发酵废气的主要成分以及处理有哪些方法？

1.发酵废气概述

  随着现代生物技术迅猛发展，生物发酵药品已被广泛应用于临床，为人类健康作出了巨大的贡献。由于生物制药发酵空气用量大，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，这些废气对人体及环境产生危害。因此，必须对其发酵尾气进行净化处理。

  2.发酵废气主要成分

  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，以及发酵过程中产生的酸碱废气。这些废气一般含有丙酮、丁酯、丁醇、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VOCs废气。

  3.发酵废气处理法与优缺点

  （1）吸收法

  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气体。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，应用比较少。

  （2）吸附法

  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，活性炭性能好，应用广，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、颗粒状活性炭、活性炭纤维，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。活性炭吸附法较适于处理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。

  （3）催化燃烧法

  催化燃烧法指借助催化剂将?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。该方法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。

  （4）冷凝法

  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。

  （5）膜分离法

  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。该方法适合于流量小、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。但是该方法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。

  （6）生物降解法

  生物降解法早应用于脱臭，近年来逐渐发展成为VOCs的新型污染控制方法。该方法中，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。

  （7）光催化氧化法

  所谓光催化氧化反应，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。

  （8）等离子法

  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。

  （9）UV光解法

  利用高能UV紫外线光束及臭氧对?VOCs进行协同光解氧化作用，使恶臭气体物质降解转化成低分子化合物、水和二氧化碳，达到无污染排放的目的。

  UV光解法，高效除恶臭，脱臭效率最高可达99%以上；适应性强，可适应低中高浓度，大气量，不同恶臭气体物质的脱臭净化处理；产品性能稳定，运行稳定可靠，每天可24小时连续工作；运行成本低本，设备耗能低，无需专人管理与维护，只需作定期检查。

  在实际废气处理工程中，一般根据废气浓度采用组合净化技术。针对发酵类废气的特点可采用：吸附+催化燃烧技术，吸附+等离子体技术，等离子+水吸净化技术、等离子+光催化氧化技术、喷淋+UV光解技术等。

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1.发酵废气概述

  随着现代生物技术迅猛发展，生物发酵药品已被广泛应用于临床，为人类健康作出了巨大的贡献。由于生物制药发酵空气用量大，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，这些废气对人体及环境产生危害。因此，必须对其发酵尾气进行净化处理。

  2.发酵废气主要成分

  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，以及发酵过程中产生的酸碱废气。这些废气一般含有丙酮、丁酯、丁醇、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VOCs废气。

  3.发酵废气处理法与优缺点

  （1）吸收法

  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气体。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，应用比较少。

  （2）吸附法

  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、颗粒状活性炭、活性炭纤维，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。

  （3）催化燃烧法

  催化燃烧法指借助催化剂将?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。该方法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。

  （4）冷凝法

  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。

  （5）膜分离法

  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。该方法适合于流量小、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。但是该方法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。

  （6）生物降解法

  生物降解法最早应用于脱臭，近年来逐渐发展成为VOCs的新型污染控制方法。该方法中，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。

  （7）光催化氧化法

  所谓光催化氧化反应，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。

  （8）等离子法

  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。

  （9）UV光解法

  利用高能UV紫外线光束及臭氧对?VOCs进行协同光解氧化作用，使恶臭气体物质降解转化成低分子化合物、水和二氧化碳，达到无污染排放的目的。

  UV光解法，高效除恶臭，脱臭效率最高可达99%以上；适应性强，可适应低中高浓度，大气量，不同恶臭气体物质的脱臭净化处理；产品性能稳定，运行稳定可靠，每天可24小时连续工作；运行成本低本，设备耗能低，无需专人管理与维护，只需作定期检查。

  在实际废气处理工程中，一般根据废气浓度采用组合净化技术。针对发酵类废气的特点可采用：吸附+催化燃烧技术，吸附+等离子体技术，等离子+水吸净化技术、等离子+光催化氧化技术、喷淋+UV光解技术等。

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