CN112546985A - 沼气原位脱硫装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沼气原位脱硫装置，包括主体厌氧消化反应器、套设于主体厌氧消化反应器上的水浴夹层、设置于主体厌氧消化反应器顶部的光源室、设置于光源室中的红外光源、设置于主体厌氧消化反应器底部的曝气盘、与水浴夹层连接的水浴锅、与水浴锅和水浴夹层连接的循环泵以及与主体厌氧消化反应器和曝气盘连接的压缩机，主体厌氧消化反应器内部设置填料层。本发明的沼气原位脱硫装置，利用最佳波长的红外光源并调节红外光源的光照强度，最大化激发光能营养型SOB的脱硫性能，实现厌氧消化原位脱硫；同时无需对反应器提供微氧条件，避免了甲烷与氧气混合后发生爆炸风险的技术缺陷。本发明还公开了一种沼气原位脱硫方法。
Description
技术领域
本发明属于生物能源技术领域，具体地说，本发明涉及一种利用光能营养型硫氧化菌的沼气原位脱硫装置及方法。
背景技术
环境污染已逐渐成为全球各国共同关注的重要议题，对其关注程度也正逐年增加。厌氧消化工艺通过对生物质废弃物的再利用，产生再生能源甲烷，被认为是解决能源和环境危机的有效途径。在微生物的作用下生物质最终被转化为能源性产物沼气，用于能量回收，以弥补污水处理厂正常运行期间的部分能耗，为终极目标“碳中和”的实现做出贡献。原始沼气通常含CH4 50％～75％、CO2 25％～50％、H2S 0.5％～1.5％，还含有一定浓度的H2S气体，体积分数可达沼气的1.0％。H2S气体含量虽然不高，但已远远超过相关行业和国家标准的规定值，利用之前不进行脱硫预处理，H2S就会对仪器仪表和金属管道产生腐烛，影响总体使用效果。此外，H2S很容易通过细胞膜扩散到细胞质中，抑制产甲烷菌活性，造成厌氧消化产气效率偏低。因此，在综合利用沼气之前必须采取相关的脱硫措施。
目前，工业应用较为普遍的多为传统的化学脱硫工艺，不仅成本高还容易产生二次污染；微氧生物脱硫工艺，即在不破坏反应器内厌氧消化还原性氛围的前提下，向厌氧反应器中通入一定量的O2或空气，在硫氧化菌(SOB)的作用下，利用O2作为电子受体，将反应器内的硫化物氧化为单质硫或硫酸盐(O2过量)等，脱硫效率偏低且存在爆炸危险。最重要的是，上述方法都没有考虑硫资源的回收利用，造成硫资源大量浪费。因此，亟需开发一种装置既可以厌氧消化产沼气，又可高效原位脱除沼气H2S，为后续沼气的利用节省成本。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种沼气原位脱硫装置，目的是提高脱硫效率，避免甲烷与O2混合后发生爆炸风险。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：沼气原位脱硫装置，包括主体厌氧消化反应器、套设于主体厌氧消化反应器上的水浴夹层、设置于主体厌氧消化反应器顶部的光源室、设置于光源室中的红外光源、设置于主体厌氧消化反应器底部的曝气盘、与水浴夹层连接的水浴锅、与水浴锅和水浴夹层连接的循环泵以及与主体厌氧消化反应器和曝气盘连接的压缩机，主体厌氧消化反应器内部设置填料层。
所述主体厌氧消化反应器的顶部设置顶盖，所述光源室设置于顶盖上。
所述顶盖上设置沼气排出管，沼气排出管上设置气压控制阀。
所述红外光源的波长为805nm。
所述填料层的填料为聚丙烯填料。
所述主体厌氧消化反应器上设置沼气循环出气口和沼气循环入口，沼气循环出气口和沼气循环入口与所述压缩机连接，沼气循环入口与所述曝气盘连接，沼气循环出气口位于所述填料层的上方。
所述主体厌氧消化反应器的底部设置排泥口。
所述主体厌氧消化反应器的侧壁上设置多个取样口。
本发明还提供了一种沼气原位脱硫方法，采用上述的沼气原位脱硫装置，且包括步骤：
S1、主体厌氧消化反应器稳定运行，红外光源发光，主体厌氧消化反应器正常运行时厌氧接种污泥浓度MLSS为20.3g/L，MLVSS为12.8g/L；
S2、调节主体厌氧消化反应器的pH值，使主体厌氧消化反应器的pH值稳定在7.0±0.2范围内；
S3、水浴锅运行温度设定为35℃，通过循环泵不停为水浴夹层换水，使主体厌氧消化反应器运行时温度维持在35℃；
S4、压缩机运行，将主体厌氧消化反应器内厌氧消化所产生的沼气输送至曝气盘，沼气再由曝气盘通过泥水混合物自由回流至主体厌氧消化反应器的顶部，形成沼气内循环，沼气流动过程中会与填料层多次接触；
S5、排出沼气。
所述步骤S1中，需由红外光源对主体厌氧消化反应器进行一定时间的光照驯化，使主体厌氧消化反应器能够稳定运行，主体厌氧消化反应器稳定运行的标志是进料COD去除率和沼气H2S去除率稳定。
本发明的沼气原位脱硫装置，利用最佳波长的红外光源并调节红外光源的光照强度，最大化激发光能营养型SOB的脱硫性能，实现厌氧消化原位脱硫；克服了传统厌氧消化原位生物脱硫效率低的问题，同时无需对反应器提供微氧条件，避免了甲烷与氧气混合后发生爆炸风险的技术缺陷，还能通过沼气H2S浓度调节红外光源强度，提高单质硫产物的选择性，便于硫资源的回收利用。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明沼气原位脱硫装置的结构示意图；
图2是光源室平面图；
图3是范尼尔曲线图；
图中标记为：1、主体厌氧消化反应器；2、光源室；3、水浴锅；4、循环泵；5、压缩机；6、进料口；7、出料口；8、沼气循环出气口；9、沼气循环入口；10、曝气盘；11、水浴夹层；12、水浴循环出水口；13、水浴循环进水口；14、沼气排出管；15、气压控制阀；16、顶盖；17、红外光源；18、填料层；19、排泥口；20、取样口。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1和图2所示，本发明提供了一种沼气原位脱硫装置，包括主体厌氧消化反应器1、套设于主体厌氧消化反应器1上的水浴夹层11、设置于主体厌氧消化反应器1顶部的光源室2、设置于光源室2中的红外光源17、设置于主体厌氧消化反应器1底部的曝气盘10、与水浴夹层11连接的水浴锅3、与水浴锅3和水浴夹层11连接的循环泵4以及与主体厌氧消化反应器1和曝气盘10连接的压缩机5，主体厌氧消化反应器1内部设置填料层18。
具体地说，如图1和图2所示，主体厌氧消化反应器1的顶部设置顶盖16，光源室2设置于顶盖16上，顶盖16用于封闭主体厌氧消化反应器1的顶部开口，光源室2固定安装在顶盖16的底面上，光源室2为环形，红外光源17为环形红外灯，红外光源17的波长为805nm，红外光源17的光照强度可调节。红外光源17的强度是依据范尼尔曲线进行调节，即红外光源17的强度随沼气H2S浓度变化而变化。如图3所示，红外光源17的强度随主体厌氧消化反应器1内的沼气中的H2S浓度的增大而增大。
作为优选的，主体厌氧消化反应器1和光源室2的材质均为有机玻璃。
如图1所示，压缩机5位于主体厌氧消化反应器1的外部，曝气盘10位于主体厌氧消化反应器1的内部且曝气盘10位于填料层18的下方，主体厌氧消化反应器1上设置沼气循环出气口8和沼气循环入口9，沼气循环出气口8和沼气循环入口9与压缩机5连接，沼气循环入口9与曝气盘10连接，沼气循环出气口8位于填料层18的上方，沼气循环出气口8的高度小于光源室2的高度。压缩机5的进气口通过软管与沼气循环出气口8连接，压缩机5的出气口通过软管与沼气循环入口9连接，主体厌氧消化反应器1运行时，压缩机5工作，主体厌氧消化反应器1内部供厌氧消化产生的沼气依次由沼气循环出气口8、压缩机5和沼气循环入口9流动至曝气盘10，曝气盘10既能实现均匀布气又能实现曝气搅拌。
如图1所示，主体厌氧消化反应器1上设置进料口6和出料口7，进料口6的高度小于填料层18的高度且大于曝气盘10的高度，出料口7的高度大于填料层18的高度且小于沼气循环出气口8的高度。待处理液体经进料口6进入主体厌氧消化反应器1中，待处理液体为高含硫有机废水，主体厌氧消化反应器1内厌氧消化反应后形成的废水经出料口7向外流出。
如图1所示，水浴锅3对进入水浴夹层11中的水进行加热，水浴锅3与水浴夹层11和循环泵4连接形成循环水路，水在水浴锅3、水浴夹层11和循环泵4之间循环流动，水浴夹层11用于对主体厌氧消化反应器1进行加热并使主体厌氧消化反应器1维持在设定温度，水浴夹层11套在主体厌氧消化反应器1上，水浴夹层11包围主体厌氧消化反应器1的外壁面，水浴夹层11上设置水浴循环出水口12和水浴循环进水口13，水浴循环出水口12位于水浴夹层11的顶部，水浴循环进水口13位于水浴夹层11的底部，水浴锅3的进水口通过软管与水浴循环出水口12连接，水浴锅3的出水口通过软管与循环泵4的进水口连接，循环泵4的出水口通过软管与水浴循环进水口13连接，保持水浴夹层11的水温不变。
如图1所示，顶盖16上设置沼气排出管14，沼气排出管14上设置气压控制阀15，气压控制阀15是用于控制主体厌氧消化反应器1内的压力处于设定范围内。气压控制阀15在主体厌氧消化反应器1内压力过高时打开，主体厌氧消化反应器1内的沼气经沼气排出管14向外排出，主体厌氧消化反应器1内的压力降低到设定值后，气压控制阀15关闭；主体厌氧消化反应器1内的压力超过设定值后，气压控制阀15又重新打开，延长主体厌氧消化反应器1内的沼气停留时间。
如图1所示，主体厌氧消化反应器1的内部设有一定厚度的填料层18，填料层18的填料为聚丙烯填料。
如图1所示，主体厌氧消化反应器1的底部设置排泥口，主体厌氧消化反应器1的侧壁上设置多个取样口。
如图1所示，在本实施例中，取样口共设置三个，所有取样口在主体厌氧消化反应器1的侧壁上沿竖直方向依次布置。
高含硫有机废水作为本发明装置的处理对象，厌氧消化的产物必然会生成大量H2S和CO2气体，结合强光照条件，生物脱硫产物会以硫酸盐为主要产物。为避免硫酸盐的生成，通过设有光照强度可调节的光源室2，光照强度依据范尼尔曲线(the van Niel curve)进行调节，使光能营养型SOB的脱硫产物以单质硫为主。
上述结构的沼气原位脱硫装置，进入稳定运行期持续一段时间后，填料层18上会附有一层生物膜，其中夹杂生物脱硫产物单质硫。沼气内循环途径填料层18时，会对填料表层生物膜施加剪切力，当生物膜增至一定厚度时会脱落下来，通过排泥排出反应器，单质硫随排泥亦被排出反应器。
因光能营养型SOB脱硫需要一定时间，本发明装置沼气排出口接气压控制阀15，所述气压控制阀15的开启与关闭受主体厌氧消化反应器1内的沼气气压控制，当沼气气压达到一定值时，气压控制阀15打开排除反应器内的沼气，沼气的排走会降低反应器的气压，气压将至一定值时气压控制阀15再次关闭。气压控制阀15可以起到延长沼气在主体厌氧消化反应器1内的停留时间，为光能营养型SOB脱硫提供充足时间。
上述结构的沼气原位脱硫装置，利用最佳波长的红外光源17最大化激发光能营养型硫氧化菌的脱硫性能，实现厌氧消化原位脱硫。并依据厌氧消化所产H2S气体的浓度调节红外光源17的光照强度，实现以单质硫为主要选择性产物。该装置集厌氧消化与生物脱硫与一体，可有效减少设备体积。关键是该装置处理高含硫有机废水脱硫效率(99.5％)高，脱硫后的沼气H2S浓度稳定在100ppmv以下，满足热电联产直用标准。该方法克服了传统厌氧消化原位生物脱硫效率低的问题，同时无需提供微氧条件激发生物脱硫，避免了甲烷与氧气混合后发生爆炸风险的技术缺陷。
本发明还提供了一种沼气原位脱硫方法，采用上述结构的沼气原位脱硫装置，且包括如下的步骤：
S1、主体厌氧消化反应器1稳定运行，红外光源17发光，主体厌氧消化反应器1正常运行时厌氧接种污泥浓度MLSS为20.3g/L，MLVSS为12.8g/L；
S2、调节主体厌氧消化反应器1的pH值，使主体厌氧消化反应器1的pH值稳定在7.0±0.2范围内；
S3、水浴锅3运行温度设定为35℃，通过循环泵4不停为水浴夹层11换水，使主体厌氧消化反应器1运行时温度维持在35℃；
S4、压缩机5运行，将主体厌氧消化反应器1内厌氧消化所产生的沼气输送至曝气盘10，沼气再由曝气盘10通过泥水混合物自由回流至主体厌氧消化反应器1的顶部，形成沼气内循环，沼气流动过程中会与填料层18多次接触；
S5、排出沼气。
在上述步骤S1中，主体厌氧消化反应器1以连续进料/出料方式稳定运行之前，红外光源17发光，需由红外光源17对主体厌氧消化反应器1进行一定时间的光照驯化，使主体厌氧消化反应器1能够稳定运行，主体厌氧消化反应器1稳定运行的标志是进料COD去除率和沼气H2S去除率稳定。
在上述步骤S1中，待处理液体经进料口6进入主体厌氧消化反应器1中，待处理液体为高含硫有机废水。厌氧接种污泥取自实验室完全搅拌式厌氧消化反应器，因完全搅拌式厌氧消化反应器前期用于微氧原位脱硫试验研究，可缩短驯化时间。
在上述步骤S1中，红外光源17的波长为805nm，红外光源17的强度可通过反应器外控制器调节光源强度，红外光源17的强度范围为0～3.0KW/m2。红外光源17的强度依据范尼尔曲线进行调节，即红外光源17强度随沼气H2S浓度变化而变化。
沼气生物脱硫的主要承担者是SOB，SOB是指将低价态的还原性硫化物或单质硫完全氧化为硫酸盐或部分氧化为更高价态的硫化物的类群。SOB种类多样，大方向上分为光能营养型SOB和化能营养型SOB。针对沼气生物脱硫效率偏低的缺点，采用特定波长(805nm)的红外光源17，可以最大化激发光能营养型SOB类群的脱硫性能。
在上述步骤S2中，向主体厌氧消化反应器1中分别滴加浓度为4mol/L的盐酸和浓度为4mol/L的氢氧化钠，调节反应器的pH并稳定在7.0±0.2范围内。
本发明方法原理如下：光能营养型SOB的特征是进行硫基无氧光合作用。在厌氧条件下，利用光能从硫化物中获得电子和氢，并固定无机碳用于细胞生长。根据表型特性颜色，光能营养型SOB可以主要分为绿色硫细菌(GSB)和紫色硫细菌(PSB)。光能营养型SOB严格厌氧，其中GSB专性光自养；PSB既可以光自养生长又可以光异养生长。光源是光能营养型SOB的主要能源。
GSB和PSB都是通过集光色素(细菌叶绿素和类胡萝卜素)获取能量。光通过这些色素被收集，然后转移到反应中心，导致光合磷酸化和ATP生成。色素不同，其光吸收特性(最适波长)也不同，使得电磁波谱中可用能量被最大限度地利用，并使多种光能营养型SOB在同一生境中共存。其中光能营养型SOB的激光色素特征最大吸收值对应的波长为800～900nm，本发明装置采用波长为805nm的红外光源17。
除了光能之外，GSB和PSB的无氧光合作用需要还原态硫化合物(作为电子供体)产生固定无机碳的还原力。通过硫氧化酶系统从还原态硫化合物中提取电子，然后转移到电子转移链上。当硫化物是初始电子供体时，首先被氧化成单质硫，当能量给定足够时被进一步氧化成硫酸盐。范尼尔曲线(the van Niel curve)用于描述光照强度和硫化物浓度之间的关系(见附图3)。该曲线表示将给定浓度的硫化物氧化成单质硫时所需的光能量，反应见方程1。
在有限的光照强度和充足的CO2条件下，当存在过量硫化物时，单质硫会积累。当光照强度充足时，硫化物可以完全氧化成硫酸盐(见方程2)。
比硫化物氧化速率取决于光能营养型SOB的增长，而光能营养型SOB的增长又取决于不同波长和强度的光源。生长和比硫化物氧化速率随着辐照强度的增加而增加，直到过度辐照强度引起的光抑制开始。因此，光照强度的调节，可有效地提高选择性产物单质硫的生成并避免光抑制的发生。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.沼气原位脱硫装置，其特征在于，包括主体厌氧消化反应器、套设于主体厌氧消化反应器上的水浴夹层、设置于主体厌氧消化反应器顶部的光源室、设置于光源室中的红外光源、设置于主体厌氧消化反应器底部的曝气盘、与水浴夹层连接的水浴锅、与水浴锅和水浴夹层连接的循环泵以及与主体厌氧消化反应器和曝气盘连接的压缩机，主体厌氧消化反应器内部设置填料层。
2.根据权利要求1所述的沼气原位脱硫装置，其特征在于，所述主体厌氧消化反应器的顶部设置顶盖，所述光源室设置于顶盖上。
3.根据权利要求2所述的沼气原位脱硫装置，其特征在于，所述顶盖上设置沼气排出管，沼气排出管上设置气压控制阀。
4.根据权利要求1至3任一所述的沼气原位脱硫装置，其特征在于，所述红外光源的波长为805nm。
5.根据权利要求1至3任一所述的沼气原位脱硫装置，其特征在于，所述填料层的填料为聚丙烯填料。
6.根据权利要求1至3任一所述的沼气原位脱硫装置，其特征在于，所述主体厌氧消化反应器上设置沼气循环出气口和沼气循环入口，沼气循环出气口和沼气循环入口与所述压缩机连接，沼气循环入口与所述曝气盘连接，沼气循环出气口位于所述填料层的上方。
7.根据权利要求1至3任一所述的沼气原位脱硫装置，其特征在于，所述主体厌氧消化反应器的底部设置排泥口。
8.根据权利要求1至3任一所述的沼气原位脱硫装置，其特征在于，所述主体厌氧消化反应器的侧壁上设置多个取样口。
9.沼气原位脱硫方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一所述的沼气原位脱硫装置，且包括步骤：
S1、主体厌氧消化反应器稳定运行，红外光源发光，主体厌氧消化反应器正常运行时厌氧接种污泥浓度MLSS为20.3g/L，MLVSS为12.8g/L；
S2、调节主体厌氧消化反应器的pH值，使主体厌氧消化反应器的pH值稳定在7.0±0.2范围内；
S3、水浴锅运行温度设定为35℃，通过循环泵不停为水浴夹层换水，使主体厌氧消化反应器运行时温度维持在35℃；
S4、压缩机运行，将主体厌氧消化反应器内厌氧消化所产生的沼气输送至曝气盘，沼气再由曝气盘通过泥水混合物自由回流至主体厌氧消化反应器的顶部，形成沼气内循环，沼气流动过程中会与填料层多次接触；
S5、排出沼气。
10.根据权利要求9所述的沼气原位脱硫方法，其特征在于，所述步骤S1中，需由红外光源对主体厌氧消化反应器进行一定时间的光照驯化，使主体厌氧消化反应器能够稳定运行，主体厌氧消化反应器稳定运行的标志是进料COD去除率和沼气H2S去除率稳定。
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