焦爐氣甲烷化及沼氣原位提純耦合新工藝與原理

《焦爐氣甲烷化及沼氣原位提純耦合新工藝與原理》是依託同濟大學，由謝麗擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：焦爐氣甲烷化及沼氣原位提純耦合新工藝與原理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：謝麗
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

厭氧消化產生的沼氣提純後甲烷含量達到90%以上，可以替代天然氣從而提高利用效率，然而目前沼氣提純均在厭氧反應器外進行的，成本較高。焦爐氣主要成分為H2和CH4，和少量CO、CO2等氣體，研究發現某些厭氧微生物可以實現H2，CO2和CO向甲烷的轉化。本申請在前期可行性研究的基礎上，提出一種利用厭氧微生物實現焦爐氣甲烷化和沼氣提純的耦合工藝，以傳質理論和生化反應動力學為基礎，探索採用中空纖維膜實現焦爐氣向厭氧反應器的高效擴散，研究各反應組分在各相中的傳質-反應規律和過程參數對氣體傳質效果的作用，分析中空纖維膜表面生物膜特性和膜污染成分，探討提高甲烷濃度的工藝策略；深入研究焦爐氣加入後對厭氧過程有機物降解、緩衝體系和微生物活性的影響，從分子水平上研究系統內不同產甲烷菌群定性和定量的變化，探究反應系統的微觀生化機制和動力學，構建耦合工藝的傳質-生化動力學模型，為該工藝的套用提供理論基礎和技術支撐。

結題摘要

本課題提出將焦爐氣作為廉價的外加氫源，通入正在運行的處理有機廢棄物的厭氧反應器中，焦爐氣中的CO和CO2可在厭氧微生物作用下與H2結合轉化為CH4，剩餘的H2和厭氧反應器產生的沼氣中的CO2結合生成CH4，該工藝不僅實現焦爐氣的甲烷化，同時也能夠實現沼氣原位提純。課題研究發現非限制性氣液傳質條件下，氫氣分壓增加或混合不會有利於較高的氫氣消耗速率，由於限制因素是微生物的活動，而不是氫的傳輸速率。增加微生物濃度可能導致更高的氫氣消耗速率。利用中空纖維膜向厭氧反應器中通入模擬焦爐氣，通入一定量的模擬焦爐氣後，甲烷濃度從65%提高到90%左右，然而進一步增大模擬焦爐氣進氣量（2900 mL/L·d）後，pH突增至9.0，隨即反應器崩潰。進一步在維持進氣量為2900 mL/L.d條件下將pH控制在8.0，此時甲烷濃度可高達98-99%。從現有的研究結果來看，控制pH值條件下通入模擬焦爐氣可以獲得純度很高的甲烷，且CO的存在對產甲烷過程沒有明顯毒害作用。高溫和超高溫條件下，測試範圍CO的加入對體系的耗氫產甲烷性能均無抑制，並且能夠轉化利用。經過CO長期馴化的混合菌群體系，延遲期大大縮短，古菌群落的多樣性隨著溫度的升高而降低，在超高溫條件下，Methanothermobacter占古菌群落的97%以上，均具有將CO甲烷化的潛力。