[发明专利]有机废水脱除沼气中二氧化碳的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于有机废弃物处理和清洁能源开发领域，具体涉及一种有机废水脱除沼气中二氧化碳的方法及其装置。

技术背景

随着我国经济快速发展，能源生产已经无法满足能源消费的快速增长，能源的对外依存度逐年增大，供需矛盾突出，且能源短缺将是一个长期的过程。从能源结构方面来看，纵观人类利用能源发展史，能源形态逐步由固体(煤炭)向液体(石油)再向气体(天然气、未来可能是氢气)发展。从天然气供需来看，自2007年以来我国天然气供需矛盾日益增大，2010年全国天然气产量为967.6亿m³，而天然气消费量为1180亿m³，供需缺口达212.4亿m³。预计2011年、2015年、2020年的我国天然气需求分别为1300亿、1500亿和3000亿m³，届时我国天然气供需矛盾将更为突出。

经厌氧发酵形成的生物燃气(沼气)，其主要成份是CH₄和CO₂，净化提纯后可作为替代天然气。制备生物燃气的主要原料包括农作物秸秆、畜禽粪便、有机废水废渣、农产品加工剩余物、生活有机垃圾、污水污泥等。目前我国可用于生产生物燃气的资源量约折合2.5亿吨标准煤，能转化当量天然气(甲烷)1200亿立方米，相当于我国2010年的天然气消费量。

沼气制备替代天然气的关键步骤是二氧化碳脱除，沼气脱除二氧化碳的方法目前主要有高压水洗法、物理吸收法、化学吸收法、变压吸附(PSA)法、膜分离法。高压水洗、物理吸收、化学吸收、变压吸附(PSA)主要利用吸收/吸附——吹脱/解吸的化工原理，其中物理吸收、化学吸收、变压吸附还需要价格昂贵的吸收剂或吸附剂，膜分离由于需要较昂贵的膜组件以及较高的工作压力，使用该方法的沼气净化工程较少。更为重要的是，以上全部的二氧化碳脱除方法，仅仅是实现了二氧化碳的转移，即从沼气中移出，并没有实现二氧化碳的转化利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种有机废水脱除沼气中二氧化碳的方法及其装置，将沼气中的二氧化碳转化为沼气中的主要成分(甲烷)，提高甲烷产量，实现沼气中二氧化碳的高值利用，并降低沼气脱碳成本。

本发明中有机废水脱除沼气中二氧化碳的方法，包括以下步骤：

(1)有机废水产氢：在微生物电解电池的阳极室预先培养厌氧产电菌，有机废水通入微生物电解电池的阳极室内，在厌氧条件下，废水中的有机质在厌氧产电菌的代谢作用下形成CO₂、质子和电子，CO₂从阳极室排出，完成有机质利用的清水从阳极室排出，质子穿过质子交换膜进入微生物电解电池的阴极室，电子在外界电源的辅助下从阳极电极经过外电路传递到阴极室的阴极电极上，在厌氧条件下，质子和电子在阴极电极的催化作用下生成H₂，H₂从阴极室排出；

阳极室：

阴极室：2H⁺+2e^-→H₂

(2)氢和二氧化碳厌氧发酵产甲烷：收集上述过程获得的H₂，并与沼气(含有CH₄和CO₂)混合增压后，通入预先培养有氢营养型产甲烷菌的厌氧反应器内，H₂和CO₂在氢营养型产甲烷菌的代谢作用下生成CH₄，另外，收集从阳极室排出的清水通入厌氧反应器内，沼气中未被利用的一部分气态CO₂在反应器内高压条件下被清水进一步吸收，完成CO₂转化和吸收后的沼气(主要含CH₄)从厌氧反应器顶部排出，完成CO₂吸收后的高压清水从厌氧反应器底部排出并通入闪蒸罐，利用闪蒸罐回收被清水吸收的少量甲烷，回收的甲烷与沼气原料混合重新输入厌氧反应器内，最后，清水从闪蒸罐排出。

H₂和CO₂厌氧发酵产甲烷：

高压水吸收二氧化碳：CO₂(g)+H₂O →CO₂(l)+H₂O。

本发明还提供了实现上述方法的装置。