近年来,由于人类医疗和畜禽养殖行业抗生素滥用,经使用后的抗生素以母体或者代谢产物的形式直接或者间接进入环境,对人体健康和生态环境造成潜在威胁。抗生素环境残留加速了细菌耐药性的发展与传播,已成为全球性环境健康问题。目前,常规污水处理工艺设计并不针对抗生素和耐药基因的去除,无法将其有效去除,甚至污水处理厂出水已成为水环境中抗生素和耐药基因的重要来源。因此,为了在污水处理源头上有效控制抗生素和耐药基因污染的传播和扩散,急需在现有污水处理技术基础上针对性地优化和研发有效去除抗生素和耐药基因的去除技术。我国农村地区往往是生活污水和养殖废水混合排放,人工湿地系统作为一种经济高效的污水处理技术是农村分散型混合污水处理常用技术。然而,现有人工湿地处理也仅考虑水质常规指标如COD、BOD和氨氮等的去除,混合废水中高含量的抗生素和耐药基因实际去除率不高,去除机制并不清楚。因此,在现有人工湿地系统上进一步优化升级工艺,开展针对高效去除抗生素和耐药基因的去除技术和去除机理研究对于有效控制抗生素源头污染具有重要现实意义。基于此,本文通过野外调查和中试试验系统机理研究综合分析了人工湿地系统中抗生素和耐药基因的去除效率和去除机制,具体内容包括:(1)规范设计了一系列中试人工湿地单元,构建了人工湿地中试系统;(2)针对抗生素和耐药基因去除效率,开展了中试人工湿地单元优化研究,优化参数包括湿地基质、水力负荷、水流方式和植物种类;(3)研究了串联湿地和人工曝气等强化方式对人工湿地系统去除抗生素和耐药基因的影响机理;(4)基于质量平衡核算和微生物种群结构解析,综合分析了人工湿地系统中抗生素和耐药基因的去除途径和去除机制。研究结果能够为人工湿地系统运用于新型有机污染物去除提供科学依据。具体研究内容如下:(1)在研究所院内中试试验基地上建立了1个调节池(设计长2.0 m,宽1.45 m,高1.5 m)以及12个中试人工湿地污水处理单元(设计长0.8 m,宽0.6 m,高0.8 m)。每个湿地单元均设计了独立且可调节的进水口,进水流量通过流量计控制;每个湿地单元均设计3个出水口以及3根基质采样管,出水口及基质采样管设计3个采样深度(分别距离湿地单元底部0、0.25和0.50m处)。设计的备选湿地基质为牡蛎壳、沸石、麦饭石和陶粒,备选湿地植物为风车草、鸢尾和再力花,设计水力负荷为10、20和30cm/d,且可以根据需要在表面流、水平潜流、上行垂直潜流和下行垂直潜流湿地系统之间相互转换。(2)考察了不同基质类型和不同水力负荷条件下,12个水平潜流人工湿地系统对生活污水中污染物的去除效果。实验结果表明,综合考虑湿地单元对污染物的去除率和去除通量,以沸石为基质,hlr=20cm/d的湿地单元是去除生活污水中污染物包括常规污染指标、抗生素和耐药基因的最佳选择。另外,通过开展的实验室内基质吸附试验和微生物降解实验,以及日抗生素去除通量核算,微生物量与污染物去除量相关性分析(r=0.61~0.66,p<0.05)结果表明,基质吸附和微生物降解是构建的人工湿地单元去除抗生素和耐药基因的2个重要途径,且微生物降解是主要去除途径。(3)比较了不同水流方式和不同植物种类的6个中试人工湿地单元对生活污水中污染物的去除效果差异。研究结果表明,水平潜流和垂直潜流对污染物的去除效果要优于表面流,种植植物后有利于湿地单元对污染物的去除。通过对湿地单元内污染物质量平衡核算发现,基质吸附(1.99%~4.29%)、植物吸收(1.86×10-5%~1.65×10-5%)和微生物降解(73.7%~95.2%)是去除抗生素的重要去除途径;微生物降解是最主要的去除途径。(4)通过开展高浓度抗生素(5000ng/l)添加实验,考察了2种强化方式(串联湿地系统和人工曝气)对生活污水中污染物去除效果和微生物机制。研究结果发现,以垂直潜流-水平潜流串联能有效去除污水中的各类污染物,且垂直潜流曝气,水平潜流不曝气的人工曝气方式是最佳选择。通过对抗生素的质量平衡核算发现,微生物降解(91.0~94.7%)是去除抗生素最主要的途径,基质吸附(5.24~8.60%)和植物吸收(8.96×10-4%~1.17×10-3%)为辅助作用。基于16srrna高通量测序结果发现,人工湿地系统内的主要微生物种群为变形菌门(proteobacteria),拟杆菌门(bacteroidetes),放线菌门(actinobacteria)以及厚壁菌门(firmicutes),占比达80%以上。且污水中抗生素的浓度,cod浓度、氮素污染物的浓度以及污水ph值均能显著影响湿地系统内微生物的多样性。(5)野外调查了一个大型复合人工湿地系统对农村污水中污染物的去除效果。实验结果显示,大型复合人工湿地系统对抗生素(94.3%)和耐药基因(97.9%)具有很好的去除效果。基质中抗生素和耐药基因的检出,在一定程度上反映出基质吸附是大型人工湿地系统去除抗生素和耐药基因的一个重要途径。通过质量平衡的核算发现,生物降解是大型湿地系统去除污染物的最主要途径;该人工湿地系统进水中总抗生素通量为3479μg/day,经处理后出水中只有199μg/day,说明复合人工湿地系统可以作为农村污水中有效去除抗生素和耐药基因的污水处理工艺。本研究通过中试人工湿地单元的优化和强化实验,以及对大型复合人工湿地系统的调查分析,重点考察了人工湿地对抗生素以及耐药基因的去除,明确了微生物降解、基质吸附和植物吸收在污染物去除上扮演的角色,为湿地系统运用于抗生素和耐药基因的处理上提供科学依据和数据支撑。