厭氧消化裝置剛產(chǎn)出的沼氣是含飽和水蒸氣的混合氣體，除含有氣體燃料CH4和惰性氣體CO2外，還含有一定比例的H2S、H2O，少量的NH3，H2、N2、O2、CO和鹵化烴。沼氣的凈化是指沼氣中CH4之外其他氣體的去除。
一 沼氣凈化機(jī)理
概括起來(lái)，目前沼氣凈化的機(jī)理有三大類，即化學(xué)吸收、物理提純和生物脫除。
（1）化學(xué)吸收。一種化學(xué)吸收機(jī)理是采用胺、堿、醇等復(fù)合溶液吸收劑，利用酸堿中和反應(yīng)吸收沼氣中的CO2、H2S等酸性物質(zhì)，同時(shí)也能吸收NH3等易溶于水、醇的氣體。另一種化學(xué)吸收機(jī)理是采用干化學(xué)物質(zhì)（如Fe2O3）作為吸收劑吸收雜質(zhì)氣體。化學(xué)吸收的吸收劑都可以通過(guò)裝置的自凈系統(tǒng)和再生系統(tǒng)釋放出各種雜質(zhì)和氣體得到再生循環(huán)使用。
（2）物理提純。通過(guò)此機(jī)理凈化沼氣的主要是變壓吸附法。利用吸附劑在不同壓力條件下對(duì)不同氣體吸附力不同的原理來(lái)分離沼氣中的不同組份。沼氣中的H2O、CO2、H2S等吸附容量較大的強(qiáng)吸附組分在一定壓力下被吸附劑吸附停留在床層中，而較小吸附容量的弱吸附組分N2、CH4 等從床層出口輸出，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)沼氣的凈化。
（3）生物脫除。在一定的條件下利用微生物生長(zhǎng)繁殖需要沼氣中某些雜質(zhì)氣體作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣的凈化。
現(xiàn)階段，物理化學(xué)法已被廣泛地應(yīng)用且積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但該方法存在運(yùn)行費(fèi)用高、投資大、再生困難、產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)。生物法具有不需催化劑和氧化劑、不需處理化學(xué)污泥、少污染、低能耗、高效率、可回收單質(zhì)硫等優(yōu)點(diǎn)，正在成為沼氣脫硫領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
二 沼氣凈化方法
沼氣凈化的程度取決于沼氣的用途。沼氣供熱需要脫H2S、H2O，沼氣發(fā)電需要脫H2S、H2O、有機(jī)鹵化物，沼氣作汽車燃料需要脫H2S、H2O、有機(jī)鹵化物、CO2，沼氣并入天然氣網(wǎng)需要脫H2S、H2O、有機(jī)鹵化物、CO2以及金屬。沼氣中不同組分脫除的具體方法見(jiàn)表1。
三 常用的沼氣凈化技術(shù)
不管是什么用途，沼氣中的H2O 和H2S都要脫除。本文就沼氣脫H2O和脫H2S常用的技術(shù)詳述如下。
（1）脫H2O
脫H2O是因?yàn)閷?dǎo)氣管中如果積累了水會(huì)溶解H2S腐蝕管道，此外當(dāng)沼氣被加壓儲(chǔ)存時(shí)，沼氣中的水會(huì)凝結(jié)凍壞儲(chǔ)氣罐。發(fā)酵裝置出來(lái)的沼氣中所含的水分形式是飽和水蒸氣，一般采用冷分離法將其除去。通過(guò)調(diào)整壓力引起混合氣體溫度發(fā)生變化，使水蒸氣從氣態(tài)冷凝為液態(tài)的水后，將其從沼氣中脫除。此法經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，被大多數(shù)沼氣工程所采用。
沼氣冷卻的方式有自然降溫及機(jī)械脫水兩種。冷卻溫度還要考慮下一步脫硫過(guò)程中不同脫硫劑對(duì)水分量的要求，根據(jù)脫硫劑的水分合理量進(jìn)行適當(dāng)?shù)某醪嚼鋮s。
在沼氣輸送過(guò)程中，還有一部分水要析出。為了避免析出的水分腐蝕或堵塞管道，常在管路的最低處安裝集水器，定期排除集水器中的水。
（2）脫H2S
脫H2S是為了避免H2S腐蝕設(shè)備、H2S中毒和如果沼氣燃燒H2S被氧化成SO2或SO3造成更大的危害。
總結(jié)出來(lái)的8種H2S脫除方法可以分為物理提純、化學(xué)凈化和生物吸收。現(xiàn)就3種機(jī)理中常用的方法分析如下。
① 活性炭吸附工藝。在變壓吸附系統(tǒng)中H2S可以通過(guò)用KI浸泡過(guò)的活性炭去除。此過(guò)程中，H2S被轉(zhuǎn)化為單質(zhì)S和H2O，單質(zhì)S就被活性炭吸收了。在連續(xù)運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)要包含兩個(gè)吸附裝置。如果活性炭上H2S的濃度超過(guò)3ppm，需要進(jìn)行再生。
② 氧化鐵吸收工藝。通過(guò)氧化鐵來(lái)吸收沼氣中的H2S，此工藝的脫硫原理如下：
Fe2O3?H2O+H2→Fe2S3?H2O+3H2O （1）
此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，最低溫度要求12℃，最佳反應(yīng)溫度為25℃～50℃。所以，實(shí)際工程運(yùn)營(yíng)中，需要加熱來(lái)達(dá)到最佳反應(yīng)溫度。另外，H2S的脫除是通過(guò)在活性氧化鐵表面的水膜中離解成H+和S2+后，再進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)榇朔磻?yīng)需要一定量的水，一般要將脫硫劑的水分含量控制在10%～15%。所以沼氣在前面的脫水過(guò)程中溫度不能太低，水分不能脫除得太多，但也應(yīng)避免生成的冷凝水使球狀氧化鐵粘在一起，減少了反應(yīng)表面，從而影響脫硫效果。
此法的脫硫工藝中產(chǎn)生的硫化鐵可以被空氣氧化再生，生成氧化鐵和單質(zhì)S。此工藝的反應(yīng)原理如下，
Fe2S3?H2O+3/2O2→Fe2O3+3S+609kJ （2）
從反應(yīng)式可以看出，再生過(guò)程中會(huì)放出大量的熱，因此常常會(huì)發(fā)生自燃。為防止脫硫劑自燃，一般需要對(duì)卸除的廢脫硫劑噴灑少量水。另外，在經(jīng)過(guò)很多次重復(fù)使用后，氧化鐵的表面上會(huì)覆蓋一層硫單質(zhì)，所以就需要更換氧化鐵。通常一個(gè)裝置中要配有兩個(gè)反應(yīng)床，一個(gè)進(jìn)行脫硫時(shí)，另一個(gè)可以進(jìn)行再生。
在目前的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程中，氧化鐵吸收工藝被稱為干法脫硫。另外有一種常用的濕法脫硫。濕法脫硫的脫硫劑多用濃度為2%～3%的碳酸鈉溶液。此兩方法的脫硫劑都可以再生。
③ 生物脫硫法。該法是利用無(wú)色硫細(xì)菌，如氧化硫硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌等，在一定的溫度、濕度和微氧的條件下，將H2S氧化成單質(zhì)S或H2SO3。脫硫機(jī)理為：①H2S氣體溶解，即由氣相轉(zhuǎn)化為液相；②溶解后的H2S被微生物吸收，轉(zhuǎn)移至微生物體內(nèi)；③進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)的H2S作為營(yíng)養(yǎng)物被微生物分解、轉(zhuǎn)化和利用，從而達(dá)到去除H2S的目的。其反應(yīng)方程式如下：
2H2S+3O2→2H2SO3 （3）
2H2S+ O2→2S+2H2O （4）
大部分的硫氧化細(xì)菌都屬于硫桿菌屬。硫桿菌隨處可見(jiàn)，用來(lái)脫除H2S并不需要接種。另外，大多硫桿菌是自養(yǎng)的，厭氧消化物的表面可以提供給它們一個(gè)生長(zhǎng)所需的微觀好氧環(huán)境和必需的營(yíng)養(yǎng)。所以，運(yùn)用生物法脫硫，直接往厭氧消化罐或儲(chǔ)氣罐中通入一定量的O2或空氣并保持一定時(shí)間即可，方法比較簡(jiǎn)單。適當(dāng)?shù)臏囟取⒎磻?yīng)時(shí)間和空氣量可以使沼氣中的H2S含量減少至50ppm。
在實(shí)際運(yùn)用中，沼氣中通入O2或空氣的量根據(jù)沼氣中H2S的含量確定，一般為2％～6％的空氣。對(duì)于不同甲烷含量的沼氣，空氣中的爆炸范圍不同，所以必需采取一定的安全措施避免沼氣中通入過(guò)量的空氣引起爆炸。同時(shí)，生物脫硫也存在過(guò)程不容易控制、脫除出來(lái)的單質(zhì)S容易堵塞填料及損害曝氣頭等缺點(diǎn)。
四 脫硫方案選擇
沼氣工程在實(shí)際運(yùn)行中，多采用化學(xué)法或生物法脫除沼氣中的H2S。兩種脫硫方法的對(duì)比可得出以下結(jié)論。小型沼氣工程采用化學(xué)脫硫法比較實(shí)用；大中型沼氣工程更應(yīng)采用生物脫硫法；工程上采用生物——化學(xué)聯(lián)合工藝處理高H2S濃度的沼氣是一種行之有效的方案。
