常见挥发性有机物处理技术概述

孙慧频，王继承

(中建二局生态环保科技有限公司，江苏 苏州 215100)

VOCs(挥发性有机化合物，Volatile Organic Compounds)是空气中普遍存在的一种有机污染物，对环境影响极大。挥发性有机物大多具有毒性，在破坏人类生存环境的同时，也严重威胁到人体的健康[1]。同时VOCs更是光化学反应过程中二次污染物的重要前体物[2]，它的大量产生和排放是导致我国O3浓度较快速增长的关键因素[3]。

面对严峻形势，人们对于大气污染防治工作越来越重视。当前形势下，VOC治理技术种类复杂多样，在不同工况下性能各异，不能完全保证实际条件下的处理效果。为了进一步治理VOCs污染，落实达标排放计划、国家环境法规和政策的控制要求，推动大气污染治理技术升级改造，研究有效的有机废气处理方法已是刻不容缓[4]。

1 VOCs常见控制技术

目前VOCs污染源数量多且分散，排放的废气构成复杂，差异性大，相态不同、浓度和气量波动范围大、连续和间歇排放共存、无组织排放严重等特征[5]。因此针对这些特征，VOCs的控制技术也多种多样。常见的VOCs控制技术可分为回收技术和销毁技术两大类。回收技术是在污染物物理性质的基础上，利用物理反应将污染物从废气组分中分离出来，包括吸收、吸附、冷凝和膜分离技术等；销毁技术是通过生化反应，降解生成CO2、H2O等无害小分子，包括燃烧、生物降解、光催化氧化、等离子体技术等。

1.1 吸收吸附技术

吸收技术是利用气体与吸收剂之间的物理或化学反应去除污染物组分[6]。常见的VOCs吸收剂分为无机类，如水等；有机类，如具有高沸点、低蒸气压的油类物质等。而吸附技术是利用孔隙率较大或比表面积较大的吸附剂，例如活性炭、沸石、活性氧化铝等，将VOCs吸附在表面或孔道中以实现污染物的分离[7]。该技术的处理效果较好，具有技术成熟，操作简单，成本低的特点，同时对于组分复杂、浓度波动大的废气具有一定的适应能力。但吸收技术也存在吸收剂损耗严重，再生回用难的问题；吸附技术中吸附剂易饱和失效，需定期进行脱附再生，导致吸附设备体积庞大，造价昂贵[8]。因此吸收、吸附剂的高效和高选择性是处理VOCs的关键因素。

吸收、吸附技术由于技术简单，有效减少污染物体积，运营成本低，重复利用率较高等优点，常作为预处理手段与催化燃烧技术等进行联用。工业上采用VOC废气吸附脱附催化燃烧系统，为工业VOCs的处理提供了技术保障[9]。

1.2 冷凝技术

冷凝技术是通过降温或增压的方法，使VOCs气体达到过饱和状态，凝结成液体，与气相分离，适用于组分简单、高浓度高沸点且具有一定回收价值的VOCs[10]。可直接回收利用有用组分，无二次污染，理论上可达到非常高的处理效率。但该技术对废气构成和设备具有一定要求，需要消耗大量能源，因此多与其他技术联用，或充当预处理技术。目前工业上常使用液氮低温冷凝[11]、湿式空冷器[12]等对气体进行冷凝，以便后期处置。

1.3 膜分离技术

膜分离技术是根据不同气体透过膜能力的不同，以压力差为驱动力，使部分组分通过膜扩散至另一流体当中，实现分离。膜材料是膜分离技术中的决定性因素之一，主要包括高分子材料、无机材料、金属材料等。膜分离技术适用于分离沸点温度或分子量相似、中高浓度的有机废气，具有处理效率高，设备体积小，对间歇式排放适应性强等优点[13]。目前该技术应用于医药、食品、污水处理等领域，由于现有的膜材料仍需进一步的开发以应对更严苛的反应条件，技术应用早期投入资金高，因此推广存在一定难度。

在装卸车船过程中的苯、二甲苯等呼吸气的回收，加油站的三次回收与达标排放等领域，以膜分离技术为核心，与冷凝、碱洗喷淋、复合光催化为辅的组合技术也逐渐被应用，形成一条废气治理新集成工艺技术路线[14]。其中，针对炼油和石化行业排放的高浓度有机废气回收和达标排放，如成品油装卸时的过程排放废气、油气储罐的呼吸气、间歇生产的排放气和火炬排放气等领域，都有许多成功的应用[15]。目前包装印刷行业采用一种新组合治理VOCs治理方案，即分子筛过滤吸附-真空解析-金属膜分离的联合工艺，有效降低了处理成本和能耗，提高了回收效率。分离后的溶剂品质优良，减少了二次污染[16]。

1.4 燃烧技术

燃烧技术作为常见VOCs处理技术，在实际工业生产中被广泛应用。该技术通过高温，促使有机物化学键断裂，氧化分解为相对分子质量较小的、无毒或毒性较低的物质。燃烧技术主要可分为直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧三类。直接燃烧是指可燃组分含量高或热值较高时，VOCs本身作为燃料维持燃烧，可实现高转化率，但易产生二次污染，存在一定的安全隐患[17]。热力燃烧是指不能满足直接燃烧条件时，利用辅料燃烧提供的热量使VOCs氧化分解，需消耗大量能源。催化燃烧是利用催化剂降低VOCs氧化分解所需的活化能，在较低的温度下进行无焰燃烧，释放大量热量，具有安全性好、节约能源、处理效果好的优点[18]。催化剂是该技术的核心，但废气组分中的杂原子易使其中毒失活，因此研制出低廉、高活性和高稳定性的催化剂是推广催化燃烧技术应用的关键。

为了充分利用燃烧反应，工业实际应用中RTO设备逐渐替代传统的催化燃烧、直燃式热氧化炉(TO)成为一种高效有机废气治理设备，适用于汽车涂装、石油化工、包装印刷、医药制造、印刷涂染等大风量低浓度废气排放行业，具有热效率高、运行成本低、余热二次利用率高的特点。同时为了进一步有效提高催化燃烧的效率，适应工业上低浓度大风量的VOC排放现状，燃烧技术常与吸附技术进行联用，在减小设备尺寸和占地面积的同时，也节约了成本。

1.5 生物氧化技术

生物氧化技术是利用活性微生物的生命活动将其转化为无害的小分子无机物和细胞质，包括生物滴滤法、生物洗涤法、活性污泥法和膜生物法等。该技术适用于可生物降解的低浓度有机废气，具有去除效率高、运行成本低、无二次污染等优点。由于微生物的培养驯化和降解速率的限制，使得该技术在高负荷、组分复杂的工况条件下降解效果不理想[19]，仍需进一步研究。

工业生产中主要有生物滴滤池[20]、生物过滤池[21]、生物洗涤池[22]3种工艺，在应用中滤料介质性质决定处理效果。其次，菌群需要连续、长时间的培养，培养过程中需严格控制系统内部温度、压强、酸碱度，并保障营养物质充足。目前菌种对复杂、化学稳定性强的有机物难以降解，例如芳香族化合物、有机氯化物、有机硫化物等，还需不断深入以培养和筛选出适应能力强、分解能力高、培养周期短的菌群[23]。

1.6 光催化技术

光催化技术是通过高能光子照射光催化剂，使电子转为激发态，电子跃迁后形成电子空穴对，吸附VOCs并反应，最终生成CO2、H2O和其他无机小分子[24]。光催化反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激产生分子激发态，反应活化能来源于光子的能量。紫外光催化是利用特制的高能紫外线光束照射气体分子的分子键，使之成为游离状态的污染物分子。同时在紫外线光束的照射下，空气中的氧分子分解产生游离氧，即活性氧，游离氧因正负电子不平衡与氧分子结合，进而产生臭氧。臭氧将游离状态的污染物分子氧化成微害物质或者无害物质，能够有效地减少污染物的危害性[25]。

常见的光催化剂主要是具有光催化性的半导体金属氧化物或混合金属氧化物，废气治理领域中多采用二氧化钛作为光催化剂。光催化技术工艺简单、反应条件温和且反应二次污染少，但实际应用中存在催化剂易中毒失活、处理效率相对较低等不足，难以大规模应用和推广，因此在工业中也常与其他技术联用，例如与等离子体技术联用，达到生成更多活性自由基，减少副产物生成的目的，提高污染物的降解效率。

1.7 等离子体技术

等离子体技术是新兴VOCs处理技术之一，能够在常温常压条件下处理低浓度有机废气，适用范围广。等离子体技术是通过气体放电产生带电高能粒子，与VOCs反应生成CO2和H2O[26]。但反应过程中易生成中间有机产物和臭氧、氮氧化物等副产物，反应不完全，因此常与其他技术进行联用。目前等离子体技术常与催化技术联用，以充分利用等离子体与催化剂之间所产生的协同作用[27]，是当前VOCs降解领域的研究热点之一。

在低温等离子体降解VOCs领域，研究人员针对反应器结构、VOCs种类、反应气氛等条件，对处理效率、产物、反应机理等进行了研究，发现同电压下，薄介质的圆柱放电腔具有更好的降解效果，电极之间的输入功率、放电间隙和气量都会影响VOCs处理效率[28]。

2 常见控制技术对比

在实际工业应用中，需要根据现场不同工况以及地方标准对现有工艺进行筛选和组合，并对粉尘、油烃类等物质进行有效预处理以保障后续处理效果，最终实现达标排放的目的。结合处理技术的原理及工业应用现状，对多种VOCs控制技术进行比较[29-30]，如表1所示。

表1 不同VOCs处理技术的比较

3 结 语

当前多种VOCs处理技术处理效果存在一定的差异性，实际应用中也存在不同的问题。回收技术，如吸收、吸附、冷凝和膜分离技术，对VOCs并未实现最终降解，仅实现分离。吸收和吸附技术存在饱和后吸收剂或吸附剂的更换问题；冷凝技术耗能高，对降温或增压设备要求高；膜分离技术中膜组件的投资成本高。回收技术多适用于较高浓度的VOCs，对于大风量、低浓度的工况条件难以满足处理要求。销毁技术通过生化反应实现了VOCs的彻底降解，对于VOCs的末端治理更具有应用价值。燃烧氧化技术能耗高，易产生有毒有害的副产物，易存在催化剂中毒失活的现象；光催化氧化技术中光催化剂易发生中毒现象；生物氧化技术对废气组分要求严格，对工况条件的变化敏感，存在一定局限性；低温等离子体技术在反应过程中易生成副产物，处理效率不高，在工业应用中推广程度低。目前单一VOCs处理技术在工业上处理效果难以保障，VOCs处理技术在不断革新的同时，向多种技术协同处理的方向发展，在提高不同工况适应性的同时提高了污染物处理效率。而众多协同技术也存在投资建设和运行费用高，操作难度大的缺点。因此降低成本，简化操作流程，将高效与高经济效益相结合，是复合型VOCs处理技术在实际工业应用中广泛推广的重要因素之一。