基于微藻膜#12131;物反应器的沼#12115;提纯协同污水处理厂尾水处理技术研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 沼气现状

随着全球经济的发展，能源紧缺与环境污染问题日益突出，清洁可再生能源成为时代的新宠。沼气是一种重要的可再生能源，主要成分是 CH₄、CO₂及少量 H₂S 等。沼气净化提纯后可得到生物天然气，其品质与商业天然气无异^[1]，能够并入天然气管网，用于车用燃料以及化工原料，具有清洁、高效、安全和可再生等特点。对沼气进行高值利用既能降低对石化能源的依赖，还能实现能源利用过程中 CO₂的近零排放，具有能源替代和环境保护双重效益^[2-3]。

我国沼气资源丰富，开发潜力巨大，但国内用户小沼气主要用于炊事，利用价值很低，大型沼气工程及沼气提纯技术方面与发达国家也有差距^[4]。

1. 沼气提纯的方法

2.1 吸收分离法

吸收分离法是利用溶剂对CO₂和CH₄选择性吸收能力的不同进行分离的，主要分为物理吸收法和化学吸收法。前者主要依靠溶剂本身对CO₂和CH₄的溶解度差异进行分离，并没有生成新的物质。与之相对的是后者溶剂通过与CO₂发生化学反应，生成新的物质并依然留在液相中，从而达到分离的目的。

物理吸收法常用的吸收溶剂是水，水不仅可以有效分离CO₂和CH₄，而且水价廉易得、无毒无害，不易产生二次污染^[5]。在20℃，1.01 X 1O⁵Pa的条件下，CO₂和CH₄在水中的溶解度分别为0.169 g/100g·H₂O和0.0023 g/100g·H₂O。因为两者在常温常压下溶解度相差73.5倍，所以可以认为水能够选择性分离CO₂和CH₄。同时，随着压力的增大，CO₂在水中的溶解度也相应增大如。汪昆^[6]等以填料塔为吸收塔进行压力实验，出气浓度随着压力的增大而降低，沼气脱碳效果越发显著。所以实际工程上通常使用高压水洗法来提纯沼气，该工艺一般包括高压水洗、闪蒸、吹脱和干燥4个环节^[7]首先水（贫液）在洗涤塔中吸收CO₂和少量CH₄，排出的水（富液）经闪蒸罐回收部分CH₄，随后在解吸塔中吹脱出CO₂再生成贫液注回洗涤塔，脱碳后的气体经过干燥出去多余的水汽得到高品质的生物质燃气。

2.2 吸附分离法

吸附法是一种物理提纯方法，包括变压吸附法（PSA）和变温吸附法（TSA）这种方法利用吸附剂对CO₂和CH₄吸附能力的差异脱除沼气中的CO₂，由于其吸附容量会随压力或温度的变化而变化，从而实现吸附和解吸的过程^[8]。其中沼气提纯常用的是PSA法，因为变压过程相较于变温过程更加快速便捷、节约能耗。吸附剂自身对CO₂吸附的高选择性和高附着性成为PSA法的研究重点。常用的吸附材料主要有活性炭、硅胶、沸石、分子筛和氧化铝等^[9]。 Aloso-Vicario A. 等对5A和13X分子筛以及天然沸石进行研究，发现在7bar和25℃的条件下经过活化的天然沸石对CO₂的吸附容量达到173.9mg CO₂/g，是另外两种合成分子筛的两倍。在实际应用中，由于吸附器需要不断进行吸附和再生的循环，往往需要多个吸附塔同时工作。如深圳下坪提纯填埋气工程就采用5个吸附塔交叉运行，保证提纯过程的连续运行^[10]。另外，在在高压下，部分CH₄也会被吸附起来，解吸时不可避免地会造成的CH₄损失。所以，PSA法仍存在建设成本高，操作繁琐，CH₄损失较多，吸附前需脱除H₂S等问题。

2.3 渗透分离法

渗透分离法是在渗透膜两侧压力差的作用下，利用CH₄和CO₂等其他沼气气体组分对渗透膜选择透过速率的不同进行分离^[11]。其膜材料主要有高分子材料、无机材料和高分子-无机复合材料三大类^[12]。

其主要工艺分为两种方法，一种是膜的两边都是气相的高压气体分离；另一种是通过液体吸收扩散穿过膜的分子的低压气相-液相吸收分离^[13]。梁素钰等^[14]使用中空纤维聚酰亚胺膜组件进行沼气脱碳研究，实验发现在25℃和0.6MPa的条件下，CH₄从56.72%升至81.90%，CO₂从37.80%降至13.69%。单级膜分离效果并不显著，需要多级膜处理以后含量将会超过96%^[15]，且膜处理不能脱除N₂等非极性分子需要与其他工艺联合使用^[16]。总而言之，渗透分离法具有工艺简单，操作方便，耗能较低，无二次污染的优点，但是作为工艺核心的膜材料价格高昂，不易控制CH₄损失，易受杂质污染，因此一般不作为单一工艺应用^[17]。