一種膜分離沼氣生物脫硫方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于污水處理領(lǐng)域，特別涉及一種用于處理城市污水處理廠高含固污泥厭 氧消化產(chǎn)生的低濃度硫化氫沼氣的沼氣生物脫硫方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的城市污水處理廠污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中含有高濃度的硫化氫（硫化 氫濃度在1000-2000ppm左右），硫化氫具有毒性且會(huì)腐蝕厭氧消化及沼氣利用裝備，其存 在不僅限制了沼氣利用，而且間接阻礙了厭氧消化規(guī)?；瘧?yīng)用。目前國(guó)內(nèi)主要沼氣脫硫工 藝為物理法、化學(xué)法和生物法。其中，化學(xué)法中濕法和干法脫硫技術(shù)都存在一次性投資高、 運(yùn)行管理復(fù)雜及脫硫成本高的缺點(diǎn)。生物脫硫是指通過硫氧化細(xì)菌的代謝去除沼氣中的硫 化氫，根據(jù)供氧量的不同使得脫硫產(chǎn)物為硫單質(zhì)或硫酸鹽。該法具有高效率、低能耗、設(shè)備 簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，不需要催化劑，且產(chǎn)生的污泥量較少，并可將硫以硫單質(zhì)的形式回收。
[0003] 沼氣吸收塔生物脫硫工藝是目前應(yīng)用較多的工藝，例如專利CN101602971A與專 利CN201817453U中以含有硫氧化菌的堿性吸收液（多為NaOH)先與沼氣接觸洗滌硫化氫， 將硫化氫轉(zhuǎn)化為硫化鈉后，在反應(yīng)池內(nèi)對(duì)吸收液進(jìn)行曝氣，脫硫菌將硫化鈉氧化為硫酸鹽。 專利CN103071378A通過增加溶解氧控制系統(tǒng)等進(jìn)行改進(jìn)后脫硫產(chǎn)物主要為硫單質(zhì)，為了 完成生物脫硫及硫單質(zhì)回收，但需設(shè)置反應(yīng)池對(duì)吸收液進(jìn)行曝氣以及沉淀池對(duì)硫單質(zhì)進(jìn)行 沉淀，同時(shí)需單獨(dú)設(shè)置清液池放置回流泵及加藥以避免影響硫單質(zhì)的沉淀。沼氣膜分離工 藝的主要原理是，沼氣在通過膜組件后，沼氣中的硫化氫被分離至吸收液中，從而完成沼氣 脫硫，其所采用的吸收液與沼氣吸收塔的堿性吸收液相同。沼氣吸收塔生物脫硫與沼氣膜 分離工藝雖然可以有效避免氧氣對(duì)沼氣的影響，但運(yùn)行成本較高，同時(shí)吸收液處理單元過 多帶來了占地面積大、操作復(fù)雜等問題。
[0004] 為了簡(jiǎn)化沼氣吸收塔生物脫硫工藝，近年來提出了消化池內(nèi)沼氣生物脫硫工藝以 及沼氣反應(yīng)塔生物脫硫工藝。消化池內(nèi)沼氣生物脫硫工藝通過在消化池頂部添加脫硫菌床 及空氣管路，脫硫菌床中附著著硫氧化細(xì)菌、空氣管路將消化池頂部變?yōu)槲⒀醐h(huán)境，硫氧化 細(xì)菌利用空氣中的氧氣將硫化氫代謝為硫化物，該工藝可以有效減少硫化氫處理單元，但 通入的空氣帶來沼氣的稀釋及安全性問題。沼氣反應(yīng)塔生物脫硫是指在硫氧化細(xì)菌代謝硫 化氫的過程在塔內(nèi)進(jìn)行的工藝，目前采用的主要供氧方式為，將一定量的空氣混合入沼氣 中進(jìn)入脫硫塔，附著在填料上的硫氧化細(xì)菌利用空氣中氧氣代謝硫化氫。沼氣反應(yīng)塔生物 脫硫工藝目前已完成一些改良，如專利CN103977703A通過氧濃度傳感器自動(dòng)控制空氣添 加量，專利CN101948705A通過分隔沼氣與空氣反應(yīng)區(qū)提高脫硫安全性。雖然脫硫塔內(nèi)的氧 氣濃度可以被有效控制，但該工藝對(duì)操作人員的要求較高、運(yùn)行過程中存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。引 入的氧氣僅有30%~40%被硫氧化細(xì)菌利用，脫硫后仍有一定量的氧氣殘留在沼氣中?；?合空氣中引入的氮?dú)鈺?huì)稀釋沼氣中甲烷的濃度，降低沼氣的品質(zhì)，若將空氣改為氧氣則會(huì) 導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用的增加。為了解決沼氣反應(yīng)塔生物脫硫工藝及消化池內(nèi)沼氣生物脫硫工藝中 因?yàn)橐肟諝鈳淼恼託庀♂尲鞍踩缘膯栴}，一些研宄（生物塔外曝氣法去除沼氣中H2S 的研宄，生物填料塔凈化處理沼氣中硫化氫的試驗(yàn)研宄）將沼氣反應(yīng)塔生物脫硫工藝采用 循環(huán)液曝氣的方法供氧。外曝氣型沼氣反應(yīng)塔生物脫硫的特點(diǎn)是采用硫代硫酸鈉或硫化鈉 培養(yǎng)硫氧化細(xì)菌、循環(huán)液中的溶解氧濃度>1. 〇mg/L、沼氣中殘留溶解氧濃度〈0. 56g/m3,其 主要的脫硫產(chǎn)物為硫酸鹽，該工藝對(duì)沼氣中殘留一定量的氧的問題仍未解決。
[0005] 隨著污泥熱水解預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，城市污水處理廠高含固污泥厭氧消化 替代常規(guī)污泥厭氧消化成為一種趨勢(shì)。針對(duì)高含固污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣氣量大（投加單 位立方米污泥產(chǎn)氣量約為常規(guī)污泥厭氧消化的3倍）、硫化氫濃度低（<200ppm)的特點(diǎn)，現(xiàn) 有的脫硫工藝已不能滿足其脫硫需求。
[0006] 具體表現(xiàn)在：硫化氫濃度過低導(dǎo)致干法或濕法化學(xué)脫硫及沼氣膜分離工藝的脫 硫效率偏低及氣體流量較大，運(yùn)行費(fèi)用和基建費(fèi)用較高；如采用沼氣反應(yīng)塔生物脫硫工藝 及消化池內(nèi)沼氣生物脫硫工藝，由于硫化氫含量很低，如按照常規(guī)的沼氣與空氣比例（4~ 6% )進(jìn)行添加，會(huì)導(dǎo)致多余的空氣稀釋沼氣，在降低甲烷濃度的同時(shí)帶來安全隱患；如采 用沼氣吸收塔生物脫硫工藝時(shí)，為了適應(yīng)氣量的增加而加大噴淋量導(dǎo)致吸收液處理單元體 積在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加，吸收液體積及流速的增加會(huì)影響曝氣、溫度等控制系統(tǒng)的穩(wěn) 定性及精確性，同時(shí)填料體積的增加會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)壓降過大，由于沼氣中硫化氫濃度較低，在 通過填料層時(shí)會(huì)導(dǎo)致硫氧化細(xì)菌對(duì)硫化氫的代謝速率下降，導(dǎo)致脫硫效率降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種沼氣生物脫硫方法及其裝置， 通過本方法和裝置的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了沼氣在不接觸氧氣的情況下完成生物脫硫的過程，避免了 安全隱患的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)生物脫硫。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0009] 一種膜分離沼氣生物脫硫方法，該方法包括通過中空纖維膜組件將沼氣中的硫化 氫氣體與沼氣分離，分離后的硫化氫氣體在中空纖維膜組件外進(jìn)行生物脫硫處理，分離硫 化氫氣體后的沼氣穿過中空纖維膜組件進(jìn)行收集。
[0010] 一種膜分離沼氣生物脫硫裝置，該裝置包括反應(yīng)塔，在反應(yīng)塔內(nèi)設(shè)置中空纖維膜 組件，中空纖維膜組件的一端連通進(jìn)氣管，中空纖維膜組件的另一端連通出氣管；在反應(yīng)塔 內(nèi)填放填料，使填料包圍中空纖維膜組件。
[0011] 具體的，所述的填料表面附著硫氧化菌群進(jìn)行硫化氫氣體的生物脫硫并氧化為 硫單質(zhì)，所述的硫氧化菌群包括Halothiobacillusneapolitanus菌和Sulfurimonas denitrificans菌。
[0012] 更具體的，所述的中空纖維膜組件為聚丙烯中空纖維膜組件。
[0013] 再具體的，所述的中空纖維膜組件中的纖維根數(shù)為15000根，中空纖維膜組 件的高度為900mm，中空纖維膜組件的直徑為090mm，中空纖維膜組件的膜孔徑為 0(). 05~0. 15unir
[0014] 且，所述中空纖維膜組件的纖維外徑為0〇.4~2.Omra，中空纖維膜組件的纖維內(nèi) 徑為0〇. 3~1. 4mm。
[0015] 進(jìn)一步的，所述的反應(yīng)塔包括由上到下依次設(shè)置的噴淋區(qū)、反應(yīng)區(qū)和沉降區(qū)，噴淋 區(qū)為反應(yīng)區(qū)內(nèi)的生物脫硫過程提供所需的營(yíng)養(yǎng)液，反應(yīng)區(qū)進(jìn)行沼氣中硫化氫氣體的生物脫 硫反應(yīng)，沉降區(qū)接收來自反應(yīng)區(qū)生物脫硫后的反應(yīng)物進(jìn)行硫單質(zhì)的沉降回收。
[0016] 具體的，所述的噴淋區(qū)A為圓柱形的腔體，腔體內(nèi)設(shè)置噴淋頭，噴淋區(qū)A與反應(yīng)區(qū) B連通；
[0017]反應(yīng)區(qū)B內(nèi)同軸的放置中空纖維膜組件，中空纖維膜組件與反應(yīng)塔的塔身間存在 間隙，間隙內(nèi)放置填料將中空纖維膜組件包圍；中空纖維膜組件的一端與出氣管連通，中空 纖維膜組件的另一端與進(jìn)氣管連通；
[0018] 沉降區(qū)C為漏斗狀的部件進(jìn)行反應(yīng)后液體的沉降和硫單質(zhì)的收集。
[0019] 還有，在反應(yīng)區(qū)B與沉降區(qū)C之間同軸設(shè)置支撐板，支撐板在限制中空纖維膜組件 位置的同時(shí)使反應(yīng)后的液體通過支撐板進(jìn)入沉降區(qū)C。
[0020] 具體為，所述的支撐板為帶有穿孔的圓盤狀部件，且在該部件上設(shè)置限位凹槽，所 述的穿孔的孔徑為08mm。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：
[0022] (1)本發(fā)明的沼氣生物脫硫方法實(shí)現(xiàn)了膜分離與生物脫硫過程的結(jié)合，通過中空 纖維膜組件不僅將沼氣中的硫化氫氣體與沼氣分離，同時(shí)中空纖維膜組件將生物反應(yīng)中的 氧氣與沼氣隔絕，避免了直接添加空氣導(dǎo)致的稀釋沼氣及安全性問題，且能高效的進(jìn)行生 物脫硫；
[0023] (2)與沼氣吸收塔生物脫硫工藝相比，占地面積大幅減少，同時(shí)流程被簡(jiǎn)化；與沼 氣膜分離工藝相比，解決了堿性吸收液更新導(dǎo)致的脫硫成本問題；與常規(guī)厭氧消化高濃度 沼氣的生物脫硫工藝相比，解決了低濃度沼氣的生物脫硫效率低的問題；
[0024] (3)本發(fā)明的沼氣脫硫裝置真正的實(shí)現(xiàn)了沼氣通過膜分離部件后，硫化氫氣體由 周圍的填料處進(jìn)行生物脫硫，而凈化后的沼氣不需與氧氣接觸實(shí)現(xiàn)零氧氣收集，避免了安 全隱患。
【附圖說明】
[0025] 圖1為實(shí)施例一的沼氣脫硫裝置的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0026] 圖2為實(shí)施例三的沼氣脫硫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖中各標(biāo)號(hào)表不為：1_反應(yīng)塔、A-噴淋區(qū)、B-反應(yīng)區(qū)、C-沉降區(qū)、101-出氣管、 102-進(jìn)氣管、103-噴淋頭、104-中空纖維膜組件、1041-中空纖維膜束、105-填料、106-循 環(huán)管、107-承載板、2-營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)水箱、201-出液管、3-補(bǔ)給液箱、4-曝氣管；
[0028] a_待處理沼氣進(jìn)口、b_處理后沼氣出口、c-空氣入口、d-營(yíng)養(yǎng)液出口、e_回收硫 單質(zhì)出口；
[0029] 圖中的實(shí)線箭頭表示氣體或液體流向，虛線箭頭表示自動(dòng)監(jiān)測(cè)-控制系統(tǒng)的連 接；
[0030] 以下結(jié)合說明書附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做具體說明。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 本發(fā)明的膜分離沼氣生物脫硫裝置的工作原理是：含有硫化氫氣體的沼氣通過管 道輸送由底部進(jìn)入中空纖維膜組件，由于管道內(nèi)存在的少量壓強(qiáng)，沼氣中的硫化氫氣體穿 過中空纖維膜組件上的膜分離出來，分離硫化氫氣體后的沼氣由中空纖維膜組件的頂端收 集；
[0032] 在中空纖維膜組件的周圍填設(shè)填料，填料的表面附著硫氧化菌群，通過噴淋設(shè)備 將曝氣后的營(yíng)養(yǎng)液均勻的噴淋在填料上，為硫氧化菌群的代謝過程提供養(yǎng)料和氧氣；穿過 中空纖維膜組件上的膜分離出來的硫化氫氣體與填料上的硫氧化菌群進(jìn)行生物脫硫代謝， 將硫化氫氣體代謝為硫單質(zhì)，同時(shí)由于中空纖維膜組件的阻隔作用，將營(yíng)養(yǎng)液中的氧氣與 中空纖維膜組件內(nèi)的沼氣隔離，從而避免了氧氣進(jìn)入沼氣中，提高了沼氣的安全性，同時(shí)在 底部收集生物脫硫后得到的硫單質(zhì)可以有效降低脫硫的運(yùn)行費(fèi)用。
[0033] 在整個(gè)膜分離過程中，待處理沼氣氣體和填料中的營(yíng)養(yǎng)液并不直接發(fā)生相間混 合，而是含有硫化氫氣體的沼氣和噴淋營(yíng)養(yǎng)液的填料分別在中空纖維膜兩側(cè)流動(dòng)，在膜表 面形成了穩(wěn)定的傳質(zhì)界面，能有效的避免傳統(tǒng)塔器內(nèi)的液泛、漏液、夾帶等問題。
[0034] 中空纖維膜組件在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用于城市污水處理中的膜分離技術(shù)，是膜組 件的一種安裝形式，其它安裝方式如平板膜等，目前比較常見的中空纖維管束是使用聚砜 (PS)、聚丙烯