活性污泥法等生物污水处理工艺是目前焦化废水的主流处理工艺，可以实现废水中有机和无机污染物中良好去除，然而焦化废水水质复杂，含有某些含硫含氮有机物，其生物处理系统中微生物群落的结构和功能特征还有待开展深入研究。本研究采用厌氧-好氧串联的生物工艺处理焦化废水，联合使用高通量测序技术（454焦磷酸测序，Illumina MiSeq和HiSeq测序）和功能基因芯片(GeoChip5.0)深入研究了生物处理系统中微生物群落的结构和功能特征，并着重考察了焦化废水中多环芳烃和含氮有机物等特征污染物的生物转化特征，为焦化废水生物处理的优化运行提供科学基础。本研究取得以下主要成果:　　1.针对焦化废水建立厌氧-好氧组合工艺，运行488天（总水力停留时间（HRT为114h），对焦化废水的化学需氧量(COD)、总有机碳(TOC)、总酚、SCN和CN-的去除率分别达到81.8％、85.6％、99.9％、98.2％和85.4％，其中前置厌氧段(HRT42h)可以实现33％的COD和超过50％的酚类污染物去除。组合工艺可完全去除酚类衍生物和含氮杂环类(NHC)污染物，其中厌氧段对二者的平均去除率分别为58.4％和58.6％。微生物群落分析结果表明，好氧和厌氧污泥中优势的细菌均属于Proteobacteria(61.2-93.4％)，尤其是Betaproteobacteria(34.4-70.1％)。其中，厌氧污泥中优势菌属为具有酚类降解和大分子有机物水解功能的Ottowia、Soehngenia和Corynebacterium，而好氧污泥中优势的菌属为具有苯酚、SCN-和NHC降解功能的Thiobacillus、Diaphorobacter和Comamonas。好氧污泥中的真菌含量相对较低，优势菌属为具有苯酚降解功能的油质酵母菌Trichosporon。　　2.功能基因芯片(GeoChip5.0)分析结果表明，尽管有85％功能基因同时在两系统中被检出，焦化废水生物处理系统的微生物群落功能基因结构特征与处理不含苯酚的人工配水的对照系统仍然显著不同。与对照系统相比，焦化废水处理系统的微生物群落含有大量可实现芳香环降解的双加氧酶基因和硝基芳香化合物水解基因，这可能是焦化系统中微生物群落可有效实现两类污染物去除的重要原因。同时，有机物降解基因在焦化和对照系统中的响应率分析结果表明，硝基苯加氧酶（nbzA）、苯胺双加氧酶（tdnB）和硫氰酸盐羟化酶（scnABC）基因在焦化废水系统显著增加，这可能是焦化废水生物处理过程中氨氮浓度升高的重要原因。采用宏基因组测序进一步解析了焦化废水处理系统中有机污染物的总体降解途径及部分特征污染物（如咔唑和异喹啉）的降解途径。　　3.为探索焦化废水微生物群落的微生物群落功能特征及其在含氮、含硫有机物生物转化中的作用，联合使用功能基因芯片(GeoChip5.0)和细菌16S rRNA基因的Illumina MiSeq高通量测序解析了。结果表明，当进水pH高于8.0时，好氧生物处理系统系统含氮、含硫有机物的生物转化效果变差，同时微生物群落功能结构特征与pH及氨氮、硫酸盐的释放性能变化显著相关(p＜0.05)。相关性分析表明，芳香双加氧酶(如xylXY和nagG)、腈水解酶(如nhh和nitrilase)、二苯并噻吩氧化酶(DbtAc)和硫氰酸酯水解酶(scnABC)与含氮、含硫有机污泥的生物转化密切相关。系统发育的功能特性分析与网络分析结果表明，Burkholderiales、Actinomycetales、Rhizobiales、Pseudomonadales和Hydrogenophiliales(Thiobacillus)是参与含氮、含硫有机物生物转化的关联微生物类群。典范对应分析结果表明，混合液pH与进水氨氮浓度可联合解释25.9％的有机污染物降解基因变化和35.5％微生物群落结构变化。　　4.鉴于焦化废水中含有大量可诱导细菌耐药性发展的毒性有机物，进一步解析了焦化废水生物处理系统中耐药基因和水平转移元件的丰度。宏基因组测度结果表明实验室和实际焦化废水生物处理系统的污泥中检测到了高水平耐药基因(300-450ppm)，其中杆菌肽抗性基因和多重耐药外排泵基因是两种主要的抗性亚型。在上述系统中还检测到高水平的水平转移元件，其可能导致了抗性基因在焦化废水处理过程中的快速水平扩散。同时，本研究中检测到的多重耐药外排泵及磷酸转移酶类耐药基因也是焦化废水处理系统中占优势的Proteobacteria中常见的耐药机制，因此焦化废水处理系统中细菌耐药性的快速发展机制需要进一步研究。除了基于分子生物学的结果，传统分离培养的方法表明焦化废水处理系统中1-15％异养菌为耐药菌，进一步证明了焦化废水处理系统中细菌耐药性的发展。