工业挥发性有机物VOCs污染处理技术初探

许天啸，王 蕾

(江苏省苏州市环境科学研究所，江苏 苏州 215001)



工业挥发性有机物VOCs污染处理技术初探

许天啸，王 蕾

(江苏省苏州市环境科学研究所，江苏 苏州 215001)

指出了随着我国工业企业的快速发展，挥发性有机物的污染日趋严重，我国《重点区域大气污染防治“十二五”规划》已将VOCs列为重要的大气污染防控物。分析总结了常用的工业VOCs处理技术，以期为工业VOCs的治理提供技术上参考。

挥发性有机物(VOCs)；处理技术

1 引言

随着我国工业企业的快速发展，挥发性有机物( volatile organic compounds，VOCs)的污染日趋严重。世界卫生组织等机构从物理层面将VOCs定义为: 标准大气压下，熔点低于室温、沸点低于50～260 ℃的有机化合物总称。美国国家环境保护局等机构从化学层面将VOCs定义为:除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、碳酸盐和碳酸氨之外的，任何可以参加大气光化学反应的碳化合物的总称[1]。我国通常定义VOCs为：在20 ℃条件下蒸气压大于或等于0.01 kPa，或者特定适用条件下具有相应挥发性的全部有机化合物的统称[2]。VOCs来源广泛，种类繁多，石油化工、印刷包装、交通运输、制药等行业均有VOCs废气污染物产生，VOCs不仅对大气环境质量造成影响，还对人体健康产生潜在的危害，其污染类型是区域性、复合型、压缩型的复杂污染; 污染地域不仅局限于污染源附近，还通过大气扩散至整个城市和区域。目前各地出现的雾霾天气，VOCs污染便是其诱因之一。我国《重点区域大气污染防治“十二五”规划》已将VOCs与二氧化硫，氮氧化物和颗粒物一起列为重要的大气污染防控物。

2 VOCs污染产生、排放情况

VOCs 来源可分为天然源和人为源。天然源主要来自植被的次生代谢反应，为不可控排放源；人为源又可以分为工业源、生活源等。工业源主要包括石油炼制与石油化工、煤炭加工与转化等含VOCs原料的生产行业，油类(燃油、溶剂等)储存、运输和销售过程，涂料、油墨、胶粘剂、农药等以VOCs为原料的生产行业，涂装、印刷、粘合、工业清洗等含VOCs产品的使用过程；生活源包括建筑装饰装修、餐饮服务和服装干洗。研究表明，我国工业源 VOCs 的排放量约占人为源 VOCs 排放量的一半左右[3]。

工业源排放VOCs的种类众多，各行业产生的典型VOCs主要有苯类、酯类、醇类、醛类、酮类等。VOCs成分复杂，气味特殊且大部分有恶臭，具有毒性、刺激性及致癌作用，可导致人体出现诸多不适症状，尤其是苯、甲苯及甲醛对人体健康危害最大，1993年世界卫生组织下属国际癌症研究机构( IARC) 将 苯列为Ⅰ类人类致癌物[4]。

VOCs除自身产生的危害外，还会产生二次污染。在城市和工业企业密集区域，在紫外线的照射下VOCs和NOx与大气中游离的原子O、O3、OH等发生光化学反 应，产生具有强氧化性的光化学烟雾污染。VOCs还会在特定的条件下和大气中的颗粒物形成二次有机气溶胶( secondary organic aerosols，SOA)。SOA中都含有许多致癌、致畸和致突变性的有机化合物，如多环芳烃、多氯联苯和其他含氯有机化合物，还影响大气能见度，是大气光化学烟雾、雾霾等的重要诱因[5]。

3 工业VOCs污染防治技术

控制VOCs的污染可以通过改进生产工艺流程和设备来实现，对于工业生产过程中排放的各种不同浓度的VOCs，目前国内外的污染防治技术主要有吸附法、冷凝法、吸收法、燃烧法、光催化法、生物法和低温等离子体技术等。

3.1 吸附法

吸附法是利用固态吸附材料来分离废气中的 VOCs的方法。常用的吸附材料有活性炭、活性炭纤维、分子筛、硅胶和高聚物吸附树脂等，影响吸附效果的主要因素有VOCs的种类、浓度、吸附材料的性质和吸附系统等。吸附法的设备简单、去除效率较高(90%以上)、脱附后还可回收溶剂，目前已成为工业治理VOCs的主流技术之一。吸附法主要适用于低浓度废气中VOCs的去除，对于高浓度的有机气体，通常需要首先经过冷凝等工艺将浓度降低后再进行吸附去除。

3.2 冷凝法

冷凝法主要是利用废气中VOCs在不同温度下具有不同的饱和蒸气压的性质，采用加压或降低温度，使处于气态的污染物冷凝从废气中分离出来。通常冷凝法可以去除80%～90% 沸点在60℃左右的VOCs[6]。冷凝法适用于高浓度的有机废气的处理，经过冷凝后尾气仍然含有一定浓度的VOCs，需进行二次处理。由于冷凝法对设备的要求较高，其通常与吸附法、燃烧法或其他处理技术相结合，既可以降低运行成本，又可以降低后处理装置的负荷，提高处理效率。对于低浓度的有机废气，当需要进行回收时，可以首先采用吸附法的对废气进行浓缩，浓缩后再生的高浓度废气再进入冷凝器，分离出有回收有价值的有机物。

3.3 吸收法

吸收法是采用低挥发或不挥发液体作为吸收剂吸收废气中的 VOCs，从而达到净化废气的目的。吸收剂的选择是决定吸收效果的关键因素[7]。 在处理 VOCs 时，选择吸收剂要考虑以下因素: 溶解度大、挥发性小低、对设备无腐蚀、无毒、无害、不易燃，目前多以水、高沸点、低蒸气压的油类等有机溶剂作为吸收溶剂，选择合适的吸收剂可以是使废气中VOCs去除效率达到90%以上。VOCs的吸收通常为物理吸收，对水溶性较高的有机物，可以使用水作为吸收剂，所得吸收液进行精馏可以回收有机溶剂；另外根据有机物相似相溶原理，常采用沸点较高、蒸气压较低的柴油、煤油作为吸收剂，然后对吸收液进行解吸处理，回收其中的有机化合物，同时使溶剂得以再生；吸收液也可以直接作为危废委托有资质处置。

3.4 燃烧法

燃烧法是指VOCs废气在高温下进行完全燃烧，分解成CO2和H2O。燃烧法包括热力燃烧法、催化燃烧法[8]。热力焚烧法的燃烧温度一般控制在500 ℃以上，VOCs去除效率可达95%以上；催化燃烧法是利用催化剂在较低温度下将有机物氧化分解，反应温度通常为250～500 ℃之间。通常如果废气中VOCs浓度较高，废气燃烧后所产生的热量可以维持有机物分解所需要的反应温度时，采用燃烧法较为经济；如果废气中VOCs浓度较低，则需要大量的燃料或耗电来对废气辅助加热，运行费用高。因此当废气中VOCs浓度较低时，为了提高热利用效率，降低设备的运行费用，又发展出蓄热式热力焚烧技术( RTO)和蓄热式催化燃烧技术( RCO)。使用具有高热容量的陶瓷蓄热体作为蓄热系统，将燃烧尾气中的热量蓄积在蓄热体中，由高温蓄热体加热待处理废气，换热效率可达到 90%以上[9]，拓宽了燃烧法的应用范围。需要注意的是，如果废气中还有卤素、硫和氮等元素，燃烧后会产生二噁英等有害气体，需加强对燃烧进行处理，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线的照射下，利用光催化剂氧化吸附在催化剂表面的VOCs，通常使用具有较高的催化活性和紫外线吸收率的TiO2作光催化剂。光催化氧化技术对低浓度的VOCs处理较有效。理论上，光催化氧化过程能够将污染物彻底降解为CO2和H2O。在实际中的应用中，反应速率慢、光子效率低、催化剂失活、催化剂难以固定以及对VOCs的降解过程中会产生醛、酮、酸和酯等中间产物，造成二次污染，这些缺点制约了其使用。目前光催化氧化法的研究方向主要集中在设计高效反应器、完善催化剂的改性和固定化技术、光催化反应的协同协作机理、光催化技术与其他处理技术的联合应用、开发高效催化剂等方面[10]。

3.6 生物法

生物法是将废气通过潮湿、多孔且表面附着有大量微生物的生物滤床，在足够长的时间内，通过微生物将废气中的有机物( VOCs)和某些无机物降解为CO2和H2O[11]。生物法具有设备简单，投资及运行费用低，无二次污染等优点，但由于降解速率较低，主要适用于处理低浓度有机废气。

生物法主要有生物洗涤床、生物过滤床和生物滴滤床等。生物洗涤装置通常由吸收室和再生池组成，在吸收室中洗涤液通过喷淋或鼓泡将废气中的污染物和氧转入液相，吸收了废气成分的洗涤液流入再生池(活性污泥)，在活性污泥中污染物经过微生物的新陈代谢被消化分解；生物过滤床是一种在其中填入能够吸附气体化合物并支持微生物生长填料的过滤净化装置，VOCs废气通过生物填料层时被其中的微生物捕获并消化降解；生物滴滤床中使用的是各种不具有吸附能力的填料，在填料的表面形成一层生物膜，废气由滴滤床底部进入，回流液从上部喷淋并沿填料上的生物膜滴流而下，溶解于水中的有机物被生物膜中的微生物吸收分解。

近年来，生物法处理VOCs废气的研究工作进展很快，生物菌落和各种填料的开发不断地取得突破，生物法有望在有机废气治理中得到更广泛的应用。

3.7 低温等离子体技术

低温等离子体技术是指将VOCs废气通过具有较高的电场强度的非均匀电场中，大量高能高活性的粒子与VOCs分子发生碰撞，破坏其结构，并发生一系列的自由基反应，使废气污染物降解成为CO2和H2O等无害物质[12]。低温等离子体技术主要优点有：①系统的动力消耗非常低；装置简单，反应器为模块式结构，造价低；②不需要任何的预热时间，可以即时开启与关闭；③抗颗粒物干扰能力强，对于油烟、油雾等可以无需经过过滤就可运作，便于维护[13]。

4 结语

工业废气中的VOCs的种类繁多，性质各异，排放条件多样，除以上几种VOCs控制技术之外，各行业也在开发更适合该行业的控制技术，目前已经形成了一系列的VOCs废气实用治理技术。在很多情况下，采用单一技术往往难以达到废气处理要求，利用不同处理技术的优势，采用组合处理工艺不仅可以满足达标排放要求，同时可以降低运行费用。

因此在以后的工作中还需要充分了解不同处理技术的特点及其有效的使用范围，针对不同的VOCs废气从技术上和经济角度进一步的综合评估分析，力争取得最佳的处理效果。

[1]USEPA.Volatile organic compounds(VOCs)[EB/OL]．[2011-03-23].http://www.epa.gov/iaq/voc.html．

[2]北京市环境保护局.DB11/501-2007．北京市大气污染物综合排放标准[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3]刘金凤，赵 静，李湉湉，等．我国人为源挥发性有机物排放清单的建立[J]．中国环境科学，2008，28(6)：496～500．

[4]叶细标，傅华．苯致白血病机制研究的进展[J]．中华劳动卫生职业病杂志，2005，23(5):392.

[5]谢绍东，于淼，姜明．有机气溶胶的来源与形成研究现状[J]．环境科学学报，2006，26(12):1933～1939.

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[7]刘恋，田森林．吸收法处理有机废气的研究进展[EB/OL]．http://www.powerfull.com.cn/news_list.asp?id=53环境污染与防治(网络版)，2008，8.

[8]谭明侠，王国军，谢建川．VOC催化燃烧技术[J]. 工业催化，2006，14( 增刊):384～386．

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[10]张 云.环境中VOCs的污染现状及处理技术研究进展[J].化工环保，2003(29)：413.

[11]马 超.VOCs 排放、污染以及控制对策[J].环境工程技术学报，2012，3：105.

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[13]栾志强，郝郑平.工业固定源 VOCs 治理技术分析评估[J].环境科学，2011，12(32)：3481.

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

许天啸(1982—)，男，工程师，主要从事环境工程技术评估工作。

X51

A

1674-9944(2016)18-0074-03