吡啶、喹啉、咔唑是共存于焦化废水中的三种典型氮杂环芳烃类化合物(NHCs),它们具有刺激性气味及“三致”作用,可在现行的焦化废水生物处理系统中(如传统活性污泥法、A/O工艺、A2/O工艺等)逐级积累,对自然环境和人体健康造成危害;此外炼焦工艺停产或者蒸氨设备故障等实际生产问题,常导致焦化废水含有高浓度的氨氮。因此,长期以来焦化废水是我国工业废水处理中的难题。　　尽管焦化废水具有难生物降解性,但是相比于其它技术,生物处理法仍被认为是最经济有效的治理技术。本研究目的是:开发氮杂环芳烃复合污染的生物强化处理技术并探索其微生物降解机理。研究方案是:从污染环境中筛选高效降解菌株,通过试验及数学分析遴选出最优菌剂;将其作为强化菌剂应用于序批式生物处理系统,反应器内装填具有氨氮吸附能力的天然和改性沸石填料,开展氮杂环芳烃的焦化废水生物强化处理的连续运行试验;探讨生物强化后系统内菌群结构信息,构建反应器运行效率与菌群组成的关系模型。　　从新分离的7株咔唑降解菌,以及本实验室保存的8株吡啶降解菌和4株喹啉降解菌(均源于焦化废水处理系统)中,筛选出降解活性高、降解底物互补、具有一定复合功能的Shinellazoogloeoides BC026和Paracoccus sp.BW001两株吡啶降解菌、Pseudomonas sp.BW003和Pseudomonas sp.BW004两株喹啉降解菌及Pseudomonas sp.BC039和Pseudomonas sp.BC046两株咔唑降解菌,用于生物强化菌剂的复配。采用Box-Behnken试验设计法以及响应曲面数据分析法,确定6株菌适宜降解环境条件相似,最适温度为20-37℃,最适pH值为6-8。　　研究共基质对单一菌株降解效率的影响,发现其它NHCs均对菌株降解其目标NHC产生抑制,但各菌株也具有一定程度的复合降解能力,三种NHCs降解菌的受抑制程度顺序为:吡啶＞咔唑＞喹啉。研究菌株共存对单一菌株降解效率的影响,发现多菌株之间的相互影响不显著,吡啶和喹啉降解为零级动力学过程,咔唑降解为一级动力学过程。基于上述发现,确定以三种NHCs降解菌投加率为1∶1∶1的27组菌剂复配方案,考察各复合菌剂对三种NHCs的同步降解效率,通过三次样条拟合和插值法,计算各NHC达到95％去除率的时间(RT95),预测出6菌株任意配比的复合菌剂的污染物去除效果,在试验的27组菌剂配方中,M19、M13和M15是最优复合菌剂,它们可将150-200 mg/L的三种NHCs分别在15.4 h、15.5 h、15.6 h去除95％以上。　　选择对难降解有机物和氨氮处理效率高、运行方式灵活且可实现自控的序批式生物反应器,开展实际焦化废水的生物强化处理试验。为了有效去除高浓度NH4+-N(焦化废水中原有的氨氮及含氮有机物降解产生的氨氮),选择具有NH4+离子交换作用的天然沸石和人工改性沸石作为填料;为了强化高浓度NHCs的生物降解,以M13菌剂(BW001∶BC026:BW004:BC046=0.5∶0.5∶1∶1)为强化复合菌剂。试验确定最优工艺周期为48 h,包括进水3.5 h,曝气18 h,静置3.5 h,再曝气18 h,沉淀4 h,排水1 h。通过Pearson相关系数和系统聚类方法分析水质指标间的相关关系,表明影响处理效率的主要因素为复合菌剂的投加,次要因素为沸石的装填。未投加复合菌剂的焦化活性污泥不能耐受高负荷吡啶、喹啉的冲击,而投加复合菌剂的焦化活性污泥能保持相对稳定的处理效果;装填沸石的序批式生物处理系统,在一定时限内对NH4+-N去除有促进作用,且天然沸石效果稍好于改性沸石。运用人工神经网络模型,可较好地根据进水水质预测5组工艺的出水水质,拟合R2均达到0.95以上。　　为了全面了解反应器内微生物群落信息,首先采用T-RFLP技术结合LMBPNN的敏感性分析,考察反应体系内菌群组成与环境因子之间的响应关系。研究结果显示:沸石是否装填以及沸石种类都会影响微生物对环境因子的响应敏感性。未装填沸石的体系中微生物受总有机物影响较大,装填天然沸石的体系中微生物受NH4+-N和TN的影响最大,装填改性沸石的体系中微生物对NH4+-N和有机物(COD和喹啉)均较为敏感;此外,投加复合菌剂可改变微生物群落随时间的变化轨迹,从而对整个微生物群落结构产生影响。其后,采用454高通量测序(16S rRNA)技术,比较生物强化型和普通型序批式生物反应器内菌群组成,研究结果显示:OTU信息比对,因复合菌剂的投加,使得两组反应器内菌群结构的变化不甚相同,但最终表现出趋同性,表明处理系统内微生物群落具有自我调节与适应能力;Proteobacteria(Betaproteobacteria)和Bacteroidetes是含量最高的门(纲),占细菌总量的94.2％,但两组反应器在含量较少的非优势菌门上表现出较大差异,显示复合菌剂在一定程度上保护了处理系统内细菌的多样性;通过序列统计和Cladogram进化树分析,发现所投复合菌剂在污泥样本的菌群结构中未占优势,含量不超过0.59％。综上结果推断:复合菌剂本身的高降解活性保证了其对处理系统强化作用的初始效应;然而在处理系统的长期运行中,在污染负荷的波动和冲击、序批式工艺条件的限制、菌群内部的相互作用下,反应器内的微生物群落结构不断变化,优势细菌物种不断演替,最终使初始强化效应逐步转化为一种对微生态系统的保护效应,使得生物强化处理系统的污染物去除效率在较长的时间内保持高效稳定。