UV工藝在廈門市VOCs廢氣治理中的應用研究

吳艷聰 劉建福

(1.廈門市環境科學研究院，福建 廈門 361021；2.廈門理工學院環境生物技術福建省高校重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

“十三五”以來，我國細顆粒物(PM2.5)污染控制雖取得一定成效，但PM2.5濃度仍處高位。京津冀及周邊地區源解析結果表明，揮發性有機物(VOCs)是PM2.5的主要組分，其貢獻占比可達20%～40%[1]。同時，我國臭氧(O3)濃度逐年上升，尤其在夏秋季節，O3已成為部分城市的首要污染物[2],O3污染問題日益顯現。有關研究表明，VOCs是形成O3和PM2.5的重要前體物，減少VOCs排放可有效降低空氣中的PM2.5和O3濃度[3]。為此，《中共中央 國務院關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》明確要求大力推進揮發性有機物減排，確保2025年揮發性有機物排放總量比2020年下降10%以上[4]。

廈門市自2016年開始實施VOCs污染整治，涉及表面涂裝、印刷包裝、含噴漆的汽車維修、化工、船舶制造維修業、橡膠制品業、制鞋業、工藝品制造等8個行業。至2019年底，廈門市整治企業1025家。

常見的VOCs廢氣末端治理技術有直接燃燒法、吸附濃縮+蓄熱燃燒法、吸附濃縮+蓄熱催化燃燒法、活性炭吸附法、吸收法、冷凝回收法、UV法(即利用紫外光催化或分解VOCs的方法)、低溫等離子法、生物法等[5-6]。其中，UV法因其投建費用、運維成本較低，在中小企業中應用廣泛。但隨著研究的深入，行政主管部門意識到采用UV法治理工業VOCs廢氣不僅效率低，還會產生臭氧，可能與治理初衷背道而馳。

2019年，為做好廈門市下一步的VOCs污染防治決策，特別對涉VOCs排放的工業企業開展相關調查與監測。其中，開展末端治理工藝應用情況調查涵蓋VOCs排放企業632家。同時，重點篩選典型UV治理工藝企業20家，開展UV工藝參數、VOCs治理效率及臭氧排放濃度調查與監測，以此研究UV法的實際治理效果和臭氧產生情況等問題。

1 UV工藝應用情況簡介

1.1 UV工藝原理

UV波長在100～380nm范圍內，按波段可分為UV-A、UV-B、UV-C和真空紫外V-UV。其中，UV-C和V-UV有相對較強的氧化能力。在VOCs廢氣治理上，UV工藝雖然名稱叫法繁多，比如UV光解、UV光催化、UV光氧化等，但其實際應用原理大致相同[7]。工業上一般使用低壓汞燈來產生UV。低壓汞燈產生的UV波長主要集中在254nm與185nm處，其中254nm處約占85%，185nm處約占15%。UV分解VOCs有兩種途徑，一種是紫外光直接氧化分解作用，當紫外線能量大于有機物鍵能時，UV可以將有機物分子實體中的一個或多個化學鍵打斷，以達到降解的目的；另一種是光催化氧化，即填充的光催化劑在紫外光照射條件下發生電子-空穴分離，激發O2或者VOCs分子，產生了活性氧化劑如臭氧(O3)、氧自由基(O·)或羥基自由基(·OH)。這些活性氧化劑再與VOCs分子發生氧化反應[8-10]。常用光催化劑為TiO2[11]。理論上，絕大多數的揮發性有機物分子最終都可以被氧化分解成無害的二氧化碳和水[12]。

1.2 UV工藝應用

根據調查，與其他常見的VOCs末端處理工藝相比，UV工藝在廈門市VOCs排放企業中的應用比例最高，約為59%。如圖1所示，按照VOCs排放重點行業分類，汽修(帶噴漆作業)、包裝印刷、涂裝、化工使用比例分別為77%、45%、46%、67%。

圖1 廈門市VOCs排放企業UV工藝選用情況

在具體應用上，為提高廢氣處理效率，企業往往采取各種治理工藝串聯組合。除單一UV工藝外，常見的UV工藝聯用組合有UV+活性炭、UV+等離子等。據本次調查，在UV系列工藝中，單一UV的應用約占58%，UV+活性炭約29%。UV+等離子因投用成本相對較高，比例最小約為13%。

2 調查與監測

2.1 調查

基于UV降解VOCs的工作原理，UV能量強度、VOCs分子在UV處理設施的停留時間、催化劑的用量等都是影響處理效率的重要因素。因此，通過發放調查表，調查UV燈管功率、燈管數量、催化劑裝填量、處理設施運行風量、設施尺寸大小等參數，評估處理設施設計參數設置是否合理。

2.2 監測

為了評估UV工藝實際處理效率和臭氧產生量，選取20家典型企業，其中單一UV設施的企業9家、UV+活性炭企業6家、UV+等離子企業5家。參照國標監測采樣方法，現場監測進出口的風量，采樣、送測進出口非甲烷總烴濃度，按公式(1)計算設施處理效率，使用便攜式臭氧分析儀(型號：美國2B Technologies Model 106M)現場監測設施出口的臭氧濃度，并結合風量，按公式(2)計算臭氧的排放速率。

(1)

式(1)中，η為處理設施處理效率；C進口、C出口分別為處理設施進出口非甲烷總烴監測濃度，單位為mg/m3；Q進口、Q出口分別為處理設施進出口實測風量，單位為m3/h。

Q=C×q

(2)

式(2)中，Q為臭氧排放速率，單位為g/h；C為出口臭氧排放濃度，單位為g/m3；q為設施出口風量，單位為m3/h。

2.3 調查與監測結果分析

使用單一UV工藝的企業調查與監測結果詳見表1。

表1 單一UV處理設施參數調查與監測情況

從處理效率分析，單一UV工藝對VOCs的處理效率約在21%～55%，平均處理效率約39%；處理設施均有不同程度的臭氧產生，臭氧排放速率約在21～90g/h，平均排放速率約60g/h。每根燈管的臭氧排放速率大小不一，可見紫外燈管的質量參差不齊。總體來說，每萬風量紫外燈管功率越大，臭氧排放速率越高，停留時間越長對應的處理效率越高。預計，每萬風量紫外燈管功率在15kW以上，停留時間在2s以上，處理效率可以大于40%。結合廈門市第一階段VOCs整治工作的調查評估，當前單一UV工藝處理設施參數取值較為規范，廢氣停留時間大多在1.5s以上，每萬風量紫外燈管總功率大多在8kW以上。

采用UV+活性炭聯用工藝的企業調查與監測結果見表2。

表2 UV+活性炭處理設施參數調查與監測情況

根據調查監測數據，UV+活性炭的處理效率在12%～64%，平均處理效率約35%；臭氧排放速率在4～270g/h之間，平均約為70g/h。聯用工藝的影響因素更為復雜，活性炭的填充量越大，更換周期越短，臭氧排放速率越高，廢氣在設施內停留時間越長，處理效率就越高。一般情況下，廢氣在紫外光燈箱區停留時間宜在2s以上，活性炭停留時間宜在1s以上，每萬風量活性炭裝填量應大于1m3，活性炭更換周期宜小于3個月[13]。但在實際應用中，為了節約建設成本，設計的紫外燈管總功率、活性炭裝填量及廢氣停留時間均比單一UV或單一活性炭工藝小，同時活性炭更換周期更長，這樣往往造成在串聯組合中的UV工藝和活性炭工藝均未能正常發揮作用。

等離子技術原理是在通過強電場以氣體放電的形式引發高能電子，利用高能電子直接與VOCs分子發生反應生成多種碎片分子，或者間接產生·OH、·O等強氧化自由基分解VOCs分子，從而達到降解消除氣態VOCs污染分子的作用[14]。UV+等離子是指UV光催化與等離子的協同工藝。采用UV+等離子聯用工藝的企業調查與監測結果見表3。

表3 UV+等離子處理設施參數調查與監測情況

由表3可知，UV+等離子聯用工藝的處理效率在20%～55%，平均處理效率約42%；臭氧排放速率范圍約8～306g/h，平均排放速率約88g/h。由于等離子工藝降解VOCs過程同樣副產臭氧[15]，因此UV+等離子聯用工藝的臭氧平均排放速率比單一UV工藝高。

3 結論與建議

①UV系列工藝在廈門市VOCs排放企業中應用廣泛，比例超過59%，其中大多數為帶噴漆作業的汽修企業。在UV系列工藝選用中，以單一UV工藝最為常見，占比高達58%。UV系列工藝均有不同程度的臭氧排放，由于紫外燈管品牌與質量的不同，產生的臭氧排放速率不一，每根燈管排放速率從0.097g/h到5.64g/h，相差幾十倍。在VOCs的處理效率方面，UV系列工藝處理效率從12%到64%，總體處理效率不高，僅適用于低濃度VOCs的治理。調查的處理設施進口非甲烷總烴濃度在10～120mg/m3，進口濃度大小不一，也是造成處理效率不同的一大因素。建議企業合理設置工藝抽排風量，減風增濃，有利于提高廢氣處理效率。但UV工藝不能忽視臭氧產生問題，較高處理效率往往伴隨著較大速率的臭氧排放。

②在環境空氣質量評價中，臭氧日最大8h平均二級濃度限值為160μg/m3，廣泛應用UV工藝導致的臭氧排放可能對環境空氣質量存在一定的影響。建議開展UV系列工藝產生的臭氧對環境空氣污染的探索實驗，在不影響企業正常生產和安全的前提下，暫時關閉UV工藝，利用空氣質量自動監測站監測評估臭氧濃度變化情況。

③與其他VOCs處理工藝相比，UV工藝的投用及運維成本較低，除副產臭氧外，相對綠色環保，有良好的應用前景。同時臭氧是一種不穩定的氣體，半衰期短，可自動分解成氧氣。建議環?？蒲袉挝患訌娧芯浚剿鱑V處理工藝消除臭氧的方法，破除UV工藝的應用阻礙。此外，當前環保設施大多數為企業自主驗收，加上環保治理公司良莠不齊，低價競爭常見，UV關鍵設備如UV燈管、催化劑等以次充好，造成處理效率難以保證。建議行政主管部門逐步推動制定UV工藝VOCs廢氣治理相關技術標準，形成市場規范。

④研究表明，UV工藝應用在降解封閉體系中VOCs氣體，如循環降解室內、封閉車廂內的VOCs氣體，處理效率極高[16]。但在非封閉體系中，受限于停留時間等因素，當前工業VOCs廢氣處理效率較低。涂裝、包裝印刷、化工都是VOCs排放的重點行業，為減少VOCs污染，促進污染物減排，建議行政主管部門引導重點行業企業選用處理效率較高的處理工藝，逐步更替UV工藝。