人工湿地作为一种典型的利用植物-微生物耦合作用去除污染物的自然处理技术，具有基建运行费用低、管理方便、处理效果好、资源循环利用、生态美化等优点。在过去几十年中被广泛应用于全球范围内的城市和农村生活污水、河流和湖泊生态修复等领域，尤其在提升污水处理厂尾水水质方面有着良好的应用潜力，进一步推动地表水环境保护与水生态可持续发展。近年来，随着水环境污染治理的逐步推进，仅仅对常规污染物的控制已无法满足水生态安全和人体健康的实际需求，越来越重视污水处理厂尾水中微污染物的控制。但传统人工湿地由于自身工艺的限制，在处理污水处理厂尾水时通常面临着总氮去除效能差、微污染物（如抗生素等）去除效率低等问题，极大程度限制了其推广应用。
    针对以上存在的问题，本研究以传统人工湿地总氮及微污染物去除限制因素为切入点，将生物炭作为基质材料引入到人工湿地中，探索利用生物炭强化人工湿地处理污水处理厂尾水的可行性。首先，探索利用农业废弃物优化制备适用于污水处理厂尾水中污染物吸附增浓的生物炭；随后，将生物炭应用于垂直流人工湿地中，构建生物炭增强型人工湿地，并探究其在处理污水处理厂尾水时对氮及微污染物的去除效能和降解机制。
    本研究以农业废弃物稻壳和竹子作为原材料，在 350 至 700 ℃的热解温度下制备出生物炭。通过产率、理化性质及尾水净化效能，探究不同类型的生物炭作为人工湿地基质强化材料的可行性。研究结果表明，在所有条件下制备的生物炭均具有密度低， pH 值、碳含量、氮含量、表面官能团含量和无机养分含量高等特点。其对磺胺甲恶唑（SMX）的吸附容量随着热解温度的升高而增加，700 ℃条件下制备的生物炭的最大平均去除率为 57.1%，相应的吸附容量为 2.16 mg/g。在 700 ℃条件下制备的生物炭理化特性及吸附容量等效能最优，其中碳、氢、氧、氮、硫元素含量分别为80.51%、1.433%、11.02%和0.067%，碘吸附值为 1255 mg/g，总官能团含量为 3.88 mmol.g−1。将 700 ℃下制备的生物炭与传统人工湿地基质（砂砾）按照五种不同剂量进行充分混合成强化型人工湿地基质，相比传统的人工湿地基质，强化型人工湿地基质持水能力、容重、碘吸附和金属吸附量方面均得到较大程度的提升，表明生物炭可以提高传统人工湿地基质的密度、酸度、持水性及吸附性能，证实了热解农业废弃物制备生物炭能的改善传统人工湿地基质特征。
    探究了生物炭强化人工湿地（VFCW），考察了强化型人工湿地处理污水处理厂尾水的效能及机制。结果表明，生物炭强化型人工湿地能显著提高系统对 COD 和氮的去除效能，VFCW1（含%w/w 生物炭）对 COD 和氮的平均去除率分别为 89.1±5.6%和 90.2±3.1%，相应的去除负荷分别为 10.2±0.8 gCOD/（m3.d）和 3.57±0.3 gTN/（m3.d），比对照组分别提升 35%和 52.3%。其中由于生物炭的介入贡献了系统对 COD 和 TN 去除负荷的 34%和 46%。生物炭在人工湿地系统中强化污染物处理效能的原因主要是以下两个方面：（1）生物炭作为碳源，在运行过程中能向人工湿地环境中释放溶解性有机碳（DOC），在VFCW 中检测到 DOC 释放量在 20-192 mg/L，DOC 可以作为反硝化碳源来强化系统对总氮的去除效能；（2）生物炭的介入能够增大人工湿地系统生物量、改善系统的生物群落结构，16S rRNA 基因测序分析表明，与对照组相比，经生物炭改性的 VFCW 中 ， Proteobacteria （ 24.13-51.95% ） ，  Chloroflexi  5.64-25.01%）、 Planctomycetes（8.48-14.43%）、 Acidobacteria （2.29-11.65%）和Nitrospirae（0.83-2.19）的丰度相比于未经生物炭强化改性的人工湿地分别提升19.76%、 8.55%、 12.42%、 9.9%和 0.45%。结果表明，生物炭强化型人工湿地能有效提升人工湿地系统对污水处理厂尾水的脱氮效果。
    探讨了生物炭强化人工湿地去除抗生素的效能及机制。结果表明，生物炭强化型人工湿地对 COD（69.03-90.32%）、NH4+-（49.81-92.44%）、NO3-N（57.87-94.27%）和磺胺甲恶唑（28.53-83.65%）的去除率高于传统人工湿地对COD（76.7%）、NH4+-N（56.0%）、 NO3-N（59.9%）和磺胺甲恶唑（17.2%）的去除率。此外，生物炭强化型人工湿地可以抑制 ARG 的传播，rRNA 基因测序结果的系统发育分类学表明，其优势门为变形菌、放线菌和细菌素。生物炭的介入 可 以 通 过 改 变 微 生 物 群 落 ， Arthrobacter, Ramlibacter, Aliihoeflea, Flavobacterium, Methylobacillus, Pseudomonas 和 Aeromonas 丰度的提升来提高磺胺甲恶唑和氮的去除。利用 3D-EEM 光谱对 DOC 进行的进一步分析表明，类蛋白质和类腐殖酸物质是生物强化型人工湿地释放的 DOC 的主要成分。研究结果表明为生物炭在人工湿地系统对磺胺甲恶唑和氮的去除效能方面有较好的提升作用。