一种无需曝气的生物脱硫系统及处理方法与流程

    专利2022-07-08  143


    本发明涉及环境工程领域,尤其涉及一种无需曝气的生物脱硫系统及处理方法。



    背景技术:

    硫化氢是一种无色、臭鸡蛋气味的有毒气体,往往存在于天然气、沼气、炼厂气等。硫化氢不仅对输送管道、设备产生强烈的腐蚀作用,而且其燃烧产物二氧化硫也是产生酸雨和雾霾的重要原因。近年来,随着我国环保排放要求的日趋严格,对含硫化氢气体进行有效的脱硫处理已经显得越发重要。与传统物理、化学方法相比,生物脱硫技术具有条件温和、无二次污染、不会堵塞系统等优点。生物脱硫技术可以在常温常压下将气体中的硫化氢快速吸收下来,并在微生物的作用下氧化生成单质硫,并以硫磺的形式从体系中排出,达到脱硫的目的。

    生物脱硫系统一般包括脱硫吸收塔、生物氧化反应器、硫分离器等主要单元。脱硫塔的底部与生物氧化反应器的底部连接,生物氧化反应器与硫分离器连接,生物氧化反应器或硫分离器与脱硫塔上部通过管路连接。脱硫过程中,吸收液经脱硫塔顶部的喷淋头喷下,含硫化氢的气体从脱硫塔下部进入,在吸收塔中部的填料层中与吸收液充分接触,硫化氢被吸收下来,吸收硫化氢的高硫溶液进入生物氧化反应器,在硫氧化微生物的作用下,将吸收液中的硫氢根离子氧化成单质硫。单质硫生成率是决定生物脱硫体系能否成功运行的关键指标。研究表明,生物硫氧化反应器中的氧化还原电位(orp)决定单质硫生成率。orp过高的话,生成的单质硫会被继续氧化为硫酸根,使单质硫的生成率下降;orp过低的话,微生物生长缓慢,单质硫生产速率过低,难以满足工业需求。因此,工业上往往会通过合理的调整曝气的强度使反应器中的orp处于一个合理的区间。



    技术实现要素:

    鉴于现有技术中曝气装置结构复杂、耗能高等问题,本发明利用在无曝气的情况下,溶液表层的orp恰好在微生物的硫氧化生成单质硫的最佳区间范围内这一特点,开发出一种无需曝气的生物脱硫系统及方法。

    本发明在无曝气的情况下,溶液表层的orp恰好在生成单质硫的最佳区间范围内,经过微生物的硫氧化作用,会在溶液的表层形成厚厚的单质硫层。这样可以减少曝气单元,简化生物硫氧化装置,而且会降低相关的运行能耗,总体上大大降低成本,非常具有应用推广价值。

    为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:

    第一方面,本发明提供一种生物脱硫系统:

    包括一种生物脱硫系统,包括吸收塔、生物氧化反应器以及硫磺分离器,吸收塔底端通过生物氧化反应器与硫磺分离器相连,硫磺分离器与吸收塔顶端相连;生物氧化反应器中无曝气装置。

    优选的,生物氧化反应器包括生物氧化反应器本体、orp值检测器、ph值检测器以及温度检测器,orp值检测器、ph值检测器、温度检测器均与生物氧化反应器本体相连。

    优选的,生物氧化反应器本体的底部设有坡度。

    优选的,生物氧化反应器本体上端设有开口。

    优选的,吸收塔下端设有进气口,吸收塔顶部设有出气口,吸收塔底部设有第一出液口;吸收塔内侧设有填料层以及喷淋装置,喷淋装置设置在出气口的下方,填料层设置在进气口以及喷淋装置之间。

    优选的,硫磺分离器设有第二出液口、第三出液口,第二出液口设置在第三出液口的上方,第二出液口与吸收塔顶端连通。

    第二方面,本发明提供一种生物脱硫方法,所述方法包括如下步骤:

    (1)含硫化氢气体经进气口进入吸收塔,并与顶部喷淋装置喷淋下来的吸收液逆向接触,其中的硫化氢被快速吸收,得到高硫溶液,净化后的气体从吸收塔顶端排出;

    (2)步骤(1)的高硫溶液进入生物氧化反应器,在表层溶解空气作用下,被微生物氧化为单质硫;

    (3)步骤(2)中含单质硫的溶液进入硫磺分离器,经沉降后,得到的硫磺由底部管路排出体系;上层溶液返回至吸收塔。

    优选的,吸收液为具有缓冲能力的碱性溶液,包括碳酸钠-氢氧化钠、碳酸钠-碳酸氢钠、碳酸氢钠-氢氧化钠中任意一种或几种。

    本发明所述的方法,步骤(1)所述吸收在吸收塔中进行:

    优选的,吸收液ph为8.0-10.5,更优地,吸收液ph为9.0-10.0。

    优选的,吸收液的盐浓度为0.1-1.5mol/l,更优地,吸收液盐浓度0.8-1.0mol/l。

    本发明所述的方法,步骤(2)所述生物氧化静置在生物氧化反应器中进行硫氧化反应:

    优选的,微生物为化能自养硫氧化菌,更优地,嗜盐嗜碱硫氧化菌;

    优选的,硫氧化反应的温度10-40℃,更优地,硫氧化温度25-35℃;

    优选的,硫氧化反应的ph为7.5-10.5。

    优选的,硫氧化环境中orp为-350mv~-450mv,更优地,硫氧化环境中orp为-400mv~-420mv;

    本发明所述的方法,步骤(3)所述硫磺分离在硫磺分离器中进行;

    优选的,硫磺的固液分离方式采用自然沉降;

    优选的,氧化后形成的硫磺溶液进入硫磺沉降区域,沉降下来的硫磺经第二出液口排出,上清液经第一出液口重新进入吸收塔的喷淋装置。

    本发明生物脱硫系统可以用于沼气、天然气、工业废气等硫化氢的脱除。

    由于采用了以上技术,本发明较现有技术相比,具有的有益效果如下:

    (1)本发明利用静置生物硫氧化反应器表层溶液中的溶解氧恰好提供给微生物适合的氧化还原电位,将硫氢化物氧化为单质硫,无需曝气,大大降低了生物脱硫的运行成本。

    (2)本系统结构简单、加工方便、利于放大,生物脱硫负荷可达到3.5kg/(m3·d),硫磺的纯度达到85%以上,是一种高效、低成本的脱硫系统和方法。

    附图说明

    图1是一种生物脱硫系统的结构示意图;

    图2为本发明实施例2单质硫层扫描电镜图片;

    图3为本发明实施例2单质硫层元素分体;

    图4为本发明实施例3中硫化氢去除率和单质硫生成率随时间的变化规律。

    图中:1、吸收塔,2、填料层,3、喷淋装置,4、生物氧化反应器,5、硫磺分离器,6、泵,7、orp值检测器,8、ph值检测器,9、温度检测器,10、进气口,11、出气口,12、第一出液口,13、第二出液口,14、第三出液口。

    具体实施方式

    下面结合附图和具体实施方式,进一步阐明本发明。

    实施例1:

    一种生物脱硫系统,包括吸收塔1、生物氧化反应器4以及硫磺分离器5,吸收塔1底端通过生物氧化反应器4与硫磺分离器5相连,硫磺分离器5中部出液口(第二出液口13)与吸收塔1顶端的喷淋装置3相连。

    生物氧化反应器4包括生物氧化反应器本体、orp值检测器7、ph值检测器8以及温度检测器9,orp值检测器7、ph值检测器8、温度检测器9均与生物氧化反应器本体相连。

    生物氧化反应器本体的底部设有坡度;生物氧化反应器本体的上端设有开口。

    吸收塔1下端设有进气口10,吸收塔1顶部设有出气口11,吸收塔1底部设有第一出液口12;吸收塔1内侧设有填料层2以及喷淋装置3,喷淋装置3设置在出气口11的下方,填料层2设置在进气口10以及喷淋装置3之间。

    硫磺分离器5设有第二出液口13、第三出液口14,第二出液口13设置在第三出液口14的上方,第二出液口13与吸收塔1顶端连通。

    实施例2:

    采用实施例1的一种无需曝气的生物脱硫系统,针对含硫化氢模拟气体进行生物脱硫方法:

    (1)模拟气体中硫化氢含量为8000ppm,氮气占55%,二氧化碳占45%,以流速500l/h,通入吸收塔1,气体中硫化氢被碱液吸收,净化后的气体从吸收塔1顶端排出;吸收碱液为碳酸钠-碳酸氢钠配置的缓冲溶液,ph为9.0,钠离子浓度为1.0mol/l;

    (2)吸收硫化氢后的高硫溶液自流进入生物氧化反应器4内进行硫氧化反应,通过硫氧化微生物将硫氢根氧化为单质硫,在溶液上层形成硫单质层;

    其中,生物硫氧化反应器中所用的微生物为嗜盐嗜碱硫氧化菌。

    生物硫氧化反应器中硫氧化反应的温度为30℃,ph为9,硫氧化反应的orp为-400mv。ph为9.0.

    (3)含单质硫的溶液进入硫磺分离器5,经沉降后,硫磺经底端排放口排出;上层溶液经泵6提升进入吸收塔1内的喷淋装置3,开始下一循环。

    扫描电子显微镜(sem-eds)观察单质硫层形态及元素组成分析,如图2、图3所示。

    经过本实施例的步骤处理过的废气,硫化氢去除率达到99%,单质硫生成率达到85%以上。本实施例中生物脱硫负荷可达到3.2kg/(m3·d),硫磺的纯度达到87%以上。

    实施例3:

    采用实施例1的一种无需曝气的生物脱硫系统,针对高含硫沼气进行生物脱硫方法:

    (1)沼气中甲烷含量为60%,二氧化碳为40%,硫化氢含量为5000ppm,以流速600l/h,通入吸收塔1,气体中硫化氢被碱液吸收,净化后的气体从吸收塔1顶端排出;吸收碱液为碳酸钠-碳酸氢钠配置的缓冲溶液,ph为9.5,钠离子浓度为1.0mol/l;

    (2)吸收硫化氢后的高硫溶液自流进入生物氧化反应器4内进行硫氧化反应,通过硫氧化微生物将硫氢根氧化为单质硫,在溶液上层形成硫单质层;

    其中,生物硫氧化反应器中所用的微生物为嗜盐嗜碱硫氧化菌。

    生物硫氧化反应器中硫氧化反应的温度为35℃,ph为9.5,硫氧化反应的orp为-380mv。

    (3)含单质硫的溶液进入硫磺分离器5,经沉降后,硫磺经底端排放口排出;上层溶液经泵6提升进入吸收塔1内的喷淋装置3,开始下一循环。

    该装置连续运行15天,连续取样,分析计算硫化氢去除率和单质硫生成率,如图4所示。

    经过本实施例的步骤处理过的废气,硫化氢去除率达到99%,稳定运行时,单质硫生成率达到80%以上。本实施例中生物脱硫负荷可达到3.5kg/(m3·d),硫磺的纯度达到85%以上。

    对比实施例

    对比实施例中采用常规曝气的生物脱硫系统,针对高含硫沼气进行生物脱硫方法,处理气体参数同实施例3:

    (1)沼气中甲烷含量为60%,二氧化碳为40%,硫化氢含量为5000ppm,以流速600l/h,通入吸收塔,气体中硫化氢被碱液吸收,净化后的气体从吸收塔顶端排出;吸收碱液为碳酸钠-碳酸氢钠配置的缓冲溶液,ph为9.5,钠离子浓度为1.0mol/l;

    (2)吸收硫化氢后的高硫溶液自流进入生物氧化反应器内进行硫氧化反应,控制曝气量,使反应器中orp达到-350~-380mv,并通过调节曝气量控制硫氧化程度,利用硫氧化微生物将硫氢根氧化为单质硫。其中,生物硫氧化反应器中所用的微生物为嗜盐嗜碱硫氧化菌。

    (3)含单质硫的溶液进入硫磺分离器,经沉降后,硫磺经底端排放口排出;上层溶液经泵提升进入吸收塔内的喷淋装置,开始下一循环。

    该装置连续运行15天,连续取样,分析相关参数。本对比实施例处理过的废气中硫化氢去除率达到99%,稳定运行时,单质硫生成率为75%,生物脱硫负荷为3.2kg/(m3·d),硫磺的纯度为76%。此外,对比案例中需要增加曝气装置以及其运行的电能。因此,与对比案例相比,本发明提供的脱硫系统和方法再处理性能和成本等方面具有明显的优势。

    上述实施例仅为本发明的优选技术方案,而不应视为对于本发明的限制,本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围,即在此范围内的等同替换改进,也在本发明的保护范围之内。


    技术特征:

    1.一种生物脱硫系统,其特征在于:包括吸收塔、生物氧化反应器以及硫磺分离器,吸收塔底端通过生物氧化反应器与硫磺分离器相连,硫磺分离器与吸收塔顶端相连;生物氧化反应器包括生物氧化反应器本体、orp值检测器、ph值检测器以及温度检测器,orp值检测器、ph值检测器、温度检测器均与生物氧化反应器本体相连。

    2.根据权利要求1所述的一种生物脱硫系统,其特征在于:生物氧化反应器本体的底部设有坡度;生物氧化反应器本体上端设有开口。

    3.根据权利要求1所述的一种生物脱硫系统,其特征在于:吸收塔下端设有进气口,吸收塔顶部设有出气口,吸收塔底部设有第一出液口;吸收塔内侧设有填料层以及喷淋装置,喷淋装置设置在出气口的下方,填料层设置在进气口以及喷淋装置之间。

    4.根据权利要求1所述的一种生物脱硫系统,其特征在于:硫磺分离器设有第二出液口、第三出液口,第二出液口设置在第三出液口的上方,第二出液口与吸收塔顶端连通。

    5.一种利用权利要求1-4所述的生物脱硫系统进行生物脱硫的方法,其特征在于,步骤如下:

    (1)将含硫化氢气体经进气口进入吸收塔,与经过喷淋装置喷淋出的吸收液进行反应,净化后的气体从吸收塔顶端排出;

    (2)将经过步骤(1)反应后所得溶液送入至生物氧化反应器内进行反应;

    (3)将经过步骤(2)反应后所得溶液送入至硫磺分离器进行分离,并将分离后得到的硫磺排出。

    6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:将步骤(3)中经过硫磺分离器分离后得到的上层溶液返回至吸收塔内,进行循环使用。

    7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤(1)中吸收液为碱性溶液,碱性溶液为碳酸钠-氢氧化钠、碳酸钠-碳酸氢钠、碳酸氢钠-氢氧化钠中任意一种或几种;吸收液的ph为8.0-10.5;吸收液的盐浓度为0.1-1.5mol/l。

    8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤(2)中生物氧化反应器中所用的微生物为嗜盐嗜碱硫氧化菌。

    9.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤(2)中生物氧化反应器内进行硫氧化反应的温度为10-40℃,ph为7.5-10.5。

    10.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤(2)中生物氧化反应器中,硫氧化反应的orp为-350mv~-450mv。

    技术总结
    本发明涉及一种无需曝气的生物脱硫系统及处理方法,包括吸收塔、生物氧化反应器以及硫磺分离器,生物氧化反应器包括ORP值检测器、pH值检测器以及温度检测器,ORP值检测器、pH值检测器、温度检测器均与生物氧化反应器本体相连,不设置曝气装置;本发明通过硫化氢在吸收单元被碱液吸收形成硫氢化物,含硫氢化物的高硫溶液进入生物氧化反应器,硫氢化物首先被溶液表层的硫氧化微生物氧化为单质硫,单质硫颗粒在硫磺分离器中经沉降、重力分离后,再生溶液返回吸收塔,重新开始吸收循环;本发明利用生物氧化反应器表层溶液中的溶解氧恰好提供给微生物适合的氧化还原电位,将硫氢化物氧化为单质硫,无需曝气,大大降低了生物脱硫的运行成本。

    技术研发人员:邢建民;杨茂华;唐斌;宋太沧;卞艳飞
    受保护的技术使用者:雅邦绿色过程与新材料研究院南京有限公司;南京清源生物工程有限公司
    技术研发日:2020.12.22
    技术公布日:2021.03.12

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