浅析VOCs的污染与治理技术

2020-02-17任静

山西化工 2020年5期

任静

(山西欣一荣环保科技有限公司，山西阳泉 045000)

经过多年治理，我国大气污染防治工作成效初显，二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等主要污染物年均浓度呈逐步下降态势。但以PM2.5和臭氧为特征大气污染问题仍然突出，其中，VOCs作为O3和PM2.5的重要前体物[1-2]，在大气污染中发挥着重要作用。作为PM2.5和O3的主要前体物质，VOCs的减排与控制成为当前阶段我国大气污染治理的重中之重，VOCs治理工作进入精细化深入治理的关键阶段。

VOCs 是挥发性有机物英文名“volatile organic compounds”的缩写，不同的机构和组织出于不同的管理、控制或研究需要，对VOCs 的定义不尽相同，目前尚没有统一定义。我国标准主要基于能否参与光化学反应来定义：挥发性有机物(VOCs)是指“能参与大气光化学反应的有机化合物，或者根据规定的方法测量或核算确定的有机化合物”[3]。

1 VOCs的来源

VOCs的排放源可分为固定源和流动源两大类，其中，固定源包括化石燃料和生物质(秸秆、木材)燃烧，溶剂使用、工业过程(如石油化工、炼钢炼焦)等；流动源指所有和机动车、船、飞机等交通工具相关的排放。此外，这些VOCs排放到大气中，在光照等条件下通过化学反应可生成新的VOCs，即形成VOCs二次来源。

研究表明，在城市地区VOCs的每日主要贡献源是动态变化的，早上VOCs的主要来源是上下班高峰期机动车尾气的排放；午后由于温度升高，VOCs油品或溶剂的挥发泄露成为重要来源；夜晚环境中的VOCs则主要是白天排放VOCs的累积。从季节变化来看，二次生成的VOCs是夏季VOCs的重要来源，在冬季燃煤的贡献率则更大[4-6]。

2 VOCs的危害

2.1 人体危害性

VOCs 种类繁多，有些基本没有毒性，因此对人体及动物基本无害。但有些如甲醛、芳香烃特别是多环芳烃、二噁英类等具有较强的致癌、致畸、致突变等生物毒性，一些卤代烃也具有毒性，对人体健康有显著的毒害作用，室内长期暴露于高浓度VOCs 下会增加得肺癌、白血病和淋巴瘤的概率[7]。

2.2 环境危害性

2.2.1 导致大气污染事件

光化学烟雾事件、雾霾事件等大气污染事件的发生与大气氧化性有着十分密切的关系，大气氧化性主要体现在环境大气中O3、·OH 自由基、过氧自由基等物质的浓度水平上，而VOCs 对上述氧化性物质生成起着十分重要的促进作用。VOCs 浓度升高，会打破清洁大气中原有的光化学平衡，它可以与·OH、·RO 等自由基反应生成·HO2、·RO2等过氧自由基，并造成O3浓度的积累，进而导致大气氧化性增强。一般而言，VOCs 浓度水平较高的区域，通常具有较强的大气氧化性，其发生大气污染性事件的可能性也较大。

2.2.2 破坏臭氧层

臭氧层处于大气的平流层，距近地面10 km～50 km。平流层以下为对流层，地面排放的污染物主要存在于对流层，绝大多数VOCs在对流层都比较容易被氧化转化，进而经过干、湿沉降等过程从大气中去除，因此不容易进入平流层。但是VOCs 中含氟、氯、溴等的卤代化合物(如氟利昂、四氯化碳等)，其中一部分在对流层大气中寿命很长，可以被传输到平流层，在紫外线照射下，与臭氧发生光化学反应，从而导致臭氧的减少。这些卤代化合物在平流层中积累，可对臭氧层造成长期破坏[8]。

3 VOCs的治理技术

目前，实用的VOCs 末端治理技术主要包括吸附、吸收、燃烧(高温燃烧和催化燃烧)、冷凝、生物处理及其组合技术。各类技术都有其一定的适用范围，其对废气组分及浓度、温度、湿度、风量等因素有不同要求，因此企业在选用治理技术时，首先应从废气特性出发，从技术可行性方面进行考虑。

3.1 依据废气浓度选择

3.1.1 高浓度

对于高浓度的VOCs(通常高于10 000×10-6)，当废气成分较为单一、沸点低、可回收利用效率高时，优先利用回收技术，如，甲醇、乙醇、环氧乙烷等。通常首先采用冷凝技术将废气中大部分的有机物进行回收，浓度降低后的有机物再采用其他技术进行处理[9]。如，油气回收过程，油气收集系统收集的油气经油气凝液罐排除冷凝液后进入油气回收装置，经冷凝回收的汽油进入收集储罐，尾气通过活性炭吸附后达标排放。

但在有些情况下，虽然废气中 VOCs 的浓度很高，但并无回收价值或回收成本太高，则采用直接燃烧法更加适用，如炼油厂尾气的处理等。

3.1.2 低浓度

对于低浓度的VOCs(通常小于1 000×10-6)，目前治理技术众多，如，吸附浓缩后处理技术、吸收技术、生物技术等，并可根据情况采用组合技术进行深度净化。吸附浓缩技术(固定床或沸石转轮吸附)近年来在低浓度VOCs 的治理中得到了广泛应用[10]，经吸附浓缩后，若有机物回收价值高，可对废气中价值较高的有机物进行冷凝回收；若无回收价值，可以采用燃烧工艺进行销毁。在吸收技术中，采用有机溶剂吸收的治理工艺由于存在吸收液处理困难、易造成二次污染等缺点，已较少使用。采用水吸收的工艺主要用于废气的前处理，如去除漆雾、去除酸碱气体等。另外，对于水溶性高的VOCs，可采用生物滴滤法[11]和生物洗涤法，水溶性稍低的可采用生物滤床。

3.1.3 中等浓度

对于中等浓度的VOCs(1 000×10-6～10 000×10-6)，当废气中的有机物具有回收价值时，通常选用活性炭/活性炭纤维吸附+水蒸气/高温氮气再生+冷凝工艺对废气中的有机物进行回收。对于水溶性高的VOCs(如醇类化合物)，也可采用吸收法回收溶剂。

当无回收价值时，一般采用催化燃烧(CO/RCO)和高温燃烧(TO/TNV/RTO)技术进行治理。在中等浓度范围内，催化燃烧和高温燃烧技术的安全性和经济性是最为合理的，因此是目前应用最为广泛的治理技术。蓄热式催化燃烧(RCO)和蓄热式高温燃烧技术(RTO)提高了催化燃烧和高温燃烧技术的经济性，使得催化燃烧和高温燃烧技术可以在更低的浓度下使用，近年来得到了广泛的应用[12-14]。

3.2 依据废气流量选择

废气流量也是表征废气特性的一个重要方面，考虑废气流量并结合废气浓度，可以给出不同情境下适合的治理技术。吸附浓缩+脱附排气高温焚烧/催化燃烧组合技术适用于大风量低浓度VOCs 废气的治理；生物法适用于中等风量较低浓度VOCs 废气的治理；吸附法(更换活性炭)适用于小风量低浓度VOCs 废气的治理；活性炭/活性炭纤维吸附+溶剂回收适用于中大风量中低浓度VOCs 废气的治理；催化燃烧法、高温燃烧治理技术适用于中小风量中高浓度VOCs 废气的治理；冷凝回收法适用于中低风量高浓度VOCs 废气的治理(通常大风量为大于10 000 m3/h；小风量为小于1 000m3/h；中等风量为1 000 m3/h～10 000 m3/h。

3.3 依据废气温度选择

废气温度也是考虑的因素之一，由于温度对治理效率影响显著，因此在选择治理技术时应尤为注意。吸附法要求气体温度一般低于40 ℃，如果废气温度比较高，吸附效果会显著降低，因此当废气温度高于40 ℃时，不宜采用吸附法或者应先对废气进行降温处理。燃烧法中当气体温度比较高，接近或达到催化剂的起燃温度时，由于不再需要对废气进行加热，采用催化燃烧技术是最为经济的；当废气温度超过催化剂的起燃温度时，可以采用直接催化燃烧技术进行治理，如漆包线生产尾气的治理等。