挥发性有机废气治理技术进展

黄建洪，宁 平，许振成，周新云，周 瑜，彭福全

(1.昆明理工大学，云南昆明 650093;2.环境保护部华南环境科学研究所，广东广州 510655)

挥发性有机化合物 (VOCs)一般是指在常温常压下饱和蒸气压＞70Pa、沸点＜260℃的有机化合物的总称，包括脂肪烃、芳香烃、含卤烃类、含氧烃类、含氮烃和含硫烃类等。VOCs对生态环境和人体健康存在严重危害，在太阳光照射下可与NOx发生光化学反应，是产生光化学烟雾的原因之一，VOCs可引起人体致癌、致畸和动植物中毒。美国1990年的空气法强调在未来的8a内要减少189种有毒化学品90%的排放，其中VOCs占70%。VOCs种类繁多，分布面广，它们主要来源于石油、化工、轻工等许多行业和部门，有些行业比如石油开采与加工、炼焦与煤焦油加工、有机合成、溶剂加工、感光材料、油漆涂料加工及使用等，尤其带来严重污染。一份对中国43个城市的VOCs调查中报道［1］，中国大多数城市市区的VOCs主要来源于汽车尾气。为消除环境污染，保护人体健康，回收资源，对VOCs进行治理是非常必要的。

挥发性有机废气的治理方法有很多，总的分为破坏法和回收法［2］。破坏法又可分为燃烧法 (包括直接燃烧、热力燃烧与催化燃烧)和生物法，回收法又可分为吸收法、吸附法、冷凝法、膜分离法等，在实际应用中通常是上述方法中两种或两种以上的方法的组合。

1 燃烧法

燃烧法是利用挥发性有机物的可燃性，在一定的温度下将其通入到焚烧炉中进行燃烧，最终生成CO2和H2O而得以净化的方法。根据燃烧温度和方式的不同一般分为直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧。

1.1 直接燃烧法

直接燃烧法是将VOCs直接通入到焚烧炉中进行高温燃烧的方法。当VOCs浓度高、可燃性好时可以直接燃烧，当浓度低时需要加入一定的辅助燃料，燃烧最终生成CO2和H2O排入空气，同时回收利用燃烧热。这种方法投资费用低，设备简单，操作方便，但是维持高温燃烧 (＞1100℃)需要高额的运行费用，而且高温燃烧产生的NOx成为二次污染物。

1.2 热力燃烧法

热力燃烧法工艺流程如图1所示，VOCs气体首先经过热交换器升到一定温度后进入热力燃烧室进行燃烧。这种方法处理的VOCs浓度为100～2000ppm，处理效率95% ～99%［3］。与直接燃烧法相比，热力燃烧法的燃烧温度一般在700～900℃，节省了能源消耗。

1.3 催化燃烧法

催化燃烧法是指VOCs在催化剂的作用下反应生成CO2和H2O的方法［4］。催化剂的作用是降低有机物的起燃温度，同时缩短反应时间。目前用于治理VOCs的催化剂有贵金属催化剂 (如Pt、Pd)和非贵金属催化剂 (如V、Ti、Fe、Cu等)。Pt/H－Beta和PdO/H－Beta催化剂对氯化烃类具有很强的选择性催化分解作用［5～6］。而 M.A.Centeno［7］等人研究表明Au/TiOxNy催化剂对已烷、苯和丙醇等有机物具有很高的催化作用。与热力燃烧法相比，催化燃烧法所需的燃烧温度更低 (200～400℃)，大大降低了能耗，而且在较低的温度下燃烧避免了NOx二次污染物的生成。但是催化剂较易被含S、P、As等物质中毒而失去催化活性，另外催化剂的更换也需要昂贵的费用。

2 生物法

生物过滤法最初是为治理恶臭气体而开发出来的一种技术，近年来研究发现其对挥发性有机废气也有较好的处理效果［8～10］。生物过滤法的核心处理设备是生物滤床 (如图3所示)，滤床内装有能形成生物膜的填料，VOCs先经过湿度控制以后进入生物滤床，在滤床里VOCs被生物膜上的生物经过一系列的新陈代谢作用分解成CO2和H2O得到净化。

生物过滤法主要用于处理低浓度的VOCs，处理效率取决于操作条件的控制，对不同的有机物其降解效率在40% ～98%［11］。生物法的运行成本很低，但是设备庞大，有选择性，运行条件也较为苛刻。

3 吸附法

吸附法是利用具有微孔结构的固体介质 (吸附剂)将目标物质 (吸附质)吸附在其表面上以达到从主体中将其分离的过程［12］。吸附法工艺流程如图4所示，有机废气经过风机后进入吸附塔1进行吸附操作，当塔1吸附饱和后将气体切换到塔2进行吸附，而塔1进行脱附、再生等操作，如此交替操作，达到连续处理的目的。目前常用的吸附剂有活性炭和沸石分子筛等，活性炭具有较大的比表面积，高的吸附容量，无选择性吸附，是最常用的VOCs吸附剂［13］;沸石分子筛具有均匀的微孔结构，具有较强的选择性吸附。吸附法与其它方法相比具有去除效率高，能耗低，工艺成熟，易于推广实用的优点，具有很好的环境和经济效益。缺点是处理设备庞大，流程复杂，当废气中有胶粒物质或其他杂质时，吸附剂易失效。

4 吸收法

吸收法是用吸收液与待处理废气进行充分接触而将其中的可溶于该吸收液的VOCs从废气中分离出来的过程。吸收工艺的主体单元通常采用喷淋塔、填料塔等能提供良好气液接触的设备。吸收法具有设备结构简单、工艺流程短、易维护、成本低等优点，是废气治理中常用的方法，但是吸收剂的选择、回收或进一步处理成为环保治理的棘手问题，因此限制了其发展。

5 冷凝法

对于含一定浓度的有机蒸气的废气，在将其降温时，废气中的有机物蒸气浓度不变，但其相应的饱和蒸气压值已低于废气中组分分压时，该组分就要凝结为液体，废气中组分分压值即可降低，也可实现气体分离的目的［14］。将有机废气冷凝为液体可采用冷却法，也可采用压缩法，或两者结合。冷凝法一般用于高浓度有机废气的回收或预处理，当要回收有机物时，通常要求废气的浓度高、组分少。

6 膜分离法

膜分离法是根据有机蒸气和空气透过膜的能力不同，而将二者分离的方法。膜分离方法作为高效分离的新技术已广泛应用于液体、气体的分离领域，其核心部分为膜分离器，常见的膜分离器有中空纤维膜和卷式膜。膜分离法适合对高浓度有机废气的回收处理，可回收常见的VOCs有脂肪烃、芳香烃、含氯溶剂、酮、醛、腈、酚、醇、胺、酸等［15］。膜分离法投资费用较高，一般作为高浓度有机废气的预处理单元。

表1 几种VOCs处理工艺特点的分析

表1给出了上述几种有机废气处理工艺特点的分析对比结果。

7 结束语

随着有机废气的治理日益成为环保关注的焦点，其治理技术势必不断发展。燃烧法工艺简单，处理效率高，但能耗也高;生物法运行成本低，但占地面积大，弹性较小;膜分离技术是新技术，其在VOCs治理中的广泛应用还有待于进一步研究。目前实际应用多是上述方法的组合使用，如吸附－冷凝回收法、吸附－解吸－催化燃烧法、吸附－浓缩－燃烧法等，组合法克服了单一方法的缺陷，使有机废气的污染问题得到了解决。

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