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厌氧消化过程是在各种相互依存的微生物协同作用下,经过水解、产酸、产甲烷阶段,将复杂的有机物最终转化为甲烷的过程。相对于产酸菌,产甲烷菌的适宜pH范围较窄,在中性附近。高浓度有机废水厌氧消化过程中,有机酸的产生与消耗速率严重失衡时,碱度因有机酸过度累积而消耗掉,导致厌氧消化体系酸化,甚至酸败。
因此,维持适宜碱度是控制厌氧消化酸败的基本途径。碱度主要以碳酸氢根形式存在,当消化液pH在>5.5和<6.5之间变化时,碳酸氢根与有机酸根的比例一般有5倍以上的变化,为本项研究利用阴离子交换树脂循环利用碳酸氢根弱化酸冲击对厌氧消化的不利影响提供了可能。
研究发现,在理想的碳酸氢盐溶液内,碳酸氢根型的阴离子交换树脂能够通过交换吸附有机酸根的方式,缓冲乙酸或丙酸引起的酸化,提高pH;而溶液中的有机酸根浓度降低时,树脂解吸有机酸根并再次吸附碳酸氢根。这样,离子交换树脂通过循环利用碳酸氢根形式,可以多次缓冲有机酸的酸化作用。
对碱度接近正常(23.9 mM)厌氧消化过程的研究发现,与对照实验相比,添加湿重比4%的离子交换树脂缓冲了15mM~30mM乙酸引起的酸性pH变化,降低了其对产甲烷菌的抑制作用,酸冲击下厌氧消化周期缩短了40.5%~21.9%,乙酸浓度为40mM时效果更明显。实验后期由高浓度葡萄糖发酵引起的间接、延迟的酸性pH变化幅度较小,加上发酵细菌增殖、产甲烷耐酸性驯化等因素,降低了树脂的缓冲调节作用。
在低碱度(14.0 mM)厌氧消化体系内,在降低碱度消耗的情况下,使用湿重比6%的离子交换树脂,同样可以降低20-40mM乙酸对产甲烷菌的酸性抑制作用。因此,通过阴离子交换树脂循环利用碳酸氢根,可以降低有机酸累积对厌氧消化的不利影响,并降低碱度需求,可用于高浓度有机废水厌氧消化产甲烷相的酸败控制。