浅谈VOCs常见治理工艺与现状

2021-12-20宋卓然

皮革制作与环保科技 2021年18期

宋卓然

（江苏省苏州环境监测中心，江苏苏州 215000）

1 前言

我国大气污染形势严峻，PM2.5浓度总体有所好转，每年都同比下降，2019年未达标地级城市PM2.5平均浓度为40 μg/m3，较2015年下降23.1%，但仍处于高位，同时O3浓度近几年急速上升，全国337个地级及以上城市臭氧浓度上升20.9%，其中O3首污且超标天数占总超标天数的比例达41.8%[1]。我国大气环境保护面临PM2.5和O3污染双重压力，尤其在京津冀及周边地区、长三角地区等经济发达地区。

挥发性有机物（VOCs）是PM2.5和O3的重要共同前体物，在紫外光照射和高温条件下，会发生快速的光化学链式反应，产生包括臭氧和过乙酰硝酸酯等具有刺激性和毒性的氧化剂、醛酮类含氧有机物以及细颗粒物，因此加强VOCs治理是控制O3和PM2.5污染的有效途径，同时也是帮助企业节约资源、提高效益的有力手段。

2 VOCs的定义及主要来源

VOCs是挥发性有机物英文名（Volatile Organic Compounds）的缩写，它是挥发性有机物的集合概念。目前不同机构和组织由于对管理和管控要求不同，因此对VOCs的定义也不尽相同。美国材料与试验协会（ASTM）将VOCs定义为所有能参加大气光化学反应的有机化合物。美国国家环保局定义则有所不同，他们将除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、金属碳酸盐外，任何能参加大气光化学反应的碳化合物认定为VOCs。我国对于VOCs的普遍定义是能参与大气光化学反应的有机化合物。

我国VOCs的主要来源分为人为源和天然源，人为源又分为工业源、生活源、移动源。据统计，工业源排放量占整个人为源的比重最大，高达55.5%[2]，其中重点行业（包括石化、化工、涂装等）的产污过程中VOCs排放量占整个工业源的60%以上，因此对重点行业的管控是VOCs管控的重要环节。生活源中VOCs主要来自餐饮业，随着现阶段城市餐饮业的迅速发展，餐饮也成为城市VOCs的重要来源之一，目前全国各个省份都在加紧制定餐饮油烟排放标准，对VOCs的排放进行管控，江苏省将于2021年下半年出台相应的餐饮标准。移动源排放指的是燃油汽车使用过程中的VOCs排放，燃油汽车在使用过程中不仅释放VOCs，还会释放出大量的氮氧化物，VOCs与氮氧化物在光照的作用下，会产生O3与细颗粒物，对大气产生污染，全国目前对于移动源的管理早在几年前就已经开始，比如国五标准上升到国六、大力扶持新能源汽车等。天然源指的是自然界植物的释放，森林和灌木林是天然源中最大的排放源。

VOCs的种类按化学结构可分为8类：烷烃类、芳香烃类、烯烃类、卤代烃类、酯类、醛类、酮类和其他化合物。常见的VOCs有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷等[3]。由于VOCs种类众多，结构复杂，因此各工业行业中VOCs处理技术也都不尽相同，下面将介绍一些常见的VOCs末端治理技术。

3 工业企业中VOCs治理常见工艺技术

3.1 低温等离子体技术

该技术适用于低浓度含VOCs废气和恶臭异味气体的处理，一般与其他技术组合使用，作为二级净化单元。该技术原理是通过施加外部电压，当施加电压达到气体临界的放电电压时气体会被击穿，大量电子、离子、原子和自由基被释放出来。放电过程中产生的重粒子比高能电子温度低，使整个系统处于较低的温度状态，在低温状态下产生的高能电子、自由基等有很强的反应活性，与污染物发生反应，使污染物分解，达到去除污染物的作用[4]。

局限性：这项技术适用于低浓度VOCs废气（一般宜低于300 mg/m3），对安全要求较高。且废气还需要进行过滤去除油雾等颗粒物，该技术属于新型技术，在使用中仍有较大的局限性。

3.2 吸附工艺技术

常用的吸附剂为活性炭，因其成本低、应用方便，目前被广泛应用于各行业的VOCs治理。

其工作原理见图1。

图1 吸附工艺原理图

目前市场上的活性炭种类很多，质量也参差不齐，不少地方生态环境部门要求选用颗粒状、柱状活性炭，碘值应大于800 mg/g，四氯化碳值不低于40-45%。很多地区的生态环境部门已经着手关注优质活性炭的应用，苏州市生态环境局印发了《谈天说炭——帮扶企业挥发性有机物治理之活性炭应用》宣传短片和宣传册，指导企业选用优质活性炭用于VOCs的治理。

3.3 燃烧技术

3.3.1 蓄热氧化技术（RTO)

原理：蓄热氧化技术，其实就是蓄热燃烧技术，将废气加热到较高温度（700 ℃），废气中的VOCs燃烧生成水和二氧化碳，再通过陶瓷蓄热体收集产生的热量，收集的热量再对后续进入的有机废气进行预热，提升温度所需要的燃料消耗。RTO技术又可分为两床、三床及旋转多种工艺[5]。

3.3.2 催化燃烧技术（CO）

催化燃烧技术指的是通过使用合适的催化剂，降低有机废气中VOCs的活化能，从而在加热到较低温度时就能使废气中的VOCs完全燃烧，分解成二氧化碳和水。通过催化剂可以大幅降低有机废气的起燃温度，使之进行无焰燃烧，并有效降低反应能耗以及氮氧化物的生成。

3.3.3 蓄热催化氧化技术（RCO）

这项技术是结合了RTO与CO两项技术的特点，利用催化剂，将有机废气加热到较低温度（300 ℃左右）即可反应生成二氧化碳和水，氧化产生的高温气体热量被保存在陶瓷蓄热体中，为后续进入的有机废气进行预热，从而达到降低能耗的作用。RCO与RTO相比，更为环保节能，在较低温度就能进行反应，且反应中不易产生二噁英等恶臭物质，但是投资成本较高。

3.4 生物净化技术

该技术主要是通过集气系统收集排放的臭气，再通过负压系统压送到洗涤-生物滤床除臭设备进行后续处理。洗涤的主要目的是除尘，调节气体的环境条件（温度、湿度、去除水中可溶性物质等），然后将气体输送到生物过滤床，通过滤床上的微生物进行定向分解。这种技术对硫化氢、含氮臭气、甲硫醇等治理效果较好，但是对很多其他种类的VOCs并不适用，具有局限性，仅使用于污水处理站、垃圾填埋场等行业。

3.5 光催化技术

光催化技术开始主要是利用二氧化钛光催化材料降解三氯乙烯，随着对光催化技术研究的深入，发现光催化技术对于烷烃、有机醇、芳香烃等多种VOCs有着很好的降解作用。目前该方法是利用二氧化钛在紫外光的催化下，使VOCs发生分解反应，生成二氧化碳和水。光催化技术处理效率受催化材料、反应时间、湿度及VOCs种类等的影响。因此光催化技术局限性较强，如果无可控技术，其产生的中间副产物会加大污染排放。