揮發性有機物末端治理技術及選型方法

摘要：揮發性有機物末端治理技術主要有燃燒法、生物法、低溫等離子體法、光催化氧化法、吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離法。文章闡述了不同治理技術的原理、適用范圍、性能特點及應用現狀，詳細介紹了常用燃燒法的優缺點及適用范圍，深入分析了常用生物法的特性及研究方向。闡述了工藝的選型方法及流程，并對揮發性有機物治理的前景進行了展望。

關鍵詞：揮發性有機物;治理技術;選型方法;燃燒法;生物法

中圖分類號：X505 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.046

End treatment technology and selection method of volatile organic compounds

Song Zaoming

（LongKing-Coalogix Environmental Protection Technology （Shanghai） Co.，Ltd.，Shanghai 200100，China）

Abstract：The end treatment technology of volatile organic compounds includes combustion method，biological method，plasma method，photocatalytic oxidation method， adsorption method， absorption method，condensation method and membrane separation method.This paper describes the principle，application scope， performance characteristics and application status of different treatment technologies，introduces the advantages and disadvantages of common combustion methods and their application scope in detail， and deeply analyzes the characteristics and research direction of common biological methods.Introduces the selection method and process of treatment technology， analyzes the prospect of volatile organic compounds treatment technology.

Key words：Volatile organic compounds;Treatment technology;Selection method;Combustion method;Biological method

揮發性有機物（Volatile organic compounds）簡稱VOCs，是指20℃時蒸汽壓不小于10Pa，或標準大氣壓下沸點不高于260?C的有機化合物，或實際生產條件下具有以上相應揮發性的有機化合物（甲烷除外）的統稱[1-2]。

常見VOCs有烴類、鹵代烴類、酯類、醚類、醛類、醇類、酸類、胺類等。研究表明，VOCs參與大氣光化學反應，是造成大氣污染的主要因素之一，對人類健康安全產生較大危害，VOCs的控制刻不容緩[3-4]。VOCs的控制分為源頭消減、過程控制和末端治理。近年來，在大氣環境質量改善的任務日益緊迫的背景下，源頭消減和過程控制力度雖顯不足，但末端治理技術得到了充分的發展[5]。燃燒法、生物法、低溫等離子體法、光解催化氧化法、吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離法等末端治理技術均獲得了較為成功的運用。經過了多年的發展，VOCs治理也終將迎來源頭控制、過程控制和末端治理全方位精細化控制的時代[6]。

1 揮發性有機物末端治理技術

1.1 燃燒法

燃燒法是將VOCs加熱到著火溫度進行氧化反應，將污染物通過氧化作用轉化為CO2和H2O等小分子的方法，是目前最為成熟、高效的方法。工程上常用燃燒法有直接燃燒、蓄熱燃燒、催化燃燒和蓄熱催化燃燒。燃燒法處理效率高，適用范圍較廣，常見VOCs風量大濃度低，直接運用任何一種燃燒法均不經濟，一般根據不同燃燒法的特性、廢氣工況，采用工藝組合與功能疊加的方案。例如可結合吸附濃縮工藝，將廢氣濃縮后進行燃燒處理更為合理、經濟[7-10]。

1.2 生物法

生物法是根據廢水生化處理的原理衍生的，是利用微生物以VOCs為碳源和氮源進行新陳代謝，將VOCs降解為CO2和H2O等小分子的方法。生物法適用于處理工況條件溫和、濃度低、生物降解性好的VOCs，生物法的優點是治理效率可觀、設備結構簡單、維護方便、安全性高、能耗、操作費用及投資較低;缺點是微生物培養和馴化難度大、處理周期長、占地面積大、填料易堵塞、受氣候影響大、系統pH難以控制等。常用生物法有生物過濾、生物洗滌、生物滴濾，生物法廣泛于惡臭治理，是具有較大發展潛力和競爭力的方法。不同生物法的結構形式、優缺特性及適用范圍不同，須因地制宜地選擇最優方案[11-13]。

1.3 低溫等離子體法

低溫等離子體是在外加電場的作用下，通過放電產生大量電子、離子和原子等高能活性粒子和臭氧，活性粒子和臭氧與VOCs發生復雜的反應，將其轉化為簡單化合物。常用低溫等離子體有介質阻擋放電法、電暈放電法和沿面放電法。低溫等離子體處理低濃度VOCs及惡臭氣體具有便捷高效、安全、裝置簡單占地小、投資小等優點，中小風量采用直接接觸法處理，大風量采用間接接觸法處理。但低溫等離子體安全隱患大、總體處理效率低、能量效率差、能耗高、臭氧排放嚴重、副產物難控制，不宜用于高濃度VOCs治理。建議與催化、吸附、吸收等技術協同使用[14-17]。

1.4 光解催化氧化法

光解催化氧化法是除臭領域常用方法，光解催化氧化法包含光解和光催化兩種技術，光解是在一定波長的光波作用下，利用O2產生O3對VOCs進行分解;光催化是利用一定波長的光波照射TiO2催化劑，產生具有強氧化性的·OH等自由基去降解VOCs。研究表明，波長短的光波有利于激發TiO2產生高能自由基，波長較長的光波有利于臭氧的產生。一般將光解與光催化技術協同使用，以提高技術和經濟性能。光解催化氧化法適用于大風量低濃度VOCs治理，具有氧化性強、除臭效率高、安全性能好、廣譜性強、設備操作維護簡單、能耗低、投資小等優點，缺點是紫外燈管及電源使用壽命有限需要定期維護更換，光催化劑價格較高，對高濃度VOCs處理效率較低[18-20]。

1.5 吸附法

吸附法是利用吸附劑分子對VOCs分子間的作用力截留污染物分子的方法。吸附法優點是效率高、技術成熟、應用廣泛、吸附劑可循環使用。但吸附劑需處置或再生、吸附劑易堵塞、中毒，受溫度、濕度和顆粒物影響較大。吸附法依賴于吸附劑實現吸附功能，常用吸附劑有沸石分子篩、活性炭、活性氧化鋁、吸附樹脂等。其中活性炭和沸石分子篩目前應用最為廣泛。活性炭是具有吸附功能的碳基物質的總稱，按形態分為顆粒狀、柱狀、蜂窩狀和纖維狀。顆粒狀、柱狀和蜂窩狀活性炭多用于一次性吸附設備中，蜂窩狀和纖維狀活性炭多用于吸附濃縮系統，并協同燃燒法或冷凝法使用?；钚蕴烤哂斜缺砻娣e大、吸附容量高、成本低等優點，缺點是占地大、不耐溫、再生次數有限、危廢處置成本高，有自燃風險。沸石分子篩相對于活性炭來說，其微孔結構均勻，選擇性吸附作用突出，具有占地小、強度大、壽命長、耐溫不易燃、不產生二次污染等優點，這些優勢一定程度地彌補了其吸附容量小、成本高的缺點，多用于對大風量低濃度VOCs吸附濃縮后結合燃燒法進行處理[21-23]。

1.6 吸收法

吸收法是利用VOCs各組分在溶液中溶解度不同而分離氣體混合物的方法。主要適用于溫度低、壓力高、溶解度高的VOCs凈化。吸收法適用范圍廣、操作彈性大、吸收劑價廉易得、處理效率高、可吸收易聚合物質、安全隱患小。吸收法的效果取決于吸收劑的自身性能、VOCs特性及吸收設備結構。一般選取穩定、價廉易得、無毒害、低揮發或者不揮發的物質作為吸收劑，常用吸收劑有水、油類、有機溶劑等。吸收法配合溶劑回收時一般投資較大，無溶劑回收時投資低但易產生二次污染，需根據具體情況甄選工藝[24-26]。

1.7 冷凝法

冷凝法是將溫度設置在VOCs的沸點以下，利用低溫使VOCs蒸汽過飽和后液化出來，達到凈化VOCs的目的。冷凝法不適宜處理低濃度、低沸點的VOCs。適用于高濃度、低溫、小風量、組分單一、各組分沸點接近的工況，如石化油品的生產、運輸、銷售過程的油氣回收，化工行業工藝設備（反應釜、真空泵、儲罐等）的VOCs回收。使用冷凝法達到排放標準需要極低溫度或較大壓力，難度和費用較大，因此實際應用中一般會綜合考慮系統能耗和回收價值，常作為預處理與吸附法、燃燒法或其他方法協同使用，以降低后續處理負荷，并盡可能地回收有價值的產品[27-28]。

1.8 膜分離法

膜分離法是利用VOCs各組分在壓力推動下透過膜的速率不同，而使得不同氣體選擇性透過，達到分離的目的。膜分離法適用于高濃度小風量、溫度低，有較高回收價值的VOCs處理，處理效率高效、無二次污染，回收收益大。目前主要應用于化工行業烷烴和烯烴回收。但膜分離法膜通量一般較小，處理速度慢、維護清洗困難，設備投資高。隨著膜材料的發展，膜分離法已成為研究熱點[29-30]。

2 揮發性有機物末端治理工藝選型方法

相比傳統的塵、硫、硝及其他大氣污染物，VOCs氣體特征較為復雜，治理難度非常大，在選用VOCs治理技術時，沒有固定和參考的工藝模式，不僅需要考慮VOCs本身特性，還需要綜合考慮各種技術的性能指標、適用范圍、建設和運行成本、執行的排放標準等因素[6]。近年來，國內外環境領域的學者研究方向集中在不同行業VOCs排放特征[31-33]、國內外VOCs治理技術市場應用情況[36]、大氣污染控制技術的綜合性能評價方法[33-35]等方面，研究了不同治理技術的優缺點及適用范圍[6，36-37]、各類技術對VOCs的去除率及特征[32]、目前主流工藝的運行費用[38]等;部分研究給出了不同濃度及成分的VOCs末端治理技術選擇建議[33，36]。

上述研究成果為VOCs末端治理工藝選型提供了較為全面的理論依據和指導，但尚未明確工藝選型的流程和方法。本文通過大量的理論研究和工程實踐，總結出VOCs末端治理工藝選型流程和方法，主要包括項目收資及分析、工藝篩選、技術性能評價、經濟性能評價及綜合評價優化等核心環節。

項目收資及分析是工藝選型的核心環節，收資內容包括廢氣排放源（排放方式（連續/間歇）、物料消耗量、排放時間）、工況（風量、組分及含量、溫濕度、壓力）、場地情況、公用工程信息（水電氣煤等）、圖紙報告（檢測報告、環評、可研、圖紙、相關標準規范及批復）、廢氣收集、治理現狀等。工藝篩選是依托項目收資和分析結果，判斷排放特征，結合不同工藝的特性，初步篩選出單元工藝或組合工藝。技術性能分析可依托于前人的研究[33-35]，對項目技術原理和工藝路線科學合理性、技術成熟程度和連續運行穩定性的判斷，是對生產工況波動的適用性以及與主體生產工藝、外界環境等條件的相容性分析，確保工藝的技術可靠性和適應性;經濟效益分析是對工程建設和設備投資等費用以及運行原輔料、公用工程消耗、人工、折舊、維護等費用的計算和分析，確保一次性投資費用和運行費用的合理性;綜合評價和優化是在對初選工藝進行技術和經濟性能的評價后，對該工藝進行綜合性評估并根據評估結果予以優化。在上述任一環節中，當出現不符合要求的情景出現時，應對當前工藝予以淘汰或重新進入工藝選型的流程，直至選擇出符合控制目的要求、綜合性能好、經濟成本少的工藝。

3 結論及展望

堅持源頭消減、過程控制為重點，兼顧末端治理的全過程深度治理是我國VOCs治理未來的發展趨勢。目前國內還是以末端治理為主要的VOCs控制手段，其中燃燒法和吸附法是目前最為成熟、高效的方法，沸石分子篩因其優良特性也得到了廣泛的使用。VOCs治理初期常用的冷凝、吸附、吸收、低溫等離子體和光催化氧化法的均有較為明顯的優點和缺點，其單一使用的模式逐漸被淘汰了，多作為預處理與其他高效技術聯用。生物降解技術以良好的環保特性和溫和的使用條件正在受到更多關注;膜分離技術也因為材料的發展已成為國內外的研究熱點。在今后的研究工作中，不僅要深入研究單元工藝，還要加強不同技術協同使用的研究與開發。同時加快基本技術規范、圖集和標準的編制，完善工藝路線的優化及組合、技術集成與系統設計、設計方法等指導性文件，加強末端治理工藝選型方法的研究力度，以期篩選出符合控制目的要求、綜合性能好、經濟成本少的最優可行技術[39-42]。

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收稿日期：2020-07-06

作者簡介：宋早明（1992-），男，漢族，研究生學歷，研究方向為大氣污染防治、固體廢棄物處理與資源化。