焦化废水,作为典型工业废水的代表,其处理难度在于高浓度与复杂组分的共存、高毒性与营养元素失衡的水质、以及高标准的处理目标,近百年来一直是世界上的研究热点与难点。近三十年,焦化废水处理的工艺不断地发展与创新,形成了物化预处理、生物处理、深度处理与回用技术的基本模式,其中,生物处理工艺的演变最为丰富。生物处理工艺受到重视的原因是它承担了废水中95%以上的污染物的转化与去除,因此,生物处理工艺被认为是整个焦化废水处理工程的核心技术。生物工艺组合的多样性是焦化废水污染物去除效率不同的主要原因,同时,废水中污染物种类与浓度的差异性也会反作用于生物工艺,显著影响生物系统的运行稳定性。生物工艺与污染物之间的交互作用所带来的负面效应大大增加了决策者对新建焦化废水处理厂或者升级改造已有工程过程中工艺组合选择的难度,不匹配的工艺组合难以达标并且运行费用高。调研发现,目前关于如何选择生物工艺的研究较少,多数文献仅聚焦于提高单一污染物的去除率,缺乏多因素、多参数耦合作用下的综合评价。因此,本文以建立焦化废水生物处理工艺的单元配置和核心污染物去除的有效性为主线,深入讨论复合污染水质中含氮化合物、重金属污染物与COD的降解、转化与归趋行为,在此基础上,建立一套用于评估焦化废水生物处理工艺的评价与选择体系。第一,以中试规模O/H/O工艺系统为研究平台,设计4种运行策略包括推流、超越、回流以及超越+回流模式,结合反应器设计参数与水质指标,计算O/H/O工艺各单元反应器的进出水COD和含氮化合物负荷来研究O/H/O工艺系统对含氮化合物和总氮去除的多样性,使用16s r RNA来进一步证明O/H/O系统中微生物种群与总氮去除的相关关系。通过对比O/H/O与A/A/O工艺反应器、运行模式的异同,阐明以三污泥法为基础的O/H/O工艺能够实现多种脱氮模式的原因。第二,研究了8种重金属在A/O/H/O工艺系统焦化废水-污泥中的分布规律,探讨影响重金属迁移性的共存组分相互作用机制,分析重金属富集与归趋的工艺运行参数以及化学影响机理。第三,以焦化废水生物处理出水中残余COD组分为研究对象,构建一套以“膜过滤→混凝沉淀→吸附分离→臭氧氧化”为技术原理的连续分质技术,在实现COD分质的基础上,使用粒径分离和光谱技术逐一表征各分质阶段出水COD组分的溶液性质,同时,建立水质参数与COD值的相关性并使用模型评价生物出水的环境风险。第四,选择层次分析法（AHP）模型作为评价体系,以目前主流的A/O,A/A/O,A/O/O、A/A/O/O、O/A/O、O/H/O生物工艺组合为研究对象,识别COD负荷,低负荷组为0.8 kg COD/（m~3?d）以下,高负荷组为1.6 kg COD/（m~3?d）以上,确定技术、经济、环境以及管理作为标准层子集,确定18个因素作为亚标准层子集,按照层次分析法模型进行计算,以纯数值来表示6种工艺的综合效益,根据对比数值大小来对评估生物工艺组合的先进性。上述工作的主要结论如下:（1）O/H/O生物处理工艺在焦化废水脱氮特别是总氮去除方面表现出优越性。O/H/O工艺可灵活地调节运行模式,包括超越、回流以及DO的调控,由此带来了脱氮操作模式的多样性,成为废水总氮脱除的先进技术。其中,O1反应器主要承担COD去除和氨化的任务,H反应器主要发生水解和脱氮反应,O2反应器主要完全硝化反应。（2）焦化废水处理A/O/H/O生物工艺可实现不同重金属的污泥相转移与H反应器内的高倍数富集。Cu、Pb、Ni、Zn等8种重金属离子的相分配与污泥富集行为被工程验证,作为重金属风险归趋管理工艺的出现,较传统技术,表现出革命性的进步。因此,A/O/H/O工艺将来有可能发展成为集污水和污泥共同管理的新颖污染控制技术。（3）焦化废水深度处理技术的原理选择和工艺组装决定过程的效率与效益,膜过滤、混凝沉淀、吸附分离和臭氧氧化组成的递进方法可以实现焦化废水生物处理出水残余COD的分质,这些物质被分别去除后,残留COD可降至接近于零（从168.8 mg/L降至5.2 mg/L）,满足中水回用的要求。其中,膜过滤能够有效去除悬浮物（粒径＞0.45μm）,混凝沉淀效率在很大程度上取决于胶体的疏水性,吸附分离过程可以有效去除产生荧光的不饱和溶解性有机物,臭氧氧化反应可有效去除残留的还原性无机物质。（4）存在于焦化废水中的多组分污染物表现出不同的环境风险,造成废水处理的最佳生物工艺是一个多标准决策的问题。我们对迄今国际上已经开发应用的缺氧-好氧（A/O）、厌氧-缺氧-好氧（A/A/O）、缺氧-好氧-好氧（A/O/O）、厌氧-缺氧-好氧-好氧（A/A/O/O）、好氧-缺氧-好氧（O/A/O）以及好氧-水解-好氧（O/H/O）六种工艺层次分析法的评价,我们得出,A/A/O是低负荷废水处理的综合效益最优工艺,而O/H/O在高负荷废水处理中评分最高。采用污泥原位分离三相流化床作为反应器的O/H/O工艺的出现颠覆了传统上厌氧置前的工艺,其突出的优点包括通过有效削减生物毒性物质来保证硝化反应的高效性与稳定性,不需要额外的碳源进行后续反硝化过程即可脱氮,也不需要污泥回流,通过控制手段和条件选择编辑出多种脱氮途径,在除碳减毒、总氮去除、重金属归趋调控等方面表现出优越性,成为有前途的替代技术。上述研究结果表明,废水处理工艺的选择需要立足于对废水溶液性质的理解与工艺原理引起水质变化的准确预测,物化预处理、生物脱氮除磷化学高级氧化清除难降解有机物等原理的基础知识技术及其创新应用有助于抉择合理的工艺组合,针对特定的废水,识别其主要的水质特征和核心污染物的去除是主要目标。未来的研究应致力于建立水处理全流程大数据库,使用表征溶液性质的群论思想来搭建人工智能平台,以付出最小的代价获得环境风险最小化的出水为最终的技术目标。