挥发性有机废气治理技术进展

2020-03-01李明广吴志平洪祖喜

绿色环保建材 2020年7期

关键词：转轮光催化活性炭

李明广施政吴志平吴娅洪祖喜

上海环境保护有限公司

1 引言

近年来，随着我国经济的快速增长，推动了我国的工业化的发展，工厂生产中往往会产生污染环境的废气废水，其中有挥发性的有机废气是最为常见的环境污染物，所以需要充分重视挥发性有机废气的治理。

2 挥发性有机废气概述

所谓挥发性有机化合物（VOCs），指的是在常温常压的环境下，饱和蒸汽压大于70Pa，沸点在50℃～260℃之间的易挥发、有刺激性气味的一类有机化合物。很多企业的工业生产和运输过程都会生产VOCs，比如石油化工、喷漆、生物制药、橡胶加工等等。大部分VOCs本身是没有毒性的，但是小部分有毒性并且会危害人们的身体。VOCs进入到空气中，能与空气中的二氧化氮等化合物发生化学反应，形成臭氧或产生光化学烟雾，对环境造成了严重的污染[1]。

3 挥发性有机废气的治理方法

3.1 吸附法

3.1.1 活性炭吸附

对于吸附法而言，活性炭属于最为常用的吸附剂之一，能够有效吸附VOCs，使得气体能够满足排放标准。活性炭的主要优势为价格低、吸附效果良好。而活性炭纤维则是高新科学技术创新的优良结果，其与传统的活性炭对比，在VOCs的治理上，活性炭纤维的吸附效果更为突出，其原理为：活性炭纤维内外表面都分布着较多碳原子，通过这些碳原子的作用而构成了吸附效果极强的表面性结构。而正因该结构的特殊性，使得活性炭纤维吸附性能有着较大优势，不论是在吸附速度上，还是吸附容量上，抑或是表面积大、再生简单等方面，都表明了活性炭纤维十分适合广泛应用于VOCs的治理工作中。

3.1.2 分子筛转轮吸附

此种吸附方法比较适合用来处理大风量、浓度低的VOCs，去除率可高达90%以上，具有高效率、运行稳定的优点。其运作原理为现将有机废气从大风量转化为小风量，而在小风量的状态下，VOCs到达旋转转轮的处理区域会被转轮之上的吸附剂吸附，从而使得气体中的VOCs得到有效去除。

3.2 燃烧处理方法

3.2.1 直接燃烧法（TO）

直接燃烧法即将VOCs 直接通往能够焚烧的锅炉内，当VOCs够高时，能够在炉中充分燃烧；若VOCs浓度不高或是燃烧热不高时，仅仅凭借自身燃烧产生的热量是无法实现持续燃烧的，这是便需要加入辅助燃料，使废气燃烧完全。此种方法的优点在于，投入费用不高、所需设备简单。但是应用这种方法处理VOCs需要始终保持较高的燃烧稳定，并且在此种高温下可能会生产氮化物，会对空气造成二次污染[2]。

3.2.2 催化燃烧法（CO）

催化燃烧方法利用催化剂进行气-固相催化反应，降低废气进行燃烧反应的活化能，使其在250℃左右进行污染燃烧，最后能够将有机物分成无毒、无污染的CO2和H2O。这种方法只能处理气体量小的有毒废气。催化燃烧需要用到催化剂，催化剂的种类比较多，每一种催化剂的活性也不一样，常见的催化剂主要有贵金属催化剂和非贵金属催化剂，一般贵金属催化剂的活性比较高，也有很好的耐高温性，但是这类催化剂价格高，并且其催化效果还会受到介入的第二金属成分、预处理方式的影响，所以很少进行产业化。而非贵金属氧化物催化剂有铜、锰、铈等非贵金属氧化物，比贵金属氧化剂的价格低很多，也有不错的催化活性，所以常常被用作贵金属催化剂的替代品，是这几年来环境催化燃烧的研究热点之一[3]。

3.2.3 蓄热燃烧法（RTO）

直接燃烧法所产生的热量大部分会被浪费掉，热量利用率不高。为了降低成本，蓄热燃烧法的原理是利用蓄热室将VOCs燃烧产生的热量储存起来，然后再用这些热量对燃烧室的VOCs废气进行预热，对VOCs 废气的燃烧起到了辅助作用，减少了辅助燃料的使用，减少了燃烧成本。这种方法有操作简单、设备使用寿命长的优点，能够大量的处理中低浓度的VOCs 废气，但是这种设备体积大，一次性投资费用高。

3.3 生物处理方法

生物技术被广泛应用于环境治理和废物处理，这也是处理有机废气的有效方法之一，最早应用生物技术处理废气是在废气脱臭处理领域，近年开始将生物技术应用来挥发性有机废气上，开发除了新型的污染控制技术。生物技术处理方法利用将有机废气作为碳源和能源来维持生命活动的微生物，经过微生物的新陈代谢反应将废气中的有害物质分解为二氧化碳和水等无机物及细胞组成物，从而达到净化的目的[4]。生物技术进行有机废气的处理是根据生物膜理论的原理，这关于有机废气跟生物膜之间的吸收、吸附、传质基生物降解等过程，流程主要分为四步。

①传质，从液相到固相，有机废气通过气体扩散进入到液膜。

②吸附，因为浓度差产生的压力，会将污染物吸附到生物膜的表面，生物膜表覆盖着微生物，可以吸收污染物。

③微生物的生命活动可以依靠有机废气作为营养物质，并附着在生物膜表面的微生物在新陈代谢过程中将营养物质即有机废气物质分解成二氧化碳、水、无机物和生物质。

④分解形成的生物质和水可以进入液相被重复利用，而二氧化碳会从生物膜表面脱离扩散到大气中。

当前生物处理方法的工艺主要有以下几种：生物过滤器，生物洗涤器，生物滴滤器。几种方法各有优缺点，需要根据实际工况进行合理选择。

生物过滤器，能够有效地去除有刺激性气味的气体，适用于单环芳烃、醇、酮等有机废气，并且投资小、成本低、操作简单，同时也存在缺陷，因为生物过滤器体形大，需要占用较大的土地面积，因为微生物的新陈代谢，长时间不进行处理，就会使得填料出现矿化的现象，最终因为微生物的大量繁殖封堵填料，降低传质的效果，所以需要高频率的更换填料。

生物洗涤器，一般由洗涤器和生物反应器构成，两者形成活性污泥处理系统，生物洗涤器在运行过程中易于调节，不容易出现堵塞的问题，但是操作要求高，难以处理浓度高和其量波动大的废气，无二次污染。但是这种设备洗涤塔系统压降较大，一次性投资大、维护也需要昂贵的维护费。

生物滴滤器，因为采用惰性填料，其特点是表面积大，持水性高，所以生物可以很好地附着在上面，这种设备的操作不复杂，需要的压力低，运行成本低，所以在VOCs处理上有很比较大的优势，可以有效地处理H2S、甲硫酸、NH3等有刺激性气味气体的处理。但是也存在一定的缺点，微生物容易随着液相的流失而流失，且会因为营养物质添加过多而导致微生物大量繁殖堵塞反应床，所以需要定期的更换填料。

3.4 等离子处理方法

等离子法是通过施加外电场使离子放电，形成大量的活化粒子，粒子具有能量与污染物分子剧烈碰撞从而发生哈化学反应，然后污染物分子被分解成为二氧化碳、水等小分子化合物或氧化成低毒或无毒物质。等离子体属于高化学活性粒子，但是它对废气组成没有选择性，它可以与大多数废气中的成分发生反应破坏其化学键，使其断裂，从而分解污染物分子，将常规方法无法处理的污染物分解成简单的化合物，比起其他的化合物，有着流程短、去除率高、能耗低、适用性强、发展空间大等有点。但是其缺点也很明显，需要高电源、利用能量的效率较比低，不能完全降解有害物质导致有二次污染[3]。

3.5 光催化氧化处理方法

在废气处理方面也可以应用新型的治理技术——光催化氧化技术，这种技术被许多研究人员广泛关注，这种技术的原理中重点在于能够在于利用紫外光或可见光进行照射，相关的催化剂在光照的条件下就会发生反应形成具有强氧化性的电子空穴对，电子空穴对可以与VOCs 上的有害物质发生氧化还原反应，分解释放出无害的二氧化碳和水，从而将有毒物质净化成无毒物质。光催化的效果取决于催化剂的活性强弱，当前比较好的催化剂为TiO2，这种催化剂具有催化活性高、稳定性好、价格低、不会危害人体健康等优点。光催化方法的优点在于没有强烈的反应条件，对污染物没有要求，可以净化大多数的污染物，并且方法无毒、无害，可不断循环利用，能耗和成本低。但是光催化养出处理方法中的催化剂容易失活、难以固定，固定化的催化剂其活性会降低，影响催化效率，这也是今后要重视和解决的问题。

3.6 组合处理工艺

很多情况下针对有机废气处理单一处理方法不一定能满足处理需要，需要几种处理方法组合使用，特别是针对低浓度有机废气，一般使用“活性炭+燃烧”，“活性炭+冷凝”或“分子筛转轮+燃烧法”进行处理。

3.6.1 活性炭+燃烧法

此方法结合了吸附法与燃烧法的优势，具有运作稳定性好、投资低、成本低、维修简便等多项优点。原理为，先使用活性炭吸附VOCs，让其在处于饱和状态时与热空气发生作用，从而达成吸附、解析和脱附的目的，紧接着再把废气导入燃烧设备中做燃烧处理，以此实现对废气的充分净化。该方法比较适合用于浓度不高、风力大的废弃处理中。

3.6.2 分子筛转轮+燃烧法

转轮主体是一个填充了吸附剂的可旋转轮子，且由三个区域构成——吸附区、脱附区、冷却区。当VOCs 由鼓风机进入吸附区后，VOCs 便能被有效吸附，气体得到净化排出；然后，吸附剂转动至脱附区，在和高温空气进行接触后，VOCs 能够被脱附浓缩；其后，吸附剂先经由冷却区降温，再转动至吸附区重新进行吸附。便随着转轮的持续转动，吸附剂能够周期性进行吸附、脱赋予冷却，以此实现对有机废气的净化处理。

3.6.3 活性炭+冷凝法

将有机废气先通过模块化换热器做冷凝处理，能够冷凝出一部分废气，再将剩余废弃使用活性炭吸附，这样能够使得废气温度有所降低，从而提升废气处理系统运作的安全性，并且也能使得活性炭吸附效率得到提升。