揮發(fā)性有機廢氣治理技術(shù)及其影響淺析

李劍雄

（廈門華和元環(huán)保科技有限公司，福建 廈門 361006）

按照世衛(wèi)組織定義，揮發(fā)性有機廢氣（VOCs）是指在常溫下沸點為50 ℃～260 ℃的各種有機化合物。在我國環(huán)保領(lǐng)域多指參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機化合物，或者按有關(guān)規(guī)定確定的有機化合物。近年來，由VOCs參與引起的大氣復(fù)合污染問題突出，日益受到社會各界的關(guān)注。國家及地方生態(tài)環(huán)境部門對于VOCs的治理及監(jiān)管力度也在不斷強化。

1 VOCs的來源和特征

揮發(fā)性有機廢氣（VOCs）來源廣泛，包括石化、化工、工藝涂裝、包裝印刷、油品儲運銷、紡織、制革等行業(yè)。揮發(fā)性有機廢氣具有揮發(fā)性強、成分復(fù)雜等特點，按照組分可分為烴類（烷烴、芳香烴、鹵代烴類、烯烴）、醇類、酮類、酯類、醚類及其它化合物。VOCs性質(zhì)活潑，具有光化學(xué)反應(yīng)特性、健康毒性，可對人體皮膚、呼吸道黏膜產(chǎn)生刺激作用，甚至增加人們患白血病、肺炎、肺癌的幾率。部分VOCs具有異味，可使人產(chǎn)生感官上不悅、頭暈、惡心等生理反應(yīng)，諸如注塑異味、橡膠惡臭、噴漆惡臭等污染現(xiàn)象，是較為常見的環(huán)保投訴類型，也是引發(fā)廠群關(guān)系不睦的重要原因之一。

2 VOCs治理技術(shù)及其影響

揮發(fā)性有機廢氣（VOCs）治理技術(shù)有吸附法、燃燒法、吸收法、冷凝法、膜分離法、生物法、低溫等離子法及催化氧化法[1]。

2.1 吸附法

吸附法在VOCs廢氣治理中的應(yīng)用主要是利用高性能吸附材料的多孔介質(zhì)比表面積大及其范德華力作用等特性，將污染物吸引富集在多孔介質(zhì)中，適用于大風量、低濃度的有機廢氣治理，能吸附苯系物、醇類、酮類、烴類、酯類等有機溶劑。這種吸附過程是可逆的，當吸附介質(zhì)飽和后即失去吸附能力。常見的吸附介質(zhì)有活性炭、分子篩、活性氧化鋁等，其中以活性炭的應(yīng)用最廣，是中小型工業(yè)企業(yè)的首選。按照吸附介質(zhì)的狀態(tài)，吸附裝置可分為固定床、移動床、流化床，其中以固定床的應(yīng)用最廣泛（如活性炭吸附箱）。

吸附法治理VOCs廢氣包括吸附及吸附劑再生的全部過程，但在環(huán)評實踐中更多的中小企業(yè)采用一次性活性炭吸附拋棄法。主要原因在于活性炭吸附法具有初設(shè)成本低、技術(shù)適應(yīng)性較高等優(yōu)點?；钚蕴课椒▽OCs廢氣的凈化效率可達90%以上，但在應(yīng)用中大量未經(jīng)合理設(shè)計的吸附裝置由設(shè)備商直接提供安裝，造成實際處理效率較低（50～60%），與HJ 2026-2013《吸附法工業(yè)有機廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》的控制要求存在一定差距，甚至由于活性炭更換不及時導(dǎo)致廢氣幾乎直排；廢氣停留時間不足、活性炭碘量值不足，也是導(dǎo)致吸附效率低下的原因；雨季潮濕以及一些采用水簾法預(yù)處理但缺乏除濕工序的活性炭吸附裝置，由于活性炭中毒失效可導(dǎo)致廢氣非正常排放。采用活性炭拋棄法還可能面臨活性炭頻繁更換以及高額危廢處置費用等問題；另外，飽和后的廢棄活性炭在更換后若不及時存放在密閉容器或密封袋內(nèi)，會以無組織的形式釋放VOCs。故在采用活性炭吸附法處理VOCs時，應(yīng)注意避開以上誤區(qū)，確保凈化裝置穩(wěn)定達標運行，杜絕非正常排放及二次污染。

2.2 燃燒法

燃燒法可分為催化燃燒法、直接燃燒法及熱力燃燒法等。

2.2.1 催化燃燒法

催化燃燒法是用催化劑使廢氣中可燃物質(zhì)在較低溫度下（最低可達200 ℃）進行氧化分解的凈化方法。催化燃燒為無火焰燃燒，安全性好，燃燒產(chǎn)物為CO2和H2O。催化燃燒法可用于金屬印刷、漆包線、煉焦、油漆、化工等行業(yè)中有機廢氣的凈化，使用時需要預(yù)熱。但處理的廢氣組分中不能含有塵粒、霧滴或其它易使催化劑中毒的氣體，主要缺點是催化劑（如貴金屬鉑、鈀、釕）費用昂貴。

2.2.2 直接燃燒法

直接燃燒最直觀的描述為“火炬”燃燒，常用在石油和化學(xué)工業(yè)中。它是將廢氣中的有害成分作為燃料燃燒殆盡，燃燒產(chǎn)物為CO2、H2O和N2，適用于凈化高濃度、小風量并且可燃性好的有害氣體。在應(yīng)用上，還可將濃度較高的可燃揮發(fā)性廢氣引入鍋爐、爐窯進行直燃。直接燃燒法具有成本低的優(yōu)點，但燃燒后產(chǎn)生的大量煙塵可對環(huán)境造成二次污染。

2.2.3 熱力燃燒法

熱力燃燒法適用于處理可燃組分較低、燃燒時放出的熱量不足以維持燃燒所需最低溫度的VOCs廢氣。熱力燃燒法需要額外加入一定量的輔助燃料，如天然氣、柴油、煤氣等。熱力燃燒所需的停留時間為0.3～1 s不等，溫度條件達到740～820 ℃范圍時可使大部分VOCs完全燃燒成CO2、H2O和N2。當熱力燃燒不完全時可能產(chǎn)生惡臭污染，故采用熱力燃燒法時通常需要先進行預(yù)熱。

熱力燃燒法還可與沸石轉(zhuǎn)輪組合使用。沸石轉(zhuǎn)輪是吸附法的一種典型工藝，它將沸石分子篩作為吸附材料，分子篩可吸附過濾比空氣分子大的有機物，而空氣可以直接通過，轉(zhuǎn)輪分為吸附區(qū)、冷卻區(qū)及脫附區(qū)，吸附區(qū)吸附廢氣中的有機物，圖1為沸石轉(zhuǎn)輪工作示意圖。

圖1 沸石轉(zhuǎn)輪工作示意圖

待處理的有機混合廢氣經(jīng)引風機的作用，先經(jīng)過預(yù)處理過濾裝置去除廢氣中的雜質(zhì)部分，否則直接吸附會堵塞沸石的微縮孔，從而影響吸附效果甚至失效，經(jīng)過初步過濾后再進入沸石轉(zhuǎn)輪吸附裝置進行吸附凈化處理。有機物質(zhì)被轉(zhuǎn)輪沸石特有的作用力截留在其內(nèi)部，經(jīng)過一段時間的吸附后，沸石轉(zhuǎn)輪達到飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)輪按照一定的速度（每小時2～8轉(zhuǎn)）自動轉(zhuǎn)動進入冷卻和高溫脫附區(qū)域。凈化的空氣通過冷卻區(qū)加熱后，經(jīng)熱交換器加熱再通過脫附區(qū)，帶走分子篩中的有機物，此時的VOC濃度濃縮為原來的3～15倍，脫附出來的廢氣變?yōu)楦邼舛取⑿★L量、高溫度的有機廢氣，將更有助于燃燒凈化。

以廈門市某公司涂裝廢氣治理為例，該公司采用沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱式熱力氧化RTO組合工藝處理干式噴房的揮發(fā)性有機廢氣，輔助燃料為天然氣，處理對象為含有甲苯、二甲苯、非甲烷總烴的VOCs廢氣。案例中非甲烷總烴產(chǎn)生濃度約為220 mg/ m3、二甲苯接近8 mg/m3、甲苯接近3 mg/m3，聯(lián)合凈化效率可分別達到94.53%、94.58%、93.81%，排放濃度和排放速率均滿足福建省地方標準《工業(yè)涂裝工序揮發(fā)性有機物排放標準》（DB35/1783-2018）的控制要求，對環(huán)境空氣的影響較小。沸石轉(zhuǎn)輪+RTO組合工藝案例治理效果見表1。

表1 沸石轉(zhuǎn)輪+RTO組合工藝案例治理效果一覽表

2.3 低溫等離子及催化氧化法

低溫等離子體處理VOCs的反應(yīng)機理還不是很明確。有研究認為低溫等離子體的反應(yīng)機理是粒子非彈性碰撞的結(jié)果。一方面，高能電子與氣體分子（原子）發(fā)生非彈性碰撞，將能量轉(zhuǎn)換成基態(tài)分子（原子）的內(nèi)能，發(fā)生激發(fā)、離解、電離等一系列過程，生成一些單原子分子和固體微粒，另一方面，又產(chǎn)生O、OH、HO2等大量自由基和氧化性極強的O3，這些活性粒子和臭氧與VOCs發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，破壞VOC分子中的C-C、C=C或C-H等化學(xué)鍵，最終使VOCs分解生成CO2和H2O[2]。

催化氧化法以UV光解為代表，利用特制的高能、高臭氧UV紫外線光束照射非甲烷總烴廢氣，當這些氣體分子吸收了這類紫外線光后，因紫外光所帶有的能量，使得有機氣體分子內(nèi)部發(fā)生裂解，使化學(xué)鍵斷裂，形成游離狀態(tài)的原子或基團（如C+、H+、O+等）。同時，混合氣體中的氧氣被紫外線光裂解形成游離氧原子并結(jié)合生成臭氧，產(chǎn)生的分子式如下：

混合氣體中的水蒸氣被紫外線光裂解產(chǎn)生羥基[UV+H2O→H++OH-]，而這些生成的臭氧和羥基具有極強的氧化性，可將廢氣分子裂解產(chǎn)生的原子和基團氧化成H2O和CO2等無污染的低分子化合物。

當前，國家及地方層面不允許單一地采用低溫等離子、光氧催化等技術(shù)的治理措施，因為這些技術(shù)存在爆炸、VOCs處理效率低、可能產(chǎn)生O3等二次污染物等安全隱患。

2.4 冷凝法

冷凝法可以作為降濃的前處理方法，可與吸附法、燃燒法聯(lián)用，回收有價值的VOCs組分。對于高濃度的揮發(fā)性有機物（體積分數(shù)在1%以上）需優(yōu)先采用冷凝法回收。以加油站油氣回收為例，從油氣收集系統(tǒng)收集的油氣經(jīng)油氣凝液罐排除冷凝液后（如多級冷凝法的回收率在90～95%）進入油氣回收裝置，經(jīng)冷凝回收的汽油進入回收汽油收集儲罐，尾氣通過活性炭吸附后可達標排放，活性炭吸附飽和后的脫附油氣經(jīng)真空泵抽吸并送入冷凝器入口進行循環(huán)冷凝[3]。

3 VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用策略

在多數(shù)情況下，采用單一技術(shù)難以滿足地方生態(tài)環(huán)境保護的要求。目前關(guān)于揮發(fā)性有機廢氣治理技術(shù)的研究與工程應(yīng)用五花八門，諸如微波催化氧化技術(shù)、活性炭纖維技術(shù)、生物處理法、納米材料凈化技術(shù)等。在環(huán)評應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮不同行業(yè)的VOCs組分及濃度、理化特性、風量等因素，熟悉不同VOCs治理工藝的使用條件、適用范圍，合理選擇組合工藝。以活性炭吸附法為例，當采用顆粒活性炭作為吸附劑時，其碘值不宜低于800 mg/g；采用蜂窩活性炭作為吸附劑時，其碘值不宜低于650 mg/g；采用活性炭纖維作為吸附劑時，其比表面積不宜低于1 100 m2/g[4]。以水吸收法為例，它主要適用于處理水溶性高的VOCs（如合成革行業(yè)DMF溶劑回收），還可用于捕集漆霧或其它顆粒物，但不適用于處理小分子脂溶性的VOCs。對于濃度較低的水溶性VOCs也可采用生物滴濾法、生物洗滌法，但應(yīng)注意生物法具有占地面積大、處理負荷低等缺點。雖然低溫等離子、催化氧化對于VOCs的治理效率低下，但可以作為含有惡臭異味VOCs的預(yù)處理手段。隨著國家不斷加大對VOCs的治理力度，新技術(shù)或工藝組合不斷出現(xiàn)，諸如“沸石轉(zhuǎn)輪吸附+RTO/CO/RCO組合工藝”、“活性炭+CO組合工藝”都是較為創(chuàng)新的治理工藝。

4 結(jié)語

綜上所述，熟悉不同VOCs治理技術(shù)的工程理論對于做好環(huán)境影響評價具有重要意義。在開展環(huán)境影響評價過程中，不應(yīng)該只停留在過去簡單的活性炭吸附層面，也不能一味地認為“貴的就是好的”。因此，本文簡要介紹了揮發(fā)性有機廢氣的治理工藝及其影響，概述它們在環(huán)評應(yīng)用過程中存在的優(yōu)缺點及適用范圍，對于當前“強化事中事后監(jiān)管”的環(huán)境影響評價具有一定的參考意義。