生物酶催化有機廢氣處理技術應用

齊愛玖，林祥進，孫祥章

（福州晨翔環保工程有限公司，福州 350000）

生物酶催化有機廢氣處理技術應用

齊愛玖，林祥進，孫祥章

（福州晨翔環保工程有限公司，福州 350000）

針對目前環境中廢氣污染治理情況，提出基于復合生物酶技術的廢氣兩相催化吸附處理新型工藝技術。該技術利用高效復合生物酶催化與活性炭進行兩相組合聯合處理方法，處理廢氣中的烷烴類、苯類、多環芳烴類等有機化合物及無機化合物等污染物質，具有投資省、占地少、處理效率高、運行費用低等特點，可廣泛應用于工農業生產及日常生活中產生的廢氣治理。

廢氣治理；有機污染物；高效復合生物酶催化技術

1 我國廢氣污染概況

隨著工業的發展和城市人口的增長，人們在生產和生活中排放的各種污染物越來越多，大氣污染是我國目前最突出的環境問題之一。在諸多工業領域中，工業品的生產和加工過程會產生大量含有揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）的廢氣（VOC廢氣），以及含無機化合物等的廢氣，有機廢氣中含有有機溶劑如苯類、酮類、酯類、醇類、醛類、醚類、烷烴類及其混合類。這些廢氣的來源十分廣泛，在汽車、機械、航天、造船、家具、家用電器、鋼琴、鋼結構生產廠等行業的噴漆生產線運行過程中，或者在制鞋粘膠、印制鐵罐、化工塑料、印刷油墨、電纜、漆包線等作業中，均會產生大量的有機廢氣。在油漆、噴漆、印刷和橡膠制品等生產過程中大量使用有機溶劑，噴涂、烘烤、制作成型時溶劑揮發，常用溶劑的主要成分為苯、甲苯和二甲苯等苯類溶劑，會產生大量以苯類蒸氣為主要有害物的廢氣。這些廢氣未經處理排入大氣，會影響大氣質量，影響動植物生長和人類的健康。某些有毒VOC廢氣有致殘、致畸、致癌作用，會對長期暴露其中的人體造成嚴重傷害。不僅危害工人健康，影響生產效率，影響附近居民生活，而且污染大氣環境。

有機廢氣會造成嚴重的大氣污染。一些有機物進入大氣后，在一定條件下形成光化學煙霧，造成二次污染；一些有機物進入平流層后，在紫外線的照射下與臭氧發生光化學反應，造成臭氧層空洞；一些有機物具有惡臭污染和有害氣體的兩重危害；還有一些有機物會引起溫室效應。此外，廢氣的排放還會造成資源的浪費，加大生產成本。我國的廢氣污染現狀不容樂觀，蘭州和上海等地的某些大型石化工業區就曾出現過光化學煙霧現象，且類似的案例越來越多。因此，我國對廢氣污染物的排放和防治作了相關的法律規定，幾年來相繼頒布了《工業企業設計衛生標準》《惡臭污染物排放標準》《大氣污染物綜合排放標準》及《中華人民共和國大氣污染防治法》等。其中1997年頒布并實施的《大氣污染綜合排放標準》，限定了33種污染物的排放限值，其中包括苯、甲苯、二甲苯等揮發性有機物，還包括二氧化硫、氮氧化物等無機污染物。這使得國家對廢氣污染物的排放監督管理和控制逐步走向有序化。

2 廢氣的處理方法

在許多工業生產中，廢氣的排放一直是一個很突出的問題，為了避免直接排放帶來的大氣污染，生產商被依法要求對這些廢氣進行處理。一般來說，對廢氣的治理，有多種處理技術可供使用。目前國內外對于工業廢氣的凈化處理，主要有活性炭吸附法、直接燃燒法、催化燃燒法、生物法等方法。

2.1 活性炭吸附法

2.2 直接燃燒法

該方法由于直接燃燒時使用柴油或天然氣、液化氣，運轉費用極高，形成極大的資源浪費，不主張使用該方法。

2.3 催化燃燒法

廢氣經過加熱后，達到280℃～350℃，流經催化床時，在貴金屬催化劑的作用下，分解成二氧化碳和水蒸汽。該方法適合小流量、高濃度的廢氣處理。初投資相對較低，占地面積小。但缺點是廢氣中如含有硫等有害于催化劑中毒的成分不適合該方法，即貴金屬催化劑易發生催化劑中毒，使用壽命短，需要按時更換，且貴金屬催化劑價格昂貴，致使其運行費用較高。適用范圍有一定的局限性。

2.4 生物法

對于污染物濃度低的廢氣，傳統工藝存在投資運行費用高、處理效率低和處理后存在二次污染等問題。近年來，逐漸發展的廢氣生物處理技術作為一種新型的空氣污染控制技術，得到日益廣泛的應用。該項技術與傳統的燃燒法、催化燃燒法、吸收法、吸附法相比，對低含量污染物廢氣的處理有明顯的優勢。

3 基于復合生物酶技術的廢氣處理技術

近年來，對于廢氣的凈化處理，尤其是低濃度有機廢氣及無機廢氣污染，因治理和回收難度大，涉及面廣，成為國內環境保護急需解決的問題之一。生物法廢氣凈化技術作為一種低濃度污染廢氣凈化處理的新技術，在國內外已受到越來越廣泛的關注。相關的研究成果和工業應用實例表明，生物法廢氣凈化技術在凈化處理低濃度廢氣等方面確有實效。對于低濃度污染廢氣來說，按目前工程應用的廢氣流量負荷運行并達到國家排放標準的要求，工業凈化裝置體積就顯得過于龐大。從進一步減小裝置體積、節省投資的需要出發，開展低濃度污染廢氣的生物法凈化處理裝置研究已成為熱點。基于復合生物酶的廢氣凈化處理技術即是根據生物法處理廢氣的原理，采用高效復合生物酶催化技術，對廢氣中的有害物質，例如烷烴類、醛類、二甲苯、烯烴類、多環芳烴類、二氧化硫及氮氧化物等，進行有效催化降解，可減少后續活性炭的用量，大大縮小反應裝置的體積，改善目前單純使用活性炭處理低濃度有機廢氣時，設備龐大，占地面積大，吸附劑容易被廢氣中的固體微粒和膠黏物質堵塞的缺點，節省費用。

總而言之，哥倫比亞處于發展中國家的中上水平，中國制藥企業進入該國市場正當其時。國內已有多家公司通過其GMP認證，包括上海凱茂生物醫藥有限公司、東北制藥一藥公司、魯南貝特制藥有限公司以及華北制藥北元分廠等藥企。相信通過不斷努力，我國藥企一定會以高質量的藥品在哥倫比亞和南美市場占有一席之地，并取得良好的經濟效益。

3.1 基于復合生物酶技術的廢氣兩相處理技術原理

基于復合生物酶的廢氣兩相處理技術是利用高效復合生物酶催化處理和活性炭吸附的聯合作用，對廢氣中的污染物質進行有效降解。該技術中首次提出利用高效復合生物酶對污染廢氣中的烷烴類、醛類、二甲苯、烯烴類、多環芳烴類、二氧化硫及氮氧化物等污染物質進行催化降解，可在短時間內將污染物濃度降低，大大減少活性炭的用量。

基于復合生物酶的廢氣兩相處理裝置中設置高效復合生物酶催化填料層，其中裝有高效復合生物酶催化填料，該技術是將高效復合生物酶通過客體間分子引力、共價結合、離子鍵結合的形式把環保用生物酶固定在多孔陶瓷孔隙和層板之間，這種固定化環保用生物酶是將高效復合生物酶反應時底物和產物在由顆粒或者層柱材料構筑的反應平臺或者反應裝置上進行有序轉換，而生物酶不會流失，具有較好的穩定性。通過所含特選的高效復合生物酶的催化作用，可有效降解廢氣中的烷烴類、醛類、二甲苯、烯烴類、多環芳烴類、二氧化硫及氮氧化物等污染物，去除率在50%以上，大大提高處理效果，減少活性炭的用量，并且可降低運行成本。

生物酶是一種對環境友好的生物催化劑，其僅對特定的底物起作用，對基質損傷小。生物酶處理有機物的機理是先通過酶反應形成游離基，然后游離基打開污染物質中更復雜的化學鏈，從而將有機污染物去除。與其他處理方法相比，生物酶處理法具有催化效能高、反應條件溫和、對設備情況要求較低、反應速度快，對溫度、濃度和有毒物質適應范圍廣，可以重復使用等優點。生物酶催化技術采用不同于普通微生物菌的卓越的系列生物酶結合技術，其中含有多種可以直接分解烴類污染物的生物酶，在降解有機廢氣中的有機物（如苯、萘等污染物質）生物反應過程中扮演著高效催化劑的角色，也就是說它們將幫助一個化學反應過程快速有效地發生，迅速將苯、萘等環狀有機污染物裂解，大大提高生物化學過程的反應速度，而這些生物化學過程之前是非常緩慢地發生或雖是同樣的條件卻根本就不發生。通過生物酶打開污染物質中更復雜的化學鏈，將其迅速降解為小分子，從高分子有機物降解為低分子有機物或二氧化碳等無機物，將廢氣中的烷烴類、醛類、二甲苯、烯烴類、多環芳烴類、二氧化硫及氮氧化物等污染物質去除，轉化為清潔氣體。在廢氣處理系統中將生物酶固定化在多孔材料上，處理過程中生物酶不會流失，通過所含特選的生物酶的催化作用，可有效分解廢氣中的污染物質。

3.2 基于復合生物酶技術的廢氣兩相處理技術的特點

高效復合生物酶催化技術處理廢氣為國內某環保工程有限公司自主引進開發，將高效復合生物酶催化技術用于污染廢氣處理工程。是應用生化工程技術與環境科學技術相結合，以高效復合生物催化酶反應器為核心構件，與活性炭進行兩相組合結構的廢氣處理高新技術。是一種工藝流程簡單、設備設施運行可靠、操作簡便的處理廢氣的最新工藝。高效復合生物酶構成的廢氣處理裝置具有工藝先進、技術成熟、結構簡單、投資省、占地少、處理效率高、運行費用低等特點。經該裝置處理凈化后的氣體完全達到國家排放要求，對廢氣的降解效果顯著，該項技術和裝置對工業有機廢氣的處理具有新的突破。

基于復合生物酶的廢氣兩相處理技術的特點有：

（1）高效復合生物酶催化層中的高效固定化生物酶可在常溫常壓、溫和的反應條件下進行高效的催化反應，廢氣中烷烴類、醛類、二甲苯、烯烴類、多環芳烴類、二氧化硫及氮氧化物等污染物質在高效復合生物酶的催化下能得以降解，降解速度快，反應時間短，并且高效固定化生物酶穩定性較高，有利于底物、產物的分離，其反應過程能夠得到嚴格控制，提高了生物酶的利用效率，降低處理成本，顯著提高處理效果；應用高效生物酶催化法處理污染廢氣，較之其他處理方法，生物催化直接，反應速度快、高效。

（2）可在常溫下處理廢氣，在創造高效的同時實現低能耗，是一種節能型廢氣處理技術，可提高污染物質降解效率，降低工程投資成本。

（3）處理裝置的體積小，占地面積小，設計結構合理，使用性能穩定，氣流分布好，高效復合生物酶及活性炭裝填與更換方便。降解效率高，凈化效果好。

（4）采用高效復合生物酶對廢氣中的烷烴類、醛類、二甲苯、烯烴類、多環芳烴類、二氧化硫及氮氧化物等污染物進行催化降解，不僅高效復合生物酶催化填料用量少，而且大大節省了后續活性炭吸附填料用量，在裝置內設置兩相聯合處理，可降低投資和運行費用。

（5）可廣泛應用于石油化工、人造革、紡織印染、制鞋、油漆涂料、橡膠、塑料、制藥、電子、化纖、機械等行業的廢氣處理。

4 應用實例

4.1 有機廢氣凈化處理

虞城縣某量具廠生產鋼卷尺等各種量具。其廢氣主要來源于鋼卷尺浸漆和烘漆過程產生的有機廢氣，主要成分為二甲苯，對周圍的企業、居民和環境產生了嚴重影響。根據環保部門的要求，該量具廠擬對油漆烘干過程產生的有機廢氣進行收集，并經廢氣處理裝置處理后達標排放。采用基于復合生物酶的廢氣兩相吸附凈化處理新型裝置進行有機廢氣治理，取得了很好的處理效果，不僅可以達標排放，而且大大改善了當地的大氣環境質量。

某量具廠鋼卷尺生產中的浸漆和烘漆工段，采用直徑為250mm的圓型集氣管道，風機風量為3000m3/h，為此確定設計參數為：總排氣量3000m3/h，煙氣溫度≤50℃，煙氣二甲苯含量16mg/m3，經處理后廢氣中的二甲苯應去除70%，即出口排放煙氣中二甲苯含量≤4.8mg/m3，符合《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）最高允許排放濃度。

鋼卷尺生產中的浸漆和烘漆工段排放的有機廢氣經集氣管道，進入廢氣兩相吸附凈化處理新型裝置，經由高效生物酶催化處理后，可去除部分二甲苯及粉塵，同時可防止對后續活性炭填料造成堵塞而使活性炭填料喪失吸附凈化性能，再經活性炭吸附凈化后，達到大氣污染物綜合排放標準，由風機經煙囪排入大氣。基于復合生物酶的廢氣兩相吸附凈化處理新型裝置總高為1.6米，直徑為0.6米，其中高效復合生物酶催化填料層高度為0.3米，活性炭吸附層高度為0.8米，每天運行16小時，若不計用電費用，則高效復合生物酶催化填料及活性炭填料費用僅為3元/天。有機廢氣經兩相吸附凈化處理新型裝置處理前后二甲苯濃度及去除率見下表。

有機廢氣中二甲苯處理前后濃度及去除率匯總表

4.2 蘭炭煤氣凈化處理

某蘭炭生產中產生污染廢氣，處理量為10,000m3/h，其中苯含量為30mg/m3，H2S含量為1000mg/m3，NH3含量為200mg/m3，之前蘭炭煤氣采用簡單的方法進行凈化處理，即采用稻殼脫苯、萘、焦油、雜質，脫硫劑脫硫化氫，水洗脫氨。但此種處理方法效果不佳，實質是污染物的轉移，因此對周邊環境的污染較嚴重。采用基于復合生物酶的廢氣兩相處理技術進行處理，通過生物酶打開苯、有機硫等污染物中的化學鏈，將其迅速催化降解為小分子物質，同時催化降解H2S、NH3等無機化合物污染物。經此技術處理后，蘭炭氣中的苯、H2S、NH3去除率為60%、82%及92%，完全符合《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）。

5 結語

隨著我國對環境質量的要求不斷提高，廢氣的治理工作正逐步開展。研究開發基于復合生物酶的廢氣兩相處理技術，利用高效復合生物酶催化與活性炭進行兩相組合聯合處理方法，對廢氣進行處理，具有適應性強，投資、運行費用低，二次污染小等優點，是一種新型的污染治理技術，解決了廢氣在治理技術上存在的難題，為工業生產的一些行業（如噴漆、印刷、制鞋等）產生的廢氣治理提供了一種有效的方法，取得了很大的社會效益、環境效益和經濟效益。今后應拓寬應用范圍，實現該技術的定型化、系列化和標準化。

[1] 孫祥章，敖小平，林祥進.固定化酶復合材料及其制備方法的研究[J].中國環保產業，2007（11）.

[2] 周曉云.酶學原理與酶工程[M].北京：中國輕工業出版社，2005.

[3] Andreas S.Bommarius.Bio-catalysis: Fundamentals and Applications[M].北京：化學工業出版社，2006，2.

Application of Organic Waste Gas Treatment Technology of Bio-enzyme Catalysis

QI Ai-jiu,LIN Xiang-jin,SUN Xiang-zhang
(Fuzhou Chenxiang Environmental Engineering Co.,Ltd,Fuzhou 350000,China)

Based on the situation of waste gas pollution and treatment in the environment,the paper puts forward the new-type technologies based on the waste gas two-phase catalysis,adsorption and treatment of composite bio-enzyme technology.By using high effect,composite bio-enzyme catalysis and actived carbon,the technology carries through two-phase combination treatment methods to treat the pollutants of organic compounds and non-organic compounds such as alkanes,benzene and PAH,which have characteristics of low costs,less land,high efficiency of treatment and low operation costs etc..It can be applied to treat waste gas in the industrial and agricultural production and daily life.

treatment of waste gas; organic pollutant; high effect,composite bio-enzyme catalyzing technology

X701

A

1006-5377（2015）06-0033-04