基本信息
- 项目名称：
- 基于仿酶体系的制浆造纸废水深度处理及回用技术的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目是以Fe-CA、H2O2与木素组成的反应体系，可认为是一种类过氧化物酶的催化氧化反应体系（本研究中Fe-CA仿酶体系），将仿酶体系(Fe-CA)应用于制浆和漂白废水的三级处理中，能使废水中难降解、可溶性木素发生自聚或共聚而大幅度提高分子量，变成疏水性高聚物而析出，从而大幅度降低废水中有机物含量，使废水达到外排的标准。
- 详细介绍：
- 所谓仿酶即模拟酶，就是从天然酶中筛选出起主导作用的一些化学物质，采用化学合成的方法合成出这些化学物质（即模拟酶）。要求化学合成出的这些模拟酶既能表现出酶的优异功能，而又要比酶的化学结构简单且性能稳定。研究发现具有酶的优异功能且性能稳定的模拟酶主要是非蛋白质分子或分子集合体，它对底物具有识别、结合及催化作用。 本研究发现，仿酶催化聚合技术在废水处理中，具有生物酶催化技术的高效性、专一性及化学反应条件温和等优点。因此，开发具有与天然酶功能相似甚至更优越的人工酶（即仿酶）已成为当代化学与仿生科技领域的重要课题之一。显然，仿酶技术不仅兼具酶催化与化学催化两者的优点，而且是实现绿色化学目标的有效途径。 本项目的中试结果表明：三级处理时，在药品成本控制在0.64元/㎡（总成本小于1.0元/㎡）调间下，出水CODcr下降到39-53mg/L，色度也可下降到6-10倍，完全达到了达标外排和回用水的标准。普通的物化处理不仅到不了这么低的CODcr值，在成本上也比本项目的仿酶法高出一倍以上。 造纸废水经深度处理后回用于制浆工段，纸浆得率无明显变化，卡伯值(用于表明纸浆的木素含量（硬度）或漂白率)稍有升高，漂浆白度几乎没有变化，使用回用水对浆的质量无明显的不良影响。回用水与新鲜水蒸煮时纸张的撕裂度变化不大，说明采用回用水进行蒸煮时，并不会引起大量的剥皮反应而降低纤维的长度。 造纸废水经深度处理后回用于制浆工段，纸浆得率无明显变化，卡伯值(用于表明纸浆的木素含量（硬度）或漂白率)稍有升高，漂浆白度几乎没有变化，使用回用水对浆的质量无明显的不良影响。回用水与新鲜水蒸煮时纸张的撕裂度变化不大，说明采用回用水进行蒸煮时，并不会引起大量的剥皮反应而降低纤维的长度。 深度处理后的的废水全部回用会造成纸的各项性能影响也是非常小。 所以，废水可以100%回用到制浆工段，可以80%用于抄纸工段，而且对成浆和成纸质量无明显影响。 总体来说，采用铁-羧酸络合物（Fe-AC）的仿酶处理技术不仅在处理成本上比现有的高级氧化和其他深度处理技术有优势，而且处理效果十分明显，处理体系稳定可靠。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计、发明的目的 国家环保部自2008年8月1日起开始实施的《制浆造纸工业水污染物排放标准》(GB 3544-2008)，制浆造纸废水如果不进行深度处理(三级处理)，二沉池出水将达不到GB 3544-2008中污染物的排放限值。 二、主要研究思路： 1、通过研究仿酶催化聚合脱除木素机理确定最佳的工艺条件，再通过中试优化实验方案。 三、作品设计、发明的创新点 1、突破了传统的催化氧化降解污染物的处理理论和方法，创新地实现了制浆造纸废水中木素的仿酶催化脱氢聚合。 2、首次采用Fe2+和多元羧酸合成Fe-CA型仿木素过氧化物酶络合物，能使制浆造纸废液中的难降解、可溶性木素发生自聚或共聚而大幅度提高分子量，变成疏水性高聚物而析出，大幅度降低废水中有机物含量。 3、中试和生产应用结果发现，Fe-CA仿酶体系对制浆造纸废水的深度处理效率很高，出水CODcr≤100mg/L，使废水排放达到国家GB 3544-2008排放标准，成本仅为传统方法处理成本的1/2。 四、作品设计、发明的技术关键 1、Fe-CA仿酶体系的制备 2、仿酶催化聚合产物的化学结构解析 3、Fe-CA仿酶体系催化聚合机理的研究 4、废水处理工艺条件的优化 五、作品设计、发明的主要技术指标 1、经过仿酶体系处理后，制浆造纸废水的排放达到即将实施的国家标准 2、仿酶体系处理成本小于现有或新建三级处理工艺的综合成本，低于1元（含药品和设备折旧费）。
科学性、先进性
- 本研究发现，仿酶催化聚合技术在废水处理中，具有生物酶催化技术的高效性、专一性及化学反应条件温和等优点。因此，开发具有与天然酶功能相似甚至更优越的人工酶（即仿酶）已成为当代化学与仿生科技领域的重要课题之一。显然，仿酶技术不仅兼具酶催化与化学催化两者的优点，而且是实现绿色化学目标的有效途径。 采用铁-羧酸络合物（Fe-AC）作为仿木素氧化酶的试剂，配合高效自由基发生剂-松柏醇或松柏醇葡萄糖苷，该体系能像木素过氧化物酶那样使低分子量的可溶性木素发生脱氢聚合反应，从而使木素的分子量大幅度上升而析出，再通过后期的絮凝处理，大幅度降低的制浆漂白过程中的污染负荷，与生物酶相比，由于其结构更加简单，稳定性更好，同时也具有生物酶的效率高的特点。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品属于产学研项目《基于仿酶处理麦草化机浆生产工艺及高效废水处理技术研究》的后期研究，该项目曾于2007年11月经过山东省科技厅鉴定，鉴定结果为：可实现制浆造纸废水的高效处理，使得制浆造纸过程中产生的大部分木素被分离出来，为实现废水的循环使用创造了条件，具有较强的工程适应性。本作品是在此项目基础上的深入研究，主要工作集中在对这项技术机理上的研究与完善，并进一步降低了成本。
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 技术入股和技术转让
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示 图片 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点和优势 本技术采用Fe-CA型仿木素过氧化物酶体系使制浆造纸废水中的低分子可溶性木素发生脱氢聚合，从而使木素的分子量大幅度上升而析出，通过后续的辅助絮凝处理使得制浆造纸废水中的65%左右的木素被缩合和降解，可使CODcr降低50-70%，色度降低80-90%。而运行成本只有传统处理方法的1/2左右。 二、作品的适应范围 这项技术主要适应于造纸厂制浆和漂白过程中的中段废水，具有处理设备要求不高、一次性投入小、运行成本低、对现有造纸厂废水处理设施的改造少等优点。 三、市场分析和经济效益预测 2010年造纸污水深度处理的市场规模可达到42亿元左右 2012年预计可达到突破55亿元。初步预测其中40%的资金来自我们的潜在客户。
同类课题研究水平概述
- 1、混凝技术 在水处理方法中，混凝法是最常用的方法之一。混凝处理方法是使废水中的胶体在所加絮凝剂作用下，相互接触、碰撞、脱稳、凝集成一定粒径的聚集体，最终借助重力作用而沉淀，以达到固液分离的目的。 2、吸附技术 吸附脱色技术是采用多孔的固体吸附剂，利用固一液相界面上的物质传递，使废水中的有色污染物转移到固体吸附剂上，进而从废水中分离除去的方法。 3、膜分离技术 膜技术在常温下进行，耗能少、处理效率高、占地面积小，基建费用低、运行管理简单。 4、生化技术 生物法废水处理脱色费用低廉、运行简单、管理便利，现在被广泛应用于中段水的二级处理。但生化处理具有时间长、白腐菌的优势茵群难以维持、对废水酸性要求等缺点。 5、电化学技术 电化学法处理废水具有氧化还原、凝聚和吸附等多种功能，具有无需添加化学药品，设备体积小，占地面积少，操作简便灵活等优点，成为近年来研究热点之一。 6、高级氧化技术 (1)臭氧氧化技术 与其它处理方法比较而言，臭氧法处理成本较高，单独利用臭氧法并不是经济有效的去除有机物的方法,使用臭氧法也会产生其它副产物，其中最受关注的是羰基化合物中的醛类，这些物质具有急性毒性和慢性毒性，并具有一定的致畸、致癌、致突性。 (2)Fenton氧化技术 Fenton法最佳pH值为3.0-4.0，如果pH值远大于4.0，就会出现氢氧化物和氧化物的沉淀，反应速率显著下降，但是当pH值小于5.0时，后续生化法处理中的微生物生长就会受到抑制。 (3)催化湿式氧化技术 研究最多的主要有贵金属系列、铜系列和稀土系列三大类。贵金属系列(如以Pd、Pt为活性成分)的催化剂活性高、寿命长、适应性强，但是价格昂贵，应用受到限制。 (4)光催化氧化技术 光催化氧化技术是在光化学氧化技术的基础上发展起来的，以n型半导体为催化剂，当有能量大于禁带宽度的紫外光照射半导体时，半导体的价带电子就会吸收光能后被激发到导带上，产生活性电子和带电荷的空穴，从而形成氧化-还原体系，该技术能有效地破坏许多结构稳定的生物难降解污染物。 7、组合技术 近年来，组合技术的研究发展迅速，最常用的就是生物处理与物化处理技术联用，该组合技术可以在保证处理水质达标前提下降低运行成本，减少处理费用。
