揮發性有機物的典型治理方法及選擇研究

王 坤

（徐州市邳州生態環境綜合行政執法局，江蘇 徐州 221300）

引言

隨著人們環保意識的提高和我國環保法規的日益完善，我國環保部門和企業越來越重視揮發性有機物的治理，企業在實際應用中應綜合考慮各種因素，選用多種治理技術，制定科學可行的治理方案。

1 揮發性有機物帶來的環境污染問題

1.1 揮發性有機物的來源

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

揮發性有機物的來源較為廣泛，且成分較為復雜。其來源可分為兩種：人為源和自然源。揮發性有機物的自然源主要來自植物的生長過程，研究發現，一些植物在生長過程中會向空氣中釋放某些揮發性有機物，例如，植物的光合作用會產生異戊二烯及其他碳氫化合物。揮發性有機物的人為源主要來自工業生產及人類生產生活。隨著我國工業規模的擴大和社會的發展，如今來自人為源的揮發性有機物排放量占比越來越高，其中來自工業生產的揮發性有機物占比最高，涂裝和印刷業、化學原料制造業、石油和天然氣生產等行業是揮發性有機物的主要來源。

1.2 揮發性有機物帶來的環境污染問題

揮發性有機物對大氣環境造成了嚴重污染，目前，在空氣中能夠檢測出的揮發性有機物有兩千多種，其中有兩百多種可能會對人體健康造成嚴重損害。在工業生產中，揮發性有機物通常通過廢水、廢氣一起被排出，廢氣中的揮發性有機物經過紫外線照射后，會產生光化學反應生成臭氧，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、心血管疾病等。此外，揮發性有機物也是霧霾天氣的前體物，在揮發性有機物的光化學反應中，大氣中的二次氣溶膠會在揮發性有機物的作用下生成顆粒狀物質，這種顆粒狀物質在大氣環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，就會導致大氣的透明度嚴重下降，形成我們常見的“霧霾”天氣。最后，揮發性有機物本身也是一種有毒物質，人類長期接觸揮發性有機物可能會造成咳嗽、氣喘、呼吸急促等呼吸道癥狀，還可能對肺部產生刺激作用，增加呼吸道感染的風險。此外，丙酮、甲醛等揮發性有機物還可能導致頭痛、眩暈、乏力等神經系統癥狀，嚴重者還會導致對神經系統、肝臟和腎臟的損傷，導致人體患上白血病、淋巴瘤、肺癌等癌癥[2]。

此外，揮發性有機物還會對土壤環境、水環境等生態環境造成嚴重危害。揮發性有機物常常通過工業廢水和其他廢棄物的排放污染土壤環境。土壤環境中存在多種多樣的化合物，而揮發性有機物具有揮發性和溶解性，容易滲透進入土壤深層環境中，從而造成土壤環境污染，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性有機物甚至還可能會造成對土壤生態系統的嚴重影響。揮發性有機物還會污染水環境，并通過雨水、水循環等途徑擴散，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。一些揮發性有機物還可能在生物體內富集，通過食物鏈傳遞，最終影響人類的飲食安全。

1.3 揮發性有機物污染治理存在的問題

此前，我國環保部門對揮發性有機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，才提高了對揮發性有機物的重視。因此，我國針對揮發性有機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，揮發性有機物污染的污染源種類多、范圍分布廣、排放量大，難以進行統一的、標準化的治理，需要逐個擊破。揮發性有機物的來源涉及很多行業，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管和治理工作十分復雜。其次，揮發性有機物的監測體系不夠完善，日常監管也存在不足。揮發性有機物包含多種性質的有機物，由于其種類的多樣性，往往需要采用多樣化的方法進行監測，這就導致無法準確檢測到重要特征污染物的定量，以致難以準確測定揮發性有機物的實際排放總量、難以評估環境污染等級。此外，監測揮發性有機物需要對多個行業進行監控，而一些地區監測體系的建設和運行較為落后，部分環保管理人員缺乏專業知識和技能，也缺少專業的檢測設備或設施，且存在布點設置不合理、采樣方法不規范、監測設備維護不及時、監管手段不靈活等問題，相關人員難以迅速發現和治理揮發性有機物污染。最后，企業規范管理和治理水平相對較低，許多中小企業未能按照相關制度實施規范化的管理，不按照標準進行揮發性有機物的排放，且由于治理成本等原因也不愿引入高效的治理設備和技術。相關企業對環境保護的認識和責任感有待提高[3]。

2 揮發性有機物的典型治理方法

2.1 回收技術

2.1.1 吸附回收技術

吸附回收技術是通過吸附劑將揮發性有機物從廢氣中去除。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。工業企業通常需要采用固定床、移動床等吸附回收裝置進行揮發性有機物的回收。這一裝置的原理是：當工業廢氣與吸附劑接觸時，揮發性有機物就可以被吸附到吸附劑的孔隙內，從而凈化氣體。這一吸附過程是一個物理過程，當吸附量飽和后，可以采用熱解或蒸汽再生的方式將揮發性有機物釋放并對吸附劑進行回收，吸附劑可以循環使用。

2.1.2 液體回收技術

液體回收技術是采用液體吸收劑將揮發性有機物從廢氣中溶解，這一技術采用柴油、煤油等有機溶劑來吸收揮發性有機物并進行轉化。這一技術與吸附劑回收技術有一定的相似性，不過，該技術能夠直接讓揮發性有機物溶解到有機溶劑中，無需進行后續處理。這一技術的應用成本較低、無毒無害且吸收效率高，不會造成二次污染，因此該技術在揮發性有機物治理中的應用十分廣泛。不過，這一技術的吸附容量有限，且需要氣體中的揮發性有機物在一定濃度范圍內和一定溫度范圍內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

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

2.1.4 膜分離回收技術

膜分離回收技術通常采用高分子膜材料對揮發性有機物進行分離。在空氣中，揮發性有機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將揮發性有機物分離出來。當空氣通過高分子膜時，揮發性有機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。膜分離技術能夠高效、連續地進行揮發性有機物的回收，且設備運行能耗較低、安全性較高，在大氣治理過程中幾乎不會產生油氣溫度變化造成的安全隱患問題。

2.2 銷毀技術

2.2.1 催化燃燒技術

催化燃燒技術是指通過催化劑提高揮發性有機物的燃燒和分解速率，并最終將其轉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%以上的揮發性有機物。催化劑能夠提高燃燒反應的反應速率，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]發性有機物的濃度并不固定，因此有必要選取合適的催化劑，保證將揮發性有機物徹底去除。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

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

2.2.3 生物處理技術

生物凈化處理技術是一種利用微生物的新陳代謝過程將揮發性有機物降解為較為穩定和無害的產物的環保技術，這種技術適用于甲烷、甲醇等易降解的揮發性有機物。該技術通常包括生物濾池、生物塔、生物膜反應器等設備，揮發性有機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、微生物基質等無害產物。這一技術的優勢是應用成本較低，且能夠真正實現零污染廢氣處理，但是在工業廢棄物處理中，這種技術的應用效率較低，難以大規模使用。

2.2.4 光催化技術

光催化技術是一種利用光催化劑將有機污染物轉化為無害物質的治理技術，在揮發性有機物的治理中，光催化技術被廣泛應用。這種技術的反應原理是對催化劑發射一定波長的光照，在電子空穴的作用下，利用光催化劑將揮發性有機物的羥基、酰基和碳原子、氧原子聯結在一起，從而形成二氧化碳、水和氧氣等產物。光催化技術是一種綠色環保的污染物處理技術，目前通常采用催化速度快、化學性質穩定、應用成本較低的二氧化鈦作為光催化劑，光催化劑技術材料的使用壽命較長，綜合成本較低，但該技術設備難以實現自動化，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

低溫等離子體技術在低溫下產生電子、離子等活性物質，通過電子與氣體分子的碰撞反應，使揮發性有機物發生裂解、氧化等反應生成水和二氧化碳等小分子產物。這種技術的操作較為便捷，且應用成本較低，對揮發性有機物的去除效率也較高，能夠保障氣體達到國家規定的廢氣排放標準。然而，該技術需要提供電流，增加了能源消耗，且低溫電離也可能對設備造成腐蝕。因此，這一技術想要在工業上實現大規模應用，相關人員應當考慮其經濟適用性，并使用耐腐蝕的設備材質。

3 揮發性有機物典型治理技術的選擇

企業在建設或優化揮發性有機物治理設施時，應綜合考慮廢氣中揮發性有機物的種類、結構、濃度、排放量等因素，并結合企業實際生產的溫度、濕度、氣壓等工況，在符合國家環保法規和排放標準的前提下，綜合制定污染物治理方案。由于每種揮發性有機物的治理技術各有其優勢和劣勢，在工業處理中，單一技術難以達到高效、經濟、符合國家標準的處理要求，因此，在實際應用中往往多種技術組合使用，從而發揮不同技術的優勢，降低治理成本和能耗，提高處理效率。

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

在實際的工業廢氣處理過程中，吸附回收技術和催化燃燒技術是最為常用的揮發性有機物治理技術，其他技術由于存在處理效率低、能耗成本高等問題，尚未得到大范圍應用。因此，企業可參考生態環境部發布的揮發性有機物治理相關政策性文件的指導建議建設污染治理設施。揮發性有機物治理優先選擇吸附、冷凝等回收技術，難以回收的采用燃燒處理技術；油氣回收可選用冷凝、膜分離等技術與吸附技術組合使用；含有有機鹵素成分的揮發性有機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。吸附回收技術建議采用顆粒性活性炭作為吸附劑，且要注意即時進行解吸處理，解吸的氣體要進行處理后達到環保標準再進行排放；催化燃燒技術應選用合適、足量的催化劑，并注意調整到合適的燃燒溫度；對于工業園區或企業群，建議集中建設活性炭吸附、解吸處理設備。

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

4 結語

揮發性有機物是一類重要的空氣污染物，其排放對大氣環境、生態環境和人類健康造成了嚴重威脅，近年來受到我國環保部門的重視。企業應綜合考慮廢氣成分、工藝條件、國家環保法規等因素，制定科學可行的綜合治理方案，達到高效、經濟、環保的治理效果。