[发明专利]一种微生物电化学原位沼气脱硫的方法

说明书

技术领域

本发明涉及沼气脱硫的方法，具体涉及一种厌氧发酵产沼气过程的微生物电化学原位脱硫的方法，适用于大中小型厌氧发酵罐以及户用沼气池的原位沼气脱硫。

技术背景

沼气作为一种生物质能源具有很高的应用价值。生物质发酵产生的沼气是一种混合气体，其中硫化氢的质量浓度一般为1～12g/m³，远远超过现有燃气标准中的使用规定，硫化氢浓度过高是沼气作为燃气使用的最大限制因子。硫化氢是一种剧毒气体，能够腐蚀管道和仪表，并且在燃烧过程中会转变为二氧化硫等有害气体，释放到空气中造成大气污染。因此，沼气在综合利用之前必须脱除硫化氢。

现阶段工业上应用较多的仍然是传统沼气脱硫方法(干法脱硫与湿法脱硫)，但是干法脱硫存在设备占地面积大、操作连续性不够、硫容低、脱硫剂再生困难等缺点；而湿法脱硫存在一次性投资多、脱硫成本较高、运行管理复杂以及吸收液再生与更换问题。因此，一些脱硫新工艺逐渐成为人们的研究热点，如原位脱硫(微氧原位脱硫、氯化铁原位脱硫)和新型异位脱硫(三氯化铁吸收-电化学还原再生技术、硝化液脱氮偶联脱硫)。由于异位脱硫一般都是在池外加一个脱硫装置，利用化学物质或微生物代谢来脱除沼气中的硫化氢气体，需要额外占地以及存在沼气损耗等问题。原位脱硫是在沼气产生的同时消除硫化氢或者抑制硫化氢的产生，具有更好的市场前景。

现有的微氧原位脱硫技术通过向厌氧消化反应器中通入一定量空气或氧气直接脱除沼气中硫化氢，但是需要严格控制供氧量，过低氧气不利于脱硫；过高的氧气会影响厌氧发酵的正常进行，并且过多的氧气易与沼气可燃气混合，存在爆炸隐患；同时，空气中其他惰性气体的引入也会降低甲烷的纯度，降低沼气的能量效率。

现有的氯化铁原位脱硫是将氯化铁溶液直接加入厌氧消化罐内的消化污泥中，与硫化氢反应生成硫化铁颗粒，降低沼气中硫化氢含量。但是该方法处理的沼气中硫化氢浓度达不到天然气或车用燃料标准，仅作为一种预处理手段。

电化学法是利用电极氧化还原反应脱除硫化物。美国专利(申请号US20000685302)公开了一种长效的金属催化剂用于催化硫化氢氧化为硫单质的方法。中国专利(申请号CN99807239.7)描述了一种硫化氢电化学氧化的方法，其产物为硫颗粒，虽然硫颗粒利于收集，但是容易造成电极钝化。为实现硫化物的顺利电解，阳极产物硫在阳极表面的沉积所引起的电极钝化现象必须消除。为此，需要严格控制电解条件如高温、强碱、电流强度、外加萃取剂等。这些过于苛刻的操作条件在应用过程中很难实现。然而，在常温条件下，硫氧化微生物能够进一步氧化硫单质为硫酸盐等更高价态的硫化合物，从而消除阳极表面硫沉积所引起的钝化现象，并且通过控制阳极电势可以抑制硫酸盐在电化学体系中再还原成硫化物。微生物电化学原位脱硫原理是基于微生物电化学技术，利用阳极硫氧化微生物催化硫化氢氧化形成硫酸盐等，同时释放电子和H⁺，产生的电子通过外电路流入阴极，在阴极微生物的催化下固定二氧化碳合成甲烷。该技术不仅可以避免硫化氢释放到沼气中，而且还充分利用了硫化物自身的化学能用于固定多余的二氧化碳，提高沼气的纯度。迄今，还没有关于微生物电化学催化用于沼气原位脱硫的方法。

发明内容

本发明的目的是在现有的厌氧消化产沼气体系中引入微生物电化学系统，通过阳极电化学功能微生物催化氧化硫化氢生成硫酸盐，阻止硫化氢释放到沼气中，完成沼气原位脱硫，提高沼气中甲烷纯度；同时，通过利用硫化物氧化释放的电子和H⁺用于阴极固定二氧化碳合成甲烷，降低沼气中二氧化碳浓度，实现同步原位脱硫与沼气提纯。

为实现上述发明目的，本发明提供一种微生物电化学原位沼气脱硫的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、阳极硫氧化生物膜驯化步骤