CN101948704A

CN101948704A - 一体式沼气生物脱硫装置

Info

Publication number: CN101948704A
Application number: CN2010102513992A
Authority: CN
Inventors: 胡宝兰; 沈李东; 叶天强; 郑平; 陆慧峰; 陈小光; 蔡琛
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: CN101948704B

Abstract

本发明公开了一种一体式沼气生物脱硫装置。它包括单质硫沉淀区I、沼气喷淋液再生区II和生物填料区III。单质硫沉淀区设有倒锥形沉淀室和排硫管；沼气喷淋液再生区设有盘形曝气器、溶解氧探头、三相分离器、集气室、导气管、环形液位调节槽、沼气进气管和盘形布气器；生物填料区设有生物填料层、盘形喷淋器和沼气回收管。本装置的优点有：①脱硫细菌的培养与沼气脱硫融于一体式装置，结构简洁，加工简便，便于推广与应用；②沼气喷淋液再生区三相分离器的设置排除了沼气和氧气混和易爆炸的安全隐患，实现安全的沼气生物脱硫；③通过溶解氧探头控制曝气量和利用环形液位调节槽补给营养液强化脱硫细菌的生长代谢，实现高效的沼气生物脱硫，并可回收硫单质。

Description

一体式沼气生物脱硫装置

技术领域

本发明涉及一种一体式沼气生物脱硫装置，适用于沼气脱硫工程。

背景技术

沼气是一种可再生能源，在目前能源短缺的情况下日益受到人们的重视。充分利用沼气能，可以缓解我国能源紧缺带来的压力。沼气是一种可燃性混合气体，一般含甲烷、二氧化碳、以及少量的氨气、氢气和一氧化碳等，不同的原料制成的沼气中往往含有不同含量的硫化氢(H₂S)。H₂S是一种剧毒的有害气体，它对管道、仪表及设备有强烈的腐蚀作用，泄漏在空气中将污染大气，危害人体健康。因此，为了保护人体健康，延长设备使用寿命，必须采取有效措施进行沼气脱硫。我国环保标准严格规定：利用沼气能源时，沼气气体中H₂S含量不得超过20mg/m³。沼气中的H₂S质量浓度一般为1～12g/m³，远远高于我国环保标准的规定。所以，H₂S的脱除成为沼气使用过程中必不可少的一个环节。

沼气脱硫的方法有化学法、物化法和生物法。常用的物理法和化学法一般可分为直接脱硫和间接脱硫两大类。沼气直接脱硫方法的原理可分为湿式法和干式法两类。湿法脱硫是利用特定的溶剂与气体逆流接触而脱除其中的H₂S，溶剂通过再生后重新进行吸收；干法脱硫是以O₂使H₂S氧化成硫或硫氧化物的一种方法，也可称为干式氧化法。目前，国内脱硫技术已比较成熟，脱硫方法及脱硫工艺众多，但总体而言都存在着以下缺点：干法脱硫效率不高，脱硫剂再生困难，硫容相对较低，主要适用于精细脱硫；湿法脱硫处理量大，脱硫效率高，可连续操作，但投资运行费用也高，沼气利用一般用户难以承受。随着环保法规的日趋严格，开发高效、低投入、资源化和无二次污染的技术已成为脱硫技术发展的主流。为了解决物化法脱硫的一些弊端，寻求更加高效低耗的脱硫技术，生物脱硫法应运而生。生物脱硫因具有少污染、低能耗和高效率，并可回收单质硫等特点，成为研究的热点。

生物脱硫是利用微生物的代谢作用将沼气中的硫化氢转化为单质硫或硫酸盐。其反应式分别为：

2HS^-+O₂→2S+2OH^- (1)

2HS^-+4O₂→2S+2H⁺ (2)

目前，生物脱硫已得到了一定的推广应用，但仍然存在诸多问题亟待解决。正如反应式(2)所示，在氧过量的情况下硫化物会被氧化为硫酸盐从而影响脱硫的效率。这是在脱硫过程中不希望发生的。如何控制合理的曝气量，保证生物脱硫安全性(沼气中若氧气含量超过1％，遇明火便会发生爆炸)的同时使生物脱硫后的终产物控制为硫单质俨然已成为沼气生物脱硫技术的关键所在。此外，如何保证生物脱硫装置内脱硫细菌的高效运作是沼气生物脱硫技术的难点。而目前这两方面的缺陷尚未得到有效解决，进而阻碍了沼气生物脱硫技术的推广与应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种一体式沼气生物脱硫装置。

一体式沼气生物脱硫装置包括相连接的单质硫沉淀区I、沼气喷淋液再生区II和生物填料区III，单质硫沉淀区I从下到上依次设有排硫管和倒锥形沉淀室；沼气喷淋液再生区II从下到上依次设有沼气喷淋液回流管、曝气管、盘形曝气器、碱液输入管、溶解氧探头、三相分离器、集气室、沼气进气管和盘形布气器，回流管上连有回流泵，盘形曝气器上设有微孔曝气头，盘形布气器和微孔布气头，集气室上设有管口朝下的导气管，沼气喷淋液再生区II外壁中部设有环形环形液位调节槽，环形环形液位调节槽上从下到上依次设有营养液连通管、溢流管和补料管；生物填料区III从下到上依次设有生物填料层、盘形喷淋器和沼气收集管，盘形喷淋器上连接有微孔喷头，盘型喷淋器通过沼气喷淋液回流管与回流泵相连。所述的单质硫沉淀区I、沼气喷淋液再生区II和生物填料区III的体积比为1∶3∶4～1∶4∶5；环形环形液位调节槽内液体与沼气喷淋液再生区II液体的体积百分比为40％～50％。所述的整个沼气生物脱硫装置的高径比为7～9∶1；沼气喷淋液再生区II的高径比为3～4∶1；生物填料区III的高径比为4～5∶1。所述的倒锥形沉淀室的底角为50～60°。所述的盘形喷淋器距生物填料层的高度为10～20cm；生物填料层距沼气喷淋液再生区液面高度为40～60cm。

所述的环形环形液位调节槽内的溢流管与沼气喷淋液再生区II内的液面持平。所述的回流管距盘形曝气器的距离为5～10cm；三相分离器顶端距沼气喷淋液再生区II液面高度为10～15cm；三相分离器与管壁的夹角为30～40°；导气管出口插入环形环形液位调节槽液面5～10cm。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：①脱硫细菌的培养与沼气脱硫融于一体式装置，外结构简洁，加工工艺简便，便于以后的推广和批量生产；②利用沼气喷淋液再生区的生物作用以及生物填料层的生物和化学作用的强化，沼气脱硫速率快，处理效果好；③沼气喷淋液再生区三相分离器的设置使空气进入到集气室，并通过导气管排出一体式生物脱硫装置外，排除了沼气和氧气混和易爆炸的安全隐患，实现了安全的沼气生物脱硫；④通过溶解氧探头控制曝气量和碱液输入管维持脱硫细菌生长代谢的合适外部环境，实现了沼气生物脱硫的高效运行；⑤通过环形液位调节槽的溢流管调节沼气喷淋液再生区液位，是沼气生物脱硫正常进行；⑥脱硫细菌将沼气中的H₂S氧化成单质硫，可回收硫资源。

附图说明

附图是一体式沼气生物脱硫装置的结构示意图，图中：排硫管1、倒锥形沉淀室2、曝气管3、盘形曝气器4、微孔曝气头5、溢流管6、补料管7、环形液位调节槽8、导气管9、沼气进气管10、微孔布气头11、盘形布气器12、生物填料层13、微孔喷头14、盘形喷淋器15、沼气收集管16、三相分离器17、集气室18、回流泵19、营养液连通管20、溶解氧探头21、碱液输入管22和沼气喷淋液回流管23。

具体实施方式

如附图所示，一体式沼气生物脱硫装置包括相连接的单质硫沉淀区I、沼气喷淋液再生区II和生物填料区III，单质硫沉淀区I从下到上依次设有排硫管1和倒锥形沉淀室2；沼气喷淋液再生区II从下到上依次设有沼气喷淋液回流管23、曝气管3、盘形曝气器4、碱液输入管22、溶解氧探头21、三相分离器17、集气室18、沼气进气管10和盘形布气器12，回流管23上连有回流泵19，盘形曝气器4上设有微孔曝气头5，盘形布气器12和微孔布气头11，集气室18上设有管口朝下的导气管9，沼气喷淋液再生区II外壁中部设有环形环形液位调节槽8，环形环形液位调节槽8上从下到上依次设有营养液连通管20、溢流管6和补料管7；生物填料区III从下到上依次设有生物填料层13、盘形喷淋器15和沼气收集管16，盘形喷淋器15上连接有微孔喷头14，盘型喷淋器15通过沼气喷淋液回流管23与回流泵19相连。所述的单质硫沉淀区I、沼气喷淋液再生区II和生物填料区III的体积比为1∶3∶4～1∶4∶5；环形环形液位调节槽8内液体与沼气喷淋液再生区II液体的体积百分比为40％～50％。所述的整个沼气生物脱硫装置的高径比为7～9∶1；沼气喷淋液再生区II的高径比为3～4∶1；生物填料区III的高径比为4～5∶1。所述的倒锥形沉淀室2的底角为50～60°。所述的盘形喷淋器15距生物填料层13的高度为10～20cm；生物填料层13距沼气喷淋液再生区液面高度为40～60cm。所述的环形环形液位调节槽8内的溢流管6与沼气喷淋液再生区II内的液面持平。所述的回流管23距盘形曝气器4的距离为5～10cm；三相分离器17顶端距沼气喷淋液再生区II液面高度为10～15cm；三相分离器17与管壁的夹角为30～40°；导气管9出口插入环形环形液位调节槽8液面5～10cm。

本发明三个系统工作过程如下：

(1)沼气喷淋液再生系统。主要包括曝气管3、盘形曝气器4、微孔曝气头5、导气管9、沼气进气管10、微孔布气头11、盘形布气器12、三相分离器17、集气室18、回流泵19、溶解氧探头21、碱液输入管22和回流管23。沼气从沼气进气管10进入到生物脱硫装置，氧气则从曝气管3进入到沼气喷淋液再生区，盘形布气器12和盘形曝气器4分别实现了沼气和氧气在生物脱硫装置内的均匀分布。沼气进气管10上向下设置的微孔布气头11有效防止了向下跌落的液滴和硫单质堵塞微孔布气头11。通过溶解氧探头21调节装置内的曝气量，并利用碱液输入管22提供适合脱硫细菌生长代谢的外部环境，强化沼气的生物脱硫过程，使沼气中的硫化氢与氧气在脱硫细菌的作用下转化为硫单质。沼气喷淋液再生系统中过剩的氧气不断向上扩散，遇到三相分离器17的阻挡后，这部分空气便进入到了集气室18，通过导气管9排放到生物脱硫装置外部的环形液位调节槽8内，防止了氧气进一步向上扩散与沼气的混合，排除了沼气与氧气混合遇明火爆炸的安全隐患。回流管23和回流泵19实现了沼气喷流液的再生，使喷淋液重新回到装置顶部进行对沼气中硫化氢气体的喷淋。

(2)生物填料系统。主要包括生物填料层13、微孔喷头14、盘形喷淋器15和沼气收集管16。生物填料层13内填充了软性填料，形成一个立体的网状结构，供微生物生长。通过盘形喷淋器15使喷淋液从脱硫装置顶部均匀的向下喷淋，使大量的硫化氢气体溶于喷淋液中，由于喷淋液中含有较多的脱硫细菌，软性填料表面能够生长一定量的脱硫细菌，这些脱硫细菌与不断上升的沼气逆向接触，使沼气中的硫化氢气体得以进一步去除。未被去除部分含硫化氢的液体滴落至沼气喷淋液再生系统中进入下一循环的生物脱硫过程。通过监测沼气收集管16中硫化氢含量可监测装置脱硫效率，保证了沼气中硫化氢含量小于20mg/m³，达到沼气回收利用的标准。

(3)营养液补给和外排系统。主要包括营养液溢流管6、补料管7、环形液位调节槽8、导气管9和营养液连通管20。通过补料管7使营养液进入到环形液位调节槽8，利用营养液连通管20最后进入到沼气喷淋液再生区，可为脱硫细菌的生长提供新鲜的营养物质。通过溢流管6还可调节沼气喷淋液再生区内的液位高度，有效防止了因液位过高使液体从导气管9流出生物脱硫装置外，也有效防止了因液位过低使三相分离器失去应有的作用，允许大量空气进入到生物填料区，带来安全隐患。通过将导气管7插入到环形液位调节槽8的营养液内，使过量氧气从生物脱硫装置排除外，同时可使营养液内吸收一定的氧气并防止了外界空气进入到生物脱硫装置内。

(4)单质硫收集排放系统。主要包括排硫管1和倒锥形沉淀室2。含硫污泥密度较一般污泥大，在重力作用下，含硫污泥逐渐沉淀至倒锥形沉淀室2，通过排硫管1排出生物脱硫装置，达到回收单质硫的目的。

Claims

1.一体式沼气生物脱硫装置，其特征在于包括相连接的单质硫沉淀区I、沼气喷淋液再生区II和生物填料区III，单质硫沉淀区I从下到上依次设有排硫管(1)和倒锥形沉淀室(2)；沼气喷淋液再生区II从下到上依次设有沼气喷淋液回流管(23)、曝气管(3)、盘形曝气器(4)、碱液输入管(22)、溶解氧探头(21)、三相分离器(17)、集气室(18)、沼气进气管(10)和盘形布气器(12)，回流管(23)上连有回流泵(19)，盘形曝气器(4)上设有微孔曝气头(5)，盘形布气器(12)和微孔布气头(11)，集气室(18)上设有管口朝下的导气管(9)，沼气喷淋液再生区II外壁中部设有环形环形液位调节槽(8)，环形环形液位调节槽(8)上从下到上依次设有营养液连通管(20)、溢流管(6)和补料管(7)；生物填料区III从下到上依次设有生物填料层(13)、盘形喷淋器(15)和沼气收集管(16)，盘形喷淋器(15)上连接有微孔喷头(14)，盘型喷淋器(15)通过沼气喷淋液回流管(23)与回流泵(19)相连。

2.根据权利要求1所述的一种一体式沼气生物脱硫装置，其特征在于：所述的单质硫沉淀区I、沼气喷淋液再生区II和生物填料区III的体积比为1∶3∶4～1∶4∶5；环形环形液位调节槽(8)内液体与沼气喷淋液再生区II液体的体积百分比为40％～50％。

3.根据权利要求1所述的一种一体式沼气生物脱硫装置，其特征在于：所述的整个沼气生物脱硫装置的高径比为7～9∶1；沼气喷淋液再生区II的高径比为3～4∶1；生物填料区III的高径比为4～5∶1。

4.根据权利要求1所述的一种一体式沼气生物脱硫装置，其特征在于：所述的倒锥形沉淀室(2)的底角为50～60°。

5.根据权利要求1所述的一种一体式沼气生物脱硫装置，其特征在于：所述的盘形喷淋器(15)距生物填料层(13)的高度为10～20cm；生物填料层(13)距沼气喷淋液再生区液面高度为40～60cm。

6.根据权利要求1所述的一种一体式沼气生物脱硫装置，其特征在于：所述的环形环形液位调节槽(8)内的溢流管(6)与沼气喷淋液再生区II内的液面持平。

7.根据权利要求1所述的一种一体式沼气生物脱硫装置，其特征在于：所述的回流管(23)距盘形曝气器(4)的距离为5～10cm；三相分离器(17)顶端距沼气喷淋液再生区II液面高度为10～15cm；三相分离器(17)与管壁的夹角为30～40°；导气管(9)出口插入环形环形液位调节槽(8)液面5～10cm。