固态废物无害化处理技术研究

2022-01-20李立松

山西化工 2021年6期

李立松

(山西晋环科源环境资源科技有限公司，山西太原 030027)

抗生素作为一种能够杀死细菌的物质之一，其对人类、动物疾病治疗发挥重大的作用。抗生素制备过程中会产生大量的固体废渣，固体废渣处理不当极易影响周围区域大气、水以及土壤的质量。目前，针对抗生素的固体菌渣主要采用焚烧和填埋的方式进行处理，上述处理方式不仅容易导致资源的浪费，还会对生态环境造成污染[1]。因此，采用无害化的处理方式对固体菌渣进行处理意义重大。本文将采用热解法对抗生素菌渣进行无害化、资源化处理。

1 抗生素菌渣热解理论基础

从理论上讲，抗生素是微生物代谢过程中的产物，实际生产中基于有机物的培养基在经历灭菌、接种以及发酵等一系列工艺流程后将所得产物经过过滤操作分别得到滤液和滤渣。其中，滤液中包含有抗生素、无机盐等物质，滤液再次经过提取精制后得到抗生素。滤渣即为本文研究的主题菌渣。对菌渣成分进行鉴定可知，其主要成分为蛋白质、有机物等，此外还含有一定量的抗生物残留物及其相关的代谢物[2]。

具有代表性的抗生素包括有链霉素和庆大霉素，其制备过程可总结为菌种发酵和提取精制两个过程。以链霉素为例，链霉素经无细胞澄清液在提取、精制的工序后进行。其中，提取工序主要是将无细胞澄清液中的固态废物提取出来。本文将采用热解反应对菌渣进行处理，基本原理为在无氧或者相对缺氧的环境下，使菌渣发生热的降解反应，对应的产物包括有气体、液体以及固体产物等。热分解反应流程包括水分析出、挥发物析出以及炭化三个阶段，具体阐述如下：

1) 水分析出：在该过程中反应温度一般控制在40 ℃～220 ℃。其中，当处于相对低温阶段时将游离水析出；在相对高温阶段时将结合水析出。

2) 挥发物析出：在该过程反应温度一般控制在220 ℃～800 ℃。在此阶段菌渣的失重率可达75%以上，具体还可分为低温热解和高温热解两个过程。其中，在低温热解环节主要是将菌渣中的蛋白质和可溶性多糖进行分解；在高温热解环节主要是对菌渣中的细胞壁、纤维素类的不溶性多糖进行分解[3]。

3) 炭化过程：在该过程中反应温度一般控制在800 ℃～1 000 ℃，该过程主要对上述两个阶段热解剩余的物质包括灰分和固定碳进行炭化处理。

2 菌渣热解技术研究

为验证不同热解条件对应的产物之间的区别，本节将搭建热解反应试验平台，具体对涉及到试验平台的结构、材料、检测仪器以及相关检测方法进行介绍。

2.1 菌渣热解反应试验装置及仪器

加热器的主要作用是对热解反应器进行加热，该设备的加热功率为1.5 kW；热电偶的主要作用是对热解反应器的温度进行检测，并通过数字显控将所测量的温度显示；冷凝器主要是将液体和气体进行冷却；焦油取样口为焦油取样提供窗口[4]。

菌渣热解反应所需的试验仪器和设备如第199页表1所示。

表1 菌渣热解反应的试验仪器及设备

2.2 试验内容的设定

本次试验主要是对不同热解条件下的产物进行对比分析，包括固体、液体以及气体产物及其对应质量的确定。重点研究不同温度对热解反应的影响，研究的热解温度包括有500、550、600、650、700、750、800 ℃七种。

3 菌渣热解反应试验结果分析

本节重点分析热解反应的产物情况和热解温度对试验结果的影响。

3.1 菌渣热解产物分析

当热解反应器停止加热后，随着温度的降低，热解反应逐渐结束。其中，在冷凝器和液体收集装置附近的温度下降较快；而在热解反应器本身温度下降较慢，一般当热解反应停止3 h～4 h之后其温度还可达200 ℃[5]。

当热解反应真正结束后，在保温层的作用下焦油并不会冷凝聚集在管道和热解反应器中，而是最终在液体收集装置中冷凝。当反应结束2 h后对液体收集装置内的液体进行鉴定，其主要成分为水溶性焦油，其次为少量的非水溶性焦油。将液体放置一段时间后出现分层现象。

待热解反应完全结束后，将热解反应器打开取出其中的菌渣，物料呈现黑色颗粒，并未出现凝结的现象。

3.2 时间、温度对热解反应的影响

设定热解反应温度为650 ℃，研究不同取样时间对应的热解气体的成分变化，取样时间分别为3、7、11、15、19 min，试验结果如图1所示。

如图1所示，菌渣热解气体中以H2的含量最多。其中，随着取样时间的滞后对应的CH4、C2H4以及C2H6的含量增加，导致此现象的主要原因为取样时间的滞后意味着反应时间的延长，菌渣中越来越多的大分子参与裂解反应；CO2和CO呈现随取样时间的滞后先增大或减小的变化趋势；O2随取样时间的滞后呈现减小的变化趋势。