炼焦过程中产生的焦化废水是我国主要的一类工业废水,排放量巨大。焦化废水具有有机物浓度高、毒性大、可生化性差、成分复杂等特点,毒性物质对硝化的抑制和有限的可利用碳源难以支撑反硝化,会严重影响其传统的生物脱氮处理效果。使用前置厌氧工艺处理能优先利用碳源进行反硝化,但微生物往往会受到废水的毒性抑制。使用前置好氧工艺处理能去除大部分有机有毒物质,但碳源被首先耗尽而不能继续为反硝化提供电子供体。因此,需要探索一种既能规避高浓度有毒物质的抑制,又可以为反硝化提供足够有机碳源的脱氮新模式。为了解决硝化和反硝化对氧和碳源的需求存在时间和空间的差异,导致难以协调利用碳氮源而同步去除的问题,本研究利用自行构建的固定载体生物流化床反应器,实现有机碳源被去除的同时能够被微生物协调利用,进而达到进行脱氮的目的。与传统的好氧流化床反应器相比,新型反应器的COD去除率达到91%,高于前者9%;氨氮降解率达到97%,高于前者12%;总氮去除率达到87%,为前者的2倍;对有毒物质的降解效果为前者的3倍;对难降解物质的去除效果为前者的2倍。系列实验结果证明,在新型反应器的载体内部形成了溶解氧浓度梯度,使得好氧空间与厌氧空间在单个反应器内共存,好氧区域进行硝化反应和有毒物质的降解,减少毒性抑制作用,厌氧区域进行大分子物质的裂解,提高废水可生化性,促进反硝化反应。通过对实验运行污泥的微生物特征分析,发现了微生物群落中与碳氮污染物降解有关的优势菌属,同时发现新型反应器能使好氧菌和厌氧菌共存,并协同发挥功能。通过分析脱氮功能基因在微生物群落中的分布,识别出关键的硝化菌和反硝化菌,并发现这些脱氮菌的丰度普遍不高。通过对脱氮基因的丰度和表达量进行定量分析,证明脱氮效果越好,基因丰度越高,基因的表达丰度越低。新型反应器展示了同时去除废水碳氮污染物、减少废水毒性对微生物的抑制和去除难降解有机物方面的优异性能。本研究为焦化废水的碳氮污染物同时去除提供一种新的可供选择的工艺模式。