一种用于沼气净化的生物脱硫系统的制作方法

本技术涉及沼气净化，尤其涉及一种用于沼气净化的生物脱硫系统。

背景技术：

1、沼气是从微生物厌氧发酵反应中产生的气体产物，其主要成分是甲烷，约占到50-60％(v/v)，其余成分有co2、h2o、以及h2s等，沼气也俗称为生物气。

2、沼气中尤其是在城市污水厂污泥的中温和高温发酵中产生的沼气，往往含有相对较高浓度的硫化氢(h2s)，其浓度可以达到1000mg/nm3以上。硫化氢的存在会导致沼气在燃烧中产生sox，这些酸性气体一旦进入环境会造成城市空气的酸化，形成酸雨和雾霾，危及与之接触的财物甚至生活在其间的人们的身体健康；同时h2s的存在会造成沼气的输送管道、阀门、流量计和终端燃烧器的腐蚀，缩短它们的使用寿命。

3、因此，在沼气产出后，必须脱除其中的h2s。在我国环保标准中规定，利用沼气能源时，沼气气体中h2s含量不得超过20mg/m3。

4、目前沼气脱硫的方法有干法脱硫、湿法脱硫和生物脱硫等不同的方法。

5、其中，生物脱硫技术是利用微生物的生长代谢来吸收转化h2s，将h2s转化成单质硫和少量硫酸，单质硫和硫酸盐进入滤料中或营养液(循环液)中得以去除，而沼气中的甲烷不会被微生物的利用而保持在气相中。生物脱硫技术包括生物过滤法、生物滴滤法、生物洗涤法。在大多数脱硫生物反应器中，微生物种类以细菌为主，常用的细菌是硫杆菌属的氧化亚铁硫杆菌，脱氮硫杆菌及排硫杆菌等化能自养菌。最成功的代表是氧化亚铁硫杆菌，其生长的最佳ph值为2.0～2.2。

6、目前较成熟的沼气生物脱硫集成技术，主要包括奥地利英环(environtec)生物滤池脱硫工艺和荷兰帕克公司的壳牌-帕克工艺(shell-paq工艺)等，这些工艺已经在生产实际中得到了应用。

7、其中：environtec生物脱硫技术是将一定量的空气导入含有硫化氢的沼气中，混合气体通过生物脱硫塔去除硫化氢。在反应器内部安装有特殊的塑料填料，它们为脱硫细菌繁殖提供充分的附着表面。营养液的循环使填料保持潮湿状态，并且补充脱硫细菌生长繁殖所需的营养。专属菌种(如丝硫菌属或者硫杆菌属)借助营养液在填料中繁殖。在这样的条件下，他们从混合沼气中吸收硫化氢，并将他们转化为单质硫，部分进而转化为硫酸。

8、主要的化学反应式如下：2h2s+o2＝2s+2h2o

9、s+h2o+1.5o2＝h2so4

10、生成的硫酸在营养液和自来水的缓冲中和作用下，连续或定时排出系统。

11、另外，shell-pac工艺在吸收塔中使用弱碱(如na2co3或nahco3)来吸收h2s，吸收塔中不通入空气，利用化能自养细菌的代谢作用(co2作为碳源和电子受体)，将h2s转化成硫氢化物，将使用过的吸收液排出吸收塔并通入曝气池进行碱液再生，同时将生成的硫化物转变成单质硫并通过沉淀去除，再生和沉淀后的碱液回到吸收塔循环使用。

12、主要的反应如下：吸收阶段：h2s+oh-＝hs-+h2o

13、再生阶段：2hs-+o2＝2s+2oh-

14、shell-pac工艺避免了在脱硫塔内导入空气，可以获得很高h2s脱除率，但是需要补充大量的脱硫液(碱液)，同时再生中也需要使用大量的氧气。

15、us9890343b2公开了一种采用生物过滤的沼气脱硫技术，沼气在进入生物过滤单元前在连接容器中采用雾化喷嘴喷入含硝酸根(主要是硝酸钙)的溶液和营养液，硝酸根溶液的浓度45-50％，雾化喷嘴所需要的载气使用脱硫以后的净化气，这样在生物滤床内，随气体带入的h2s和硝酸盐以及营养成分(如磷和其他微量元素)被微生物利用，并将h2s在缺氧的条件下氧化成单质硫和少量硫酸，为了避免生成碳酸钙堵塞滤料，硝酸盐溶液中添加edta螯合剂。该方法使用硝酸根作为脱硫反应的电子受体，避免了使用空气中的氧来作为电子受体，从而避免了随空气添加的氮气(占空气的80％)进入沼气中。氧气的加入不仅使得沼气增加了爆炸的危险，氮气的加入会冲淡沼气。但是，采用生物过滤装置脱硫，需要较长的停留时间，装置体积比较大，同时，采用雾化喷嘴会额外消耗许多能量，雾化喷嘴容易堵塞。所产生的单质硫会混在生物过滤滤料中，需要经常清洗滤料，排出单质硫。

16、由上可知，现有的沼气生物脱硫技术多利用化能自养生物的硫氧化作用，将h2s转换成单质硫和/或硫酸从而将其从气相中除去。

17、具体的生物脱硫工艺有直接在沼气中混入空气作为生物脱硫的电子供体，微生物、微生物的营养剂(氮磷和其他无机矿物成份)、电子供体在同一个脱硫塔中进行利用和反应，按照是否填充填料以及循环液的流量大小，可以分为生物过滤法、生物滴滤法和生物洗涤法；这些方法都有氧化剂加入(来自空气)，反应装置比较简单，脱硫效果较好的优点，缺点是混入空气会在沼气中增加氮气成份，降低沼气的品质；氧气的加入量过多，也会产生过多的硫酸；循环液一般呈酸性，装置需要防腐，酸性条件下h2s的跨相传质效率较低，影响整个反应的反应效率；

18、加入氧气，增加了沼气的爆炸风险，一旦沼气中混入过量的氧气，则极易引起燃烧甚至爆炸，因此通常在运行时加入的氧的量不足，保证氧气能全部消耗，这样有可能脱硫效率较差，脱硫率不高。

19、把循环液引入再生池，在再生池中通入氧气进行曝气，使得脱硫循环液的碱液得到再生、ph值回复到碱性，这样的做法在一定程度上可以降低沼气主脱硫装置的材质要求，减少或免除主脱硫装置中氧气的需要，但是工艺的复杂程度提高了，增加了反应容器，同时在液体中进行曝气反应，氧的利用效率较低(一般只有10％左右的使用效率)，需要相对多的氧气进行鼓风曝气，这会增加脱硫处理的能耗。利用生物过滤装置的方法，尽管不需要大量的循环液，但反应需要较长的停留时间，装置体积大，所产生的硫磺会堵塞生物过滤滤床，同时还有容易引起滤床酸化，微生物生长速度减慢，脱硫效率低下的问题。

20、采用雾化硝酸盐溶液加入到生物过滤装置中去，避免了使用空气脱硫的种种弊端，在缺氧环境下利用硝酸根作为电子受体，微生物的硫氧化速率相对较快，可以更好地将硫氧化反应控制在单质硫的生成，从而不易造成滤床酸化。其缺点是生物过滤单元需要比较大的体积和反应空间，生成的单质硫混在生物滤床中，很难去除，同时，硝酸根中混入的钙离子会和co2反应生成碳酸钙，因此需要加入螯合剂降低滤床的积垢。

21、综合以上分析，目前的沼气生物脱硫工艺还存在种种不足，需要进一步的优化改进。本实用新型旨在提供一种更为高效、稳定、安全、经济的沼气生物脱硫系统，利用废水中的硝酸根来作为电子受体，在缺氧条件下，在生物脱硫塔内进行脱硫，废水中的无机盐类也可以用作微生物生长的营养来源，从而克服以上的目前沼气生物脱硫工艺的一些不足。

技术实现思路

1、本实用新型公开了一种用于沼气净化的生物脱硫系统，利用废水及循环液中的硝酸根作为电子受体，在缺氧条件下，在生物脱硫塔内进行脱硫净化，废水中的无机盐类也可以用作微生物生长的营养来源，从而克服以上的目前沼气生物脱硫工艺的一些不足。

2、为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

3、一种用于沼气净化的生物脱硫系统，包括脱硫塔，所述脱硫塔下部连通设有进气管，所述脱硫塔顶部连通设有出气管，所述脱硫塔中部设有生物净化部，所述生物净化部上部设有喷淋部，所述进气管与产生沼气的设备连接，需净化的沼气由所述进气管进入所述脱硫塔并通过生物净化部进行净化，净化后沼气通过所述出气管排出并收集，所述喷淋部通过管道与提供废水的废水部连通，所述废水部将含有化能自养生物脱硫所需含有电子受体及营养成分的废水通过所述喷淋部喷淋至所述生物净化部；

4、所述脱硫塔下部设有循环液储槽，所述循环液储槽连通至循环再生部，所述循环再生部通过管道与所述喷淋部连通，所述循环再生部将循环液通过所述喷淋部喷淋至所述生物净化部进行循环利用；

5、本方案还包括中央控制部(没有在附图上标出)，所述中央控制部与所述进气管、出气管、循环再生部及废水部信号控制连接，所述中央控制部根据连接各部反馈的信号对生物脱硫系统进行运行控制。

6、作为本实用新型进一步的方案：所述废水部包括废水好氧处理池，所述废水好氧处理池连通设有废水沉淀池，所述废水沉淀池上清液出水口连通设有废水缓冲池，所述废水缓冲池后部连通设有废水泵，所述废水泵通过管道将废水供应到所述喷淋部。

7、废水好氧处理池是污泥发酵罐附近的污水处理系统的组成部分，包括污水处理系统的硝化装置，可以是普通二级活性污泥系统的曝气池，或者厌氧/好氧(a/o)或者厌氧/缺氧/好氧aao脱氮系统的好氧段，也可以是序批式生物处理系统的好氧时段，也可以是其他含有较高浓度硝酸盐的处理装置。对这些处理装置后面带有沉淀池的情形，也可以直接从沉淀池取水，此时，可以省去废水沉淀池的设置。

8、作为本实用新型进一步的方案：所述废水沉淀池底部污泥区与所述废水好氧处理池通过管道连通，管道上设有阀门，所述废水沉淀池底部沉淀物通过管道和污泥回流泵可排回所述废水好氧处理池。

9、作为本实用新型进一步的方案：所述废水缓冲池上部设有可添加氮(硝酸盐)磷(磷酸盐)的添加管，所述添加管上设有电动阀门，所述废水缓冲池上部设有分别测量废水硝酸盐和磷酸盐的探头，所述废水硝酸盐和磷酸盐探头及电动阀门均与控制器连接，所述废水硝酸盐和磷酸盐探头将废水中硝酸盐和磷酸盐浓度信息传输给控制器，控制器通过控制所述电动阀门控制氮磷的添加量，所述废水泵通过变频器与控制器连接，所述控制器通过变频器可控制所述废水泵的流量。

10、废水缓冲池内废水的添加量由废水中硝酸根浓度和磷酸根浓度和进气中的h2s共同决定，进入滴滤塔内的h2s：no3：po4(重量比)＝8-15：8-12：1；h2s-s：no3-n：po4-p＝10-15：6-10：1，最佳为h2s：no3：po4(重量比)＝10：10：1或h2s-s：no3-n：po4-p 10：6：1。

11、作为本实用新型进一步的方案：所述循环再生部包括曝气再生池，所述曝气再生池与所述循环液储槽连通，所述曝气再生池底部设有多个曝气头，所述曝气头连通设有气泵对循环液进行曝气，所述曝气再生池连通设有循环沉淀池，所述循环沉淀池清水区连通设有循环缓冲池，所述循环缓冲池后部连通设有循环泵，所述循环泵通过管道将循环液供应到所述喷淋部。所述循环泵通过变频器与控制器连接，控制器通过变频器对所述循环泵的流量进行控制。

12、作为本实用新型进一步的方案：所述气泵通过变频器与控制器连接，所述曝气再生池顶部设有ph探头，所述ph探头与控制器连接，所述ph探头将所述曝气再生池内部ph值信号传输给控制器，控制器通过变频器对所述气泵的供气量进行控制。

13、作为本实用新型进一步的方案：所述循环沉淀池底部一侧与所述曝气再生池通过管道连通，管道上设有阀门和污泥回流泵，所述循环沉淀池底部另一侧设有排泥管，所述排泥管上设有阀门，所述循环缓冲池侧面设有废液排放管。

14、作为本实用新型进一步的方案：所述进气管及出气管上设有硫化氢探头，所述硫化氢探头与控制器连接。

15、与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

16、1、使用废水处理中的硝化液等含有高浓度硝酸根、溶解氧和磷酸根的废水作为脱硫液的补充液，可以降低沼气脱硫的成本；废水处理系统中好氧生物处理段废水中含有大量微生物生长所需要的无机盐和微量元素，因此无需人工配置和添加其他的营养成份；本技术与在生物过滤装置中添加硝酸钙的工艺相比，不会造成填料层和装置表面的结垢，所产生的单质硫也不会在滤料中结存，造成滤料层堵塞。

17、2、利用废水作为脱硫液，由于废水中同时含有硝酸根和溶解氧，都可以作为电子受体，可以在脱硫塔内避免加入气态氧气，在这种缺氧环境下，化能自养微生物利用沼气中的co2作为碳源，利用h2s作为能量来源，硝酸根和溶解氧作为电子受体，这种反硝化生物脱硫系统可以更为有效地将h2s转化成单质硫，最大限度地减少硫酸的生成，从而减少废液的产生量，脱硫效率可以达到90％以上；同时可以降低脱硫塔的脱硫时间，减少脱硫塔的体积，同时也能减轻曝气再生池的负担，曝气再生池的体积也可以缩小，再生所需要的曝气量也可以减少。相比在脱硫塔中加入空气的脱硫塔，反应效率可以提高20％以上；同时由于绝大部分h2s已经在脱硫塔内转化成单质硫，循化液中的硫氢根等酸性成份浓度已经较低，在曝气再生池中所需要的通过曝气来转化的硫氢根大大减少，所以相比shell-pac一类的设置生物再生池的工艺，曝气量可以显著减少，用很少的曝气量就可以将循环液再生，回复循环液的脱硫活性。

18、3、中央控制部(没有在附图中显示)分别与各控制器信号控制连接，可对生物脱硫系统进行整体智能控制；硫化氢探头通过检测进气管中h2s的浓度以及计算出的随沼气进入脱硫塔的h2s的量，可以决定需要控制的硝酸盐浓度和磷酸盐的浓度，进而控制废水的添加量，实现一定程度上的自动添加。

19、4、硫化氢探头通过检测出气管中h2s的浓度，决定生物再生循化液的流量大小，从而优化控制整个系统的脱硫效果。