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近三十年来,随着经济持续增长,养猪行业快速发展,猪场废水已成为主要的农业污染源,严重威胁着水环境生态安全,其引发的环境污染已成为社会热点问题。猪场废水具有碳氮磷浓度高、碳氮比低、组分复杂、排放量大等特点。为解决这些污染问题,本研究开发了一套新型的分级进水生物反应器(distributed-inflow biological reactor,DBR)用于处理猪场废水。应用DBR技术,本论文首先探讨不同的分级进水比例对废水中高浓度碳氮去除效果的影响,探讨碳氮去除途径和机制,研究最佳进水比例下DBR对废水中抗生素的去除效果和机理。同时,采用三维荧光光谱技术对DBR处理出水中难降解有机物进行分析和鉴定。最后,应用高通量测序技术,分别对接种污泥(Wastewater treatment plant,WWTP)、DBR、以及缺氧/好氧系统(A/O)中微生物组成和功能菌群进行全面地解析和研究。主要获得以下结果:(1)应用DBR反应器(主要由DBR-1和DBR-2组成)处理猪场废水,结果表明,不同分级进水比例(5:5,6:4,7:3和8:2)对废水中COD和氨氮去除效率基本没有影响,平均去除率分别达到86.6%和96.8%。但分级进水比例对TN去除效率有较大影响,DBR系统去除TN的最佳进水分配比为6:4-7:3。在最佳进水分配比例下,TN去除率可达86.2%。在线监测研究碳氮去除规律的试验表明,在一个运行周期内,DBR-1和DBR-2反应区混合液中有机物浓度基本维持稳定,这主要归因于好氧异养菌群和缺氧异养菌群的实时高效去除。尽管两个反应区混合液中氮素浓度(NH4+-N、NO33-N和NO2-N)呈现一定程度的周期性波动,但DBR系统出水中碳氮浓度基本保持稳定。此外,DBR系统中曝气阶段硝化速率与pH变化速率之间存在较好相关性。最后,对比DBR与A/O系统性能可知,在TN去除效率、单位体积废水能耗和维护管理等方面,DBR有较为明显的优势。(2)采用间歇进水一级缺氧-好氧(A/O)系统处理猪场废水,该系统对废水中外加低浓度(0.1 mg/L)和高浓度(1 mg/L)土霉素(OTC)的去除率分别达81%-89.8%和96%-98%,缺氧微生物对OTC去除起主要作用。此外,0.1 mg/L OTC对A-O系统性能基本没有影响,但1 mg/L OTC对硝化和反硝化反应均产生明显地抑制作用。分级进水DBR对猪场废水中原有OTC和四环素(TC)抗生素的去除率分别达84.1%和63.6%,而分级进水A/O系统对废水中OTC和TC的去除率分别为76.6%和61.5%。(3)三维荧光光谱技术联合平行因子分析法研究表明,猪场废水中荧光物质主要是C1(240,305nm/415nm,陆源类腐殖质),C2(275/320nm,类酪氨酸)和C3(220/300-350nm,类色氨酸)。而DBR和A/O系统处理出水中主要荧光组分均为C1(240,330/420nm,陆源类腐殖质)、C2(265,370/490nm,陆源类腐殖质)和 C3(235,280/350nm,类色氨酸),其中仅有C1组分(陆源类腐殖质)在猪场废水和出水中持续存在。尽管DBR和A/O系统出水荧光组分完全相同,但A/O系统出水荧光组分的强度明显低于DBR出水。荧光指数(FI)和新鲜度指数(β/α)证实,DBR和A/O系统出水中的难降解有机物主要来自陆源植物和生物系统微生物内源代谢有机物。(4)高通量测序研究表明,相比于DBR和A/O系统,接种污泥WWTP具有更好的物种多样性和均匀度。在门级水平上,Proteobacteria和Bacteroidetes是三个生物系统中最主要的菌群,;在纲水平上,β-Proteobacteria是降解去除废水中碳氮磷及其他污染物的优势菌群。在属水平上,好氧异养菌(Chryseolinea,Filimonas和Fluviicola等)主要参与高浓度有机物的降解,而氨氧化菌(AOB,Nitrosomonas)和反硝化菌(Comamonas,Thauera)等主要参与高浓度氮素的去除,这三者是DBR和A/O系统中最主要的功能菌。在春冬两季,WWTP中除反硝化菌外,其他菌群丰度基本稳定。对于DBR和A/O系统,春季时期AOB和聚磷菌(PAOs)的丰度均明显低于冬季,但其他功能菌群受季节影响的变化规律有较大差异。最后,微生物代谢组分析结果表明,DBR和A/O系统微生物代谢产物主要是氨基酸、糖类及醇类等,但WWTP中代谢产物主要是酮类、胺类、酸类和酯类等物质。