【超強科普】發酵廢氣處理技術及現狀
隨著現代生物技術迅猛發展，生物發酵制品已成為投資最活躍、發展最快的產業之一。生物發酵藥品被廣泛應用于臨床，為人類健康作出了巨大的貢獻。由于生物醫藥發酵空氣用量大，一般為1：0.5～1.2（VVM），大量未處理尾氣排人大氣，使部分發酵代謝產物隨尾氣帶出，甚至有特殊難聞氣味產生，即其藥品成分或中間體濃度在空氣中不斷升高，反過來對人體及環境產生危害。因此，必須對其發酵尾氣進行治理。
發酵廢氣比較復雜，主要為發酵罐廢氣、發酵菌渣干燥廢氣、提取儲罐廢氣、發酵液預處理廢氣和板框過濾的廢氣、有機溶劑廢氣、污水站廢氣。發酵尾氣中最主要的是未被利用的空氣，還有生產菌在初級代謝和次級代謝中的各種中間物和產物，以及發酵過程中的酸堿廢氣。在發酵類抗生素生產過程中的廢氣主要為CO2、水蒸氣、及有機揮發物VOCs（Volatile Organic Compounds）。污染源主要為有機溶媒廢氣，主要有氯化氫以及溶劑（丁酯、丁醇）、二氯甲烷、異丙醇等。抗生素發酵廢氣排放的特點是：風量大、高溫高濕、含塵量，多組分、以混合物的形式排放，常含有酸性氣體、普通有機物和惡臭氣體。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、四氫呋喃類、醚類等。
吸收技術
吸收技術是使用易揮發或不揮發的液體作為吸收劑，利用VOCs中不同氣體在吸收劑中的溶解度不同，使有害氣體被吸收，從而達到凈化廢氣的目的。常用于處理高濕度>(50%)VOCs氣流。該法的處理濃度范圍為500-5000ppm，效率高達95%~98%，但投資較大，設計困難，應用較少。
吸附技術
利用吸附劑發達的多孔結構對有機廢氣中VOCs的吸附作用來達到分離有害污染物的一種技術。在目前應用的吸附劑中，活性炭性能最好，應用最廣，比其它商業可用的吸附劑，如：沸石、分子篩、活性氧化鋁、多孔黏土、吸附樹脂、礦石和硅膠等，有更大的吸/脫附容量和更快的吸附動力學性能。活性炭主要有三種類型即粉末狀活性炭（Powdered Activated Carbon，PAC）、顆粒狀活性炭（Granular Activated Carbon，GAC）和活性炭纖維（Activated Carbon Fiber，ACF）。活性炭吸附技術主要分為變壓吸附（PSA）和變溫吸附（TSA）。變壓吸附可以實現循環操作，具有自動化程度高、能耗低、安全的優點，但變壓吸附需要不斷加壓、減壓或抽真空，操作頻繁，對設備要求高，能耗巨大，多用于高檔的溶劑回收。固定床變溫吸附法，具有回收效率高，設備簡單，工藝相對成熟等優點。吸附法的缺點是設備龐大，流程復雜，吸附劑需要再生。活性炭吸附法最適于處理VOCs濃度為300-5000ppm的有機廢氣，主要用于吸附回收脂肪和芳香族碳氫化合物、大部分含氯溶劑、常用醇類、部分酮類和酯類等；活性炭纖維吸附低濃度以至痕量的吸附質時更有效，可用于回收苯乙烯和丙烯腈等，但費用較活性炭吸附法高。
催化燃燒技術
催化燃燒技術指借助催化劑將VOCs在低點燃溫度下（200－300℃）進行無焰燃燒，廢氣被氧化為CO2和H2O。該技術處理有機廢氣的效率能達到90-99%，且能量消耗少、燃燒溫度低、不易帶來二次污染、運行周期長，可回收熱量，適合處理低濃度的和成分復雜的VOCs。但使用的催化劑大多數是鉑、鈀等貴金屬，以三氧化二鋁作為載體，而貴金屬價格昂貴，易中毒，而且當凈化低濃度的有機廢氣時需要加入輔助燃料助燃，導致費用增加。現在正在研究開發新型的稀土催化劑以節省貴金屬。
冷凝技術
冷凝法是利用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一性質，采用降低溫度、提高系統的壓力或者既降低溫度又提高壓力的方法，使處于蒸氣狀態的VOCs冷凝并從廢氣中分離出來的過程。特別適用于處理VOCs濃度在10000ppm以上的較高濃度的有機蒸氣，VOCs的去除率與其初始濃度和冷卻溫度有關。在給定的溫度下，VOCs的初始濃度越大，VOCs的去除率越高。冷凝法在理論上可達到很高的凈化程度，但是當濃度低于幾個ppm時，須采取進一步的冷凍措施，使運行成本大大提高，所以冷凝法不適宜處理低濃度的有機氣體，而常作為其他方法（如吸附法、焚燒法和使用溶劑吸收）凈化高濃度廢氣的前處理，以降低有機負荷，回收有機物。
膜分離技術
利用有機氣體分子與空氣透過膜的能力不相同而將二者分開。該技術適合于流量小、濃度高和有較高回收價值的有機溶劑。對廢氣中有機物質的回收率較高，過程簡單，能耗低，不會帶來二次污染問題。但是該技術對膜材料的要求很高，用單級膜往往分離程度較低，無法滿足工程實際需要，用多級膜則會大大增加投資成本，限制了該技術的推廣。
生物降解技術
生物降解技術最早應用于脫臭，近年來逐漸發展成為VOCs的新型污染控制技術。該技術中，含有VOCs的廢氣由濕度控制器進行加濕后通過生物濾床的布氣板，沿濾料均勻向上移動，在停留時間內，氣相物質通過平流效應、擴散效應、吸附等綜合作用，進入包圍在濾料表面的活性生物層，與生物層內的微生物發生好氧反應，進行生物降解，最終生成CO2和H2O。生物降解法設備簡單，運行維護費用低，無二次污染等優點，尤其在處理低濃度、生物可降解性好的氣態污染物時更顯其經濟性。體積大和停留時間長是生物法的主要問題，同時該法對成分復雜的廢氣或難以降解的VOCs去除效果較差。
已被試驗證明可此技術去除的有機物包括：甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、2-乙基己醇、丙烷、異戊烷、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。
光催化氧化技術
所謂光催化反應，就是在光的作用下進行的化學反應。光化學反應需要分子吸收特定波長的電磁輻射，受激產生分子激發態，然后會發生化學反應生成新的物質，或者變成引發熱反應的中間化學產物。可以在常溫下進行，節約成本，只能處理低濃度的有機廢氣，催化劑也容易失活，對不能吸收光子的污染物質效果差，對于成分復雜的廢氣無法達到預期處理效果。已被試驗證明可用光催化氧化法去除的醫藥發酵有機物包括：甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、2-乙基己醇、丙烷、異戊烷、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。
臭氧分解技術
臭氧在UV光子照射下產生羥基自由基，將有機揮發物VOCs分解成低分子化合物、二氧化碳和水，達到無污染排放的目的。該技術操作簡單易行。已處理的廢氣：氨、三甲胺、硫化氫、甲硫氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯，硫化物H2S、VOCs類，苯、甲苯、二甲苯的分子鏈結構，使有機或無機高分子惡臭化合物分子鏈，在高能紫外線光束照射下，降解轉變成低分子化合物，如CO2、H2O等。
等離子體法
當外加電壓達到氣體的放電電壓時，氣體被擊穿，產生包括電子、各種離子、原子和自由基在內的混合體。利用這些高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時間內發生分解，以達到降解污染物的目的。有機化合物最終產物為CO2、CO和H2O。若有機物是氯代物，則產物應加上氯化物，而無中間副產物。降低了有機物的毒性，同時避免了其他方法中的后期處理問題。適于處理風量大、組分復雜的VOCs氣體，特別適用于惡臭氣體的處理。
等離子體按粒子溫度可分為平衡態（電子溫度=離子溫度）與非平衡態（電子溫度>>離子溫度）兩類。非平衡態等離子體電子溫度可上萬度，離子及中性離子可低至室溫，即體系表觀溫度仍很低，故稱“低溫等離子體”，一般由氣體放電產生。氣體放電有多種形式，其中工業上使用的主要是電暈放電（在去除廢氣中的油塵上應用已相當成熟）和介質阻擋放電（用于廢氣中難降解物質的去除）兩種。等離子體法的優點是處理VOCs濃度范圍廣，去除率高，無二次污染，但是單位處理量降解能耗偏高，并且裝置放大受反應器結構限制，目前較多協同催化、吸附等方法處理VOCs。
回收技術和銷毀技術具有其各自的特點，一般來說回收技術主要用來處理高濃度（>5000mg/m3）的有機廢氣，銷毀技術主要處理低濃度（<1000mg/m3）的有機廢氣。現在對大氣環境保護的日益重視，有可能產生二次污染的處理方法已逐漸被淘汰。實際工程中，一般根據廢氣濃度采用組合凈化技術。針對發酵類抗生素排放廢氣的特點可采用：吸附+催化燃燒技術，吸附+等離子體技術，等離子體+水吸凈化技術、等離子體+光催化氧化技術等。
常用VOCs凈化技術比較
| 凈化技術 | 主體設備類型 | 優點 | 缺點 | 適用范圍 |
| 吸附法 |
固定床吸附器 移動床吸附器 流化床吸收器 |
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適用于大風量，溫度低于50℃，濃度小于5000mg/m3的VOCs |
| 燃燒法 |
直接燃燒 催化燃燒 熱力燃燒 蓄熱燃燒 |
1、設備簡單，投資少，操作方便，占地面積少 2、可回用利用熱能
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1、催化燃燒的催化劑成本高 2、有燃燒爆炸的危險 3、熱力燃燒需消耗燃料 4、不能回收有價值原料 |
適用于小風量，高濃度、高熱值的VOCs，濃度可達（1000-10000mg/m3） |
| 冷凝法 |
表面冷凝器 接觸冷凝器 |
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3、凈化后不能達標，需設后處理工藝 |
適用高濃度VOCs，溫度低于100℃，可回收有機溶劑 |
| 吸收法 |
填料塔 湍球塔 板式塔 噴淋塔 |
1、運行穩定，操作管理方便 2、流程簡單，運行費用低 3、凈化效率高 |
1、吸收劑后處理費用大 2、對有機組分選擇性大 3、易產生二次污染 4、柴油、汽油等作吸收劑存在安全隱患 |
適用于各種濃度，溫度低于100℃的VOCs |
| 生物法 |
生物洗滌塔 生物滴濾塔生物過濾塔 |
1、設備簡單，可連續運行 2、無二次污染 3、運行成本低，操作方便 |
1、培養菌種時間長 2、需連續不間斷運行 |
適用中低濃度，大風量，可生物降解VOCs |
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