揮發性有機廢氣治理技術進展

李明廣 施 政 吳志平 吳 婭 洪祖喜

上海環境保護有限公司

1 引言

近年來，隨著我國經濟的快速增長，推動了我國的工業化的發展，工廠生產中往往會產生污染環境的廢氣廢水，其中有揮發性的有機廢氣是最為常見的環境污染物，所以需要充分重視揮發性有機廢氣的治理。

2 揮發性有機廢氣概述

所謂揮發性有機化合物（VOCs），指的是在常溫常壓的環境下，飽和蒸汽壓大于70Pa，沸點在50℃～260℃之間的易揮發、有刺激性氣味的一類有機化合物。很多企業的工業生產和運輸過程都會生產VOCs，比如石油化工、噴漆、生物制藥、橡膠加工等等。大部分VOCs本身是沒有毒性的，但是小部分有毒性并且會危害人們的身體。VOCs進入到空氣中，能與空氣中的二氧化氮等化合物發生化學反應，形成臭氧或產生光化學煙霧，對環境造成了嚴重的污染[1]。

3 揮發性有機廢氣的治理方法

3.1 吸附法

3.1.1 活性炭吸附

對于吸附法而言，活性炭屬于最為常用的吸附劑之一，能夠有效吸附VOCs，使得氣體能夠滿足排放標準。活性炭的主要優勢為價格低、吸附效果良好。而活性炭纖維則是高新科學技術創新的優良結果，其與傳統的活性炭對比，在VOCs的治理上，活性炭纖維的吸附效果更為突出，其原理為：活性炭纖維內外表面都分布著較多碳原子，通過這些碳原子的作用而構成了吸附效果極強的表面性結構。而正因該結構的特殊性，使得活性炭纖維吸附性能有著較大優勢，不論是在吸附速度上，還是吸附容量上，抑或是表面積大、再生簡單等方面，都表明了活性炭纖維十分適合廣泛應用于VOCs的治理工作中。

3.1.2 分子篩轉輪吸附

此種吸附方法比較適合用來處理大風量、濃度低的VOCs，去除率可高達90%以上，具有高效率、運行穩定的優點。其運作原理為現將有機廢氣從大風量轉化為小風量，而在小風量的狀態下，VOCs到達旋轉轉輪的處理區域會被轉輪之上的吸附劑吸附，從而使得氣體中的VOCs得到有效去除。

3.2 燃燒處理方法

3.2.1 直接燃燒法（TO）

直接燃燒法即將VOCs 直接通往能夠焚燒的鍋爐內，當VOCs夠高時，能夠在爐中充分燃燒；若VOCs濃度不高或是燃燒熱不高時，僅僅憑借自身燃燒產生的熱量是無法實現持續燃燒的，這是便需要加入輔助燃料，使廢氣燃燒完全。此種方法的優點在于，投入費用不高、所需設備簡單。但是應用這種方法處理VOCs需要始終保持較高的燃燒穩定，并且在此種高溫下可能會生產氮化物，會對空氣造成二次污染[2]。

3.2.2 催化燃燒法（CO）

催化燃燒方法利用催化劑進行氣-固相催化反應，降低廢氣進行燃燒反應的活化能，使其在250℃左右進行污染燃燒，最后能夠將有機物分成無毒、無污染的CO2和H2O。這種方法只能處理氣體量小的有毒廢氣。催化燃燒需要用到催化劑，催化劑的種類比較多，每一種催化劑的活性也不一樣，常見的催化劑主要有貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑，一般貴金屬催化劑的活性比較高，也有很好的耐高溫性，但是這類催化劑價格高，并且其催化效果還會受到介入的第二金屬成分、預處理方式的影響，所以很少進行產業化。而非貴金屬氧化物催化劑有銅、錳、鈰等非貴金屬氧化物，比貴金屬氧化劑的價格低很多，也有不錯的催化活性，所以常常被用作貴金屬催化劑的替代品，是這幾年來環境催化燃燒的研究熱點之一[3]。

3.2.3 蓄熱燃燒法（RTO）

直接燃燒法所產生的熱量大部分會被浪費掉，熱量利用率不高。為了降低成本，蓄熱燃燒法的原理是利用蓄熱室將VOCs燃燒產生的熱量儲存起來，然后再用這些熱量對燃燒室的VOCs廢氣進行預熱，對VOCs 廢氣的燃燒起到了輔助作用，減少了輔助燃料的使用，減少了燃燒成本。這種方法有操作簡單、設備使用壽命長的優點，能夠大量的處理中低濃度的VOCs 廢氣，但是這種設備體積大，一次性投資費用高。

3.3 生物處理方法

生物技術被廣泛應用于環境治理和廢物處理，這也是處理有機廢氣的有效方法之一，最早應用生物技術處理廢氣是在廢氣脫臭處理領域，近年開始將生物技術應用來揮發性有機廢氣上，開發除了新型的污染控制技術。生物技術處理方法利用將有機廢氣作為碳源和能源來維持生命活動的微生物，經過微生物的新陳代謝反應將廢氣中的有害物質分解為二氧化碳和水等無機物及細胞組成物，從而達到凈化的目的[4]。生物技術進行有機廢氣的處理是根據生物膜理論的原理，這關于有機廢氣跟生物膜之間的吸收、吸附、傳質基生物降解等過程，流程主要分為四步。

①傳質，從液相到固相，有機廢氣通過氣體擴散進入到液膜。

②吸附，因為濃度差產生的壓力，會將污染物吸附到生物膜的表面，生物膜表覆蓋著微生物，可以吸收污染物。

③微生物的生命活動可以依靠有機廢氣作為營養物質，并附著在生物膜表面的微生物在新陳代謝過程中將營養物質即有機廢氣物質分解成二氧化碳、水、無機物和生物質。

④分解形成的生物質和水可以進入液相被重復利用，而二氧化碳會從生物膜表面脫離擴散到大氣中。

當前生物處理方法的工藝主要有以下幾種：生物過濾器，生物洗滌器，生物滴濾器。幾種方法各有優缺點，需要根據實際工況進行合理選擇。

生物過濾器，能夠有效地去除有刺激性氣味的氣體，適用于單環芳烴、醇、酮等有機廢氣，并且投資小、成本低、操作簡單，同時也存在缺陷，因為生物過濾器體形大，需要占用較大的土地面積，因為微生物的新陳代謝，長時間不進行處理，就會使得填料出現礦化的現象，最終因為微生物的大量繁殖封堵填料，降低傳質的效果，所以需要高頻率的更換填料。

生物洗滌器，一般由洗滌器和生物反應器構成，兩者形成活性污泥處理系統，生物洗滌器在運行過程中易于調節，不容易出現堵塞的問題，但是操作要求高，難以處理濃度高和其量波動大的廢氣，無二次污染。但是這種設備洗滌塔系統壓降較大，一次性投資大、維護也需要昂貴的維護費。

生物滴濾器，因為采用惰性填料，其特點是表面積大，持水性高，所以生物可以很好地附著在上面，這種設備的操作不復雜，需要的壓力低，運行成本低，所以在VOCs處理上有很比較大的優勢，可以有效地處理H2S、甲硫酸、NH3等有刺激性氣味氣體的處理。但是也存在一定的缺點，微生物容易隨著液相的流失而流失，且會因為營養物質添加過多而導致微生物大量繁殖堵塞反應床，所以需要定期的更換填料。

3.4 等離子處理方法

等離子法是通過施加外電場使離子放電，形成大量的活化粒子，粒子具有能量與污染物分子劇烈碰撞從而發生哈化學反應，然后污染物分子被分解成為二氧化碳、水等小分子化合物或氧化成低毒或無毒物質。等離子體屬于高化學活性粒子，但是它對廢氣組成沒有選擇性，它可以與大多數廢氣中的成分發生反應破壞其化學鍵，使其斷裂，從而分解污染物分子，將常規方法無法處理的污染物分解成簡單的化合物，比起其他的化合物，有著流程短、去除率高、能耗低、適用性強、發展空間大等有點。但是其缺點也很明顯，需要高電源、利用能量的效率較比低，不能完全降解有害物質導致有二次污染[3]。

3.5 光催化氧化處理方法

在廢氣處理方面也可以應用新型的治理技術——光催化氧化技術，這種技術被許多研究人員廣泛關注，這種技術的原理中重點在于能夠在于利用紫外光或可見光進行照射，相關的催化劑在光照的條件下就會發生反應形成具有強氧化性的電子空穴對，電子空穴對可以與VOCs 上的有害物質發生氧化還原反應，分解釋放出無害的二氧化碳和水，從而將有毒物質凈化成無毒物質。光催化的效果取決于催化劑的活性強弱，當前比較好的催化劑為TiO2，這種催化劑具有催化活性高、穩定性好、價格低、不會危害人體健康等優點。光催化方法的優點在于沒有強烈的反應條件，對污染物沒有要求，可以凈化大多數的污染物，并且方法無毒、無害，可不斷循環利用，能耗和成本低。但是光催化養出處理方法中的催化劑容易失活、難以固定，固定化的催化劑其活性會降低，影響催化效率，這也是今后要重視和解決的問題。

3.6 組合處理工藝

很多情況下針對有機廢氣處理單一處理方法不一定能滿足處理需要，需要幾種處理方法組合使用，特別是針對低濃度有機廢氣，一般使用“活性炭+燃燒”，“活性炭+冷凝”或“分子篩轉輪+燃燒法”進行處理。

3.6.1 活性炭+燃燒法

此方法結合了吸附法與燃燒法的優勢，具有運作穩定性好、投資低、成本低、維修簡便等多項優點。原理為，先使用活性炭吸附VOCs，讓其在處于飽和狀態時與熱空氣發生作用，從而達成吸附、解析和脫附的目的，緊接著再把廢氣導入燃燒設備中做燃燒處理，以此實現對廢氣的充分凈化。該方法比較適合用于濃度不高、風力大的廢棄處理中。

3.6.2 分子篩轉輪+燃燒法

轉輪主體是一個填充了吸附劑的可旋轉輪子，且由三個區域構成——吸附區、脫附區、冷卻區。當VOCs 由鼓風機進入吸附區后，VOCs 便能被有效吸附，氣體得到凈化排出；然后，吸附劑轉動至脫附區，在和高溫空氣進行接觸后，VOCs 能夠被脫附濃縮；其后，吸附劑先經由冷卻區降溫，再轉動至吸附區重新進行吸附。便隨著轉輪的持續轉動，吸附劑能夠周期性進行吸附、脫賦予冷卻，以此實現對有機廢氣的凈化處理。

3.6.3 活性炭+冷凝法

將有機廢氣先通過模塊化換熱器做冷凝處理，能夠冷凝出一部分廢氣，再將剩余廢棄使用活性炭吸附，這樣能夠使得廢氣溫度有所降低，從而提升廢氣處理系統運作的安全性，并且也能使得活性炭吸附效率得到提升。

4 各處理工藝適用性

活性炭吸附具有極佳的抗沖擊負荷能力、處理效率高而穩定，但運行費用高，不宜單獨作為主體工藝，且受廢氣中的水分影響極大。

直接燃燒法相對投資較高，廢氣濃度不高時運行費用也大，為了減少能耗和二次空氣污染還需要復雜的輔助系統，只適用于個別工業廢氣的處理。

低溫等離子處理技術是新型處理技術的代表之一，最大優點是占地小、布置靈活，在現場沒有足夠場地的情況下可以考慮選用，處理效率與廢氣中的組分密切相關，但處理效率不高，易損耗；

生物處理技術無論是對無機物廢氣和低濃度有機廢氣包括惡臭廢氣體的適應性、處理效果還是維護管理的簡易性而言，與其他技術相比均具有無可比擬的優勢，但對高濃度廢氣和復雜成分廢氣無法達到處理效果。

光催化技術運行管理簡單，投資較低，但處理效果相對低溫等離子稍差，但安全性較高。

組合處理工藝具有其一定的優勢，比如活性炭+冷凝法適合于具有回收價值的廢氣，可產生一定經濟效益；分子篩轉輪+燃燒法是現今處理效率最高，運行最穩定的有機廢氣處理方法，特別是針對噴涂、涂料、包裝印刷行業，具有顯著優勢。

5 結束語

揮發性有機氣體成分復雜，其處理方法也各種各樣，每種方法也有不同的優缺點。要使廢氣處理結果達標，那么對有機廢氣進行處理時要充分考慮廢氣含有的成分和凈化要求選用適合的處理技術。