CN112607871A - 一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置及处理方法 - Google Patents

一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置及处理方法，属于难降解有机废水处理技术领域，有机废水中的难降解挥发性羰基化合物在可见光和交联酶聚集体的共同催化作用下完成脱羰基反应，其中交联酶聚集体具体为包覆有UPO、HPO和FAP生物酶的磁性纳米粒子。经本发明处理后，废水羰基有机物被去除、COD和UV254指标降低、BOD5/COD值提高，废水的生物毒性明显减弱，废水的可生化性和环境友好性大大提升。本发明经济环保，易于实施，可连续处理挥发性羰基有机废水且交联酶聚集体可重复利用，净化效率高，具有广泛的应用前景和市场推广价值。

Description

一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置及处理 方法
技术领域
本发明属于难降解有机废水处理技术领域，具体涉及一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置及处理方法。
背景技术
随着经济的高速发展、城镇化和工业化进程的不断推进，各类工业领域(如造纸、食品加工、城市污泥和油漆行业等)生成的挥发性羰基有机物(羧酸、醛类和酰胺类化合物)不断增加，使得水污染现象日益严重。加剧了水资源短缺的矛盾，解决水资源短缺及水污染问题成为迫在眉睫却又任重道远的任务。近年来，环境治理被十分重视，这使很多企业对自身用水的处理也相当重视，迫切需要提供相应的污水处理技术与设备，来满足节能减排，污水治理和绿色可持续发展的需求。
目前，国内外处理挥发性羰基有机废水的方法主要有金属催化氧化、生物处理、电化学法、物理吸附、湿式氧化等。以上处理方法均存在处理成本高、操作复杂和处理效果不理想等不足。生物法因其投资少、反应条件温和、运行费用低、性能可靠、易于管理等特点吸引了众多研究者的兴趣，然而传统的生物处理技术面临着处理能力低和反应时间长等缺陷，需要引入其他手段增强该类技术对特定污染物的降解能力，从而改善整个污水处理体系的处理效果。
为彻底解决有机废水中的挥发性羰基有机物的污染问题，寻找一种高效环保且经济性的废水治理方法和工艺迫在眉睫。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置及处理方法，该装置结构设计合理，易操作，催化剂可以循环使用，节能降耗，在保证净水达标的同时可实现连续性有机污水的处理。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，包括反应塔，在反应塔上开设有废水入口A、酶入口B及洁净水排出口C，在反应塔外部一侧设有污染物监测与流量实时控制单元，另一侧设有酶分离回收单元，在反应塔内由上至下依次设有预处理单元及光酶催化单元；
所述预处理单元，用于去除待处理有机废水中的颗粒物，获得预处理废水；
所述污染物监测与流量实时控制单元，用于监测预处理废水中的污染物浓度，并调控待处理的有机废水与交联酶聚集体的反应量；
所述酶分离回收单元，用于收集处理后的水及回收交联酶聚集体；
所述光酶催化单元，包括：均流板、搅拌装置和可见光灯管，预处理废水与交联酶聚集体在均流板处完成预混合，可见光灯管以搅拌装置为中心轴向间隔布置在反应塔内壁上。
优选地，光酶催化单元还包括设置在反应塔外壁的加热套，以及用于调节加热套温度的温控表。
优选地，所述预处理单元，包括由上至下依次设置在反应塔内的有机格栅和改性纤维板，通过有机格栅能够去除待处理有机废水中粒径大于8μm的颗粒悬浮物，改性纤维板能够去除待处理有机废水中粒径大于0.1μm的颗粒悬浮物。
优选地，所述污染物监测与流量实时控制单元，包括：总控模块、在线气相色谱、设置在废水入口A处的第一输送泵和第一流量计，以及设置在酶入口B处的第二输送泵和第二流量计；
在线气相色谱对预处理废水中的污染物浓度进行检测并将监测数据实时反馈给总控模块，总控模块通过调节第一输送泵和第一流量计，以及第二输送泵和第二流量计的流量，将废水入口A处有机废水与酶入口B处的交联酶聚集体的浓度进行调控。
进一步优选地，所述酶分离回收单元，包括分离槽和置于其内的电磁板，电磁板能够在分离槽内绕轴旋转；在分离槽底部设有洁净水排出口C，在分离槽外部还设有与电磁板电性连接的电磁开关；
连接第二输送泵的管路一端伸入分离槽中，另一端通过酶入口B伸入反应塔中。
优选地，所述交联酶聚集体是由磁性纳米粒子和生物酶组成的生物催化剂，磁性纳米粒子为α-Fe2O3、Fe3O4或Co2O3，生物酶为Peroxygenases，Halo-Peroxydases或Decarboxylases，且交联酶聚集体中生物酶的负载量为1％-20％。
优选地，可见光灯管的功率为50-200W。
本发明还公开了采用上述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置处理废水的方法，包括：
待处理有机废水经废水入口A送入反应塔中，通过预处理单元去除悬浮颗粒物；
通过污染物监测与流量实时控制单元对预处理废水中的污染物浓度进行监测，并调控待处理的有机废水与交联酶聚集体的反应量，将进入废水入口A中的有机废水与酶入口B中的交联酶聚集体浓度控制在一定范围内；
交联酶聚集体与预处理废水通过均流板预混合后，通过搅拌装置强化交联酶聚集体与预处理废水中污染物的接触，同时在可见光灯管发出的可见光的辅助下进行光酶催化反应完成净化作用；
净化后的水进入酶分离回收单元，分离出交联酶聚集体后通过洁净水排出口C排到环境中，分离出的交联酶聚集体被输送至反应塔中循环使用。
优选地，待处理的有机废水与交联酶聚集体的质量比调控在75000-3500∶1的范围内。
优选地，光酶催化反应的温度为20-70℃，反应时间为15-60min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，具有结构简单、催化剂可循环使用，维护方便，易操作，节能降耗，占地面积小的优势，在保证净水达标的同时可实现连续性有机污水的处理。
(2)本发明光催化和生物酶催化相互耦合的方式处理恶臭废水中的含挥发性羰基有机物，能有效提高对污水中含挥发性羰基有机物的反应速率、处理效果并提高效率。与现有技术相比，具有温和、高效的实质性特点与显著的进步。
(3)本发明采用交联酶聚集体作为生物酶催化剂，易于磁分离，可循环利用，避免了传统离心分离等高耗能方式；循环过程中无生物酶泄露，长期操作稳定性好，适合工业化。
(4)有机废水中的难降解挥发性羰基化合物在可见光和交联酶聚集体的共同催化作用下完成脱羰基反应，其中交联酶聚集体具体为包覆有UPO、HPO或FAP生物酶的磁性纳米粒子。经本发明处理后，废水羰基有机物被去除、COD和UV254指标降低、BOD5/COD值提高，废水的生物毒性明显减弱，废水的可生化性和环境友好性大大提升。
附图说明
图1是本发明光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的流程示意图。
图2是可见光灯管、搅拌器在光酶协同催化系统中的安装位置示意图。
图3为本发明的光酶催化反应原理图。
其中：1为第一输送泵；2为第一流量计；3为反应塔；4为有机格栅；5为改性纤维板；6为在线气相色谱；7为总控模块；8为第二输送泵；9为第二流量计；10为均流板；11为搅拌器；12为灯管；13为加热套；14为温控器；15为电机；16为分离槽；17为交联酶聚集体；18为电磁板；19为电磁开关。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明公开的一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，包括反应塔3，在反应塔3上开设有废水入口A、酶入口B及洁净水排出口C，在反应塔3外部一侧设有污染物监测与流量实时控制单元，另一侧设有酶分离回收单元，在反应塔3内由上至下依次设有预处理单元及光酶催化单元；
所述预处理单元，用于去除待处理有机废水中的颗粒物，获得预处理废水；
所述污染物监测与流量实时控制单元，用于监测预处理废水中的污染物浓度，并调控待处理的有机废水与交联酶聚集体17的反应量；
所述酶分离回收单元，用于收集处理后的水及回收交联酶聚集体17；
所述光酶催化单元，包括：均流板10、搅拌装置和可见光灯管12，预处理废水与交联酶聚集体17在均流板10处完成预混合，可见光灯管12以搅拌装置为中心轴向间隔布置在反应塔3内壁上；还包括设置在反应塔3外壁的加热套13，以及用于调节加热套13温度的温控表14。
所述预处理单元，包括由上至下依次设置在反应塔3内的有机格栅4和改性纤维板5，通过有机格栅4能够去除待处理有机废水中粒径大于8μm的颗粒悬浮物，改性纤维板5能够去除待处理有机废水中粒径大于0.1μm的颗粒悬浮物。
所述污染物监测与流量实时控制单元，包括：总控模块7、在线气相色谱6、设置在废水入口A处的第一输送泵1和第一流量计2，以及设置在酶入口B处的第二输送泵8和第二流量计9；
在线气相色谱6对预处理废水中的污染物浓度进行检测并将监测数据实时反馈给总控模块7，总控模块7通过调节第一输送泵1和第一流量计2，以及第二输送泵8和第二流量计9的流量，将废水入口A处有机废水与酶入口B处的交联酶聚集体17的浓度进行调控；
所述酶分离回收单元，包括分离槽16和置于其内的电磁板18，电磁板18能够在分离槽16内绕轴旋转；在分离槽16底部设有洁净水排出口C，在分离槽16外部还设有与电磁板18电性连接的电磁开关19；所述的电磁板18可绕轴向旋转，通电时可吸附处理后废液的交联酶聚集体17，当吸附饱和后旋转至分离槽16上层断电完成解吸，回收的交联酶聚集体17供废水处理系统循环使用；连接第二输送泵8的管路一端伸入分离槽16中，另一端通过酶入口B伸入反应塔3中。
所述交联酶聚集体17是由磁性纳米粒子和生物酶组成的生物催化剂，磁性纳米粒子为α-Fe2O3、Fe3O4或Co2O3，生物酶为Peroxygenases(UPO)，Halo-Peroxydases(HPO)或Decarboxylases(FAP)，且交联酶聚集体17中生物酶的负载量为1％-20％。
如图2所示，可见光灯管12以搅拌器11为中心轴向间隔布置，可见光灯管的功率为50-200W。
参见图3，本发明反应原理如下：
含羰基非羧酸化合物在UPO或HPO酶的催化活下，首先被转化为羧酸类化合物。在光照条件下，羧酸类化合物被FAP进一步脱去羧基生成小分子烷烃和CO2。而废水中的羧酸化合物可直接被FAP脱羧去除。
采用上述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置处理废水的方法如下：
待处理有机废水经废水入口A送入反应塔3中，通过预处理单元去除悬浮颗粒物；
通过污染物监测与流量实时控制单元对预处理废水中的污染物浓度进行监测，并调控待处理的有机废水与交联酶聚集体17的反应量，将进入废水入口A中的有机废水与酶入口B中的交联酶聚集体17浓度控制在一定范围内；
交联酶聚集体17与预处理废水通过均流板10预混合后，通过搅拌装置强化交联酶聚集体17与预处理废水中污染物的接触，同时在可见光灯管12发出的可见光的辅助下进行光酶催化反应完成净化作用；
净化后的水进入酶分离回收单元，分离出交联酶聚集体17后通过洁净水排出口C排到环境中，分离出的交联酶聚集体17被输送至反应塔3中循环使用。
待处理的有机废水与交联酶聚集体17的质量比调控在6000-1500∶1的范围内。
光酶催化反应的温度为20-70℃，反应时间为15-60min。
实施例1
恶臭废水经第一输送泵1由第一流量计2计量从废水入口A送入反应塔中3，先后通过有机格栅4和改性纤维板5除去恶臭废水中粒径>8μm和>0.1μm的悬浮颗粒物；通过在线气相色谱6对过滤废水中的污染物浓度进行检测并将监测数据实时反馈给总控模块7，经在线气相色谱6检测得到恶臭废水中含挥发性羰基有机物的具体成分为：戊酸：800ppm、乙酰胺：300ppm，乙醛1500ppm，总控模块7通过调节第一流量计2及第一输送泵1和第二流量计9及第二输送泵8将废水入口A中废液污染物与酶入口B中交联酶聚集体17的质量比控制在6000∶1，其中交联酶聚集体17是以Fe3O4为载体，以UPO、HPO或FAP为生物酶的生物催化剂，生物酶的负载量为17％；交联酶聚集体17与预处理废液通过均流板10预混合后，通过电机15控制搅拌器11进一步强化交联酶聚集体17与预处理废液中污染物的接触并在可见光灯管12中可见光的辅助下反应35min后完成净化作用，其中可见光灯管12的功率为60W；为保证交联酶聚集体17的生物催化活性，通过温控器14和加热套13将光酶催化单元的反应温度控制在35℃；处理液经过分离槽16由电磁板18分离出交联酶聚集体17后排出环境中，分离出的交联酶聚集体17供废水处理系统循环使用，经检测洁净水排出口C处理液的成分，得到含挥发性羰基有机物的净化效率高达96.1％。
实施例2
与实施例1的方法不同的是：臭废水中含挥发性羰基有机物的具体成分为：丙酸：580ppm、乙酰胺：620ppm，丁醛900ppm；含挥发性羰基有机物与交联酶聚集体的质量比控制在75000∶1，其中交联酶聚集体17分别以Co2O3和UPO、HPO或FAP为载体和活性组分的生物催化剂，生物酶的负载量为13％；含挥发性羰基有机物在反应系统的反应时间为20min，可见光灯管的功率为100W，反应系统的温度为40℃，经检测含挥发性羰基有机物的净化效率高达98.3％。
实施例3
与实施例1的方法不同的是：臭废水中含挥发性羰基有机物的具体成分为：丁酸：580ppm、戊酸：460ppm，丙醛：600ppm；含挥发性羰基有机物与交联酶聚集体的质量比控制在3500∶1，其中交联酶聚集体17分别以α-Fe2O3和UPO、HPO或FAP为载体和活性组分的生物催化剂，生物酶的负载量为17％；含挥发性羰基有机物在反应系统的反应时间为18min，可见光灯管的功率为80W，反应系统的温度为35℃，经检测含挥发性羰基有机物的净化效率高达99.2％。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，其特征在于，包括反应塔(3)，在反应塔(3)上开设有废水入口A、酶入口B及洁净水排出口C，在反应塔(3)外部一侧设有污染物监测与流量实时控制单元，另一侧设有酶分离回收单元，在反应塔(3)内由上至下依次设有预处理单元及光酶催化单元；
所述预处理单元，用于去除待处理有机废水中的颗粒物，获得预处理废水；
所述污染物监测与流量实时控制单元，用于监测预处理废水中的污染物浓度，并调控待处理的有机废水与交联酶聚集体(17)的反应量；
所述酶分离回收单元，用于收集处理后的水及回收交联酶聚集体(17)；
所述光酶催化单元，包括：均流板(10)、搅拌装置和可见光灯管(12)，预处理废水与交联酶聚集体(17)在均流板(10)处完成预混合，可见光灯管(12)以搅拌装置为中心轴向间隔布置在反应塔(3)内壁上。
2.根据权利要求1所述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，其特征在于，光酶催化单元还包括设置在反应塔(3)外壁的加热套(13)，以及用于调节加热套(13)温度的温控表(14)。
3.根据权利要求1所述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，其特征在于，所述预处理单元，包括由上至下依次设置在反应塔(3)内的有机格栅(4)和改性纤维板(5)，通过有机格栅(4)能够去除待处理有机废水中粒径大于8μm的颗粒悬浮物，改性纤维板(5)能够去除待处理有机废水中粒径大于0.1μm的颗粒悬浮物。
4.根据权利要求1所述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，其特征在于，所述污染物监测与流量实时控制单元，包括：总控模块(7)、在线气相色谱(6)、设置在废水入口A处的第一输送泵(1)和第一流量计(2)，以及设置在酶入口B处的第二输送泵(8)和第二流量计(9)；
在线气相色谱(6)对预处理废水中的污染物浓度进行检测并将监测数据实时反馈给总控模块(7)，总控模块(7)通过调节第一输送泵(1)和第一流量计(2)，以及第二输送泵(8)和第二流量计(9)的流量，将废水入口A处有机废水与酶入口B处的交联酶聚集体(17)的浓度进行调控。
5.根据权利要求4所述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，其特征在于，所述酶分离回收单元，包括分离槽(16)和置于其内的电磁板(18)，电磁板(18)能够在分离槽(16)内绕轴旋转；在分离槽(16)底部设有洁净水排出口C，在分离槽(16)外部还设有与电磁板(18)电性连接的电磁开关(19)；
连接第二输送泵(8)的管路一端伸入分离槽(16)中，另一端通过酶入口B伸入反应塔(3)中。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，其特征在于，所述交联酶聚集体(17)是由磁性纳米粒子和生物酶组成的生物催化剂，磁性纳米粒子为α-Fe2O3、Fe3O4或Co2O3，生物酶为Peroxygenases，Halo-Peroxydases或Decarboxylases，且交联酶聚集体(17)中生物酶的负载量为1％-20％。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置，其特征在于，可见光灯管(12)的功率为50-200W。
8.采用权利要求1～7中任意一项所述的光酶协同催化处理含挥发性羰基有机废水的装置处理废水的方法，其特征在于，包括：
待处理有机废水经废水入口A送入反应塔(3)中，通过预处理单元去除悬浮颗粒物；
通过污染物监测与流量实时控制单元对预处理废水中的污染物浓度进行监测，并调控待处理的有机废水与交联酶聚集体(17)的反应量，将进入废水入口A中的有机废水与酶入口B中的交联酶聚集体(17)浓度控制在一定范围内；
交联酶聚集体(17)与预处理废水通过均流板(10)预混合后，通过搅拌装置强化交联酶聚集体(17)与预处理废水中污染物的接触，同时在可见光灯管(12)发出的可见光的辅助下进行光酶催化反应完成净化作用；
净化后的水进入酶分离回收单元，分离出交联酶聚集体(17)后通过洁净水排出口C排到环境中，分离出的交联酶聚集体(17)被输送至反应塔(3)中循环使用。
9.根据权利要求8所述的处理废水的方法，其特征在于，待处理的有机废水与交联酶聚集体(17)的质量比调控在75000-3500∶1的范围内。
10.根据权利要求8所述的处理废水的方法，其特征在于，光酶催化反应的温度为20-70℃，反应时间为15-60min。
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