淺析VOCs的污染與治理技術(shù)

任 靜

(山西欣一榮環(huán)保科技有限公司，山西 陽泉 045000)

經(jīng)過多年治理，我國大氣污染防治工作成效初顯，二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等主要污染物年均濃度呈逐步下降態(tài)勢。但以PM2.5和臭氧為特征大氣污染問題仍然突出，其中，VOCs作為O3和PM2.5的重要前體物[1-2]，在大氣污染中發(fā)揮著重要作用。作為PM2.5和O3的主要前體物質(zhì)，VOCs的減排與控制成為當(dāng)前階段我國大氣污染治理的重中之重，VOCs治理工作進(jìn)入精細(xì)化深入治理的關(guān)鍵階段。

VOCs 是揮發(fā)性有機(jī)物英文名“volatile organic compounds”的縮寫，不同的機(jī)構(gòu)和組織出于不同的管理、控制或研究需要，對VOCs 的定義不盡相同，目前尚沒有統(tǒng)一定義。我國標(biāo)準(zhǔn)主要基于能否參與光化學(xué)反應(yīng)來定義：揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是指“能參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，或者根據(jù)規(guī)定的方法測量或核算確定的有機(jī)化合物”[3]。

1 VOCs的來源

VOCs的排放源可分為固定源和流動源兩大類，其中，固定源包括化石燃料和生物質(zhì)(秸稈、木材)燃燒，溶劑使用、工業(yè)過程(如石油化工、煉鋼煉焦)等；流動源指所有和機(jī)動車、船、飛機(jī)等交通工具相關(guān)的排放。此外，這些VOCs排放到大氣中，在光照等條件下通過化學(xué)反應(yīng)可生成新的VOCs，即形成VOCs二次來源。

研究表明，在城市地區(qū)VOCs的每日主要貢獻(xiàn)源是動態(tài)變化的，早上VOCs的主要來源是上下班高峰期機(jī)動車尾氣的排放；午后由于溫度升高，VOCs油品或溶劑的揮發(fā)泄露成為重要來源；夜晚環(huán)境中的VOCs則主要是白天排放VOCs的累積。從季節(jié)變化來看，二次生成的VOCs是夏季VOCs的重要來源，在冬季燃煤的貢獻(xiàn)率則更大[4-6]。

2 VOCs的危害

2.1 人體危害性

VOCs 種類繁多，有些基本沒有毒性，因此對人體及動物基本無害。但有些如甲醛、芳香烴特別是多環(huán)芳烴、二噁英類等具有較強(qiáng)的致癌、致畸、致突變等生物毒性，一些鹵代烴也具有毒性，對人體健康有顯著的毒害作用，室內(nèi)長期暴露于高濃度VOCs 下會增加得肺癌、白血病和淋巴瘤的概率[7]。

2.2 環(huán)境危害性

2.2.1 導(dǎo)致大氣污染事件

光化學(xué)煙霧事件、霧霾事件等大氣污染事件的發(fā)生與大氣氧化性有著十分密切的關(guān)系，大氣氧化性主要體現(xiàn)在環(huán)境大氣中O3、·OH 自由基、過氧自由基等物質(zhì)的濃度水平上，而VOCs 對上述氧化性物質(zhì)生成起著十分重要的促進(jìn)作用。VOCs 濃度升高，會打破清潔大氣中原有的光化學(xué)平衡，它可以與·OH、·RO 等自由基反應(yīng)生成·HO2、·RO2等過氧自由基，并造成O3濃度的積累，進(jìn)而導(dǎo)致大氣氧化性增強(qiáng)。一般而言，VOCs 濃度水平較高的區(qū)域，通常具有較強(qiáng)的大氣氧化性，其發(fā)生大氣污染性事件的可能性也較大。

2.2.2 破壞臭氧層

臭氧層處于大氣的平流層，距近地面10 km～50 km。平流層以下為對流層，地面排放的污染物主要存在于對流層，絕大多數(shù)VOCs在對流層都比較容易被氧化轉(zhuǎn)化，進(jìn)而經(jīng)過干、濕沉降等過程從大氣中去除，因此不容易進(jìn)入平流層。但是VOCs 中含氟、氯、溴等的鹵代化合物(如氟利昂、四氯化碳等)，其中一部分在對流層大氣中壽命很長，可以被傳輸?shù)狡搅鲗?，在紫外線照射下，與臭氧發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致臭氧的減少。這些鹵代化合物在平流層中積累，可對臭氧層造成長期破壞[8]。

3 VOCs的治理技術(shù)

目前，實用的VOCs 末端治理技術(shù)主要包括吸附、吸收、燃燒(高溫燃燒和催化燃燒)、冷凝、生物處理及其組合技術(shù)。各類技術(shù)都有其一定的適用范圍，其對廢氣組分及濃度、溫度、濕度、風(fēng)量等因素有不同要求，因此企業(yè)在選用治理技術(shù)時，首先應(yīng)從廢氣特性出發(fā)，從技術(shù)可行性方面進(jìn)行考慮。

3.1 依據(jù)廢氣濃度選擇

3.1.1 高濃度

對于高濃度的VOCs(通常高于10 000×10-6)，當(dāng)廢氣成分較為單一、沸點低、可回收利用效率高時，優(yōu)先利用回收技術(shù)，如，甲醇、乙醇、環(huán)氧乙烷等。通常首先采用冷凝技術(shù)將廢氣中大部分的有機(jī)物進(jìn)行回收，濃度降低后的有機(jī)物再采用其他技術(shù)進(jìn)行處理[9]。如，油氣回收過程，油氣收集系統(tǒng)收集的油氣經(jīng)油氣凝液罐排除冷凝液后進(jìn)入油氣回收裝置，經(jīng)冷凝回收的汽油進(jìn)入收集儲罐，尾氣通過活性炭吸附后達(dá)標(biāo)排放。

但在有些情況下，雖然廢氣中 VOCs 的濃度很高，但并無回收價值或回收成本太高，則采用直接燃燒法更加適用，如煉油廠尾氣的處理等。

3.1.2 低濃度

對于低濃度的VOCs(通常小于1 000×10-6)，目前治理技術(shù)眾多，如，吸附濃縮后處理技術(shù)、吸收技術(shù)、生物技術(shù)等，并可根據(jù)情況采用組合技術(shù)進(jìn)行深度凈化。吸附濃縮技術(shù)(固定床或沸石轉(zhuǎn)輪吸附)近年來在低濃度VOCs 的治理中得到了廣泛應(yīng)用[10]，經(jīng)吸附濃縮后，若有機(jī)物回收價值高，可對廢氣中價值較高的有機(jī)物進(jìn)行冷凝回收；若無回收價值，可以采用燃燒工藝進(jìn)行銷毀。在吸收技術(shù)中，采用有機(jī)溶劑吸收的治理工藝由于存在吸收液處理困難、易造成二次污染等缺點，已較少使用。采用水吸收的工藝主要用于廢氣的前處理，如去除漆霧、去除酸堿氣體等。另外，對于水溶性高的VOCs，可采用生物滴濾法[11]和生物洗滌法，水溶性稍低的可采用生物濾床。

3.1.3 中等濃度

對于中等濃度的VOCs(1 000×10-6～10 000×10-6)，當(dāng)廢氣中的有機(jī)物具有回收價值時，通常選用活性炭/活性炭纖維吸附+水蒸氣/高溫氮氣再生+冷凝工藝對廢氣中的有機(jī)物進(jìn)行回收。對于水溶性高的VOCs(如醇類化合物)，也可采用吸收法回收溶劑。

當(dāng)無回收價值時，一般采用催化燃燒(CO/RCO)和高溫燃燒(TO/TNV/RTO)技術(shù)進(jìn)行治理。在中等濃度范圍內(nèi)，催化燃燒和高溫燃燒技術(shù)的安全性和經(jīng)濟(jì)性是最為合理的，因此是目前應(yīng)用最為廣泛的治理技術(shù)。蓄熱式催化燃燒(RCO)和蓄熱式高溫燃燒技術(shù)(RTO)提高了催化燃燒和高溫燃燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，使得催化燃燒和高溫燃燒技術(shù)可以在更低的濃度下使用，近年來得到了廣泛的應(yīng)用[12-14]。

3.2 依據(jù)廢氣流量選擇

廢氣流量也是表征廢氣特性的一個重要方面，考慮廢氣流量并結(jié)合廢氣濃度，可以給出不同情境下適合的治理技術(shù)。吸附濃縮+脫附排氣高溫焚燒/催化燃燒組合技術(shù)適用于大風(fēng)量低濃度VOCs 廢氣的治理；生物法適用于中等風(fēng)量較低濃度VOCs 廢氣的治理；吸附法(更換活性炭)適用于小風(fēng)量低濃度VOCs 廢氣的治理；活性炭/活性炭纖維吸附+溶劑回收適用于中大風(fēng)量中低濃度VOCs 廢氣的治理；催化燃燒法、高溫燃燒治理技術(shù)適用于中小風(fēng)量中高濃度VOCs 廢氣的治理；冷凝回收法適用于中低風(fēng)量高濃度VOCs 廢氣的治理(通常大風(fēng)量為大于10 000 m3/h；小風(fēng)量為小于1 000m3/h；中等風(fēng)量為1 000 m3/h～10 000 m3/h。

3.3 依據(jù)廢氣溫度選擇

廢氣溫度也是考慮的因素之一，由于溫度對治理效率影響顯著，因此在選擇治理技術(shù)時應(yīng)尤為注意。吸附法要求氣體溫度一般低于40 ℃，如果廢氣溫度比較高，吸附效果會顯著降低，因此當(dāng)廢氣溫度高于40 ℃時，不宜采用吸附法或者應(yīng)先對廢氣進(jìn)行降溫處理。燃燒法中當(dāng)氣體溫度比較高，接近或達(dá)到催化劑的起燃溫度時，由于不再需要對廢氣進(jìn)行加熱，采用催化燃燒技術(shù)是最為經(jīng)濟(jì)的；當(dāng)廢氣溫度超過催化劑的起燃溫度時，可以采用直接催化燃燒技術(shù)進(jìn)行治理，如漆包線生產(chǎn)尾氣的治理等。

3.4 依據(jù)廢氣濕度選擇

廢氣濕度也會影響某些技術(shù)的治理效果，如吸附回收技術(shù)，活性炭、沸石和活性炭纖維在高濕度條件下(高于70%)對有機(jī)物的吸附效果會明顯降低，因此若采用該類技術(shù)應(yīng)首先對廢氣進(jìn)行除濕處理。

4 結(jié)語

由于VOCs的種類繁多，性質(zhì)各異，排放狀況也存在氣量、濃度、溫度等方面的差異，VOCs處理方法需要根據(jù)不同情況進(jìn)行選擇。因此，在治理VOCs時，需要充分了解VOCs的不同治理技術(shù)及其有效的使用范圍，進(jìn)而根據(jù)廢氣的特性進(jìn)行選擇，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合評估，從而使VOCs廢氣得到有效治理。