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        固態(tài)廢物無害化處理技術(shù)研究

        2022-01-20 02:08:08李立松
        山西化工 2021年6期

        李立松

        (山西晉環(huán)科源環(huán)境資源科技有限公司,山西 太原 030027)

        抗生素作為一種能夠殺死細(xì)菌的物質(zhì)之一,其對人類、動物疾病治療發(fā)揮重大的作用??股刂苽溥^程中會產(chǎn)生大量的固體廢渣,固體廢渣處理不當(dāng)極易影響周圍區(qū)域大氣、水以及土壤的質(zhì)量。目前,針對抗生素的固體菌渣主要采用焚燒和填埋的方式進行處理,上述處理方式不僅容易導(dǎo)致資源的浪費,還會對生態(tài)環(huán)境造成污染[1]。因此,采用無害化的處理方式對固體菌渣進行處理意義重大。本文將采用熱解法對抗生素菌渣進行無害化、資源化處理。

        1 抗生素菌渣熱解理論基礎(chǔ)

        從理論上講,抗生素是微生物代謝過程中的產(chǎn)物,實際生產(chǎn)中基于有機物的培養(yǎng)基在經(jīng)歷滅菌、接種以及發(fā)酵等一系列工藝流程后將所得產(chǎn)物經(jīng)過過濾操作分別得到濾液和濾渣。其中,濾液中包含有抗生素、無機鹽等物質(zhì),濾液再次經(jīng)過提取精制后得到抗生素。濾渣即為本文研究的主題菌渣。對菌渣成分進行鑒定可知,其主要成分為蛋白質(zhì)、有機物等,此外還含有一定量的抗生物殘留物及其相關(guān)的代謝物[2]。

        具有代表性的抗生素包括有鏈霉素和慶大霉素,其制備過程可總結(jié)為菌種發(fā)酵和提取精制兩個過程。以鏈霉素為例,鏈霉素經(jīng)無細(xì)胞澄清液在提取、精制的工序后進行。其中,提取工序主要是將無細(xì)胞澄清液中的固態(tài)廢物提取出來。本文將采用熱解反應(yīng)對菌渣進行處理,基本原理為在無氧或者相對缺氧的環(huán)境下,使菌渣發(fā)生熱的降解反應(yīng),對應(yīng)的產(chǎn)物包括有氣體、液體以及固體產(chǎn)物等。熱分解反應(yīng)流程包括水分析出、揮發(fā)物析出以及炭化三個階段,具體闡述如下:

        1) 水分析出:在該過程中反應(yīng)溫度一般控制在40 ℃~220 ℃。其中,當(dāng)處于相對低溫階段時將游離水析出;在相對高溫階段時將結(jié)合水析出。

        2) 揮發(fā)物析出:在該過程反應(yīng)溫度一般控制在220 ℃~800 ℃。在此階段菌渣的失重率可達75%以上,具體還可分為低溫?zé)峤夂透邷責(zé)峤鈨蓚€過程。其中,在低溫?zé)峤猸h(huán)節(jié)主要是將菌渣中的蛋白質(zhì)和可溶性多糖進行分解;在高溫?zé)峤猸h(huán)節(jié)主要是對菌渣中的細(xì)胞壁、纖維素類的不溶性多糖進行分解[3]。

        3) 炭化過程:在該過程中反應(yīng)溫度一般控制在800 ℃~1 000 ℃,該過程主要對上述兩個階段熱解剩余的物質(zhì)包括灰分和固定碳進行炭化處理。

        2 菌渣熱解技術(shù)研究

        為驗證不同熱解條件對應(yīng)的產(chǎn)物之間的區(qū)別,本節(jié)將搭建熱解反應(yīng)試驗平臺,具體對涉及到試驗平臺的結(jié)構(gòu)、材料、檢測儀器以及相關(guān)檢測方法進行介紹。

        2.1 菌渣熱解反應(yīng)試驗裝置及儀器

        加熱器的主要作用是對熱解反應(yīng)器進行加熱,該設(shè)備的加熱功率為1.5 kW;熱電偶的主要作用是對熱解反應(yīng)器的溫度進行檢測,并通過數(shù)字顯控將所測量的溫度顯示;冷凝器主要是將液體和氣體進行冷卻;焦油取樣口為焦油取樣提供窗口[4]。

        菌渣熱解反應(yīng)所需的試驗儀器和設(shè)備如第199頁表1所示。

        表1 菌渣熱解反應(yīng)的試驗儀器及設(shè)備

        2.2 試驗內(nèi)容的設(shè)定

        本次試驗主要是對不同熱解條件下的產(chǎn)物進行對比分析,包括固體、液體以及氣體產(chǎn)物及其對應(yīng)質(zhì)量的確定。重點研究不同溫度對熱解反應(yīng)的影響,研究的熱解溫度包括有500、550、600、650、700、750、800 ℃七種。

        3 菌渣熱解反應(yīng)試驗結(jié)果分析

        本節(jié)重點分析熱解反應(yīng)的產(chǎn)物情況和熱解溫度對試驗結(jié)果的影響。

        3.1 菌渣熱解產(chǎn)物分析

        當(dāng)熱解反應(yīng)器停止加熱后,隨著溫度的降低,熱解反應(yīng)逐漸結(jié)束。其中,在冷凝器和液體收集裝置附近的溫度下降較快;而在熱解反應(yīng)器本身溫度下降較慢,一般當(dāng)熱解反應(yīng)停止3 h~4 h之后其溫度還可達200 ℃[5]。

        當(dāng)熱解反應(yīng)真正結(jié)束后,在保溫層的作用下焦油并不會冷凝聚集在管道和熱解反應(yīng)器中,而是最終在液體收集裝置中冷凝。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束2 h后對液體收集裝置內(nèi)的液體進行鑒定,其主要成分為水溶性焦油,其次為少量的非水溶性焦油。將液體放置一段時間后出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

        待熱解反應(yīng)完全結(jié)束后,將熱解反應(yīng)器打開取出其中的菌渣,物料呈現(xiàn)黑色顆粒,并未出現(xiàn)凝結(jié)的現(xiàn)象。

        3.2 時間、溫度對熱解反應(yīng)的影響

        設(shè)定熱解反應(yīng)溫度為650 ℃,研究不同取樣時間對應(yīng)的熱解氣體的成分變化,取樣時間分別為3、7、11、15、19 min,試驗結(jié)果如圖1所示。

        如圖1所示,菌渣熱解氣體中以H2的含量最多。其中,隨著取樣時間的滯后對應(yīng)的CH4、C2H4以及C2H6的含量增加,導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因為取樣時間的滯后意味著反應(yīng)時間的延長,菌渣中越來越多的大分子參與裂解反應(yīng);CO2和CO呈現(xiàn)隨取樣時間的滯后先增大或減小的變化趨勢;O2隨取樣時間的滯后呈現(xiàn)減小的變化趨勢。

        圖1 氣體成分隨取樣時間的變化

        隨著溫度的升高對應(yīng)的產(chǎn)氣率逐漸增大,對應(yīng)的焦炭和可凝結(jié)相的比例減小。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因是隨著溫度的升高對應(yīng)裂解反應(yīng)更加深入,大分子被裂解產(chǎn)生更多的小分子氣體。而且,當(dāng)熱解反應(yīng)為750 ℃時,對應(yīng)菌渣裂解反應(yīng)后的焦炭所占比例僅為28%。

        4 結(jié)論

        抗生素菌渣若處理不當(dāng)極易造成環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境被破壞的問題,傳統(tǒng)填埋、焚燒方式存在諸多弊端。本文采用熱解反應(yīng)對菌渣進行裂解,實現(xiàn)對菌渣的無害化處理,本文具體對菌渣類固態(tài)廢物的無害化處理技術(shù)進行研究,并總結(jié)如下:

        1) 隨著熱解反應(yīng)溫度的升高,對應(yīng)產(chǎn)物中的氣體含量增加,而焦炭和可凝結(jié)相的比例減少,實現(xiàn)對大分子菌渣的充分裂解。

        2) 菌渣熱分解反應(yīng)H2所占的量最大,其中,隨著取樣時間的滯后對應(yīng)的CH4、C2H4以及C2H6的含量增加;CO2和CO呈現(xiàn)隨取樣時間的滯后先增大或減小的變化趨勢;O2隨取樣時間的滯后呈現(xiàn)減小的變化趨勢。

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