煤化工废水经过传统物化预处理和生化处理后,往往难以达到相应废水排放标准,仍属于典型有毒有害生物难降解工业废水。因此,对煤化工废水生化出水进行深度处理,进一步去除难降解有毒有害污染物极为必要。本研究采用新型微气泡臭氧催化氧化-生化耦合工艺对实际煤化工废水生化出水进行深度处理,分别评估耦合处理系统中微气泡催化臭氧化处理、生化处理及整体处理性能,同时对耦合处理系统运行性能进行优化,并分析了废水中主要难降解有机污染物及其去除机理。研究结果表明,臭氧投加量为0.34 kg·d^-1时,微气泡催化臭氧化处理平均COD去除率为26.35%,COD平均去除负荷为1.27 kg·（m³·d）^-1,臭氧消耗量与COD去除量比值为2.72 mg·mg^-1,平均UV₂₅₄去除率为53.72%,BOD/COD值从初始的0.038提高到到0.30,可生化性显著改善。生化处理平均COD去除负荷为0.26 kg·（m³·d）^-1,氨氮平均去除率为52.9%。耦合处理系统优化运行结果表明,在系统出水回流比为30%、臭氧投加量和进水COD量之比为0.44 mg·mg^-1的运行条件下,耦合系统处理性能较好。微气泡臭氧催化氧化处理对COD去除率为42.5%,臭氧消耗量与COD去除量比值为1.38 mg·mg^-1,臭氧利用率为98.0%;生化处理对COD去除率为42.3%;耦合系统整体COD去除率为66.7%,最终平均出水COD浓度为91.5 mg·L^-1,估算整体臭氧消耗量与COD去除量比值为0.68 mg·mg^-1。同时,从效果和成本角度评估,活性炭、煤渣和羟基氧化铁是适宜的微气泡催化臭氧化催化剂,蜂窝陶瓷载体是适宜的生物膜载体。对耦合处理过程中废水GC-MS、紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱进行分析,结果表明,含氮杂环芳烃是煤化工废水生化出水中主要难降解污染物。同时证实微气泡臭氧催化氧化可有效降解去除含氮杂环芳烃,生成小分子有机物,从而提高废水可生化性。微气泡臭氧催化氧化降解含氮杂环芳烃后释放氨氮,其在后续生化处理中被有效去除。