淺談VOCs常見治理工藝與現(xiàn)狀

宋卓然

（江蘇省蘇州環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 蘇州 215000）

1 前言

我國大氣污染形勢嚴(yán)峻，PM2.5濃度總體有所好轉(zhuǎn)，每年都同比下降，2019年未達(dá)標(biāo)地級(jí)城市PM2.5平均濃度為40 μg/m3，較2015年下降23.1%，但仍處于高位，同時(shí)O3濃度近幾年急速上升，全國337個(gè)地級(jí)及以上城市臭氧濃度上升20.9%，其中O3首污且超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的比例達(dá)41.8%[1]。我國大氣環(huán)境保護(hù)面臨PM2.5和O3污染雙重壓力，尤其在京津冀及周邊地區(qū)、長三角地區(qū)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是PM2.5和O3的重要共同前體物，在紫外光照射和高溫條件下，會(huì)發(fā)生快速的光化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生包括臭氧和過乙酰硝酸酯等具有刺激性和毒性的氧化劑、醛酮類含氧有機(jī)物以及細(xì)顆粒物，因此加強(qiáng)VOCs治理是控制O3和PM2.5污染的有效途徑，同時(shí)也是幫助企業(yè)節(jié)約資源、提高效益的有力手段。

2 VOCs的定義及主要來源

VOCs是揮發(fā)性有機(jī)物英文名（Volatile Organic Compounds）的縮寫，它是揮發(fā)性有機(jī)物的集合概念。目前不同機(jī)構(gòu)和組織由于對(duì)管理和管控要求不同，因此對(duì)VOCs的定義也不盡相同。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）將VOCs定義為所有能參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物。美國國家環(huán)保局定義則有所不同，他們將除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、金屬碳酸鹽外，任何能參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的碳化合物認(rèn)定為VOCs。我國對(duì)于VOCs的普遍定義是能參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物。

我國VOCs的主要來源分為人為源和天然源，人為源又分為工業(yè)源、生活源、移動(dòng)源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)源排放量占整個(gè)人為源的比重最大，高達(dá)55.5%[2]，其中重點(diǎn)行業(yè)（包括石化、化工、涂裝等）的產(chǎn)污過程中VOCs排放量占整個(gè)工業(yè)源的60%以上，因此對(duì)重點(diǎn)行業(yè)的管控是VOCs管控的重要環(huán)節(jié)。生活源中VOCs主要來自餐飲業(yè)，隨著現(xiàn)階段城市餐飲業(yè)的迅速發(fā)展，餐飲也成為城市VOCs的重要來源之一，目前全國各個(gè)省份都在加緊制定餐飲油煙排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)VOCs的排放進(jìn)行管控，江蘇省將于2021年下半年出臺(tái)相應(yīng)的餐飲標(biāo)準(zhǔn)。移動(dòng)源排放指的是燃油汽車使用過程中的VOCs排放，燃油汽車在使用過程中不僅釋放VOCs，還會(huì)釋放出大量的氮氧化物，VOCs與氮氧化物在光照的作用下，會(huì)產(chǎn)生O3與細(xì)顆粒物，對(duì)大氣產(chǎn)生污染，全國目前對(duì)于移動(dòng)源的管理早在幾年前就已經(jīng)開始，比如國五標(biāo)準(zhǔn)上升到國六、大力扶持新能源汽車等。天然源指的是自然界植物的釋放，森林和灌木林是天然源中最大的排放源。

VOCs的種類按化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為8類：烷烴類、芳香烴類、烯烴類、鹵代烴類、酯類、醛類、酮類和其他化合物。常見的VOCs有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷等[3]。由于VOCs種類眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此各工業(yè)行業(yè)中VOCs處理技術(shù)也都不盡相同，下面將介紹一些常見的VOCs末端治理技術(shù)。

3 工業(yè)企業(yè)中VOCs治理常見工藝技術(shù)

3.1 低溫等離子體技術(shù)

該技術(shù)適用于低濃度含VOCs廢氣和惡臭異味氣體的處理，一般與其他技術(shù)組合使用，作為二級(jí)凈化單元。該技術(shù)原理是通過施加外部電壓，當(dāng)施加電壓達(dá)到氣體臨界的放電電壓時(shí)氣體會(huì)被擊穿，大量電子、離子、原子和自由基被釋放出來。放電過程中產(chǎn)生的重粒子比高能電子溫度低，使整個(gè)系統(tǒng)處于較低的溫度狀態(tài)，在低溫狀態(tài)下產(chǎn)生的高能電子、自由基等有很強(qiáng)的反應(yīng)活性，與污染物發(fā)生反應(yīng)，使污染物分解，達(dá)到去除污染物的作用[4]。

局限性：這項(xiàng)技術(shù)適用于低濃度VOCs廢氣（一般宜低于300 mg/m3），對(duì)安全要求較高。且廢氣還需要進(jìn)行過濾去除油霧等顆粒物，該技術(shù)屬于新型技術(shù)，在使用中仍有較大的局限性。

3.2 吸附工藝技術(shù)

常用的吸附劑為活性炭，因其成本低、應(yīng)用方便，目前被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的VOCs治理。

其工作原理見圖1。

圖1 吸附工藝原理圖

目前市場上的活性炭種類很多，質(zhì)量也參差不齊，不少地方生態(tài)環(huán)境部門要求選用顆粒狀、柱狀活性炭，碘值應(yīng)大于800 mg/g，四氯化碳值不低于40-45%。很多地區(qū)的生態(tài)環(huán)境部門已經(jīng)著手關(guān)注優(yōu)質(zhì)活性炭的應(yīng)用，蘇州市生態(tài)環(huán)境局印發(fā)了《談天說炭——幫扶企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物治理之活性炭應(yīng)用》宣傳短片和宣傳冊(cè)，指導(dǎo)企業(yè)選用優(yōu)質(zhì)活性炭用于VOCs的治理。

3.3 燃燒技術(shù)

3.3.1 蓄熱氧化技術(shù)（RTO)

原理：蓄熱氧化技術(shù)，其實(shí)就是蓄熱燃燒技術(shù)，將廢氣加熱到較高溫度（700 ℃），廢氣中的VOCs燃燒生成水和二氧化碳，再通過陶瓷蓄熱體收集產(chǎn)生的熱量，收集的熱量再對(duì)后續(xù)進(jìn)入的有機(jī)廢氣進(jìn)行預(yù)熱，提升溫度所需要的燃料消耗。RTO技術(shù)又可分為兩床、三床及旋轉(zhuǎn)多種工藝[5]。

3.3.2 催化燃燒技術(shù)（CO）

催化燃燒技術(shù)指的是通過使用合適的催化劑，降低有機(jī)廢氣中VOCs的活化能，從而在加熱到較低溫度時(shí)就能使廢氣中的VOCs完全燃燒，分解成二氧化碳和水。通過催化劑可以大幅降低有機(jī)廢氣的起燃溫度，使之進(jìn)行無焰燃燒，并有效降低反應(yīng)能耗以及氮氧化物的生成。

3.3.3 蓄熱催化氧化技術(shù)（RCO）

這項(xiàng)技術(shù)是結(jié)合了RTO與CO兩項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)，利用催化劑，將有機(jī)廢氣加熱到較低溫度（300 ℃左右）即可反應(yīng)生成二氧化碳和水，氧化產(chǎn)生的高溫氣體熱量被保存在陶瓷蓄熱體中，為后續(xù)進(jìn)入的有機(jī)廢氣進(jìn)行預(yù)熱，從而達(dá)到降低能耗的作用。RCO與RTO相比，更為環(huán)保節(jié)能，在較低溫度就能進(jìn)行反應(yīng)，且反應(yīng)中不易產(chǎn)生二噁英等惡臭物質(zhì)，但是投資成本較高。

3.4 生物凈化技術(shù)

該技術(shù)主要是通過集氣系統(tǒng)收集排放的臭氣，再通過負(fù)壓系統(tǒng)壓送到洗滌-生物濾床除臭設(shè)備進(jìn)行后續(xù)處理。洗滌的主要目的是除塵，調(diào)節(jié)氣體的環(huán)境條件（溫度、濕度、去除水中可溶性物質(zhì)等），然后將氣體輸送到生物過濾床，通過濾床上的微生物進(jìn)行定向分解。這種技術(shù)對(duì)硫化氫、含氮臭氣、甲硫醇等治理效果較好，但是對(duì)很多其他種類的VOCs并不適用，具有局限性，僅使用于污水處理站、垃圾填埋場等行業(yè)。

3.5 光催化技術(shù)

光催化技術(shù)開始主要是利用二氧化鈦光催化材料降解三氯乙烯，隨著對(duì)光催化技術(shù)研究的深入，發(fā)現(xiàn)光催化技術(shù)對(duì)于烷烴、有機(jī)醇、芳香烴等多種VOCs有著很好的降解作用。目前該方法是利用二氧化鈦在紫外光的催化下，使VOCs發(fā)生分解反應(yīng)，生成二氧化碳和水。光催化技術(shù)處理效率受催化材料、反應(yīng)時(shí)間、濕度及VOCs種類等的影響。因此光催化技術(shù)局限性較強(qiáng)，如果無可控技術(shù)，其產(chǎn)生的中間副產(chǎn)物會(huì)加大污染排放。

4 目前VOCs治理存在的問題

4.1 VOCs成分復(fù)雜、來源廣泛

揮發(fā)性有機(jī)物是參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物總稱。其所包含的物質(zhì)種類多，目前已鑒定出來的有300多種，且它們來源廣泛，紡織、噴涂、石化、機(jī)械工程等眾多行業(yè)都涉及VOCs的排放。種類如此之多，來源如此之廣，對(duì)我國VOCs的治理增加了不少阻礙。

4.2 治理工藝單一、低效

目前很多企業(yè)使用的末端治理設(shè)施單一低效，單純的吸附或者低溫等離子技術(shù)無法滿足現(xiàn)有的VOCs廢氣治理，目前很多地方生態(tài)環(huán)境部門鼓勵(lì)企業(yè)使用兩種及兩種以上組合治理技術(shù)或高效治理技術(shù)（催化燃燒、燃燒等）處理有機(jī)廢氣，逐步引導(dǎo)企業(yè)淘汰單一、低效有機(jī)廢氣末端治理設(shè)施。

4.3 VOCs管控起步較晚

2015年以前，對(duì)于VOCs的管控缺少國家出臺(tái)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，直到2019年國家發(fā)布了《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 37822-2019），這才對(duì)工業(yè)企業(yè)的VOCs提出了具體的管控要求，要求各工藝環(huán)節(jié)的無組織VOCs均需收集處理后再排放，并對(duì)VOCs的細(xì)節(jié)監(jiān)控提出了更具體的管理要求。

4.4 VOCs監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)尚未健全

目前各省的VOCs監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)未健全，各省份的空氣質(zhì)量國省控站點(diǎn)只是常規(guī)的六參數(shù)監(jiān)測，很少涉及VOCs。常用的監(jiān)測手段為VOCs走航車定點(diǎn)巡航，這種手段效率低，無法覆蓋全天24小時(shí)，成本高。監(jiān)測是環(huán)境質(zhì)量管理的千里眼，是精準(zhǔn)治污的有效技術(shù)支撐。因此，VOCs的治理需要其監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)健全與完善[6]。

5 結(jié)語

VOCs的治理工藝眾多，現(xiàn)在政府部門對(duì)VOCs的管控也越來越細(xì)化，企業(yè)要根據(jù)自己企業(yè)的VOCs種類特征與排放量選擇合適的治理工藝，以滿足排放要求。

目前，全國各地對(duì)VOCs的管控取得了初步成效，但VOCs的治理仍然任重而道遠(yuǎn)，我們?nèi)孕枰ㄟ^“源頭治理”“過程控制”“末端治理”共同做好VOCs的管控，十四五期間空氣環(huán)境質(zhì)量已從單純的顆粒物管控逐步轉(zhuǎn)向PM2.5與O3協(xié)同管控，現(xiàn)階段只有治理好VOCs，才能保證十四五藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)取得圓滿勝利。