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沼气生物脱硫的关键技术及应用研究

刘卫国  
【摘要】:沼气作为可再生能源已成为我国能源战略的重要组成部分,开发高效的脱硫技术是沼气有效利用的重要保证。与常规的化学脱硫相比,生物脱硫技术具有处理成本低和无二次污染等优势。沼气生物脱硫技术引起众多研究者的关注。沼气生物脱硫主要由2部分组成,首先通过吸收液把沼气中H2S吸收下来,接着脱硫细菌把吸收液中的硫化物氧化成单质硫或者硫酸根。国内对于沼气生物脱硫技术处于起步阶段。本研究首先建立单质硫的分析方法,采用硫化钠模拟废水研究了pH、溶解氧(DO)、水力停留时间(HRT)、温度和盐度等运行参数对硫化物生物氧化成单质硫的影响。采用PCR-DGGE技术分析高含盐生物脱硫反应器中的优势菌种。采用16S rDNA克隆文库技术分析高含盐生物脱硫系统细菌多样性。在留民营沼气站开展了日处理沼气100m3生物脱硫的中试研究和日处理沼气1000m3生物脱硫示范工程研究。在高碑店污水处理厂开展污泥厌氧消化产沼气中高浓度H2S生物脱硫中试研究。单质硫的测定还没有成熟的方法。论文中首先建立了液-液萃取与气相色谱-质谱联用分析环境样品单质硫方法。CS2作为测定单质硫的萃取溶剂优于CCl4。此方法测定单质硫形态的线性范围为5-200 mg/L,测定下限达到0.11mg/L。在其检测下限,5个平行样的相对标准偏差为3.18%。率先采用液-液萃取与气相色谱-质谱联用仪定量分析环境样品中单质硫的方法是本文的一个创新点。从降低生物脱硫的成本考虑,生物脱硫的关键技术是把硫化物氧化成单质硫。为了研究问题的方便,采用硫化钠模拟废水代替吸收液中的硫化物,研究工艺参数对单质硫生成的影响,探索影响单质硫生成的关键因素。硫化钠模拟废水生物脱硫研究表明,脱硫细菌在pH7.8-8.2时活性最高。增加溶解氧浓度会降低单质硫的生成率。当DO浓度在2.55mg/L时,硫的去除负荷和单质硫的产率最高。当脱硫负荷保持不变时,HRT对脱硫效果的影响很小。最有效的脱硫温度是33。当盐浓度从0.5%升至2.5%时,脱硫负荷从2.85kg/(m3·d)降至0.51kg/(m3·d),在生物脱硫反应器中,保持一个合适的盐度非常必要。组合填料和半软性填料的脱硫负荷相差不大,采用组合填料生成的污泥沉降性好于半软性填料。聚合氯化铁对单质硫混凝效果优于聚合氯化铝。为了明确生物脱硫系统的优势菌种,方便相关研究者进一步完善生物脱硫技术,采用pcr-dgge方法对反应器中的优势菌种进行分析。菌种分析表明,高盐度废水生物脱硫系统的优势菌种包括halothiobacillussp.st15,unculturedbacteriumclonej69-151c-2a,thiobacillussp.isa11,和marinebacteriumhb-5等4种。主要脱硫细菌是硫杆菌属的thiobacillussp.isa11和盐生硫杆菌属的halothiobacillussp.st15。pcr-dgge技术只能表明生物反应器中存在的优势菌种,并不能明确表明各类细菌所占的比例。论文进一步采用16srdna克隆文库方法对细菌的多样性进行分析。研究表明,高含盐生物脱硫系统中的微生物主要包括3种类群:变形菌类群、放线菌类群和鞘脂杆菌类群。细菌类群优势顺序为:γ-变形菌占55.9%,β-变形菌占17.6%,放线菌占8.8%,δ-变形菌占5.9%,α-变形菌占5.9%,鞘脂杆菌占2.9%。生物脱硫系统中主要的脱硫细菌是盐生硫杆菌属halothiobacillussp.st15(占55.9%)和硫杆菌属thiobacillussp.uam-i(占14.7%)。成功培养halothiobacillussp.st15成为脱硫系统的优势菌种是本研究的重要创新点。硫化钠模拟废水研究确定控制单质硫生成的工艺条件,pcr-dgge技术和16srdna克隆文库方法进一步明确反应器中的优势菌种。上述研究为开展沼气生物脱硫技术奠定坚实的基础。论文在上述研究的基础上,在留民营沼气站开展日处理100m3沼气的生物脱硫中试实验。当h2s浓度在2800-4200mg/m3之间,气液体积比10:1,控制吸收液ph在7.8-8.2之间,吸收液温度25℃的条件下,吸收塔内沼气中h2s的去除率达到90%以上。生物脱硫中试实验基础上,在留民营沼气站建立生物脱硫示范工程,其处理规模1000m3/d,沼气中h2s浓度2800-4200mg/m3,在ph=8、气水比10:1和47s的接触时间,h2s的去除率达到90%。硫化物转化成单质硫的比例85%。在示范工程成功运行的基础上,生物脱硫成功入选2012年北京市节能低碳技术,沼气生物脱硫技术成功实现工程化应用。在高碑店开展污泥厌氧消化产生的沼气生物脱硫技术中试研究。其沼气中h2s浓度较高,在7000-8400mg/m3之间,当气液比是10:1,吸收液ph达到8.3时,103s的接触时间,处理后沼气中h2s浓度为115mg/m3,实验运行效果达到863项目的技术要求。高碑店沼气生物脱硫反应器中有4种优势菌种,其中可以氧化硫化物的菌种依次为:①螺杆菌科sulfurimona属的sulfurimonassp.rs_sur15-1;②螺杆菌科sulfurimona属的sulfurimonasautotrophicadsm16294;③盐生硫杆菌属的halothiobacillusneapolitanusstraincip104769;④硫杆菌属的Thiobacillus sp.ISA11。成功地把生物脱硫技术应用于污泥厌氧消化产生的含高浓度H2S沼气脱硫。


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