揮發性有機污染物VOCs處理技術研究進展*

楊 岳，關成立，陳珊媛

(陽江職業技術學院，廣東 陽江 529500)

揮發性有機污染物(Volatile Organic Compounds，VOCs)，是在常溫下沸點為50～260 ℃的各種有機化合物，主要包括芳香烴、脂肪烴及各種烴的衍生物等[1-2]，以苯系物、甲醛等碳氫化合物、醛類、醇類、酮類、有機氯化物及脂肪酸等為典型代表[3]。VOCs來源廣泛，既包括自然源(如植物揮發，海面蒸發等)，也包括人為源(如工業生產源、交通運輸源、農業生產源及日常生活源等)，其中，排放量最大的為石油生產、噴漆、涂裝、印刷等工業源[4]。VOCs對大氣環境污染嚴重，既存在直接影響，也是光化學煙霧、霧霾等污染的重要前驅物[5]。并且，VOCs嚴重危害人體健康，刺激人體眼睛、呼吸管道及神經系統等，誘發眾多疾病問題。因此，為提高大氣環境質量，保護人居環境及人體健康，VOCs的治理及控制迫在眉睫。

1 VOCs污染及排放現狀

國內有關VOCs控制的研究起步較晚[6]，VOCs人為源排放清單數據庫的構建尚不完善，仍處于初步階段[5]。根據2014年的數據統計，我國VOCs排放量中，工業源比重最高，主要集中在國內東部、南部及北部地區。其中，山東、江蘇、廣東及浙江4省的VOCs排放總量高達38.3%，遼寧、河南、湖北、上海、四川、湖南及福建7個省市的VOCs排放總量占據全國總排量的28.7%，而其他20個省市的VOCs排放總量占全國比重的33%[5,7]。另外，各典型地區城市大氣中的VOCs主要成分及濃度也呈現較大的差異性，如表1所示[8-11]。

表1 典型地區城市大氣VOCs成分及濃度 Table 1 Composition and concentration of VOCs in typical areas (μg/m3)

2 VOCs處理技術

目前，VOCs有機廢氣的處理技術主要包括回收及凈化兩大類[5]。其中，回收處理法是在一定的環境介質條件下采用吸收、吸附、冷凝及膜分離等技術將有機污染物進行富集及提純，并可輔以后續資源化再處理；而凈化處理法則是基于化學及生化反應機制的技術，如燃燒法、催化法、生物法、低溫等離子體等，將VOCs分解轉變為無毒或毒性較小的物質，達到凈化銷毀污染物的目的。

2.1 吸收法

吸收法屬于濕法工藝，適于處理大氣量、中等濃度的VOCs有機廢氣，該法過程較復雜，成本較高，但在處理同時，可對有用物質進行回收再利用。冷棟云等[12]在共聚甲醛生產過程中，以脫鹽水為吸收劑，采用鮑爾環填料洗滌塔對聚合裝置有組織排放VOCs有機廢氣進行吸收處理，原廢氣流量約45000 m3/h(空氣占95.6%，水汽占3.1%，三乙胺占0.05%，甲醛占1%)，經過處理后，所排廢氣中甲醛濃度為1.22 mg/m3，苯濃度為0，顆粒物濃度為1.68 mg/m3。

2.2 吸附法

吸附法適用于中低濃度有機廢氣的處理，去除效率高，且易于實現自動化控制，但該法不適宜處理高濃度高溫廢氣，且存在吸附飽和現象。李松原等[13]采用瀝青基球形活性炭流化床處理VOCs有機廢氣，考察了進氣濃度、氣體流速、床層高度、床層數對流化床吸附性能的影響，并進一步比較了流化床和固定床的吸附性能。結果表明，在一定吸附邊界條件存在情況下，固定床和流化床能夠達到基本相同的吸附性能，固定床和流化床分別在對應的區域內達到更好的吸附性能。

2.3 冷凝法

冷凝法是利用污染物的露點，將其凝結為液態后回收的處理技術，適用于高濃度、單一組分且具備回收價值的VOCs有機廢氣的處理，該法成本較高，常作為預處理手段。陸曉春等[14]采用冷凝技術回收二氯甲烷廢蒸汽，提出適當提高廢氣流總壓，二氯甲烷分壓隨之提高，不但可提升其冷凝溫度、利于二氯甲烷的冷凝回收，且有利于后序的活性炭吸附再處理。

2.4 膜分離法

膜分離法適用于高濃度有機廢氣的處理，VOCs回收率高，流程較簡單，但該工藝成本較高，膜易受污染。韓秋等[15]采用涂布法制備了聚二甲基硅氧烷/聚偏氟乙烯(PDMS/PVDF)復合膜，用于VOC/N2體系的分離，系統地考察了原料氣濃度、原料氣流速、操作溫度對PDMS/PVDF復合膜分離性能的影響。結果表明，隨著原料氣濃度的升高、流速的增大，VOC的滲透率及選擇性均增大，而隨著操作溫度的升高，VOC的滲透率和選擇性有所降低。連續運行三個月，膜分離性能穩定。

2.5 燃燒法

2.5.1 直接燃燒法

直接燃燒法是基于高溫條件將揮發性有機廢氣VOCs快速分解為CO2和H2O，適合于高濃度VOCs處理。根據熱量回收方式，直接燃燒法包括直接焚燒技術及蓄熱焚燒技術。曹建平等[16]分析了蓄熱式熱氧化器(RTO)的作用原理及結構，并將其應用于某云母帶生產線產生的有機廢氣VOCs的凈化。結果表明，原廢氣中甲苯濃度大于200 mg/Nm3，非甲烷總烴濃度大于300 mg/Nm3時，RTO對甲苯及非甲烷總烴的去除效率均高于99%，且研究發現，當所排廢氣中VOCs含量大于18 kg/h時，系統已產生余熱。

2.5.2 催化燃燒法

催化燃燒法中常用催化劑包括貴金屬催化劑及非貴金屬催化劑兩類：Pt、Pd等貴金屬催化劑可適用于低濃度有機廢氣處理，且起燃溫度較低，但成本較高；非貴金屬催化劑成本較低，但其催化活性及適用性均較低。焦向東等[17]采用浸漬法制備Pd-Pt-Ce/Al2O3催化劑，處理甲苯廢氣。結果表明，適宜的貴金屬負載量和助劑可極大提高Pd-Pt-Ce/Al2O3催化劑活性，當Pd 和Pt 質量分數分別為0.05%和0.005%、助劑Ce 質量分數為1%時，Pd-Pt-Ce/Al2O3催化劑在低溫條件下表現出較好的催化性能。

2.6 光催化法

光催化技術是目前公認的節能環保技術，催化劑活性較高且無選擇性。段波等[18]基于帶風道式反應器的模擬環境艙實驗系統，以甲醛、甲苯和苯為目標污染物，研究了光催化對各污染物的降解性能及其之間的相互影響。結果表明，單組分VOC的降解實驗中，光催化技術對3種污染物均具有良好的降解效果，反應開始后的72 min內，轉化率可達60%～75%；雙組分VOCs降解實驗中，目標組分會受到另一組分的不同程度影響;甲苯和苯無論是作為影響組分還是目標組分其實驗結果均較接近;甲醛對甲苯、苯的降解影響明顯大于兩者的相互影響。

2.7 低溫等離子體法

低溫等離子體法利用等離子體場產生的大量高能量活性物種將高分子有機污染物離解成小分子物質，適用于低濃度、大風量VOCs有機廢氣處理。沈欣軍等[19]采用反電暈強化低溫等離子體技術降解含甲醛廢氣，結果表明，當放電間距為30 mm，電極針數為10針時，反應器放電穩定且處理效果最佳。在反電暈放電條件下，隨著放電電壓的升高，放電電流相對電暈放電增長更加迅速，甲醛去除率不斷提高，當電壓達到32 kV 時，甲醛去除率達到57.4%。

2.8 生物法

生物法利用細菌等微生物對有機污染物進行新陳代謝，從而實現污染物的分解凈化。該法具有能耗低、成本低、不產生二次污染等特點。曹菁洋等[20]針對某石化污水處理站產生的揮發性有機污染物VOCs，采用過濾、滴濾及洗滌3種生物塔進行生物凈化，結果表明，生物滴濾塔對成分復雜、濃度多變的VOCs廢氣處理表現出較好的適應性和穩定性，對VOCs中的甲醇、苯乙烯及苯的凈化效率均在90%以上，實現達標排放。

2.9 技術聯用法

由于工業源有機廢氣多數情況下為低濃度、大風量的排放工況，應用單一處理技術受到若干實際因素的限制且成本較高，為此發展了VOCs組合處理技術。彭芬等[21]應用分子篩吸附-催化燃燒法處理某家具制造公司的噴漆廢氣，結果表明，該組合技術對廢氣中的甲苯、二甲苯、丙酮、非甲烷總烴、乙酸丁酯及乙酸乙酯的處理效率最高可分別達到72.22%、42.86%、68.23%、57.93%、82.97%及92.69%，實現達標排放。筆者在前期研究中[22]，應用多壁碳納米管吸附結合光催化技術處理甲苯有機廢氣，結果表明，光催化劑活性粒子均勻負載于吸附劑上，活性粒子與載體之間具有協同作用，有利于光催化性能的提高。黃碧純等[23]采用低溫等離子體-光催化技術去除甲苯，考察了在等離子體光催化體系中添加O2、Ar情況下，該體系去除甲苯的作用機理。結果表明：在發射紫外光的氮等離子體場中和發射可見光的氬等離子體場中，光催化劑TiO2均能提高體系的甲苯去除率說明等離子體場中高能粒子對甲苯降解性能的影響要強于紫外光的影響。

3 結 語

由于環境相關法規的日益完善，揮發性有機污染物VOCs的排放標準日趨嚴格。而VOCs來源繁雜，其排放方式、排放工況、廢氣組分及濃度差異較大，因此在選擇VOCs處理工藝時需綜合考慮多種因素，包括技術指標、經濟指標及管理指標等。根據現有工程案例實踐應用情況，單一治理技術往往難以達到預期處理效果，VOCs處理新技術及技術聯用組合的發展將成為研究及應用重點。