TWM625678U - 生物脫硫處理系統 - Google Patents

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嘉俊 鄭
麗梅 李
黃雯婕
謝欣如
陳幸德
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陳哲陽
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

本揭露提供一種生物脫硫處理方法，包含提供生物脫硫處理系統，生物脫硫處理系統包含脫硫反應槽以及脫硫菌培養槽，脫硫反應槽用以接收含有硫化氫的氣體，脫硫菌培養槽用以培養脫硫菌且與脫硫反應槽連接，脫硫反應槽包含脫硫反應區，脫硫反應區包含至少一脫硫層以及至少一支撐層，且脫硫層以及支撐層以交錯的方式堆疊。前述方法更包含將含有硫化氫的氣體載入生物脫硫處理系統中，使含有硫化氫的氣體通過脫硫反應區進行脫硫反應，以去除硫化氫；以及將經脫硫處理後的氣體排出脫硫反應槽。

Description

生物脫硫處理系統
本揭露是關於一種生物脫硫處理系統，且特別是關於包含以特定方式配置的脫硫材料的生物脫硫處理系統。
一般而言，沼氣的成分包含甲烷氣體、二氧化碳氣體以及硫化氫氣體(通常濃度介於200ppmv至8000ppmv之間)，由於沼氣為溫室氣體，因此可將沼氣應用於加熱及發電等能源使用。然而，沼氣中的硫化氫會產生臭味、造成環境汙染且易造成發電設備的腐蝕，因此，降低沼氣中的硫化氫含量為重要的課題。
目前常用的脫硫方法可分為化學脫硫法與生物脫硫法，化學脫硫法多採用吸附脫硫技術(例如，活性炭以及氧化鐵等)與吸收脫硫技術(例如，水洗技術以及鹼水洗技術等)，但有須定期更換吸附材以及耗電等問題，需思考汰換吸附材之處理；生物脫硫法使用微生物進行硫化氫氧化反應，不會產生二次污染物，亦可回收元素硫或是進行硫酸鹽廢水處理，對環境友善，但生物脫硫設備的初期設置成本較高。
承前述，雖然現存的脫硫技術可大致滿足它們原先預定的用途，但其仍未在各個方面皆徹底地符合需求。開發高效率、高穩定性且可降低成本的脫硫系統，仍為相關領域所關注的課題。
根據本揭露一實施例，提供一種生物脫硫處理系統，生物脫硫處理系統包含脫硫反應槽以及脫硫菌培養槽，脫硫反應槽用以接收含有硫化氫的氣體，脫硫菌培養槽用以培養脫硫菌且與脫硫反應槽連接，脫硫反應槽包含脫硫反應區，脫硫反應區包含至少一脫硫層以及至少一支撐層，且脫硫層以及支撐層以交錯的方式堆疊。
根據本揭露一實施例，提供一種生物脫硫處理方法，包含提供生物脫硫處理系統，生物脫硫處理系統包含脫硫反應槽以及脫硫菌培養槽，脫硫反應槽用以接收含有硫化氫的氣體，脫硫菌培養槽用以培養脫硫菌且與脫硫反應槽連接，脫硫反應槽包含脫硫反應區，脫硫反應區包含至少一脫硫層以及至少一支撐層，且脫硫層以及支撐層以交錯的方式堆疊。生物脫硫處理方法更包含將含有硫化氫的氣體載入生物脫硫處理系統中，使含有硫化氫的氣體通過脫硫反應區進行脫硫反應，以去除硫化氫；以及將經脫硫處理後的氣體排出脫硫反應槽。
為讓本揭露之特徵、或優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下針對本揭露實施例的生物脫硫處理系統以及生物脫硫處理方法作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本揭露一些實施例之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式僅為簡單清楚描述本揭露一些實施例。當然，這些僅用以舉例而非本揭露之限定。此外，在不同實施例中可能使用類似及/或對應的標號標示類似及/或對應的元件，以清楚描述本揭露。然而，這些類似及/或對應的標號的使用僅為了簡單清楚地敘述本揭露一些實施例，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。
本揭露實施例可配合圖式一併理解，本揭露之圖式亦被視為揭露說明之一部分。應理解的是，本揭露之圖式並未按照比例繪製，事實上，可能任意的放大或縮小元件的尺寸以便清楚表現出本揭露的特徵。
此外，實施例中可能使用相對性用語，例如「較低」或「底部」或「較高」或「頂部」，以描述圖式的一個元件對於另一元件的相對關係。可理解的是，如果將圖式的裝置翻轉使其上下顛倒，則所敘述在「較低」側的元件將會成為在「較高」側的元件。
應理解的是，雖然在此可使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來敘述各種元件、層、區域或部分，這些元件、層、區域或部分不應被這些用語限定。這些用語僅是用來區別不同的元件、層、區域或部分。因此，以下討論的第一元件、層、區域或部分可在不偏離本揭露之教示的情況下被稱為第二元件、層、區域或部分。
此外，在本揭露一實施例中，關於接合、連接之用語例如「連接」、「互連」等，除非特別定義，否則可指兩個結構係直接接觸，亦可指兩個結構並非直接接觸，而可有其它結構設於此兩個結構之間。
再者，「約」、「實質上」等用語通常表示在一給定值或範圍的10%內、或5%內、或3%之內、或2%之內、或1%之內、或0.5%之內。在此給定的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」、「實質上」的情況下，仍可隱含「約」、「實質上」之含義。用語「範圍介於第一數值及第二數值之間」表示所述範圍包含第一數值、第二數值以及它們之間的其它數值。
除非另外定義，在此使用的全部用語(包含技術及科學用語)具有與本揭露所屬技術領域的技術人員通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語例如在通常使用的字典中定義用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例有特別定義。
本揭露實施例提供一種生物脫硫處理系統，包含脫硫反應槽以及脫硫菌培養槽，脫硫反應槽具有以交錯形式堆疊的脫硫層以及支撐層，可有效增加待處理的氣體停留於脫硫反應槽內與脫硫菌接觸的時間，進而提升脫硫效率。再者，具有特定物理特性的脫硫層以及支撐層可進一步改善脫硫反應槽的填充率並且提升硫化氫的負荷能力，藉此可降低處理系統的初始設置成本。
第1圖顯示根據本揭露一實施例中，生物脫硫處理系統10的示意圖。應理解的是，為了清楚說明，圖中省略生物脫硫處理系統10的部分元件，僅示意地繪示部分元件。根據一實施例，可添加額外特徵於以下所述的生物脫硫處理系統10。
請參照第1圖，生物脫硫處理系統10包含脫硫反應槽100以及脫硫菌培養槽200，脫硫菌培養槽200與脫硫反應槽100連接。詳細而言，根據一實施例，脫硫菌培養槽200可藉由連接部300-2與脫硫反應槽100的頂部連接，且脫硫反應槽100以及脫硫菌培養槽200採用串聯的方式連接。脫硫反應槽100用以接收含有硫化氫的氣體，且於其中對含有硫化氫的氣體進行脫硫反應，脫硫菌培養槽200用以培養脫硫菌。再者，脫硫菌培養槽200培養的脫硫菌可經輸送至脫硫反應槽100，脫硫菌可與含有硫化氫的氣體反應，脫除氣體中的硫化氫。
根據另一實施例，生物脫硫處理系統10可包含複數個脫硫反應槽100以及複數個脫硫菌培養槽200，以處理更大量的氣體，且複數個脫硫反應槽100以及複數個脫硫菌培養槽200可採用前述方式進行連接。例如，根據一些實施例，生物脫硫處理系統10可包含2至5個脫硫反應槽100以及2至5個脫硫菌培養槽200。
根據一些實施例，脫硫反應槽100可包含脫硫反應區100A以及暫存區100B，暫存區100B位於脫硫反應區100A下方並且與脫硫反應區100A相通。根據一特定實施例，脫硫反應區100A以及暫存區100B之間具有隔板100C，隔板100C將脫硫反應槽100分隔為脫硫反應區100A以及暫存區100B，隔板100C可具有複數個孔洞，使得液體可於脫硫反應區100A與暫存區100B之間流通。
根據一實施例，脫硫反應區100A的高度範圍可介於2公尺(m)至4公尺之間。根據一實施例，暫存區100B的高度範圍可介於1 m至2 m之間。
根據一實施例，脫硫反應槽100以及脫硫菌培養槽200的槽體材料例如可包含聚丙烯、聚乙烯、或其它合適的耐腐蝕的材料。
此外，脫硫反應區100A可包含至少一脫硫層110以及至少一支撐層120，且脫硫層110以及支撐層120以交錯的方式堆疊。具體而言，根據一特定實施例，支撐層120可先設置於隔板100C上，脫硫層110接著設置於支撐層120上，並且以此排列方式依序堆疊(例如，以脫硫層110、支撐層120、脫硫層110、支撐層120...的順序由下至上排列)，但本揭露不以此為限。或者，根據另一些實施例，脫硫層110可先設置於隔板100C上，接著設置支撐層120於脫硫層110上，並且以此排列方式依序堆疊(例如，以支撐層120、脫硫層110、支撐層120、脫硫層110...的順序由下至上排列)。
根據一些實施例，脫硫層110各自包含複數個多孔性生物載體110p，支撐層120各自包含複數個支撐元件120p，且多孔性生物載體110p的數量大於支撐元件120p的數量。多孔性生物載體110p可提供脫硫菌附著生長的環境，而支撐元件120p可提供物理性支撐，避免設置於其上方的多孔性生物載體110p過度壓縮造成氣密現象而影響系統操作。應理解的是，由於脫硫層110以及支撐層120分別包含複數個多孔性生物載體110p以及複數個支撐元件120p，在一些情況下，例如於脫硫層110與支撐層120的交界處，可能會有部分的多孔性生物載體110p與支撐元件120p可混摻。
根據一實施例，一層脫硫層110與一層支撐層120可構成一組脫硫單元，且生物脫硫處理系統10可包含2至10組或2至8組的脫硫單元，例如，3組、4組、5組、6組、或7組，但不限於此。在不同的實施例中，亦可根據生物脫硫處理系統10實際應用的情境，調整脫硫單元的數量。根據一些實施例，一脫硫單元的高度與脫硫反應區100A的高度的比例可介於1:1.5至1:6.5之間，或可介於1:2.5至1:5.5之間，例如，1:3.5或1:4.5，但不限於此。
根據一些實施例，複數層脫硫層110的總體積與複數層支撐層120的總體積的比例(亦可視為多孔性生物載體110p的總體積與支撐元件120p的總體積的比例)可介於2:1至5:1之間，例如，3:1或4:1。此外，根據一些實施例，於一脫硫單元中，脫硫層110的體積與支撐層120的體積的比例亦介可於2:1至5:1之間，例如，3:1或4:1。
應注意的是，若脫硫層110與支撐層120的體積比例過小(例如，小於2:1)，則生物脫硫處理系統10的脫硫效率可能會因為多孔性生物載體110p的數量不足而下降；反之，若脫硫層110與支撐層120的體積比例過大(例如，大於5:1)，則支撐層120可能無法提供足夠的物理支撐，使得多孔性生物載體110p過度密集壓縮產生氣密現象。
根據一實施例，多孔性生物載體110p的可壓縮性(compressibility)可大於支撐元件120p的可壓縮性。根據一些實施例，多孔性生物載體110p的硬度可小於支撐元件120p的硬度。根據一些實施例，多孔性生物載體110p的孔徑介於200微米(μm)至2000μm之間或介於1500μm至2000μm之間。根據一些實施例，多孔性生物載體110p的孔隙率小於支撐元件120p的孔隙率，具體而言，多孔性生物載體110p的孔隙率範圍可大於80%，例如介於80%至85%之間，支撐元件120p的孔隙率範圍可大於90%，例如介於90%至95%之間。根據一特定實施例，支撐元件120p可為中空的殼體，且一部分的多孔性生物載體110p可設置於支撐元件120p中。
此外，根據另一實施例，多孔性生物載體110p的比表面積大於支撐元件120p的比表面積。具體而言，根據一些實施例，多孔性生物載體110p的比表面積可介於800公尺 2/公尺 3(m 2/m 3)至8000m 2/m 3之間或介於800m 2/m 3至4000m 2/m 3之間，支撐元件120p的比表面積可介於150m 2/m 3至500m 2/m 3之間。
再者，承前述，脫硫反應槽100中具有隔板100C，隔板100C具有複數個孔洞，根據一些實施例，多孔性生物載體110p以及支撐元件120p的尺寸(例如，直徑)均大於隔板100C的孔洞的尺寸(例如，直徑)，藉此可避免多孔性生物載體110p或支撐元件120p造成孔洞的堵塞，干擾液體於脫硫反應區100A與暫存區100B之間的流通。
根據一些實施例，多孔性生物載體110p的材料可包含聚氨酯(polyurethane，PU)、多孔性泡棉(porous foam)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)、聚乙烯(polyethylene，PE)或前述之組合，但不限於此。根據一些實施例，支撐元件120p的材料可包含聚氨酯(PU)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚氟乙烯(polyvinyl chloride，PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、鐵氟龍(Teflon)、聚偏氯乙烯(PVDF)、陶瓷材料(ceramic)、不銹鋼(carbon steel)或前述之組合，但不限於此。
值得注意的是，前述具有高比表面積、高孔隙率以及高通透性的多孔性生物載體110p可提供脫硫菌(例如，自營性好氧脫硫菌)良好的附著生長環境，進而進行高濃度硫化氫的脫除處理。詳細而言，多孔性生物載體110p能有效攔截硫化氫氣體，增長氣體停留時間，避免氣體短流現象，同時，亦能提升硫化氫氣體與循環液的接觸面積和接觸時間，增加脫硫反應進行的時間。
再者，由於支撐層120由支撐元件120p組成，而非採用板式結構的支撐層，因此可以克服採用板式結構支撐層容易產生的以下問題：流通孔洞的數量及密度受限於板材的面積，若多孔性生物載體長時間使用，會因為元素硫或微生物的附著，使得多孔性生物載體發生壓密且阻塞於流通孔洞，影響系統操作；並且，進行反洗操作時，脫硫層以及支撐層不易產生擾動，無法有效達成反洗的效果。
此外，藉由使用前述具有特定物理特性的多孔性生物載體110p以及支撐元件120p的組合搭配脫硫層110與支撐層120的特定排列方式，可有效提升多孔性生物載體110p以及支撐元件120p於脫硫反應區100A中的填充率(亦即，載體填充率)，以及改善生物脫硫處理系統10可承載的硫化氫負荷量。具體而言，根據一些實施例，多孔性生物載體110p以及支撐元件120p於脫硫反應區100A中的填充率可介於80%至95%之間，或介於90%至95%之間。根據一些實施例，生物脫硫處理系統10的硫化氫的體積負荷率可介於30公克H 2S/公尺 3小時(gH 2S/m 3hr)至250gH 2S/m 3hr之間，或介於30gH 2S/m 3hr至210gH 2S/m 3hr之間，或介於30gH 2S/m 3hr至160gH 2S/m 3hr之間。
此外，藉由使用前述具有特定物理特性的多孔性生物載體110p以及支撐元件120p的組合搭配脫硫層110與支撐層120的特定排列方式，使得生物脫硫處理系統10能夠進行高滴濾流速的操作，可穩定地提供大量的溶氧供脫硫菌使用。具體而言，根據一些實施例，於生物脫硫處理系統10中的循環液的滴濾流速可介於20公尺/小時(m/hr)至50m/hr之間，例如，30m/hr或40m/hr。應注意的是，若循環液的滴濾流速過低(例如，低於20m/hr)，會影響氧氣的傳輸效率以及硫化氫的溶解率，導致脫硫效果變差。關於生物脫硫處理系統10的作動方式將於後文詳細說明。
值得注意的是，於生物滴濾床技術中，載體填充率以及滴濾流速為兩項重要的系統參數。詳細而言，高填充率代表每單位體積的脫硫反應槽內能夠承受更多的硫化氫，因此於相同的硫化氫處理負荷量下，生物脫硫處理系統能在相對較小的槽體體積中維持高效率的硫化氫去除效果，進而可降低處理系統的初始設置成本。
請參照第1圖，根據一些實施例，脫硫反應槽100的頂部可具有灑水裝置130，其可控制進入脫硫反應槽100的液體的流速，並且可以使液體霧化、減小液滴大小，藉此提升液體與氣體的接觸表面積。此外，根據一些實施例，脫硫反應槽100進一步包含氣體入口102以及氣體出口104，氣體入口102設置於脫硫反應槽100的側表面上且對應於脫硫反應區100A，而氣體出口104設置於脫硫反應槽100的頂部。具體而言，根據一些實施例，含有硫化氫的氣體G可從氣體入口102進入脫硫反應槽100的脫硫反應區100A，於脫硫反應進行後，經脫硫處理後的氣體G’再從氣體出口104離開脫硫反應槽100。此外，根據一些實施例，氣體入口102處可具有進氣馬達M1，進氣馬達M1可將含有硫化氫的氣體導入脫硫反應槽100中，並且可控制進氣流量等。
根據一些實施例，暫存區100B可藉由連接部300-1與脫硫菌培養槽200連接，詳細而言，連接部300-1可設置於對應於脫硫反應槽100的暫存區100B的側表面與脫硫菌培養槽200的側表面之間。此外，根據一些實施例，脫硫菌培養槽200可藉連接部300-2與脫硫反應槽100的頂部連接，詳細而言，連接部300-2可設置於對應於脫硫反應槽100的脫硫反應區100A的頂表面與脫硫菌培養槽200的側表面之間。根據一些實施例，連接部300-2可與循環馬達M2連接，循環馬達M2可設置於連接部300-2中，循環馬達M2可提供動力使液體於脫硫菌培養槽200與脫硫反應槽100之間循環，例如，使脫硫菌培養槽200中的液體及脫硫菌輸送至脫硫反應槽100，並且使脫硫反應槽100的暫存區100B中的液體再輸送回脫硫菌培養槽200中。
根據一些實施例，連接部300-1以及連接部300-2可包含管路，管路的材料可包含金屬、非金屬或前述之組合。例如，前述金屬可包含不鏽鋼、銅、鋁或前述之組合，但不限於此。前述非金屬可包含矽膠、鐵氟龍、橡膠或塑膠(例如，聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚氟乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))或前述之組合，但不限於此。
此外，如第1圖所示，根據一些實施例，生物脫硫處理系統10可進一步包含曝氣裝置M3，曝氣裝置M3可藉由連接部300-3與脫硫反應槽100的底部以及脫硫菌培養槽200的底部連接。根據一些實施例，曝氣裝置M3可藉由不同的連接部300-3分別與脫硫反應槽100以及脫硫菌培養槽200連接，並且可以根據不同的需求(例如，進行脫硫模式或清洗模式等)分別對脫硫反應槽100以及脫硫菌培養槽200進行曝氣。
詳細而言，脫硫菌培養槽200可藉由曝氣方式提供足量氧氣供脫硫菌利用，將還原態硫化氫轉化成氧化態硫酸鹽，達到高效率脫硫的目標。此外，值得注意的是，由於脫硫菌培養槽200採用外部曝氣方式大量增殖脫硫菌，可避免空氣混入含有硫化氫的氣體G，影響其組成。再者，可藉由曝氣裝置M3對脫硫反應槽100進行反沖洗，洗去堆積於脫硫反應區100A中的元素硫以及老化的脫硫菌等。
根據一些實施例，脫硫菌培養槽200可進一步配置有酸鹼度、氧化還原電位、溶氧、導電度控制器(未繪示)，酸鹼度、氧化還原電位、溶氧、導電度控制器可用於監控脫硫菌培養槽200內的物質的酸鹼度、氧化還原電位、溶氧、導電度等水質參數值，可根據酸鹼度、氧化還原電位、溶氧、導電度等水質參數的數值的變化決定系統換水或添加營養基質的時機。
此外，本揭露亦提供一種生物脫硫處理方法，包含使用前述生物脫硫處理系統10對氣體進行脫硫處理。下文將以生物脫硫處理系統10的作動方式以說明生物脫硫處理方法。應理解的是，根據一些實施例，可於以下所述生物脫硫處理方法進行前、進行中及/或進行後加入額外的步驟，或是取代或省略一些步驟。
如第1圖所示，可將含有硫化氫的氣體G載入生物脫硫處理系統10中，使含有硫化氫的氣體G通過脫硫反應區100A進行脫硫反應，以去除硫化氫。詳細而言，可藉由開啟進氣馬達M1，使含有硫化氫的氣體G經由氣體入口102進入脫硫反應槽100的脫硫反應區100A內。根據一些實施例，含有硫化氫的氣體G可包含沼氣，但不限於此。根據一些實施例，含有硫化氫的氣體G的進氣流量可介於0.01公尺 3/分鐘(m 3/min)至10公尺 3/分鐘之間，或介於1 m 3/min至8 m 3/min之間。
含有硫化氫的氣體G進入脫硫反應槽100之後，會從脫硫反應區100A的底部向上移動，通過與附著於脫硫層110與支撐層120上的脫硫菌作用，將硫化氫中還原態的硫離子(S 2-)氧化為元素硫(S 0)以及硫酸根離子(SO 4 2-)，藉此使含有硫化氫的氣體G進行脫硫反應。於含有硫化氫的氣體G完成脫硫反應之後，將經脫硫處理後的氣體G’經由氣體出口104排出脫硫反應槽100。
根據一些實施例，脫硫菌可為自營性脫硫菌，包含 Acidthiobacillus spp.、 Mycobacterium spp.、 Thiomonas spp.或其它合適的脫硫菌。詳細而言，於脫硫反應槽100中，含有硫化氫的氣體G會與循環液中的氧氣作用(式1)，並且於好氧環境中與脫硫菌進行氧化還原反應(式2以及式3)，其反應式如下所示： H 2S+0.5O 2→S 0+2H 2O  (-209 kJ/反應；O 2/H 2S=0.5) [式1] S 0+1.5O 2+H 2O→ SO 4 2- +2H +(-587kJ/反應；O 2/H 2S=1.5) [式2] H 2S+2O 2→ SO 4 2- +2H +(-798 kJ/反應；O 2/H 2S=2.0) [式3]
根據本揭露實施例，生物脫硫處理系統10可進行高滴濾流速的操作，能夠穩定地提供大量的溶氧供脫硫菌使用，如上所示，於氧氣充足的情況下(例如，氧氣與硫化氫比例大於1.5)，能夠能避免元素硫的產生(式1)，使含有硫化氫的氣體G於脫硫反應槽100中的最終反應產物為硫酸根(如式2以及式3所示)。再者，於高滴濾流速的操作下，沼氣中的二氧化碳(可作為自營性微生物的碳源)以及硫化氫(目標反應物)的溶解量也相對地增加，因此可提供自營性脫硫菌更有利的環境進行反應。
本揭露實施例提供的生物脫硫處理系統10可具有脫硫模式以及清洗模式，首先，針對於脫硫模式進行說明。於脫硫模式進行時，位於脫硫反應槽100與脫硫菌培養槽200中的液體會循環流動。請參照第1圖，於脫硫菌培養槽200中的脫硫菌可藉由循環液F1輸送至脫硫反應槽100中(圖式中的箭頭可理解為液體的流向)，並且附著於脫硫反應區100A的脫硫層110上，而脫硫反應區100A中的脫硫菌會對含有硫化氫的氣體G進行脫硫反應，脫硫菌與硫化氫的詳細反應步驟如前所述，於此便不再重複。
承前述，脫硫菌培養槽200可藉由連接部300-2與脫硫反應槽100連接。根據一些實施例，脫硫菌培養槽200中可包含脫硫菌、水、硫酸根離子、營養基、或其它合適的成分，而循環液F1的成分與其相同。如同前述，脫硫菌培養槽200中培養的脫硫菌可為自營性脫硫菌，包含 Acidthiobacillus spp.、 Mycobacterium spp.、 Thiomonas spp.或其它合適的脫硫菌。根據一些實施例，脫硫菌培養槽200中培養的菌種可包含40~50%的 Acidthiobacillus spp.、10~20%的 Mycobacterium spp.以及5~15%的 Thiomonas spp.，但不限於此。此外，根據一些實施例，脫硫菌培養槽200中可進一步包含其它有利於微生物生長的菌種。
接著，循環液F1從脫硫反應區100A流至暫存區100B，並且將脫硫反應的部分產物一併輸送至暫存區100B，例如，將脫硫反應後產生的硫酸根離子輸送至暫存區100B。再者，如第1圖所示，暫存區100B藉由連接部300-1與脫硫菌培養槽200連接，因此循環液F1可循環至脫硫菌培養槽200，以提供脫硫菌養分。詳細而言，循環液F1中存在的部分元素或離子可作為脫硫菌的養分來源。值得注意的是，脫硫反應區100A採用反向流模式，亦即，循環液F1的行進方向與含有硫化氫的氣體G的行進方向相反。
此外，於生物脫硫處理系統10的脫硫模式中，曝氣裝置M3會進行操作O1，將空氣輸送至脫硫菌培養槽200中(圖式中的箭頭可理解為氣體的流向)，以提供脫硫菌氧氣。詳細而言，曝氣裝置M3可藉由連接部300-3將空氣打入脫硫菌培養槽200中，增加脫硫菌培養槽200中的液體的含氧量。並且，由於脫硫菌培養槽200採用外部曝氣方式大量增殖脫硫菌，因此可避免空氣混入含有硫化氫的氣體G，影響其組成。
另一方面，當生物脫硫處理系統10進行清洗模式時，於脫硫反應槽100與脫硫菌培養槽200之間進行液體循環會先暫停，於清洗模式中，曝氣裝置M3會進行操作O2，將空氣輸送至脫硫反應槽100中(圖式中的箭頭可理解為氣體的流向)，以清洗脫硫層110以及支撐層120。詳細而言，曝氣裝置M3可藉由連接部300-3將空氣打入脫硫反應槽100中的暫存區100B以及脫硫反應區100A中。特別地，由於多孔性生物載體110p具有可壓縮性，搭配前述反沖洗的操作，可有效地移除附著於多孔性生物載體110p表面的元素硫固體，並且汰換老化的脫硫菌，釋放被佔用的反應空間，維持高效脫硫效率，且可避免長時間操作造成的氣體短流現象。
為了讓本揭露之上述及其它目的、特徵、及優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例、比較實施例，作詳細說明如下，然而其並非用以限定本揭露之內容。
實施例 1
使用前述生物脫硫處理系統10進行脫硫能力的試驗，詳細步驟說明如下。首先，量測沼氣的進氣濃度，且對沼氣的進氣品質進行管控(甲烷的濃度需大於55%、二氧化碳的濃度小於25%)。接著，開啟進氣馬達(0.05m 3/min至0.25 m 3/min)。在開啟進氣馬達之後，開啟循環馬達(9 m 3/hr)，接著，待生物脫硫處理系統10進行處理(脫硫模式)1小時之後，量測沼氣的出氣濃度，記錄結果，並且計算脫硫效率(硫化氫的去除效率)。在5種不同的硫化氫負荷率(loading rate)下，進行脫硫能力的測試，具體而言，以噸級生物脫硫處理系統實施脫硫能力的測試，在5種(46、93、127、160、206 gH 2S/m 3hr)不同的硫化氫負荷率(loading rate)下，評估對硫化氫的去除能力(elimination capacity)以及去除效率(removal efficiency)。實驗內容及結果如表1以及第2圖所示。再者，硫化氫負荷率、硫化氫的去除能力以及去除效率的計算方式如下： 硫化氫負荷率= 進氣流量(m 3/hr)×進氣口硫化氫濃度(mg/L)/ 脫硫反應區100A的體積(m 3) 去除能力= 進氣流量(m 3/hr)×出氣口硫化氫濃度(mg/L)/ 脫硫反應區100A的體積(m 3) 去除率= (進氣口硫化氫濃度-出氣口硫化氫濃度)/進氣口硫化氫濃度×100%
表1
  測試1 測試2 測試3 測試4 測試5
脫硫反應槽總操作體積 (m 3) 0.57 0.57 0.57 0.57 0.57
進氣流量(m 3/hr) 3 6 9 12 15
氣體停留時間 (min) 11.2 5.6 3.73 2.8 2.24
硫化氫進氣濃度(ppmV) 5784 5770 5277 4988 5133
硫化氫的負荷率(gH 2S/m 3hr) 46 93 127 160 206
硫化氫出氣濃度(ppmV) 45 117 257 546 570
硫化氫去除能力 (gH 2S/m 3hr) 46 91 121 143 183
硫化氫去除效率 (%) 99 98 95 89 89
如表1以及第2圖所示，試驗在46 gH 2S/m 3hr較低的硫化氫負荷率下，硫化氫的去除能力為46 gH 2S/m 3hr，硫化氫去除效率為99%；在提高硫化氫的負荷率至160 gH 2S/m 3hr時，硫化氫去除能力些微趨緩，但硫化氫的去除效率仍有89%。如上所示，在硫化氫的負荷率在約40~130 gH 2S/m 3hr的條件下，本揭露的生物脫硫處理系統均可達到95%以上的硫化氫去除效率。以上結果顯示本揭露的生物脫硫處理系統具有良好的硫化氫的去除能力以及去除效率。
比較例1
與文獻“Biogas biological desulphurisation under extremely acidic conditions for energetic valorisation in Solid Oxide Fuel Cells”，Chemical Engineering Journal 255 (2014) 677-685中的實驗數據比較。於前述文獻中，使用生物滴濾塔進行沼氣的脫硫反應，脫硫反應槽中的填充材料全部均為HD-QPAC，在硫化氫負荷率170~209 gH 2S/m 3hr (平均為195 gH 2S/m 3hr)的條件下，對硫化氫的去除能力為142~190 gH 2S/m 3hr (平均為169 gH 2S/m 3hr)，硫化氫的去除效率為72~94%(平均為84%)。
比較例2
與文獻“Performance and Economic Results for two Full Scale Biotrickling Filters To Remove H 2S from Dairy Manure-Derived Biogas”，Applied Engineering in Agriculture, 35(3), 283-291中的實驗數據比較。於前述文獻中，使用生物滴率塔進行沼氣的脫硫反應，脫硫反應槽中的填充材料全部均為圓形聚丙烯結構，並且於農場1及農場2實施，農場1的脫硫反應槽具有兩個隔間(亦即，具有兩層間隔)，而農場2的脫硫反應槽僅有一個隔間(亦即，不具有多層間隔)。於農場1中，在硫化氫負荷率33 gH 2S/m 3hr的條件下，對硫化氫的去除效率為94.5%；於農場2中，在硫化氫負荷率37 gH 2S/m 3hr的條件下，對硫化氫的去除效率為80.1%。
根據實施例1以及比較例1~2的結果，可知本揭露提供的生物脫硫處理系統在相同的硫化氫負荷率下，具有較佳的硫化氫去除能力以及硫化氫去除效率。
綜上所述，於本揭露實施例提供的生物脫硫處理系統中，脫硫反應槽中包含以交錯形式堆疊的脫硫層以及支撐層，相較於一般採用板狀填充材料或單一種類填充材料的脫硫系統，可有效增加待處理的氣體停留於脫硫反應槽內與脫硫菌接觸的時間，進而提升脫硫效率。再者，具有特定物理特性的脫硫層以及支撐層可進一步改善它們的填充率並且提升硫化氫的負荷能力，藉此可降低處理系統的初始設置成本。此外，脫硫菌培養槽採用外部曝氣方式，可提供充足氧氣供大量脫硫菌利用，且可避免空氣混入待處理的氣體，維持穩定的進氣品質。
雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本揭露揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本揭露使用。因此，本揭露之保護範圍包括前述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本揭露之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:生物脫硫處理系統 100:脫硫反應槽 100A:脫硫反應區 100B:暫存區 100C:隔板 102:氣體入口 104:氣體出口 110:脫硫層 110p:多孔性生物載體 120:支撐層 120p:支撐元件 130:灑水裝置 200:脫硫菌培養槽 300-1、300-2、300-3:連接部 F1:循環液 G:含有硫化氫的氣體 G’:經脫硫處理後的氣體 M1:進氣馬達 M2:循環馬達 M3:曝氣裝置 O1、O2:操作
第1圖顯示根據本揭露一實施例中，生物脫硫處理系統的示意圖。 第2圖顯示根據本揭露一實施例中，使用生物脫硫處理系統得到的脫硫試驗結果，其顯示硫化氫的負荷率(loading rate)與去除能力(elimination capacity)及去除效率(removal efficiency)的關係圖。
為讓本揭露之特徵、或優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
10:生物脫硫處理系統
100:脫硫反應槽
100A:脫硫反應區
100B:暫存區
100C:隔板
102:氣體入口
104:氣體出口
110:脫硫層
110p:多孔性生物載體
120:支撐層
120p:支撐元件
130:灑水裝置
200:脫硫菌培養槽
300-1、300-2、300-3:連接部
F1:循環液
G:含有硫化氫的氣體
G’:經脫硫處理後的氣體
M1:進氣馬達
M2:循環馬達
M3:曝氣裝置
O1、O2:操作

Claims (17)

  1. 一種生物脫硫處理系統，包括： 一脫硫反應槽，用以接收含有硫化氫的氣體；以及 一脫硫菌培養槽，用以培養脫硫菌，與該脫硫反應槽連接； 其中該脫硫反應槽包括一脫硫反應區，該脫硫反應區包括至少一脫硫層以及至少一支撐層，且該至少一脫硫層以及該至少一支撐層以交錯方式堆疊。
  2. 如請求項1之生物脫硫處理系統，其中該至少一脫硫層包括複數個多孔性生物載體，該至少一支撐層包括複數個支撐元件，且該複數個多孔性生物載體的數量大於該複數個支撐元件的數量。
  3. 如請求項2之生物脫硫處理系統，其中該複數個多孔性生物載體以及該複數個支撐元件於該脫硫反應區中的填充率介於80%至95%之間。
  4. 如請求項2之生物脫硫處理系統，其中該多孔性生物載體的孔徑介於200微米至2000微米之間。
  5. 如請求項2之生物脫硫處理系統，其中該多孔性生物載體的孔隙率小於該支撐元件的孔隙率。
  6. 如請求項2之生物脫硫處理系統，其中該多孔性生物載體的比表面積大於該支撐元件的比表面積。
  7. 如請求項2之生物脫硫處理系統，其中該多孔性生物載體的可壓縮性大於該支撐元件的可壓縮性。
  8. 如請求項1之生物脫硫處理系統，其中該至少一脫硫層的總體積與該至少一支撐層的總體積的比例介於2:1至5:1之間。
  9. 如請求項1之生物脫硫處理系統，其中該至少一脫硫層的一層與該至少一支撐層的一層構成一組脫硫單元，且該生物脫硫處理系統包括2至10組的脫硫單元。
  10. 如請求項9之生物脫硫處理系統，其中於該脫硫單元中，該脫硫層的體積與該支撐層的體積的比例介於2:1至5:1之間。
  11. 如請求項9之生物脫硫處理系統，其中該脫硫單元的高度與該脫硫反應區的高度的比例介於1:1.5至1:6.5之間。
  12. 如請求項1之生物脫硫處理系統，其中該脫硫反應槽更包括一暫存區，該暫存區位於該脫硫反應區下方並且與該脫硫反應區相通。
  13. 如請求項12之生物脫硫處理系統，其中該暫存區與該脫硫菌培養槽連接。
  14. 如請求項1之生物脫硫處理系統，更包括一曝氣裝置，該曝氣裝置藉由一連接部與該脫硫反應槽的底部以及該脫硫菌培養槽的底部連接。
  15. 如請求項1之生物脫硫處理系統，其中該脫硫菌培養槽藉由一連接部與該脫硫反應槽的頂部連接。
  16. 如請求項1之生物脫硫處理系統，更包括一氣體入口以及一氣體出口，其中該氣體入口設置於該脫硫反應槽的側表面上且對應於該脫硫反應區，該氣體出口設置於該脫硫反應槽的頂部。
  17. 如請求項1之生物脫硫處理系統，其硫化氫的體積負荷率介於30 gH 2S/m 3hr至250 gH 2S/m 3hr之間。
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