沼气生物脱硫关键技术研究及工程示范说课讲解

浙江省科技计划项目可行性研究报告及经费概算沼气生物脱硫关键技术研究及工程示范二OO九年九月二十日目录第一部分：项目可行性研究报告一、项目的背景和意义 (1)1.1 项目背景 (1)1.2 项目意义 (4)二、国内外研究现状和发展趋势 (5)2.1高效脱硫微生物及菌群研究 (5)2.2生物脱硫过程控制技术研究 (8)2.3生物脱硫工程化应用研究 (9)三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点 (12)3.1 主要研究开发内容 (12)3.2 关键技术 (15)3.3 主要创新点 (15)四、项目预期目标 (15)4.1 主要技术指标 (15)4.2 主要经济指标 (15)4.3 社会效益 (16)4.4 项目技术应用和产业化前景 (16)五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解 (17)5.1项目实施方案 (17)5.2 技术路线 (17)5.3 组织方式 (18)5.4 课题分解 (18)六、计划进度安排 (18)七、现有工作基础和条件 (21)第二部分：经费概算一、经费概算列表 (23)二、经费概算说明 (24)2.1 承担单位和相关部门承诺的支撑条件说明： (24)2.2 资金支出的主要用途： (25)2.3 对其他来源经费进行说明 (27)附表1：拟新购置设备清单 (28)第一部分：项目可行性研究报告一、项目的背景和意义1.1 项目背景随着我国经济的快速发展和工业化、城镇化进程的加快，能源需求不断增长，而传统的化石能源储量有限，时刻面临着枯竭的风险，因此加快新能源的开发和利用，构建多元的能源供应体系，已成为保障我国社会经济发展的迫切需要。

近年来，生物质能作为一种可再生能源受到了世界各国的广泛关注。

预计到2015年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。

我国拥有丰富的生物质能资源，其理论产量达650亿吨/年左右，折合理论资源为33亿标准煤，相当于我国目前年总能耗的3倍以上。

我国现阶段可开发的生物质能资源总量约7亿吨标准煤，主要为生物质废弃物，包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物和城市固体有机垃圾等。

因此，大力推进生物质能开发利用，不仅可以“变废为宝”，缓解我国能源紧缺的局面，而且可以减少化石能源利用造成的环境问题，具有重大的战略意义和现实价值。

近年来，国家高度重视生物质能源利用，陆续出台了多项政策和措施。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确将包括生物质能在内的可再生能源低成本规模技术列为能源重点领域的优先发展主题，最近的四个国家五年计划已连续将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目。

2006年1月1日，我国正式颁布了《可再生能源法》，并陆续出台了相应的配套措施，这表明我国已在法律上明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的地位，并在政策上给予了巨大优惠支持。

因此，我国生物质能发展和投资前景极为广阔。

沼气技术是我国发展最早、得到普遍推广的生物质能源利用技术。

根据我国《可再生能源中长期发展规划》确定的主要发展目标，到2010 年，沼气年利用量达到190亿m3；到2020年，沼气年利用量达到400亿m3。

在最近的连续三个五年计划中，国家都将发展新的沼气技术列为重点科技攻关项目，计划实施一大批沼气及其利用的研究项目和示范工程，可见沼气利用在我国生物质能利用中占有重要地位。

沼气脱硫技术作为生物质沼气利用过程中的一项关键技术，受到国内外研究机构和学者的广泛关注和深入研究。

目前沼气脱硫技术主要分为三类：物理法、化学法和生物法。

较典型的物理法为活性炭吸附，该法对于低硫量沼气的处理效果较好，但吸附剂再生困难，成本较高；化学法脱硫是应用较多的沼气脱硫技术，可以分为碱吸收、化学吸附、化学氧化和高温热氧化等几种。

物理法和化学发工艺简单、脱硫效果好，但在运行过程中需消耗大量化学药剂或较高能耗，且反应过程较难控制，容易造成二次污染；生物法脱硫法基本原理是利用硫杆菌类微生物，在微氧条件下将硫化氢（H2S）或含硫化合物氧化为单质硫和硫酸盐，与物理法、化学法相比，生物脱硫技术具有操作简单、维护费用和能耗低、产物可资源化等优点，是21世纪最具应用前景的沼气脱硫技术。

近二十年来，沼气生物脱硫技术在国内外都有许多理论研究，但核心技术均掌握在国外少数几个研究机构手中。

国内研究起步较晚，虽开展了大量工作，积累了一定经验，但仍未开发出成熟的、可工程化的工艺，主要技术难点是：（1）脱硫反应难以控制，产硫率低。

由于微生物的分解作用，硫可转化为硫磺或者硫酸盐，过程主要受溶解氧、pH以及营养盐等多因素影响，过程控制复杂。

（2）脱硫稳定性较差。

当脱硫产物为硫酸盐时，会造成系统循环液盐度增高，从而抑制脱硫菌的生长，导致脱硫效果下降，因而需要频繁更换脱硫液，增加了运行成本。

当脱硫产物为硫磺时，细颗粒的硫磺会附着在微生物表面，且脱附困难，造成脱硫效果的下降。

（3）硫磺和微生物分离困难。

由于生物脱硫产生的硫磺颗粒细小，而且与生物污泥混合，生成硫浆，传统的沉淀分离方法很难实现。

由以上分析可知，要实现沼气生物脱硫技术的知识产权自主化和工程化应用，推动我国沼气利用技术的科技创新，迫切需要相关的科技支撑。

单位A是一家以造纸为龙头，集热电、包装为一体的现代化企业，该企业十分重视环境污染治理，近年来投资4500万元，建成了日处理20000 m3的造纸废水处理工程，工艺采用先进的厌氧-好氧处理技术。

其中厌氧工艺产生约20000 m3/d的沼气，目前该沼气直接排放，不仅污染了周围环境，而且造成了生物质能的巨大浪费，为此，公司欲引进沼气发电实施，对造纸废水厌氧处理过程中产生的生物质能进行充分利用。

要实现沼气发电综合利用，其中的关键技术是沼气脱硫，因此本项目可为该工程的实施作技术支撑，同时该工程也可为本项目的顺利开展提供有力保障。

1.2 项目意义根据上述立项背景，并结合我省的实际情况和技术需求，单位A 确定联合单位B，以校企合作的方式，共同进行《沼气生物脱硫关键技术研究及示范》课题的研究。

本项目旨在攻克生物脱硫工艺的系列关键技术，实现沼气的清洁利用，具有十分重要的意义。

（1）破解生物脱硫技术瓶颈，实现知识产权自主化生物脱硫技术应用范围较广，不仅可用于沼气脱硫，在天然气和工业废气处理领域也有广泛的市场前景。

通过本项目的实施，在引进、消化和吸收国外先进技术的基础上，结合已有研究工作，针对生物脱硫工艺中的重点和难点，深入研究相关的技术原理和工程共性技术，破解生物脱硫技术瓶颈，实现知识产权自主化。

（2）为沼气清洁利用提供技术支撑，推动节能减排工作沼气（特别是工业沼气）中含有浓度较高的H2S，致使沼气具有高毒性和强腐蚀性，在沼气利用过程中，包括沼气燃烧和沼气发电，管道和发电装置容易腐蚀，导致设备更换频繁，降低了沼气的利用效率；另一方面，高硫沼气在利用过程中会产生大量的SO x气体，而采用传统脱硫工艺（如氧化铁脱硫工艺）的沼气脱硫工程，二次污染也很严重，这均给日益脆弱的生态环境造成严重影响。

通过本项目的实施，可为沼气的清洁利用提供技术支撑，提高了沼气的利用效率，减少二次污染，而且产物单质硫还可实现资源化，这些均是落实“节能减排”工作的重要举措。

（3）减少企业废气污染，保障废气稳定达标排放随着日益严格的工业废气排放标准的推行，企业将不得不面对工业废气中H2S和SO2污染问题，相关废气指标的超标排放将严重影响企业的正常生产和未来发展。

通过本项目的顺利实施，实现了企业沼气的清洁利用，保障了废气的稳定达标排放，同时在当前污染物排放实行总量控制的形势下，也为企业的未来发展拓展了一定空间。

二、国内外研究现状和发展趋势沼气生物脱硫是20世纪90年代发展起来的新技术，在国外已得到了广泛研究，在应用方面也取得了很大进展，但其核心技术仍掌握在国外少数跨国公司手中。

目前沼气生物脱硫技术研发的重点为高效脱硫微生物及菌群研究、稳定及高效的生物脱硫过程控制技术研究、生物脱硫工程化应用研究等。

2.1高效脱硫微生物及菌群研究生物脱硫过程主要依靠脱硫菌及菌群的代谢活动，所以高效脱硫微生物及菌群的筛选、构建及其代谢机理就成为了该领域的研究热点。

脱硫细菌主要分为光能自养菌和化能自养菌，目前，国内外在脱硫微生物及其代谢机理方面的研究主要有：1．光能自养菌的研究。

紫色硫菌科和绿色硫菌科是常用的光能自养型脱硫菌。

Henshaw等在连续振荡反应器（CSTR）中研究了栖泥绿菌对H2S废气的处理效果，结果表明，栖泥绿菌具有良好的脱硫性能，当进气H2S负荷为3.2 mg/(L·h)时，H2S可完全转化为单质硫，而当进气H2S负荷高达286mg/(L·h)时，仍可实现实现100%的单质硫得率。

Syed 和Henshaw 的研究也得到相似的结果，不同的是进气H 2S 负荷达到1451 mg/(L·h)。

在机理研究方面，早在1932年，Van Niel 提出了光能自养菌的脱硫反应路径：O H )O CH (S 2CO S H 222022n n n n n ++−−→−+光能 (1)O)(CH 2H 2nSO O H 2CO 2S H 224222n n n n n ++−−→−+++-光能 (2)在此基础上，Madigan 和 Martinko 提出了光能自养菌降解硫化物的二步反应机理，第一步通过光生化反应将光能转化为化学能（三磷酸腺苷ATP ）储存在细菌体内；第二步是在细胞内进行，通常称暗反应，首先硫化物的释放电子，然后通过NAD +—NADH 电子链传递交由CO 2，最后利用ATP 将CO 2转化为细胞物质。

在这一过程中硫化物一般被氧化为硫磺和硫酸盐。

尽管有关光能自养脱硫菌的研究已逾80年，但仍有诸多问题有待解决。

脱硫反应需要光能，当反应生成单质硫会降低体系的透光度，导致活性急剧下降；反应生成的单质硫大部分分布在细胞内，难以分离。

对于沼气中H 2S 的生物降解，由于CO 2的含量较高，常常会导致H 2S 的彻底氧化，反应条件难以控制。

2．化能自养菌的研究。

目前，国内外研究的化能自养型脱硫菌主要包括脱氮硫杆菌、嗜酸氧化硫杆菌、排硫杆菌以及混合菌种。

Sublette 和Sylvester 在小型反应器中研究了脱氮硫杆菌降解H 2S 废气的效果，当H 2S 进气负荷为4-5 mmol H 2S/(h·g biomass)时，H 2S 的去除率可达100%，反应产物主要为硫酸盐。

Ongcharit 和Lee 等在CSTR 和固定式鼓泡反应器中的研究也支持以上结论。

Duan 等利用嗜酸氧化硫硫杆菌在生物滴滤床反应器降解H 2S ，反应温度保持在25-30℃，结果表明H 2S 的最大处理能力为113g/m 3·h ，在此负荷下处理效率为96%，反应产物大部分为硫酸盐，少量为单质硫。