CN101632900A - 基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器及其净化方法 - Google Patents

基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器及其净化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器技术领域及其净化方法，包括竖立的玻璃钢罐体，其特征在于：所述罐体下部开设有进气口，上腔设有高效复合生物酶催化填料层，所述罐体顶部与出气口相联接并设有安全阀，该装置及方法能通过特效的生物酶催化降解功能来对目前一些污染治理技术所难以处理的气体，具有生物酶催化降解功能、去除或转化无用或有害气体，保留或得到有用气体，处理成本低，效率高，使用方便。

Description

基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器及其净化方法
技术领域
本发明专利涉及一种基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器技术领域及其净化方法，尤其是能通过特效的生物酶催化降解功能来对目前一些污染治理技术所难以处理的气体进行净化的高效生物反应器。具体的说是指具有生物酶催化降解功能且能使气体净化效率更高、彻底净化气体的复合生物酶固定化技术的气体净化高效生物反应器。适用于烷烃类、醛类、醇类、酮类、羧酸类、酯类、醚类、三苯类、烯烃类、多环芳烃类、VOCs、硫化氢、氨气、二硫化氢、二氧化硫、二硫化碳等各种常见有机废气及废气中无机化合物的净化处理。
背景技术
对于工农业生产中产生的废气，长期以来因废气排放量大，组成复杂，危害性强而一直困挠环保净化行业。传统的治理技术主要采用物理或化学处理方法，但存在着一定的局限性。
目前，比较多采用的是活性炭的物理吸附的办法。但是，活性炭吸附剂容易被废气中的固体微粒和胶粘物质堵塞，且设备庞大，如果经常更换活性炭就存在使用成本较高的问题。此外吸附剂再生能耗大，而且再生效果难以保证。光催化氧化在理论上是比较先进的，但反应速率慢、光子效率低，同时存在催化剂失活、催化剂难以固定等缺点制约了其在实际中的应用。且在降解过程中光催化氧化反应会产生醛、酮、酸和酯等中间产物，造成二次污染。静电集尘对于浓度高，异味大的粉尘气体不适合，投资费用大，需要高压变电以及整流控制设备。臭氧法是已知的氧化性很强的空气净化方法之一。但由于臭氧会产生癌症，并且有残留性，对人体伤害很大，无法做到人机一室。生物净化技术因其具有费用低、效率高、无二次污染等优点而被广为关注。但在高浓度高负荷以及复杂组分的废气净化方面，生物法仍然不能令人满意。
由于废气的成分复杂，各种污染物的特性不同，因此综合利用现有的技术和工艺，取长补短，降低成本，做到既经济高效又有广泛的适用性，提高去除效率并减少二次污染，发展高效的气体净化技术成为了国内外的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器及其净化方法，该装置及方法能通过特效的生物酶催化降解功能来对目前一些污染治理技术所难以处理的气体，具有生物酶催化降解功能、去除或转化无用或有害气体，保留或得到有用气体，处理成本低，效率高，使用方便。
本发明采用如下技术方案：
本发明反应器包括竖立的钢构罐体，其特征在于：所述罐体下部开设有进气口，上腔设有高效复合生物酶催化填料层，所述罐体顶部与出气口相联接并设有安全阀。
本发明净化方法其特征在于：待净化气体由气体净化高效生物反应器底部开设的进气口进
入反应器，流经反应器内腔设置的高效复合生物酶催化填料层，各种常见有机废气及废气中无机化合物进行高效催化净化降解，达到国家排放标准后，进入罐体顶部出气口排放。
本发明的显著优点在于：
1.不产生二次污染。
2.基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器能源消耗少，运行费用低。
3.高效复合生物酶固定化催化净化技术的净化反应速度快，处理气量大，设备结构简单合理，体积小，投资省，运行方便，。
4.基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器适应能力强。对不同污染物质、不同浓度的废气都能有效处理，操作弹性大。
5.基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器可处理大气量、低浓度的污染气体。而化学法和物理法对此类废气难以处理。
6.基于复合酶固定化技术的固定化复合生物酶能保持长久的高效率。复合生物酶催化填料可以长期使用。
7.生物酶种类繁多，几乎所有的有机物和无机化合物都能被某一种生物酶降解。在一个装置里，多种生物酶可在相同的条件下固定化于载体上，因此，可以同时处理含有多种成份的废气。
由于采用高效复合生物酶对气体中有机类及无机化合物类污染物质进行催化降解，通过所含特选的生物酶的催化作用下，可有效催化降解气体中的污染物，单级处理去除率可达50％以上，并且可以多级串联或并联提高处理效果。不仅高效复合生物酶催化填料用量少，而且占地面积比同类装置可减少50％以上，从而降低投资和运行费用。该技术与吸收法、吸附法、燃烧法等传统工艺相比，具有工艺流程短、设备简单、运行费用低、无二次污染等优点，具有其他方法不可比拟的优势。本发明的运行费用是吸附法的1/10、燃烧法的1/20、化学吸收法的1/15，经济效益显著。经本发明净化处理后的气体完全达到国家排放要求，对气体中有机类及无机化合物类污染物质的催化降解效果显著，该项技术对气体的净化处理具有崭新的突破。
附图说明
图1为本发明气体净化高效生物反应器实施例一构造示意图。
图2为本发明气体净化高效生物反应器实施例二构造示意图。
具体实施方式
本发明实施例一包括竖立的钢构罐体1，其特征在于：所述罐体下部开设有进气口2，上腔设有高效复合生物酶催化填料层3，所述罐体顶部与出气口5相联接并设有安全阀4，所述进气口开设于罐体下部侧壁，所述罐体内腔下部还设有鲍尔环填料层6。
本发明实施例二所述进气口7开设于罐体8底部，所述罐体下腔设有形状呈倒锥型的第一滤室9，所述第一滤室与罐体底部之间设有网孔隔板10，以形成进气室，所述第一滤室周壁设有网孔隔板与罐体侧壁之间形成周壁气流通道11，所述第一滤室上部为密封板12，所述第一滤室上部设有呈倒锥形的第二滤室13，所第一滤室顶部与第二滤室底部之间也设有锥形气流通道14，所述高效复合生物酶催化层15放置于底部为网孔隔板的第二滤室内，所述周壁气流通道与锥形气流通道相连通。
上述第一滤室内设有鲍尔环填料层16，所述第一滤室和第二滤室侧壁上对应设有进料口17及卸料口18，所述罐体由底脚支撑19。
实施例二所述反应器工作过程是：待净化气体由底部进气口进入后进入第一滤室，经第一滤室的周壁气流通道上行至第一滤室顶部与第二滤室底部之间的锥形气流通道后，再进入第二滤室的高效复合生物酶催化层，最后从顶部出气口排出。其优点效果体现在，待净化气体进入第一滤室后需从周壁气流通道上行再经过锥形气流通道，不仅走气的路线得到了延长，而且由于滤室呈倒锥型设计只有气体从周壁气流通道上行，并让过滤后的气体能与高校复合生物酶催化层充分接触，烟尘过滤效果好。
本发明气体净化方法，其特征在于：待净化气体由气体净化高效生物反应器底部开设的进
气口进入反应器，流经反应器内腔设置的高效复合生物酶催化填料层，各种常见有机废气及废气中无机化合物进行高效催化净化降解，达到国家排放标准后，进入罐体顶部出气口排放，所述高效复合生物酶催化填料层采用高效固定化复合生物酶组合填料CX-TE，高效复合生物酶由酶类中的水解酶，氧化还原酶，裂解酶中的一种或者多种构成。
上述高效固定化复合生物酶催化填料制作：先将多孔陶瓷或者颗粒性藻土以及空心微珠等载体，置于活力单位1500-2000U/ML以上的酶液中进行吸附，经12h至24h，使酶在载体上大量富集，制得高效复合生物酶催化填料，取出置于自然条件下风干备用，再将上述固定化的高效复合生物酶催化填料填充于气体净化设备内部，下部衬有网孔隔板，并由承托层支撑。
下面说明本发明的几个具体实施例。
本发明的具体实施例1：
本发明的产品见附图说明中的图2，包括玻璃钢罐体8，其特征在于：所述罐体底部开设有
进气口7，上部设有高效复合生物酶催化填料层15，所述填料均由网孔隔板10包围，所述罐体顶部与出气口5相联接，所述罐体内腔下部设有鲍尔环等填料层16，所述罐体顶部设有安全阀4，所述罐体侧壁设有进料口17及卸料口18，所述罐体由底脚支撑19。
上述高效复合生物酶催化填料层由网孔隔板和布设于网孔隔板上的高效固定化复合生物酶组合填料CX-TE组成。
待净化气体由罐体底部开设的进气口进入气体净化高效生物反应器，流经罐体内腔设置的鲍尔环等填料组成的填料层及高效复合生物酶催化填料层，鲍尔环等填料组成的填料层可去除部分颗粒性物质，此填料层可设可不设。高效复合生物酶催化填料层采用高效固定化复合生物酶组合填料CX-TE，高效复合生物酶由酶类的水解酶，氧化还原酶，裂解酶中的一种或者多种构成。可对烷烃类、醛类、醇类、酮类、羧酸类、酯类、醚类、三苯类、烯烃类、多环芳烃类、VOCs、硫化氢、氨气、二硫化氢、二氧化硫、二硫化碳等各种常见有机废气及废气中无机化合物进行高效催化净化降解，达到国家排放标准后，进入罐体顶部出气口排放。根据实验资料确定高效复合生物酶催化填料层气流速度，经计算可以确定基于高效复合酶固定化技术的气体净化设备直径、总高度。高效复合生物酶催化填料层下部衬有网孔隔板，并由承托层支撑。设备底部进气口。设备由三只底脚支撑。基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器材料为玻璃钢，以防止腐蚀。反应器设有填料进料口及卸料口，顶部设有安全阀。设计上采用了特殊结构的密封垫，使整个处理系统不会出现丝毫气体泄露，保证了运行场所的安全。
高效复合生物酶催化填料制造：将多孔陶瓷或者颗粒性藻土以及空心微珠等载体，经活化剂激活，置于活力单位1500-2000U/ML以上的酶液中进行吸附，经12h至24h，使酶在载体上大量富集，制得高效复合生物酶催化填料，取出置于自然条件下风干备用。
高效复合生物酶催化填料填充：将上述固定化的高效复合生物酶催化填料填充于气体净化高效生物反应器内部，下部衬有网孔隔板，并由承托层支撑。
本发明的具体实施例2：
根据具体实施例1净化处理5000m3/h的喷漆车间有机废气，其中有机废气中二甲苯含量为16mg/m3。
喷漆车间中含二甲苯的有机废气经由罐体底部开设的进气口进入气体净化高效生物反应器，流经罐体内腔设置的高效复合生物酶催化填料层，高效复合生物酶催化填料层采用高效固定化复合生物酶组合填料CX-TE，高效复合生物酶由对于二甲苯等有机废气有独特催化降解作用的一种或者多种酶构成，如过氧化物酶等，通过生物酶打开二甲苯污染物质中更复杂的化学链，将其迅速催化降解为小分子，从高分子有机物降解为低分子有机物或二氧化碳等无机物，将气体中的二甲苯有机废物等污染物质催化降解。设备直径为0.6m，总高1.6m，高效复合生物酶催化填料层高度为0.6m。经本发明制得的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器净化处理后废气中的二甲苯去除70％，即出口排放烟气中二甲苯含量为4.8mg/m3，完全符合《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)中允许排放限值。
本发明的具体实施例3：
根据具体实施例1净化处理10000m3/h的兰炭生产中产生的废气，其中废气中苯含量为30mg/m3，H2S含量为1000mg/m3，NH3含量为200mg/m3。
含有苯、H2S、NH3等污染物质的兰炭气经由罐体底部开设的进气口进入气体净化高效生物反应器，流经罐体内腔设置的高效复合生物酶催化填料层，高效复合生物酶催化填料层采用高效固定化复合生物酶组合填料CX-TE，高效复合生物酶由对于苯等有机污染物质以及H2S、NH3等无机化合物污染物质有独特催化降解作用的多种酶构成，如过氧化物酶、漆酶等，通过生物酶打开苯、有机硫等污染物质中更复杂的化学链，将其迅速催化降解为小分子，从高分子有机物降解为低分子有机物或二氧化碳等无机物，将气体中的苯、有机硫等有机污染物质催化降解，同时，高效复合生物酶催化填料中的高效复合生物酶含有多种复合生物酶，可同时催化降解H2S、NH3等无机化合物污染物质，例如H2S经高效复合生物酶催化降解为硫酸根离子，NH3经高效复合生物酶催化降解为硝酸根离子。设备直径为1.5m，总高2.0m，高效复合生物酶催化填料层高度为1.0m。经本发明制得的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器净化处理后兰炭气中的苯、H2S、NH3去除率为60％、82％及92％，完全符合《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)最高允许排放浓度，同时也满足兰炭气回收再利用需要。
本发明的具体实施例4：
根据具体实施例1净化处理500m3/h的含有H2S废气，其中废气中H2S含量为2800mg/m3。
含有H2S污染物质的废气经由罐体底部开设的进气口进入串联的两级气体净化高效生物反应器，流经罐体内腔设置的高效复合生物酶催化填料层，高效复合生物酶催化填料层采用高效固定化复合生物酶组合填料CX-TE，高效复合生物酶由对于H2S等无机化合物污染物质有独特催化降解作用的多种酶构成，如漆酶等，通过生物酶催化降解H2S等无机化合物污染物质，将帮助催化H2S化学降解反应过程快速有效的发生，H2S经高效复合生物酶催化降解为硫酸根离子。设备直径为2.0m，总高2.4m，高效复合生物酶催化填料层高度为1.2m。经本发明制得的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器净化处理后废气中的H2S的去除率为93％，完全符合《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)最高允许排放浓度，同时也满足废气回收再利用需要。
本发明的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器，其特征在于所述外部结构可为罐体或箱体以及其他类似的结构，材料可为碳钢、玻璃钢以及其他类似材料。所述内部高效复合酶固定化载体材料可为多孔陶瓷或其他不溶性载体材料，如鲍尔环、阶梯环、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料、球形填料、格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。所述高效复合生物酶由酶类中的水解酶，氧化还原酶，裂解酶中选取。所述其内部可填充其他填料亦可不填充。
本发明的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器，其特征在于气体净化高效生物反应器净化气体按下列步骤进行：待净化气体由气体净化高效生物反应器底部开设的进气口进入反应器，流经反应器内腔设置的高效复合生物酶催化填料层，高效复合生物酶催化填料层采用高效固定化复合生物酶组合填料CX-TE，高效复合生物酶由酶类中的水解酶，氧化还原酶，裂解酶中的一种或者多种构成。如漆酶、纤维素酶、单加氧酶、过氧化物酶等可对烷烃类、醛类、醇类、酮类、羧酸类、酯类、醚类、三苯类、烯烃类、多环芳烃类、VOCs、硫化氢、氨气、二硫化氢、二氧化硫、二硫化碳等各种常见有机废气及废气中无机化合物进行高效催化净化降解，达到国家排放标准后，进入反应器顶部出气口排放。根据实验资料确定高效复合生物酶催化填料层气流速度，经计算可以确定基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器直径、总高度。本发明的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器可连续化作业，使用半年至一年更换填料。所更换的填料载体经处理后可重新作为固定化载体原料。
本发明是根据生物法进行气体净化处理的原理，采用高效复合生物酶固定化催化技术，对废气中的有机及无机化合物有害物质，进行高效催化降解，可有效解决传统净化技术的诸多缺陷及弊端。例如可大大缩小气体净化设备的体积，改善目前单纯使用活性炭净化处理气体时，设备庞大，占地面积大，另外活性炭吸附剂容易被废气中的固体微粒和胶粘物质堵塞的缺点，节省费用。本发明中设置高效复合生物酶催化填料层，其中装有高效复合生物酶催化填料。生物酶催化技术是采用不同于普通微生物菌的卓越的系列生物酶技术，通过生物酶打开污染物质中更复杂的化学链，将其迅速降解为小分子，从高分子有机物降解为低分子有机物或二氧化碳等无机物，将气体中的有机废物等污染物质去除，或是高效催化转化气体中的无机废物，使污染的气体转化为清洁气体。在废气净化处理系统中将生物酶固定化在多孔材料上，处理过程中生物酶不会流失，通过所含特选的生物酶的催化作用下，可有效催化降解废气中污染物质。该技术是将生物酶通过客体间分子引力、共价结合、离子键结合的形式把环保用生物酶固定在载体孔隙和层板之间，这种固定化环保用生物酶是将生物酶分子反应时底物和产物在由颗粒或者层柱材料构筑的反应平台或者反应装置上进行有序转换，而生物酶分子不会流失，具有较好的稳定性。大大提高处理效果，并且降低运行成本。
本发明构思新颖，用该发明制造的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器，应用于烷烃类、醛类、醇类、酮类、羧酸类、酯类、醚类、三苯类、烯烃类、多环芳烃类、VOCs、硫化氢、氨气、二硫化氢、二氧化硫、二硫化碳等各种常见有机废气及废气无机化合物的净化处理，净化效果好，效率高且成本低，稳定性强，操作简便。
上述仅为本发明的几个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器，包括竖立的钢构罐体，其特征在于：所述罐体下部开设有进气口，上腔设有高效复合生物酶催化填料层，所述罐体顶部与出气口相联接并设有安全阀。
2.根据权利要求1所述的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器，其特征在于：所述进气口开设于罐体下部侧壁，所述罐体内腔下部还设有鲍尔环填料层。
3.根据权利要求1所述的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器，其特征在于：所述进气口开设于罐体底部，所述罐体下腔设有形状呈倒锥型的第一滤室，所述第一滤室与罐体底部之间设有网孔隔板，以形成进气室，所述第一滤室周壁设有网孔隔板与罐体侧壁之间形成周壁气流通道，所述第一滤室上部为密封板，所述第一滤室上部设有呈倒锥形的第二滤室，所第一滤室顶部与第二滤室底部之间也设有锥形气流通道，所述高效复合生物酶催化层放置于底部为网孔隔板的第二滤室内，所述周壁气流通道与锥形气流通道相连通。
4.根据权利要求3所述的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器，其特征在于：所述第一滤室内设有鲍尔环填料层，所述第一滤室和第二滤室侧壁上对应设有进料口及卸料口，所述罐体由底脚支撑。
5.一种基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器的气体净化方法，其特征在于：待净化气体由气体净化高效生物反应器下部开设的进气口进入反应器，流经反应器内腔设置的高效复合生物酶催化填料层，各种常见有机废气及废气中无机化合物进行高效催化净化降解，达到国家排放标准后，进入罐体顶部出气口排放。
6.根据权利要求5所述的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器的气体净化方法，其特征在于：高效复合生物酶催化填料层采用高效固定化复合生物酶组合填料CX-TE，高效复合生物酶由酶类中的水解酶，氧化还原酶，裂解酶中的一种或者多种构成。
7.根据权利要5所述的基于复合酶固定化技术的气体净化高效生物反应器的气体净化方法，其特征在于：所述高效固定化复合生物酶催化填料制作：先将多孔陶瓷或者颗粒性藻土以及空心微珠等载体，置于活力单位1500-2000U/ML以上的酶液中进行吸附，经12h至24h，使酶在载体上大量富集，制得高效复合生物酶催化填料，取出置于自然条件下风干备用，再将上述固定化的高效复合生物酶催化填料填充于气体净化设备内部，下部衬有网孔隔板，并由承托层支撑。
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