南方某城市挥发性有机物控制方案及效益分析

何志达，李剑峰，叶茂盛，刘 梅，丁俊岐，牛文钰

(1.北京市通州区马驹桥镇政府，北京 101100;2.广州市万保职业安全事务有限公司，广东 广州 510660;3.南水北调东线总公司，北京 100070)

所谓挥发性有机物(VOCs)，即具有挥发性的有机物的统称。不同的标准对其定义的侧重点不同，例如美国联邦环保署(EPA)将其定义为除CO、CO2、H2CO3、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵外，任何参与大气光化学反应的碳化合物[1]；世界卫生组织(WHO)将总挥发性有机化合物(TVOC)定义为熔点低于室温而沸点在50～260℃之间的挥发性有机化合物[2]。VOCs是臭氧污染的关键前体物，还可形成二次有机气溶胶[3-4]，这将严重影响空气质量。同时，空气中VOCs的存在对人类的健康造成了巨大的威胁[5-6]。VOCs的来源有很多，诸如植物释放、建筑材料、工业废气、汽车尾气等[7-8]。

近年来，随着我国珠江三角洲地区各大城市的高速发展，大气污染物排放集中，环境污染物的排放成为影响人体健康和环境质量的最主要因素[9]。结合该地区地理条件和自然气象等因素，形成了区域性复合型大气污染格局，主要表现为以臭氧(O3)为主要污染物的光化学烟雾污染和以细颗粒物(PM2.5)为主要污染物的雾霾污染[10]。以我国南方某城市(深圳市)为例，活性VOCs可参与大气光化学反应，形成二次颗粒物，增加了颗粒物中的有机组分，同时还可参与光化学烟雾的形成，造成PM2.5和O3污染，影响该地区环境空气质量，威胁人体健康[11-12]。根据北京大学深圳研究院2014年对深圳市大气中PM2.5的来源解析结果[13]可知，有机物(OM)约占该市大气中PM2.5浓度的38.7%，是该市大气中PM2.5的主要贡献源，相比于2009年该市大气中PM2.5的来源解析结果，大气中PM2.5的年均浓度下降了20%，但其中有机物与硫酸盐的比值却由2009年的1.19升至2014年的1.47，这说明有机物在该市大气PM2.5污染中的主导地位越来越显著。2016年3月23日，深圳市提出了2020年大气中PM2.5年均浓度率先达到世界卫生组织第二阶段标准(即PM2.5年均浓度为25 μg/m3)的目标[14]，这对该市进一步提升空气质量提出了更高的要求，因此对VOCs的精细化控制和管理就显得尤为必要。本文以南方某城市(深圳市)为研究对象，分析该市VOCs重点排放源及其时空分布特征，通过调研该市VOCs治理的初步成果及其现状，分析VOCs排放控制的机遇和问题，明确该市需要重点治理的行业，并根据该行业的具体情况，制定VOCs排放的控制方案，同时开展环境效益技术和资金需求分析，以为我国制定VOCs排放控制技术政策管理体系，进一步管控VOCs污染提供参考。

1 案例研究

本文以我国南方某城市为案例，依据上述逻辑框架，为该市设计VOCs排放控制管理技术政策，具体内容如下。

1.1 案例涉及的法律法规

鉴于VOCs的危害，我国制定了诸多政策和技术措施来减少各行业企业VOCs的排放，以提高空气质量，保护人体健康。例如：2010年5月，国务院办公厅转发给生态环境部等部门《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意见》中提出了加强VOCs污染防治工作的要求；《中华人民共和国大气污染防治法》(2015年)将VOCs纳入监管范围，使VOCs管理有法可依。我国现行的各行业VOCs排放标准，详见表1。

表1 我国现行的各行业VOCs排放标准

1.2 南方某城市VOCs人为源排放构成

一般情况下，某地区大气污染排放清单的活动水平资料主要来源于当地政府公开发布的能源、经济、居民生活、林业等统计数据。本文研究地区当地政府提供的环境统计资料、锅炉调研资料、溶剂使用源资料主要来源于该市第一次VOCs污染源总量专项调查成果等。根据核算结果，经过多年治理，该市VOCs污染治理取得了一定的成效，2014年该市VOCs的排放总量为12.8万t，比2008年下降了36%，2008年和2014年该市VOCs各排放源的分担情况见图1和图2。

图1 2008年南方某城市VOCs各排放源的分担率Fig.1 Proportion of VOCs emissions in a city in Southern China in 2008

图2 2014年南方某城市VOCs各排放源的分担率Fig.2 Proportion of VOCs emissions in a city in Southern China in 2014

由图2可见，有机溶剂使用源是该市首要的VOCs排放源，VOCs的排放量占排放总量的比例达49.7%，远远高于排在第二位的移动源(24.7%)；由有机溶剂使用源分行业VOCs排放的分担率可以看出，家具制造业、电子制造业(含印制电路板制造业)、印刷业和塑胶制品业在该市较为发达，是该市有机溶剂使用源的最主要行业，约占所有的溶剂使用源的58.5%。

对比图1和图2可以看出：

(1) 2008年，在有机溶剂使用源中家具制造业制造VOCs排放源的分担率为28%，为该市VOCs排放量最高的行业；至2014年，在有机溶剂使用源中家具制造业VOCs的排放量仍是最高，占比为17.3%，其VOCs排放源的分担率已降至8.6%。在调查中发现，从2007年到2013年，该市家具制造企业的倒闭和搬迁比例为62%，这可能是近年来该市加强对家具制造业VOCs污染治理造成的，由VOCs排放源的分担率也可看出该行业VOCs污染治理的效果较为显著。

(2) 在有机溶剂使用源中，VOCs排放量其次的是电子制造业(电子制造业和印刷电路板制造业合计)和印刷业，占比分别为16.2%和13.9%。这是因为该市的液晶显示器制造行业较为发达，该行业中的光刻、显影、剥离等工艺需使用大量的有机溶剂，同时电子原件的清洗、绝缘等需使用大量的有机清洗剂，而印制电路板制造行业也需使用大量油墨，这些综合导致了电子制造业对有机溶剂使用源VOCs排放量的贡献较大；印刷业较高的VOCs排放则是因为该市大量印刷企业从事烟标、塑胶制品的印刷，使用了大量的溶剂型油墨所导致。

(3) 在有机溶济使用源中，塑胶制品业紧随其后，占比为11.1%，与以往的清单相比，塑胶制品业占有机溶剂使用源的比例大幅上升。这是由于以往的清单往往只关注塑胶加工工艺环节的VOCs排放，而经过深入调查摸底，发现许多塑胶制品企业工艺复杂，涉及涂装、印刷、清洗、黏合和注塑等其他排放VOCs的工艺，其治理难度较大，加之政策上仍未得到重视，大部分企业仍处于无组织排放状态；同时，由于该市塑胶制品业较为发达，尽管单家企业VOCs排放量不大，但企业数量众多导致行业整体VOCs排放量较大。

(4) 生活与商用溶剂使用源、建筑涂料使用源、集装箱制造业和金属制品业在有机溶剂使用源中VOCs排放量的占比分别为8.5%、8.3%、7.5%和6.7%，相对较低，但值得注意的是，该市仅有一家集装箱制造企业，即说明单家企业VOCs的排放量非常高。

(5) 汽车维修与保养业、汽车制造业、电气机械制造业、自行车制造业、制鞋与皮革制造业和其他涉及有机溶剂使用行业的VOCs排放源的分担率最低。但与集装箱制造企业类似，由于汽车企业数量少，尽管其行业VOCs排放量的占比不高，但单家企业VOCs的排放量大。

随着对VOCs污染治理重视程度的提高，不少企业安装了VOCs污染治理装置以达到排放标准。VOCs污染治理装置首先通过集气设备收集企业生产过程中产生的废气，然后通过不同的处理技术处理收集到的气体，以消除其中的VOCs。然而根据该市第一次VOCs污染源总量专项调查统计结果可知，该市只有580家企业安装了VOCs污染治理设备，仅占总企业数的24.7%。该市安装VOCs污染治理设备企业所使用的集气设施类型分担率和气体处理技术分类，见图3和图4。

图3 南方某城市安装VOCs污染治理设备企业所用的 集气设施类型分担率Fig.3 Proportion of gas collection facilities used by enterprises installing VOCs treatment equipment in a city in Southern China

由图3可见，该市企业安装VOCs污染治理设备所用的集气设施类型基本以外部型集气设备为主，占安装VOCs污染治理设备企业的85.5%；只有个别行业(如电子制造业、印刷电路板制造业、医药制造业、化工及化学品制造业等)由于产品和工艺要求，集气设施类型为密封型负压操作集气设备，占比为14.3%；包围型集气设备仅有一家企业使用。

图4 南方某城市安装VOCs污染治理设备企业所用的 气体处理技术类型分担率Fig.4 Proportion of gas treatment technology types used by enterprises installing VOCs treatment equipment in a city in Southern China

由图4可见，该市47.2%的企业只有简单的水喷淋废气处理技术类型，580家企业中有204家企业使用水喷淋+活性炭吸附技术类型，占安装VOCs污染治理设备企业的35.2%；与酸碱废气一同处理的企业多使用洗涤塔或填料塔吸收(即吸收法)，共有56家企业使用该技术类型，占比为9.7%；还有少部分企业采取等离子破环、生物处理、直接燃烧、催化燃烧等废气处理技术类型。目前，该市大部分企业对废气处理仅用单一治理技术，且处理效率较高的催化燃烧或直接燃烧和冷凝吸附技术使用较少，很难达到环保治理的要求。

1.3 重点污染源VOCs排放的时空分布特征

通过上述对该市VOCs排放构成的分析可知，有机溶剂是该市VOCs的主要排放源，因此本文重点分析了该市有机溶剂使用源各行业VOCs排放的月变化信息及其空间分布特征。

1.3.1 VOCs排放的时间分布特征

有机溶剂使用源是指使用含挥发性有机物的溶剂作为原辅材料时，由于溶剂挥发而导致的大气污染物排放行为。显然，原辅料类型最能体现污染物的变化情况，但由于原辅料的类型繁多，不利于统计和调查，故不采用原辅料类型来统计有机溶剂使用源分行业VOCs排放随时间的变化。由于使用有机溶剂的产品产量与VOCs排放具有较强的相关性，故采用主要使用有机溶剂的产品产量来表征有机溶剂使用源分行业VOCs排放随时间的变化。本文通过对该市300多家不同行业的主要使用有机溶剂的产品产量进行实地调查，得到有机溶剂使用源分行业VOCs排放的月分配系数，见图5。

图5 南方某城市工业有机溶剂使用源分行业VOCs 排放的月分配系数Fig.5 Monthly distribution coefficient of VOCs emission from different industries using industrial organic solvents in a city in Southern China

由图5可见，该市工业有机溶剂使用源中，4～7月份为集装箱制造业生产旺季，约占全年产量的43.1%；10～12月份是自行车制造业、印刷电路板制造业的产量高峰，其余月份变化平缓；印刷制造业、制鞋及皮革、汽车、塑胶、电子、金属、电气机械等制造业和其他工业行业除2月份产量较低外，其余月份变化平缓；家具制造业下半年产量明显高于上半年。

1.3.2 VOCs排放的空间分布特征

2014年该市不同地区VOCs排放和有机溶剂使用源企业的VOCs排放空间分布见表2。

表2 2014年南方某城市不同地区VOCs排放和有机溶剂使用源企业的VOCs排放空间分布

由表2可知，该市部分区域工业有机溶剂使用源的VOCs排放较为密集，这是由于工业有机溶剂使用源企业较多，个别企业VOCs排放量较大导致；还有部分区域由于施工企业较多，导致部分区域建筑涂料使用源VOCs的排放量较大，故VOCs排放量也相对较大；少部分区域由于使用有机溶剂的企业和施工企业均相对较少，故整片区域工业有机溶剂使用源的VOCs排放量较少。

1.4 重点行业VOCs污染的控制方案设计

该市的电子信息产品在全国首屈一指，手机、程控交换机、通信基站、彩电、计算机、嵌入式软件等产量位居全国乃至全球前列。目前，该市已涌现出一批在国内外具有较强竞争力、较高知名度的龙头骨干企业，如华为、中兴通讯、创维、长城科技等，其工业产值超过百亿元，发挥着明显的示范、带动和支撑作用。通信设备行业的华为、中兴，计算机制造业的鸿富锦、联想、长城科技，家用视听行业的创维、TCL、康佳，均已成为家喻户晓的龙头和名牌企业。其中，该市在三大软件领域具有明显的优势：以金蝶、金证为代表的企业信息化，以腾讯、迅雷为代表的互联网服务，以华为、中兴、迈瑞、科陆、同洲、航盛为代表的嵌入式软件。凭借创新驱动和自主研发，该市电子信息产业已然领跑全国，年产值突破万亿大关，成为全国乃至全球重要的通信设备、平板显示、计算机及外部设备、电子元器件、家用视听和软件的研发、生产、出口基地[27]。

根据前述分析可知，家具制造业、塑胶制品业、电子制造业和印刷业是该市最大的有机溶剂使用源VOCs排放行业，其中电子制造业共排放VOCs 1.0万t，约占全市VOCs排放量的8%。近年来，随着对家具制造业、印刷业等传统VOCs排放行业的环保要求越来越严格，这些行业的VOCs污染治理水平得到较大幅度的提高，家具制造业已完成大部分的水性涂料改造或者安装污染治理设备，印刷业也已经按照行业排放标准进行VOCs排放控制，而电子制造业的VOCs行业排放标准一直在征求意见过程中。该市电子制造业VOCs的排放量较高，且其污染治理手段及措施较为匮乏，部分企业甚至处于空白阶段，且行业生产工艺尚未达到清洁生产的要求[14]。因此，电子制造业已经成为该市需重点管控的行业。

综上所述，电子信息行业作为该市的支柱产业，整体的产业链完整，处于全国领先的位置，对该市的GDP有较大的贡献值，是该市的特色行业。但是，由于电子信息行业是有机溶剂使用源VOCs重点贡献的行业，故初步确定电子制造业为该市VOCs排放需重点管控的行业。

该市电子制造企业应推广低VOCs 含量、低反应活性的原辅材料和产品，以减少苯、甲苯、二甲苯、二甲基甲酰胺等溶剂和助剂的使用为重点，实施原料替代，大力推广水基化类溶剂，严格控制有机溶剂的使用；同时，定期完成有机废气的采样与监测工作，保证采样时的工况与平时生产一致，且对排气筒废气的采样与监测依照《固定源废气监测技术规范》(HJ/T 397—2007)执行，无组织排放取样与监测依照《大气污染物无组织排放监测技术导则》(HJ/T 55—2000)执行，并在电子制造业推广VOCs在线监测，力争在2019年底前，全市VOCs重点监管电子制造企业全部配套在线监测系统。

2 环境效益、技术和资金需求分析

2.1 环境效益分析

通过上述VOCs生产企业工艺及管理方面措施的实施，可以有效降低该市VOCs的排放量，提高空气质量，而实施不同措施所形成的环境效益量化如下。

(1) 已建成的电子制造业工业涂装项目使用低VOCs含量的涂料。据测算，对于油性单组分金属底漆+油性高固含UV面漆，如果把底漆改为水性漆可减少约88%的VOCs排放量。目前该市电子制造业工业涂装每年VOCs的排放量为1 109.3 t，实施该措施后约可减少976.2 t VOCs的排放量。

(2) 推广使用环保型清洗剂。据测算，使用低挥发性清洗剂可减少70%～80%的VOCs排放量。目前该市电子制造业清洗剂每年VOCs的年排放量为4 040.00 t，实施该措施后约可减少969.6 t VOCs的排放量。

(3) 加强溶剂型生产线末端治理。据测算实施该方面的措施后，该市每年可减少约2 249.2 t VOCs的排放量。

实施以上措施后，该市每年可共削减4 195.0 t VOCs的排放量，占2014年电子制造业VOCs排放量的40.8%，其削减量占全市VOCs排放总量的3.3%，可为该市VOCs削减做出较大的贡献。

2.2 技术和资金需求分析

2.2.1 低挥发性涂料改造资金需求

通过咨询水性漆涂料厂商获悉，通常情况下改进后的涂料较传统涂料的价格可能上升约20%～30%。根据当地的补贴政策，凡按规定将原涂装生产线改造为使用水性涂料、高固份涂料、粉末涂料或UV涂料(UV喷涂线除外)等低VOCs含量涂料的企业，每条涂装生产线按设备改造费用总价的25%给予补贴。根据监测结果，一般水性漆改造后，末端只需要简单的集气设备高空排放气体即可达标，而传统油漆电子终端产品制造企业的末端治理成本约为总投资金额的0.5%左右，还不包括相应的运行费用。通过对比可知，采取源头改造可大大节约污染治理设施的建设和运行费用。从未来的可持续发展方面考虑，水性漆源头改造后不会额外增加企业太大的运营成本，可降低技术成本，倒逼产业技术升级。

2.2.2 末端治理设施资金需求

通过对电子产品生产企业的环保投资进行调查发现，企业进行环保投资占企业总投资的比例较低，一般不超过3%(总投资包括生产设备购置费和工程建设费)，不会给企业带来较大的经济影响。其中，半导体集成电路生产企业由于技术含量高、投资大，环保投资一般占总工程投资的1%～3%；LCD和LED生产企业由于其生产技术和工程建设的技术含量高、投资大，废气处理设备投资一般占总工程投资的0.5%；印制电路板企业的废气处理设施投资在0.5%以下；电子终端产品制造企业投入废气污染控制设施的费用约占工程总投资的0.45%～0.69%。

3 结论与建议

根据我国南方某城市工业VOCs污染现状分析，结合重点行业污染治理情况和措施现状，本文选取该市电子制造业为重点行业VOCs控制方案的设计对象，设计了针对该行业VOCs排放的控制方案。经初步测算，实施该控制方案后，该市电子制造业每年共削减4 195 tVOCs排放量，约占2014年电子制造业VOCs排放量的40.8%，有明显的减排效益。同时，对控制方案的技术和资金需求等进行了测算，电子终端产品的水性漆源头改造后不会额外增加企业太大的运营成本，可降低技术成本，倒逼产业技术升级；电子制造企业的环保投资占企业总投资的比例较低，一般不超过3%，不会给企业带来较大的经济影响。

该市半导体集成电路、LCD/LED和印制电路板等生产企业均属于技术密集型行业，投资较大、工艺较为成熟，这些企业大量使用目前市面仍无可代替的低挥发性有机溶剂造成VOCs排放量较大，因此建议该市这些企业进行末端治理，严格控制集气效率、排气浓度和厂界无组织排放浓度，并大力推广电子产品水性涂料使用；同时，政府应投入更多的资金大力扶持水性涂料改造基数，增加企业源头改造补助力度，尽快打开电子终端产品水性涂料市场。

相比传统涂料，水性涂料VOCs挥发量有所降低，但仍存在缓慢且长期挥发的状况，挥发物质包含有机胺、醇、醚类等物质，对人体危害极大；而且由于人类嗅觉的灵敏度不足以发现较低浓度VOCs的挥发，容易造成人体慢性中毒或其他不可预知的不良反应。因此，VOCs污染问题应成为激励涂料行业进行技术改良、推进产品技术升级工作的契机。

该市大部分企业虽安装了活性炭治理设施，却没有严格按照活性炭更换周期进行更换或进行相应的脱附处理，导致排气筒VOCs浓度不达标，因此建议企业综合考虑其排放的VOCs组分的复杂程度，采取有效的治理设施；同时，目前大部分排气扇和门窗等无法做到有效密封，建议对溶剂型生产线进行全密闭处理，使用集气系统进行废气收集，保证集气效率不低于90%。对于挥发量较大的工厂或园区，建议不仅可将VOCs作为废气进行简单的治理，而且可将VOCs进行富集，通过分子筛转轮吸附、真空脱附、冷凝回收等工艺，实现VOCs资源的回收与利用。

国家制定的固定源监测技术标准中规定的监测组分难以涵盖电子制造行业所有的VOCs组分，如LCD/LED中大量使用的光刻胶、剥离液、N-甲基吡咯烷酮、丙二醇甲醚醋酸酯等组分基本不在监测范围内，较难掌握真实的VOCs浓度排放水平，导致按监测浓度核算的VOCs排放量与物料衡算方法核算的VOCs排放量之间有较大的误差。因此，建议进一步提高VOCs监测技术能力，摸清行业或工艺过程的典型VOCs组分，以掌握企业VOCs浓度的排放水平。