关于VOC 的排放以及控制措施探讨

2022-05-05李鑫

经济技术协作信息 2022年14期

◎李鑫

VOC 来源于VolatileOrganicCompounds 这一定义的英文缩写，在中文中将其译为挥发性有机化合物。它主要来源于人们的生产生活中，尤其是在工业生产中，大量的VOC 排放对自然界空气环境造成了严重的破坏。随着工业化进程的不断加快，VOC 排放源也在不断增加，其造成的污染也在不断扩大。

一、VOC 排放现状

根据文献可知，对于VOC 的排放和控制的治理措施的研究西方国家相对较早，欧盟、美国、日本等均制定了相应的排放控制标准与法律法规。我国在2012 年以后先后发布了《重点区域大气污染防治“十二五”规划》《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》《重点行业挥发性有机物综合治理方案》《挥发性有机物无组织排放控制标准》《2020 年挥发性有机物治理攻坚方案》等，从而规范国内VOC 的排放及控制。

随着我国工业化进程的不断推进，科技发展与环境污染矛盾日益突出，VOC 的排放及治理迫在眉睫。现阶段，我国相关规定中提到的重点区域及行业关于VOC 的排放制度及治理技术相对成熟，其余区域及行业对VOC 的排放及治理重视程度不够，多数无任何治理措施。根据《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》的要求，对于新建涉VOC 排放的工业企业，应入园区且符合产业园区规划和园区规划环评等要求，便于相关生态环境部门后期监督、管理。

二、VOC 排放造成的危害以及排放因子

1.VOC 排放造成的危害。

当前对VOC 还没有统一定义，但是VOC 对大气造成的污染以及对身体健康危害是比较突出的，其能够和氮氧化合物发生光化学反应，从而就会形成光化学烟雾，对于部分的工业源所排放的挥发性有机化合物，比较常见的就是甲苯以及苯和二甲苯等，这是对人的呼吸系统以及视觉系统产生刺激作用的元素，对人的内脏以及神经有着很大的危害，有致癌以及毒害的作用。VOC 的成分是比较复杂的，其中的卤代烴能和臭氧产生循环链式的反应，也会对臭氧层造成破坏，这就对环境产生很大的影响。对于VOC 的排放污染源中的工业源和人为源是比较突出的，在工业化的进一步发展过程中，VOC 的排放量会进一步的加大，如果没有及时性的治理，就必然会对人的身体健康造成进一步的危害。

2.VOC 排放因子。

对于VOC 排放的控制，就要对排放因子准确及时的确定，这样才能按照实际的排放源进行针对性的采取措施加以控制。根据实际的调查研究能发现，VOC 的排放源主要有几个重要的方面，其中排放量比较大的源头就是工业源，一些化工企业生产过程中，锅炉的燃烧中就会排放出大量的VOC，电力行业的锅炉燃烧煤的过程中VOC 的排放因子，本文采取美国的AP-42 排放因子库以及Bo 等相关研究，取值上为0.15kg/t，冶金业的VOC 排放因子参考美国AP-42 及欧洲环境局CORINAIR 因子库，取值上为0.12kg/t。对于当前我国的工业生产领域的发展，其VOC 排放量在随着生产量的加大，VOC 排放量也在进一步的提高。

另外，VOC 的排放源中的居民源以及移动源和无组织源，也是比较重要的VOC 排放源。这些都是和人们的生活有着紧密联系的，如居民源对VOC 的排放，是在生活当中对热能的需要而产生的VOC。而移动源也是不同车辆的使用所排放的VOC。无组织源则是对生物质燃烧所排放的VOC，经济水平的不同生物质燃烧排放量也有着不同。

三、VOC 处置技术的应用进展

目前常用的VOC 处置或减排技术有热氧化、催化氧化、吸附、冷凝或生物过滤等，它们的不同之处在于对不同浓度和流量范围的VOC 处理有效，各方法的比较见表1。基于节能、处理效率高的特点，目前研究主要集中于催化燃烧技术，在其中又以低温催化剂的高效、廉价、长生命周期的研究前景最为广阔。长久以来，国内外一直对处置VOC 的技术开展着大量的研究和应用，下面将对这些处置技术及进展加以介绍，并对极具应用前景的一些技术进行评述。

1.低温等离子体－催化协同净化技术。

传统的VOC 的处置方法如液体吸收法、焚烧法和活性炭吸附法等已很难达到国际对VOC 排放的限制标准。低温等离子体催化技术可以解决传统净化方法所不能解决的问题。等离子体技术从20 世纪80 年代就开始应用于环境治理，随后在研究中发现低温等离子结合催化技术比传统的单一热催化或单一等离子体去除率更高。

固相催化剂的活性是由它们的化学和物相组成、晶体结构及活性比表面所决定。在等离子体的作用下，催化剂表面会形成超细颗粒（比表面约为100m2／g，平均颗粒直径为5～500nm），这将大大增加催化剂的比表面积，并破坏它们的晶体结构，使其有更多的空穴，从而呈现出高的催化活性。

相比一般的催化剂，等离子体作用后的催化剂有6 个特点：①能耗少；②具高度分布的活性物种；③制备时间短；④有较强的催化剂活性和选择性，及较长的催化剂寿命；⑤催化剂的组成和分散状况可通过改变等离子体的化学参数得到控制；⑥等离子体的作用可促进催化剂中组分的均匀分布，从而降低对毒物的敏感程度。这些特性使该技术能有效地处置低浓度、大流量VOC 气体，等离子体与催化技术相关联，展示了其特异的化学现象和崭新的应用领域。尽管低温等离子体技术应用于处理VOC 的研究已经进行了近20 年，但目前国内外对于NTP结合催化的相互作用机制及反应动力学机理还不甚明朗；在对反应的中间产物的定性和定量方面的研究还不深入；对等离子体作用下的催化剂结构、净化性能尚不清楚，且缺乏系统的研究，这些都有待科研工作者在今后的研究中继续深入。

2.催化燃烧技术。

催化燃烧是典型的气－固相催化反应，在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时使反应物分子富集于催化剂表面，从而提高反应速率。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2 和H2O，同时放出大量热。催化燃烧的反应器有由较早报道的流向变换催化燃烧反应器，它集固定床催化反应器和蓄热换热器于一体。长久以来，有很多模拟处理VOC 方法的实验，研究和改进了该装置的操作参数。蓄热式热回收装置从20 世纪70 年代末开始被应用，2000 年以后发展的是采用陶瓷、砾石或其他高密度惰性材料床吸收气体热量。这种装置去除率很高，可达98%，且回收率也高。蓄热式燃烧法在欧洲和美国应用得较多，国内也有应用。催化燃烧中常用的催化剂是贵金属类负载型的Pt、Pd 催化剂，如Pd／A1203、Pd／ZrO2、Pt／A1203、Pt－Pd／A1203 等，但因价格昂贵，容易中毒失活，其应用受到了限制。更多被研究的是价格较便宜，活性又好的非贵金属催化剂。其中，被认为很有应用前景的VOC 催化剂是钙钛矿型稀土复合氧化物（PTO），它因具有天然钙钛矿（CaTiO3）的结构而被命名。但钙钛矿的强度低、比表面积小，一种改进钙钛矿型催化剂的方法是将活性物质负载在大比表面的活性载体上。同时，结构掺杂是提高钙钛矿材料催化燃烧活性的一种有效方法。如Au 的掺杂在未改变La0.8Sr0.2MnO3 催化剂结构的基础上，提高了其低温催化燃烧甲苯的活性同时明显增强了催化剂表面氧的活性。催化燃烧技术涉及自动检测控制、化工、环境工程等领域和催化反应过程，在我国仍处于发展阶段。今后的发展方向为：①催化燃烧装置向大型化、整体型和节能型方向发展；②提高催化剂性能，研制具有抗毒能力、大空速、大比表面积及低起燃点的非贵金属催化剂，以降低造价和使用费用。

3.炭吸附与光催化技术。

活性炭制备安全性能高、原料充足，具有耐热、耐酸碱、易再生、不溶于水和有机溶剂等优点，因此成为目前处理气体污染物的首选吸附剂，在处置VOC 方面的主要应用是：吸附和负载催化剂后对VOC 进行光催化降解。活性炭纳米管、活性炭纤维都是近几年来研究比较热的吸附剂。而对活性炭改性，常用的方法有氧化、还原、负载杂原子和化合物等。光催化降解VOC 是一个新研究领域，活性炭应用于光催化领域主要是由于其能负载各种不同的光催化剂，从而有助于其对VOC 进行催化降解。活性炭负载光催化剂的类型有：TiO2、MnO2、ZnO及其他金属离子，利用TiO2 纳米粒子光催化氧化污染物是环境污染控制研究的热点。TiO2 可以将有机污染物降解为CO2和H2O，不会带来二次污染，同时可逐步提高对光源的利用，有实际应用潜力。由于活性炭同时也具有吸附性能，所以在处理VOC 时效果要比普通的催化剂载体好。炭吸附及光催化降解VOC 技术，由于目前的光催化剂光敏性不是很好，无法在可见光下进行高效率的有机物降解。在今后，首先需研发具有高选择性或强针对性的消除痕量有毒有机物的光催化方法以及能够快速活化分子氧的光催化体系；其次，加强在高效能量转化形式和增大催化剂的捕光能力上的研究，使其不再制约光催化的实际应用。

4.生物过滤技术。

生物滴滤器在一定程度上比传统的生物滤池具有更高效的去除效果，特别是对低浓度的VOC 和恶臭气体的处理。它具有无二次污染，抗冲击能力强和可承受较大的污染负荷，操作简单且条件易于控制等优点，因而一直备受国内外研究者的青睐。影响生物滴滤器对VOC 净化的因素有很多，除了菌种、填料、进气浓度的选择、温度、微生物和PH 值，还有很多其他的影响因素，在我国的研究虽不很成熟，但也日趋深入，其研究热点及发展趋势有将净化机理在运用中得到进一步的完善和细化；动力学模型中参数和计算的简化；将传统和现代的技术结合培育出更多高效降解污染物的菌种；生物量的累积控制方法和增强生物膜的分析；与其他方法相结合，提高废气中污染物的去除效率。将生物滴滤器安装在油漆厂区，与油漆生产时间同步运行，为8h／d 间歇式运行，与稳定的实验室条件相比，有机废气具有浓度波动和限时排放等特点，其去除率较低。研究发现，间歇运行的生物滤池运行2 个月后，其去除率尚不稳定。其原因可能为：VOC 浓度过低时，微生物缺乏营养基质，靠内源呼吸维持活性，难于形成生物膜；较高浓度VOC 有机废气可使生物膜中微生物获得更多碳源，利于其增长繁殖及提高活性，从而使去除率升高。进一步研究表明，处理限时排放和浓度波动的工业废气，可在生物滤池中添加合适比例的有机填料：无VOC排放时，有机填料的营养物质可适当维持微生物活性。除此而外，可选择培养耐饥性好的降解菌种或菌群来处理该类废气。有研究发现，某些真菌净化该类废气可取得较好效果。

四、VOC 的排放控制措施

1.明确VOC 排放控制思路。

要明确VOC 排放控制的思路就是说，我们要将我国基本的大气情况作为主要参考因素，从宏观视角对整体排放做出规划，再从细节出发将规划落到实处，以此来制定排放控制计划。控制计划的制定要足够全面，以应对不同的环境状况和需求。尤其是在VOC 来源和排放途径的控制中，我们应该着重管理化工企业的VOC 排放状况，加强对这类型企业的监管力度，促使他们采用更加先进更加环保的技术来处理排放物。煤炭相关部门向来是VOC 排放控制的重点目标，想要有效地控制好这些部门的VOC 排放，煤炭的清洁化就是一个必经的过程；其次要对VOC 排放设备进行不间断检查，以预防因设备故障造成的VOC泄露，因此，要设计科学的防泄漏策略和泄露紧急处理措施；控制好加油站的VOC 排放同样重要，特别是要避免运输过程发生泄露，要做好泄露应急方案，配备专门的油气回收设备。

通过对VOC 排放根源的管理，能够有效加强对VOC 排放的控制，对改善当前环境状况有莫大帮助。同时要注重对控制VOC 排放新技术的研发，加强对新技术新机器的运用，以及对排放终端的科学安排和控制。另外，应该加强对VOC 排放的再利用，对污染物质含量较高的排放物要做好充分的处理，确保其达到我国相关规定中的排放标准。还有，对餐饮行业中的油污排放要做好规划科学处理，保障其在得到处理后再排放。

2.合理选择VOC 排放控制技术。

VOC 排放控制中，最关键的就是利用好科学技术手段。随着现代科技的不断发展，VOC 控制技术也在不断地成长进步。在当前的VOC 治理中，各种控制技术的运用较为丰富，我们必须要在全面了解治理需求的基础上，合理的选择和应用这些技术。

（1）生物分子转换技术。这一技术主要是通过生物分子技术理论的运用，将微生物加入到反应器填料中，利用生物分子来分解和转化废气中的有害物质，实现对VOC 排放的控制，其在VOC 排放控制的实际运用中具有很重要的价值。它的优点在于使用成本低廉，而且微生物分子转换产物多为二氧化碳等无害气体，不会产生二次污染。同时，该技术对VOC 排放物的处理效果也比较显著。

（2）膜分离处理技术。这一技术在VOC 排放处理中有比较广泛的应用。在实际操作中，主要通过将合成或天然的膜材料设置在VOC 排放通道中，通过空气加压，使废气在通过膜材料时得到有效的过滤。这一处理技术能够将VOC 排放物中90%的污染物祛除，具有良好的处理效果。同时，他对于处理环境拥有较好的适应能力，在不同温度、湿度和压力中都能发挥良好的作用，适用于非持续性的VOC 排放净化作业。

（3）低温等离子体催化技术。不同于传统的活性炭吸附等方式，该技术利用等离子体与催化手段的结合，能够完成许多传统方式难以解决的问题。将等离子体运用于VOC 排放处理始于20 世纪80 年代，那时候只是将等离子体技术进行单一使用，虽然也起到了一定的净化效果，但是效率比较低，而且成本也高。在后续应用中，人们发现将催化技术与等离子体技术相结合，能够在净化VOC 排放物时产生极高的效用，由此形成了现在使用的低温等离子体催化技术。其不仅克服了高能耗的问题，还能够节省大量的时间，拥有较高的净化效率。

（4）催化燃烧技术。催化燃烧技术主要通过气体和固体之间的催化反应，使反应物分子附着于催化剂外层，以此来提升反应效率。它的主要作用是能够使VOC 废气在低温无明火状态下燃烧，将其分解为无害的二氧化碳和水，同时产生大量的热。催化燃烧装置在应用过程中，发生过许多次修改和变化，产生了数种不同材质、功效、性能的产品。其中，陶瓷蓄热式热回收装置以其高效的热回收效率和废气处理效率，在国内外都获得了广泛的应用。

除了上述四种VOC 排放处理技术之外，还有一些处理技术也被大量运用在生产实际中。例如：冷凝法、吸附法以及传统的直接燃烧法。我们通过表1 来对这些处理技术的优缺点进行比较，能够更加直观的结合生产实际和需求，找到合适的处理方法。