挥发性有机废气治理技术及其影响浅析

李剑雄

（厦门华和元环保科技有限公司，福建 厦门 361006）

按照世卫组织定义，挥发性有机废气（VOCs）是指在常温下沸点为50 ℃～260 ℃的各种有机化合物。在我国环保领域多指参与大气光化学反应的有机化合物，或者按有关规定确定的有机化合物。近年来，由VOCs参与引起的大气复合污染问题突出，日益受到社会各界的关注。国家及地方生态环境部门对于VOCs的治理及监管力度也在不断强化。

1 VOCs的来源和特征

挥发性有机废气（VOCs）来源广泛，包括石化、化工、工艺涂装、包装印刷、油品储运销、纺织、制革等行业。挥发性有机废气具有挥发性强、成分复杂等特点，按照组分可分为烃类（烷烃、芳香烃、卤代烃类、烯烃）、醇类、酮类、酯类、醚类及其它化合物。VOCs性质活泼，具有光化学反应特性、健康毒性，可对人体皮肤、呼吸道黏膜产生刺激作用，甚至增加人们患白血病、肺炎、肺癌的几率。部分VOCs具有异味，可使人产生感官上不悦、头晕、恶心等生理反应，诸如注塑异味、橡胶恶臭、喷漆恶臭等污染现象，是较为常见的环保投诉类型，也是引发厂群关系不睦的重要原因之一。

2 VOCs治理技术及其影响

挥发性有机废气（VOCs）治理技术有吸附法、燃烧法、吸收法、冷凝法、膜分离法、生物法、低温等离子法及催化氧化法[1]。

2.1 吸附法

吸附法在VOCs废气治理中的应用主要是利用高性能吸附材料的多孔介质比表面积大及其范德华力作用等特性，将污染物吸引富集在多孔介质中，适用于大风量、低浓度的有机废气治理，能吸附苯系物、醇类、酮类、烃类、酯类等有机溶剂。这种吸附过程是可逆的，当吸附介质饱和后即失去吸附能力。常见的吸附介质有活性炭、分子筛、活性氧化铝等，其中以活性炭的应用最广，是中小型工业企业的首选。按照吸附介质的状态，吸附装置可分为固定床、移动床、流化床，其中以固定床的应用最广泛（如活性炭吸附箱）。

吸附法治理VOCs废气包括吸附及吸附剂再生的全部过程，但在环评实践中更多的中小企业采用一次性活性炭吸附抛弃法。主要原因在于活性炭吸附法具有初设成本低、技术适应性较高等优点。活性炭吸附法对VOCs废气的净化效率可达90%以上，但在应用中大量未经合理设计的吸附装置由设备商直接提供安装，造成实际处理效率较低（50～60%），与HJ 2026-2013《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》的控制要求存在一定差距，甚至由于活性炭更换不及时导致废气几乎直排；废气停留时间不足、活性炭碘量值不足，也是导致吸附效率低下的原因；雨季潮湿以及一些采用水帘法预处理但缺乏除湿工序的活性炭吸附装置，由于活性炭中毒失效可导致废气非正常排放。采用活性炭抛弃法还可能面临活性炭频繁更换以及高额危废处置费用等问题；另外，饱和后的废弃活性炭在更换后若不及时存放在密闭容器或密封袋内，会以无组织的形式释放VOCs。故在采用活性炭吸附法处理VOCs时，应注意避开以上误区，确保净化装置稳定达标运行，杜绝非正常排放及二次污染。

2.2 燃烧法

燃烧法可分为催化燃烧法、直接燃烧法及热力燃烧法等。

2.2.1 催化燃烧法

催化燃烧法是用催化剂使废气中可燃物质在较低温度下（最低可达200 ℃）进行氧化分解的净化方法。催化燃烧为无火焰燃烧，安全性好，燃烧产物为CO2和H2O。催化燃烧法可用于金属印刷、漆包线、炼焦、油漆、化工等行业中有机废气的净化，使用时需要预热。但处理的废气组分中不能含有尘粒、雾滴或其它易使催化剂中毒的气体，主要缺点是催化剂（如贵金属铂、钯、钌）费用昂贵。

2.2.2 直接燃烧法

直接燃烧最直观的描述为“火炬”燃烧，常用在石油和化学工业中。它是将废气中的有害成分作为燃料燃烧殆尽，燃烧产物为CO2、H2O和N2，适用于净化高浓度、小风量并且可燃性好的有害气体。在应用上，还可将浓度较高的可燃挥发性废气引入锅炉、炉窑进行直燃。直接燃烧法具有成本低的优点，但燃烧后产生的大量烟尘可对环境造成二次污染。

2.2.3 热力燃烧法

热力燃烧法适用于处理可燃组分较低、燃烧时放出的热量不足以维持燃烧所需最低温度的VOCs废气。热力燃烧法需要额外加入一定量的辅助燃料，如天然气、柴油、煤气等。热力燃烧所需的停留时间为0.3～1 s不等，温度条件达到740～820 ℃范围时可使大部分VOCs完全燃烧成CO2、H2O和N2。当热力燃烧不完全时可能产生恶臭污染，故采用热力燃烧法时通常需要先进行预热。

热力燃烧法还可与沸石转轮组合使用。沸石转轮是吸附法的一种典型工艺，它将沸石分子筛作为吸附材料，分子筛可吸附过滤比空气分子大的有机物，而空气可以直接通过，转轮分为吸附区、冷却区及脱附区，吸附区吸附废气中的有机物，图1为沸石转轮工作示意图。

图1 沸石转轮工作示意图

待处理的有机混合废气经引风机的作用，先经过预处理过滤装置去除废气中的杂质部分，否则直接吸附会堵塞沸石的微缩孔，从而影响吸附效果甚至失效，经过初步过滤后再进入沸石转轮吸附装置进行吸附净化处理。有机物质被转轮沸石特有的作用力截留在其内部，经过一段时间的吸附后，沸石转轮达到饱和状态，转轮按照一定的速度（每小时2～8转）自动转动进入冷却和高温脱附区域。净化的空气通过冷却区加热后，经热交换器加热再通过脱附区，带走分子筛中的有机物，此时的VOC浓度浓缩为原来的3～15倍，脱附出来的废气变为高浓度、小风量、高温度的有机废气，将更有助于燃烧净化。

以厦门市某公司涂装废气治理为例，该公司采用沸石转轮+蓄热式热力氧化RTO组合工艺处理干式喷房的挥发性有机废气，辅助燃料为天然气，处理对象为含有甲苯、二甲苯、非甲烷总烃的VOCs废气。案例中非甲烷总烃产生浓度约为220 mg/ m³、二甲苯接近8 mg/m³、甲苯接近3 mg/m³，联合净化效率可分别达到94.53%、94.58%、93.81%，排放浓度和排放速率均满足福建省地方标准《工业涂装工序挥发性有机物排放标准》（DB35/1783-2018）的控制要求，对环境空气的影响较小。沸石转轮+RTO组合工艺案例治理效果见表1。

表1 沸石转轮+RTO组合工艺案例治理效果一览表

2.3 低温等离子及催化氧化法

低温等离子体处理VOCs的反应机理还不是很明确。有研究认为低温等离子体的反应机理是粒子非弹性碰撞的结果。一方面，高能电子与气体分子（原子）发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子（原子）的内能，发生激发、离解、电离等一系列过程，生成一些单原子分子和固体微粒，另一方面，又产生O、OH、HO2等大量自由基和氧化性极强的O3，这些活性粒子和臭氧与VOCs发生各种化学反应，破坏VOC分子中的C-C、C=C或C-H等化学键，最终使VOCs分解生成CO2和H2O[2]。

催化氧化法以UV光解为代表，利用特制的高能、高臭氧UV紫外线光束照射非甲烷总烃废气，当这些气体分子吸收了这类紫外线光后，因紫外光所带有的能量，使得有机气体分子内部发生裂解，使化学键断裂，形成游离状态的原子或基团（如C+、H+、O+等）。同时，混合气体中的氧气被紫外线光裂解形成游离氧原子并结合生成臭氧，产生的分子式如下：

混合气体中的水蒸气被紫外线光裂解产生羟基[UV+H2O→H++OH-]，而这些生成的臭氧和羟基具有极强的氧化性，可将废气分子裂解产生的原子和基团氧化成H2O和CO2等无污染的低分子化合物。

当前，国家及地方层面不允许单一地采用低温等离子、光氧催化等技术的治理措施，因为这些技术存在爆炸、VOCs处理效率低、可能产生O3等二次污染物等安全隐患。

2.4 冷凝法

冷凝法可以作为降浓的前处理方法，可与吸附法、燃烧法联用，回收有价值的VOCs组分。对于高浓度的挥发性有机物（体积分数在1%以上）需优先采用冷凝法回收。以加油站油气回收为例，从油气收集系统收集的油气经油气凝液罐排除冷凝液后（如多级冷凝法的回收率在90～95%）进入油气回收装置，经冷凝回收的汽油进入回收汽油收集储罐，尾气通过活性炭吸附后可达标排放，活性炭吸附饱和后的脱附油气经真空泵抽吸并送入冷凝器入口进行循环冷凝[3]。

3 VOCs治理技术的应用策略

在多数情况下，采用单一技术难以满足地方生态环境保护的要求。目前关于挥发性有机废气治理技术的研究与工程应用五花八门，诸如微波催化氧化技术、活性炭纤维技术、生物处理法、纳米材料净化技术等。在环评应用中，应综合考虑不同行业的VOCs组分及浓度、理化特性、风量等因素，熟悉不同VOCs治理工艺的使用条件、适用范围，合理选择组合工艺。以活性炭吸附法为例，当采用颗粒活性炭作为吸附剂时，其碘值不宜低于800 mg/g；采用蜂窝活性炭作为吸附剂时，其碘值不宜低于650 mg/g；采用活性炭纤维作为吸附剂时，其比表面积不宜低于1 100 m2/g[4]。以水吸收法为例，它主要适用于处理水溶性高的VOCs（如合成革行业DMF溶剂回收），还可用于捕集漆雾或其它颗粒物，但不适用于处理小分子脂溶性的VOCs。对于浓度较低的水溶性VOCs也可采用生物滴滤法、生物洗涤法，但应注意生物法具有占地面积大、处理负荷低等缺点。虽然低温等离子、催化氧化对于VOCs的治理效率低下，但可以作为含有恶臭异味VOCs的预处理手段。随着国家不断加大对VOCs的治理力度，新技术或工艺组合不断出现，诸如“沸石转轮吸附+RTO/CO/RCO组合工艺”、“活性炭+CO组合工艺”都是较为创新的治理工艺。

4 结语

综上所述，熟悉不同VOCs治理技术的工程理论对于做好环境影响评价具有重要意义。在开展环境影响评价过程中，不应该只停留在过去简单的活性炭吸附层面，也不能一味地认为“贵的就是好的”。因此，本文简要介绍了挥发性有机废气的治理工艺及其影响，概述它们在环评应用过程中存在的优缺点及适用范围，对于当前“强化事中事后监管”的环境影响评价具有一定的参考意义。