揮發(fā)性有機化合物末端治理技術研究

王曉靜

（寧夏匯晟環(huán)保科技有限公司，寧夏 銀川 750002）

揮發(fā)性有機化合物（VOCs）末端治理技術可分為單端處理和復合端處理兩種。本文論述了我國VOCs單端處理工藝的原理、應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景，介紹了工業(yè)化復合尾氣處理工藝在VOCs減排中的應用，分析和探討了VOC終端治理技術存在的問題，旨在為未來終端治理技術的研究和發(fā)展提供參考。

1 揮發(fā)性有機化合物污染的相關概述

1.1 揮發(fā)性有機化合物的概念及危害

目前，學術界對“揮發(fā)性有機物”這一物質概念還沒有形成統(tǒng)一的明確界定。根據(jù)世貿(mào)組織規(guī)定，揮發(fā)性有機物指在常溫下，沸點在50～260 ℃的有機物[1]。但在我國規(guī)定：揮發(fā)性有機化合物為可揮發(fā)性有機化合物，其蒸壓大于70 Pa，常壓低于260 ℃或20 ℃的溫度范圍內(nèi)蒸氣壓不小于10 Pa。

就目前而言，從化學的角度，揮發(fā)有機化合物可以劃分為八大類，即：烯類、烷類、酯類、酮類、醛類、芳烴類、鹵烴類和其他化合物。揮發(fā)性物質進入空氣后，會對人的眼睛和呼吸道產(chǎn)生不同程度的刺激，從而引發(fā)過敏、咽痛、頭暈、乏力等癥狀。不同的化合物成分通過呼吸道進入人體后，也會發(fā)生不同的污染效應。舉例來說，如果一個人長期處于甲醛含量超標的空氣環(huán)境中，就會出現(xiàn)不同程度的甲醛中毒現(xiàn)象。如果中毒較輕，可能出現(xiàn)鼻咽不適、惡心、頭痛等癥狀；如果中毒過重，可能出現(xiàn)血壓急降、休克性昏迷、呼吸困難等癥狀，嚴重時可危及生命。此外，甲醛還是WTO《致癌物質清單》中的一類。因此，做好VOCs污染治理工作，對保證環(huán)境穩(wěn)定清潔、維護人類健康和安全具有重要意義。

1.2 揮發(fā)性有機化合物的來源

VOCs的來源具有明顯的多樣性和復雜性，分為室內(nèi)污染和室外污染。VOCs主要產(chǎn)生于室外大氣環(huán)境中的工業(yè)污染，如化工企業(yè)的煙塵、汽油廢氣以及這兩種物質在紫外線照射下的光化學污染；在室內(nèi)有限的空氣環(huán)境中，VOCs主要產(chǎn)生于染色地毯、墻面涂料、裝飾、家具和電器。此外，汽車涂料、室內(nèi)裝飾、工廠化工原料等都是室內(nèi)有限環(huán)境中常見的VOCs來源[2]。

從實際來看，由于VOCs污染的種類和來源都比較復雜，我國還沒有形成覆蓋廣泛、內(nèi)容詳盡的標準體系，因此VOCs污染治理工作任重而道遠。

2 單一末端治理技術

目前，國內(nèi)外普遍采用的單一末端處理技術是回收技術和銷毀技術。回收技術利用選擇性吸附、滲透膜改變溫度和壓力來回收VOCs，如吸附、凝結、膜分離等。銷毀技術利用燃燒、光催化、生物降解和等離子體技術等特殊技術，通過熱、光和微生物的作用，將 VOCs轉化為CO2、H2O等無機小分子化合物實現(xiàn)廢氣治理。單一末端治理技術對比分析見表1。

表1 單一末端治理技術對比分析

從表1可知，吸附技術凈化效率較低，并且需要額外的再生費用；冷凝和催化燃燒技術需要消耗大量能源，膜分離和等離子技術提供能源的成本高昂；生物和光催化技術反應緩慢。吸附和催化燃燒兩項分別占總處理工藝的38%和22%。但是生物技術、光催化技術、低溫等離子體技術等在實驗室中研究比較少，應用也比較少。因此在確定VOCs處理工藝時，我們要針對企業(yè)的實際情況合理選擇排放特征和經(jīng)濟指標。

3 組合末端治理技術

工業(yè)廢水VOCs成分復雜，治理難度很大。單一處理技術在凈化效率、安全性、經(jīng)濟性等方面存在著一定的局限性。因此，混合減排技術已經(jīng)成為目前VOCs減排技術研究的熱點之一。接下來我們將介紹幾種組合端的處理方法。

3.1 吸附濃縮—催化燃燒技術

自80年代以來，我國就開始對吸附濃縮催化燃燒技術進行研究。國家防化院于1990年開發(fā)了催化燃燒固定床濃縮有機廢氣裝置，并于1997年投入工業(yè)化生產(chǎn)。用蜂窩狀活性炭作為吸附材料，非貴金屬作為催化劑，利用FCJ有機廢氣處理裝置對福州市某鞋廠的三苯有機廢氣進行處理，平均凈化率達86.3%，其整個流程由噴射模塊、干燥模塊、吸附模塊和燃燒模塊組成，詳見如圖1。

圖1 吸附濃縮催化燃燒技術工藝流程圖

我國自主創(chuàng)新的VOCs處理技術集吸附、濃縮、催化燃燒為一體。處理技術先進，生產(chǎn)效率高，應用廣泛，無二次污染，經(jīng)濟效益顯著。在空氣預處理和吸附回收中使用燃燒產(chǎn)生的熱能可達到節(jié)能環(huán)保的目的，平均凈化效率在95%以上，應用十分廣泛。

3.2 冷凝—催化燃燒技術

冷凝—催化燃燒技術是指VOCs中含有水汽的有機廢氣經(jīng)過冷凝處理后，剩余的不凝氣催化燃燒技術，即VOCs廢氣首先進入冷凝器，冷凝廢氣中的可凝物與顆粒液滴結合后形成較大的液滴，沉淀物在冷凝器中比較容易清除。冷凝不掉的非冷凝氣體通過風機送到熱交換器，加入助燃劑催化燃燒反應，使之達到排放標準。工藝流程如圖2所示。

冷凝—催化燃燒控制技術使系統(tǒng)溫度下降，提高了VOCs處理的極限濃度，減輕了催化燃燒的負荷，提高了安全性和穩(wěn)定性，但在處理過程中傳熱能耗增加，成本上升。冷凝液的綜合利用也是一個亟待解決的問題，目前在工業(yè)上的應用范圍很小，還沒有實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

3.3 吸附—冷凝技術

吸收—冷凝法是利用冷凝法回收高濃度煙氣的一種方法，吸附技術用于后端處理低濃度不凝氣。冷凝法凈化中、高濃度煙氣，其凈化效果穩(wěn)定，但低濃度和多組分煙氣凈化率較低，冷凝法與吸附法結合使用可有效提高煙氣處理的濃度范圍。此外，凝結后可以降低尾氣中雜質的含量，從而降低了雜質對活性炭結構的破壞，提高了活性炭的使用壽命。采用凝結法處理，避免了吸附過程中活性炭溫度升高而引起自燃的隱患。主要設備有過濾器、引風機、冷卻器、活性炭纖維吸附器等，生產(chǎn)工藝如圖3。

吸收—冷凝技術多應用于國內(nèi)油氣回收。吸收—冷凝法處理其他多組分VOC氣體仍然處于探索階段，對于不同成分和濃度的氣體，還需從吸附劑、冷凝劑的篩選和設備結構的改進等方面進行深入研究。

3.4 吸附—光催化技術

吸收—光催化技術是通過吸附材料將VOCs吸附，在紫外光照射下，VOCs被降解成CO2和H2O。該技術還可以吸收反應過程中的有害副產(chǎn)物，減少二次污染。本方法包括預處理、吸附和光催化三個步驟，其工藝流程見圖4。

圖4 吸附—光催化技術工藝流程圖

吸附—光催化處理技術的裝置占用空間小，反應條件溫和，能耗低，安全可靠。但是由于空氣流動引起的催化劑損失以及環(huán)境參數(shù)的變化，使凈化效果變得不穩(wěn)定。

3.5 低溫等離子體—光催化技術

低溫等離子體—光催化技術利用低溫等離子體技術，通過電子能量的碰撞把大分子轉化為小分子，再與光催化反應，注入等離子體反應器中，使之相互作用，協(xié)同凈化。相關設備包括過濾裝置、等離子反應器、除霧器等，如圖5所示。

圖5 低溫等離子體-光催化技術裝置示意圖

利用低溫等離子體-光催化技術處理低壓VOCs有機廢氣具有能耗低、副產(chǎn)物少、反應速度快等優(yōu)點。該方法仍處于實驗研究階段，要想實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需要尋找等離子體反應器與催化劑的最佳匹配方案，對二者協(xié)同作用的反應機理進行深入地研究?？傊ㄟ^研究人員的不斷改進與創(chuàng)新，該技術必將在市場上占有一席之地。

3.6 組合技術對比分析

我國VOCs末端處理技術的吸附、凝結等工藝多用于聯(lián)合處理系統(tǒng)的初級處理，見表2。與國外先進技術相比，仍處于相對劣勢階段。

表2 組合技術應用情況對比分析

4 結論

在VOCs綜合治理中，采用單一技術是當前我國VOCs治理研究的熱點，也是今后治理的主流[3]。要想實現(xiàn)大規(guī)模的推廣還應做到：（1）尋找新型催化劑，提高其性能，延長其使用壽命，并在催化燃燒和光催化中穩(wěn)定運行；（2）結合工廠的實際情況，合理配置設備，減少占用空間；（3）深入研究合成過程的反應機理，使合成過程能夠安全、穩(wěn)定地投入生產(chǎn)應用；（4）尋找最佳工藝技術，同時保證達標排放，且投資少，安全性高。