揮發(fā)性有機(jī)物末端治理技術(shù)及選型方法

摘要：揮發(fā)性有機(jī)物末端治理技術(shù)主要有燃燒法、生物法、低溫等離子體法、光催化氧化法、吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離法。文章闡述了不同治理技術(shù)的原理、適用范圍、性能特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了常用燃燒法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，深入分析了常用生物法的特性及研究方向。闡述了工藝的選型方法及流程，并對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物治理的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：揮發(fā)性有機(jī)物;治理技術(shù);選型方法;燃燒法;生物法

中圖分類號(hào)：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）09-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.046

End treatment technology and selection method of volatile organic compounds

Song Zaoming

（LongKing-Coalogix Environmental Protection Technology （Shanghai） Co.，Ltd.，Shanghai 200100，China）

Abstract：The end treatment technology of volatile organic compounds includes combustion method，biological method，plasma method，photocatalytic oxidation method， adsorption method， absorption method，condensation method and membrane separation method.This paper describes the principle，application scope， performance characteristics and application status of different treatment technologies，introduces the advantages and disadvantages of common combustion methods and their application scope in detail， and deeply analyzes the characteristics and research direction of common biological methods.Introduces the selection method and process of treatment technology， analyzes the prospect of volatile organic compounds treatment technology.

Key words：Volatile organic compounds;Treatment technology;Selection method;Combustion method;Biological method

揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile organic compounds）簡(jiǎn)稱VOCs，是指20℃時(shí)蒸汽壓不小于10Pa，或標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)不高于260?C的有機(jī)化合物，或?qū)嶋H生產(chǎn)條件下具有以上相應(yīng)揮發(fā)性的有機(jī)化合物（甲烷除外）的統(tǒng)稱[1-2]。

常見VOCs有烴類、鹵代烴類、酯類、醚類、醛類、醇類、酸類、胺類等。研究表明，VOCs參與大氣光化學(xué)反應(yīng)，是造成大氣污染的主要因素之一，對(duì)人類健康安全產(chǎn)生較大危害，VOCs的控制刻不容緩[3-4]。VOCs的控制分為源頭消減、過程控制和末端治理。近年來，在大氣環(huán)境質(zhì)量改善的任務(wù)日益緊迫的背景下，源頭消減和過程控制力度雖顯不足，但末端治理技術(shù)得到了充分的發(fā)展[5]。燃燒法、生物法、低溫等離子體法、光解催化氧化法、吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離法等末端治理技術(shù)均獲得了較為成功的運(yùn)用。經(jīng)過了多年的發(fā)展，VOCs治理也終將迎來源頭控制、過程控制和末端治理全方位精細(xì)化控制的時(shí)代[6]。

1 揮發(fā)性有機(jī)物末端治理技術(shù)

1.1 燃燒法

燃燒法是將VOCs加熱到著火溫度進(jìn)行氧化反應(yīng)，將污染物通過氧化作用轉(zhuǎn)化為CO2和H2O等小分子的方法，是目前最為成熟、高效的方法。工程上常用燃燒法有直接燃燒、蓄熱燃燒、催化燃燒和蓄熱催化燃燒。燃燒法處理效率高，適用范圍較廣，常見VOCs風(fēng)量大濃度低，直接運(yùn)用任何一種燃燒法均不經(jīng)濟(jì)，一般根據(jù)不同燃燒法的特性、廢氣工況，采用工藝組合與功能疊加的方案。例如可結(jié)合吸附濃縮工藝，將廢氣濃縮后進(jìn)行燃燒處理更為合理、經(jīng)濟(jì)[7-10]。

1.2 生物法

生物法是根據(jù)廢水生化處理的原理衍生的，是利用微生物以VOCs為碳源和氮源進(jìn)行新陳代謝，將VOCs降解為CO2和H2O等小分子的方法。生物法適用于處理工況條件溫和、濃度低、生物降解性好的VOCs，生物法的優(yōu)點(diǎn)是治理效率可觀、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、安全性高、能耗、操作費(fèi)用及投資較低;缺點(diǎn)是微生物培養(yǎng)和馴化難度大、處理周期長(zhǎng)、占地面積大、填料易堵塞、受氣候影響大、系統(tǒng)pH難以控制等。常用生物法有生物過濾、生物洗滌、生物滴濾，生物法廣泛于惡臭治理，是具有較大發(fā)展?jié)摿透?jìng)爭(zhēng)力的方法。不同生物法的結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)缺特性及適用范圍不同，須因地制宜地選擇最優(yōu)方案[11-13]。

1.3 低溫等離子體法

低溫等離子體是在外加電場(chǎng)的作用下，通過放電產(chǎn)生大量電子、離子和原子等高能活性粒子和臭氧，活性粒子和臭氧與VOCs發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單化合物。常用低溫等離子體有介質(zhì)阻擋放電法、電暈放電法和沿面放電法。低溫等離子體處理低濃度VOCs及惡臭氣體具有便捷高效、安全、裝置簡(jiǎn)單占地小、投資小等優(yōu)點(diǎn)，中小風(fēng)量采用直接接觸法處理，大風(fēng)量采用間接接觸法處理。但低溫等離子體安全隱患大、總體處理效率低、能量效率差、能耗高、臭氧排放嚴(yán)重、副產(chǎn)物難控制，不宜用于高濃度VOCs治理。建議與催化、吸附、吸收等技術(shù)協(xié)同使用[14-17]。

1.4 光解催化氧化法

光解催化氧化法是除臭領(lǐng)域常用方法，光解催化氧化法包含光解和光催化兩種技術(shù)，光解是在一定波長(zhǎng)的光波作用下，利用O2產(chǎn)生O3對(duì)VOCs進(jìn)行分解;光催化是利用一定波長(zhǎng)的光波照射TiO2催化劑，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的·OH等自由基去降解VOCs。研究表明，波長(zhǎng)短的光波有利于激發(fā)TiO2產(chǎn)生高能自由基，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光波有利于臭氧的產(chǎn)生。一般將光解與光催化技術(shù)協(xié)同使用，以提高技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能。光解催化氧化法適用于大風(fēng)量低濃度VOCs治理，具有氧化性強(qiáng)、除臭效率高、安全性能好、廣譜性強(qiáng)、設(shè)備操作維護(hù)簡(jiǎn)單、能耗低、投資小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是紫外燈管及電源使用壽命有限需要定期維護(hù)更換，光催化劑價(jià)格較高，對(duì)高濃度VOCs處理效率較低[18-20]。

1.5 吸附法

吸附法是利用吸附劑分子對(duì)VOCs分子間的作用力截留污染物分子的方法。吸附法優(yōu)點(diǎn)是效率高、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、吸附劑可循環(huán)使用。但吸附劑需處置或再生、吸附劑易堵塞、中毒，受溫度、濕度和顆粒物影響較大。吸附法依賴于吸附劑實(shí)現(xiàn)吸附功能，常用吸附劑有沸石分子篩、活性炭、活性氧化鋁、吸附樹脂等。其中活性炭和沸石分子篩目前應(yīng)用最為廣泛?；钚蕴渴蔷哂形焦δ艿奶蓟镔|(zhì)的總稱，按形態(tài)分為顆粒狀、柱狀、蜂窩狀和纖維狀。顆粒狀、柱狀和蜂窩狀活性炭多用于一次性吸附設(shè)備中，蜂窩狀和纖維狀活性炭多用于吸附濃縮系統(tǒng)，并協(xié)同燃燒法或冷凝法使用?；钚蕴烤哂斜缺砻娣e大、吸附容量高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是占地大、不耐溫、再生次數(shù)有限、危廢處置成本高，有自燃風(fēng)險(xiǎn)。沸石分子篩相對(duì)于活性炭來說，其微孔結(jié)構(gòu)均勻，選擇性吸附作用突出，具有占地小、強(qiáng)度大、壽命長(zhǎng)、耐溫不易燃、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)一定程度地彌補(bǔ)了其吸附容量小、成本高的缺點(diǎn)，多用于對(duì)大風(fēng)量低濃度VOCs吸附濃縮后結(jié)合燃燒法進(jìn)行處理[21-23]。

1.6 吸收法

吸收法是利用VOCs各組分在溶液中溶解度不同而分離氣體混合物的方法。主要適用于溫度低、壓力高、溶解度高的VOCs凈化。吸收法適用范圍廣、操作彈性大、吸收劑價(jià)廉易得、處理效率高、可吸收易聚合物質(zhì)、安全隱患小。吸收法的效果取決于吸收劑的自身性能、VOCs特性及吸收設(shè)備結(jié)構(gòu)。一般選取穩(wěn)定、價(jià)廉易得、無毒害、低揮發(fā)或者不揮發(fā)的物質(zhì)作為吸收劑，常用吸收劑有水、油類、有機(jī)溶劑等。吸收法配合溶劑回收時(shí)一般投資較大，無溶劑回收時(shí)投資低但易產(chǎn)生二次污染，需根據(jù)具體情況甄選工藝[24-26]。

1.7 冷凝法

冷凝法是將溫度設(shè)置在VOCs的沸點(diǎn)以下，利用低溫使VOCs蒸汽過飽和后液化出來，達(dá)到凈化VOCs的目的。冷凝法不適宜處理低濃度、低沸點(diǎn)的VOCs。適用于高濃度、低溫、小風(fēng)量、組分單一、各組分沸點(diǎn)接近的工況，如石化油品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售過程的油氣回收，化工行業(yè)工藝設(shè)備（反應(yīng)釜、真空泵、儲(chǔ)罐等）的VOCs回收。使用冷凝法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)需要極低溫度或較大壓力，難度和費(fèi)用較大，因此實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)綜合考慮系統(tǒng)能耗和回收價(jià)值，常作為預(yù)處理與吸附法、燃燒法或其他方法協(xié)同使用，以降低后續(xù)處理負(fù)荷，并盡可能地回收有價(jià)值的產(chǎn)品[27-28]。

1.8 膜分離法

膜分離法是利用VOCs各組分在壓力推動(dòng)下透過膜的速率不同，而使得不同氣體選擇性透過，達(dá)到分離的目的。膜分離法適用于高濃度小風(fēng)量、溫度低，有較高回收價(jià)值的VOCs處理，處理效率高效、無二次污染，回收收益大。目前主要應(yīng)用于化工行業(yè)烷烴和烯烴回收。但膜分離法膜通量一般較小，處理速度慢、維護(hù)清洗困難，設(shè)備投資高。隨著膜材料的發(fā)展，膜分離法已成為研究熱點(diǎn)[29-30]。

2 揮發(fā)性有機(jī)物末端治理工藝選型方法

相比傳統(tǒng)的塵、硫、硝及其他大氣污染物，VOCs氣體特征較為復(fù)雜，治理難度非常大，在選用VOCs治理技術(shù)時(shí)，沒有固定和參考的工藝模式，不僅需要考慮VOCs本身特性，還需要綜合考慮各種技術(shù)的性能指標(biāo)、適用范圍、建設(shè)和運(yùn)行成本、執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)等因素[6]。近年來，國(guó)內(nèi)外環(huán)境領(lǐng)域的學(xué)者研究方向集中在不同行業(yè)VOCs排放特征[31-33]、國(guó)內(nèi)外VOCs治理技術(shù)市場(chǎng)應(yīng)用情況[36]、大氣污染控制技術(shù)的綜合性能評(píng)價(jià)方法[33-35]等方面，研究了不同治理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍[6，36-37]、各類技術(shù)對(duì)VOCs的去除率及特征[32]、目前主流工藝的運(yùn)行費(fèi)用[38]等;部分研究給出了不同濃度及成分的VOCs末端治理技術(shù)選擇建議[33，36]。

上述研究成果為VOCs末端治理工藝選型提供了較為全面的理論依據(jù)和指導(dǎo)，但尚未明確工藝選型的流程和方法。本文通過大量的理論研究和工程實(shí)踐，總結(jié)出VOCs末端治理工藝選型流程和方法，主要包括項(xiàng)目收資及分析、工藝篩選、技術(shù)性能評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)及綜合評(píng)價(jià)優(yōu)化等核心環(huán)節(jié)。

項(xiàng)目收資及分析是工藝選型的核心環(huán)節(jié)，收資內(nèi)容包括廢氣排放源（排放方式（連續(xù)/間歇）、物料消耗量、排放時(shí)間）、工況（風(fēng)量、組分及含量、溫濕度、壓力）、場(chǎng)地情況、公用工程信息（水電氣煤等）、圖紙報(bào)告（檢測(cè)報(bào)告、環(huán)評(píng)、可研、圖紙、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及批復(fù)）、廢氣收集、治理現(xiàn)狀等。工藝篩選是依托項(xiàng)目收資和分析結(jié)果，判斷排放特征，結(jié)合不同工藝的特性，初步篩選出單元工藝或組合工藝。技術(shù)性能分析可依托于前人的研究[33-35]，對(duì)項(xiàng)目技術(shù)原理和工藝路線科學(xué)合理性、技術(shù)成熟程度和連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性的判斷，是對(duì)生產(chǎn)工況波動(dòng)的適用性以及與主體生產(chǎn)工藝、外界環(huán)境等條件的相容性分析，確保工藝的技術(shù)可靠性和適應(yīng)性;經(jīng)濟(jì)效益分析是對(duì)工程建設(shè)和設(shè)備投資等費(fèi)用以及運(yùn)行原輔料、公用工程消耗、人工、折舊、維護(hù)等費(fèi)用的計(jì)算和分析，確保一次性投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用的合理性;綜合評(píng)價(jià)和優(yōu)化是在對(duì)初選工藝進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能的評(píng)價(jià)后，對(duì)該工藝進(jìn)行綜合性評(píng)估并根據(jù)評(píng)估結(jié)果予以優(yōu)化。在上述任一環(huán)節(jié)中，當(dāng)出現(xiàn)不符合要求的情景出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)當(dāng)前工藝予以淘汰或重新進(jìn)入工藝選型的流程，直至選擇出符合控制目的要求、綜合性能好、經(jīng)濟(jì)成本少的工藝。

3 結(jié)論及展望

堅(jiān)持源頭消減、過程控制為重點(diǎn)，兼顧末端治理的全過程深度治理是我國(guó)VOCs治理未來的發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)還是以末端治理為主要的VOCs控制手段，其中燃燒法和吸附法是目前最為成熟、高效的方法，沸石分子篩因其優(yōu)良特性也得到了廣泛的使用。VOCs治理初期常用的冷凝、吸附、吸收、低溫等離子體和光催化氧化法的均有較為明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，其單一使用的模式逐漸被淘汰了，多作為預(yù)處理與其他高效技術(shù)聯(lián)用。生物降解技術(shù)以良好的環(huán)保特性和溫和的使用條件正在受到更多關(guān)注;膜分離技術(shù)也因?yàn)椴牧系陌l(fā)展已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。在今后的研究工作中，不僅要深入研究單元工藝，還要加強(qiáng)不同技術(shù)協(xié)同使用的研究與開發(fā)。同時(shí)加快基本技術(shù)規(guī)范、圖集和標(biāo)準(zhǔn)的編制，完善工藝路線的優(yōu)化及組合、技術(shù)集成與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方法等指導(dǎo)性文件，加強(qiáng)末端治理工藝選型方法的研究力度，以期篩選出符合控制目的要求、綜合性能好、經(jīng)濟(jì)成本少的最優(yōu)可行技術(shù)[39-42]。

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收稿日期：2020-07-06

作者簡(jiǎn)介：宋早明（1992-），男，漢族，研究生學(xué)歷，研究方向?yàn)榇髿馕廴痉乐?、固體廢棄物處理與資源化。