UV工艺在厦门市VOCs废气治理中的应用研究

吴艳聪 刘建福

(1.厦门市环境科学研究院，福建 厦门 361021；2.厦门理工学院环境生物技术福建省高校重点实验室，福建 厦门 361021)

0 引言

“十三五”以来，我国细颗粒物(PM2.5)污染控制虽取得一定成效，但PM2.5浓度仍处高位。京津冀及周边地区源解析结果表明，挥发性有机物(VOCs)是PM2.5的主要组分，其贡献占比可达20%～40%[1]。同时，我国臭氧(O3)浓度逐年上升，尤其在夏秋季节，O3已成为部分城市的首要污染物[2],O3污染问题日益显现。有关研究表明，VOCs是形成O3和PM2.5的重要前体物，减少VOCs排放可有效降低空气中的PM2.5和O3浓度[3]。为此，《中共中央 国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》明确要求大力推进挥发性有机物减排，确保2025年挥发性有机物排放总量比2020年下降10%以上[4]。

厦门市自2016年开始实施VOCs污染整治，涉及表面涂装、印刷包装、含喷漆的汽车维修、化工、船舶制造维修业、橡胶制品业、制鞋业、工艺品制造等8个行业。至2019年底，厦门市整治企业1025家。

常见的VOCs废气末端治理技术有直接燃烧法、吸附浓缩+蓄热燃烧法、吸附浓缩+蓄热催化燃烧法、活性炭吸附法、吸收法、冷凝回收法、UV法(即利用紫外光催化或分解VOCs的方法)、低温等离子法、生物法等[5-6]。其中，UV法因其投建费用、运维成本较低，在中小企业中应用广泛。但随着研究的深入，行政主管部门意识到采用UV法治理工业VOCs废气不仅效率低，还会产生臭氧，可能与治理初衷背道而驰。

2019年，为做好厦门市下一步的VOCs污染防治决策，特别对涉VOCs排放的工业企业开展相关调查与监测。其中，开展末端治理工艺应用情况调查涵盖VOCs排放企业632家。同时，重点筛选典型UV治理工艺企业20家，开展UV工艺参数、VOCs治理效率及臭氧排放浓度调查与监测，以此研究UV法的实际治理效果和臭氧产生情况等问题。

1 UV工艺应用情况简介

1.1 UV工艺原理

UV波长在100～380nm范围内，按波段可分为UV-A、UV-B、UV-C和真空紫外V-UV。其中，UV-C和V-UV有相对较强的氧化能力。在VOCs废气治理上，UV工艺虽然名称叫法繁多，比如UV光解、UV光催化、UV光氧化等，但其实际应用原理大致相同[7]。工业上一般使用低压汞灯来产生UV。低压汞灯产生的UV波长主要集中在254nm与185nm处，其中254nm处约占85%，185nm处约占15%。UV分解VOCs有两种途径，一种是紫外光直接氧化分解作用，当紫外线能量大于有机物键能时，UV可以将有机物分子实体中的一个或多个化学键打断，以达到降解的目的；另一种是光催化氧化，即填充的光催化剂在紫外光照射条件下发生电子-空穴分离，激发O2或者VOCs分子，产生了活性氧化剂如臭氧(O3)、氧自由基(O·)或羟基自由基(·OH)。这些活性氧化剂再与VOCs分子发生氧化反应[8-10]。常用光催化剂为TiO2[11]。理论上，绝大多数的挥发性有机物分子最终都可以被氧化分解成无害的二氧化碳和水[12]。

1.2 UV工艺应用

根据调查，与其他常见的VOCs末端处理工艺相比，UV工艺在厦门市VOCs排放企业中的应用比例最高，约为59%。如图1所示，按照VOCs排放重点行业分类，汽修(带喷漆作业)、包装印刷、涂装、化工使用比例分别为77%、45%、46%、67%。

图1 厦门市VOCs排放企业UV工艺选用情况

在具体应用上，为提高废气处理效率，企业往往采取各种治理工艺串联组合。除单一UV工艺外，常见的UV工艺联用组合有UV+活性炭、UV+等离子等。据本次调查，在UV系列工艺中，单一UV的应用约占58%，UV+活性炭约29%。UV+等离子因投用成本相对较高，比例最小约为13%。

2 调查与监测

2.1 调查

基于UV降解VOCs的工作原理，UV能量强度、VOCs分子在UV处理设施的停留时间、催化剂的用量等都是影响处理效率的重要因素。因此，通过发放调查表，调查UV灯管功率、灯管数量、催化剂装填量、处理设施运行风量、设施尺寸大小等参数，评估处理设施设计参数设置是否合理。

2.2 监测

为了评估UV工艺实际处理效率和臭氧产生量，选取20家典型企业，其中单一UV设施的企业9家、UV+活性炭企业6家、UV+等离子企业5家。参照国标监测采样方法，现场监测进出口的风量，采样、送测进出口非甲烷总烃浓度，按公式(1)计算设施处理效率，使用便携式臭氧分析仪(型号：美国2B Technologies Model 106M)现场监测设施出口的臭氧浓度，并结合风量，按公式(2)计算臭氧的排放速率。

(1)

式(1)中，η为处理设施处理效率；C进口、C出口分别为处理设施进出口非甲烷总烃监测浓度，单位为mg/m3；Q进口、Q出口分别为处理设施进出口实测风量，单位为m3/h。

Q=C×q

(2)

式(2)中，Q为臭氧排放速率，单位为g/h；C为出口臭氧排放浓度，单位为g/m3；q为设施出口风量，单位为m3/h。

2.3 调查与监测结果分析

使用单一UV工艺的企业调查与监测结果详见表1。

表1 单一UV处理设施参数调查与监测情况

从处理效率分析，单一UV工艺对VOCs的处理效率约在21%～55%，平均处理效率约39%；处理设施均有不同程度的臭氧产生，臭氧排放速率约在21～90g/h，平均排放速率约60g/h。每根灯管的臭氧排放速率大小不一，可见紫外灯管的质量参差不齐。总体来说，每万风量紫外灯管功率越大，臭氧排放速率越高，停留时间越长对应的处理效率越高。预计，每万风量紫外灯管功率在15kW以上，停留时间在2s以上，处理效率可以大于40%。结合厦门市第一阶段VOCs整治工作的调查评估，当前单一UV工艺处理设施参数取值较为规范，废气停留时间大多在1.5s以上，每万风量紫外灯管总功率大多在8kW以上。

采用UV+活性炭联用工艺的企业调查与监测结果见表2。

表2 UV+活性炭处理设施参数调查与监测情况

根据调查监测数据，UV+活性炭的处理效率在12%～64%，平均处理效率约35%；臭氧排放速率在4～270g/h之间，平均约为70g/h。联用工艺的影响因素更为复杂，活性炭的填充量越大，更换周期越短，臭氧排放速率越高，废气在设施内停留时间越长，处理效率就越高。一般情况下，废气在紫外光灯箱区停留时间宜在2s以上，活性炭停留时间宜在1s以上，每万风量活性炭装填量应大于1m3，活性炭更换周期宜小于3个月[13]。但在实际应用中，为了节约建设成本，设计的紫外灯管总功率、活性炭装填量及废气停留时间均比单一UV或单一活性炭工艺小，同时活性炭更换周期更长，这样往往造成在串联组合中的UV工艺和活性炭工艺均未能正常发挥作用。

等离子技术原理是在通过强电场以气体放电的形式引发高能电子，利用高能电子直接与VOCs分子发生反应生成多种碎片分子，或者间接产生·OH、·O等强氧化自由基分解VOCs分子，从而达到降解消除气态VOCs污染分子的作用[14]。UV+等离子是指UV光催化与等离子的协同工艺。采用UV+等离子联用工艺的企业调查与监测结果见表3。

表3 UV+等离子处理设施参数调查与监测情况

由表3可知，UV+等离子联用工艺的处理效率在20%～55%，平均处理效率约42%；臭氧排放速率范围约8～306g/h，平均排放速率约88g/h。由于等离子工艺降解VOCs过程同样副产臭氧[15]，因此UV+等离子联用工艺的臭氧平均排放速率比单一UV工艺高。

3 结论与建议

①UV系列工艺在厦门市VOCs排放企业中应用广泛，比例超过59%，其中大多数为带喷漆作业的汽修企业。在UV系列工艺选用中，以单一UV工艺最为常见，占比高达58%。UV系列工艺均有不同程度的臭氧排放，由于紫外灯管品牌与质量的不同，产生的臭氧排放速率不一，每根灯管排放速率从0.097g/h到5.64g/h，相差几十倍。在VOCs的处理效率方面，UV系列工艺处理效率从12%到64%，总体处理效率不高，仅适用于低浓度VOCs的治理。调查的处理设施进口非甲烷总烃浓度在10～120mg/m3，进口浓度大小不一，也是造成处理效率不同的一大因素。建议企业合理设置工艺抽排风量，减风增浓，有利于提高废气处理效率。但UV工艺不能忽视臭氧产生问题，较高处理效率往往伴随着较大速率的臭氧排放。

②在环境空气质量评价中，臭氧日最大8h平均二级浓度限值为160μg/m3，广泛应用UV工艺导致的臭氧排放可能对环境空气质量存在一定的影响。建议开展UV系列工艺产生的臭氧对环境空气污染的探索实验，在不影响企业正常生产和安全的前提下，暂时关闭UV工艺，利用空气质量自动监测站监测评估臭氧浓度变化情况。

③与其他VOCs处理工艺相比，UV工艺的投用及运维成本较低，除副产臭氧外，相对绿色环保，有良好的应用前景。同时臭氧是一种不稳定的气体，半衰期短，可自动分解成氧气。建议环保科研单位加强研究，探索UV处理工艺消除臭氧的方法，破除UV工艺的应用阻碍。此外，当前环保设施大多数为企业自主验收，加上环保治理公司良莠不齐，低价竞争常见，UV关键设备如UV灯管、催化剂等以次充好，造成处理效率难以保证。建议行政主管部门逐步推动制定UV工艺VOCs废气治理相关技术标准，形成市场规范。

④研究表明，UV工艺应用在降解封闭体系中VOCs气体，如循环降解室内、封闭车厢内的VOCs气体，处理效率极高[16]。但在非封闭体系中，受限于停留时间等因素，当前工业VOCs废气处理效率较低。涂装、包装印刷、化工都是VOCs排放的重点行业，为减少VOCs污染，促进污染物减排，建议行政主管部门引导重点行业企业选用处理效率较高的处理工艺，逐步更替UV工艺。