揮發(fā)性有機(jī)物的典型治理方法及選擇研究

王 坤

（徐州市邳州生態(tài)環(huán)境綜合行政執(zhí)法局，江蘇 徐州 221300）

引言

隨著人們環(huán)保意識的提高和我國環(huán)保法規(guī)的日益完善，我國環(huán)保部門和企業(yè)越來越重視揮發(fā)性有機(jī)物的治理，企業(yè)在實際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮各種因素，選用多種治理技術(shù)，制定科學(xué)可行的治理方案。

1 揮發(fā)性有機(jī)物帶來的環(huán)境污染問題

1.1 揮發(fā)性有機(jī)物的來源

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是一種能夠在大氣中參與光化學(xué)反應(yīng)而生成有機(jī)化合物的揮發(fā)性物質(zhì)，常見的揮發(fā)性有機(jī)物有烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴類等。人類長期暴露于揮發(fā)性有機(jī)物濃度較高的環(huán)境中，可能會造成咽喉疼痛、呼吸道疾病，甚至可能引發(fā)癌癥。因此，近年來，我國環(huán)保部門高度重視揮發(fā)性有機(jī)物的污染治理工作[1]。

揮發(fā)性有機(jī)物的來源較為廣泛，且成分較為復(fù)雜。其來源可分為兩種：人為源和自然源。揮發(fā)性有機(jī)物的自然源主要來自植物的生長過程，研究發(fā)現(xiàn)，一些植物在生長過程中會向空氣中釋放某些揮發(fā)性有機(jī)物，例如，植物的光合作用會產(chǎn)生異戊二烯及其他碳?xì)浠衔铩]發(fā)性有機(jī)物的人為源主要來自工業(yè)生產(chǎn)及人類生產(chǎn)生活。隨著我國工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和社會的發(fā)展，如今來自人為源的揮發(fā)性有機(jī)物排放量占比越來越高，其中來自工業(yè)生產(chǎn)的揮發(fā)性有機(jī)物占比最高，涂裝和印刷業(yè)、化學(xué)原料制造業(yè)、石油和天然氣生產(chǎn)等行業(yè)是揮發(fā)性有機(jī)物的主要來源。

1.2 揮發(fā)性有機(jī)物帶來的環(huán)境污染問題

揮發(fā)性有機(jī)物對大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，目前，在空氣中能夠檢測出的揮發(fā)性有機(jī)物有兩千多種，其中有兩百多種可能會對人體健康造成嚴(yán)重?fù)p害。在工業(yè)生產(chǎn)中，揮發(fā)性有機(jī)物通常通過廢水、廢氣一起被排出，廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)過紫外線照射后，會產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧，高濃度的臭氧不僅會造成植物葉片損傷、生長減緩等問題，還會危害人類健康，造成呼吸道系統(tǒng)、心血管疾病等。此外，揮發(fā)性有機(jī)物也是霧霾天氣的前體物，在揮發(fā)性有機(jī)物的光化學(xué)反應(yīng)中，大氣中的二次氣溶膠會在揮發(fā)性有機(jī)物的作用下生成顆粒狀物質(zhì)，這種顆粒狀物質(zhì)在大氣環(huán)境中能夠散射和折射陽光，而這些顆粒物聚集到一定濃度后，就會導(dǎo)致大氣的透明度嚴(yán)重下降，形成我們常見的“霧霾”天氣。最后，揮發(fā)性有機(jī)物本身也是一種有毒物質(zhì)，人類長期接觸揮發(fā)性有機(jī)物可能會造成咳嗽、氣喘、呼吸急促等呼吸道癥狀，還可能對肺部產(chǎn)生刺激作用，增加呼吸道感染的風(fēng)險。此外，丙酮、甲醛等揮發(fā)性有機(jī)物還可能導(dǎo)致頭痛、眩暈、乏力等神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，嚴(yán)重者還會導(dǎo)致對神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟和腎臟的損傷，導(dǎo)致人體患上白血病、淋巴瘤、肺癌等癌癥[2]。

此外，揮發(fā)性有機(jī)物還會對土壤環(huán)境、水環(huán)境等生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。揮發(fā)性有機(jī)物常常通過工業(yè)廢水和其他廢棄物的排放污染土壤環(huán)境。土壤環(huán)境中存在多種多樣的化合物，而揮發(fā)性有機(jī)物具有揮發(fā)性和溶解性，容易滲透進(jìn)入土壤深層環(huán)境中，從而造成土壤環(huán)境污染，影響土壤中微生物、植物和動物的生存，土壤中高濃度的揮發(fā)性有機(jī)物甚至還可能會造成對土壤生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重影響。揮發(fā)性有機(jī)物還會污染水環(huán)境，并通過雨水、水循環(huán)等途徑擴(kuò)散，造成地下水、表面水體的污染，對水生生物、飲用水源造成影響。一些揮發(fā)性有機(jī)物還可能在生物體內(nèi)富集，通過食物鏈傳遞，最終影響人類的飲食安全。

1.3 揮發(fā)性有機(jī)物污染治理存在的問題

此前，我國環(huán)保部門對揮發(fā)性有機(jī)物污染的重視程度不高，近年來，由于霧霾天氣和抽樣污染頻發(fā)，才提高了對揮發(fā)性有機(jī)物的重視。因此，我國針對揮發(fā)性有機(jī)物污染的治理起步較晚，在污染防治上面臨較多的問題和困難。

首先，揮發(fā)性有機(jī)物污染的污染源種類多、范圍分布廣、排放量大，難以進(jìn)行統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的治理，需要逐個擊破。揮發(fā)性有機(jī)物的來源涉及很多行業(yè)，且排放方式往往是無組織排放，這種分散性的污染源使得監(jiān)管和治理工作十分復(fù)雜。其次，揮發(fā)性有機(jī)物的監(jiān)測體系不夠完善，日常監(jiān)管也存在不足。揮發(fā)性有機(jī)物包含多種性質(zhì)的有機(jī)物，由于其種類的多樣性，往往需要采用多樣化的方法進(jìn)行監(jiān)測，這就導(dǎo)致無法準(zhǔn)確檢測到重要特征污染物的定量，以致難以準(zhǔn)確測定揮發(fā)性有機(jī)物的實際排放總量、難以評估環(huán)境污染等級。此外，監(jiān)測揮發(fā)性有機(jī)物需要對多個行業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，而一些地區(qū)監(jiān)測體系的建設(shè)和運行較為落后，部分環(huán)保管理人員缺乏專業(yè)知識和技能，也缺少專業(yè)的檢測設(shè)備或設(shè)施，且存在布點設(shè)置不合理、采樣方法不規(guī)范、監(jiān)測設(shè)備維護(hù)不及時、監(jiān)管手段不靈活等問題，相關(guān)人員難以迅速發(fā)現(xiàn)和治理揮發(fā)性有機(jī)物污染。最后，企業(yè)規(guī)范管理和治理水平相對較低，許多中小企業(yè)未能按照相關(guān)制度實施規(guī)范化的管理，不按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物的排放，且由于治理成本等原因也不愿引入高效的治理設(shè)備和技術(shù)。相關(guān)企業(yè)對環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識和責(zé)任感有待提高[3]。

2 揮發(fā)性有機(jī)物的典型治理方法

2.1 回收技術(shù)

2.1.1 吸附回收技術(shù)

吸附回收技術(shù)是通過吸附劑將揮發(fā)性有機(jī)物從廢氣中去除。通常采用活性炭、分子篩、沸石等作為吸附劑，其中活性炭具有較大比表面積和出色的吸附性能，是最為常用的吸附劑。工業(yè)企業(yè)通常需要采用固定床、移動床等吸附回收裝置進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物的回收。這一裝置的原理是：當(dāng)工業(yè)廢氣與吸附劑接觸時，揮發(fā)性有機(jī)物就可以被吸附到吸附劑的孔隙內(nèi)，從而凈化氣體。這一吸附過程是一個物理過程，當(dāng)吸附量飽和后，可以采用熱解或蒸汽再生的方式將揮發(fā)性有機(jī)物釋放并對吸附劑進(jìn)行回收，吸附劑可以循環(huán)使用。

2.1.2 液體回收技術(shù)

液體回收技術(shù)是采用液體吸收劑將揮發(fā)性有機(jī)物從廢氣中溶解，這一技術(shù)采用柴油、煤油等有機(jī)溶劑來吸收揮發(fā)性有機(jī)物并進(jìn)行轉(zhuǎn)化。這一技術(shù)與吸附劑回收技術(shù)有一定的相似性，不過，該技術(shù)能夠直接讓揮發(fā)性有機(jī)物溶解到有機(jī)溶劑中，無需進(jìn)行后續(xù)處理。這一技術(shù)的應(yīng)用成本較低、無毒無害且吸收效率高，不會造成二次污染，因此該技術(shù)在揮發(fā)性有機(jī)物治理中的應(yīng)用十分廣泛。不過，這一技術(shù)的吸附容量有限，且需要氣體中的揮發(fā)性有機(jī)物在一定濃度范圍內(nèi)和一定溫度范圍內(nèi)才能起到較好的吸收效果，濃度過高或過低、溫度過高或過低都會影響吸收效果[4]。

2.1.3 冷凝回收技術(shù)

冷凝回收技術(shù)利用揮發(fā)性有機(jī)物的物理性質(zhì)，通過低溫將揮發(fā)性有機(jī)物從廢氣中冷凝出來，形成液體或固體，從而實現(xiàn)氣體凈化。這一技術(shù)的主要原理是揮發(fā)性有機(jī)物會在不同的溫度和壓力狀態(tài)下呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，因此可以采用加壓、低溫的方式將揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)換成液體或固體，并將其從空氣中分離出來。這一技術(shù)的優(yōu)勢是設(shè)備成本較低、可操作性強(qiáng)、使用方便，對空氣的凈化效果非常好。不過，如果溫度和氣壓調(diào)節(jié)不當(dāng)，也會導(dǎo)致空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物無法完全冷凝。此外，部分揮發(fā)性較弱的揮發(fā)性有機(jī)物需要更低的冷凝溫度和更高的氣壓，這也增加了設(shè)備的能耗。

2.1.4 膜分離回收技術(shù)

膜分離回收技術(shù)通常采用高分子膜材料對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行分離。在空氣中，揮發(fā)性有機(jī)物的分子直徑要明顯大于普通的氣體分子直徑，利用這一原理，我們可以采用膜分離技術(shù)將揮發(fā)性有機(jī)物分離出來。當(dāng)空氣通過高分子膜時，揮發(fā)性有機(jī)物選擇性地被高分子膜所阻擋分離出來，而其他氣體分子則可以順利穿過高分子膜。膜分離技術(shù)能夠高效、連續(xù)地進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物的回收，且設(shè)備運行能耗較低、安全性較高，在大氣治理過程中幾乎不會產(chǎn)生油氣溫度變化造成的安全隱患問題。

2.2 銷毀技術(shù)

2.2.1 催化燃燒技術(shù)

催化燃燒技術(shù)是指通過催化劑提高揮發(fā)性有機(jī)物的燃燒和分解速率，并最終將其轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和水的方法，這種方法可以去除空氣中90%以上的揮發(fā)性有機(jī)物。催化劑能夠提高燃燒反應(yīng)的反應(yīng)速率，降低燃燒溫度，同時還能減少氮氧化物的生成，防止燃燒過程中形成新的污染物?？諝庵袚]發(fā)性有機(jī)物的濃度并不固定，因此有必要選取合適的催化劑，保證將揮發(fā)性有機(jī)物徹底去除。催化劑通常選擇金屬氧化物或其他催化劑，使有機(jī)物更容易被氧化，目前效果良好的催化劑主要是鉑、鈦等貴金屬，因此這種方法的治理成本較高[5]。

2.2.2 空氣高溫焚燒技術(shù)

空氣高溫焚燒技術(shù)是將揮發(fā)性有機(jī)物在高溫條件下通過焚燒反應(yīng)進(jìn)行高溫分解，然后在煙氣和空氣混合物中進(jìn)行燃燒。這種技術(shù)通常在高溫爐內(nèi)進(jìn)行，通過確保足夠的氧氣供應(yīng)，使揮發(fā)性有機(jī)物在高溫條件下充分氧化?？諝飧邷胤贌夹g(shù)能夠高效處理高濃度揮發(fā)性有機(jī)物廢氣，相比于其他方法治理成本也較低，但是該技術(shù)會產(chǎn)生二氧化硫、氮氧化物等二次污染物，因此在應(yīng)用過程中需要嚴(yán)格控制二次污染。

2.2.3 生物處理技術(shù)

生物凈化處理技術(shù)是一種利用微生物的新陳代謝過程將揮發(fā)性有機(jī)物降解為較為穩(wěn)定和無害的產(chǎn)物的環(huán)保技術(shù)，這種技術(shù)適用于甲烷、甲醇等易降解的揮發(fā)性有機(jī)物。該技術(shù)通常包括生物濾池、生物塔、生物膜反應(yīng)器等設(shè)備，揮發(fā)性有機(jī)物通過被附著在生物膜上的微生物吸收和分解，最終生成二氧化碳、水、微生物基質(zhì)等無害產(chǎn)物。這一技術(shù)的優(yōu)勢是應(yīng)用成本較低，且能夠真正實現(xiàn)零污染廢氣處理，但是在工業(yè)廢棄物處理中，這種技術(shù)的應(yīng)用效率較低，難以大規(guī)模使用。

2.2.4 光催化技術(shù)

光催化技術(shù)是一種利用光催化劑將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的治理技術(shù)，在揮發(fā)性有機(jī)物的治理中，光催化技術(shù)被廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)的反應(yīng)原理是對催化劑發(fā)射一定波長的光照，在電子空穴的作用下，利用光催化劑將揮發(fā)性有機(jī)物的羥基、?；吞荚?、氧原子聯(lián)結(jié)在一起，從而形成二氧化碳、水和氧氣等產(chǎn)物。光催化技術(shù)是一種綠色環(huán)保的污染物處理技術(shù)，目前通常采用催化速度快、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、應(yīng)用成本較低的二氧化鈦作為光催化劑，光催化劑技術(shù)材料的使用壽命較長，綜合成本較低，但該技術(shù)設(shè)備難以實現(xiàn)自動化，處理效率較低，難以高效去除氣體污染物。

2.2.5 低溫等離子體技術(shù)

低溫等離子體技術(shù)在低溫下產(chǎn)生電子、離子等活性物質(zhì)，通過電子與氣體分子的碰撞反應(yīng)，使揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生裂解、氧化等反應(yīng)生成水和二氧化碳等小分子產(chǎn)物。這種技術(shù)的操作較為便捷，且應(yīng)用成本較低，對揮發(fā)性有機(jī)物的去除效率也較高，能夠保障氣體達(dá)到國家規(guī)定的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。然而，該技術(shù)需要提供電流，增加了能源消耗，且低溫電離也可能對設(shè)備造成腐蝕。因此，這一技術(shù)想要在工業(yè)上實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)考慮其經(jīng)濟(jì)適用性，并使用耐腐蝕的設(shè)備材質(zhì)。

3 揮發(fā)性有機(jī)物典型治理技術(shù)的選擇

企業(yè)在建設(shè)或優(yōu)化揮發(fā)性有機(jī)物治理設(shè)施時，應(yīng)綜合考慮廢氣中揮發(fā)性有機(jī)物的種類、結(jié)構(gòu)、濃度、排放量等因素，并結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)的溫度、濕度、氣壓等工況，在符合國家環(huán)保法規(guī)和排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，綜合制定污染物治理方案。由于每種揮發(fā)性有機(jī)物的治理技術(shù)各有其優(yōu)勢和劣勢，在工業(yè)處理中，單一技術(shù)難以達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、符合國家標(biāo)準(zhǔn)的處理要求，因此，在實際應(yīng)用中往往多種技術(shù)組合使用，從而發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢，降低治理成本和能耗，提高處理效率。

基于各種揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)的原理，相關(guān)人員在治理過程中需要考慮以下原則。（1）對于低濃度、高風(fēng)量的揮發(fā)性有機(jī)物廢氣，應(yīng)當(dāng)采用活性炭吸附、沸石轉(zhuǎn)輪吸附等吸附回收技術(shù)，然后考慮揮發(fā)性有機(jī)物是否有回收價值并融合使用其他治理技術(shù)，可以選擇冷凝、膜分離等技術(shù)進(jìn)行回收，或選擇燃燒、光催化、低溫等離子體等技術(shù)進(jìn)行銷毀。（2）對于高濃度的揮發(fā)性有機(jī)物廢氣，應(yīng)首先考慮采用吸附、冷凝、膜分離等方法，將有利用價值的有機(jī)物進(jìn)行回收。對于回收后的廢氣再選擇使用燃燒、光催化等銷毀技術(shù)，使廢氣達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。（3）對于濃度適中、無需回收的揮發(fā)性有機(jī)物廢氣，可采用熱氧化或催化氧化技術(shù)進(jìn)行燃燒處理，此種方法可去除95%以上的揮發(fā)性有機(jī)物。（4）對于易溶于水的揮發(fā)性有機(jī)物，可選擇采用成本低、效率高的水洗法處理。例如，一些化肥廠、甲醇生產(chǎn)工廠會產(chǎn)生含有甲醇的廢氣，石油化工廠會產(chǎn)生含有乙二醇的廢氣，這些廢氣都可以采用水洗法處理[6]。

在實際的工業(yè)廢氣處理過程中，吸附回收技術(shù)和催化燃燒技術(shù)是最為常用的揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)，其他技術(shù)由于存在處理效率低、能耗成本高等問題，尚未得到大范圍應(yīng)用。因此，企業(yè)可參考生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的揮發(fā)性有機(jī)物治理相關(guān)政策性文件的指導(dǎo)建議建設(shè)污染治理設(shè)施。揮發(fā)性有機(jī)物治理優(yōu)先選擇吸附、冷凝等回收技術(shù)，難以回收的采用燃燒處理技術(shù)；油氣回收可選用冷凝、膜分離等技術(shù)與吸附技術(shù)組合使用；含有有機(jī)鹵素成分的揮發(fā)性有機(jī)物不宜采用燃燒方式處理；光催化、低溫等離子體等處理技術(shù)治理效率較低，除非有除惡臭等需求，不宜采用此類方法；低濃度且需要除惡臭的廢氣可選用生物處理技術(shù)。吸附回收技術(shù)建議采用顆粒性活性炭作為吸附劑，且要注意即時進(jìn)行解吸處理，解吸的氣體要進(jìn)行處理后達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)行排放；催化燃燒技術(shù)應(yīng)選用合適、足量的催化劑，并注意調(diào)整到合適的燃燒溫度；對于工業(yè)園區(qū)或企業(yè)群，建議集中建設(shè)活性炭吸附、解吸處理設(shè)備。

目前，在實際應(yīng)用中，企業(yè)常采用吸附—催化燃燒技術(shù)、冷凝—吸附回收技術(shù)、噴淋洗滌—催化氧化技術(shù)、低溫等離子體—催化銷毀技術(shù)等。吸附—催化燃燒技術(shù)是將廢氣通過吸附劑床，吸附劑飽和后解吸，再進(jìn)行燃燒處理，這種方法處理效率高，應(yīng)用范圍較為廣泛；冷凝—吸附回收技術(shù)是將廢氣首先通過冷凝器，將廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)物冷凝成液體，然后通過吸附劑將殘余的揮發(fā)性有機(jī)物吸收處理；噴淋洗滌—催化氧化技術(shù)是將廢氣或廢液與水分子接觸，然后在高溫下進(jìn)行催化氧化反應(yīng)去除。

4 結(jié)語

揮發(fā)性有機(jī)物是一類重要的空氣污染物，其排放對大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重威脅，近年來受到我國環(huán)保部門的重視。企業(yè)應(yīng)綜合考慮廢氣成分、工藝條件、國家環(huán)保法規(guī)等因素，制定科學(xué)可行的綜合治理方案，達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的治理效果。