自“十二五”、“十三五”水专项和“水十条”的颁布实施以来,我国地表水环境质量明显改善,但是随着地表水质要求的提高,我国各大流域,尤其是海河流域的水污染防治工作依然严峻。但是由于海河流域没有生态水补给,其河道主要接纳污水厂尾水,即使污水厂出水能达到一级A标准,其水质状况也远远低于地表水水质要求。如何解决城市污水厂尾水排放标准与地表水质量标准的矛盾是当务之急的课题。人工湿地是进一步处理污水厂尾水,使其出水标准提高到与地方流域标准相衔接的深度净化的技术。然而,该技术存在受气候影响波动大、处理效率不稳定、占地面积大等问题,尤其是在寒冷地区,冬季低温使人工湿地处理效率下降,限制了其推广。因此,如何提高人工湿地在低温情况下的运行效果和稳定性是亟待解决的问题之一。本文依托我国北方地区典型傍河人工湿地为研究对象,运用调查和实验相结合的方法,通过其运行特征、净化机理、温度影响下的净化效果、以及系统及各单元对污染物的净化效果进行分析,全面探究人工湿地运行特征和净化效果,旨在为典型流域人工湿地建设及运行提供依据。本研究得到以下结论:(1)在17个月的研究周期中,发现人工湿地系统污染物去除分为快速去除、平稳和缓慢去除三个阶段。快速去除阶段以基质吸附为主,平稳阶段基质吸附饱和且生物膜还未形成,缓慢去除阶段以微生物作用为主。前两个阶段共计10个月(自秋季开始启动),不足人工湿地运行时间的1/10。所以将快速去除阶段和平稳期定义为人工湿地启动期,缓慢去除阶段为人工湿地正式运行期。(2)对于湿地生态系统(曝气滤池进水-表流出水)而言,进入系统的城市尾水,TP相对较稳定,基本满足地表Ⅴ类水体要求;氨氮基本在一级A和地表水Ⅴ类水体排放标准之间;COD冬季偶尔超过一级A,大多数在一级A和Ⅴ类水体之间。系统出水基本上可满足地表水Ⅳ类水质设计要求。当冬季寒冷时期,COD、氨氮系统进水超过一级A水质标准时,系统出水超过Ⅴ类水质标准要求。(3)冬季开启曝气设备后,氨氮平均去除率提高了17%,COD提高了25%。经强化后,冬季人工湿地氨氮进水水质要求可从1.85mg/L降低至2.34mg/L,COD进水水质要求可从32mg/L降低至43mg/L,所以,对于氨氮和COD的去除而言,采用曝气滤池作为冬季强化装置是可行的。(4)垂直潜流单元和水平潜流单元在温暖期对污染物的平均去除率显著高于寒冷期。垂直潜流单元出水水质优于《地表水环境质量标准》的Ⅳ类水质,水平潜流单元出水水质优于《地表水环境质量标准》的Ⅲ类水质标准。对于海河流域而言,垂直潜流-水平潜流的组合系统适合用于低污染水的处理。