復合處理工藝對于生物發(fā)酵廢氣處理效果的研究

常城

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1 項目背景

隨著現(xiàn)代生物發(fā)酵技術(shù)的高速發(fā)展，生物發(fā)酵產(chǎn)品在我們生活中的應用越來越多。在利用生物發(fā)酵技術(shù)進行生產(chǎn)過程中必然會伴隨著發(fā)酵尾氣的產(chǎn)生，這些尾氣具有大風量、高溫高濕、含塵量大等特點，且其成分組成[1]非常復雜，主要是未被利用的空氣、生產(chǎn)菌在初級代謝和次級代謝中的各種中間物和產(chǎn)物、發(fā)酵過程中的酸堿廢氣，以及有機揮發(fā)物VOCs（Volatile+Organic+Compounds）等。這種含有多組分混合物的發(fā)酵尾氣的排放，對人體及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較為嚴重的危害，因此，需對生物發(fā)酵工程的發(fā)酵尾氣進行治理。

2 發(fā)酵廢氣處理技術(shù)及現(xiàn)狀

2.1 吸收技術(shù)[2]。采用水或有機溶劑作吸收劑，利用廢氣相似相溶原理，使有害氣體被吸收，從而達到凈化廢氣的目的。必要時可添加化學藥品以中和反應消耗氨或硫化氫一類酸堿性廢氣，多用于易溶于水/有機溶劑以及酸/堿性質(zhì)廢氣，對有機/難溶性廢氣處理效果不佳。

2.2 吸附技術(shù)[3]。吸附劑發(fā)達的多孔結(jié)構(gòu)對廢氣中污染分子形成過濾作用，廢氣中大分子物質(zhì)在吸附床內(nèi)發(fā)生物理/化學吸附作用，從而達到廢氣處理效果。高溫下，絕大部分吸附劑效果不佳。多用于大風量，低濃度溫度低于50℃。

2.3 催化燃燒技術(shù)[4]。廢氣在催化劑作用下，在200-400℃情況下，發(fā)生無焰燃燒（氧化反應），廢氣中有機組成如烴類、苯類有機物質(zhì)快速氧化為無害的二氧化碳和水，進而排入大氣。小風量，高濃度、高熱值的有機廢氣；根據(jù)使用情況不同，或需添加助燃劑。

2.4 冷凝技術(shù)[5]。利用不同有機廢氣在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一特性，采用降低溫度或加壓等工藝方法，使蒸氣狀態(tài)的VOCs 冷凝并分離。高濃度VOCs，可回收有機溶劑，對低濃度或一般廢氣如氨等效果一般。

圖1 復合處理工藝流程圖

2.5 生物降解技術(shù)[6]。含有VOCs 的廢氣進入包圍在濾料表面的活性生物層，與生物層內(nèi)的微生物發(fā)生反應，進行生物降解，最終生成CO2和H2O。中低濃度，大風量，可生物降解VOCs。生物菌種培育復雜，生存條件相對復雜。

2.6 光催化反應[7]。廢氣在特定波長光作用下，廢氣受激產(chǎn)生分子激發(fā)態(tài)，然后會發(fā)生化學反應生成新的物質(zhì)。適用于大風量、低濃度、有機廢氣，產(chǎn)生臭氧容易二次污染。

2.7 等離子體法[8]。當外加電壓達到氣體的放電電壓時，產(chǎn)生各類高能電子使污染物分子在極短的時間內(nèi)發(fā)生分解，以達到降解污染物的目的。適用于大風量、低濃度、有機廢氣。

根據(jù)對發(fā)酵廢氣性質(zhì)的測定，傳統(tǒng)單一工藝難以滿足發(fā)酵廢氣處理需求，采用多種復合工藝處理效果更佳。

3 復合處理工藝

根據(jù)發(fā)酵廢氣性質(zhì)，確定處理工藝為：

管束除塵→水洗吸收（加藥）→光催化反應→排放

除塵采用：管束除塵塔，除塵噴淋采用自來水循環(huán)噴淋。

水洗吸收：采用自來水洗滌，加藥選擇氫氧化鈉。

光催化采用：185 nm 波長紫外燈管。

其工藝流程如圖1 所示。

廢氣在離心風機的作用下，通過主管道流入廢氣處理設備。廢氣先經(jīng)過除塵除霧工藝，將廢氣中攜帶的大量發(fā)酵霧滴和塵粒去除，隨后進入水洗滌塔，利用噴淋在填料表層的水分去除廢氣中的易溶與水氣體及部分揮發(fā)性有機物。最后進入光催化氧化設備，利用光解和光催化氧化技術(shù)，去除廢氣中的VOCs 成分。

管束式[9]除塵除霧：管束式除塵除霧器是主要依賴于飽和廢氣中含有大量細小霧滴的特點，利用大量細小霧滴高速運動條件下增加顆粒與霧滴碰撞的機率，霧滴與顆粒凝聚從而實現(xiàn)對此部分極微小塵粒和霧滴的捕悉脫除。

洗滌塔：塔內(nèi)氣體通過風機由下向上送入。循環(huán)液由耐腐泵打入塔頂，塔內(nèi)特有的布液裝置使吸收液均勻向下噴淋，形成逆流吸收效果。

光催化：UV 光解催化氧化主要是利用高能紫外線光束與空氣、TiO2反應產(chǎn)生的臭氧、·OH(羥基自由基)，對廢氣進行協(xié)同分解氧化反應，使大分子污染氣體鏈結(jié)構(gòu)斷裂，從而轉(zhuǎn)化為無害的小分子化合物，生成水和CO2。

經(jīng)過復合工藝處理后，發(fā)酵廢氣達標排放。

為進一步確認處理效果，進行中試實驗進一步通過實際使用觀察效果。

4 復合工藝的實際應用

中試背景：濱州某酵母有限公司，發(fā)酵罐廢氣。

中試規(guī)模：廢氣處理規(guī)模：2800 m3/h。

中試設備：中試設備中采用的工藝相關(guān)信息列于下表1 中：

表1 中試設備工藝信息表

檢測設備：便攜式VOC 檢測儀1 臺；便攜式NH3、H2S 檢測儀1 臺；便攜式風速檢測儀1 臺；便攜式溫度檢測儀1 臺。

實驗步驟：

第一組：實驗條件:3 臺設備同時開啟（取樣時間：間隔60 分鐘）。（表2）

表2 第一組實驗參數(shù)表

實驗分析：

（1）從VOC 去除效果觀察：復合工藝≧單一處理工藝。

（2）NH3去除階段主要在洗滌塔內(nèi)完成。

（3）復合工藝對于氣味去除效果也尤為明顯。

第二組：實驗條件:洗滌塔關(guān)閉，光催化除塵塔正常運行。（表3）

表3 第二組實驗參數(shù)表

實驗分析：

（1）光催化設備針對NH3去除效果一般，但對VOCs 處理效果較好。

（2）光催化針對氣味去除也有良好效果。

第三組：實驗條件:3 設備同時開，同時洗滌循環(huán)水箱加堿（氫氧化鈉）至pH10。（表4）

表4 第三組實驗參數(shù)表

實驗分析：加藥后VOCs 處理效果略優(yōu)于普通復合工藝。

實驗結(jié)論：

（1）單一處理工藝難以應對復雜工況如發(fā)酵廢氣的處理需求。

（2）多類復合廢氣處理工藝聯(lián)用，廢氣處理效果大幅上升。

（3）必要的添加化學藥品能有效提升處理效果。

5 結(jié)論

隨著社會進一步發(fā)展，各類工業(yè)產(chǎn)品種類及生產(chǎn)工藝的繁雜多樣，勢必造成廢氣組成復雜性，單一沿用傳統(tǒng)廢氣處理工藝必將被社會所淘汰。

傳統(tǒng)廢氣處理工藝難以應對復雜工況下的廢氣，尤其對于發(fā)酵廢氣這類大風量、異味大，成分復雜且含氨的廢氣。在此類工況下，應使用復合廢氣處理工藝，即針對廢氣組成中含量較多的成分做針對處理，必要時需要投加化學藥品等。

綜合而言，復合處理工藝作為更適用于當下大多數(shù)的工業(yè)廢氣處理，環(huán)保人需要不斷鉆研其中，改進與發(fā)展。