【摘 要】
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煤化工废水是一类成分复杂、氮污染物浓度高且可生化性差的典型有毒有害难处理工业废水。随着煤化工行业的准入条件及排放标准（尤其是对总氮浓度的要求）日渐严格,其废水处理的难度也越来越大。而生物工艺因具有成本低优点,成为煤化工废水处理的主要技术。但应用较广的缺氧/好氧/好氧生物脱氮工艺在实际工程中显示出了其弊端,急需开发高效、低成本的新型水处理工艺并进行工程应用,从根本上解决企业排放不达标、面临停产整改的
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煤化工废水是一类成分复杂、氮污染物浓度高且可生化性差的典型有毒有害难处理工业废水。随着煤化工行业的准入条件及排放标准（尤其是对总氮浓度的要求）日渐严格,其废水处理的难度也越来越大。而生物工艺因具有成本低优点,成为煤化工废水处理的主要技术。但应用较广的缺氧/好氧/好氧生物脱氮工艺在实际工程中显示出了其弊端,急需开发高效、低成本的新型水处理工艺并进行工程应用,从根本上解决企业排放不达标、面临停产整改的紧迫局面。另外,微生物种群结构决定了煤化工废水生物处理效率,然而人们对其系统内微生物种群结构多样性及其功能相关性以及菌群间相互作用关系的认识目前依然有限,这在很大程度上制约了其废水处理系统效率的提高。为此,开发并研究新型实用的煤化工生物脱氮工艺的性能及微生态机制是提高废水处理效率,降低企业处理成本,达到保护生态环境目的的关键所在。本研究针对以上问题,以两种典型的煤化工废水为研究对象,开发了分段进水两级A/O处理煤焦化及一体式PN/A处理煤气化废水的生物脱氮工艺并进行了工程应用的效能解析,全面分析了两种工艺在实际工程稳定运行的控制优化策略,并利用分子生物学手段揭示了系统中与污染物降解相关的微生物群落结构组成差异、生物多样性及群落功能预测,鉴定了优势脱氮功能微生物并对其在系统中的分布特征及演替规律展开了深度探讨,通过构建分子生态网络研究了系统中菌群间的相互作用关系。最后,利用全生命周期评价及构建层次分析模型对几种生物脱氮工艺展开了综合评价以优选出最适的工程技术方案,为企业对煤化工废水处理的工艺优化、技术比选及运营管理提供科学量化的决策依据。主要研究结果如下:（1）开发了一种有效处理煤焦化废水的分段进水两级A/O工艺,并且较传统的A/O/O工艺表现出了明显的优势性,尤其在脱氮方面,其总氮去除率高达85.8%,比A/O/O工艺高近70%。NO3-还原条件以及碳源的共代谢强化了高分子量PAHs的降解。Thiobacillus,SM1A02及Thauera可能是分段进水两级A/O工艺在处理TN方面优于A/O/O的主要原因。微生物群落结构在系统各单元之间的相似性以及受较少环境因素的影响,可能是其强稳定性的重要因素之一。（2）首次验证了一体式PN/A工艺处理煤气化废水的可行性。中试规模的IFAS系统处理煤气化废水的NRR可达到0.65±0.09 kg N/（m~3·d）,并且出现了三种An AOB优势菌共存的现象,且脱氮功能微生物在系统沿程以及生物膜与絮体中表现出了不同的分布特征。基于中试研究结果,一体式PN/A工艺首次以低碳氮比（＜0.5）、高氮（总氮浓度655.4±187.6mg/L）煤化工废水为处理对象的实际工程经120天的调试成功启动,初期NRR可达到0.37±0.14kg N/（m~3·d）,与中试结果不同的是,实际工程系统中仅存在一种厌氧氨氧化优势菌。结合中式及实际工程的长期运行结果,挖掘了抑制NOB、实现稳定的短程硝化过程的控制策略。（3）煤化工废水一体式PN/A系统中潜在微生物相互作用的共生网络的构建结果表明,生物膜的不断成熟,网络的连通性和复杂性提高,出现了更多生态位相似的物种间的竞争,微生物种间关系更为单一和紧密。大部分的关键作用微生物主要参与了有机物的降解以及反硝化作用,从而协同Anammox反应的稳定进行。相对较低的关键物种丰度可能在厌氧氨氧化系统中扮演重要角色。（4）煤化工废水生物处理技术的环境影响主要体现在陆地生态毒性、气候变化、人类非致癌毒性以及化石资源消耗,与运行煤化工废水生物处理系统所需的电力生产相关的污染物排放、废水直接排放以及药剂生产过程中排放的污染物被确定为几种处理方案的总体环境影响的主要因素。一体式PN/A系统的总环境影响显著低于其他三种,尤其在对气候变化的影响及化石能源消耗的贡献。（5）整体层次分析法的结果表明,四种处理方案的权值依次为0.753、0.663、0.748和0.814,意味着A/O/O工艺对煤化工废水处理的益处最小,而综合来看一体式PN/A的优势最大,虽然其在管理层面及技术层面的结果并非最优。另外,分段进水两级AO工艺在技术性能方面表现出了与一体式PN/A相同的优势。AHP变异性分析结果表明,一体式PN/A工艺显示出了其较高的稳定性。图74幅,表43个,参考文献292篇。
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