《Biochemical Engineering Journal》：Bioremediation and nutrients removal from wastewater by algal-bacterial granular sludge under two Cr(VI) exposure patterns
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ABGS系统在长期低浓度Cr(VI)胁迫下表现出良好稳定性，间歇暴露模式更利于微生物活性恢复，两种暴露均通过EPS分泌和Ca/Fe积累促进Cr固定，营养去除率恢复至80%和70%。
杨晓静|阮 Bach Van|雷中芳|乐欣轩|裴显明
广东工业大学土木与交通工程学院，中国广州 510006
摘要
藻菌颗粒污泥（ABGS）在同时进行重金属生物修复和营养物质去除方面具有很大的潜力。然而，其在长期低浓度重金属压力下的稳定性和适应性行为仍不甚明了。本研究系统比较了ABGS在95天内间歇性和持续性暴露于2毫克/升六价铬（Cr(VI)废水中的性能和稳定性。两种暴露方式均导致颗粒污泥的沉降性和叶绿素a含量下降，但颗粒结构的完整性保持良好，完整性系数最终达到1.4%。营养物质去除能力最初受到抑制，但在试验结束时迅速恢复到总磷的约80%和总氮的约70%。值得注意的是，间歇性六价铬暴露比持续性暴露更有利于微生物活性的恢复，表明ABGS在波动的压力条件下具有更强的适应韧性。两种暴露方式在六价铬去除效果上仅有微小差异，并且两者都表现出颗粒内外聚合物物质的分泌增加以及钙/铁的积累，这有助于六价铬的固定。这些发现突显了ABGS在长期低浓度六价铬压力下的长期韧性和适应响应，同时也强调了暴露方式对系统稳定性和微生物活性的关键影响。本研究为实际中含重金属废水的生物处理策略优化提供了新的见解。
引言
铬（Cr）是一种高毒性的重金属，广泛应用于印刷、染色、防腐蚀和鞣革等工业领域[1]、[2]、[3]、[4]。铬主要以两种氧化态存在：三价铬（Cr(III)）和六价铬（Cr(VI) [5]、[6]。全球各国监管机构，包括加利福尼亚州环境保护局（EPA），对饮用水中的铬浓度制定了严格限制，通常在50至100微克/升之间，而六价铬的限值更为严格，为0.02微克/升[7]。这些法规是为了应对六价铬污染带来的严重健康风险，包括急性或慢性吸入问题、通过口服和皮肤接触的致癌性以及对胎儿发育的不良影响[8]、[9]、[10]。因此，近年来，从废物/水中去除六价铬的修复或解毒技术受到了广泛关注[11]、[12]，这推动了新型高效技术的开发。
传统的将六价铬转化为三价铬的方法或从废水中吸附六价铬的方法，如化学还原、化学吸附和物理吸附仍然很常见[13]、[14]。然而，这些方法存在固有的局限性。例如，化学还原适用于处理高浓度六价铬废水，而离子交换由于离子交换树脂的成本较高而面临挑战[15]。相比之下，使用环保型生物材料的生物修复方法越来越受到重视[16]、[17]，尤其是在处理低至中等浓度范围内的含六价铬废水时[18]。这种方法因其有效性、成本效益、生物质可重复利用性和环境可持续性而受到高度重视[19]。
藻菌颗粒污泥（ABGS）作为一种有前景的废水处理解决方案脱颖而出[20]、[21]、[22]。这种自固定的联合体由微藻和细菌组成，由于其致密的结构、优异的沉降性、丰富的吸附位点、对外部冲击的抵抗力以及对包括重金属在内的有毒物质的耐受性，表现出卓越的生物吸附性能[23]、[24]、[25]。使用ABGS作为生物吸附剂可以有效地去除废水中的有害重金属，同时利用废水处理过程中产生的副产品。先前的研究[26]、[27]、[28]表明，ABGS在生物吸附过程中具有出色的最大六价铬吸附能力和颗粒稳定性，显示出其作为节能且环境可持续的替代方案的潜力。尽管许多批次吸附实验的结果令人鼓舞，但关于ABGS在连续运行反应器中去除六价铬的可行性仍存在知识空白。具体来说，长期反应器运行对微生物活性和含六价铬废水处理过程中颗粒结构稳定性的影响仍不清楚。
本研究旨在评估连续运行的ABGS生物反应器去除六价铬的效率。通过系统评估和比较ABGS在间歇性和持续性六价铬暴露下的性能，本研究旨在阐明基于ABGS的系统在连续生物修复含铬废水方面的潜力。预期这些发现将有助于开发出用于高效去除六价铬的ABGS系统及其在含铬废水处理中的实际应用。
反应器设置和六价铬暴露操作
本研究使用了两个相同的圆柱形透明序批反应器（SBRs），每个反应器的工作体积为250毫升（直径×高度=43毫米×300毫米），分别称为R1（间歇性六价铬暴露）和R2（持续性六价铬暴露）。两个反应器均以每6小时为一个周期运行（每天4个周期）。一个周期包括7分钟进料、60分钟非曝气、282分钟曝气、2分钟沉淀、8分钟排放以及1分钟空闲，所有操作均在室温（25±2°C）下进行。
两种六价铬暴露模式下的污泥特性
在第一阶段，两个反应器的生物量浓度均约为5.6克/升，平均颗粒大小约为1.7毫米，完整性系数为3.1%，叶绿素a含量为9.0毫克/克MLVSS，SVI5为51.4毫升/克（图1）。此阶段两个测试SBR之间没有显著差异。在第二阶段，两个反应器均暴露于2毫克/升的六价铬。R1和R2中的MLSS浓度分别下降了30%和27%。
结论
在95天的间歇性或持续性六价铬暴露下，ABGS系统在初始抑制阶段后表现出强烈的营养物质去除能力和颗粒稳定性维持能力。两种暴露方式均促进了EPS的分泌和钙/铁的积累，有助于六价铬在颗粒内的固定，尽管在总体六价铬去除效率上仅有微小差异。重要的是，间歇性六价铬暴露比持续性暴露更快地恢复了这些功能。
CRediT作者贡献声明
裴显明：撰写——审稿与编辑。
杨晓静：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。
阮 Bach Van：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。
雷中芳：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
乐欣轩：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：雷中芳报告称该研究的资金支持来自日本学术振兴会（JSPS）。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI项目编号22K19863和24H00767的支持。
利益冲突声明
雷中芳报告称该研究的资金支持来自日本学术振兴会（JSPS）。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
