南方某城市揮發性有機物控制方案及效益分析

何志達，李劍峰，葉茂盛，劉 梅，丁俊岐，牛文鈺

(1.北京市通州區馬駒橋鎮政府，北京 101100;2.廣州市萬保職業安全事務有限公司，廣東 廣州 510660;3.南水北調東線總公司，北京 100070)

所謂揮發性有機物(VOCs)，即具有揮發性的有機物的統稱。不同的標準對其定義的側重點不同，例如美國聯邦環保署(EPA)將其定義為除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外，任何參與大氣光化學反應的碳化合物[1]；世界衛生組織(WHO)將總揮發性有機化合物(TVOC)定義為熔點低于室溫而沸點在50～260℃之間的揮發性有機化合物[2]。VOCs是臭氧污染的關鍵前體物，還可形成二次有機氣溶膠[3-4]，這將嚴重影響空氣質量。同時，空氣中VOCs的存在對人類的健康造成了巨大的威脅[5-6]。VOCs的來源有很多，諸如植物釋放、建筑材料、工業廢氣、汽車尾氣等[7-8]。

近年來，隨著我國珠江三角洲地區各大城市的高速發展，大氣污染物排放集中，環境污染物的排放成為影響人體健康和環境質量的最主要因素[9]。結合該地區地理條件和自然氣象等因素，形成了區域性復合型大氣污染格局，主要表現為以臭氧(O3)為主要污染物的光化學煙霧污染和以細顆粒物(PM2.5)為主要污染物的霧霾污染[10]。以我國南方某城市(深圳市)為例，活性VOCs可參與大氣光化學反應，形成二次顆粒物，增加了顆粒物中的有機組分，同時還可參與光化學煙霧的形成，造成PM2.5和O3污染，影響該地區環境空氣質量，威脅人體健康[11-12]。根據北京大學深圳研究院2014年對深圳市大氣中PM2.5的來源解析結果[13]可知，有機物(OM)約占該市大氣中PM2.5濃度的38.7%，是該市大氣中PM2.5的主要貢獻源，相比于2009年該市大氣中PM2.5的來源解析結果，大氣中PM2.5的年均濃度下降了20%，但其中有機物與硫酸鹽的比值卻由2009年的1.19升至2014年的1.47，這說明有機物在該市大氣PM2.5污染中的主導地位越來越顯著。2016年3月23日，深圳市提出了2020年大氣中PM2.5年均濃度率先達到世界衛生組織第二階段標準(即PM2.5年均濃度為25 μg/m3)的目標[14]，這對該市進一步提升空氣質量提出了更高的要求，因此對VOCs的精細化控制和管理就顯得尤為必要。本文以南方某城市(深圳市)為研究對象，分析該市VOCs重點排放源及其時空分布特征，通過調研該市VOCs治理的初步成果及其現狀，分析VOCs排放控制的機遇和問題，明確該市需要重點治理的行業，并根據該行業的具體情況，制定VOCs排放的控制方案，同時開展環境效益技術和資金需求分析，以為我國制定VOCs排放控制技術政策管理體系，進一步管控VOCs污染提供參考。

1 案例研究

本文以我國南方某城市為案例，依據上述邏輯框架，為該市設計VOCs排放控制管理技術政策，具體內容如下。

1.1 案例涉及的法律法規

鑒于VOCs的危害，我國制定了諸多政策和技術措施來減少各行業企業VOCs的排放，以提高空氣質量，保護人體健康。例如：2010年5月，國務院辦公廳轉發給生態環境部等部門《關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量指導意見》中提出了加強VOCs污染防治工作的要求；《中華人民共和國大氣污染防治法》(2015年)將VOCs納入監管范圍，使VOCs管理有法可依。我國現行的各行業VOCs排放標準，詳見表1。

表1 我國現行的各行業VOCs排放標準

1.2 南方某城市VOCs人為源排放構成

一般情況下，某地區大氣污染排放清單的活動水平資料主要來源于當地政府公開發布的能源、經濟、居民生活、林業等統計數據。本文研究地區當地政府提供的環境統計資料、鍋爐調研資料、溶劑使用源資料主要來源于該市第一次VOCs污染源總量專項調查成果等。根據核算結果，經過多年治理，該市VOCs污染治理取得了一定的成效，2014年該市VOCs的排放總量為12.8萬t，比2008年下降了36%，2008年和2014年該市VOCs各排放源的分擔情況見圖1和圖2。

圖1 2008年南方某城市VOCs各排放源的分擔率Fig.1 Proportion of VOCs emissions in a city in Southern China in 2008

圖2 2014年南方某城市VOCs各排放源的分擔率Fig.2 Proportion of VOCs emissions in a city in Southern China in 2014

由圖2可見，有機溶劑使用源是該市首要的VOCs排放源，VOCs的排放量占排放總量的比例達49.7%，遠遠高于排在第二位的移動源(24.7%)；由有機溶劑使用源分行業VOCs排放的分擔率可以看出，家具制造業、電子制造業(含印制電路板制造業)、印刷業和塑膠制品業在該市較為發達，是該市有機溶劑使用源的最主要行業，約占所有的溶劑使用源的58.5%。

對比圖1和圖2可以看出：

(1) 2008年，在有機溶劑使用源中家具制造業制造VOCs排放源的分擔率為28%，為該市VOCs排放量最高的行業；至2014年，在有機溶劑使用源中家具制造業VOCs的排放量仍是最高，占比為17.3%，其VOCs排放源的分擔率已降至8.6%。在調查中發現，從2007年到2013年，該市家具制造企業的倒閉和搬遷比例為62%，這可能是近年來該市加強對家具制造業VOCs污染治理造成的，由VOCs排放源的分擔率也可看出該行業VOCs污染治理的效果較為顯著。

(2) 在有機溶劑使用源中，VOCs排放量其次的是電子制造業(電子制造業和印刷電路板制造業合計)和印刷業，占比分別為16.2%和13.9%。這是因為該市的液晶顯示器制造行業較為發達，該行業中的光刻、顯影、剝離等工藝需使用大量的有機溶劑，同時電子原件的清洗、絕緣等需使用大量的有機清洗劑，而印制電路板制造行業也需使用大量油墨，這些綜合導致了電子制造業對有機溶劑使用源VOCs排放量的貢獻較大；印刷業較高的VOCs排放則是因為該市大量印刷企業從事煙標、塑膠制品的印刷，使用了大量的溶劑型油墨所導致。

(3) 在有機溶濟使用源中，塑膠制品業緊隨其后，占比為11.1%，與以往的清單相比，塑膠制品業占有機溶劑使用源的比例大幅上升。這是由于以往的清單往往只關注塑膠加工工藝環節的VOCs排放，而經過深入調查摸底，發現許多塑膠制品企業工藝復雜，涉及涂裝、印刷、清洗、黏合和注塑等其他排放VOCs的工藝，其治理難度較大，加之政策上仍未得到重視，大部分企業仍處于無組織排放狀態；同時，由于該市塑膠制品業較為發達，盡管單家企業VOCs排放量不大，但企業數量眾多導致行業整體VOCs排放量較大。

(4) 生活與商用溶劑使用源、建筑涂料使用源、集裝箱制造業和金屬制品業在有機溶劑使用源中VOCs排放量的占比分別為8.5%、8.3%、7.5%和6.7%，相對較低，但值得注意的是，該市僅有一家集裝箱制造企業，即說明單家企業VOCs的排放量非常高。

(5) 汽車維修與保養業、汽車制造業、電氣機械制造業、自行車制造業、制鞋與皮革制造業和其他涉及有機溶劑使用行業的VOCs排放源的分擔率最低。但與集裝箱制造企業類似，由于汽車企業數量少，盡管其行業VOCs排放量的占比不高，但單家企業VOCs的排放量大。

隨著對VOCs污染治理重視程度的提高，不少企業安裝了VOCs污染治理裝置以達到排放標準。VOCs污染治理裝置首先通過集氣設備收集企業生產過程中產生的廢氣，然后通過不同的處理技術處理收集到的氣體，以消除其中的VOCs。然而根據該市第一次VOCs污染源總量專項調查統計結果可知，該市只有580家企業安裝了VOCs污染治理設備，僅占總企業數的24.7%。該市安裝VOCs污染治理設備企業所使用的集氣設施類型分擔率和氣體處理技術分類，見圖3和圖4。

圖3 南方某城市安裝VOCs污染治理設備企業所用的 集氣設施類型分擔率Fig.3 Proportion of gas collection facilities used by enterprises installing VOCs treatment equipment in a city in Southern China

由圖3可見，該市企業安裝VOCs污染治理設備所用的集氣設施類型基本以外部型集氣設備為主，占安裝VOCs污染治理設備企業的85.5%；只有個別行業(如電子制造業、印刷電路板制造業、醫藥制造業、化工及化學品制造業等)由于產品和工藝要求，集氣設施類型為密封型負壓操作集氣設備，占比為14.3%；包圍型集氣設備僅有一家企業使用。

圖4 南方某城市安裝VOCs污染治理設備企業所用的 氣體處理技術類型分擔率Fig.4 Proportion of gas treatment technology types used by enterprises installing VOCs treatment equipment in a city in Southern China

由圖4可見，該市47.2%的企業只有簡單的水噴淋廢氣處理技術類型，580家企業中有204家企業使用水噴淋+活性炭吸附技術類型，占安裝VOCs污染治理設備企業的35.2%；與酸堿廢氣一同處理的企業多使用洗滌塔或填料塔吸收(即吸收法)，共有56家企業使用該技術類型，占比為9.7%；還有少部分企業采取等離子破環、生物處理、直接燃燒、催化燃燒等廢氣處理技術類型。目前，該市大部分企業對廢氣處理僅用單一治理技術，且處理效率較高的催化燃燒或直接燃燒和冷凝吸附技術使用較少，很難達到環保治理的要求。

1.3 重點污染源VOCs排放的時空分布特征

通過上述對該市VOCs排放構成的分析可知，有機溶劑是該市VOCs的主要排放源，因此本文重點分析了該市有機溶劑使用源各行業VOCs排放的月變化信息及其空間分布特征。

1.3.1 VOCs排放的時間分布特征

有機溶劑使用源是指使用含揮發性有機物的溶劑作為原輔材料時，由于溶劑揮發而導致的大氣污染物排放行為。顯然，原輔料類型最能體現污染物的變化情況，但由于原輔料的類型繁多，不利于統計和調查，故不采用原輔料類型來統計有機溶劑使用源分行業VOCs排放隨時間的變化。由于使用有機溶劑的產品產量與VOCs排放具有較強的相關性，故采用主要使用有機溶劑的產品產量來表征有機溶劑使用源分行業VOCs排放隨時間的變化。本文通過對該市300多家不同行業的主要使用有機溶劑的產品產量進行實地調查，得到有機溶劑使用源分行業VOCs排放的月分配系數，見圖5。

圖5 南方某城市工業有機溶劑使用源分行業VOCs 排放的月分配系數Fig.5 Monthly distribution coefficient of VOCs emission from different industries using industrial organic solvents in a city in Southern China

由圖5可見，該市工業有機溶劑使用源中，4～7月份為集裝箱制造業生產旺季，約占全年產量的43.1%；10～12月份是自行車制造業、印刷電路板制造業的產量高峰，其余月份變化平緩；印刷制造業、制鞋及皮革、汽車、塑膠、電子、金屬、電氣機械等制造業和其他工業行業除2月份產量較低外，其余月份變化平緩；家具制造業下半年產量明顯高于上半年。

1.3.2 VOCs排放的空間分布特征

2014年該市不同地區VOCs排放和有機溶劑使用源企業的VOCs排放空間分布見表2。

表2 2014年南方某城市不同地區VOCs排放和有機溶劑使用源企業的VOCs排放空間分布

由表2可知，該市部分區域工業有機溶劑使用源的VOCs排放較為密集，這是由于工業有機溶劑使用源企業較多，個別企業VOCs排放量較大導致；還有部分區域由于施工企業較多，導致部分區域建筑涂料使用源VOCs的排放量較大，故VOCs排放量也相對較大；少部分區域由于使用有機溶劑的企業和施工企業均相對較少，故整片區域工業有機溶劑使用源的VOCs排放量較少。

1.4 重點行業VOCs污染的控制方案設計

該市的電子信息產品在全國首屈一指，手機、程控交換機、通信基站、彩電、計算機、嵌入式軟件等產量位居全國乃至全球前列。目前，該市已涌現出一批在國內外具有較強競爭力、較高知名度的龍頭骨干企業，如華為、中興通訊、創維、長城科技等，其工業產值超過百億元，發揮著明顯的示范、帶動和支撐作用。通信設備行業的華為、中興，計算機制造業的鴻富錦、聯想、長城科技，家用視聽行業的創維、TCL、康佳，均已成為家喻戶曉的龍頭和名牌企業。其中，該市在三大軟件領域具有明顯的優勢：以金蝶、金證為代表的企業信息化，以騰訊、迅雷為代表的互聯網服務，以華為、中興、邁瑞、科陸、同洲、航盛為代表的嵌入式軟件。憑借創新驅動和自主研發，該市電子信息產業已然領跑全國，年產值突破萬億大關，成為全國乃至全球重要的通信設備、平板顯示、計算機及外部設備、電子元器件、家用視聽和軟件的研發、生產、出口基地[27]。

根據前述分析可知，家具制造業、塑膠制品業、電子制造業和印刷業是該市最大的有機溶劑使用源VOCs排放行業，其中電子制造業共排放VOCs 1.0萬t，約占全市VOCs排放量的8%。近年來，隨著對家具制造業、印刷業等傳統VOCs排放行業的環保要求越來越嚴格，這些行業的VOCs污染治理水平得到較大幅度的提高，家具制造業已完成大部分的水性涂料改造或者安裝污染治理設備，印刷業也已經按照行業排放標準進行VOCs排放控制，而電子制造業的VOCs行業排放標準一直在征求意見過程中。該市電子制造業VOCs的排放量較高，且其污染治理手段及措施較為匱乏，部分企業甚至處于空白階段，且行業生產工藝尚未達到清潔生產的要求[14]。因此，電子制造業已經成為該市需重點管控的行業。

綜上所述，電子信息行業作為該市的支柱產業，整體的產業鏈完整，處于全國領先的位置，對該市的GDP有較大的貢獻值，是該市的特色行業。但是，由于電子信息行業是有機溶劑使用源VOCs重點貢獻的行業，故初步確定電子制造業為該市VOCs排放需重點管控的行業。

該市電子制造企業應推廣低VOCs 含量、低反應活性的原輔材料和產品，以減少苯、甲苯、二甲苯、二甲基甲酰胺等溶劑和助劑的使用為重點，實施原料替代，大力推廣水基化類溶劑，嚴格控制有機溶劑的使用；同時，定期完成有機廢氣的采樣與監測工作，保證采樣時的工況與平時生產一致，且對排氣筒廢氣的采樣與監測依照《固定源廢氣監測技術規范》(HJ/T 397—2007)執行，無組織排放取樣與監測依照《大氣污染物無組織排放監測技術導則》(HJ/T 55—2000)執行，并在電子制造業推廣VOCs在線監測，力爭在2019年底前，全市VOCs重點監管電子制造企業全部配套在線監測系統。

2 環境效益、技術和資金需求分析

2.1 環境效益分析

通過上述VOCs生產企業工藝及管理方面措施的實施，可以有效降低該市VOCs的排放量，提高空氣質量，而實施不同措施所形成的環境效益量化如下。

(1) 已建成的電子制造業工業涂裝項目使用低VOCs含量的涂料。據測算，對于油性單組分金屬底漆+油性高固含UV面漆，如果把底漆改為水性漆可減少約88%的VOCs排放量。目前該市電子制造業工業涂裝每年VOCs的排放量為1 109.3 t，實施該措施后約可減少976.2 t VOCs的排放量。

(2) 推廣使用環保型清洗劑。據測算，使用低揮發性清洗劑可減少70%～80%的VOCs排放量。目前該市電子制造業清洗劑每年VOCs的年排放量為4 040.00 t，實施該措施后約可減少969.6 t VOCs的排放量。

(3) 加強溶劑型生產線末端治理。據測算實施該方面的措施后，該市每年可減少約2 249.2 t VOCs的排放量。

實施以上措施后，該市每年可共削減4 195.0 t VOCs的排放量，占2014年電子制造業VOCs排放量的40.8%，其削減量占全市VOCs排放總量的3.3%，可為該市VOCs削減做出較大的貢獻。

2.2 技術和資金需求分析

2.2.1 低揮發性涂料改造資金需求

通過咨詢水性漆涂料廠商獲悉，通常情況下改進后的涂料較傳統涂料的價格可能上升約20%～30%。根據當地的補貼政策，凡按規定將原涂裝生產線改造為使用水性涂料、高固份涂料、粉末涂料或UV涂料(UV噴涂線除外)等低VOCs含量涂料的企業，每條涂裝生產線按設備改造費用總價的25%給予補貼。根據監測結果，一般水性漆改造后，末端只需要簡單的集氣設備高空排放氣體即可達標，而傳統油漆電子終端產品制造企業的末端治理成本約為總投資金額的0.5%左右，還不包括相應的運行費用。通過對比可知，采取源頭改造可大大節約污染治理設施的建設和運行費用。從未來的可持續發展方面考慮，水性漆源頭改造后不會額外增加企業太大的運營成本，可降低技術成本，倒逼產業技術升級。

2.2.2 末端治理設施資金需求

通過對電子產品生產企業的環保投資進行調查發現，企業進行環保投資占企業總投資的比例較低，一般不超過3%(總投資包括生產設備購置費和工程建設費)，不會給企業帶來較大的經濟影響。其中，半導體集成電路生產企業由于技術含量高、投資大，環保投資一般占總工程投資的1%～3%；LCD和LED生產企業由于其生產技術和工程建設的技術含量高、投資大，廢氣處理設備投資一般占總工程投資的0.5%；印制電路板企業的廢氣處理設施投資在0.5%以下；電子終端產品制造企業投入廢氣污染控制設施的費用約占工程總投資的0.45%～0.69%。

3 結論與建議

根據我國南方某城市工業VOCs污染現狀分析，結合重點行業污染治理情況和措施現狀，本文選取該市電子制造業為重點行業VOCs控制方案的設計對象，設計了針對該行業VOCs排放的控制方案。經初步測算，實施該控制方案后，該市電子制造業每年共削減4 195 tVOCs排放量，約占2014年電子制造業VOCs排放量的40.8%，有明顯的減排效益。同時，對控制方案的技術和資金需求等進行了測算，電子終端產品的水性漆源頭改造后不會額外增加企業太大的運營成本，可降低技術成本，倒逼產業技術升級；電子制造企業的環保投資占企業總投資的比例較低，一般不超過3%，不會給企業帶來較大的經濟影響。

該市半導體集成電路、LCD/LED和印制電路板等生產企業均屬于技術密集型行業，投資較大、工藝較為成熟，這些企業大量使用目前市面仍無可代替的低揮發性有機溶劑造成VOCs排放量較大，因此建議該市這些企業進行末端治理，嚴格控制集氣效率、排氣濃度和廠界無組織排放濃度，并大力推廣電子產品水性涂料使用；同時，政府應投入更多的資金大力扶持水性涂料改造基數，增加企業源頭改造補助力度，盡快打開電子終端產品水性涂料市場。

相比傳統涂料，水性涂料VOCs揮發量有所降低，但仍存在緩慢且長期揮發的狀況，揮發物質包含有機胺、醇、醚類等物質，對人體危害極大；而且由于人類嗅覺的靈敏度不足以發現較低濃度VOCs的揮發，容易造成人體慢性中毒或其他不可預知的不良反應。因此，VOCs污染問題應成為激勵涂料行業進行技術改良、推進產品技術升級工作的契機。

該市大部分企業雖安裝了活性炭治理設施，卻沒有嚴格按照活性炭更換周期進行更換或進行相應的脫附處理，導致排氣筒VOCs濃度不達標，因此建議企業綜合考慮其排放的VOCs組分的復雜程度，采取有效的治理設施；同時，目前大部分排氣扇和門窗等無法做到有效密封，建議對溶劑型生產線進行全密閉處理，使用集氣系統進行廢氣收集，保證集氣效率不低于90%。對于揮發量較大的工廠或園區，建議不僅可將VOCs作為廢氣進行簡單的治理，而且可將VOCs進行富集，通過分子篩轉輪吸附、真空脫附、冷凝回收等工藝，實現VOCs資源的回收與利用。

國家制定的固定源監測技術標準中規定的監測組分難以涵蓋電子制造行業所有的VOCs組分，如LCD/LED中大量使用的光刻膠、剝離液、N-甲基吡咯烷酮、丙二醇甲醚醋酸酯等組分基本不在監測范圍內，較難掌握真實的VOCs濃度排放水平，導致按監測濃度核算的VOCs排放量與物料衡算方法核算的VOCs排放量之間有較大的誤差。因此，建議進一步提高VOCs監測技術能力，摸清行業或工藝過程的典型VOCs組分，以掌握企業VOCs濃度的排放水平。