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成都生物所在沼氣生物脫硫技術研究中獲進展

2019-04-03     來源:中國科學院

  沼氣作為一種典型的清潔可再生能源,是以人畜糞便、秸稈、污泥等多種有機廢棄物通過厭氧消化工藝而生產的一種生物天然氣,具有熱值高、生產能耗低等特點,是最有希望實現產業化的生物質能源之一,也對緩解我國能源危機和環境保護具有重要意義。而沼氣中高濃度的H2S0.1-2%)因強烈的腐蝕性和惡臭性已經嚴重限制其使用。因此,為了安全和綠色利用沼氣能源,必須在使用前對沼氣進行脫硫處理。

  當前,物化法和生物法是沼氣脫硫的主要代表方法。其中物化法包括化學氧化、物理吸附和低溫分離等技術,這類脫硫方法需消耗大量化學試劑或吸附劑,同時還需利用氧氣置換被吸附的H2S來實現吸附劑和吸收劑的再生。因此所需能耗高,被廢棄的吸附劑或吸收劑,如Fe2O3Fe3O4等,還將帶來嚴重的二次污染問題。而生物法主要以好氧脫硫和缺氧脫硫為代表,主要區別在于電子受體的差異。好氧脫硫因以氧氣為電子受體,在執行脫硫程序時往往需在沼氣中泵入適量空氣來提供H2S還原所需的電子受體——氧氣,被泵入的空氣中氮氣不僅稀釋了甲烷含量,降低了沼氣熱值,如若控制不當,還會增加爆炸的風險。而缺氧脫硫將很好地避免這類問題,所使用的硝態氮是一種水溶性水體污染物,在脫硫過程中不僅能實現沼氣的脫硫凈化,還對解決水體氮污染問題有一定的促進作用。而恰好沼液中氨氮經曝氣硝化便可提供上述缺氧脫硫中所需的硝態氮。根據這個思路,中國科學院成都生物研究所研究生曾勇在研究員閆志英的指導下,開創性地提出了以硝化處理后的沼液來提供脫硫菌株所需的電子受體從而實現同步沼氣脫硫沼液脫氮的新思路,后經多重研究也證實了該思路的經濟環保價值。

  研究人員利用含硫、氮污染物的模擬廢水進行原理初研時不僅為該系統初選了最適填料和關鍵控制參數,還進一步闡述了硫、氮氧化還原過程和電子傳遞先后順序。在獲取上階段優化的填料和關鍵控制參數的基礎之上,通過對比以模擬含硝氮廢水和硝化后沼液為營養液執行沼氣脫硫研究時的沼氣脫硫效率和微生物種群結構的變化差異,初步證實了硝化后沼液用于沼氣脫硫的工程應用潛力。以生物滴濾塔為反應器構建的同步脫硫脫氮反應器為基礎,以硝化后沼液為營養液,以含硫沼氣為目標氣,執行了122天的沼氣脫硫研究。研究結果顯示了在不同負荷(12.01-89.74 g-H2S m-3h-1)、空塔停留時間(1710-342 s)、滴濾速度(2.63-9.47 m/h)、液面高度/填料高度—H/H1/61/31/2)、再啟動(停運25天)等參數條件下系統展示平均95%H2S去除效率,16S rRNA高通量測序結果也表明不同條件下微生物種群結構的穩定性。同時,研究還利用宏基因組學技術解析了不同硫負荷條件下硫、氮污染物差異代謝路徑,從基因層面解析了整個工藝的技術原理。以上研究結果不僅多角度證實了以硝化后沼液為營養液實現沼氣脫硫沼液脫氮的良好運行效果,而且整個生產過程中沒有污染物引入(化學生產的硝態氮),也沒有廢水廢氣的排放,符合可持續發展的清潔生產模式。該工藝路線的提出不僅為沼氣脫硫生產提供一種全新的工藝選擇,還將為后續的沼氣脫硫研究工作提供良好方向指引。以上研究結果分別發表在Journal of Cleaner ProductionInternational Biodeterioration & Biodegradation Process Biochemistry3期刊上。

  該研究得到國家自然科學青年基金(No.51408579)、國家重點研發計劃(No.2017YFD0800803-02)等的支持。

    論文鏈接:1 2 3

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