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2014年工业废水中总铬(Cr)的排放量为131.8吨,已经超过砷、铅等成为排放量最大的重金属污染物。尤其是Cr(Ⅵ)具有高毒性,其毒性是Cr(Ⅲ)的100倍以上,对环境有重大的危害。物理、化学和生物方法能够实现Cr(Ⅵ)的去除,与物理化学相比,生物还原法是一种成本低廉的,绿色环保的Cr(Ⅵ)去除方法。在Cr(Ⅵ)生物处理的过程中,微生物能够将Cr(Ⅵ)还原,但Cr(Ⅵ)对微生物有毒害作用,同时对共存有机物和NO3--N的去除有抑制作用。另外,微生物胞外聚合物(EPS)能够促进Cr(Ⅵ)的还原;产生的Cr(Ⅲ)可以形成沉淀或者与EPS形成有机铬复合物,排放到环境中的有机Cr(Ⅲ)络合物会造成二次污染。针对以上问题,本文用厌氧反应器研究EPS与Cr(Ⅵ)的相互作用、铬在污泥中的存在形态及Cr(Ⅵ)厌氧生物还原机理。本文首先考察了Cr(Ⅵ)对活性污泥的抑制作用,即不同Cr(Ⅵ)浓度条件下对CODCr去除率、NO3--N去除率以及NO3--N还原酶活性和电子传递活性的影响。实验结果表明,随着Cr(Ⅵ)浓度的升高,Cr(Ⅵ)对厌氧活性污泥活性的抑制作用逐渐增强,而且抑制作用是不可逆的。利用线性和指数方程对Cr(Ⅵ)对CODCr和NO3--N的抑制率进行拟合,得到半抑制浓度为11.45 mg/L。实验同时表明,污泥胞间是Cr(Ⅵ)还原的主要场所,超过88.5%的Cr(Ⅲ)都分布胞间。进一步用厌氧反应器来考察Cr(Ⅵ)对厌氧反应器性能的影响。通过缓慢提高进水Cr(Ⅵ)浓度,对厌氧污泥进行驯化。实验结果表明,低浓度Cr(Ⅵ)(0-80 mg/L)对反应器的性能没有很大的影响;但高浓度Cr(Ⅵ)(80-120 mg/L)对反应器性能产生了严重的影响。当进水Cr(Ⅵ)浓度为120 mg/L时,与进水Cr(Ⅵ)浓度为80 mg/L时相比,CODCr的去除率从81.5%降低到73.9%,NO3--N的去除率从89.2%降低到76.5%;同时,出水中有NO2--N的积累,达到6.1 mg/L;此外,Cr(Ⅵ)的去除率由96.5%降低至74.8%,出水中的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的浓度也分别升高至30.2和5.1 mg/L。在整个反应过程中,至少97.7%产生Cr(Ⅲ)都被固定在活性污泥中,仅有极少部分的Cr(Ⅲ)以有机铬形式排出。微生物菌群分析证实了大多数菌群多样性和丰度随Cr(Ⅵ)浓度升高而逐渐降低。形貌分析表明污泥中的Cr主要是以Cr(Ⅲ)的形式存在,Cr(Ⅲ)沉淀大量分布在活性污泥表面。另外,随着Cr(Ⅵ)浓度由0增加至50 mg/L,Cr(Ⅵ)浓度的增加促进了EPS的产生,EPS的量从231.42增加至1262.90 mg/gVSS,当Cr(Ⅵ)浓度的增加至120 mg/L时,EPS的量降至452.85 mg/gVSS。在整个过程中,蛋白的量大于多糖的量。随着Cr(Ⅵ)浓度的增加,EPS的三维荧光光谱中的特征峰发生了偏移,这表明EPS组分的结构发生了变化。同时Cr(Ⅵ)浓度的增加引起3400 cm-1,1640 cm-1,1400 cm-1和1100 cm-1波峰区域发生偏移,这表明羟基、羧基和氨基等基团发生改变以适应更高浓度的Cr(Ⅵ)。活性成分实验结果证明,EPS和营养液没有还原Cr(Ⅵ)的能力;厌氧污泥还原Cr(Ⅵ)是酶介导,膜结合的还原酶在Cr(Ⅵ)还原过程中起主要作用。EPS和Cr的相互分析表明只有Cr(Ⅵ)能与EPS形成相互作用。蛋白类和腐殖酸类物质是EPS与Cr(Ⅵ)络合的主要成分;Cr(Ⅵ)与蛋白类物质和腐殖酸类物质的络合系数ksv分别为2.817×104(R2=0.9594)和1.25×103(R2=0.9538)L/mol,蛋白类物质对Cr(Ⅵ)的络合能力要大于腐殖酸类物质。热力学分析表明EPS和Cr(Ⅵ)的相互作用是一个放热反应,反应的吉布斯自由能为-23.18J/mol/K,表明EPS和Cr(Ⅵ)的络合作用在热力学上是可行的。