[发明专利]一种膜分离沼气生物脱硫方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于污水处理领域，特别涉及一种用于处理城市污水处理厂高含固污泥厌氧消化产生的低浓度硫化氢沼气的沼气生物脱硫方法及其装置。

背景技术

传统的城市污水处理厂污泥厌氧消化产生的沼气中含有高浓度的硫化氢(硫化氢浓度在1000-2000ppm左右)，硫化氢具有毒性且会腐蚀厌氧消化及沼气利用装备，其存在不仅限制了沼气利用，而且间接阻碍了厌氧消化规模化应用。目前国内主要沼气脱硫工艺为物理法、化学法和生物法。其中，化学法中湿法和干法脱硫技术都存在一次性投资高、运行管理复杂及脱硫成本高的缺点。生物脱硫是指通过硫氧化细菌的代谢去除沼气中的硫化氢，根据供氧量的不同使得脱硫产物为硫单质或硫酸盐。该法具有高效率、低能耗、设备简单的优点，不需要催化剂，且产生的污泥量较少，并可将硫以硫单质的形式回收。

沼气吸收塔生物脱硫工艺是目前应用较多的工艺，例如专利CN101602971A与专利CN201817453U中以含有硫氧化菌的碱性吸收液(多为NaOH)先与沼气接触洗涤硫化氢，将硫化氢转化为硫化钠后，在反应池内对吸收液进行曝气，脱硫菌将硫化钠氧化为硫酸盐。专利CN103071378A通过增加溶解氧控制系统等进行改进后脱硫产物主要为硫单质，为了完成生物脱硫及硫单质回收，但需设置反应池对吸收液进行曝气以及沉淀池对硫单质进行沉淀，同时需单独设置清液池放置回流泵及加药以避免影响硫单质的沉淀。沼气膜分离工艺的主要原理是，沼气在通过膜组件后，沼气中的硫化氢被分离至吸收液中，从而完成沼气脱硫，其所采用的吸收液与沼气吸收塔的碱性吸收液相同。沼气吸收塔生物脱硫与沼气膜分离工艺虽然可以有效避免氧气对沼气的影响，但运行成本较高，同时吸收液处理单元过多带来了占地面积大、操作复杂等问题。

为了简化沼气吸收塔生物脱硫工艺，近年来提出了消化池内沼气生物脱硫工艺以及沼气反应塔生物脱硫工艺。消化池内沼气生物脱硫工艺通过在消化池顶部添加脱硫菌床及空气管路，脱硫菌床中附着着硫氧化细菌、空气管路将消化池顶部变为微氧环境，硫氧化细菌利用空气中的氧气将硫化氢代谢为硫化物，该工艺可以有效减少硫化氢处理单元，但通入的空气带来沼气的稀释及安全性问题。沼气反应塔生物脱硫是指在硫氧化细菌代谢硫化氢的过程在塔内进行的工艺，目前采用的主要供氧方式为，将一定量的空气混合入沼气中进入脱硫塔，附着在填料上的硫氧化细菌利用空气中氧气代谢硫化氢。沼气反应塔生物脱硫工艺目前已完成一些改良，如专利CN103977703A通过氧浓度传感器自动控制空气添加量，专利CN101948705A通过分隔沼气与空气反应区提高脱硫安全性。虽然脱硫塔内的氧气浓度可以被有效控制，但该工艺对操作人员的要求较高、运行过程中存在一定的风险。引入的氧气仅有30％～40％被硫氧化细菌利用，脱硫后仍有一定量的氧气残留在沼气中。混合空气中引入的氮气会稀释沼气中甲烷的浓度，降低沼气的品质，若将空气改为氧气则会导致运行费用的增加。为了解决沼气反应塔生物脱硫工艺及消化池内沼气生物脱硫工艺中因为引入空气带来的沼气稀释及安全性的问题，一些研究(生物塔外曝气法去除沼气中H₂S的研究，生物填料塔净化处理沼气中硫化氢的试验研究)将沼气反应塔生物脱硫工艺采用循环液曝气的方法供氧。外曝气型沼气反应塔生物脱硫的特点是采用硫代硫酸钠或硫化钠培养硫氧化细菌、循环液中的溶解氧浓度>1.0mg/L、沼气中残留溶解氧浓度<0.56g/m³，其主要的脱硫产物为硫酸盐，该工艺对沼气中残留一定量的氧的问题仍未解决。

随着污泥热水解预处理技术的发展与应用，城市污水处理厂高含固污泥厌氧消化替代常规污泥厌氧消化成为一种趋势。针对高含固污泥厌氧消化产生沼气气量大(投加单位立方米污泥产气量约为常规污泥厌氧消化的3倍)、硫化氢浓度低(<200ppm)的特点，现有的脱硫工艺已不能满足其脱硫需求。

具体表现在：硫化氢浓度过低导致干法或湿法化学脱硫及沼气膜分离工艺的脱硫效率偏低及气体流量较大，运行费用和基建费用较高；如采用沼气反应塔生物脱硫工艺及消化池内沼气生物脱硫工艺，由于硫化氢含量很低，如按照常规的沼气与空气比例(4～6％)进行添加，会导致多余的空气稀释沼气，在降低甲烷浓度的同时带来安全隐患；如采用沼气吸收塔生物脱硫工艺时，为了适应气量的增加而加大喷淋量导致吸收液处理单元体积在原有基础上进一步增加，吸收液体积及流速的增加会影响曝气、温度等控制系统的稳定性及精确性，同时填料体积的增加会导致塔内压降过大，由于沼气中硫化氢浓度较低，在通过填料层时会导致硫氧化细菌对硫化氢的代谢速率下降，导致脱硫效率降低。

发明内容