隨著世界范圍內(nèi)化石燃料日趨減少，開發(fā)生物天然氣作為天然氣的替代燃料已經(jīng)引起了廣泛重視。生物天然氣是指由沼氣提純脫除CO₂等雜質(zhì)性氣體組分后得到的高純甲烷氣。現(xiàn)在工業(yè)化應(yīng)用的沼氣提純方法主要包括變壓吸附法(PSA)、加壓水洗法、化學(xué)吸收法和膜分離法。紅外沼氣分析儀Gasboard-3200。這些方法都需要在沼氣發(fā)酵設(shè)備之外另建一套沼氣提純系統(tǒng)，所以存在系統(tǒng)復(fù)雜和運(yùn)行能耗高等問題，制約了生物天然氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

      甲烷原位富集技術(shù)可在厭氧反應(yīng)器中直接純化沼氣中的甲烷濃度，在厭氧發(fā)酵的過程中，原位提高沼氣產(chǎn)量和純度，不僅能解決沼氣后續(xù)處理帶來的高成本的問題，還可節(jié)約厭氧消化處理的占地面積，是生物天然氣技術(shù)領(lǐng)域一種具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。紅外沼氣分析儀Gasboard-3200。

      甲烷原位富集技術(shù)是利用CO₂和CH₄在水溶解度高出40~60倍的顯著差異，通過厭氧發(fā)酵液循環(huán)到一個(gè)單獨(dú)的容器內(nèi)脫除其溶解的CO₂后再返回厭氧反應(yīng)器，從而直接產(chǎn)出高濃度CH₄氣的生物天然氣生產(chǎn)工藝。具體技術(shù)工藝介紹如下：

一、二氧化碳的去除

1.側(cè)流式二氧化碳吹脫法

      利用甲烷和二氧化碳在水中溶解度差異特性，在厭氧反應(yīng)器旁設(shè)置側(cè)流式二氧化碳吹脫單元的技術(shù)措施。趙圓方研究空氣吹脫、真空吹脫、空氣吹脫+超聲波三種不同方式對二氧化碳脫除效果的影響，結(jié)果表明，空氣吹脫情況下沼氣中甲烷含量可達(dá)到89 %，但吹脫時(shí)間的延長，生物氣CH4的流失率則呈增加趨勢。真空脫碳可解決空氣吹脫存在的吹脫帶入氧氣對厭氧發(fā)酵的抑制問題，降低所產(chǎn)生物氣中N2含量，但真空脫碳CH₄富集效果比空氣吹脫稍差。超聲波輔助空氣吹脫可以提高CO₂吹脫速率，降低液相中游離態(tài)CO₂濃度水平，尤其是在空氣吹脫脫碳的初期，其作用更為明顯。同時(shí)超聲波還具有降低發(fā)酵液pH值和提高發(fā)酵原料厭氧降解率的潛在作用。紅外沼氣分析儀Gasboard-3200。

2.自生高壓法

      在密封良好的厭氧反應(yīng)器內(nèi)部，隨著沼氣產(chǎn)量的逐步增加，導(dǎo)致自生壓力不斷提高，同時(shí)由于甲烷和二氧化碳在水中溶解度存在差異，根據(jù)亨利定律得知，溶解度較高的二氧化碳zui終將主要存在于液相中，而此時(shí)溶解度較低的甲烷在氣相中的濃度可提高至生物天然氣中的甲烷濃度水平，而且經(jīng)自生壓力加壓后的沼氣能在一定程度上省去后續(xù)利用過程中的加壓預(yù)處理。

3.添加外源氫氣

      厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的氫氣利用型產(chǎn)甲烷菌群產(chǎn)甲烷過程(4H₂+CO₂=CH₄+2H₂O)具有削減CO₂的功能，但需有足夠的氫氣與之發(fā)生生物反應(yīng)，因此有研究提出利用風(fēng)電或剩余電力電解水制氫，并將氫氣通入?yún)捬醍a(chǎn)甲烷反應(yīng)器內(nèi)，通過強(qiáng)化氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷過程以同時(shí)達(dá)到甲烷原位富集與合理利用可再生能源的目的。

      近年來有研究學(xué)者嘗試?yán)谜託獍l(fā)酵體系中的食氫產(chǎn)甲烷菌的生物活動(dòng)，在原位或離位條件下通過添加外源氫氣來消耗CO₂，厭氧發(fā)酵合成CH₄，雖然在合成CH₄的過程中，由于產(chǎn)生水而導(dǎo)致約22%的能量損失，但CH₄的熱值高，相對穩(wěn)定，且便于貯藏、運(yùn)輸和使用。而且通過可再生能源電解水獲得H₂能使該技術(shù)的成本進(jìn)一步降低。林春綿等以營養(yǎng)液為底物，提出發(fā)酵微生物利用外源氫氣原位合成甲烷的反應(yīng)與溫度成正相關(guān)，由于食酸產(chǎn)甲烷菌受到過高溫度的抑制，因此適宜的溫度在550~65℃之間。同時(shí)由于外源氫氣可顯著提高厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量和CH₄的體積分?jǐn)?shù)，且沼氣中CH₄的相對體積分?jǐn)?shù)與外源氣體中H₂和CO₂的體積比成正比，Kim等向厭氧反應(yīng)器注入合適的CO₂和H₂混合比為1∶5的混合氣，同時(shí)利用厭氧消化微生物的固碳作用，可使CO₂吸收率高達(dá)94.7 %，厭氧消化沼氣甲烷純度高達(dá) 97.1 %，沼氣純度顯著提高。

二、硫化氫的去除

      在產(chǎn)甲烷過程中，硫酸鹽還原產(chǎn)生硫化物不僅抑制甲烷的產(chǎn)生，同時(shí)對菌群的生長不利，嚴(yán)重影響厭氧消化過程的正常進(jìn)行和消化產(chǎn)氣的量。同時(shí)，產(chǎn)生的硫化氫對管道和設(shè)備等產(chǎn)生腐蝕作用，泄露到空氣中會造成污染。因此在沼氣原位提純過程中，除了對CO₂進(jìn)行脫除外，也可對硫化氫進(jìn)行必要的去除處理。但目前硫化氫的處理集中在外部，無法解決沼氣產(chǎn)生被抑制的問題，但由于產(chǎn)甲烷菌對低濃度的氧氣具有較強(qiáng)的耐受性，因此采用微氧原位脫硫技術(shù)可效降低混合氣中硫化氫濃度。

      往厭氧消化罐內(nèi)通入一定量的空氣或氧氣是zui簡單zui直接的脫除沼氣中H₂S的方法，氧氣會與H₂S反應(yīng)生成單質(zhì)硫或硫酸鹽。KobayashiT通過合理控制反應(yīng)時(shí)間以及空氣的通入量，可將H2S的含量減至10mg/m³以下。Diaz以0.25NL氧氣/L污泥的速率向厭氧污泥中通入微量氧氣，H₂S的去除率可達(dá)98%，處理后的H₂S的濃度為100~300mg/m³。運(yùn)用微氧法原位脫硫技術(shù)進(jìn)行沼氣脫硫可以減少額外的脫硫設(shè)備從而降低脫硫成本、簡化工藝，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

（來源：公眾號@沼氣工程及其測控技術(shù)）