状及污染物去除规律。　　本研究首先对不同季节温度变化下复合人工湿地中氮的去除特别是微生物脱氮规律进行调查。研究所在的复合人工湿地由三个预处理单元（厌氧池，沉淀池和稳定塘）、竖向折流湿地(VBFW)和侧向潜流湿地(HSFW)处理单元以及后处理单元（生物观测塘）组成。湿地于2011年开始运行，主要用于处理市政污水。为了研究湿地中污染物的去除情况，在人工湿地中设置了28个采样点，自2013-2016年连续三年平均每月取水样两次进行分析。总体而言，研究所在的人工湿地对污染物的去除效果均比较好。COD、氨氮、总氮、总磷年平均去除率分别达到72.4±11.0％，63.8±14.8％，59.9±14.3％，和50.5±16.5％。除此之外，复合人工湿地具有较高的浊度和悬浮固体(SS)去除率，总体去除效率分别达到97％和84％。研究结果显示了湿地具有稳定的污染物去除效果。　　不同季节温度条件下，湿地中总氮和氨氮在高温季节去除率分别为62％和66％，而在冬季分别为57％和62％。虽然高温季节的氮去除效率要高于低温季节但统计学上没有明显差异(p＜0.05)。低温季节的进水COD浓度要高于高温季节，并且低温季节COD的去除率(75.9±9.9％)也要高于高温季节(69.7±11.7％)(p＜0.01)。总磷高温季节的去除效率（53.4±16.1％）要略比低温季节高(51.1±21.2％)，但在统计学上也没有明显差异(p＜0.05)。尽管进水污染物浓度在低温季节和高温季节有较大变化，并且低温季节进水污染物浓度较高，但复合人工湿地可以维持稳定的污染物去除效果。　　在整个研究期间，侧向潜流湿地阶段（湿地部分的第二处理单元）贡献了最大的污染物去除效率，平均去除总污染物去除效率的31-48％。在这一阶段，脱氮除效率平均为总去除率的41-48％，而COD去除率达到了总去除率的31％-48％。与其他处理单元相比，侧向潜流湿地由于其独特的设计以及能够同时提供好氧、缺氧和厌氧条件，显示出了最高的脱氮除磷效果。每个侧向水平潜流湿地床（侧向水平潜流湿地床数量:5组，每组湿地含3-5个处理单元）的两个处理单元之间安装一个自然复氧槽(NAD)，这样当污水流经复氧区时，可以通过自然复氧作用创建一个宏观和微观尺度的有氧区。侧向水平潜流湿地单元的自然复氧槽平均增加溶解氧(DO)约为0.5～3.0mg/L，有利于有机物的有氧降解和一定量的硝化。然而，经过NADs之后，DO值回到约0.5mg/L，为厌氧污染物降解和反硝化提供缺氧或厌氧条件。高温季节，总氮和氨氮的去除负荷为2.8±1.2和2.6±1.1g/m2/d，而在低温季节分别为3.6±1.5和3.4±1.8g/m2/d。低温季节的高污染去除负荷去除主要是由于低温季节进水污染物浓度比较高，并且污染物进水负荷和去除负荷之间呈现明显的正相关关系。研究发现复合人工湿地中水温对污染物的去除影响并不大，而进水污染负荷是影响湿地氮和污染物去除的主要因素。　　研究还对侧向潜流阶段湿地中不同季节氮循环相关的微生物丰度和多样性进行分析。同时，为了验证湿地中可能发生的厌氧氨氧化现象，利用稳定同位素示踪技术，连续一年每月采样后，通过在OxiTop瓶中进行18h的批次实验测定湿地厌氧氨氧化和反硝化比例。同位素示踪实验结果显示尽管湿地中78-91％氮的去除都是由于反硝化（自养或异养）去除的，但湿地中确实存在厌氧氨氧化现象（占据9-22％总氮去除率）。厌氧氨氧化的活性在低温季节（9±3％）要比高温季节(22±5％)低，而反硝化过程则有相反的结果。　　高通量测序结果表明Thiobacillus，Anaeroleaceaceae，Denitratisoma，Nitrospira Sulfuritalea在去除有机物、氮和硫化物中起着至关重要的作用的微生物，是两个季节(8-31℃)最常见的菌属(1-15％)。在不同季节均发现了一种自养型厌氧氨氧化细菌，“Brocadia fulgida”。通过使用实时荧光定量PCR技术对复合人工湿地中不同季节氮和硫转化相关的三个基因(异构亚硝酸还原酶(nirS)，联氨合酶(hzsA)和异化亚硫酸盐还原酶(dsrB))的丰度进行定量测定。不同季节中nirS，hzsA和dsrB基因拷贝数变化为1.1×109～5.6×109，1.0×107～3.4×107和3.5×109～1.3×1010拷贝数/g干物质。总而言之，dsrB基因在两个季节中的分布比较相似，而相比于夏季，冬季nirS基因丰度较高，但对于hzsA基因则正好相反。　　基于上述分析和结果，可以确定复合湿地中氮的去除是由于同时进行的自养反硝化，异养脱氮和厌氧氨氧化反应等一系列反应过程组成的。虽然氮素年平均去除率较稳定，但不同季节氮的去除途径截然不同。在高温季节，低碳比条件下，硫驱动的自养反硝化，厌氧氨氧化过程以及小部分异养反硝化等过程主导了湿地中碳的去除。相反地，在低温季节，相对高碳源进水更好的支持异养反硝化细菌，如Flavobacterium和Hydrogenophaga以及自养硫驱动脱氮菌属的生长，但由于低温和高有机碳负荷，厌氧氨氧化细菌的丰度和活性降低。　　研究确认了在复合人工湿地中存在厌氧氨氧化过程，并且提出了在有机碳和电子受体比较匮乏的环境中（如本研究所在湿地），厌氧氨氧化细菌可以和硫氧化菌属Thiobacillus共生，利用Thiobacillus菌属将硝酸盐转化为亚硝酸盐作为反应底物进行厌氧氨氧化过程。本研究的结论表明人工湿地中的脱氮途径要远比我们以前想的复杂。