大型沼气工程中生物脱硫技术

大型沼气工程中生物脱硫技术

陈智远

(杭州能源环境工程有限公司, 杭州310020)

摘 要:随着我国对可再生能源的开发和利用的不断深入发展, 利用畜禽粪便厌氧发酵产沼气是一种非常有前景的能源利用途径, 但所产生的沼气中都含有H 2S 气体, 由于它是一种腐蚀性很强的化合物, 所以沼气脱硫是沼气利用的关键环节。本文以某工程调试与运行实例分析了大型沼气工程中的生物脱硫技术, 以为同类型工程提供参考。

关键词:沼气; 生物脱硫技术; pH ; D O; H 2S 负荷

中图分类号:X701. 3 文献标识码:A 文章编号:1671-1556(2010) 02-0030-03

Analysis of Hydrogen Sulfide Removed by Bio -process

on Large -scale Biogas Project

CH EN Zh-i y uan

(H angz hou Ener gy and Envir onment Engineer ing Co. , L td. , H angz hou 310020, China)

Abstract:With the dev elo pment of r eg enerating energ y ex ploitatio n, the use of anaerobic fermentation to pro duce biog as by livesto ck and poultry manur e is a very prom ising means o f energ y utilization. But the re -sulting biog as contains H 2S gas of a highly cor rosiv e compound, so desulfur ization of methane gas used is a crucial element. T his paper analyzes the bio -desulfurizatio n techno logy of larg e -scale biogas projects w ith the practice o f pro ject debug ging so as to provide the refer ence for the similar pro jects. Key words:biogas; bio -desulfierization techno logy ; pH ; DO; load of H 2S

标准严格规定:利用沼气能源时, 沼气气体中H 2S

0 引 言

在沼气再生能源的开发和利用工程产生的沼气中, 除了主要含有CH 4和CO 2外, 还有微量的H 2S 气体。H 2S 是剧毒的有害物质, 在含有0. 1%H 2S 的空气中数秒即可致人死亡; 同时, 特别是在采用中温或高温发酵产生的沼气中携带有大量的水分, 水与沼气中的H 2S 共同作用产生氢硫酸, 可加速金属管道、阀门及流量计的腐蚀或堵塞; 另外, 沼气中的H 2S 燃烧后生成SO 2, 它可与燃烧产物中的水蒸气结合生成亚硫酸, 使燃烧设备的低温部位金属表面产生腐蚀, 还会对大气环境造成污染, 影响人体健康; 此外, 利用沼气发电时, 沼气中的H 2S 、SO 2等含硫杂质会严重腐蚀柴油机机件

[1]

含量不得超过20mg/m 3。但是沼气中的H 2S 质量浓度一般为1~12g/m 3, 远远高于我国环保标准的规定, 所以H 2S 的脱除成为沼气使用过程中必不可少的一个环节。

目前沼气脱硫的方法有两大类, 即物理化学法和生物法。物理化学法包括干法脱硫和湿法脱硫, 已被广泛地应用且积累了丰富的经验, 但该方法存在运行费用高、投资大、产生二次污染等缺点; 而生物法以不需催化剂和氧化剂、不需处理化学污泥、少污染、低能耗、高效率、可回收单质硫等优点

[2, 3]

引

起了人们的广泛关注。为此, 笔者以山东民和牧业有限公司热电联产沼气工程为例, 介绍了该沼气工程调试与运行时生物脱硫技术的具体运用。

。因此, 我国环保

*收稿日期:2009-10-09 修回日期:2009-11-13

作者简介:陈智远(1987 ) , 男, 助理工程师, 主要从事沼气工程设计、调试及厌氧发酵工艺等方面的研究。E -mail:chen zhiyuan2004@

163. com

虽然生物脱硫具有能耗少、去除率高等特点, 但

1 沼气工程生物脱硫装置

民和沼气工程为2007年12月建设、2008年10月调试与运行的大型沼气发电工程, 位于山东省蓬

莱市北沟镇曲家沟村, 设计日产沼气30000m 3/d, 发电60000(kW h) /d, 共2座脱硫塔, 并联运行。如图1所示, 生物脱硫的装置主要由生物脱硫塔和曝气水箱构成, 从厌氧罐内导出的沼气由脱硫塔底部进入, 脱硫循环水由泵打入脱硫塔顶, 两者在塔内逆向接触反应, 且塔内充有填料以供脱硫菌附着生长, 同时也利于气水均匀分布以充分接触。生物脱硫塔及曝气水箱都采用耐酸玻璃钢制作, 循环泵也使用耐酸性泵。脱硫塔的负荷为8m 3(沼气) /(m 3 h) 左右。

必须给硫细菌营造一个适宜的环境, 才能确保其具有较高的生物活性, 以达到最佳的脱硫效果。而在该工程调试与运行中影响生物脱硫效率的主要因素有pH 值、DO 、温度、H 2S 负荷, 因此必须对这些因素进行控制。2. 1 pH 值的控制

硫细菌种类繁多, 且各自具有不同的生理学、形态学和生态学特性, 对环境条件的要求也各异。有研究表明, 硫细菌可生存的范围很广, 在pH 值为1. 0~9. 0、温度为4~95 的条件下都可生长和运动, 但各自都有适宜的pH 值范围, 如硫化叶菌属的硫细菌在pH 值为2~3下生存才有较好的生物活性, 若环境的pH 值不在其适宜的范围, 其活性将会受到很大的影响, 一般大多数硫细菌适宜的pH 值范围为6~8。

本工程试运行初期, 将脱硫循环水的pH 值维持在2~3之间, 达到了较好的脱硫效果, 可能是硫化叶菌属的硫细菌起的作用; 但随着产气量的增加, 循环水中有限的DO 浓度难以将pH 值维持在较低水平, 所以在试运行后期将循环水的pH 值维持在5~7之间, 在此期间主要通过控制较小的曝气量(即较低的DO) 和更换新鲜循环水来防止pH 值的波动。因为当pH 值发生较大波动时, 硫细菌的活性急剧下降甚至失去活性, 如本工程中当pH 值由2~3调整到5~7时, 生物脱硫塔几乎完全失去了脱硫效果。所以在生物脱硫中, 维持稳定的pH 值是至关重要的, 它将直接影响脱硫效果的好坏。2. 2 DO 浓度的控制

气相中H 2S 和O 2难以发生反应, 生物脱硫反应过程主要发生在液相中, 所以脱硫塔内循环喷淋水中的DO(溶解氧) 浓度是影响生物脱硫的一个重要因素。C. J. N. Busim an 等[5]在生物脱硫反应器中研究了单质硫产生的最佳条件, 在硫化物浓度为90mg /L 、停留时间为45min 、DO 浓度低于1mg /L 时, 产生极少的硫酸(

H S - 附着硫[S 0] S 0

附着硫[S ] SO 3 SO 4

2-2-[6]

图1 生物脱硫装置图

F ig. 1 Schematic diagr am of biolog ical

desulfur izatio n equipment

2 生物脱硫技术的指标控制

本工程采用生物脱硫的方法对沼气进行脱硫处理, 主要利用无色硫细菌在适宜的温度、湿度和微氧条件下的代谢作用将H 2S 氧化成单质硫或亚硫酸。生物脱硫分为3个阶段[4]: H 2S 气体的溶解过程, 即由气相转化为液相; 溶解后的H 2S 被微生物吸收, 转移至微生物的体内; 进入微生物细胞内的H 2S 作为营养物被微生物分解、转化和利用, 从而达到去除H 2S 的目的。其反应方程式如下:

2H 2S +3O 2 2H 2SO 32H 2S +O 2 2S +2H 2O

当DO 浓度过低时主要发生第一个反应, 因

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2-0

安全与环境工程

第17卷

S 转化为S 的过程是一个产碱的过程, 会引起循环水pH 值的上升; 当DO 浓度过大时发生第二个反应, 产生的酸过多, 循环液的pH 值会加速下降。pH 值的上升与下降都会对脱硫效果有影响, 所以合适的DO 浓度是控制反应进行到哪一步的关键, 也是使产物主要为单质硫, 并使循环液的pH 值稳定维持在5~7, 即脱硫效果最佳的关键。由于理论上氧化1分子H 2S 生成单质硫需要1/2分子的O 2, 所以在工程调试与运行中, 需要根据不同的H 2S 负荷对循环液中的DO 浓度进行调整, 以防止DO 过少pH 值上升、DO 过量生成大量酸, 造成pH 值剧烈变化而影响脱硫效果。而DO 控制主要是通过调整曝气风量加以控制。2. 3 H 2S 负荷的控制

H 2S 负荷对脱硫产物也有较大影响。当脱硫塔在低负荷的条件下运行时, H 2S 容易被过氧化, 生成大量的酸使循环水pH 值急剧下降; 当反应器在高负荷的条件下运行时, 脱硫产物主要为单质硫, 循环液pH 值稳定甚至还会上升。生物脱硫塔在启动时需向循环水中加入约1%的厌氧罐发酵液, 以提供生物脱硫所需的菌种; 启动初期菌种有将近30d 适应过程, 期间脱硫效果会出现较大的波动; 但调试运行稳定后, 经过脱硫后的沼气中H 2S 浓度可维持在200 10-6以下, 去除率将达到90%以上。

实际工程运行发现, 在硫细菌所能承受范围内, H 2S 容积负荷越高, 微生物脱硫反应越能保持良好的运行效果, 且不易发生循环水急剧酸化的现象。有研究发现[7], 无色硫细菌在营养物质受限制而有足够硫化物时, 可在几乎无明显生长的情况下, 高效地将硫化物氧化。所以在工程运营中, 当H 2S 负荷

发生变化时, 主要通过控制pH 值、DO 浓度等运行条件就能确保运行效果的稳定。

3 结论与建议

(1) 通过实例工程研究表明:大型热电联产沼气工程采用生物脱硫技术是可行的。

(2) 生物脱硫方法与物理化学法相比, 具有脱硫条件温和、能耗低、投资少且废物排放少等优点, 是沼气脱硫领域的发展趋势, 但也存在过程不容易控制、硫细菌产生的硫单质容易堵塞填料及损害曝气头等缺点, 今后应针对解决单质硫的分离问题, 对更有效地控制循环水中的DO 浓度进而控制硫细菌的生长环境问题进行研究。参考文献:

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