工業揮發性有機物VOCs污染處理技術初探

許天嘯，王 蕾

(江蘇省蘇州市環境科學研究所，江蘇 蘇州 215001)

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工業揮發性有機物VOCs污染處理技術初探

許天嘯，王 蕾

(江蘇省蘇州市環境科學研究所，江蘇 蘇州 215001)

指出了隨著我國工業企業的快速發展，揮發性有機物的污染日趨嚴重，我國《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》已將VOCs列為重要的大氣污染防控物。分析總結了常用的工業VOCs處理技術，以期為工業VOCs的治理提供技術上參考。

揮發性有機物(VOCs)；處理技術

1 引言

隨著我國工業企業的快速發展，揮發性有機物( volatile organic compounds，VOCs)的污染日趨嚴重。世界衛生組織等機構從物理層面將VOCs定義為: 標準大氣壓下，熔點低于室溫、沸點低于50～260 ℃的有機化合物總稱。美國國家環境保護局等機構從化學層面將VOCs定義為:除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、碳酸鹽和碳酸氨之外的，任何可以參加大氣光化學反應的碳化合物的總稱[1]。我國通常定義VOCs為：在20 ℃條件下蒸氣壓大于或等于0.01 kPa，或者特定適用條件下具有相應揮發性的全部有機化合物的統稱[2]。VOCs來源廣泛，種類繁多，石油化工、印刷包裝、交通運輸、制藥等行業均有VOCs廢氣污染物產生，VOCs不僅對大氣環境質量造成影響，還對人體健康產生潛在的危害，其污染類型是區域性、復合型、壓縮型的復雜污染; 污染地域不僅局限于污染源附近，還通過大氣擴散至整個城市和區域。目前各地出現的霧霾天氣，VOCs污染便是其誘因之一。我國《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》已將VOCs與二氧化硫，氮氧化物和顆粒物一起列為重要的大氣污染防控物。

2 VOCs污染產生、排放情況

VOCs 來源可分為天然源和人為源。天然源主要來自植被的次生代謝反應，為不可控排放源；人為源又可以分為工業源、生活源等。工業源主要包括石油煉制與石油化工、煤炭加工與轉化等含VOCs原料的生產行業，油類(燃油、溶劑等)儲存、運輸和銷售過程，涂料、油墨、膠粘劑、農藥等以VOCs為原料的生產行業，涂裝、印刷、粘合、工業清洗等含VOCs產品的使用過程；生活源包括建筑裝飾裝修、餐飲服務和服裝干洗。研究表明，我國工業源 VOCs 的排放量約占人為源 VOCs 排放量的一半左右[3]。

工業源排放VOCs的種類眾多，各行業產生的典型VOCs主要有苯類、酯類、醇類、醛類、酮類等。VOCs成分復雜，氣味特殊且大部分有惡臭，具有毒性、刺激性及致癌作用，可導致人體出現諸多不適癥狀，尤其是苯、甲苯及甲醛對人體健康危害最大，1993年世界衛生組織下屬國際癌癥研究機構( IARC) 將 苯列為Ⅰ類人類致癌物[4]。

VOCs除自身產生的危害外，還會產生二次污染。在城市和工業企業密集區域，在紫外線的照射下VOCs和NOx與大氣中游離的原子O、O3、OH等發生光化學反 應，產生具有強氧化性的光化學煙霧污染。VOCs還會在特定的條件下和大氣中的顆粒物形成二次有機氣溶膠( secondary organic aerosols，SOA)。SOA中都含有許多致癌、致畸和致突變性的有機化合物，如多環芳烴、多氯聯苯和其他含氯有機化合物，還影響大氣能見度，是大氣光化學煙霧、霧霾等的重要誘因[5]。

3 工業VOCs污染防治技術

控制VOCs的污染可以通過改進生產工藝流程和設備來實現，對于工業生產過程中排放的各種不同濃度的VOCs，目前國內外的污染防治技術主要有吸附法、冷凝法、吸收法、燃燒法、光催化法、生物法和低溫等離子體技術等。

3.1 吸附法

吸附法是利用固態吸附材料來分離廢氣中的 VOCs的方法。常用的吸附材料有活性炭、活性炭纖維、分子篩、硅膠和高聚物吸附樹脂等，影響吸附效果的主要因素有VOCs的種類、濃度、吸附材料的性質和吸附系統等。吸附法的設備簡單、去除效率較高(90%以上)、脫附后還可回收溶劑，目前已成為工業治理VOCs的主流技術之一。吸附法主要適用于低濃度廢氣中VOCs的去除，對于高濃度的有機氣體，通常需要首先經過冷凝等工藝將濃度降低后再進行吸附去除。

3.2 冷凝法

冷凝法主要是利用廢氣中VOCs在不同溫度下具有不同的飽和蒸氣壓的性質，采用加壓或降低溫度，使處于氣態的污染物冷凝從廢氣中分離出來。通常冷凝法可以去除80%～90% 沸點在60℃左右的VOCs[6]。冷凝法適用于高濃度的有機廢氣的處理，經過冷凝后尾氣仍然含有一定濃度的VOCs，需進行二次處理。由于冷凝法對設備的要求較高，其通常與吸附法、燃燒法或其他處理技術相結合，既可以降低運行成本，又可以降低后處理裝置的負荷，提高處理效率。對于低濃度的有機廢氣，當需要進行回收時，可以首先采用吸附法的對廢氣進行濃縮，濃縮后再生的高濃度廢氣再進入冷凝器，分離出有回收有價值的有機物。

3.3 吸收法

吸收法是采用低揮發或不揮發液體作為吸收劑吸收廢氣中的 VOCs，從而達到凈化廢氣的目的。吸收劑的選擇是決定吸收效果的關鍵因素[7]。 在處理 VOCs 時，選擇吸收劑要考慮以下因素: 溶解度大、揮發性小低、對設備無腐蝕、無毒、無害、不易燃，目前多以水、高沸點、低蒸氣壓的油類等有機溶劑作為吸收溶劑，選擇合適的吸收劑可以是使廢氣中VOCs去除效率達到90%以上。VOCs的吸收通常為物理吸收，對水溶性較高的有機物，可以使用水作為吸收劑，所得吸收液進行精餾可以回收有機溶劑；另外根據有機物相似相溶原理，常采用沸點較高、蒸氣壓較低的柴油、煤油作為吸收劑，然后對吸收液進行解吸處理，回收其中的有機化合物，同時使溶劑得以再生；吸收液也可以直接作為危廢委托有資質處置。

3.4 燃燒法

燃燒法是指VOCs廢氣在高溫下進行完全燃燒，分解成CO2和H2O。燃燒法包括熱力燃燒法、催化燃燒法[8]。熱力焚燒法的燃燒溫度一般控制在500 ℃以上，VOCs去除效率可達95%以上；催化燃燒法是利用催化劑在較低溫度下將有機物氧化分解，反應溫度通常為250～500 ℃之間。通常如果廢氣中VOCs濃度較高，廢氣燃燒后所產生的熱量可以維持有機物分解所需要的反應溫度時，采用燃燒法較為經濟；如果廢氣中VOCs濃度較低，則需要大量的燃料或耗電來對廢氣輔助加熱，運行費用高。因此當廢氣中VOCs濃度較低時，為了提高熱利用效率，降低設備的運行費用，又發展出蓄熱式熱力焚燒技術( RTO)和蓄熱式催化燃燒技術( RCO)。使用具有高熱容量的陶瓷蓄熱體作為蓄熱系統，將燃燒尾氣中的熱量蓄積在蓄熱體中，由高溫蓄熱體加熱待處理廢氣，換熱效率可達到 90%以上[9]，拓寬了燃燒法的應用范圍。需要注意的是，如果廢氣中還有鹵素、硫和氮等元素，燃燒后會產生二噁英等有害氣體，需加強對燃燒進行處理，以防造成二次污染。

3.5 光催化氧化法

光催化氧化法是指在紫外線的照射下，利用光催化劑氧化吸附在催化劑表面的VOCs，通常使用具有較高的催化活性和紫外線吸收率的TiO2作光催化劑。光催化氧化技術對低濃度的VOCs處理較有效。理論上，光催化氧化過程能夠將污染物徹底降解為CO2和H2O。在實際中的應用中，反應速率慢、光子效率低、催化劑失活、催化劑難以固定以及對VOCs的降解過程中會產生醛、酮、酸和酯等中間產物，造成二次污染，這些缺點制約了其使用。目前光催化氧化法的研究方向主要集中在設計高效反應器、完善催化劑的改性和固定化技術、光催化反應的協同協作機理、光催化技術與其他處理技術的聯合應用、開發高效催化劑等方面[10]。

3.6 生物法

生物法是將廢氣通過潮濕、多孔且表面附著有大量微生物的生物濾床，在足夠長的時間內，通過微生物將廢氣中的有機物( VOCs)和某些無機物降解為CO2和H2O[11]。生物法具有設備簡單，投資及運行費用低，無二次污染等優點，但由于降解速率較低，主要適用于處理低濃度有機廢氣。

生物法主要有生物洗滌床、生物過濾床和生物滴濾床等。生物洗滌裝置通常由吸收室和再生池組成，在吸收室中洗滌液通過噴淋或鼓泡將廢氣中的污染物和氧轉入液相，吸收了廢氣成分的洗滌液流入再生池(活性污泥)，在活性污泥中污染物經過微生物的新陳代謝被消化分解；生物過濾床是一種在其中填入能夠吸附氣體化合物并支持微生物生長填料的過濾凈化裝置，VOCs廢氣通過生物填料層時被其中的微生物捕獲并消化降解；生物滴濾床中使用的是各種不具有吸附能力的填料，在填料的表面形成一層生物膜，廢氣由滴濾床底部進入，回流液從上部噴淋并沿填料上的生物膜滴流而下，溶解于水中的有機物被生物膜中的微生物吸收分解。

近年來，生物法處理VOCs廢氣的研究工作進展很快，生物菌落和各種填料的開發不斷地取得突破，生物法有望在有機廢氣治理中得到更廣泛的應用。

3.7 低溫等離子體技術

低溫等離子體技術是指將VOCs廢氣通過具有較高的電場強度的非均勻電場中，大量高能高活性的粒子與VOCs分子發生碰撞，破壞其結構，并發生一系列的自由基反應，使廢氣污染物降解成為CO2和H2O等無害物質[12]。低溫等離子體技術主要優點有：①系統的動力消耗非常低；裝置簡單，反應器為模塊式結構，造價低；②不需要任何的預熱時間，可以即時開啟與關閉；③抗顆粒物干擾能力強，對于油煙、油霧等可以無需經過過濾就可運作，便于維護[13]。

4 結語

工業廢氣中的VOCs的種類繁多，性質各異，排放條件多樣，除以上幾種VOCs控制技術之外，各行業也在開發更適合該行業的控制技術，目前已經形成了一系列的VOCs廢氣實用治理技術。在很多情況下，采用單一技術往往難以達到廢氣處理要求，利用不同處理技術的優勢，采用組合處理工藝不僅可以滿足達標排放要求，同時可以降低運行費用。

因此在以后的工作中還需要充分了解不同處理技術的特點及其有效的使用范圍，針對不同的VOCs廢氣從技術上和經濟角度進一步的綜合評估分析，力爭取得最佳的處理效果。

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Preliminary Study on Pollution Treatment Technology of Industrial Volatile Organic Compounds

Xu Tianxiao, Wang Lei

(JiangsuSuzhouMunicipalInstituteofEnvironmentalScience,Suzhou,Jiangsu215001,China)

This paper pointed out thatwith the rapid development of China’s industry,volatile organic compounds (VOCs) pollution is becoming more and more serious. “Twelfth Five Year Plan”- Prevention and Control of Atmospheric Pollutionin Key Areas has listed the VOCs as important atmospheric pollution prevention and control material. This paperanalyzed and summarizedthe commonly used industrial VOCs treatment technology, whichwould provide technical reference for the governance of industrial VOCs.

volatile organic compounds(VOCs)；treatment technology

2016-07-18

許天嘯(1982—)，男，工程師，主要從事環境工程技術評估工作。

X51

A

1674-9944(2016)18-0074-03