關(guān)于VOC 的排放以及控制措施探討

◎李鑫

VOC 來源于VolatileOrganicCompounds 這一定義的英文縮寫，在中文中將其譯為揮發(fā)性有機化合物。它主要來源于人們的生產(chǎn)生活中，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中，大量的VOC 排放對自然界空氣環(huán)境造成了嚴重的破壞。隨著工業(yè)化進程的不斷加快，VOC 排放源也在不斷增加，其造成的污染也在不斷擴大。

一、VOC 排放現(xiàn)狀

根據(jù)文獻可知，對于VOC 的排放和控制的治理措施的研究西方國家相對較早，歐盟、美國、日本等均制定了相應(yīng)的排放控制標準與法律法規(guī)。我國在2012 年以后先后發(fā)布了《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》《“十三五”揮發(fā)性有機物污染防治工作方案》《重點行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合治理方案》《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準》《2020 年揮發(fā)性有機物治理攻堅方案》等，從而規(guī)范國內(nèi)VOC 的排放及控制。

隨著我國工業(yè)化進程的不斷推進，科技發(fā)展與環(huán)境污染矛盾日益突出，VOC 的排放及治理迫在眉睫。現(xiàn)階段，我國相關(guān)規(guī)定中提到的重點區(qū)域及行業(yè)關(guān)于VOC 的排放制度及治理技術(shù)相對成熟，其余區(qū)域及行業(yè)對VOC 的排放及治理重視程度不夠，多數(shù)無任何治理措施。根據(jù)《“十三五”揮發(fā)性有機物污染防治工作方案》的要求，對于新建涉VOC 排放的工業(yè)企業(yè)，應(yīng)入園區(qū)且符合產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃和園區(qū)規(guī)劃環(huán)評等要求，便于相關(guān)生態(tài)環(huán)境部門后期監(jiān)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。

當前對VOC 還沒有統(tǒng)一定義，但是VOC 對大氣造成的污染以及對身體健康危害是比較突出的，其能夠和氮氧化合物發(fā)生光化學反應(yīng)，從而就會形成光化學煙霧，對于部分的工業(yè)源所排放的揮發(fā)性有機化合物，比較常見的就是甲苯以及苯和二甲苯等，這是對人的呼吸系統(tǒng)以及視覺系統(tǒng)產(chǎn)生刺激作用的元素，對人的內(nèi)臟以及神經(jīng)有著很大的危害，有致癌以及毒害的作用。VOC 的成分是比較復雜的，其中的鹵代 烴能和臭氧產(chǎn)生循環(huán)鏈式的反應(yīng)，也會對臭氧層造成破壞，這就對環(huán)境產(chǎn)生很大的影響。對于VOC 的排放污染源中的工業(yè)源和人為源是比較突出的，在工業(yè)化的進一步發(fā)展過程中，VOC 的排放量會進一步的加大，如果沒有及時性的治理，就必然會對人的身體健康造成進一步的危害。

2.VOC 排放因子。

對于VOC 排放的控制，就要對排放因子準確及時的確定，這樣才能按照實際的排放源進行針對性的采取措施加以控制。根據(jù)實際的調(diào)查研究能發(fā)現(xiàn)，VOC 的排放源主要有幾個重要的方面，其中排放量比較大的源頭就是工業(yè)源，一些化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，鍋爐的燃燒中就會排放出大量的VOC，電力行業(yè)的鍋爐燃燒煤的過程中VOC 的排放因子，本文采取美國的AP-42 排放因子庫以及Bo 等相關(guān)研究，取值上為0.15kg/t，冶金業(yè)的VOC 排放因子參考美國AP-42 及歐洲環(huán)境局CORINAIR 因子庫，取值上為0.12kg/t。對于當前我國的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，其VOC 排放量在隨著生產(chǎn)量的加大，VOC 排放量也在進一步的提高。

另外，VOC 的排放源中的居民源以及移動源和無組織源，也是比較重要的VOC 排放源。這些都是和人們的生活有著緊密聯(lián)系的，如居民源對VOC 的排放，是在生活當中對熱能的需要而產(chǎn)生的VOC。而移動源也是不同車輛的使用所排放的VOC。無組織源則是對生物質(zhì)燃燒所排放的VOC，經(jīng)濟水平的不同生物質(zhì)燃燒排放量也有著不同。

三、VOC 處置技術(shù)的應(yīng)用進展

目前常用的VOC 處置或減排技術(shù)有熱氧化、催化氧化、吸附、冷凝或生物過濾等，它們的不同之處在于對不同濃度和流量范圍的VOC 處理有效，各方法的比較見表1。基于節(jié)能、處理效率高的特點，目前研究主要集中于催化燃燒技術(shù)，在其中又以低溫催化劑的高效、廉價、長生命周期的研究前景最為廣闊。長久以來，國內(nèi)外一直對處置VOC 的技術(shù)開展著大量的研究和應(yīng)用，下面將對這些處置技術(shù)及進展加以介紹，并對極具應(yīng)用前景的一些技術(shù)進行評述。

1.低溫等離子體－催化協(xié)同凈化技術(shù)。

傳統(tǒng)的VOC 的處置方法如液體吸收法、焚燒法和活性炭吸附法等已很難達到國際對VOC 排放的限制標準。低溫等離子體催化技術(shù)可以解決傳統(tǒng)凈化方法所不能解決的問題。等離子體技術(shù)從20 世紀80 年代就開始應(yīng)用于環(huán)境治理，隨后在研究中發(fā)現(xiàn)低溫等離子結(jié)合催化技術(shù)比傳統(tǒng)的單一熱催化或單一等離子體去除率更高。

固相催化劑的活性是由它們的化學和物相組成、晶體結(jié)構(gòu)及活性比表面所決定。在等離子體的作用下，催化劑表面會形成超細顆粒（比表面約為100m2／g，平均顆粒直徑為5～500nm），這將大大增加催化劑的比表面積，并破壞它們的晶體結(jié)構(gòu)，使其有更多的空穴，從而呈現(xiàn)出高的催化活性。

相比一般的催化劑，等離子體作用后的催化劑有6 個特點：①能耗少；②具高度分布的活性物種；③制備時間短；④有較強的催化劑活性和選擇性，及較長的催化劑壽命；⑤催化劑的組成和分散狀況可通過改變等離子體的化學參數(shù)得到控制；⑥等離子體的作用可促進催化劑中組分的均勻分布，從而降低對毒物的敏感程度。這些特性使該技術(shù)能有效地處置低濃度、大流量VOC 氣體，等離子體與催化技術(shù)相關(guān)聯(lián)，展示了其特異的化學現(xiàn)象和嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。盡管低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用于處理VOC 的研究已經(jīng)進行了近20 年，但目前國內(nèi)外對于NTP結(jié)合催化的相互作用機制及反應(yīng)動力學機理還不甚明朗；在對反應(yīng)的中間產(chǎn)物的定性和定量方面的研究還不深入；對等離子體作用下的催化劑結(jié)構(gòu)、凈化性能尚不清楚，且缺乏系統(tǒng)的研究，這些都有待科研工作者在今后的研究中繼續(xù)深入。

2.催化燃燒技術(shù)。

催化燃燒是典型的氣－固相催化反應(yīng)，在催化燃燒過程中，催化劑的作用是降低活化能，同時使反應(yīng)物分子富集于催化劑表面，從而提高反應(yīng)速率。借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無焰燃燒，并氧化分解為CO2 和H2O，同時放出大量熱。催化燃燒的反應(yīng)器有由較早報道的流向變換催化燃燒反應(yīng)器，它集固定床催化反應(yīng)器和蓄熱換熱器于一體。長久以來，有很多模擬處理VOC 方法的實驗，研究和改進了該裝置的操作參數(shù)。蓄熱式熱回收裝置從20 世紀70 年代末開始被應(yīng)用，2000 年以后發(fā)展的是采用陶瓷、礫石或其他高密度惰性材料床吸收氣體熱量。這種裝置去除率很高，可達98%，且回收率也高。蓄熱式燃燒法在歐洲和美國應(yīng)用得較多，國內(nèi)也有應(yīng)用。催化燃燒中常用的催化劑是貴金屬類負載型的Pt、Pd 催化劑，如Pd／A1203、Pd／ZrO2、Pt／A1203、Pt－Pd／A1203 等，但因價格昂貴，容易中毒失活，其應(yīng)用受到了限制。更多被研究的是價格較便宜，活性又好的非貴金屬催化劑。其中，被認為很有應(yīng)用前景的VOC 催化劑是鈣鈦礦型稀土復合氧化物（PTO），它因具有天然鈣鈦礦（CaTiO3）的結(jié)構(gòu)而被命名。但鈣鈦礦的強度低、比表面積小，一種改進鈣鈦礦型催化劑的方法是將活性物質(zhì)負載在大比表面的活性載體上。同時，結(jié)構(gòu)摻雜是提高鈣鈦礦材料催化燃燒活性的一種有效方法。如Au 的摻雜在未改變La0.8Sr0.2MnO3 催化劑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高了其低溫催化燃燒甲苯的活性同時明顯增強了催化劑表面氧的活性。催化燃燒技術(shù)涉及自動檢測控制、化工、環(huán)境工程等領(lǐng)域和催化反應(yīng)過程，在我國仍處于發(fā)展階段。今后的發(fā)展方向為：①催化燃燒裝置向大型化、整體型和節(jié)能型方向發(fā)展；②提高催化劑性能，研制具有抗毒能力、大空速、大比表面積及低起燃點的非貴金屬催化劑，以降低造價和使用費用。

3.炭吸附與光催化技術(shù)。

活性炭制備安全性能高、原料充足，具有耐熱、耐酸堿、易再生、不溶于水和有機溶劑等優(yōu)點，因此成為目前處理氣體污染物的首選吸附劑，在處置VOC 方面的主要應(yīng)用是：吸附和負載催化劑后對VOC 進行光催化降解。活性炭納米管、活性炭纖維都是近幾年來研究比較熱的吸附劑。而對活性炭改性，常用的方法有氧化、還原、負載雜原子和化合物等。光催化降解VOC 是一個新研究領(lǐng)域，活性炭應(yīng)用于光催化領(lǐng)域主要是由于其能負載各種不同的光催化劑，從而有助于其對VOC 進行催化降解。活性炭負載光催化劑的類型有：TiO2、MnO2、ZnO及其他金屬離子，利用TiO2 納米粒子光催化氧化污染物是環(huán)境污染控制研究的熱點。TiO2 可以將有機污染物降解為CO2和H2O，不會帶來二次污染，同時可逐步提高對光源的利用，有實際應(yīng)用潛力。由于活性炭同時也具有吸附性能，所以在處理VOC 時效果要比普通的催化劑載體好。炭吸附及光催化降解VOC 技術(shù)，由于目前的光催化劑光敏性不是很好，無法在可見光下進行高效率的有機物降解。在今后，首先需研發(fā)具有高選擇性或強針對性的消除痕量有毒有機物的光催化方法以及能夠快速活化分子氧的光催化體系；其次，加強在高效能量轉(zhuǎn)化形式和增大催化劑的捕光能力上的研究，使其不再制約光催化的實際應(yīng)用。

4.生物過濾技術(shù)。

生物滴濾器在一定程度上比傳統(tǒng)的生物濾池具有更高效的去除效果，特別是對低濃度的VOC 和惡臭氣體的處理。它具有無二次污染，抗沖擊能力強和可承受較大的污染負荷，操作簡單且條件易于控制等優(yōu)點，因而一直備受國內(nèi)外研究者的青睞。影響生物滴濾器對VOC 凈化的因素有很多，除了菌種、填料、進氣濃度的選擇、溫度、微生物和PH 值，還有很多其他的影響因素，在我國的研究雖不很成熟，但也日趨深入，其研究熱點及發(fā)展趨勢有將凈化機理在運用中得到進一步的完善和細化；動力學模型中參數(shù)和計算的簡化；將傳統(tǒng)和現(xiàn)代的技術(shù)結(jié)合培育出更多高效降解污染物的菌種；生物量的累積控制方法和增強生物膜的分析；與其他方法相結(jié)合，提高廢氣中污染物的去除效率。將生物滴濾器安裝在油漆廠區(qū)，與油漆生產(chǎn)時間同步運行，為8h／d 間歇式運行，與穩(wěn)定的實驗室條件相比，有機廢氣具有濃度波動和限時排放等特點，其去除率較低。研究發(fā)現(xiàn)，間歇運行的生物濾池運行2 個月后，其去除率尚不穩(wěn)定。其原因可能為：VOC 濃度過低時，微生物缺乏營養(yǎng)基質(zhì)，靠內(nèi)源呼吸維持活性，難于形成生物膜；較高濃度VOC 有機廢氣可使生物膜中微生物獲得更多碳源，利于其增長繁殖及提高活性，從而使去除率升高。進一步研究表明，處理限時排放和濃度波動的工業(yè)廢氣，可在生物濾池中添加合適比例的有機填料：無VOC排放時，有機填料的營養(yǎng)物質(zhì)可適當維持微生物活性。除此而外，可選擇培養(yǎng)耐饑性好的降解菌種或菌群來處理該類廢氣。有研究發(fā)現(xiàn)，某些真菌凈化該類廢氣可取得較好效果。

四、VOC 的排放控制措施

1.明確VOC 排放控制思路。

要明確VOC 排放控制的思路就是說，我們要將我國基本的大氣情況作為主要參考因素，從宏觀視角對整體排放做出規(guī)劃，再從細節(jié)出發(fā)將規(guī)劃落到實處，以此來制定排放控制計劃。控制計劃的制定要足夠全面，以應(yīng)對不同的環(huán)境狀況和需求。尤其是在VOC 來源和排放途徑的控制中，我們應(yīng)該著重管理化工企業(yè)的VOC 排放狀況，加強對這類型企業(yè)的監(jiān)管力度，促使他們采用更加先進更加環(huán)保的技術(shù)來處理排放物。煤炭相關(guān)部門向來是VOC 排放控制的重點目標，想要有效地控制好這些部門的VOC 排放，煤炭的清潔化就是一個必經(jīng)的過程；其次要對VOC 排放設(shè)備進行不間斷檢查，以預防因設(shè)備故障造成的VOC泄露，因此，要設(shè)計科學的防泄漏策略和泄露緊急處理措施；控制好加油站的VOC 排放同樣重要，特別是要避免運輸過程發(fā)生泄露，要做好泄露應(yīng)急方案，配備專門的油氣回收設(shè)備。

通過對VOC 排放根源的管理，能夠有效加強對VOC 排放的控制，對改善當前環(huán)境狀況有莫大幫助。同時要注重對控制VOC 排放新技術(shù)的研發(fā)，加強對新技術(shù)新機器的運用，以及對排放終端的科學安排和控制。另外，應(yīng)該加強對VOC 排放的再利用，對污染物質(zhì)含量較高的排放物要做好充分的處理，確保其達到我國相關(guān)規(guī)定中的排放標準。還有，對餐飲行業(yè)中的油污排放要做好規(guī)劃科學處理，保障其在得到處理后再排放。

2.合理選擇VOC 排放控制技術(shù)。

VOC 排放控制中，最關(guān)鍵的就是利用好科學技術(shù)手段。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，VOC 控制技術(shù)也在不斷地成長進步。在當前的VOC 治理中，各種控制技術(shù)的運用較為豐富，我們必須要在全面了解治理需求的基礎(chǔ)上，合理的選擇和應(yīng)用這些技術(shù)。

（1）生物分子轉(zhuǎn)換技術(shù)。這一技術(shù)主要是通過生物分子技術(shù)理論的運用，將微生物加入到反應(yīng)器填料中，利用生物分子來分解和轉(zhuǎn)化廢氣中的有害物質(zhì)，實現(xiàn)對VOC 排放的控制，其在VOC 排放控制的實際運用中具有很重要的價值。它的優(yōu)點在于使用成本低廉，而且微生物分子轉(zhuǎn)換產(chǎn)物多為二氧化碳等無害氣體，不會產(chǎn)生二次污染。同時，該技術(shù)對VOC 排放物的處理效果也比較顯著。

（2）膜分離處理技術(shù)。這一技術(shù)在VOC 排放處理中有比較廣泛的應(yīng)用。在實際操作中，主要通過將合成或天然的膜材料設(shè)置在VOC 排放通道中，通過空氣加壓，使廢氣在通過膜材料時得到有效的過濾。這一處理技術(shù)能夠?qū)OC 排放物中90%的污染物祛除，具有良好的處理效果。同時，他對于處理環(huán)境擁有較好的適應(yīng)能力，在不同溫度、濕度和壓力中都能發(fā)揮良好的作用，適用于非持續(xù)性的VOC 排放凈化作業(yè)。

（3）低溫等離子體催化技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的活性炭吸附等方式，該技術(shù)利用等離子體與催化手段的結(jié)合，能夠完成許多傳統(tǒng)方式難以解決的問題。將等離子體運用于VOC 排放處理始于20 世紀80 年代，那時候只是將等離子體技術(shù)進行單一使用，雖然也起到了一定的凈化效果，但是效率比較低，而且成本也高。在后續(xù)應(yīng)用中，人們發(fā)現(xiàn)將催化技術(shù)與等離子體技術(shù)相結(jié)合，能夠在凈化VOC 排放物時產(chǎn)生極高的效用，由此形成了現(xiàn)在使用的低溫等離子體催化技術(shù)。其不僅克服了高能耗的問題，還能夠節(jié)省大量的時間，擁有較高的凈化效率。

（4）催化燃燒技術(shù)。催化燃燒技術(shù)主要通過氣體和固體之間的催化反應(yīng)，使反應(yīng)物分子附著于催化劑外層，以此來提升反應(yīng)效率。它的主要作用是能夠使VOC 廢氣在低溫無明火狀態(tài)下燃燒，將其分解為無害的二氧化碳和水，同時產(chǎn)生大量的熱。催化燃燒裝置在應(yīng)用過程中，發(fā)生過許多次修改和變化，產(chǎn)生了數(shù)種不同材質(zhì)、功效、性能的產(chǎn)品。其中，陶瓷蓄熱式熱回收裝置以其高效的熱回收效率和廢氣處理效率，在國內(nèi)外都獲得了廣泛的應(yīng)用。

除了上述四種VOC 排放處理技術(shù)之外，還有一些處理技術(shù)也被大量運用在生產(chǎn)實際中。例如：冷凝法、吸附法以及傳統(tǒng)的直接燃燒法。我們通過表1 來對這些處理技術(shù)的優(yōu)缺點進行比較，能夠更加直觀的結(jié)合生產(chǎn)實際和需求，找到合適的處理方法。

表1VOC 排放物處理方法比較

結(jié)語

綜上所述，加強VOC 的排放控制工作的開展，就要先了解實際的情況，然后才去針對性的措施和技術(shù)加以實施。當前我國對VOC 排放控制技術(shù)的應(yīng)用還沒有成熟化，沒有形成完善的控制體系，在通過此次對VOC 排放控制的研究分析，希望能為實際的發(fā)展起到一定啟示作用。