生物天然气是由沼气净化提纯后得到的一种低碳、可再生燃料，其成分和热值与常规天然气无异，是我国重点发展的生物能源。沼气中的H2S、CO2等组分限制了其规模化应用，因此必须经过净化提纯得到生物天然气。嗜盐嗜碱微生物脱硫作为一种新型技术，在生物天然气净化提纯过程中表现出良好的净化性能，具有很好的应用前景。本文以嗜盐嗜碱微生物脱硫技术为核心，开展生物天然气净化提纯系统的设计和优化。首先，本研究通过实验测定了常压下、298.15 K–353.15 K温度范围内H2S在Na2CO3–NaHCO3缓冲溶液中的溶解度数据，并基于ELECNRTL活度系数模型建立了H2S溶解度计算模型。结果表明，在嗜盐嗜碱微生物脱硫技术的操作条件下，即常压、303.15 K时，H2S在Na2CO3–NaHCO3缓冲溶液中的溶解度数值约为0.47 mol (H2S)/kg(tot)。经过验证，所建立的溶解度计算模型在10 bar压力以下具有很好的预测效果。其次，基于Aspen Plus软件考察了嗜盐嗜碱微生脱硫系统的各项调控参数对脱硫效果的影响，获得了吸收剂盐度、吸收剂pH、吸收剂温度、原料气温度、气液比、填料高度等各项参数的最佳取值范围。同时，根据研究结果，发现在诸多影响因素中，吸收剂pH和气液比是影响脱硫效果的最为关键的两个因素；而吸收剂温度则主要影响脱硫的选择性。构建了“ORP + pH + 电导率”三参数生物反应器调控方案，系统运行过程中三参数的最佳取值范围分别为：ORP：-380 mV–-410 mV；pH：9.0–10.0；电导率：50 mS/cm–70 mS/cm。再次，以沼气处理量为21,600 Nm3/d，硫化氢浓度为5,560 mg/m3，H2S脱除率为99.9%的生物天然气项目为例，完成了嗜盐嗜碱微生脱硫系统的工程设计计算和全流程模拟。结果表明，处理能力下吸收塔的尺寸为Φ 700 mm×10,500 mm，其中填料高度为8.0 m，生物反应器的尺寸为Φ 2,550 mm×5,100 mm。根据全流程模拟计算结果，本系统在保证H2S脱除率高于99.93%的同时，系统可产生4.93 kg/h的硫磺副产物。最后，对三种工艺流程相似的生物天然气净化技术即络合铁脱硫技术、Paques技术以及嗜盐嗜碱微生物脱硫技术做了技术经济性对比分析，完成了三种技术在不同规模下的灵敏度分析。结果表明，从项目总投资、年运营成本和碳排放量来看，嗜盐嗜碱微生物脱硫技术最具经济性优势，其次是Paques技术，最后是传统的络合铁法脱硫技术。