來源:《再生資源與循環(huán)經(jīng)濟》 作者:郎慶成

摘要：介紹了VOCs治理技術的研究成果,對目前中小企業(yè)VOCs治理常用技術的弊端進行分析,提出了工程技術選擇原則與參考方案.

VOCs是揮發(fā)性有機物的簡稱，它主要來源于石油化工、印刷、涂料、電子制造、表面防腐、箱包生產(chǎn)、交通運輸及其他化工生產(chǎn)過程。隨著社會進步與工業(yè)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，涉及有機產(chǎn)品的應用也在不斷增加，VOCs排放量與日劇增，且具有涉及范圍廣、種類多、排放量大、毒性強等突出特點，常見的VOCs污染物質(zhì)見表1。

 

VOCs的隨意排放，污染了大氣環(huán)境，進而造成地球生物圈的破壞，也傷害了人類自身。VOCs對生物圈環(huán)境破壞的途徑主要有：在陽光照射下，VOCs這些地面有機揮發(fā)物與氮氧化物生成臭氧，使空氣中臭氧濃度升高導致人體不適，嚴重的會使皮膚產(chǎn)生癌變和肺氣腫；其次則是對高空臭氧層的消耗，如氟利昂及含氯溶劑通過消耗臭氧層使大氣層外圈臭氧層變薄，增加了紫外線的輻射量，對地球生命體造成危害；再有就是許多VOCs物質(zhì)如甲苯、二甲苯、甲乙酮等對人的眼睛及呼吸道系統(tǒng)有刺激作用，對心、肺、肝等內(nèi)臟及神經(jīng)系統(tǒng)也產(chǎn)生有害影響，造成急性與慢性中毒，甚至產(chǎn)生致癌突變（表2）。

 

此外，VOCs也是PM2.5及光化學霧的一個重要來源，具有難以控制的特點。隨著國家對環(huán)境的愈加重視，繼水環(huán)境治理及土壤環(huán)境治理之后，對VOCs的控制與治理必將列入重要議程，因此，開展VOCs治理技術研究，特別是適用性工程技術示范研究，非常迫切與必要，具有重要的現(xiàn)實意義。

1VOCs治理技術研究進展

VOCs治理技術研究一般從3個角度展開：（1）改進涉及VOCs的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，或使用替代材料或新的生產(chǎn)工藝以從源頭控制VOCs的產(chǎn)生；（2）對生產(chǎn)過程產(chǎn)生的VOCs盡可能進行分離、回用；（3）末端治理，即對必須排放的VOCs進行獨立處理。鑒于（1）、（2）類方式涉及企業(yè)生產(chǎn)工藝的升級改造，一般研究工作者難以觸及，因此，提及VOCs的治理技術研究，通常指的是末端治理。

1.1傳統(tǒng)技術

1.1.1直接燃燒

鑒于VOCs富含C，H元素，在適宜的處理溫度下可被空氣中的氧氧化生成CO2和H2O，條件適宜其處理效率可達95%~99%[1,2]。但該方法運行條件苛刻，只適用于可燃物濃度較高的VOCs的凈化處理，對于燃燒熱值低于系統(tǒng)散失的熱量時，需要補充燃料進行熱力燃燒以使系統(tǒng)維持在持續(xù)工作狀態(tài)。燃燒溫度與湍流程度及停留時間都將直接影響處理效果。此外，燃燒溫度通常在700~1200益，會有燃燒副產(chǎn)物NOx產(chǎn)生，形成二次污染物。

1.1.2催化燃燒

對于低濃度的VOCs處理，直接燃燒法因顯而易見的缺點而難以勝任。催化燃燒是利用催化劑來降低反應能壘，實現(xiàn)VOCs在較低溫度（200~400度）下的氧化分解并釋放熱量。催化燃燒特別適用于處理量大、氣體濃度較低的醇、醛、酮、苯等VOCs物質(zhì)。催化燃燒過程反應溫度低，相較直接燃燒要低300-500度，且燃燒完全，也不易生成高溫下的二次污染物如氮氧化物和二惡英等，而且可以回收熱量，節(jié)約能源，污染物脫除效率也更高。

1.1.3吸附

吸附法是利用吸附劑的多孔結構與巨大表面積以及結構上的活性點對VOCs進行吸附的一種方法。它適宜處理成分相對單一、氣流相對穩(wěn)定、濃度在300*10-6~5000*10-6r/min范圍的有機廢氣。作為常用吸附劑的活性炭和大孔樹脂，廣泛應用于吸附回收脂肪和芳香族碳氫化合物、大部分含氯溶劑、常用醇類、部分酮類和酯類有機污染物，是應用較為廣泛的一種VOCs控制方法。

1.1.4吸收

吸收法是利用液體吸收劑從氣流中吸收回收VOCs的一種方法，它的本質(zhì)在于VOCs增濃。其處理的VOCs濃度范圍為300*10-6~5000*10-6r/min，效率可達95豫~98豫，常用的工藝裝備有填料塔和噴淋塔兩種。吸收法工藝對處理常溫、低溫及大風量、低濃度的含苯VOCs比較有效，且費用較低。吸收過程的傳質(zhì)阻力主要在氣液表面與液膜內(nèi)，其凈化效果則取決于氣、液兩相間的接觸效率和面積，因此，吸收劑與反應器的優(yōu)化是該技術研究的一個主要方向。

1.1.5凝并

凝并法是根據(jù)氣態(tài)污染物在不同壓力和溫度下的蒸氣壓差異，使其過飽和從而發(fā)生凝結作用，實現(xiàn)VOCs的凈化回收的一種方法。在實際應用中，通常將該方法與吸附、焚燒及溶劑吸收等聯(lián)合使用，從而降低運行成本。常用的冷凝設備有冷凝器、霧化凝結塔等。

常用的冷卻劑有水、鹽水（冷卻溫度4.4~34度）和CFC（冷卻溫度-34.4~68度）。也可用壓縮法使氣態(tài)有害物質(zhì)在臨界溫度和臨界壓力下變成液態(tài)，從而凈化除去或回收有害物質(zhì)，但由于費用較高，目前使用較少。

1.2新技術

1.2.1生物法

生物法反應過程和氧化法相似，是利用微生物在好氧條件下將有機物氧化為CO2和H2O來破壞消除VOCs。這是一種價廉有效的處理方法，設備簡單，常用于處理低濃度VOCs氣體，但對溫度、pH值、水分含量、氣流速度等運行條件的要求比較嚴格。如果氧化不完全，可能產(chǎn)生比VOCs毒性更強的副產(chǎn)物。生物法主要用于處理低濃度的VOCs，處理效率取決于生物活性及操作條件的控制，對不同的有機物其降解效率在40%~98%]。生物法雖然運行成本很低，但是效率偏低不穩(wěn)定，處理設備與占地面積也大，微生物有選擇性，運行條件較苛刻。

1.2.2蓄熱式燃燒

鑒于直接燃燒排放的煙氣帶走了大量的熱能，人們開發(fā)了多種利用煙氣余熱的節(jié)能技術，其中利用蓄熱體比如陶瓷球等材料來吸收、釋放熱量較為高效。蓄熱式燃燒由陶瓷蓄熱床、自動控制閥、燃燒室和控制系統(tǒng)等組成。蓄熱床分兩部分，底部的自動控制閥分別與進氣道和排氣道相連；由換向閥交替換向，將燃燒室出來的高溫氣體熱量蓄存，再預熱進入蓄熱床的VOCs廢氣；預熱到一定溫度的VOCs廢氣在燃燒室發(fā)生氧化反應，實現(xiàn)凈化。

1.2.3等離子法

等離子體由電子、離子、自由基和中性粒子組成，是導電性流體，總體上保持電中性，被稱為物質(zhì)的第四種形態(tài)。低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生的，屬于非平衡等離子體，主要產(chǎn)生形式有輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、頻射放電及微波放電。而能在常壓下產(chǎn)生低溫等離子體的只有電暈放電和介質(zhì)阻擋放電。低溫等離子體中存在的電子、離子、活性基與激發(fā)態(tài)分子有極高的化學活性，能使很多需要很高活化能的化學反應得以發(fā)生，使常規(guī)方法難以去除的污染物得以轉化或分解。

1.2.4膜分離法

膜分離技術的原理就是利用聚合物復合膜對于有機蒸汽與空氣的滲透選擇性，使有機物透過膜而從廢氣中分離出來。在實際應用過程中，通過在膜的進料側使用壓縮機或滲透側使用真空泵來增強膜的滲透力。含有VOCs的氣流在壓差作用下，VOCs優(yōu)先透過膜，在膜的滲透側形成富VOCs氣流，而在膜的截留側形成主要含有氮氣、氧氣、甲烷等不易滲透氣體的貧VOCs氣流。膜法源于20世紀60年代的脫鹽處理和海水淡化，現(xiàn)已用于石油化工、制藥等行業(yè)。膜法流程簡單、能耗低、無二次污染，是一種非常有前途的分離方法，目前已成功地應用于回收多種VOCs。

1.3技術集成

VOCs控制技術各有其優(yōu)缺點，綜合考慮經(jīng)濟技術等各方面因素，多種控制技術的集成應用優(yōu)勢明顯。李澤清采用新型吸附床及活性炭纖維，集成加熱器和冷卻器功能，確定了纖維炭吸附、熱力脫附、冷凝回收的工藝，用于小風量、高濃度的VOCs處理。Lord原gooeiM等[14]將活性炭吸附與低溫濃縮相結合，用于點源揮發(fā)VOCs組分的處理，不僅能使VOCs排放達標，還能回用高質(zhì)量的液態(tài)VOCs。高立新等設計的新型室內(nèi)空氣凈化器，將納米TiO2光催化層負載在活性炭粉末顆粒上，用于去除室內(nèi)空氣中的VOCs，實現(xiàn)活性炭吸附與光催化氧化技術的結合。張增鳳等利用低溫等離子體-催化集成技術脫除甲醛，發(fā)現(xiàn)在室溫、常壓下，等離子體的存在對脫除甲醛至關重要，在等離子體氣氛中TiO2光催化劑能產(chǎn)生活性。此外，使用陶瓷或其他高密度惰性蓄熱材料作填充床的蓄熱式燃燒技術（RTO）從排出燃燒區(qū)的氣體中吸收并且存儲熱量，再將熱量釋放給冷的進口氣體（而不是采用管殼式熱交換器進行兩種流體間的換熱），與其他熱氧化技術不同，熱回收效率可達98%；如果再將催化燃燒與蓄熱燃燒相結合，則構成蓄熱式催化燃燒（RCO）復合技術，在實現(xiàn)熱能回收利用的基礎上，實現(xiàn)過程的無焰燃燒，操作環(huán)境更好。

2VOCs治理技術選擇與工藝適用性

相較于固、液污染物的排放與處置，VOCs的控制與治理難度更大，針對具體排放物質(zhì)、排放量、濃度、濕度等情況，選擇高效、經(jīng)濟、適用的處理技術與工藝設備是個頗具挑戰(zhàn)性的工作。幾種VOCs的處理工藝特點的對比分析如表3。

 

任何技術工藝都有其局限性，對于具體企業(yè)來講，VOCs處理技術的選用，首先要考慮VOCs的流量、濃度（包括濃度變化）及廢氣的成分特征等要素，其次需要考慮資金投入及操作管理要求等因素，某些先進的技術因?qū)Σ僮鞴芾碛袊栏褚?，或維護管理技術難度大，都不適宜小企業(yè)采用。

作者了解到天津地區(qū)很多企業(yè)的VOCs治理，環(huán)保管理部門推薦的工藝都是活性炭吸附法，然而基本不配備變溫、變壓或聯(lián)合解吸裝置，企業(yè)在形式上具有治理VOCs的設備，實際上根本不能可靠運行，臨檢時更換一批新活性炭（廢棄的活性炭也存在安全隱患），其他時間根本不管。

其實對于小企業(yè)的VOCs治理，工藝成熟的吸收法更為合適，操作簡單，技術與工藝維護易于掌握，既適合處理高濃度VOCs，也可以處理低濃度的VOCs。吸收劑選取合適，還可以回收、回用VOCs物質(zhì)，比如噴涂工序回收的溶劑，還可以返回涂料生產(chǎn)環(huán)節(jié)。中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所設計的吸收法VOCs處理系統(tǒng)，采用新型吸收劑，實現(xiàn)對苯類、烷烴類、醚等有機VOC物質(zhì)的吸收凈化，在適當?shù)臅r候解吸-冷凝得到VOC溶劑或直接解吸燃燒VOC物質(zhì)。通過微壓傳感技術，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動解吸控制。此外，將紅外、催化-蓄熱及再生催化技術相結合，可以滿足不同企業(yè)、不同處理規(guī)模的VOCs治理要求。

3結束語

VOCs的治理是一個任重道遠的艱巨工作，從工程應用的角度看，一些技術目前還不成熟，難以負擔起VOCs治理的重任，還需要技術人員的進一步努力。還有一些技術由于工程條件的限制，假以時日方能達到其理想目標。從目前看，吸收法及改進的蓄熱催化技術相對而言具有較為確切的經(jīng)濟技術優(yōu)勢，推薦企業(yè)多加關注。