工業(yè)生產(chǎn)VOC的危害及治理策略思考

彭 昆

（湖南品鑫環(huán)保科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

引言

隨著工業(yè)化水平的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的VOC廢氣對(duì)生態(tài)環(huán)境、人體健康的危害性逐漸增大。因此，相關(guān)部門(mén)需要加大對(duì)工業(yè)VOC廢氣的治理力度，并結(jié)合VOC廢氣的特點(diǎn)，選擇合適的治理措施，如吸收法、吸附法、光催化法等，從而減少工業(yè)VOC廢氣的危害性，推動(dòng)工業(yè)的健康發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 工業(yè)VOC的來(lái)源與特點(diǎn)

1.1 來(lái)源

VOC是一種揮發(fā)性有機(jī)化合物，在工業(yè)生產(chǎn)中被作為溶劑進(jìn)行大量使用。由于該物質(zhì)具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，因而容易污染大氣環(huán)境。該物質(zhì)的沸點(diǎn)一般為50～260 ℃，飽和蒸氣壓在133.23 Pa以上，其成分包含烴類(lèi)、氮烴、硫烴、多環(huán)芳烴等物質(zhì)。按照排放源的不同，VOC的來(lái)源主要包括天然和人為因素等。植物是天然排放源之一，其中包含α-紫蘿烯、α-鳶尾酮和芳香烴、香葉烯等物質(zhì)，細(xì)菌發(fā)酵也會(huì)產(chǎn)生丁烷和乙烷等物質(zhì)。人為排放主要是工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的VOC廢氣，如焚燒垃圾、生產(chǎn)化學(xué)品、冶煉等工業(yè)中，容易產(chǎn)生大量的VOC廢氣。此外，移動(dòng)源和生活源分別占比21%和20%，金屬冶煉、印刷工業(yè)、印染工業(yè)占比為23%；農(nóng)業(yè)秸稈焚燒、廚房油煙也會(huì)產(chǎn)生一定的VOC廢氣[1]。

1.2 特點(diǎn)

工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的VOC污染物數(shù)量較大，而且排放量較大，對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞。相關(guān)部門(mén)和企業(yè)需要結(jié)合實(shí)際情況，采取科學(xué)合理的防控措施，減少污染物的排放，尤其是要注重從源頭控制，減少污染物的產(chǎn)生量，做好污染氣體的回收利用工作，并挖掘大自然的自?xún)裟芰Γ瑫r(shí)綜合利用經(jīng)濟(jì)、政策措施對(duì)VOC污染物的排放總量進(jìn)行優(yōu)化控制。另外，工作人員還需要根據(jù)VOC廢氣的具體濃度，選擇合適的處理技術(shù)，并合理控制廢氣處理成本，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 工業(yè)VOC的危害性

2.1 危害生態(tài)環(huán)境

VOC在工業(yè)生產(chǎn)中主要作為溶劑使用，因其具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，一旦受到陽(yáng)光照射，就會(huì)與空氣中的NOx、烴類(lèi)及氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成霧霾、光化學(xué)煙霧，且活性較高，危害性較大，嚴(yán)重影響了人們的正常生活。VOC還會(huì)加大PM2.5、臭氧濃度，并在特定條件下與大氣環(huán)境中的顆粒物發(fā)生發(fā)應(yīng)，形成二次有機(jī)溶膠，降低大氣的能見(jiàn)度，引起氣候環(huán)境的變化，從而增加霧霾天氣的次數(shù)，進(jìn)一步危害人體健康，危害農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)[2]。

2.2 危害人體健康

VOC廢氣具有刺激性氣味，長(zhǎng)期處于該環(huán)境中，容易引起人體惡心、頭痛、昏迷、抽搐等癥狀，甚至危害人體的內(nèi)臟、神經(jīng)系統(tǒng)等，導(dǎo)致人體感覺(jué)異常、遲緩等。工業(yè)VOC廢氣具有較強(qiáng)的毒性，而且致癌性較強(qiáng)，還容易引起人體記憶力的衰退、大腦損傷等問(wèn)題。苯類(lèi)VOC氣體會(huì)對(duì)人體中樞神經(jīng)、造血器官等造成一定的損傷，從而出現(xiàn)敗血癥、血小板減少等問(wèn)題。

2.3 危害生產(chǎn)安全

VOC廢氣中包含大量乙烯和丙烯等脂肪類(lèi)物質(zhì)，雖然這些物質(zhì)的毒性不高，但是屬于易燃易爆物品，容易引起嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故，從而危害工作人員的生命安全，使化工企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

3 工業(yè)VOC的治理策略

3.1 吸附法

吸附法主要是利用具有吸附性能的物質(zhì)對(duì)工業(yè)VOC進(jìn)行處理。吸附劑主要包括活性炭、無(wú)機(jī)吸附材料等，其中活性炭吸收劑主要是以碳為主要成分的多孔物質(zhì)，包含破碎碳素、纖維蜂窩、常規(guī)活性炭等，其細(xì)孔可以吸附顆粒狀有機(jī)物，然后通過(guò)調(diào)節(jié)溫度、壓力的方式，強(qiáng)化吸附效果。通過(guò)活性炭進(jìn)行吸附，能夠?qū)OC污染物進(jìn)行高效回收和利用，而且不會(huì)造成能源消耗，但是在使用過(guò)程中活性炭的細(xì)孔容易被廢氣中的酮類(lèi)物質(zhì)、烴類(lèi)物質(zhì)和酯類(lèi)物質(zhì)堵塞，導(dǎo)致其吸附能力下降，因而需要及時(shí)更換吸附劑，導(dǎo)致成本增加。當(dāng)吸附熱升高時(shí)，容易增加火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)機(jī)吸附材料主要包括沸石、硅石等，沸石的應(yīng)用主要是通過(guò)結(jié)晶結(jié)構(gòu)孔隙較大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)VOC的吸附。在該環(huán)節(jié)中需要對(duì)壓力、溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，且該類(lèi)物質(zhì)沒(méi)有可燃性，使用安全，但是成本較高，主要在化學(xué)成套設(shè)備清洗、加油站中使用[4]。

當(dāng)前，新型吸附治理技術(shù)包括以下幾種：（1）沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮法，主要使用的吸附材料為陶瓷纖維材料，將其制作成蜂窩狀的大型圓盤(pán)輪，并將沸石涂刷到圓盤(pán)輪表面進(jìn)行高溫燃燒。該方法適用于對(duì)濃度低、風(fēng)量大的VOC廢氣進(jìn)行有效治理。（2）UV光解催化-活性炭吸附法，該方法需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的治理系統(tǒng)，并安裝UV光解催化氧化箱與活性炭吸附箱，然后把VOC廢氣引入到UV光解催化氧化箱內(nèi)，使其產(chǎn)生光催化氧化反應(yīng)，再利用紫外線光束進(jìn)行反復(fù)照射，使VOC廢氣進(jìn)行裂解，將其轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳、臭氧以及小分子物質(zhì)，然后把剩余的VOC廢氣送入活性炭吸附箱，對(duì)其進(jìn)行有效吸收。

3.2 吸收法

該方法在應(yīng)用中，主要是利用有機(jī)物的相似相溶原理進(jìn)行實(shí)際操作，從而對(duì)VOC廢氣進(jìn)行有效性吸收。在具體操作中，往往需要使用低揮發(fā)性的液體吸收劑對(duì)工業(yè)VOC進(jìn)行快速吸收，從而降低污染物的濃度，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢氣的有效性?xún)艋缓笤倮肰OC分子與吸收劑之間的物理特性差異進(jìn)行分離。吸收法在使用過(guò)程中主要使用的裝置設(shè)備包括噴淋塔、填料塔等，吸收劑包括含水復(fù)合吸收劑、高沸點(diǎn)有機(jī)吸收劑、礦物油吸收劑。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生物酶噴淋凈化方式逐漸受到廣泛應(yīng)用，利用該方式能夠有效控制VOC廢氣的濃度，其中姜汁中提取的龍腦、姜酮，芹菜汁提取的石竹烯和β-月桂酸烯物質(zhì)，多種植物中提取的活性生物酶等都可以對(duì)VOC進(jìn)行有效性吸收。

生物酶噴淋凈化方式所使用的生物酶噴淋塔裝置包括進(jìn)風(fēng)口、循環(huán)泵、氣液分離層、噴淋層、填料層、攪拌機(jī)等，在使用過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)酸堿反應(yīng)、催化氧化反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等，使活性生物酶在裝置中呈現(xiàn)霧狀，從而有效降低吸收難度。吸收法可以對(duì)高濃度VOC廢氣進(jìn)行高效處理，但是該方法對(duì)設(shè)備的性能要求較高，因而前期投入較大，所以主要應(yīng)用于大型企業(yè)。

3.3 冷凝法

有機(jī)物的飽和蒸氣壓在不同溫度環(huán)境中，會(huì)呈現(xiàn)出差異性特點(diǎn)，所以可以利用其該屬性，對(duì)處理系統(tǒng)的溫度、壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保VOC處于蒸汽狀態(tài)，并使其發(fā)生冷凝反應(yīng)，以便對(duì)廢氣中的VOC進(jìn)行分離和提取。該技術(shù)主要針對(duì)濃度、沸點(diǎn)較高的VOC進(jìn)行處理。這是一種多級(jí)連續(xù)冷卻方法，需要在預(yù)冷段把VOC廢氣的溫度降低到2～4 ℃，這樣可以把廢氣中的烴類(lèi)高沸點(diǎn)組分冷凝出來(lái)，然后需要對(duì)其進(jìn)行反復(fù)冷卻，并逐級(jí)降溫，實(shí)現(xiàn)烴類(lèi)的液化，從而把沒(méi)有凝結(jié)的廢氣排出來(lái)。通過(guò)冷凝器把VOC沸點(diǎn)降低到沸點(diǎn)以下，將有機(jī)物冷凝成液滴狀，然后在重力作用下使其降落到凝結(jié)區(qū)域下方的貯罐中，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的，具體操作方法如圖1所示，主要使用的冷卻介質(zhì)有冷水、冷凍鹽水、液氨等[5]。該方法操作簡(jiǎn)單，可以對(duì)VOC進(jìn)行高純度地回收。為了降低運(yùn)行成本，也可以與其他處理方法聯(lián)合使用，如吸附、吸收、壓縮法等，從而提升有機(jī)溶劑的回收率，降低經(jīng)濟(jì)成本。

圖1 冷凝法工藝流程圖

3.4 膜分離法

該技術(shù)主要是利用高分子膜進(jìn)行操作，因?yàn)樵撐镔|(zhì)可以對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行選擇性滲透，在特定壓力環(huán)境下可以對(duì)VOC進(jìn)行滲透分離。通常情況下主要使用的高分子膜包括空纖維膜、板式膜等。在具體操作中，需要把VOC與空氣進(jìn)行混合，同時(shí)壓縮混合物，并將其輸送到冷凝器中，通過(guò)膜蒸汽進(jìn)行分離。分離系統(tǒng)會(huì)對(duì)VOC氣體進(jìn)行選擇性通過(guò)和富集，VOC中的氣體留在未滲透的一側(cè)并達(dá)標(biāo)排放。然后富集后的VOC氣體利用冷凝回收系統(tǒng)對(duì)有機(jī)溶劑進(jìn)行有效性回收。該方法的回收率較高，操作簡(jiǎn)單，能耗較低，沒(méi)有二次污染[6]。另外，該方法可以對(duì)濃度較高的VOC氣體進(jìn)行分離和回收，尤其是對(duì)芳香族碳?xì)浠衔铩⒑热軇┮约按肌⑺帷返萔OC物質(zhì)進(jìn)行回收。

3.5 燃燒法

該方法通過(guò)燃燒方式可以把VOC廢氣中的碳氧化物進(jìn)行氧化分解，生成二氧化碳。燃燒法主要包括以下方法：（1）直接燃燒法，可以把VOC廢氣分解為水、二氧化碳，成本較低，但是需要使用助燃劑，且生成的二氧化碳存在一定的污染性。該方法在涂裝、印刷行業(yè)中應(yīng)用廣泛。（2）蓄熱燃燒法，主要是利用陶瓷等蓄熱體，實(shí)現(xiàn)VOC廢氣的燃燒分解。該方法具有較高的熱回收效率，而且分解率也較高，但是前期成本投入較大。該技術(shù)主要應(yīng)用于VOC濃度較低的情況，可以對(duì)苯類(lèi)物質(zhì)、有機(jī)酸等進(jìn)行有效處理，通常有效應(yīng)用于印刷、化學(xué)成套設(shè)備生產(chǎn)中[7]。（3）催化燃燒法，該方法需要使用催化劑，對(duì)VOC廢氣進(jìn)行氧化分解，而且可以進(jìn)行低溫燃燒，不會(huì)產(chǎn)生二氧化氮等有害物質(zhì)，但是應(yīng)用成本較高。在燃燒裝置中，需要對(duì)VOC廢氣進(jìn)行預(yù)熱，并在催化床層的作用下，實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。該方法使用較多的貴金屬催化劑有Pt、Pd等，裝置簡(jiǎn)單、成本不高，但是容易生成大量的硫化物、鹵代烴物質(zhì)，造成二次污染，甚至引起催化劑中毒失活。

3.6 生物處理法

3.6.1 生物過(guò)濾法

該方式往往需要通過(guò)微生物的降解能力，對(duì)VOC廢氣中的有毒有害物質(zhì)進(jìn)行綜合性治理。在具體使用過(guò)程中，需要把微生物附著在具有多孔介質(zhì)的表面，然后填料能夠把廢氣吸附在細(xì)孔中，從而實(shí)現(xiàn)生物降解，并將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、中性鹽等物質(zhì)[8]。在吸收液體中加入微生物、營(yíng)養(yǎng)機(jī)等物質(zhì)，一旦VOC廢氣通過(guò)該液體，就可以將其中含有的有害物質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾、降解。該方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，能耗較少，但是氧化分解效率不高，對(duì)營(yíng)養(yǎng)基的消耗量大，且設(shè)備體積較大，對(duì)技術(shù)使用參數(shù)要求較高，因而在石油化工行業(yè)應(yīng)用廣泛。

3.6.2 生物濾滴法

該方法是使用專(zhuān)門(mén)的生物濾滴床，并填充惰性材料，在填料層保留充足的空隙率，將其作為生物生長(zhǎng)的載體。在該環(huán)節(jié)中還可以利用微生物對(duì)VOC廢氣中的污染物質(zhì)進(jìn)行降解。該方法還可以以回流液形式進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，為微生物生長(zhǎng)提供充足的緩沖液與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需要注意填料堵塞問(wèn)題，需要定期清理填料，保障治理工作的順利進(jìn)行。

3.6.3 生物洗滌法

該方法需要修建活性污泥曝氣池、沉淀池以及洗滌塔，并安裝鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備。在具體操作中，需要把VOC廢氣引入到洗滌塔中，從而在塔內(nèi)氧化VOC污染物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為液態(tài)形式。然后再通過(guò)活性污泥對(duì)該液體中的污染物進(jìn)行分解、凈化，從而實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。該方式可以應(yīng)用于濃度高、氣量小且不具有較強(qiáng)生物代謝能力的VOC廢氣治理中。

3.7 光催化法

光催化法在特定波長(zhǎng)的光照作用下，可以激發(fā)光催化劑的強(qiáng)氧化能力，使其與工業(yè)VOC發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物質(zhì)的分解，并生成水、二氧化碳等，降低其毒性，減少二次污染。由于紫外光波長(zhǎng)較短，可以強(qiáng)化對(duì)光催化劑的激發(fā)效果，優(yōu)化物質(zhì)分解的效果。光催化劑主要包括WO5、ZnS和TiO2等，可以對(duì)VOC廢氣中的顆粒物、炔烴和烯烴、醇類(lèi)物質(zhì)等進(jìn)行有效性分解和清除，同時(shí)還可以與除塵技術(shù)聯(lián)合使用，提高降解效果。光催化法包含UV光催化與復(fù)合光催化[9]。

3.7.1 UV光催化法

該技術(shù)主要使用的光催化劑為T(mén)iO2，該類(lèi)物質(zhì)的活性較高，而且對(duì)紫外線的吸收率較高，可以把VOC氣體轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，但是該方法的應(yīng)用效率較低，當(dāng)催化劑失去活性時(shí)，會(huì)產(chǎn)生酮、酯、醛等有害物質(zhì)，造成二次污染，因此該方法很少在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行使用。

3.7.2 復(fù)合光催化法

該技術(shù)能夠?qū)斜健⒘蚧瘹涞任镔|(zhì)的VOC廢氣進(jìn)行有效性處理，同時(shí)還可以把有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)廢氣，降低其毒害性，而且不會(huì)造成二次污染，因而在汽車(chē)尾氣、工業(yè)VOC廢氣處理中得到有效應(yīng)用。同時(shí)在三維網(wǎng)中嵌入TiO2催化劑，可以有效攔截VOC廢氣中的粉塵，分解有害化合物，降低其有害性，從而減小對(duì)大氣環(huán)境的污染程度，提高空氣質(zhì)量。

3.8 低溫等離子體法

高能帶電粒子可以對(duì)VOC物質(zhì)進(jìn)行氧化、電離、裂解，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)毒無(wú)害的小分子物質(zhì)。相關(guān)工作人員應(yīng)結(jié)合VOC物質(zhì)的具體特點(diǎn)，選擇合適的等離子體裝置，提升廢氣處理效果。在對(duì)三氯乙烯進(jìn)行處理時(shí)，使用低溫等離子體法，可以提升其降解率，而選擇空心陰極燈作為等離子體陰極裝置，并將其溫度設(shè)置為2 000 K，可以將三氯乙烯的降解率提高到100%[10]。另外，也可以使用直流電暈放電的方式獲得等離子體，從而對(duì)苯類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行有效性降解，如可以利用毛細(xì)等離子體電極，并合理設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，如濃度、停留時(shí)間、能量密度等。在對(duì)印刷行業(yè)中的乙醇、聚乙烯醇縮丁酸進(jìn)行處理時(shí)，需要利用低溫等離子體技術(shù)，有效提升其凈化效果，并實(shí)現(xiàn)大批量處理，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低處理能耗，減少一氧化碳等有害物質(zhì)的產(chǎn)生，并防止出現(xiàn)二次污染。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)VOC對(duì)生態(tài)環(huán)境、人體健康、生產(chǎn)安全等都會(huì)造成嚴(yán)重危害，因此需要相關(guān)部門(mén)和企業(yè)采取科學(xué)措施進(jìn)行處置，如吸收法、吸附法等，降低工業(yè)VOC廢氣的濃度，強(qiáng)化凈化效果，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。