Thread Content
1. Обзор Биогаз как новый источник энергии находит все более широкое применение. В китайских экологических стандартах строго предусмотрено, что при использовании биогаза содержание H2S в газе не должно превышать 20 мг·м-3. Как в промышленных, так и в бытовых газах необходимо как можно полнее удалять H2S. Когда биогаз образуется в устройствах для анаэробного ферментирования, особенно при ферментировании при средней или высокой температуре, он содержит большое количество H2S. Поскольку в биогазе также присутствует много водяного пара, вода вместе с H2S, содержащимся в биогазе, ускоряет коррозию и засорение металлических труб, клапанов и расходомеров. Кроме того, SO2, образующийся при сжигании H2S, в сочетании с водяным паром, присутствующим в продуктах сжигания, образует серную кислоту. Это приводит к коррозии металлических поверхностей оборудования, а также к загрязнению атмосферы, что негативно сказывается на здоровье человека. Поэтому перед использованием биогаза необходимо удалить из него H2S. Ранее для десульфуризации биогаза использовались химические методы, которые можно разделить на поглощение щелочью, химическую адсорбцию, химическое окисление и высокотемпературное термоокисление. Затраты на десульфуризацию химическим способом очень высоки. Основная причина заключается в необходимости использования большого количества химических веществ в процессе обработки, а также в высоких энергозатратах. Кроме того, образуются новые соединения серы, которые при отсутствии надлежащей обработки могут стать причиной нового загрязнения окружающей среды. Биологическое десульфурирование — это новый метод, заменяющий химическое десульфурирование, который может во многих отношениях преодолеть его недостатки. В процессе биологического десульфуризации участвуют две основные группы микроорганизмов: фотоавтотрофные и хемоавтотрофные микроорганизмы. В этой статье рассматриваются основные принципы удаления H2S из биогаза с помощью этих двух типов микроорганизмов. Принцип десульфуризации у фотосинтезирующих анаэробных микроорганизмов. Зеленые сульфобактерии представляют собой строго анаэробные фотосинтезирующие анаэробные микроорганизмы. При наличии света и неорганических питательных веществ зеленые сульфидные бактерии могут использовать CO2 для синтеза новых клеточных структур. В процессе этого они превращают S2- в чистый серу, который затем выделяется наружу из клетки. Эти свойства делают зеленые сульфидные бактерии идеальными кандидатами для использования в процессах десульфурации. Процесс десульфурации выглядит следующим образом: следует отметить, что при определенных условиях зеленые сульфидные бактерии могут дальше окислять чистый серу до SO42-. Следовательно, существует взаимосвязь между интенсивностью освещения и процессом десульфурации: недостаток света мешает процессу десульфурации, а чрезмерное освещение приводит к образованию SO42-. Только при подходящих условиях освещения сульфиды могут быть полностью превращены в чистый серу без образования SO42-. Поэтому при использовании зеленых сульфидных бактерий для десульфурации необходимо строго контролировать условия реакции. Принцип десульфуризации у хемоавтотрофных микроорганизмов. Хемоавтотрофные микроорганизмы используют CO2 в качестве источника углерода; при этом они получают энергию в процессе окисления S2-. В присутствии органического источника углерода некоторые виды автотрофных микроорганизмов могут использовать его для хетотрофного метаболизма. Хемоавтотрофные микроорганизмы превращают S2- в чистый серу, причем это может происходить как в условиях наличия кислорода, так и в условиях его отсутствия. В условиях наличия кислорода он выступает в роли приемника электронов, а в условиях его отсутствия в качестве приемника электронов может использоваться нитрат. Многие хемоавтотрофные микроорганизмы способны использовать чистый серу, H2S, тиосульфаты и органические сульфиды в качестве доноров электронов. К представителям таких микроорганизмов относятся Thiothrix ferrooxidans, Thiothrix denitrificans, Thiothrix sulfuratus и Thiothrix oxidans. Процесс преобразования S2- в чистый серу у хемоавтотрофных микроорганизмов выглядит следующим образом: когда кислород является ограничивающим фактором биохимической реакции, основным продуктом является чистый сера; когда же S2- является ограничивающим фактором, основным продуктом становится SO42-, а не чистый сера. 3.1 Принципы работы технологии биологического десульфуризации Основной принцип этой технологии заключается во взаимодействии биогаза, содержащего H2S, с раствором соды, в котором находятся хемоавтотрофные микроорганизмы. При этом H2S поглощается щелочным раствором, а затем под действием катализа микроорганизмов превращается в элементарный сер или сульфаты. В биореакторе протекают следующие основные реакции: В настоящее время это одна из самых развитых в мире технологий десульфуризации. У нее есть следующие преимущества: (1) Безопасность: вся система биодесульфуризации работает в замкнутом режиме; кроме того, H2S из биогаза полностью поглощается. Ниже устройства для поглощения не остается свободного H2S, поэтому не возникает риска отравлений или травм, а также нет загрязнения окружающей среды. (2) Экономия: для освоения этого навыка требуется мало инвестиций, а количество необходимого оборудования и приборов минимально. Низкие затраты на эксплуатацию, мало операторов требуется для производства, что снижает затраты на труд; не нужны химические катализаторы, биокатализаторы не теряют своих свойств, они автоматически восстанавливаются и не требуют замены; для работы требуется мало химикатов, что позволяет сократить производственные затраты; затраты на эксплуатацию и обслуживание этой технологии также очень низки. (3) Высокая эффективность: с помощью этого метода удается обеспечить, чтобы содержание H2S в природном газе после десульфуризации было менее 4 ппм ； Кроме того, устройство обладает высокой гибкостью в эксплуатации: диапазон концентрации H2S составляет от 50 ппмв до 100 объемных процентов, а диапазон давления — от 1 до 100 барг. Это позволяет эффективно справляться с пиковыми нагрузками, связанными с содержанием H2S. Процесс использования этой способности прост, количество систем управления и контроля минимально; отсутствуют сложные цепи управления, а защита при работе с ней проста и удобна. Подходит для небольших газовых месторождений с высокой концентрацией H2S; более экономично и приносит отличную отдачу; к тому же оборудование, использующее эту технологию, обладает стабильной работой, надежностью и хорошей экономической эффективностью. 3.2 Принципы технологии биологического десульфуризации с использованием железных солей Основной принцип биологического десульфуризации с использованием железных солей заключается в том, что в процессе абсорбции H2S окисляется Fe3+ до элементарного серы. Затем, в кислой среде (pH=1,2–1,8), благодаря метаболизму бактерий Pseudomonas ferrooxidans, Fe2+ превращается в Fe3+, который затем снова может использоваться в процессе абсорбции. Соответствующие реакции выглядят следующим образом: У этих бактерий имеется довольно высокий потенциал окисления-восстановления, что позволяет им превращать H2S в элементарную серу; при этом они не способны дальше окислять элементарную серу до сульфатов. Образовавшийся чистый сера возвращается после разделения, а затем Fe2+ снова превращается в Fe3+ под действием бактерий Thiobacillus ferrooxidans и используется повторно. Поэтому большинство исследователей считают, что этот метод характеризуется низким энергопотреблением, малыми затратами и незначительным количеством отходов, что делает его более подходящим для процесса десульфуризации биогаза. 4. Обсуждение (1) Что касается способности фотохетотрофных микроорганизмов удалять H2S из биогаза, то зеленые сульфобактерии представляют собой довольно подходящий вариант. Они могут использовать неорганические источники углерода; к тому же у этих микроорганизмов высокая способность к десульфуризации. Продукты их метаболизма — кремнистый сера — выделяются наружу клетки, что облегчает их отделение. Однако для процесса преобразования требуется большое количество излучения как от света, так и от бактерий, поскольку после образования в реакционной системе микрочастиц серы пропускаемость света **снижается**, что в свою очередь влияет на эффективность десульфуризации; поэтому это трудно осуществить с экономической точки зрения. Если удастся добиться снижения энергопотребления источников света и повышения их мощности, то применение этого метода откроет широкие возможности на рынке. (2) При строгом контроле подачи кислорода использование хемоавтотрофных микроорганизмов для удаления H2S из биогаза обладает большим потенциалом для применения на рынке; в частности, технология десульфуризации в двух этапах уже имеет примеры практического применения (технология Шелл-Паркер). Этот навык обладает такими преимуществами, как отсутствие влияния на сбор и использование биогаза и отсутствие нового загрязнения окружающей среды. Кроме того, в последние годы новой областью исследований стало использование железосолей для поглощения H2S, а затем биоокисления для восстановления раствора железосолей, что позволяет повторно использовать эти соли. (3) Для технологии биологического десульфуризации необходимо соблюдение нескольких условий: во-первых, наличие надежной эффективности; во-вторых, малое количество необходимых питательных веществ; в-третьих, возможность легкой отделения чистого серы из биомассы. 5. Заключение По сравнению с традиционными физическими и химическими методами десульфуризации, последние требуют больших затрат энергии и имеют высокую стоимость обработки. Это побудило людей искать более экономичные, эффективные и рентабельные способы обработки. Технология биологической десульфуризации открыла новые возможности для исследований и применения в этой области. Несмотря на привлекательные перспективы промышленного применения технологии биологического десульфуризации, эта технология по-прежнему находится на стадии исследований и разработок. В настоящее время она сталкивается с множеством трудностей, которые препятствуют её быстрому развитию. С одной стороны, исследователи должны искать штаммы бактерий, обладающие способностью к десульфуризации, и изучать механизм этого процесса. С другой стороны, необходимо использовать знания в области биотехнологий и генной инженерии для повышения активности, стабильности и селективности этих бактерий, чтобы достичь высокой эффективности десульфуризации и совершить новый прорыв в технологиях удаления H2S из биогаза.