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发酵废气处理技术及现状  

2018-07-03 09:59:54|  分类: 空消实用技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       随着现代生物技术迅猛发展,生物发酵制品已成为投资最活跃、发展最快的产业之一。生物发酵药品被广泛应用于临床,为人类健康作出了巨大的贡献。由于生物医药发酵空气用量大,一般为1:0.5~1.2(VVM),大量未处理尾气排人大气,使部分发酵代谢产物随尾气带出,甚至有特殊难闻气味产生,即其药品成分或中间体浓度在空气中不断升高,反过来对人体及环境产生危害。因此,必须对其发酵尾气进行治理。
       发酵废气比较复杂,主要为发酵罐废气、发酵菌渣干燥废气、提取储罐废气、发酵液预处理废气和板框过滤的废气、有机溶剂废气、污水站废气。发酵尾气中最主要的是未被利用的空气,还有生产菌在初级代谢和次级代谢中的各种中间物和产物,以及发酵过程中的酸碱废气。在发酵类抗生素生产过程中的废气主要为CO2、水蒸气、及有机挥发物VOCs(Volatile Organic Compounds)。污染源主要为有机溶媒废气,主要有氯化氢以及溶剂(丁酯、丁醇)、二氯甲烷、异丙醇等。抗生素发酵废气排放的特点是:风量大、高温高湿、含尘量,多组分、以混合物的形式排放,常含有酸性气体、普通有机物和恶臭气体。排放的VOCs一般都含有丙酮、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、甲醇、正丙醇、二氯甲烷、四氢呋喃类、醚类等。
       吸收技术
       吸收技术是使用易挥发或不挥发的液体作为吸收剂,利用VOCs中不同气体在吸收剂中的溶解度不同,使有害气体被吸收,从而达到净化废气的目的。常用于处理高湿度>(50%)VOCs气流。该法的处理浓度范围为500-5000ppm,效率高达95%~98%,但投资较大,设计困难,应用较少。
       吸附技术
       利用吸附剂发达的多孔结构对有机废气中VOCs的吸附作用来达到分离有害污染物的一种技术。在目前应用的吸附剂中,活性炭性能最好,应用最广,比其它商业可用的吸附剂,如:沸石、分子筛、活性氧化铝、多孔黏土、吸附树脂、矿石和硅胶等,有更大的吸/脱附容量和更快的吸附动力学性能。活性炭主要有三种类型即粉末状活性炭(Powdered Activated Carbon,PAC)、颗粒状活性炭(Granular Activated Carbon,GAC)和活性炭纤维(Activated Carbon Fiber,ACF)。活性炭吸附技术主要分为变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)。变压吸附可以实现循环操作,具有自动化程度高、能耗低、安全的优点,但变压吸附需要不断加压、减压或抽真空,操作频繁,对设备要求高,能耗巨大,多用于高档的溶剂回收。固定床变温吸附法,具有回收效率高,设备简单,工艺相对成熟等优点。吸附法的缺点是设备庞大,流程复杂,吸附剂需要再生。活性炭吸附法最适于处理VOCs浓度为300-5000ppm的有机废气,主要用于吸附回收脂肪和芳香族碳氢化合物、大部分含氯溶剂、常用醇类、部分酮类和酯类等;活性炭纤维吸附低浓度以至痕量的吸附质时更有效,可用于回收苯乙烯和丙烯腈等,但费用较活性炭吸附法高。
       催化燃烧技术
       催化燃烧技术指借助催化剂将VOCs在低点燃温度下(200-300℃)进行无焰燃烧,废气被氧化为CO2和H2O。该技术处理有机废气的效率能达到90-99%,且能量消耗少、燃烧温度低、不易带来二次污染、运行周期长,可回收热量,适合处理低浓度的和成分复杂的VOCs。但使用的催化剂大多数是铂、钯等贵金属,以三氧化二铝作为载体,而贵金属价格昂贵,易中毒,而且当净化低浓度的有机废气时需要加入辅助燃料助燃,导致费用增加。现在正在研究开发新型的稀土催化剂以节省贵金属。
       冷凝技术
       冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压这一性质,采用降低温度、提高系统的压力或者既降低温度又提高压力的方法,使处于蒸气状态的VOCs冷凝并从废气中分离出来的过程。特别适用于处理VOCs浓度在10000ppm以上的较高浓度的有机蒸气,VOCs的去除率与其初始浓度和冷却温度有关。在给定的温度下,VOCs的初始浓度越大,VOCs的去除率越高。冷凝法在理论上可达到很高的净化程度,但是当浓度低于几个ppm时,须采取进一步的冷冻措施,使运行成本大大提高,所以冷凝法不适宜处理低浓度的有机气体,而常作为其他方法(如吸附法、焚烧法和使用溶剂吸收)净化高浓度废气的前处理,以降低有机负荷,回收有机物。
       膜分离技术
       利用有机气体分子与空气透过膜的能力不相同而将二者分开。该技术适合于流量小、浓度高和有较高回收价值的有机溶剂。对废气中有机物质的回收率较高,过程简单,能耗低,不会带来二次污染问题。但是该技术对膜材料的要求很高,用单级膜往往分离程度较低,无法满足工程实际需要,用多级膜则会大大增加投资成本,限制了该技术的推广。
       生物降解技术
       生物降解技术最早应用于脱臭,近年来逐渐发展成为VOCs的新型污染控制技术。该技术中,含有VOCs的废气由湿度控制器进行加湿后通过生物滤床的布气板,沿滤料均匀向上移动,在停留时间内,气相物质通过平流效应、扩散效应、吸附等综合作用,进入包围在滤料表面的活性生物层,与生物层内的微生物发生好氧反应,进行生物降解,最终生成CO2和H2O。生物降解法设备简单,运行维护费用低,无二次污染等优点,尤其在处理低浓度、生物可降解性好的气态污染物时更显其经济性。体积大和停留时间长是生物法的主要问题,同时该法对成分复杂的废气或难以降解的VOCs去除效果较差。
已被试验证明可此技术去除的有机物包括:甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、2-乙基己醇、丙烷、异戊烷、己烷、丁醛、丙酮、甲基乙基酮、乙酸丁酯、二乙胺、三乙胺、二甲基二硫化物、甲硫醇、二甲硫、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等。
       光催化氧化技术
       所谓光催化反应,就是在光的作用下进行的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射,受激产生分子激发态,然后会发生化学反应生成新的物质,或者变成引发热反应的中间化学产物。可以在常温下进行,节约成本,只能处理低浓度的有机废气,催化剂也容易失活,对不能吸收光子的污染物质效果差,对于成分复杂的废气无法达到预期处理效果。已被试验证明可用光催化氧化法去除的医药发酵有机物包括:甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、2-乙基己醇、丙烷、异戊烷、己烷、丁醛、甲基乙基酮、乙酸丁酯、二乙胺、三乙胺、二甲基二硫化物、甲硫醇、二甲硫、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等。
       臭氧分解技术
       臭氧在UV光子照射下产生羟基自由基,将有机挥发物VOCs分解成低分子化合物、二氧化碳和水,达到无污染排放的目的。该技术操作简单易行。已处理的废气:氨、三甲胺、硫化氢、甲硫氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯,硫化物H2S、VOCs类,苯、甲苯、二甲苯的分子链结构,使有机或无机高分子恶臭化合物分子链,在高能紫外线光束照射下,降解转变成低分子化合物,如CO2、H2O等。
       等离子体法
       当外加电压达到气体的放电电压时,气体被击穿,产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用,使污染物分子在极短的时间内发生分解,以达到降解污染物的目的。有机化合物最终产物为CO2、CO和H2O。若有机物是氯代物,则产物应加上氯化物,而无中间副产物。降低了有机物的毒性,同时避免了其他方法中的后期处理问题。适于处理风量大、组分复杂的VOCs气体,特别适用于恶臭气体的处理。
       等离子体按粒子温度可分为平衡态(电子温度=离子温度)与非平衡态(电子温度>>离子温度)两类。非平衡态等离子体电子温度可上万度,离子及中性离子可低至室温,即体系表观温度仍很低,故称“低温等离子体”,一般由气体放电产生。气体放电有多种形式,其中工业上使用的主要是电晕放电(在去除废气中的油尘上应用已相当成熟)和介质阻挡放电(用于废气中难降解物质的去除)两种。等离子体法的优点是处理VOCs浓度范围广,去除率高,无二次污染,但是单位处理量降解能耗偏高,并且装置放大受反应器结构限制,目前较多协同催化、吸附等方法处理VOCs。
       回收技术和销毁技术具有其各自的特点,一般来说回收技术主要用来处理高浓度(>5000mg/m3)的有机废气,销毁技术主要处理低浓度(<1000mg/m3)的有机废气。现在对大气环境保护的日益重视,有可能产生二次污染的处理方法已逐渐被淘汰。实际工程中,一般根据废气浓度采用组合净化技术。针对发酵类抗生素排放废气的特点可采用:吸附+催化燃烧技术,吸附+等离子体技术,等离子体+水吸净化技术、等离子体+光催化氧化技术等。
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