淺析VOCs的污染與治理技術

任 靜

(山西欣一榮環保科技有限公司，山西 陽泉 045000)

經過多年治理，我國大氣污染防治工作成效初顯，二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等主要污染物年均濃度呈逐步下降態勢。但以PM2.5和臭氧為特征大氣污染問題仍然突出，其中，VOCs作為O3和PM2.5的重要前體物[1-2]，在大氣污染中發揮著重要作用。作為PM2.5和O3的主要前體物質，VOCs的減排與控制成為當前階段我國大氣污染治理的重中之重，VOCs治理工作進入精細化深入治理的關鍵階段。

VOCs 是揮發性有機物英文名“volatile organic compounds”的縮寫，不同的機構和組織出于不同的管理、控制或研究需要，對VOCs 的定義不盡相同，目前尚沒有統一定義。我國標準主要基于能否參與光化學反應來定義：揮發性有機物(VOCs)是指“能參與大氣光化學反應的有機化合物，或者根據規定的方法測量或核算確定的有機化合物”[3]。

1 VOCs的來源

VOCs的排放源可分為固定源和流動源兩大類，其中，固定源包括化石燃料和生物質(秸稈、木材)燃燒，溶劑使用、工業過程(如石油化工、煉鋼煉焦)等；流動源指所有和機動車、船、飛機等交通工具相關的排放。此外，這些VOCs排放到大氣中，在光照等條件下通過化學反應可生成新的VOCs，即形成VOCs二次來源。

研究表明，在城市地區VOCs的每日主要貢獻源是動態變化的，早上VOCs的主要來源是上下班高峰期機動車尾氣的排放；午后由于溫度升高，VOCs油品或溶劑的揮發泄露成為重要來源；夜晚環境中的VOCs則主要是白天排放VOCs的累積。從季節變化來看，二次生成的VOCs是夏季VOCs的重要來源，在冬季燃煤的貢獻率則更大[4-6]。

2 VOCs的危害

2.1 人體危害性

VOCs 種類繁多，有些基本沒有毒性，因此對人體及動物基本無害。但有些如甲醛、芳香烴特別是多環芳烴、二噁英類等具有較強的致癌、致畸、致突變等生物毒性，一些鹵代烴也具有毒性，對人體健康有顯著的毒害作用，室內長期暴露于高濃度VOCs 下會增加得肺癌、白血病和淋巴瘤的概率[7]。

2.2 環境危害性

2.2.1 導致大氣污染事件

光化學煙霧事件、霧霾事件等大氣污染事件的發生與大氣氧化性有著十分密切的關系，大氣氧化性主要體現在環境大氣中O3、·OH 自由基、過氧自由基等物質的濃度水平上，而VOCs 對上述氧化性物質生成起著十分重要的促進作用。VOCs 濃度升高，會打破清潔大氣中原有的光化學平衡，它可以與·OH、·RO 等自由基反應生成·HO2、·RO2等過氧自由基，并造成O3濃度的積累，進而導致大氣氧化性增強。一般而言，VOCs 濃度水平較高的區域，通常具有較強的大氣氧化性，其發生大氣污染性事件的可能性也較大。

2.2.2 破壞臭氧層

臭氧層處于大氣的平流層，距近地面10 km～50 km。平流層以下為對流層，地面排放的污染物主要存在于對流層，絕大多數VOCs在對流層都比較容易被氧化轉化，進而經過干、濕沉降等過程從大氣中去除，因此不容易進入平流層。但是VOCs 中含氟、氯、溴等的鹵代化合物(如氟利昂、四氯化碳等)，其中一部分在對流層大氣中壽命很長，可以被傳輸到平流層，在紫外線照射下，與臭氧發生光化學反應，從而導致臭氧的減少。這些鹵代化合物在平流層中積累，可對臭氧層造成長期破壞[8]。

3 VOCs的治理技術

目前，實用的VOCs 末端治理技術主要包括吸附、吸收、燃燒(高溫燃燒和催化燃燒)、冷凝、生物處理及其組合技術。各類技術都有其一定的適用范圍，其對廢氣組分及濃度、溫度、濕度、風量等因素有不同要求，因此企業在選用治理技術時，首先應從廢氣特性出發，從技術可行性方面進行考慮。

3.1 依據廢氣濃度選擇

3.1.1 高濃度

對于高濃度的VOCs(通常高于10 000×10-6)，當廢氣成分較為單一、沸點低、可回收利用效率高時，優先利用回收技術，如，甲醇、乙醇、環氧乙烷等。通常首先采用冷凝技術將廢氣中大部分的有機物進行回收，濃度降低后的有機物再采用其他技術進行處理[9]。如，油氣回收過程，油氣收集系統收集的油氣經油氣凝液罐排除冷凝液后進入油氣回收裝置，經冷凝回收的汽油進入收集儲罐，尾氣通過活性炭吸附后達標排放。

但在有些情況下，雖然廢氣中 VOCs 的濃度很高，但并無回收價值或回收成本太高，則采用直接燃燒法更加適用，如煉油廠尾氣的處理等。

3.1.2 低濃度

對于低濃度的VOCs(通常小于1 000×10-6)，目前治理技術眾多，如，吸附濃縮后處理技術、吸收技術、生物技術等，并可根據情況采用組合技術進行深度凈化。吸附濃縮技術(固定床或沸石轉輪吸附)近年來在低濃度VOCs 的治理中得到了廣泛應用[10]，經吸附濃縮后，若有機物回收價值高，可對廢氣中價值較高的有機物進行冷凝回收；若無回收價值，可以采用燃燒工藝進行銷毀。在吸收技術中，采用有機溶劑吸收的治理工藝由于存在吸收液處理困難、易造成二次污染等缺點，已較少使用。采用水吸收的工藝主要用于廢氣的前處理，如去除漆霧、去除酸堿氣體等。另外，對于水溶性高的VOCs，可采用生物滴濾法[11]和生物洗滌法，水溶性稍低的可采用生物濾床。

3.1.3 中等濃度

對于中等濃度的VOCs(1 000×10-6～10 000×10-6)，當廢氣中的有機物具有回收價值時，通常選用活性炭/活性炭纖維吸附+水蒸氣/高溫氮氣再生+冷凝工藝對廢氣中的有機物進行回收。對于水溶性高的VOCs(如醇類化合物)，也可采用吸收法回收溶劑。

當無回收價值時，一般采用催化燃燒(CO/RCO)和高溫燃燒(TO/TNV/RTO)技術進行治理。在中等濃度范圍內，催化燃燒和高溫燃燒技術的安全性和經濟性是最為合理的，因此是目前應用最為廣泛的治理技術。蓄熱式催化燃燒(RCO)和蓄熱式高溫燃燒技術(RTO)提高了催化燃燒和高溫燃燒技術的經濟性，使得催化燃燒和高溫燃燒技術可以在更低的濃度下使用，近年來得到了廣泛的應用[12-14]。

3.2 依據廢氣流量選擇

廢氣流量也是表征廢氣特性的一個重要方面，考慮廢氣流量并結合廢氣濃度，可以給出不同情境下適合的治理技術。吸附濃縮+脫附排氣高溫焚燒/催化燃燒組合技術適用于大風量低濃度VOCs 廢氣的治理；生物法適用于中等風量較低濃度VOCs 廢氣的治理；吸附法(更換活性炭)適用于小風量低濃度VOCs 廢氣的治理；活性炭/活性炭纖維吸附+溶劑回收適用于中大風量中低濃度VOCs 廢氣的治理；催化燃燒法、高溫燃燒治理技術適用于中小風量中高濃度VOCs 廢氣的治理；冷凝回收法適用于中低風量高濃度VOCs 廢氣的治理(通常大風量為大于10 000 m3/h；小風量為小于1 000m3/h；中等風量為1 000 m3/h～10 000 m3/h。

3.3 依據廢氣溫度選擇

廢氣溫度也是考慮的因素之一，由于溫度對治理效率影響顯著，因此在選擇治理技術時應尤為注意。吸附法要求氣體溫度一般低于40 ℃，如果廢氣溫度比較高，吸附效果會顯著降低，因此當廢氣溫度高于40 ℃時，不宜采用吸附法或者應先對廢氣進行降溫處理。燃燒法中當氣體溫度比較高，接近或達到催化劑的起燃溫度時，由于不再需要對廢氣進行加熱，采用催化燃燒技術是最為經濟的；當廢氣溫度超過催化劑的起燃溫度時，可以采用直接催化燃燒技術進行治理，如漆包線生產尾氣的治理等。

3.4 依據廢氣濕度選擇

廢氣濕度也會影響某些技術的治理效果，如吸附回收技術，活性炭、沸石和活性炭纖維在高濕度條件下(高于70%)對有機物的吸附效果會明顯降低，因此若采用該類技術應首先對廢氣進行除濕處理。

4 結語

由于VOCs的種類繁多，性質各異，排放狀況也存在氣量、濃度、溫度等方面的差異，VOCs處理方法需要根據不同情況進行選擇。因此，在治理VOCs時，需要充分了解VOCs的不同治理技術及其有效的使用范圍，進而根據廢氣的特性進行選擇，從技術和經濟上進行綜合評估，從而使VOCs廢氣得到有效治理。